ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΟΜΕAΣ ΓΕΝΙΚΗΣ και ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΟΜΕAΣ ΓΕΝΙΚΗΣ και ΑΝΟΡΓΑΝΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Π ΒΑΦΕΙΑ Η Πτυχιούχου Χηµικού ΜΕΛΕΤΗ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΤΙΟΞΕΙ ΩΤΙΚΗ ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΦΑΙΝΟΛΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΜΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗΣ ΟΜΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2004

ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Π ΒΑΦΕΙΑ Η ΜΕΛΕΤΗ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΤΙΟΞΕΙ ΩΤΙΚΗ ΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΦΑΙΝΟΛΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΜΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΥΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗΣ ΟΜΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τµήµα Χηµείας, Τοµέας Γενικής και Ανόργανης Χηµείας Ηµεροµηνία Προφορικής Εξέτασης: 8 Οκτωβρίου, 2004 Εξεταστική Επιτροπή Αν Καθηγητής ΕΓ Μπακάλµπασης, Επιβλέπων Καθηγητής ΚΑ Τσίπης, Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Αν Καθ Μ Τσιµίδου, Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Γ Κατσούλος, Εξεταστής Καθηγητής Α Βάρβογλης, Εξεταστής Αν Καθ ΜΠ Σιγάλας, Εξεταστής Λέκτορας ΒΣ Μελισσάς, Εξεταστής

Αναστάσιος Π Βαφειάδης ΑΠΘ Μελέτη φυσικοχηµικών παραµέτρων σχετικών µε την αντιοξειδωτική δραστικότητα φαινολικών ενώσεων µε υπολογιστικές µεθόδους ηλεκτρονιακής δοµής ISBN 960-630-317-9 «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από το Τµήµα Χηµείας του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέως» (Ν 5343/1932, άρθρο 202, παρ 2)

Στη µνήµη του πατέρα µου, στη µητέρα µου και σε όσους πλήρωσαν και θα πληρώσουν το τίµηµα της αξιοπρέπειάς τους

viii Περιεχόµενα 1 Εισαγωγή 1 11 Αντιοξειδωτικά 2 111 Μηχανισµοί δέσµευσης ελευθέρων ριζών 3 12 Παράµετροι που χαρακτηρίζουν την αντιοξειδωτική δραστικότητα 4 121 BDE 4 122 Ε i 6 123 PDE 7 13 ραστικότητα των αντιοξειδωτικών ενώσεων 7 131 Φαινόµενο των υποκαταστατών 7 132 Σχέση δοµής δραστικότητας 8 133 BDE 10 134 Ε i 11 135 PDE 12 136 Συµπεράσµατα για τη δράση των υποκαταστατών 13 14 Ανάγκη της θεωρητικής µελέτης στην αέρια φάση 15 15 Βιβλιογραφική ανασκόπηση 16 151 Μηχανισµός AT 17 152 Μηχανισµός SET 20 16 Σκοπός της διατριβής 21 Βιβλιογραφία 22 2 Θεωρητικό µέρος 26 21 Εισαγωγή 26 22 Η εξίσωση Schrödinger 27 23 προσέγγιση Born-ppenheimer 29 24 Η Μέθοδος artree-fock 30 241 Η περιοριστική (restricted) και µη περιοριστική (unresticted) προσέγγιση ΗF 34 25 Θεωρία συναρτησιακού παράγοντα πυκνότητας (DFT) 35 251 Συσχέτιση ηλεκτρονίου 35 252 Θεωρία συναρτησιακού παράγοντα πυκνότητας (DFT) 36 2521 Το πρώτο θεώρηµα ohenberg-kohn 37 2522 Το δεύτερο θεώρηµα ohenberg-kohn 38 2523 Η µέθοδος Kohn-Sham 38 2524 Η προσέγγιση τοπικής πυκνότητας (LDA) 40 2525 ιορθώσεις κλίσης 41 2526 Yβριδικοί συναρτησιακοί παράγοντες 42 26 Σύνολα Βάσης 44 261 Τροχιακά τύπου Slater (SΤΟ) 45 262 Τροχιακά τύπου Gaussian (GΤΟ) 45 263 Σύνολα βάσεις συµπυκνωµένων GT 46 264 Ελάχιστα και εκτεταµένα σύνολα βάσης 47 265 Συναρτήσεις πόλωσης 49 266 Συναρτήσεις διάχυσης 50 27 Γεωµετρία ισορροπίας του µορίου 51 271 Επιφάνεια υναµικής Ενέργειας (PES) 52

ix 272 Βελτιστοποίηση της Γεωµετρίας 54 273 Αλγόριθµοι βελτιστοποίησης της γεωµετρίας 55 28 Μοριακές συχνότητες δόνησης 57 281 Ενέργεια µηδενικού σηµείου 57 282 Θεωρητικός υπολογισµός συχνοτήτων 58 283 υσαρµονικότητα 60 29 Ενθαλπία 62 210 Ισοδεσµικές αντιδράσεις 63 211 Ηλεκτρονικές διαταραχές 64 2111 Επαγωγικό φαινόµενο 64 2112 Συζυγιακό φαινόµενο 65 2113 Παράµετροι ammett 66 2114 Παράµετροι Brown 67 Βιβλιογραφία 68 3 Υπολογιστικό µέρος 72 31 Υπολογισµοί DFT 72 32 Σύνολα βάσης 74 33 Υπολογισµός παραγόντων διόρθωσης (scale factors) 74 34 Υπολογισµός µέσης απόλυτης απόκλισης, MAD 77 35 Λογισµικό και Υπολογιστικά Συστήµατα 77 Βιβλιογραφία 77 4 Αποτελέσµατα-Συζήτηση 79 41 Εύρεση του βέλτιστου υπολογιστικού µοντέλου 79 411 Βέλτιστο σύνολο βάσης 80 4111 Συµπεράσµατα µελέτης συµβατικών συνόλων βάσης 83 4112 Συµπεράσµατα µελέτης αντισυµβατικών συνόλων βάσης 84 4113 Υπολογισµοί RB3LYP 84 4114 Επιλογή του βέλτιστου συνόλου βάσης 86 4115 Έλεγχος της αξιοπιστίας του συνόλου βάσης 6-31+G(,3pd) 86 Σύγκριση γεωµετρίας 86 Επιµόλυνση spin 89 4116 Παράγοντες διόρθωσης 89 42 Μελέτη της δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέσω της BDE 90 421 Τιµές BDE για φαινόλες µε υποκαταστάτες Ο και Μe 90 4211 Κατεχόλη 91 4212 Γουαϊακόλη 92 4213 Συριγγόλη 93 4214 Πυρογαλλόλη 94 422 Μονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 96 4221 ο-υποκατεστηµένες φαινόλες 97 Συσχετίσεις 99 4222 µ-υποκατεστηµένες φαινόλες 103 Συσχετίσεις 104 4223 π-υποκατεστηµένες φαινόλες 107 Συσχετίσεις 108 423 Γενικά συµπεράσµατα 110 43 Μελέτη της δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέσω του E i 113 431 Έλεγχος του υπολογιστικού µοντέλου 114

x 432 ο-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 116 433 µ-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 120 434 π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 124 435 Γενικά συµπεράσµατα 126 44 Μελέτη της δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέσω του PDE 129 441 Έλεγχος του υπολογιστικού µοντέλου 129 442 Γεωµετρία Ph + 131 443 Συσχετίσεις του µήκους δεσµού µε τις συχνότητες δόνησης 132 444 ο-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 134 4441 Ενδοµοριακός δεσµός υδρογόνου (ib) 134 4442 Μελέτη του PDE και συσχετίσεις 137 445 µ-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 140 446 π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 143 447 Γενικά Συµπεράσµατα 145 45 Γενικές παρατηρήσεις για τα υπό µελέτη είδη και για τους δύο µηχανισµούς αντιοξειδωτικής δράσης 148 451 Σχετικές σταθερότητες της µητρικής ένωσης, της ρίζας και της κατιονικής ρίζας 148 452 Προτεινόµενος µηχανισµός αντιοξειδωτικής δράσης 151 46 Μελέτη µερικών παραγώγων του βενζοϊκού οξέος 154 461 Τα µόρια που µελετήθηκαν και οι δοµές τους 154 4611 π-υδροξυβενζοϊκό οξύ (34) 155 4612 Πρωτοκατεχικό οξύ (35) 158 4613 Βανιλλικό οξύ (36) 159 4614 Συριγγικό οξύ (37) 160 4615 Παραγόµενες ρίζες 161 462 Αντιοξειδωτική δράση παραγώγων των βενζοϊκών οξέων 162 463 Σύγκριση αντιοξειδωτικής δράσης βενζοϊκών και κινναµωµικών οξέων 164 47 Μελέτη µερικών παραγώγων του φαινυλοξικού οξέος 167 471 Τα µόρια που µελετήθηκαν και οι δοµές τους 168 4711 π-υδροξυφαινυλοξικό οξύ 169 4712 Οµοπρωκατεχικό οξύ 169 4713 Οµοβανιλλικό οξύ 172 4714 Οµοσυριγγικό οξύ 173 472 Αντιοξειδωτική δράση παραγώγων των φαινυλοξικών οξέων 174 473 Σύγκριση αντιοξειδωτικής δράσης φαινυλοξικών και βενζοϊκών οξέων 175 Βιβλιογραφία 177 Γενικά Συµπεράσµατα 182 Ερευνητικές προοπτικές 185 Summary 186 Ευρετήριο Σχηµάτων 188 Ευρετήριο Πινάκων 192 Παράρτηµα 195

Πρόλογος Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Κβαντικής Χηµείας του Τµήµατος Χηµείας του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, από τον Μάρτιο του 2001 έως το Σεπτέµβριο του 2004 Μέρος των αποτελεσµάτων της διατριβής έχουν παρουσιαστεί, µε µορφή ανακοινώσεων, σε δύο διεθνή συνέδρια: 3 rd International Conference of the chemical Societies of the South-East European Countries on Chemistry in the New Millennium an Endless Frontier, Βουκουρέστι, 2002 και Free Radicals and xidative Stress: Chemistry, Biochemistry and Pathophysiological Implications, Ιωάννινα, 2003 Επίσης, από τη διατριβή, προέκυψαν δύο δηµοσιεύσεις σε έγκριτα, διεθνή περιοδικά: EG Bakalbassis, AΤ Lithoxoidou and AP Vafiadis, Journal of Physical Chemistry A, 107, 8594-8606 (2003) και A P Vafiadis and E G Bakalbassis, Journal of the American il Chemists Society, 80, 1217-1223 (2003) Ένα τρίτο άρθρο, έχει σταλεί για δηµοσίευση, ενώ σύντοµα, θα υποβληθούν για δηµοσίευση δύο ακόµη εργασίες Από το βήµα αυτό, θα ήθελα να εκφράσω τις θερµές µου ευχαριστίες στον επιβλέποντα, Αναπληρωτή Καθηγητή κ Ευάγγελο Μπακάλµπαση για την πρόταση του θέµατος, την αµέριστη ηθική και επιστηµονική του συµπαράσταση και την µακροθυ- µία που µου έδειξε καθ όλη τη διάρκεια της διατριβής, χάρη στον οποίον ξεκίνησα το µακρύ αυτό ταξίδι πριν τέσσερα χρόνια και χωρίς τον οποίον δε θα το ολοκλήρωνα Επίσης, για την δυνατότητα συµµετοχής µου σε ερευνητικό πρόγραµµα (ΠΕ- ΝΕ 99), µέσω του οποίου ενισχύθηκα οικονοµικά στο ξεκίνηµα της διατριβής Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω το µέλος της τριµελούς επιτροπής Καθηγητή κ Κωνσταντίνο Τσίπη, για τις παρατηρήσεις του και για τις υποδείξεις και διορθώσεις που συνέβαλαν στην αρτιότερη εµφάνιση του δοκιµίου της διατριβής Το µέλος της τριµελούς µου επιτροπής, την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια, κ Μαρία Τσιµίδου, ευχαριστώ πολύ για τις κοµβικές συστάσεις, τη βραχύβια αλλά ουσιαστική συνεργασία, τις συζητήσεις, που είχαµε όλο αυτό το διάστηµα και για τις υποδείξεις και διορθώσεις της διατριβής Ευχαριστώ επίσης, τον Καθηγητή κ Αναστάσιο Βάρβογλη και τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ Μιχαήλ Σιγάλα, για τις επισηµάνσεις τους που βοήθησαν στην αρτιότερη εµφάνιση της διατριβής

vii Το Λέκτορα, κ Βασίλη Μελισσά ευχαριστώ για τις χρήσιµες συζητήσεις και υποδείξεις του, ειδικότερα στο ξεκίνηµα της διατριβής Τον Αναπληρωτή Καθηγητή, κ Σπύρο Σπυρούδη για τη βοήθειά του σε όλες µου τις ερωτήσεις µου, που αφορούσαν την Οργανική Χηµεία Ευχαριστώ τον κ Κωνσταντίνο Ντακούλα, χάρη στον οποίο έγινα χηµικός Ευχαριστώ το διδάκτορα, κ Βασίλειο Τεµπερεκίδη για τις 2-3 πληροφορίες του, που µε γλίτωσαν από πολύ κόπο και χρόνο Ευχαριστώ τους γονείς µου για την εµπιστοσύνη, τη συµπαράσταση και την παιδεία, που µου πρόσφεραν Ιδιαίτερα ευχαριστώ την Alex, για την αµέριστη συµπαράστασή της, στο δεκαοκτάµηνο τρέξιµό µας, από το Φθινόπωρο του 2001 µέχρι την Άνοιξη του 2003, για τη δηµιουργία της Αίθουσας Μεταπτυχιακών Φοιτητών και Υποψήφιων ιδακτόρων Κβαντικής Χηµείας και για το ότι µε ανέχεται τόσα χρόνια Επίσης ευχαριστώ τους διευθυντές των Λυκείων, που αντικειµενικά εκτίµησαν τη θέση µου και έµµεσα, µε βοήθησαν να αντεπεξέλθω οικονοµικά, τα πέτρινα χρόνια Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους φίλους και µουσικούς, που µε συντρόφευαν όλο αυτό το διάστηµα και ειδικότερα τον αδελφό µου Γιάννη, το ιονύση, την Julianne και την Εύα Αναστάσιος Π Βαφειάδης Οκτώβριος 2004 TE BEST SURCE F KNWLEDGE IS DUBT Job cpu time: 4 years 2 days 0 hours 50 minutes 180 seconds File lengths (MBytes): RWF= 75 Int= 0 D2E= 0 Chk= 8 Scr= 1 Normal termination of Gaussian 98

1 Εισαγωγή Το µοριακό οξυγόνο της ατµόσφαιρας αποτελεί µια από τις βασικές αιτίες φθοράς των ζωντανών οργανισµών και ποιοτικής υποβάθµισης των προϊόντων που χρησιµοποιούνται στην καθηµερινή ζωή Το οξυγόνο, αφού εισαχθεί (κυρίως µέσω της αναπνοής) στους ζωντανούς οργανισµούς, µετασχηµατίζεται λόγω µεταβολισµού στις λεγόµενες ενεργές µορφές οξυγόνου (reactive oxygen species, RS) 1 Οι RS σε φυσιολογικά επίπεδα εξυπηρετούν αναγκαίες φυσιολογικές διεργασίες Σε υπερβολικές, όµως, συγκεντρώσεις στους ιστούς ή όταν το περιβάλλον το ευνοεί, η δράση τους είναι ανεπιθύµητη, καθώς οξειδώνουν πρωτεΐνες, DNA, λιπίδια και υδατάνθρακες Αυτή η οξείδωση προκαλεί πληθώρα παθήσεων, όπως ο καρκίνος, ο διαβήτης, η πρόωρη γήρανση, οι καρδιοπάθειες, η νόσος του Πάρκινσον, ο καταρράκτης κά [1] In vitro, το µοριακό οξυγόνο οδηγεί στην αλλοίωση σειράς βιοµηχανικών προϊόντων, όπως τα καύσιµα, τα λιπαντικά, τα φάρµακα, τα καλλυντικά, τα πολυµερή, τις χηµικές ενώσεις, τα τρόφιµα κά Ειδικότερα, όσον αφορά στα τρόφιµα, προκαλεί ο- ξείδωση των λιπιδίων που περιέχουν, µε σχηµατισµό οξυγονούχων ελευθέρων ριζών, ελαττώνοντας έτσι τη θρεπτική αξία και την οργανοληπτική τους ποιότητα [2] Σηµειώνεται πως τα λιπίδια 2 είναι σηµαντικά δοµικά ή/και λειτουργικά συστατικά 3 των τροφίµων, που ακόµα και σε µικρές ποσότητες όχι µόνο συνεισφέρουν στη γεύση, στην οσµή, στο χρώµα και στην υφή τους, αλλά προσδίδουν και την αίσθηση πληρότητας και κορεσµού [3,4] 1 Ο RS είναι ένας αθροιστικός όρος που περιλαµβάνει ρίζες του οξυγόνου όπως 2, ΟΗ, R R, ΝΟ και ΝΟΟ, αλλά και αρκετές µη ριζικές ενώσεις όπως ΗΟCl, 2 2, 3, 1 Ο 2 και ΟΝΟΟ Η λέξη ενεργές είναι ένας σχετικός όρος (πχ η 2 είναι πιο ενεργή από το 1 Ο 2, αλλά λιγότερο από το ΟΗ ή το ΗΟCl) 2 Ο όρος λιπίδια αναφέρεται σε µια πληθώρα οργανικών ενώσεων που περιλαµβάνει κυρίως, τριγλυκερίδια και σε µικρότερη αναλογία ελεύθερα λιπαρά οξέα, φωσφολιπίδια, όπως και άλλες ενώσεις που δεν είναι παράγωγα των λιπαρών οξέων (Βιταµίνη Α, τοκοφερόλες, κα) 3 Λειτουργικά, ονοµάζονται τα συστατικά στα οποία, εκτός των βασικών διατροφικών αναγκών, αποδίδονται και συγκεκριµένες ευεργετικές για την υγεία ιδιότητες

Εισαγωγή 2 11 Αντιοξειδωτικά Ο περιορισµός της in vino και in vitro οξείδωσης από το οξυγόνο, αποτελεί αναγκαιότητα για τους ζωντανούς οργανισµούς και αντίστοιχα επιµηκύνει το όριο ζωής των βιοµηχανικών προϊόντων Η προστασία από την οξειδωτική υποβάθµιση (oxidative degradation) εξασφαλίζεται συνήθως, µε την προσθήκη µικρών ποσοτήτων ενώσεων, που καλούνται α- ντιοξειδωτικά [2,5] Τα αντιοξειδωτικά χωρίζονται µε διάφορους τρόπους, ανάλογα µε την προέλευσή τους ή µε τον τρόπο δράσης τους Ως πρωτοταγή αναφέρονται εκείνα τα οποία διακόπτουν την αντίδραση διάδοσης της αυτοξείδωσης 4 των λιπιδίων, R (οργανικό υπόστρωµα), µε την παροχή ατόµων υδρογόνου Όλα τα γνωστά πρωτοταγή αντιοξειδωτικά έχουν φαινολική δοµή 5 και διακρίνονται σε συνθετικά και φυσικά [6] Η δραστικότητα των φαινολικών αντιοξειδωτικών [7], οφείλεται στην ικανότητά τους να δεσµεύουν τις ελεύθερες και υπεροξειδικές ρίζες, R και RΟΟ που παράγονται και διαδίδονται σύµφωνα µε τις αντιδράσεις [3]: R + R (R 11) R + Ο 2 RΟΟ (R 12) RΟΟ + R RΟΟ + R (R 13) Η ικανότητα τους καθορίζεται από την ευκολία απόσπασης του φαινολικού τους υδρογόνου και το σχηµατισµό σταθερής ρίζας (αντιδράσεις R 14 και R 15), η οποία εξαρτάται από την παρουσία υποκαταστατών ή/και στερεοχηµικών παρεµποδίσεων RΟΟ + ΑrΗ R + Αr (R 14) R + ΑrΗ R + Αr (R 15) Υπό ορισµένες συνθήκες, µερικά φαινολικά αντιοξειδωτικά καθίστανται λιγότερο δραστικά ή/και προοξειδωτικά (επιταχυντές οξείδωσης), προκαλώντας το ακριβώς αντίθετο αποτέλεσµα Τέτοιες περιπτώσεις υφίστανται όταν, για παράδειγµα, το 4 Αυτοξείδωση ονοµάζεται η οξείδωση που προκαλείται µε απευθείας αντίδραση του µοριακού οξυγόνου (της ατµόσφαιρας) µε τις οργανικές ενώσεις, κάτω από ήπιες συνθήκες 5 Με τον πληθυντικό όρο φαινόλες εννοούνται οι υποκατεστηµένες φαινόλες (βενζολικά υδροξυπαράγωγα, όπου το ΟΗ αποτελεί υποκαταστάτη του αρωµατικού δακτυλίου) Είναι δηλαδή, αρυλικές ε- νώσεις του τύπου, Ar

Εισαγωγή 3 φαινολικό αντιοξειδωτικό αντιδρά απ ευθείας µε το µοριακό οξυγόνο της ατµόσφαιρας και στη συνέχεια µε το οργανικό υπόστρωµα R [3] ΑrΗ + Ο 2 Αr + ΗΟ 2 (R 16) ΑrΟ + RΗ Αr + R (R 17) 111 Μηχανισµοί δέσµευσης ελευθέρων ριζών Ο ακριβής µηχανισµός απόσπασης του υδρογόνου υπήρξε αντικείµενο πολλών θεωρητικών ερευνών [2,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17] Ανάλογα µε το περιβάλλον και το εκάστοτε αντιοξειδωτικό δύο είναι οι επικρατέστεροι µηχανισµοί [18] Ο πρώτος (και περισσότερο θεωρητικά µελετηµένος) ονοµάζεται µηχανισµός µεταφοράς υδρογόνου (-atom transfer, AT) Σύµφωνα µ αυτόν, λαµβάνει χώρα οµολυτική σχάση του φαινολικού δεσµού του αντιοξειδωτικού Αr- µε ταυτόχρονη προσθήκη του Η, που προκύπτει, στην υπεροξειδική ρίζα R (R 14) Ο δεύτερος, καλείται µηχανισµός µεταφοράς µονήρους ηλεκτρονίου (single electron transfer, SET) και γίνεται σε δύο στάδια Στη διάρκεια του πρώτου σταδίου (R 18), αποµακρύνεται ένα µονήρες ηλεκτρόνιο από το Αr προς τη ρίζα RΟΟ, µετατρέποντάς το σε κατιοντική ρίζα, ΑrΗ + Στη διάρκεια του δεύτερου ταχύτατου σταδίου (R 19), αποπρωτονιώνεται η ΑrΗ + µε µεταφορά του Η + στο R που µετατρέπεται σε R RΟΟ + Αr R + ΑrΗ + (R 18) R + ΑrΗ + R + Αr (R 19) Είναι φανερό, ότι το τελικό αποτέλεσµα και των δύο µηχανισµών είναι το ίδιο Από στοιχειοµετρική άποψη δηλαδή, οι δυο µηχανισµοί είναι µη διακρινόµενοι και µόνο µε κινητικές µελέτες ή µε ανίχνευση της ενδιάµεσης κατιοντικής ρίζας είναι ε- φικτό να διακριθούν µεταξύ τους [12] εν είναι εύκολο λοιπόν να υποστηριχθεί ποιος µηχανισµός επικρατεί in vivo Κατά πάσα πιθανότητα δε λαµβάνει χώρα ο ένας ή ο άλλος µηχανισµός µεµονωµένα, αλλά και οι δυο ταυτόχρονα Κάθε φορά όµως, ανάλογα µε το περιβάλλον και το α- ντιοξειδωτικό, συµβαίνουν µε διαφορετικές ταχύτητες [14]

Εισαγωγή 4 12 Παράµετροι που χαρακτηρίζουν την ικανότητα δέσµευσης των ελεύθερων ριζών Η εκτίµηση της ικανότητας δέσµευσης των ελευθέρων ριζών µέσω της απόσπασης του Η από τις φαινολικές αντιοξειδωτικές ενώσεις αποτελεί σηµαντικό πεδίο έρευνας των πειραµατικών χηµικών [6] Οι πειραµατικές τεχνικές προϋποθέτουν την εύρεση, την αποµόνωση και την ταυτοποίηση των αντιοξειδωτικών ενώσεων, διαδικασία, που ορισµένες φορές δεν ολοκληρώνεται, λόγω του ευοξείδωτου χαρακτήρα των ενώσεων Έτσι, το ερευνητικό ενδιαφέρον αυξάνεται συνεχώς για τις δυνατότητες που προσφέρουν οι θεωρητικές µελέτες στον υπολογισµό των φυσικοχηµικών παραµέτρων, που περιγράφουν τους πιθανούς µηχανισµούς δέσµευσης των ελευθέρων ριζών 121 BDE Στο µηχανισµό AT, η τάξη της αντίδρασης του R µε τη R εξαρτάται από το ενεργειακό φράγµα µεταφοράς της ρίζας Η από το R Προφανώς, το ίδιο ισχύει και για το αντιοξειδωτικό ΑrΗ Όσο η αντίδραση (R 14) γίνεται πιο εξώθερµη το φράγµα ελαττώνεται και το αντιοξειδωτικό αντιδρά γρηγορότερα µε το R (και τις υπόλοιπες ελεύθερες ρίζες R που ενδιαφέρουν), παρεµποδίζοντας έτσι την αντίδρασή τους µε το R Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι η φυσικοχηµική παράµετρος που καθορίζει την ικανότητα της οµολυτικής απόσπασης του υδρογόνου µε τη µορφή ρίζας είναι η ενθαλπία διάσπασης δεσµού (Bond Dissociation Enthalpy, BDE), η οποία δίνει ποσοτικό χαρακτήρα στην ενδόθερµη αντίδραση (R 110) Η τιµή της BDE, για το εκάστοτε Αr, αποτελεί ένα σηµαντικό παράγοντα χαρακτηρισµού της δραστικότητάς του ως αντιοξειδωτικό, αφού όσο πιο ασθενής είναι ο δεσµός Ο-Η, τόσο πιο λίγη θερµότητα θα χρειάζεται για να διασπαστέι (µικρότερη τιµή BDE) και τόσο πιο γρήγορη θα είναι η αντίδρασή του µε τις ελεύθερες ρίζες [14] ΑrΗ Αr + (R 110) Η ΒDE υπολογίζεται µε πολλούς τρόπους πειραµατικά [19], ένας από τους ο- ποίους βασίζεται στο τύπο [20] BDE ΑrΗ = 137pK ΑrΗ + 231E ox (Αr ) + C (11)

Εισαγωγή 5 όπου, K A η σταθερά της χηµικής ισορροπίας (της αντίδρασης (R 110) σε αµφίδροµη µορφή), E ox το δυναµικό ιοντισµού του ανιόντος Αr και C µια εµπειρική σταθερά 6, που για την εξίσωση (11) έχει τιµή 733 kcal/mol Θεωρητικά (αλλά και πειραµατικά) η BDE υπολογίζεται µε βάση την αντίδραση (R 110) οµολυτικής διάστασης του δεσµού Αr-Η (βλ Σχήµα 11): Συγκεκριµένα, η τιµή της ΒDE προκύπτει από τη διάφορα ενθαλπίας σχηµατισµού Η των αντιδρώντων (ένα στην προκειµένη περίπτωση) από τα προϊόντα [21] BDE = Η ο 298 = ο f (Αr ) + ο f ( ) ο f (ΑrΗ) (12) όπου ο f (Αr ), ο f ( ) και ο (ΑrΗ), οι ενθαλπίες σχηµατισµού της ρίζας f Αr, της ρίζας του υδρογόνου και του αντιοξειδωτικού ΑrΗ, αντίστοιχα Το ΑrΗ αναφέρεται και ως µητρική (mother) ή γονική (parent) ένωση Για να µπορεί να συγκριθεί µε τα πειραµατικά δεδοµένα, η Η πρέπει να αναφέρεται σε πρότυπες συνθήκες και σε θερµοκρασία περιβάλλοντος (T = 298 Κ), οπότε συµβολίζεται ως Η ο 298 X - e - (E i ) SET X - (BDE) AT - + (PDE) X Σχήµα 11 : Οι δύο πιθανοί µηχανισµοί απόσπασης υδρογόνου και οι παράµετροι περιγραφής τους, των υποκατεστηµένων φαινολικών αντιοξειδωτικών 6 Η C περιλαµβάνει την ελεύθερη ενέργεια σχηµατισµού του ατόµου του υδρογόνου, µαζί µε εκτιµήσεις των ενεργειών διάλυσης (solvation) που χρειάζονται για να συσχετιστούν οι ελεύθερες ενέργειες σε διάλυµα µε την τιµή της Η ο σε αέρια φάση

Εισαγωγή 6 Πολλές φορές στις εργασίες, η BDE αναφέρεται λανθασµένα ως ενέργεια Αυτό δεν είναι σωστό διότι η πραγµατική (πειραµατική) θερµοδυναµική ποσότητα δεν είναι η ενέργεια, αλλά η ενθαλπία (βλ Κεφ 29) Υπενθυµίζεται, ότι η διαφορά της ενέργειας από την ενθαλπία είναι ο ενεργειακός όρος PV 122 Ε i Στο πρώτο στάδιο του µηχανισµού SET (ακολουθώντας την ίδια µεθοδολογία µε τη BDE) η φυσικοχηµική παράµετρος, που καθορίζει την ευκολία µεταφοράς ενός µονήρους ηλεκτρονίου στη RΟΟ (R 18), είναι το αδιαβατικό δυναµικό ιοντισµού (ionization potential, Ε i ) 7 του ΑrΗ στους Τ = 0 Κ [12] (βλ Σχήµα 11) Αr ΑrΗ + + e - (R 111) Το Ε i υπολογίζεται θεωρητικά, από τη διαφορά µεταξύ της ενέργειας (όχι της ενθαλπίας) E 0, στους Τ = 0 Κ, της µητρικής ένωσης και της ενέργειας της κατιοντικής ρίζας Ε i = E 0 (Αr + ) E 0 (ΑrΗ) (13) Η αντίδραση (R 111) εξ ορισµού είναι ενδόθερµη, οπότε όσο µεγαλύτερη τιµή έχει το Ε i τόσο δυσκολότερα θα αποσπάται το ηλεκτρόνιο από το ΑrΗ και τόσο θα µειώνεται η ικανότητά του να δράσει ως αντιοξειδωτικό Επίσης, το Ε i µπορεί να υπολογισθεί θεωρητικά και µε βάση το θεώρηµα του Koopmans (βλ Κεφ 24) Σύµφωνα µε αυτό, η αντίθετη ιδιοτιµή ( ε i ) του M ενός µορίου ταυτίζεται µε το Ε i Πειραµατικά, το Ε i µπορεί να προσδιορισθεί µε φασµατοµετρία µαζών φωτοϊοντισµού (photoionization mass spectrometry) [22], τεχνικές πρόσκρουσης ηλεκτρονίων 8 (electron impact) [23,24,25,26,27], φωτοηλεκτρική φασµατοσκοπία (photoelectron spectroscopy) [28,29,30] κά Μια µεγάλη διαδικτυακή βάση δεδοµένων πειρα- µατικών Ε i παρέχεται από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (National Institute of Standards and Technology, NIST) [31] Αξίζει να τονιστεί ότι η ύπαρξη χαµηλών τιµών BDE και Ε i δεν αποτελεί την ικανή και αναγκαία συνθήκη για την αντιοξειδωτική δραστικότητα των εκάστοτε ε- 7 Σε πολλές εργασίες συµβολίζεται ΙP 8 Οι τιµές (Ε i ) που υπολογίζονται µε τη µέθοδο αυτή είναι κατά 03 µε 06 ev ψηλότερες από τις τιµές της φασµατοφωτοµετρίας µαζών φωτοϊοντισµού [23]

Εισαγωγή 7 νώσεων Σε περίπτωση που οι τιµές αυτές είναι πολύ χαµηλές, τα µόρια µπορεί να δράσουν προοξειδωτικά, προκαλώντας το αντίθετο ακριβώς αποτέλεσµα [14] 123 PDE Για την πλήρη µελέτη των αντιοξειδωτικών µηχανισµών θεωρείται απαραίτητο να µελετηθεί και το δεύτερο στάδιο του µηχανισµού SET (R 19) Τα τελευταία χρόνια άρχισε σποραδικά η µελέτη της ικανότητας αποπρωτονίωσης των κατιοντικών ριζών [32,33,34,35] Η φυσικοχηµική παράµετρος που περιγράφει αυτήν την ικανότητα προσφοράς πρωτονίου έχει µελετηθεί λιγότερο απ όλους και είναι (κατ αντιστοιχία µε τη BDE) η ενθαλπία απόσπασης πρωτονίου (Proton Dissociation Enthalpy, PDE) [14,17] (βλ Σχήµα 11) Αr + Αr + Η + (R 112) Η PDE ορίζεται όπως και η BDE, και υπολογίζεται θεωρητικά σύµφωνα µε το τύπο: PDE = 0 f (Αr ) + 0 f (+ ) 0 f (ΑrΗ + ) (14) Γίνεται φανερό ότι, όσο µεγαλύτερη τιµή έχει η PDE τόσο δυσκολότερα αποπρωτονιώνεται η κατιοντική ρίζα 13 ραστικότητα των αντιοξειδωτικών ενώσεων Η τιµή των φυσικοχηµικών παραµέτρων (BDE, Ε i και PDE) και κατ επέκταση, η ικανότητα δράσης της εκάστοτε ουσίας ως αντιοξειδωτικού, εξαρτάται για την αέρια φάση από τα δοµικά χαρακτηριστικά της 9 Συγκεκριµένα, για τις φαινολικές ε- νώσεις, οι τιµές των παραµέτρων είναι φυσικό να εξαρτώνται από τους υποκαταστάτες και τα φαινόµενά τους, που εισάγονται στο φαινολικό δακτύλιο [36] 131 Φαινόµενο των υποκαταστατών Τα φαινόµενα των υποκαταστατών µπορούν να αναλυθούν στα i) ηλεκτρονιακά φαινόµενα που εισάγονται στον αρωµατικό δακτύλιο, ii) στα στερεοχηµικά φαινόµενα και iii) στην ύπαρξη ή µη του δεσµού υδρογόνου Τα ηλεκτρονιακά φαινόµενα µε 9 Όπως και από τη θερµοκρασία και τη συγκέντρωση

Εισαγωγή 8 τη σειρά τους, µπορούν να αναλυθούν στα πολικά φαινόµενα, που περιγράφονται από την παράµετρο σ (βλ Κεφ 2113), και στη διάχυση spin 10, που περιγράφεται από την τιµή της ατοµικής πυκνότητας spin Τα πρώτα αποτελούνται από το επαγωγικό φαινόµενο, Ι, που περιγράφεται από την παράµετρο F, και το συζυγιακό φαινόµενο, R, που περιγράφεται από την παράµετρο R (βλ Σχήµα 12) ιευκρινίζεται ότι τα ηλεκτρονιακά φαινόµενα αποτελούν ένα µέρος των φαινοµένων υποκατάστασης και δεν ταυτίζονται µ αυτά, όπως ενίοτε αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία [37,38,16] Η εξάρτηση των παραµέτρων από τα φαινόµενα των υποκαταστατών οφείλεται στη µεταβολή που αυτά επιφέρουν στην ενέργεια της βασικής κατάστασης του µορίου [39] (κατ επέκταση και στην ενθαλπία του) Η αλλαγή της ενέργειας οδηγεί σε σταθεροποίηση ή αποσταθεροποίηση των µορίων Φαινόµενα των υποκαταστατών Ηλεκτρονιακά φαινόµενα Πολικά φαινόµενα (σ) ιάχυση spin Επαγωγικό φαινόµενο (F) Συζυγιακό φαινόµενο (R) Στερεοχηµικά φαινόµενα εσµός Υδρογόνου Σχήµα 12 : Ανάλυση των φαινοµένων των υποκαταστατών 132 Σχέση δοµής δραστικότητας Η αποσαφήνιση και πλήρης µελέτη των φαινοµένων των υποκαταστατών που καθορίζουν την BDE, το Ε i και την PDE αποτελεί αναγκαιότητα για τη συσχέτιση της δοµής µε την αντιοξειδωτική δραστικότητα των φαινολικών ενώσεων, τη λεγόµενη σχέση δοµής-δραστικότητας (structure activity relationship, SAR) [40] Κάθε µια φυσικοχηµική παράµετρος (BDE, Ε i, PDE), είναι διττά εξαρτώµενη Για παράδειγµα, η BDE εξαρτάται και από την ενθαλπία σχηµατισµού της µητρικής 10 Προφανώς, µόνο για την περίπτωση ριζικών ενώσεων

Εισαγωγή 9 ένωσης, ο (Αr) και της ρίζας της, f ο f (Αr ) 11 {εξίσωση (12)} Αυτό σηµαίνει ότι τα φαινόµενα των υποκαταστατών πρέπει να µελετηθούν ξεχωριστά, για το κάθε είδος ένωσης, δηλαδή τις (ουδέτερες) ρίζες, τις κατιοντικές ρίζες και τις µητρικές ε- νώσεις και ύστερα να εξαχθούν τα συµπεράσµατα για τη µεταβολή που θα υποστεί η εκάστοτε παράµετρος ηλαδή, για την περίπτωση της BDE µιας ένωσης, θα πρέπει να µελετηθεί και η µητρική ένωση και η ρίζα της Όπως αναφέρεται στο Κεφ 29, φυσική σηµασία στον πραγµατικό κόσµο έχουν οι διαφορές των ιδιοτήτων Αυτό σηµαίνει ότι, πχ για την ενθαλπία σχηµατισµού ο f (Χ) µιας ένωσης, δεν ενδιαφέρει καθόλου η απόλυτη τιµή της, αλλά η σχετική, ως προς την ενθαλπία µιας συγγενικής ένωσης Θέτοντας λοιπόν ως βάση την ενθαλπία της απλής (µη υποκαταστηµένης) φαινόλης εξάγονται συµπεράσµατα για τη σταθεροποίηση ή αποσταθεροποίηση της εκάστοτε υποκατεστηµένης φαινόλης Η κατάστρωση κατάλληλων ισοδεσµικών εξισώσεων βοηθά στον υπολογισµό της σχετικής σταθερότητας µιας ένωσης [37,14] (βλ Κεφ 210) Για κάθε ένα είδος ένωσης (ρίζα, κατιοντική ρίζα, µητρική) και για κάθε θέση υποκατάστασης (o-, µ-, π-) πρέπει να καταστρωθεί µια ισοδεσµική εξίσωση Αυτό σηµαίνει εννιά διαφορετικές εξισώσεις (τρεις για την κάθε θέση) Συγκεκριµένα, για τον υπολογισµό του φαινοµένου που επιφέρει ο υποκαταστάτης Χ στη φαινολική ρίζα (Phenoxyl Radical Effect, PRE), ή γενικότερα (όχι µόνο στη φαινολική ρίζα), το φαινόµενο ρίζας (Radical Effect, RE) [37], καταστρώνονται οι εξής τρεις ισοδεσµικές εξισώσεις, µια για την κάθε διαφορετική θέση του υποκαταστάτη Χ στο φαινολικό δακτύλιο: X + + X (R 113) X X + + (R 114) X X + + (R 115) 11 Η ενθαλπία του ατόµου του υδρογόνου προφανώς δεν εξαρτάται από τους υποκατάστατες και είναι πάντα η ίδια, οπότε υπεισέρχεται στον υπολογισµό της τιµής της BDE, ως σταθερά

Εισαγωγή 10 Ανάλογα, καταστρώνονται τρεις ισοδεσµικές εξισώσεις για τον υπολογισµό του φαινοµένου που επιφέρει ο Χ στη φαινολική κατιοντική ρίζα (Phenoxyl Cation Radical Effect, PCE) X + + + X + (R 116) X X + + + + (R 117) X X + + + + (R 118) Τέλος, οι τρεις ισοδεσµικές εξισώσεις για τον υπολογισµό του φαινοµένου που επιφέρει ο Χ στη µητρική φαινόλη (Phenol Ground-State Effect, PGE), ή γενικότερα, το φαινόµενο βασικής κατάστασης (Ground-State Effect, GE) [37] είναι: X + + X (R 119) X X + + (R 120) X X + + (R 121) Σηµειώνεται ότι οι αρνητικές τιµές των PRE, PCE και PGE συµβολίζουν σταθεροποίηση των µορίων, ενώ οι θετικές, αποσταθεροποίηση Επίσης, τονίζεται ότι η σταθεροποίηση ή αποσταθεροποίηση είναι µεγαλύτερη στις ρίζες και στα φορτισµένα µόρια, τα οποία είναι πιο ευαίσθητα σε τέτοιες µεταβολές, από ό,τι στα ουδέτερα µόρια [14,20] 133 BDE Με την αφαίρεση της εξίσωσης (R 119) από την εξίσωση (R 113) απαλείφονται τα βενζόλια και προκύπτει η: X + + X (R 122) αφαιρώντας την εξίσωση (R 120) από την εξίσωση (R 114) προκύπτει η:

Εισαγωγή 11 X X + + (R 123) και αφαιρώντας την εξίσωση (R 121) από την εξίσωση (R 115) προκύπτει η: X X + + (R 124) Η κάθε µια εκφράζεται από τη σχέση: TE = RE GE = PRΕ PGΕ (15) Η εξίσωση (15) δεν είναι τίποτ άλλο από το ολικό φαινόµενο (Total Effect, TE) του υποκατάστατη Χ (σε o-, µ-, π-θέση) στη µεταβολή της BDE Το ΤΕ προκύπτει από τη διαφορά της τιµής BDE Χ της υποκαταστηµένης φαινόλης από την τιµή ΒDE Η της α- πλής φαινόλης Αυτό γίνεται καλύτερα κατανοητό δίνοντας το παράδειγµα, για την π-θέση, στο οποίο η ΒDE Η δίνεται από την: ενώ η ΒDE Χ από την: + (R 125) X X + (R 126) Η σχετική BDΕ (για την π-θέση) ορίζεται από την αφαίρεση της εξίσωσης (R 125) από την (R 126), η οποία οδηγεί στην εξίσωση (R 122) ΒDE = ΒDE X ΒDE = ΤΕ = PRΕ PGΕ (16) Η BDΕ, όπως και ο ταυτόσηµος όρος ΤΕ, είναι η µία από τις ποσοτικές εκφράσεις της σχέσης δοµής-δραστικότητας Οι άλλες είναι η Ε i και η PDΕ Εν κατακλείδι, όταν γίνεται αναφορά στη µεταβολή που θα υποστεί η BDE ση- µαίνει ότι θεωρείται µια τιµή της, ως τιµή αναφοράς και µελετάται η µεταβολή αυτής της τιµής µε την εισαγωγή των υποκαταστατών Ως τιµή αναφοράς λαµβάνεται η BDE της απλής φαινόλης (χωρίς κανένα υποκατάστατη), η οποία δεν εµφανίζει καθόλου αντιοξειδωτική δράση [14] 134 Ε i Ανάλογα ορίζεται και η σχετική τιµή του Ε i ως προς τη φαινόλη:

Εισαγωγή 12 X X + + + + (R 127) η οποία εκφράζει η Ε i ως τη διαφορά της τιµής Ε iχ της ο-, µ- ή π-υποκαταστηµένης φαινόλης από την τιµή Ε iη της απλής φαινόλης Ε i = Ε ix Ε i = PCΕ PGΕ (17) Το Ε iη δίνεται από την: + + e - (R 128) ενώ το Ε iχ από την: X X + + e - (R 129) Η (R 127) ουσιαστικά είναι η αφαίρεση της εξίσωσης (R 128) (για την περίπτωση της π-υποκατάστασης) από την εξίσωση (R 129) Ανάλογα µε τη µελέτη, η ένωση αναφοράς (για την περίπτωση του Ε i ) µπορεί να µην είναι η φαινόλη αλλά το βενζόλιο [23,13] Γι αυτήν την περίπτωση η ισοδεσµική εξίσωση που θα εκφράζει η Ε i θα είναι: X X + + + + (R 130) και Ε i = Ε iχ Ε iβenz (18) 135 PDE X Τέλος, η σχετική τιµή του PDE ως προς τη φαινόλη ορίζεται από την: + + + + (R 131) X η οποία εκφράζει τη PDE της ο-, µ- ή π-x-ar + PDE = PDE X PDE = PRE PCE (19) Η PDE Η δίνεται από την εξίσωση: ενώ η PDE Χ από την: + + + (R 132)

Εισαγωγή 13 X X + + + (R 133) Όµοια, η εξίσωση (R 131) (για την περίπτωση της π-υποκατάστασης) προκύπτει από την αφαίρεση της εξίσωσης (R 132) από την (R 133) 136 Συµπεράσµατα για τη δράση των υποκαταστατών Με την ανάλυση, σ ένα πρώτο επίπεδο, των επιµέρους φαινοµένων των υποκαταστατών, είναι πλέον εφικτό να εξαχθούν ποιοτικά συµπεράσµατα για τη µεταβολή που θα υποστεί η εκάστοτε φυσικοχηµική παράµετρος Με µια πρώτη εκτίµηση, µπορεί να ειπωθεί, ότι η τιµή της BDE αυξάνεται µε την εισαγωγή ενός υποκαταστάτη δέκτη ηλεκτρονίων (βλ Κεφ 211), γεγονός που πρώτος διατύπωσε οι Zavitas και Pinto [41] για το τολουόλιο και επιβεβαιώθηκε κατόπιν πειραµατικά από τους Pryor et al [42] Σύµφωνα µε τους Bordwell et al [43], αυτό συµβαίνει, επειδή ο δεσµός Ο-Η ισχυροποιείται, λόγω της ελάττωσης της ηλεκτρονιακής πυκνότητάς του, που προκαλείται από ένα δέκτη ηλεκτρονίων, µε αποτέλεσµα την αύξηση της BDE (Σχήµα 12α) Αντίθετα, ένας δότης ηλεκτρονίων εξασθενεί το δεσµό µε την αύξηση της πυκνότητας, µειώνοντας την BDE {(Σχήµα 12 (β)} Ο ισχυρισµός των Bordwell et al για την εξήγηση της αύξησης του BDE µε την εισαγωγή δέκτη ηλεκτρονίων, έρχεται σε αντίθεση µε τις θεωρητικές µελέτες Οι υ- πολογισµοί δείχνουν ότι ο δεσµός ισχυροποιείται µε την αύξηση της ηλεκτρονιακής πυκνότητας και όχι το αντίθετο [44,45] Συµπεραίνεται λοιπόν, ότι η τάση αλλαγής της BDE δεν µπορεί να συσχετιστεί µε τις αλλαγές στις ιδιότητες του δεσµού αυτού καθ εαυτού [46] N - C + δ+ δ- N δ+ (α) N (β) δ- + - δ+ δ- Σχήµα 12 : Αλληλεπιδράσεις διπόλων-διπόλων σε π-υποκατεστηµένες φαινόλες α) υποκαταστάτης δότης ηλεκτρονίων, β) υποκαταστάτης δέκτης ηλεκτρονίων

Εισαγωγή 14 Με την προσθήκη των PRΕ και PGE για την περίπτωση του δέκτη, επεκτείνεται το σχήµα των Wu και Lai [37] (Σχήµα 13) που εµφανίζει τη διαφοροποίηση που προκαλείται στην τιµή της BDE, µε την εισαγωγή τόσο ενός δέκτη όσο και ενός δότη ηλεκτρονίων σε π-θέση Σύµφωνα λοιπόν, µε τους Wu και Lai ένας υποκαταστάτης δέκτης ηλεκτρονίων σταθεροποιεί (PGE < 0) τη µητρική ένωση, µέσω του βενζολικού δακτυλίου, λόγω καλύτερης π-διάχυσης και αποσταθεροποιεί τη ρίζα (PRE > 0) Αυτό σηµαίνει ότι µειώνεται η τιµή της ενθαλπίας της µητρικής ένωσης και αυξάνεται της ρίζας Έτσι, µε βάση την εξίσωση (12), η τιµή της ΒDΕ θα αυξηθεί A PRE D Η A > Η Η Η Η Η D < Η Η PGE A D Σχήµα 13 ιαφοροποίηση της τιµής της BDE µε την εισαγωγή δέκτη (A) και δότη (D) ηλεκτρονίων σε π-θέση Αντίθετα, ένας δότης ηλεκτρονίων αποσταθεροποιεί τη µητρική ένωση και σταθεροποιεί τη ρίζα Αυτό σηµαίνει ότι αυξάνεται η τιµή της ενθαλπίας της µητρικής ένωσης και µειώνεται της ρίζας, µε αποτέλεσµα τη µείωση της BDE σταθεροποίηση ή αποσταθεροποίηση της ρίζας είναι διττό φαινόµενο και ε- ξαρτάται από τα πολικά φαινόµενα του υποκαταστάτη και από τη διάχυση spin της ρίζας του οξυγόνου Πιο συγκεκριµένα, οι δότες ηλεκτρονίων αυξάνουν το αρνητικό φορτίο της ρίζας του οξυγόνου και µειώνουν την πυκνότητα του spin του Τα δύο αυτά φαινόµενα δρουν συνεργιστικά, σταθεροποιώντας τη ρίζα Στους δέκτες αντίθετα, δρουν ανταγωνιστικά, αφού η µείωση του spin που προκαλούν, σταθεροποιεί τη ρίζα, αλλά η µείωση του αρνητικού φορτίου του οξυγόνου την αποσταθεροποιεί Το γεγονός όµως, ότι το πολικό φαινόµενο είναι πιο σηµαντικό από τη διάχυση spin, οδηγεί στην αποσταθεροποίηση της ρίζας [37]

Εισαγωγή 15 Για την εξαγωγή συµπερασµάτων, σχετικά µε τις τιµές των Ε i και PDE, πρέπει να µελετηθούν και οι κατιοντικές ρίζες Όπως αναφέρθηκε προηγούµενα, οι τελευταίες έχουν µελετηθεί σποραδικά, µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει γι αυτές στη βιβλιογραφία κάποια εκτενής και διεξοδική συζήτηση Αυτό οφείλεται στο ότι η πειραµατική µελέτη τους είναι δύσκολη, λόγω του πολύ µικρού χρόνου ζωής τους [33] 14 Ανάγκη της θεωρητικής µελέτης στην αέρια φάση Οι βιοχηµικές αντιδράσεις αναφέρονται σε σχετικά µικρές ενεργειακές µεταβολές µεταξύ προϊόντων και αντιδρώντων Το ίδιο ισχύει και για τις αντιδράσεις αλλοίωσης των τροφίµων Αυτή η αρχή αποτελεί αξίωµα, επειδή µεγάλες ενεργειακές µεταβολές δε µπορούν να αξιοποιηθούν από το κύτταρο και οδηγούν σε διαταραχή των κυτταρικών διαδικασιών ή/και σε κυτταρικό θάνατο [47] Έτσι, βιοχηµικές αντιδράσεις στις οποίες διασπάται ένας δεσµός αποτελούν ζεύγος µε αυτές στις οποίες δη- µιουργείται ένας καινούργιος δεσµός Παραδείγµατα τέτοιων ζευγών συναντώνται στην αναπνευστική αλυσίδα Πολλές από αυτές τις αντιδράσεις περιλαµβάνουν αλλαγές σε απλούς δεσµούς που περιέχουν υδρογόνο, όπως Ν Η, C Η, Ο Η Πιο συγκεκριµένα, πραγµατοποιούνται αντιδράσεις i) µεταφοράς πρωτονίου, όπου τα άτοµα Ν, C ή Ο αποπρωτονιώνονται, ii) µεταφοράς ηλεκτρονίων, σε οξειδοαναγωγικούς βιολογικούς κύκλους και iii) ελευθέρων ριζών που περιλαµβάνουν µεταφορά ενός ατόµου υδρογόνου Με την πρόοδο των σύγχρονων θεωρητικών υπολογιστικών τεχνικών, είναι δυνατόν να υπολογισθεί η θερµότητα διάσπασης του δεσµού Ο Η (και γενικά Χ Η), µε ακρίβεια 1 kcal/mol για την αέρια φάση Βέβαια, για να είναι επιτυχής µια τέτοια ε- φαρµογή στην οργανική χηµεία σε διάλυµα και στη βιοχηµεία γενικότερα, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τα φαινόµενα διάλυσης, ακόµα και σε πολυφασικά συστήµατα Αυτές όµως οι προεκτάσεις θα είχαν µικρή σηµασία, αν πρώτα η συµπεριφορά στην αέρια φάση δεν µπορούσε να υπολογιστεί µε ακρίβεια [48] Όταν επιτευχθεί ο ακριβής υπολογισµός των φυσικοχηµικών παραµέτρων (σε σχέση πάντα µε τα πειραµατικά δεδοµένα), µε βάση ένα συγκεκριµένο θεωρητικό υπολογιστικό µοντέλο, τότε µπορούν να εξαχθούν, µε αρκετή ασφάλεια, τιµές και συµπεράσµατα για µόρια που είτε δεν έχουν παρασκευαστεί ακόµα, είτε το πείραµα

Εισαγωγή 16 γι αυτά δεν είναι εφικτό 12 Έτσι οι πειραµατικοί χηµικοί γλιτώνουν από άσκοπη προσπάθεια και οδηγούνται προς τη σωστή κατεύθυνση έρευνας Η επαγωγική αυτή µεθοδολογία αποτυπώνεται στο Σχήµα 14 Θεωρητικός υπολογισµός για γνωστά µόρια Συµφωνία µε πειραµατικά δεδοµένα Θεωρητικός υπολογισµός για µη µελετηµένα µόρια Ασφαλή αποτελέσµατασυµπεράσµατα Σχήµα 14 : Επαγωγική µεθοδολογία θεωρητικής µελέτης ιδιοτήτων Επίσης, µε βάση τη θεωρητική µελέτη, µπορεί να γίνει σαφής διάκριση των διαµορφοµερών, βοηθώντας έτσι στην αποσαφήνιση των µορίων που λαµβάνουν µέρος στην αντίδραση, σε αντίθεση µε πολλές πειραµατικές τεχνικές οι οποίες αποδίδουν ένα µέσο όρο τιµών [49] Η ανεπαρκής γνώση της δοµής και της στερεοχηµείας της ενεργής πλευράς ενός µορίου, συχνά εµποδίζει τη λεπτοµερή κατανόηση των διάφορων µηχανισµών Τα πειράµατα πολλές φορές δε βοηθούν στην κατανόηση αυτής της διαδικασίας Ακόµη και όταν η δοµή του µορίου είναι διαθέσιµη, υπάρχουν αµφιβολίες για τον ακριβή µηχανισµό της αντίδρασης Οι θεωρητικοί υπολογισµοί µπορούν να αποτελέσουν ένα επιπλέον βέλος στη φαρέτρα του χηµικού (και του επιστήµονα γενικότερα), στη προσπάθειά του να διασαφηνίσει, τι ακριβώς συµβαίνει στο ενεργό κέντρο του µορίου 15 Βιβλιογραφική ανασκόπηση Υπάρχουν αρκετές θεωρητικές µελέτες για το χαρακτηρισµό της αντιοξειδωτικής ικανότητας των φαινολικών ενώσεων στην αέρια φάση Οι µελέτες αυτές, ως επί το πλείστον, εστιάζονται στις φυσικοχηµικές παραµέτρους που χαρακτηρίζουν τους δύο µηχανισµούς, την ΒDE, για τον πρώτο (AT), το Ε i και την PDE, για το δεύτερο (SET) 12 Το πείραµα µερικές φορές, µπορεί να είναι πολύ δύσκολο, ακόµα και αδύνατο να ολοκληρωθεί, λόγω αστάθειας των αντιδρώντων ή/και τεχνικής αδυναµίας

Εισαγωγή 17 151 Μηχανισµός AT Η πιο παλιά θεωρητική µελέτη (ιστορικής σηµασίας πλέον) ανήκει στους Stein et al [37] Σ αυτή µελετήθηκαν οι τιµές BDE σε δεκατρείς µονοϋποκατεστηµένες σε ο-, µ- και π-θέση ανισόλες στο ηµιεµπειρικό επίπεδο ΑΜ1 Στην εργασία αναφέρεται ότι τα φαινόµενα των υποκαταστατών στο δεσµό Ο C 3 της υποκαταστηµένης ανισόλης είναι όµοια µε αυτά στο δεσµό Ο Η της αντίστοιχης υποκαταστηµένης φαινόλης, οπότε οι τιµές που υπολογίζονται για την πρώτη ισχύουν και για τη δεύτερη Οι συσχετίσεις (για την π-θέση), που έγιναν µε τις παραµέτρους σ + (Swain) και σ- R(Taft), έδειξαν µια µέση απόκλιση από το πείραµα της τάξης των 15 kcal/mol Από τις πρώτες εργασίες, σε επίπεδο ab initio, είναι η µελέτη των Yamada et al [50], που υπολόγισαν τη BDE (συµβολίζεται ως Η) και την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης απόσπασης, για πέντε π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες στο επίπεδο F µε το ST-3G σύνολο βάσης (F/3G) Η δουλειά τους αυτή επεκτάθηκε αργότερα, στο ίδιο επίπεδο, αλλά και για τις τρεις θέσεις υποκατάστασης [51] Η οµάδα του van Acker [52] ασχολήθηκε µε ανάλογες ενώσεις της βιταµίνης E, µε την ηµιεµπειρική µέθοδο ΜND, υπολογίζοντας εκτός από το Η και το ΗΟΜΟ για το οποίο ισχυρίστηκε, ότι η ενέργειά του συσχετίζεται µε την αντιοξειδωτική δράση των φαινολών Στο πλαίσιο της ίδιας µεθοδολογίας µε τους van Acker et al, οι Β Testa et al [53] ερεύνησαν µια πληθώρα ανάλογων ενώσεων της βιταµίνης E, κυρίως µε την η- µιεµπειρική µέθοδο ΑΜ1 και για ένα υποσύνολο µορίων και µε το µοντέλο F/3-21G Εξέχουσα θέση στις θεωρητικές µελέτες κατέχει η εργασία των Wu και Lai [37] Σ αυτή, γίνεται αρχικά, µελέτη στο επίπεδο JMW/DN 13 και κατόπιν µε την BLYP/6-31G(d) Στην εργασία µελετώνται, για 18 διαφορετικές π- µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες και 11 ανισόλες, τα φαινόµενα που εισάγουν οι υποκαταστάτες στο δακτύλιο και διαφοροποιούν την τιµή της BDE Επίσης, επιχειρούνται συσχετίσεις µεταξύ της σταθερότητας των µορίων (ρίζας, µητρικής ένωσης) µε τις παραµέτρους σ +, σ α (Arnold) και σ jj (Jiang-Ji) Στην εργασία των Brinck et al [46], µελετήθηκε το φαινόµενο του υποκαταστάτη σε 10 π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες και παρατηρήθηκε, ότι µε τις µεθό- 13 Η JMW/DN είναι µια προσέγγιση τοπικής πυκνότητας (local density approximation) των Janak, Moruzzi και Williams (JMW), µε το αριθµητικά διπλό (double numerical, DN) σύνολο βάσης

Εισαγωγή 18 δους MP2 και MP4 υποεκτιµούνται συστηµατικά οι απόλυτες τιµές BDE, αλλά παρέχονται λογικές τιµές BDE Αντίθετα, µε την BLYP και η B3LYP παρέχονται πιο αξιόπιστες και γρήγορα υπολογιζόµενες τιµές BDE, κυρίως για το σύνολο βάσης 6-31G(d,p) Μια από τις σηµαντικότερες θεωρητικές µελέτες των φαινολικών αντιοξειδωτικών, αποτέλεσε η εργασία των Wright et al [49] 14 Σ αυτή µελετήθηκαν 35 διαφορετικές ο-, µ- και π-µονο- και δι-υποκατεστηµένες φαινόλες Η τεχνική που ακολούθησε ο Wright ήταν η χρησιµοποίηση της ηµιεµπειρικής µέθοδου ΑΜ1 για την βελτιστοποίηση της γεωµετρίας και τον υπολογισµό των συχνοτήτων και κατόπιν ο υπολογισµός της ενέργειας µοναδικού σηµείου µε τη µέθοδο B3LYP Οι υπολογισµοί πραγµατοποιήθηκαν µε το αντισυµβατικό (unconventional) σύνολο βάσης 6-31G(,p ) Σ αυτό τοποθετήθηκαν p συναρτήσεις πόλωσης µόνο στα άτοµα του υδρογόνου, των οποίων οι εκθέτες είχαν τροποποιηθεί από την τιµή 1 στην τιµή 075 Στην εργασία αυτή, γίνεται για πρώτη φορά λόγος για τα διαµορφοµερή που λαµβάνονται υπόψη στον υπολογισµό των τιµών BDE τόσο για το Ζ (προς, toward) όσο και για το Ε (έναντι, away) διαµορφοµερές Οι Wright et al συνέχισαν τη έρευνά τους πάνω σε 27 (µεγαλύτερα) φαινολικά αντιοξειδωτικά µόρια [14] Χρησιµοποίησαν την τεχνική του συνόλου βάσης τοπικής πυκνότητας (local density basis set, LDBS), σύµφωνα µε το οποίο το µόριο χωρίζεται σε περιοχές και χρησιµοποιούνται υψηλά σύνολα βάσης µόνο στην περιοχή που αποσπάται το Έτσι, µόνο για το τµήµα του υδροξυλίου χρησιµοποιήθηκε το σύνολο βάσης 6-311+G(2d,2p) Σηµειώνεται ακόµη, ότι ο υπολογισµός της ενέργειας µοναδικού σηµείου των ριζών έγινε µε την RB3LYP Με εξαίρεση την εργασία των Mulder et al [54], όλες οι παραπάνω εργασίες κάνουν µικρή ή καµία αναφορά στα διαµορφοµερή που χρησιµοποιούνται στον υπολογισµό της BDE Αυτό έχει ως αποτέλεσµα, όπως αναφέρθηκε, να µην αποσαφηνίζεται πλήρως η εξαγωγή των αποτελεσµάτων και το τι ακριβώς συµβαίνει στην ενεργή πλευρά του µορίου Οι Mulder et al εξέτασαν σε βάθος τη BDE σε ο-πολυµεθοξυ φαινόλες τόσο πειραµατικά όσο και θεωρητικά µε το µοντέλο B3LYP/6-31G(d,p) Έτσι, µπόρεσαν αφενός να συγκρίνουν τα πειραµατικά µε τα θεωρητικά αποτελέσµατα και αφετέρου να εξάγουν συµπεράσµατα i) για το καθαρό φαινόµενο των υπο- 14 Η οποία κατά εκπληκτική σύµπτωση εκδόθηκε ταυτόχρονα στο ίδιο τεύχος του JACS µε αυτή των Brinck et al

Εισαγωγή 19 καταστατών (χωρίς ενδοµοριακό δεσµό υδρογόνου) και ii) για την ισχύ του ενδοµοριακού δεσµού υδρογόνου, που παίζει σηµαίνοντα ρόλο στην αντιοξειδωτική ικανότητα των φαινολών Οι Pratt et al [55] σ ένα άρθρο που αναφέρονται κυρίως στις αρωµατικές αµίνες µελετούν και για τις φαινόλες τα φαινόµενα που εισάγουν έντεκα διαφορετικοί υποκαταστάτες σε π-θέση Στο άρθρο αυτό επιχειρούνται συσχετίσεις µε τις παραµέτρους Brown τόσο για το ΒDE, όσο και για το PRE (αναφέρεται ως RSE) και PGE (αναφέρεται ως MSE) Συνοψίζοντας παλιότερα αποτελέσµατα, οι Pratt et al πρόσφατα δηµοσίευσαν µια πολύ ενδιαφέρουσα εργασία [56] που ασχολείται µε τους λόγους για τους οποίους προκύπτουν από καλές µέχρι άριστες συσχετίσεις για τα τολουόλια, αµίνες και τις φαινόλες µεταξύ των BDE και των παραµέτρων ammett (Brown ουσιαστικά) Μια άλλη ερευνητική οµάδα, που ασχολείται εκτενώς µε τα φαινολικά αντιοξειδωτικά είναι του Zhang et al Σε µια πληθώρα εργασιών τους, έχουν µελετήσει i) διάφορα µεγάλα φαινολικά µόρια [57,58,59] µε την ΑΜ1, ξεκαθαρίζοντας ότι παρά- µετροι όπως το ΗΟΜΟ, το µήκος και η τάξη δεσµού δεν µπορούν να χαρακτηρίσουν επαρκώς την αντιοξειδωτική δράση των µορίων, και ii) µε υπολογισµούς µοναδικού σηµείου µε το µοντέλο B3LYP/6-31G(d,p) εκτός από τις τιµές BDE, συσχετίσεις µε παραµέτρους σ (ammett, Brown), όπως και την επίδραση του συζυγιακού και επαγωγικού φαινοµένου στις τιµές αυτές [60,61,40,62,63,64,16] Όσον αφορά τη µελέτη των βενζοϊκών και των φαινυλοξικών οξέων δεν υπάρχουν θεωρητικές εργασίες που µελετούν τη σχέση δοµής-δραστικότητας Οι Tyrakowska et al [65] µελέτησαν πειραµατικά και θεωρητικά την αντιοξειδωτική δράση µερικών π-υδροξυβενζοϊκών οξέων (όχι του βανιλικού) µε το µοντέλο B3LYP/6-311+G(d,p), µε σκοπό να προσδιορίσουν, πώς η αντιοξειδωτική τους συ- µπεριφορά επηρεάζεται από τον αριθµό και τις θέσεις των ΟΗ Αυτό κατορθώθηκε µε τον υπολογισµό των τιµών Η f µεταξύ των µονοανιόντων και των διανιόντων των µητρικών ενώσεων Επιπλέον, εργασίες του τµήµατός µας [66,67] ασχολήθηκαν τόσο πειραµατικά όσο και θεωρητικά µε τη σχέση δοµής-δραστικότητας των φαινολικών αντιοξειδωτικών Τέλος, σηµειώνεται ένα εκτεταµένο άρθρο επισκόπησης [68] και µία πρόσφατη εργασία των Santos και Simões [69] που περιλαµβάνει πειραµατικές αλλά και θεωρη-

Εισαγωγή 20 τικές τιµές BDE φαινολικών ενώσεων, όπως και µια σειρά από άλλες σχετικές εργασίες [70,71,72,73] 152 Μηχανισµός SET Για το δεύτερο µηχανισµό και ειδικότερα το Ε i, oι υπάρχουσες θεωρητικές µελέτες είναι πιο περιορισµένες Οι Fox και Kollmann [74] υπολόγισαν στα επίπεδα ab initio (UF, PUF, MP2, PMP2) και DFT (SVWN, BLYP, B3LYP) και µε το σύνολο βάσης 6-31G(d), τα Ε i για µια πληθώρα τολουολίων, προτείνοντας ως καλύτερη την B3LYP, ανοίγοντας ταυτόχρονα το δρόµο για τη µελέτη του Ε i στα φαινολικά αντιοξειδωτικά Οι DiLabio et al [12] µελέτησαν το Ε i σε 20 µονοϋποκατεστηµένα βενζόλια, βελτιστοποιώντας τις γεωµετρίες µε τη ΑΜ1 και εκτελώντας υπολογισµούς µοναδικού σηµείου µε το σύνολο βάσης 6-31G(d) σε διάφορα επίπεδα (ΗF, MP2, PMP2 και B3LYP) προτείνοντας και αυτοί την B3LYP ως την πιο γρήγορη και ακριβή µέθοδο Η εργασία τους αυτή ήταν η πρόδροµη µιας εργασίας που δηµοσίευσαν τον επόµενο χρόνο, µελετώντας 55 π- και 55 µ-διυποκατεστηµένα βενζόλια µε όλους τους δυνατούς συνδυασµούς δέκα διαφορετικών υποκαταστατών [13] Στην εργασία των Wright et al [14] εκτός από τις τιµές BDE µελετήθηκαν και εκείνες των Ε i των φαινολών, σχολιάζοντας για πρώτη φορά και τους δυο µηχανισµούς µαζί Σ αυτή αναφέρουν ότι για τιµές Ε i µέχρι 36 kcal/mol και τιµές BDE 10 kcal/mol ο µηχανισµός που επικρατεί είναι ο AT, ενώ για τιµές Ε i µικρότερες από -45 kcal/mol, ο SET Η πιο πρόσφατη εργασία που µελετά τα φαινόµενα των υποκαταστατών και για τους δύο µηχανισµούς είναι των Zhang et al [16], µε το µοντέλο B3LYP/6-31G(d,p) Η µελέτη γίνεται για π-µονοϋποκατεστηµένες κατεχόλες (υδροξυ-φαινόλες) και φαινόλες, καταλήγοντας στο συµπέρασµα ότι οι υποκαταστάτες επηρεάζουν µε τον ίδιο τρόπο και ένταση τις κατεχόλες και τις αντίστοιχες φαινόλες Για το δεύτερο στάδιο του µηχανισµού SΕΤ, που χαρακτηρίζεται από το PDE, µόλις το 2002 εµφανίστηκε η πρώτη εργασία από τους Zhang et al [14] µελέτη αφορά τα ηλεκτρονιακά φαινόµενα 14 µ- και 10 π-µονοϋποκατεστηµένων φαινολών µε το µοντέλο B3LYP/6-31G(d,p), δίνοντας πολύ καλές συσχετίσεις όχι µόνο µε παραµέτρους σ, αλλά και µε πειραµατικές τιµές pk a και log(1/τ exp ) Επέκταση της εργα-

Εισαγωγή 21 σίας αυτής αποτελεί η κατοπινή µελέτη τους για τις π-µονοϋποκατεστηµένες κατεχόλες [17] Όσον αφορά τη µελέτη για το ποιος µηχανισµός (ΗΑΤ ή SET) είναι κύριος, κατά τη δράση των φαινολικών αντιοξειδωτικών, υπάρχουν πολύ λίγες εργασίες Πρώτοι οι Wright et al [14] επιχείρησαν να συγκρίνει τιµές των BDE και Ε i µε σκοπό την απάντηση στο ερώτηµα Την ίδια χρονιά οι Pratt et al [75], µε σκοπό τη δη- µιουργία δραστικότερων αντιοξειδωτικών από την α-τοκοφερόλη, σύγκριναν τις τιµές BDE και Ε i για φαινολικά και αζω- παράγωγα Η πιο πρόσφατη εργασία, που α- φορά τη µελέτη των δύο µηχανισµών, ανήκει στους Russo et al [76], που µελετούν τις φαινολικές αντιοξειδωτικές ενώσεις που υπάρχουν στη µεσογειακή διατροφή Τέλος, υπάρχουν κι άλλες θεωρητικές εργασίες, που ασχολούνται όχι µόνο µε το Ε i, αλλά και µε την εξάρτηση άλλων φυσικοχηµικών παραµέτρων από τους υποκαταστάτες των φαινολών [77,78,79] 16 Σκοπός της διατριβής Απώτερος στόχος της διατριβής αποτέλεσε η κάλυψη µέρους των ερευνητικών κενών, που εντοπίστηκαν στη βιβλιογραφία, όπως και το άνοιγµα νέων δρόµων στην αναζήτηση δραστικών φυσικών φαινολικών αντιοξειδωτικών, αλλά και στη δηµιουργία νέων συνθετικών αντιοξειδωτικών ενώσεων Η εύρεση ενός κατάλληλου θεωρητικού µοντέλου, κρίθηκε απαραίτητη για τη συστηµατική µελέτη των ιδιοτήτων και των φυσικοχηµικών παραµέτρων των φαινολικών ενώσεων, διότι, αφενός οι υπάρχουσες πειραµατικές τιµές δεν είναι εξακριβω- µένα καλές και αφετέρου οι θεωρητικές έχουν πραγµατοποιηθεί µε διαφορετικές µεθόδους ή/και σε σύνολα βάσης Το θεωρητικό µοντέλο, επιλέχθηκε ώστε να υπολογίζονται µε ακρίβεια τόσο οι απόλυτες τιµές των φυσικοχηµικών παραµέτρων BDE, Ε i και PDE όσο και οι σχετικές τους τιµές, BDE, Ε i και PDE, που σχετίζονται µε τη δραστικότητα των φαινολικών αντιοξειδωτικών Η επίτευξη του παραπάνω στόχου επέτρεψε και τη µελέτη της επίδρασης των ηλεκτρονιακών φαινοµένων που εισάγουν οι υποκαταστάτες στο φαινολικό δακτύλιο, µεταβάλλοντας µε αυτόν τον τρόπο τις τιµές των παραπάνω φυσικοχηµικών παραµέτρων, σε µια σειρά o-, µ- και π-µονοϋποκατεστηµένων φαινολικών ενώσεων Ειδικό-

Εισαγωγή 22 τερα, για την ο-θέση µελετήθηκαν όλα τα ζεύγη των διαµορφoµερών (µητρικής ένωσης/ρίζας) Οι υποκαταστάτες, πέντε δέκτες ηλεκτρονίων ( N 2, CF 3, CN, C, C) και οκτώ δότες ( F, Cl, Br, C 3,, C 3, N 2, NMe 2 ), επιλέχτηκαν µε βάση τη διαφορετικότητα του ηλεκτρονιακού φαινοµένου, που εισάγουν στον αρωµατικό δακτύλιο, Ο τρόπος µελέτης των παραπάνω ενώσεων περιελάµβανε την απογύµνωση του φαινολικού δακτυλίου από διάφορες πλευρικές ανθρακικές αλυσίδες, που συνήθως υπάρχουν στα φυσικά φαινολικά αντιοξειδωτικά (πχ τοκοφερόλες), έτσι ώστε να γίνει εφικτή, ως ένα σηµείο η αποσαφήνιση του φαινοµένου που εισάγει ο εκάστοτε υποκαταστάτης, σ ένα πολύπλοκο (πολυυποκατεστηµένο) µόριο µε αντιοξειδωτικές ιδιότητες Η µελέτη περιέλαβε όλα τα δυνατά διαµορφοµερή, όχι µόνο για τον περιορισµό λαθών και απροσδιοριστιών, αλλά και για τη αποσαφήνιση της δοµής των µορίων που λαµβάνουν µέρος στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγικής παρεµπόδισης Με αυτόν τον τρόπο, έγινε δυνατόν να µελετηθούν ικανοποιητικά οι διαφορές στην α- ντιοξειδωτική δραστικότητα των φαινολικών ενώσεων Επιπλέον, ερευνήθηκε και η επίδραση στην αντιοξειδωτική δραστικότητα του µήκους της ανθρακικής αλυσίδας σε συνδυασµό µε την ύπαρξη διαφορετικών υποκαταστατών σε ο-θέση ως προς το φαινολικό υδροξύλιο Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου µελετήθηκαν παράγωγα του βενζοϊκού (Ph C) και του φαινυλοξικού οξέος (Ph C 2 C), οικογένειες που αποτελούν φυσικά αντιοξειδωτικά Βιβλιογραφία 1 I Aruoma, Free Radic Biol Med, 20, 675 (1996) 2 G W Burton and K U Ingold, Acc Chem Res, 19, 194 (1986) 3 E N Frankel, Lipid xidation, The il Press Ltd, Dundee, 1998 (σελ 12,13,131) 4 Μπόσκου, Χηµεία Τροφίµων, 4 η Έκδοση, Εκδόσεις Γαρταγάνη, Θεσσαλονίκη 1997 (σελ 98) 5 B alliwell, R Aeschbach, J Löliger and I Aruoma, Food Chem Toxic, 33, 601 (1995) 6 Ν Νενάδης, ιδακτορική ιατριβή, Θεσσαλονίκη, 2004

Εισαγωγή 23 7 C A Rice-Evans, N J Miller and G Paganga, Free Radic Biol Med, 20, 933 (1996) 8 K Mukai, K Fukuda, K Tajima and K Ishizu, J rg Chem, 53, 430 (1988) 9 D Njus, P M Kelley, FEBS Lett, 284, 147 (1991) 10 K Tanaka, S Sakai, S Tomiyama T Nishiyama and F Yamada, Bull Chem Soc Jpn, 64, 2677 (1991) 11 S Nagaoka, A Kuranaka, Tsuboi, U agashima, and K Mukai, J Phys Chem, 96, 2754 (1992) 12 G A DiLabio, D A Pratt and J S Wright, Chem Phys Lett, 311, 215 (1999) 13 G A DiLabio, D A Pratt and J S Wright, J rg Chem, 65, 2195 (2000) 14 J S Wright, E R Johnson and G A DiLabio, J Am Chem Soc, 123, 1173 (2001) 15 -Y Zhang, Y-M Sun and X-L Wang, J rg Chem, 67, 2709 (2002) 16 -Y Zhang, Y-M Sun and X-L Wang, Chem Eur J, 9, 502 (2003) 17 -Y Zhang, X-L Wang and Y-M Sun, Internet Elect J Mol Design, 2, 262 (2003) 18 M Gordon, The mechanism of antioxidant action in vitro In Food antioxidants, B J F udson, Elsevier Applied Science, London, 1990 19 Y-R Luo, andbook of Bond Dissociation Energies in rganic Compounds, CRC Press Boca Raton, 2003 (σελ 7-9) 20 F G Bordwell and J-P Cheng, J Am Chem Soc, 113, 1736 (1991) 21 E G Bakalbassis, A T Lithoxoidou, and A P Vafiadis, J Phys Chem Α, 107, 8594 (2003) 22 R J Lipert and S D Colson, J Chem Phys, 92, 3240 (1990) 23 G F Crable and G L Kearns, J Phys Chem, 66, 436 (1962) 24 A Buchs, elv Chim Acta, 53, 2026 (1970) 25 R G Cooks, M Bertrand, J Beynon, M E Rennekamp and D W Setser, J Am Chem Soc, 95, 1732 (1973) 26 F Benoit, rg Mass Spectrom, 7, 295 (1973) 27 D Russell, B S Freiser, E McBay and D C Canada, rg Mass Spectrom, 18, 474 (1983) 28 T Kobayashi and S Nagakura, J Electron Spectrosc Relat Phenom, 6, 421 (1975) 29 M Palmer, W Moyes, M Spiers and J N A Ridyard, J Mol Struct, 49, 105 (1978) 30 M Palmer, W Moyes, M Spiers and J N A Ridyard, J Mol Struct, 55, 293 (1979) 31 Standard Reference Data Program 69, March, 2003 Release, http://webbooknistgov 32 F G Bordwell and J P Cheng, J Am Chem Soc 113, 1736 (1991)

Εισαγωγή 24 33 R ermann, S Naumov, G R Mahalaxmi and Brede, Chem Phys Lett, 324, 265 (2000) 34 R ermann, S Naumov and Brede, Phys Chem Chem Phys, 2, 4927 (2000) 35 Brede, S Kapoor, T Mukherjee, R ermann and S Naumov, Phys Chem Chem Phys, 4, 5096 (2002) 36 Y K Lau and P Kebarle, J Am Chem Soc, 98, 7452 (1976) 37 M M Suryan, S A Kafafi and S E Stein, J Am Chem Soc, 111, 4594 (1989) 38 Y-D Wu and D K W Lai, J rg Chem, 61, 7904 (1996) 39 C Rüchardt, Angew Chem, Int Ed Engl, 9, 830 (1970) 40 -Y Zhang, Y-M Sun and D-Z Chen, Quant Struct-Act Relat, 20, 148 (2001) 41 A A Zavitas and J A Pinto, J Am Chem Soc, 94, 7390 (1972) 42 W A Pryor, F Y Tang, R Tang and D F Church, J Am Chem Soc, 104, 2885 (1982) 43 F G Bordwell, X-M Zhang, A V Satish and J-P Cheng, J Am Chem Soc 116, 6605 (1994) 44 IR Levine, Quantum Chemistry, 5 th Edn, Prentice all, New Jersey, 1991 (σελ 667) 45 J J M Wiener, J S Murray, M E Grice and P Politzer, Mol Phys, 90, 425 (1997) 46 T Brinck, M aeberlein and M Jonsson, J Am Chem Soc 119, 4239 (1997) 47 A Szent-Györgyi, Bioelectronics, Academic Press, New York, 1968 48 G A DiLabio, D A Pratt, A D LoFaro and J S Wright, J Phys Chem A, 103, 1653 (1999) 49 J S Wright, D J Carpenter, D J McKay and K U Ingold, J Am Chem Soc, 119, 4245 (1997) 50 K Tanaka, S Sakai, S Tomiyama, T Nishiyama and F Yamada, Bull Chem Soc Jpn, 64, 2677 (1991) 51 S Tomiyama, S Sakai, T Nishiyama and F Yamada, Bull Chem Soc Jpn, 66, 299 (1993) 52 S A B E van Acker and L M Koymans, Free Radic Bio Med, 15, 311 (1993) 53 E Migliavacca, P-A Carrupt and B Testa, elv Chim Acta, 80, 1613 (1997) 54 Μ I de eer, -G Korth and P Mulder, J rg Chem, 64, 6969 (1999) 55 D A Pratt, G A DiLabio, L Valgimigli, G F Pedulli and K U Ingold, J Am Chem Soc, 124, 11085 (2001) 56 D A Pratt, G A DiLabio, P Mulder and K U Ingold, Acc Chem Res, 37, 334 (2004) 57 -Y Zhang, J Am il Chem Soc, 75, 1705 (1998)

Εισαγωγή 25 58 -Y Zhang, J Am il Chem Soc, 76, 745 (1999) 59 -Y Zhang, Y-M Sun, G-Q Zhang and D-Z Chen, Quant Struct-Act Relat, 19, 375 (2000) 60 -Y Zhang, N Ge and Z-Y Zhang, Acta Pharmacol Sin, 20, 363 (1999) 61 -Y Zhang and D-Z Chen, Acta Biochim Biophys Sin, 32, 317 (2000) 62 -Y Zhang and L-F Wang, Bioorg Med Chem Lett, 12, 225 (2002) 63 Y-M Sun, -Y Zhang, D-Z Chen and C B Liu, rg Lett, 4, 2909 (2002) 64 -Y Zhang and L-F Wang, J Am il Chem Soc, 79, 943 (2002) 65 B Tyrakowska, AEMF Soffers, Szymusiak, S Boeren, MG Boersma, K Lemanska, J Vervoort and IMCM Rietjens, Free Rad Biol Med 27, 1427 (1999) 66 E G Bakalbassis, A Chatzopoulou, V S Melissas, M Tsimidou, M Tsolaki, and A Vafiadis, Lipids, 36, 181 (2001) 67 E G Bakalbassis, N Nenadis and M Tsimidou, J Am il Chem Soc, 80, 459 (2003) 68 R M Borges dos Santos and J A Martinho Simões, J Phys Chem Ref Data, 27, 707 (1998) 69 C F Correia, R C Guedes, R M Borges dos Santos, B J C Cabral and J A Martinho Simões, Phys Chem Chem Phys, 6, 2109 (2004) 70 F imo, L A Eriksson, M R A Blomberg and P E M Siegbahn, Int J Quant Chem, 76, 714 (2000) 71 A K Chandra and T Uchimaru, Int J Mol Sci, 3, 407 (2002) 72 R Bosque and J Sales, J Chem Inf Comput Sci, 43, 637 (2003) 73 M de L Romero and F Méndez, J Phys Chem A, 107, 5874 (2003) 74 T Fox and P A Kollman, J Phys Chem, 100, 2950 (1996) 75 D A Pratt, G A DiLabio, G Brigati, G F Pedulli and L Valgimigli, J Am Chem Soc, 123, 4625 (2001) 76 M Leopoldini, T Marino, Nino Russo and M Toscano, J Phys Chem A, 108, 4916 (2004) 77 M Eckert-Maksić, M Klessinger and Z B Maksić, Chem Phys Lett, 232, 472 (1995) 78 I Vedernikova, E Proynov, D Salahub and A aemers, Int J Quantum Chem, 77, 161 (2000) 79 I Vedernikova, J P Tollenaere and A aemers, J Phys rg Chem, 12, 144 (2002)

2 21, Newton -, -,,, (!) () " Planck Planck 1900 # -, hv, v h -, Planck!- $ Einstein to 1905, -! (%) hv $, - %, Einstein #, ( -) (), #, =mc 2 & Planck Einstein de Broglie o 1924, #, ( )! m, u,! ' -, -

( 27 22 Schrödinger & Erwin Schrödinger 1926 -, # -, # [1]: x, x,, x, R, R, R, ) = E x, x,, x, R, R, R, ) (21) 1 ( 1 2 1 2 M t ( 1 2 1 2 M t 2,, t [2] ) # # Schrödinger [3] : x, x,, x, R, R, R ) = E x, x,, x, R, R, R ) (22) i ( 1 2 1 2 M i i ( 1 2 1 2 M, i 3 " *, -, ( - ), 4 #, ' (amilton) ( # ) &,, : 1 2 N M N M N N 2 1 1 1 2 i 2 M i1 a1 i1 1 i i1 ji ij Z r r M M Z a R Z a (23) +,, * i j " -, r ij # i j, r i # i, r #,! 1 # A/=%/, /! A, % 2 & Bohr - ( ) # # # & -, 3 To x i! (x, y, z) 4 0 #, #

( 28!, Laplace ( - -)! - 2 2 2 2 q 2 2 2 (24) x q y q z q 1, amilton - * : T et N V NeV eev (25) NN T e T N -, V Ne, V ee V NN 1 T N e = 2 i1 T N 2 i (26) M 1 2 (27) 2 1 - # -, - - -, V Ne N M i1 1 r i Z (28) V ee N N i ji 1 r ij (29) V NN M M Z a R Z a (210) 1 #!, - +! -, -,!, ), 1 hartree (E h ), - $ - 05 E h, E h = 27211eV E h = 6275095 kcal/mol

( 29 23 Born-ppenheimer 2, # Schrödinger - ( ), +,, ) 2 ( ), # ( ) [2] ) Born-ppenheimer [4] )!! - +, - ( 1 1 )!! 1800!,,! 20000 - +, / / ) -, [3] & Born-ppenheimer - #, - # - 3,, - $, )amilton # (23) (27) (210)! - )amilton [5] el 1 2 N Z N M N N 2 1 i i1 i1 1 i i1 ji r r ij T el V NeV ee (211) & # (213) ( amilton), - el, - el 5 5 4, -, el

( 30 ) el #,! el ) (- ), U el M M V NN = Z a R Z a (212) el el = el el (213) U = el + V NN (214) U, # $,, U!, U( R 1) + U! [5] U,, - (Potential Energy Surface, PES), ( 5 271) 24 artree-fock * -, artree-fock (F) (selfconsistent filed, SCF) [6] # ) - o - ) artree-fock - # (213)! -, - o ) ( i) " *, * -, "-1 - + # (213) -

( 31 " # ( ) [5] ( x1, x 2,, x ) = ( x1 ) ( x 2 ),, ( x ) (215) ) () x ), *& ( i + 6 - % #- F " - spin 1 +; " 21 : 2 )F ) # i + -, +, #! "-1! ( ), #, - x ) * x ), - ( i - + - ( i

( 32 #, i,,! &,, (, ) [7]) 21 [8] & # artree-fock, *, 6! Slater, "- ), : 1 det[ ( x ), ( x ),, ( x ) o 1 1 2 2 ] (216) 7! & # spin,! # artree-fock [9]: i f i i i, i = 1, 2, 3, N (217) i (i ) spin f Fock : N ji f h ( J K ) (218) i i j & h i ( ), - 1 spin i, j h x ) h ( x dr x ) h ( ) ii i ( 1 i i 1 ) i ( 1 i i x1 (219) 8 6!!! 7 (! " 1 ( x 1 ) spin # 217 8 & bracket, # eisenberg n> (ket)! n <n (bra)! n *

( 33 & J j K j! rij 1 / amilton (211) & J j Coulomb, ) spin x ), J j i ( x 1 ) [ j ( x 2 ) j ( x 2 ) dr2 d 2 ] i ( x1 ) r12 i ( 1 1 (220) Coulomb 1 r 1,, spin j K j -! spin 9 ) spin x ), : K j i ( 1 * 1 i ( x1 ) [ j ( x 2 ) ( x 2 ) dr2 d2 ] j ( x1 ) r 12 (221) $, F, Fock -, ĥ i - u F x ), artree-fock ( 1 f h i u (222) i F i N ji F u ( J i K i ) (223) i # )F -! )F-SCF-+& 10 & - # - # ) r ij,, DFT ( 5 25), Koopmans [10], )F-SCF-+&, 9 7! Slater 10 artree-fock self-consistent filed atomic orbitals

( 34 # (216), i - -,! i i = E N E i "-1 = i (224) F 241 (restricted) (unrestricted) -! -, ) (,! ), F -! +, (restricted) artree-fock (RF) % RF -,!, +!, (C 2 ) 6, F ( ) ) F (restricted open shell, RF), RF, #-, ) F (unrestricted open shell, UF), - ( spin) [3] UF ( spin) -, F ua F u, -, ) UF, RF [5] - # [3], RF! Slater UF,,

( 35 RF,! Slater - spin S 2 1 < S 2 >! Slater - s(s+1) ( s spin spin ),! spin 25! (DFT) 251 &! F # 05 %, [5],, )F, - # %, -! ) % F!, - ( ) ) # - F! (electron correlation) [5] corr = E o E F (225)! # + - 1/r ij, - amilton F, - "-1 ) ) -, ( Coulomb) 7, -, -

( 36 + - Coulomb ) spin! spin ) Pauli - spin ( - ) 11 7, - spin + Fermi 12 +,! E c, - # spin! - spin! +, E x # spin! spin ()! &,! -, 13 [5] 252! (DFT) ) "- # 3" - () " spin % amilton,, # - )! + - #, - 11, F,! Slater, #, F artree 12 ) Fermi Coulomb! spin 13 ) #,!, 1, spin

( 37 2521 " " ohenberg-kohn 7 ( 7 7 (Density Functional Theory, DFT) P ohenberg W Kohn 1964 # [11], #- V ext ( r ) (, o ) 14! - +, - - ( r ) = [ ( r )] ) DFT - ( ) ( r ) [5] & ( ), ( r )! - spin ( ) 2 r N ( x 1, x 2,, x ) ds1, dx 2 dx N (226) " d r 1, spin, "-1 spin - % #, d r 1 " [3] 7 - X - [12,13,14] & amilton ", - * (211), #- i V ext M Z a ( r i ) (227) r a1 ia 14 2 # amilton DFT!- # (! i),

( 38 $,! ( ) - ( ) : F (228) r T ev ee : E r V rrdr Fr (229) V ext 2522 " ohenberg-kohn ) # (228) F r ohenberg W Kohn [11], tr r tr r 0 ( r ) dr " (" ), - : *, E o EV r (230) F r -,, (, - ) ( - [3] 2523 Kohn-Sham!, ( r ), 15,!, F r,, [5] 15

( 39 N 2 r r (231) i1 i & Kohn Sham 1965 ( ) DFT (!) o F r [15]% - F r : Fr T sr Jr E xcr (232) r - T s, J r Coulomb, r 16 ( - E xc ( x) ( c) ) 17, r & F [3]: E xc T s 1 1 2 ' dr1 dr2 2 r12 N 1 2 T sr (233) 2 i r r J r (234) r T [ ] [ r] E [ ] J [ ] s ee (235) E r r ', E r T J E E [] s xc Ne (236) ) #, # Kohn- Sham * " #, F-SCF [16] % M 1 2 + r2 Z $ ) dr2 V xcr1 # 2 * r12 A r1 A A (" &! i ii ' (237) & # V eff 18, 16 &, 17 # - r 18, r

( 40 &,! - V xc r E xc r %, -,! r E xc ( r ) [3], E xc r V xc r (238),r 7, E xc r r +,! V xc ' # & - DFT 2524 E xc - r & ohenberg Kohn #, r, xc [5]: LDA E r ( r ) [ ( r )] dr (239) xc xc ) xc 19 r ) ( Kohn Sham [15]) - (local density approximation, LDA) $, xc! ( x ) ( c ) 5, o E, xc E c # spin, - E xc (240) r E r E r x 19 (V), - (N), ) - (="/V) 7!,, c

( 41, x, LDA - Bloch [17] Dirac [18]: E LDA x 32 3/ 0-413 1 3 [ 3 4 r] dr (241) c # 7 Monte-Carlo [19], - c, 20 & Vosko, Wilk Nusair (VWN) [20] Perdew (P81) [21] % LDA -, spin (local spin-density approximation, LSDA) [3]: )! # (238) - E LSDA xc r, r ( r ) xc ( r ), ( r ) d r (242) 2525 #" & (LDA LSDA) r #- (239) r # (242) (r ) (r ) +, - + DFT )!, # L(S)DA 7 r r, 20 $,, LDA! DFT - ( PW91, LYP)

( 42 r, -, [3] & r (generalized gradient approximations 21, GGA), & E GGA xc GGA E xc r, r f ( r ), ( r ), r, r dr (243) GGA E xc!, # (239), -, #! # [5] 7 GGA E x E GGA xc E E (244) GGA x GGA c GGA E c, -, ( ) x c $ Becke (,88,) [22] +,, c, Lee, Yang Parr (LYP) [23] Perdew (P86) [24] Perdew Wang (PW91) [25] (,, - - - Becke,,,! P86, PW91 LYP E, E BP 86 xc BPW xc 91 BLYP E xc ( - BP86, BPW91 BLYP, ) 2526 Y$! 7, +, - x, 8 # - ( DFT) 21 ' (gradient corrected functionals) & (nonlocal), non-local

( 43 6! F - & (- -) (hybrid functional)! - F - ): E F E x, (DFT) - DFT E xc [3,5,26],( - hybid F F DFT DFT xc a E x a E xc (245) & Becke 1993, Becke (Becke3,3) [27]: LSDA F LSDA E (1 a ) E a E a 4E E a 4E (246) B3 xc o x o x x B88 x c c PW 91 c )! & x! - LSDA c! - ( LSDA) 1 # (245) Becke # PW 91 E c Perdew Wang B88 E x &,,, -,, - G2 [28] + = 020, x = 072 c = 081, - &,3, - +, # B3LYP, 1994 Stephens et al [29]: E B3LYP xc (1 a ) E a E a 4E a E (1 a ) E (247) o LSDA x o F x x B88 x c LYP c c VWN c 7 B3LYP, PW 91 E c LYP E c %, LYP! -, VWN

( 44 - ) DFT,,,, - * DFT - # [30], B3LYP - DFT ) - ( MP2 [5]), ( ) B3LYP, G2 2 kcal/mol,,, DFT (,3LYP), )F, -)F [31] 26 %! + )F # (213) -! " #, x ) (215), - 1951 Roothaan SCF -,! x ) ( i ) ( i, 22!- [32] ( i n i c1 i1 c2i 2 cni n c5i 5 (248)! c i, 23 & #! (LCA) F (), LCA-SCF-M *&, Fock # SCF 51 22 & 23,! *&,

( 45 * i, -! %, -!, n!! 7, n - &, (F, DFT, MP2, MP4, ) # -, ; 261! Slater (S&) +, Slater (Slater Type rbitals, STs) - ST -, [3] ) : nlm n 1 7r r, 6,, 7 N r e Y ( 6, ) s (249) n7 lm nl nl (,) 2, # - -, - # 262! Gaussian (G&) 1950 Boys [33] Gaussian Gaussian (Gaussian type orbitals, GTs) ST GT, ST, - -, ( )

( 46 2 n 1 7r g ( x, y, z, 7 ) N r e Y ( 6, ) (250) lmn nml ) ST, ST e (-r), GT (-r 2 ), [5], : g ijk ( x, y, z, 2 lm r i j k ) N ijke x v z (251) & i, j k,! (radial extent) g ) [5] & i + j + k, l,! o ) n 1 r - GT $ s +& (1s 2s ) - GT, exp(-r 2 ) +, -, +&,, ST $, +& - GT LC-GT- SCF- M! # ST GT! ST-NG, " GT ST 7 ST-3G, ST-4G 7,, #- LC-ST-SCF-M 263 $! GT 1, # +&! GT & - ST,

( 47 & Reeves [34] 1963, # - 24,, G & & Gaussian Gaussian (contracted Gaussian type orbitals, CGTs) [35]: CGF 5 L p g (252) d p 5 & d p L g p g p GT #- (252) % i, j, k, *& i! # (250) (252) i 2 0 1 K K L c5i 5 c5 i d p5 51 51 p, p g p / - (253) $,! $ *& (250), -, (253) 264! $! (minimal basis set) - +& & ST GT 1 ST, ST GT, # - GT (ST-NG) 24 & ( ) F +-,, -, # GT

( 48!! (single-zeta) 25, - [5] + # ST-"G Pople & GT, ( s, p, d ), ST = 10 [36] ST-3G (Li- Ne) [37], (Na-Ar) [38], (K,Ca, Ga-Kr) [39], (Rb,Sr, In-Xe) [40] - [41] $! (double-zeta, DZ), - ST ST 26 ( ) +!!, 9 QZ,, ST DZ 9, - CGT 1 ST CGT, GT ( -!) +,! %, (#) -, - (split valence, SV) +& SV # + ST ( CGT) +& SV! - (VDZ), - (VTZ)!, V Z () # +&, Z () - +& ( #) 5 -,! [26] 25 &!, ST, - 26 ST +&, ) ST -

( 49 ST GT, o ST N-LMG 27, N, L, M GT - ST, ST 6-31G (VDZ) -, +& (1s Li-"e, 1s, 2s, 2p x, 2p y, 2p z "a-ar ) - ST # GT (1s ) )e, 1s, 2s, 2p x, 2p y, 2p z Li-"e ) -, ST, GT ST #, - GT 6-31G, CGT ST & Pople SV,! N-LMG [42-54] N- LM&G [55], ST-"G, - F 265 [5] & # & - (polarized functions), - l, l -, p ( d), d ( f), f! DZP, DZPD, TZP, TZPD, P D - p d, Pople & GT ) d (# d ) 28 6-27 V Z, ST N-LMG 28, e

( 50 31G* 6-31G(d) [54,56] + (6-15 ) 7 p ( p ) -! 6-31G** 6-31G(d,p) [54, 56] + - Pople 3-21G* [44, 57] 6-311G** [55]! -, - $, 6-31(3df,2df,p)! 3 -, d f 29, 2 d f p &, GT, -, F, Dunning [58] 266! &, ( - ),,, -, (diffuse functions), GT s, p d &, - - ( 001 01 ) ) + $, 3-21+G!, 3-21++G [59] 7, 6-311++G GT s (1 +&) p (3 +&) 29 ) )e 7-7, (Li Ne), (Na Ar)

( 51 s (1 +&) - [60] & Pople, ( -, Be, B 2 ) 7, - ( ), # () + 6 6' 2-7 * % (Environmental Molecular Sciences Laboratory, %*SL) 30 & - c 1 + c 2 = () + c = c 1 + c 2 = () () 22 : (), - d () s () 27 ' ) (equilibrium geometry)! U ( - 30 wwwemslpnlgov:2080/forms/basisformhtml

( 52 ) # (214) +, U, [5] -, 271 (! # (PES) )!, + ( ) # & -, (), -, PES ( ), PES ( #- x! # ) () * () 3*-6 31 PES 3*-5 5 k, PES! n =3 *-6 : k 2 x / 1 0 - k 0 - k x2 x 0 - (254) 0-0 k - 1 x8 ( el ) {( # (213)} U ( 214)! - (single point calculation) PES ) PES ( ) - #, 31 + #,

( 53 PES +! +, -! 6, ( ) - +, 0 (saddle points) PES # 32 (first-order) 5 # (transition state) -, ) (conformation)! - ) ( ) [5], (rotamer) [61] %,,, - 7 - ( PES), -, - [5] -, %, ( - ) )! -, - 32 ) #

( 54 272 % ' 6 ( ) ( - U ) ) - [62],, ( ), - 33 *, -, -! 7 U 3*-6 - ( ), k, ( n=3*-6), (gradient), g k U 4, U 5 PES,, n $ PES, - 22 / 0 U / - 0 0-1x1 k - k x 2 g / 1 0-0 - 02 U / k - 0-0 0 - k g2 g - 0-01 x 2 k x - (255) 0-0 - 0 - k 1 g8 0-02 / - 0 0 U - - 11 x8 k x & 34 g k U - 33

( 55 +,!! * k,, '- (essian matrix), % k (force-constant matrix) - - - - - - - - - - - / 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - / 0 0 1 2 - - - - - / 0 0 0 0 0 1 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 22 21 1 12 11 k k k k k k k x x x x x x x k k k k k k k k x U x x U x U x x U x x U x x U x U B B B B B B B 8 8 8 88 8 8 B (256) ) ' - ' U + - 1, - * [62,63],! ( ),! - [64] ab initio DFT, - 273 ) $ 1 :-!,! 34 & 8, 3"-6 -, SCF - 4 U! U & 3"-6

( 56 ) %,, -,, 9 (Z-matrix) +,, # &,, # 35 [65], - (redundant coordinates), #, [66,67,68,69] ) Newton,, PES n #,!-, - x k+1! x k, g k ' B k k x k+1 = x k - g B k k (257) & B k, ( ), #, quasi-newton, -! ', # '-,! [5] )! ' quasi-newton, Fletcher Powell [70], Schlegel [71], Berny %, - - 1, - 35 #!,, f(x) = 1, g(x) = x h(x) = x 2

( 57 - &, 3*-6, - + GDIIS (Geometry by Direct Invention in the Iterative Subspace) [72] 28 281 ), U ( )! %,, U ZPE (zeropoint energy, 9PE) ) ZPE!,, (0 Kelvin) -!, ZPE, #- ( ) & ZPE 8 ), - PES, - (IR) 36 ZPE -,! ( - ) #, 36 ( hv, ) # = 25-16 (4000-625cm -1 ) - S o

( 58 5, vib *- 3*-6 37 k [5] 3M 6 k1 3M 6 k1 E uk - E 9 E ( u ½ ) h: (258) 38 k vib u k k u k (0, 1, 2 ) h k ) # (258) E u, - ( ),, u vib ½h, ZPE ZPE = ½ 3M 6 k1 k h: (259) 6!, v k = 1 23 k 5 (260)! 39 k, ( #) 282 & - & -, %,, () - k,, # Schrödinger (261), 37 + (*=2) 3*-5 38 +, u k, - %,, k 39 + m 1! m 2 5 m1 m m m 1 2 2

( 59 ( elv NN ) el = U el (261),,! ', - U 3* - (! ) 5, -!! (mass-weighted) ', F ij : F ij = ( 1 ) 2 0 2 U m im j x x - 1/ 2 1 2 1 x / k (262) i j 1 3M m i!, i 4 3* # 3* 3 ; j1 ( F, < ) l 0 (263) ij ij ij #, ij Kronecker 40, l ij, #! det( F < ) 0 (264) ij,! z (sec -1 ), ij 4 # (265) #, #, 7,!, # ( /c) & 3*-6-1 = < 23, -, : ~ (cm -1 ) : ~ = 1 : < c (265) (266) 40 ij *, i j 1, i = j

( 60 c - (cm -1 ) [73] 283 # ) ZPE, # (267), [74]: ZPE = ) # (280) - ZPE ½ hc i 1, + V( ) = ½ k 2 ( ) ( -), +, - Morse 41, ( ) +,, -! +! - + V( ) () - (anharmonicity) [73] ) () - u 0=1 ( ) -, k %, - ( ) ( ) ( u u+1, 2u = 1) ½ hc i i (267) 41 7 # V(x) = D e [1-e -a ] 2, D e, D o, a! # = x-x, x o

( 61 4, () - (: ~ c : ~ hc, ) - () (c hc) [75] - ( ) E vib G(u) = E vib = e (u + ½ ) - e x e (u + ½ ) 2 + e y e (u + ½ ) 3 + (268) hc e x e, e y e,, 42 2 E u (259) hc G(u), - (cm -1 )! & : G(0) E ZPE G (0) = : ~ = G(0=1) = G(1)- G(0) = e - 2 e x e (269) E ZPE = ½ e - ¼ e x e + ; e y e + (270) hc + ( - ) E ZPE ( E harm ZPE err harm = G (0) hc ) err harm 2 0 1 / ZPE - = - ¼ hc e x e (271) E harm + #, ( ) E ZPE ( E ) err fund err fund = G (0) hc 2 0 1 fund ZPE / ZPE - = ¾ hc e x e (272) E fund + # (270) (271), E ZPE, -, -! ()! - [74,76,77] 42 1 35 Cl, e = 29909 cm -1, e x = 528 cm -1, e y = 02 cm -1 e y = -001 cm -1 #, e x

( 62 29 *, ( ) - E elec ), 5 28 ), -,, ZPE, ZPE 43, - % vib, - ( 2985) > elec + ZPE + vib + rot + tr (273) ( () -,, [78] $, () RT (PV) 44 = U + PV (274) -,! % -, 45 ) (cal J) - 46, (T = 298 5), tr,, (3/2)RT - rot,, RT (3/2)RT 47 [79],, el,, U 7 43 % (ZPVE) 44 %! /mol, # n = 1, PV = RT 45 (, ( ) 46 * # ( ) 47,,

( 63 U ZPE, 0 5, U 48 0 7 U 0 tr, rot vib, 298 5, o 298 : U 298 U 298 RT 298 = U + ZPE + vib + rot + tr + RT = E elec + ZPE + vib + 3/2RT + 3/2RT + RT = U 0+ vib + 4RT (275) - (, ) 3 $, 2,!, 210 * " & (isodesmic) # # Benson [80] -! +, Pople [81] ) #, # 2, <, #!, C 3 C 2 C 2 C 3 C + C C 3 2 C 3-220 C 2 C 3 C C C 3 C + 3 2 C 3 C 3 48 &! 1 atm 298 5 7, U, 1 atm 05 0

( 64 ) # 2 o = 220 kcal/mol,! 22 kcal/mol & # -, ess 211 & (! - ) 7 -, & -!!, - &!, (donors, D) (acceptors, A) & #,, -, # +, # +#,, # )&*& 49, # LU*& 50 [82] ),, -, - - 2111 ( -! (inductive effect, =)! (+=) (-=) 49 )&*& ()ighest &ccupied *olecular&rbital) 50 LU*& (Lowest Unoccupied Molecular rbital)

( 65 &, ' + ', (-= ), C + -X - -! 51, - +, -! (+= ), C - -X + [61] 2 - ( ),, & -, - ( ') # &,, - #,! [82] 2112 + (!! (R) - - 7, - -! (+R) (-R) [61]! - p- -,! -*&! -,! &!, -, - (! ), -! [82] 51 ) 5 = r, r #

( 66 &! ( N 2, ) +R +, - ( C?N, >C=) R 4!, = +R ( ") 2 ) 2113,! ammett *!! - & # ammett [83,84,85],! - -XC 6 4 Y 1 X o ( ), C 6 4-6 @ x log = (276) @ 0 5 X 5 0 ' 52,,!, -! ' [86]) -!< # (6 = C&&)) 25 o C - 53, -, ammett & - (!) ' - ( m ) - ( p ) # () * 52, + -, C- %,! - 53 )! ( ) 6 = -C 2 -C (=0562), 6 = -C 2 C 2 -C (=0212) 6 = -C=C)-C (=0466) 1 [82]

( 67 %WG ( R, I), %DG (+R, +I), + R I ) # ammett (276) (= R) # # [87]: = I + R (277) Taft [88,89,90], I,, (277), R 7 Swain Lupton [91,92],, F R,!, (!) p = af + R (278) 54 F [87] F = I = 1297 (A0147) m 0385 (A0089) p + 0033 (A00226) (279) To a (a = 0921) [93],, -! R, # (278) ) # (278) -, R, -!, Y,,! # - [86](, - 2114,! Brown 7 ammett, # (276) + '! p- #,,! 6 (, p- Y -! ) ', AR #-, [82] 54 ) (292) = ff + rr, ff! F rr! R

( 68 & Brown kamoto [94],, #!, R (+R) + p (-R) - p [86] %$( 1 % Schrödinger, Ann Phys, 79, 361 (1926) 2 5 +, % 5 ', T =, (, 1992 3 W Koch and M C olthausen, A Chemist s Guide to Density Functional Theory, 2 nd Edn, Wiley-Vch, Weinheim, 2001 4 *,rn and JR ppenheimer, Ann Physik, 84, 457 (1927) 5 I R Levine, Quantum Chemistry, 5 th Edn, Prentice all, New Jersey, 1991 6 D R artree, The Calculations of Atomic Structures, Wiley, New York, 1957 7 P W Atkins Molecular Quantum Mechanics, 2 nd Edn, xford, 1983 ( 236-237) 8,=, 2, (, 2003 9 A Szabo and N S stlund, Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, MacMillan, London, 1982 10 T A Koopmans, Physica, 1, 104, (1934) 11 P ohenberg and W Kohn, Phys Rev, 136, B864, (1964) 12 P Coppens and M B all, Electron Distributions and the Chemical Bond, Plenum, New York, 1982 13 D A Kohl and L S Bartell, J Chem Phys, 51, 2891, (1969) 14 P Coppens, J Phys Chem, 93, 7979, (1989) 15 W Kohn and L Sham, Phys Rev, 140, A1133 (1965) 16 R G Parr and W Yang, Density Functional Theory of Atoms and Molecules, xford University Press, New York, 1989 17 F Bloch, Z Physik, 57, 545, (1929) 18 P A M Dirac, Proc Camb Phil Soc, 26, 376, (1930) 19 D M Ceperley and B J Alder, Phys Rev Lett, 45, 566, (1980) 20 S J Vosko, L Wilk and M Nusair, Can J Phys, 58, 1200, (1980)

( 69 21 J P Perdew and Z Zunger, Phys Rev B, 23, 5048, (1981) 22 A D Becke, Phys Rev A, 38, 3098, (1988) 23 C Lee, W Yang and R G Parr, Phys Rev B, 37, 785, (1988) 24 J P Perdew, Phys Rev B, 33, 8822, (1986) 25 J P Perdew and Y Wang, Phys Rev B, 45, 13244, (1992) 26 J B Foresman and Æ Frisch, Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, 2 nd Edn, Gaussian Inc, Pittsburgh PA 1996 ( 275, 98) 27 A D Becke, J Chem Phys, 98, 5648 (1993) 28 L A Curtiss, K Raghavachari, G W Trucks and J A Pople, J Chem Phys, 94, 7221, (1991) 29 P J Stephens, J F Devlin, C F Chabalowski and M J Frisch, J Phys Chem, 98, 11623, (1994) 30 K Raghavachari, Theor Chem Acc, 103, 361 (2000) 31 C A Tsipis, Comm Inorg Chem, 25, 19 (2004) 32 C C J Roothaan, Rev Mod Phys, 23, 69 (1951) 33 S F Boys, Proc Roy Soc, (London), A200, 542 (1950) 34 C M Reeves and M C arrison, J Chem Phys, 39, 11 (1963) 35 %*,! " #$" Ab Initio DFT, (, 2001 36 W J ehre, L Radom, P VR Schleyer and J A Pople, Ab Initio Molecular rbital Theory, Wiley, New York, 1986 37 W J ehre, R F Stewart and J A Pople, J Chem Phys, 51, 2657 (1969) 38 W J ehre, R Ditchfield, R F Stewart and J A Pople, J Chem Phys, 52, 2769 (1970) 39 W J Pietro, B A Levi, W J ehre and R F Stewart, Inorg Chem, 19, 2225 (1980) 40 W J Pietro, E S Blurock, R F out, W J ehre, D J DeFrees and R F Stewart, Inorg Chem, 20, 3650 (1980) 41 W J Pietro and W J ehre, J Comput Chem, 4, 241 (1983) 42 J S Binkley, J A Pople, W J ehre, J Am Chem Soc, 102, 939 (1980) 43 M S Gordon, J S Binkley, J A Pople, W J Pietro, W J ehre, J Am Chem Soc, 104, 2797 (1982) 44 K D Dobbs and W J ehre, J Comput Chem, 7, 359 (1986) 45 K D Dobbs and W J ehre, J Comput Chem, 8, 861 (1987) 46 K D Dobbs and W J ehre, J Comput Chem, 8, 880 (1987) 47 R Ditchfield, W J ehre and J A Pople, J Chem Phys, 54, 724 (1971) 48 W J ehre, R Ditchfield and J A Pople, J Chem Phys, 56, 2257 (1972)

( 70 49 W J ehre and J A Pople, J Chem Phys, 56, 4233 (1972) 50 W J ehre and W A Lathan, JChem Phys, 56, 5255 (1972) 51 J D Dill and J A Pople, J Chem Phys, 62, 2921 (1975) 52 J S Binkley and J A Pople, J Chem Phys, 66, 879 (1977) 53 M S Gordon, Chem Phys Lett, 76, 163 (1980) 54 M M Francl, W J Pietro, W J ehre, J S Binkley, M S Gordon, D J DeFees and J A Pople, J Chem Phys, 77, 3654 (1982) 55 R Krishman, J S Binkley, R Seeger and J A Pople, J Chem Phys, 72, 650 (1980) 56 P C ariharan and J A Pople, Theoret Chim Acta, 28, 213 (1973) 57 W J Pietro, M M Francl, W J ehre, D J DeFrees, J A Pople and J S Binkley, J Am Chem Soc, 104, 5039 (1982) 58 T Dunning, Jr, J Chem Phys, 53, 2823 (1970) 59 T Clark, J Chandrasekhar, G W Spitznagel and P V R Schleyer, J Comput Chem, 4, 294 (1983) 60 M J Frisch, J A Pople and J S Binkley, J Chem Phys, 80, 3265 (1984) 61 "% +#, % & '(, +, (, 1992 62 B Schlegel, ptimization of Equilibrium Geometries and Trantition Structures, Ab initio Methods in Quantum Chemistry, Part 1, K P Lawley, Ed, Wiley, New York, 1987 63 F Bernardi and M A Robb, Transition Structure Computation and their Analysis, Ab initio Methods in Quantum Chemistry, Part 1, K P Lawley, Ed, Wiley, New York, 1987 64 R Fletcher, Practical Methods of ptimization, Wiley, Chichester, 1981 65 + 4 >!, 2, (, 1997 66 P Pulay, G Fogarasi and J E Boogs, J Am Chem Soc, 101, 2550 (1979) 67 P Pulay and G Fogarasi, J Chem Phys, 96, 2856 (1992) 68 G Fogarasi, X Zhou, P Taylor and P Pulay, J Am Chem Soc, 114, 8191 (1992) 69 C Peng, P Y Ayala, B Schlegel and M J Frisch, J Comp Chem, 17, 49 (1996) 70 R Fletcher and M J D Powell, Comput J, 6, 163 (1963) 71 B Schlegel, J Comput Chem, 3, 214 (1982) 72 P Császár and P Pulay, JMolStruc, 114, 31 (1984) 73 J M ollas, Modern Spectroscopy, 3rd Edn, Wiley, Chichester, UK, 1996 ( 125-127) 74 A P Scott and L Radom, JPhysChem, 100, 16502 (1996) 75 K Dimorth, C Reichardt, T Siepmann and F Bohlmann, Liebigs Ann Chem, 1, 661 (1966)

( 71 76 R S Grev, C L Janssen and F Schaefer, J Chem Phys, 95, 5128 (1991) 77 J E Del Bene, D Aue and I Shavitt, J Am Chem Soc, 114, 1631 (1992) 78 K U Ingold and J S Wright, J Chem Ed, 77, 1062 (2000) 79 G A DiLabio, D A Pratt, A D LoFaro and J S Wright, J Phys Chem A, 103, 1653 (1999) 80 S W Benson, J Chem Educ, 42, 502 (1965) 81 W J ehre, R Ditchfield, L Radom and J A Pople, J Am Chem Soc, 92, 4796 (1970) 82 N S Isaacs, Physical rganic Chemistry; Wiley and Sons, New York, 1995 ( 146-161) 83 L P ammett, Chem Rev, 17, 225 (1935) 84 L P ammett, J Chem Ed, 43, 464 (1966) 85 L P ammett, Physical rganic Chemistry, 2nd Edn, McGraw-ill, New York, 1970 86 J March, Advanced rganic Chemistry, 4th Edn, John Wiley and Sons, New York, 1988 ( 278-286) 87 C ansch, A Leo, RW Taft, Chem Rev, 91, 165 (1991) 88 R W Taft, J Am Chem Soc, 74, 1320 (1952) 89 R W Taft, J Am Chem Soc, 75, 4231 (1953) 90 P R Wells, S Ehrenson and R W Taft, Prog Phys rg Chem, 6, 147 (1968) 91 C G Swain and E C Lupton, J Am Chem Soc, 90, 4328 (1968) 92 C G Swain, S Unger, N R Rosenquist and M S Swain, J Am Chem Soc, 105, 492 (1983) 93 C ansch, A Leo, S Unger, K Kim, D Nikaitani and E J Lien, J Med Chem, 16, 1207 (1973) 94 C Brown and Y kamoto, J Am Chem Soc, 80, 4979 (1958)

3 Υπολογιστικό µέρος Το 1930, που διατύπωσε ο artree τη θεωρία του, δεν υπήρχαν ηλεκτρονικοί υπολογιστές Αυτό σηµαίνει ότι για την εκτέλεση µε µολύβι και χαρτί ενός απλού F-SCF υπολογισµού πολλών ηλεκτρονίων χρειαζόταν αρκετός κόπος Ευτυχώς ό- µως, ο πατέρας του, ένας συνταξιούχος µηχανικός, απολάµβανε στον ελεύθερο χρόνο του να κάνει µαθηµατικές πράξεις και βοήθησε το γιο του ια χειρός πατέρα artree λοιπόν, έγιναν οι πρώτοι υπολογισµοί F-SCF Εν έτει 2004, ο πατέρας του artree αντικαταστάθηκε από πολύ προηγµένους υπολογιστές Οι υπολογισµοί της παρούσης διδακτορικής διατριβής εκτελέστηκαν σε µια πληθώρα υπολογιστών Οι αρχικοί υπολογισµοί έγιναν σε έναν Dual Intel/Pentium II στα 450 Mz µε 128 ΜΒ RΑΜ και οι πιο πρόσφατοι, σε Intel/Pentium IV στα 28 Gz µε 512 ΜΒ Υπολογισµοί έγιναν και σε AMD/Athlon 246 Gz στα 512 ΜΒ Κατόπιν πολλών δοκιµών τα 512 ΜΒ µνήµης έδειξαν να ανταποκρίνονται καλύτερα στις υπολογιστικές ανάγκες 31 Υπολογισµοί DFT Όλες οι γεωµετρίες και οι ενέργειες των µορίων βελτιστοποιήθηκαν πλήρως µε τη χρησιµοποίηση του συνδυασµού του υβριδικού συναρτησιακού παράγοντα τριών παραµέτρων του Becke Β3 [1], και του συναρτησιακού παράγοντα συσχέτισης LYP [2] που οδηγεί στη µέθοδο B3LYP [3] Για τα περισσότερα µόρια χρησιµοποιήθηκε ο αλγόριθµος του Berny για τη βελτιστοποίηση της γεωµετρίας [4] Στις περιπτώσεις που η βελτιστοποίηση δεν ήταν εφικτή, µέσω του αλγόριθµου αυτού, χρησιµοποιήθηκε ο αλγόριθµος GDIIS [5] Η αρχική γεωµετρία είτε δόθηκε µε τη µορφή καρτεσιανών συντεταγµένων, είτε µε τη µορφή εσωτερικών, µετατράπηκε αυτόµατα µέσω του υπολογιστικού προγράµµατος σε υπεράριθµες συντεταγµένες για τη µείωση του υπολογιστικού χρόνου [6]

Υπολογιστικό µέρος 73 Επίσης, χρησιµοποιήθηκαν d συναρτήσεις πόλωσης 5 συνιστωσών 1 Η (πλήρης) βελτιστοποίηση έγινε µε αυστηρά κριτήρια σύγκλισης (tight convergence criteria) 2 για όλα τα µόρια και όλα τα σύνολα βάσης Τα κριτήρια αυτά είναι απαραίτητα για µόρια µε µικρές σταθερές δυνάµεων (χαµηλές καταστάσεις δονητικών συχνοτήτων) ώστε να εξασφαλιστεί ικανοποιητική σύγκλιση και αξιοπιστία των συχνοτήτων που πρόκειται να υπολογιστούν Τα αυστηρά κριτήρια σύγκλισης µειώνουν ( σφίγγουν ) τα ανεκτά όρια δυνάµεων µεταξύ των µορίων, ώστε να επιτευχθεί σύγκλιση Όπως είναι λογικό πραγµατοποιούν περισσότερα βήµατα και καθυστερούν τη σύγκλιση [7] Επίσης, τα κριτήρια των SCF κύκλων ορίστηκαν σφιχτά 3, επειδή χρησιµοποιήθηκαν συναρτήσεις διάχυσης [7] Οι υπολογισµοί εκτελέστηκαν χωρίς να επιβληθούν περιορισµοί στη γεωµετρία των µορίων Όλες οι δοµές ήταν πραγµατικά ελάχιστα στην PES και επαληθεύτηκαν µε βάση τις πραγµατικές τιµές των συχνοτήτων 4 που προέκυψαν Επίσης, πραγµατοποιήθηκαν υπολογισµοί UB3LYP 5 και RB3LYP [8] για τις γεωµετρίες και τις συχνότητες των ριζών των υπό µελέτη µορίων και το ατόµο του υδρογόνου Τέλος, η εύρεση του ενεργειακού φράγµατος περιστροφής των οµάδων ΟΗ και C έγινε µε διαδοχικούς υπολογισµούς µοναδικού σηµείου της ενέργειας, µε µεταβολή της δίεδρης γωνίας, που σχηµατίζει ο βενζολικός δακτύλιος και το επίπεδο των οµάδων, µε βήµα 15 ο Ακολούθησαν υπολογισµοί ανά 1 ο (από τις 80 ο µέχρι τις 100 ο ) για τον εντοπισµό της µεταβατικής κατάστασης Στο σηµείο που βρέθηκε η µέγιστη ενέργεια πραγµατοποιήθηκε πλήρης βελτιστοποίηση της γεωµετρίας των µορίων για δοµές που διαφέρουν ±2 ο, ώστε να υπάρχει απόλυτη βεβαιότητα και ακρίβεια για την τιµή της µεταβατικής κατάστασης Σηµειώνεται, πως στους τελευταίους υπολογισµούς βελτιστοποίησης της γεωµετρίας, η δίεδρη γωνία που αναφέρθηκε, τέθηκε ως σταθερά (στην εκάστοτε επιθυµητή τιµή) και βελτιστοποιήθηκαν όλες οι υπόλοιπες παράµετροι Σηµειώνεται επίσης, ότι το ενεργειακό φράγµα αυξήθηκε, σε σχέση 1 Με την εισαγωγή της λέξης κλειδί (keyword) 5d στο τµήµα πορείας (route section) του αρχείου εισαγωγής (input file) 2 Με την εισαγωγή του keyword opt=tight 3 Με την εισαγωγή του keyword SCF=tight 4 Με την εισαγωγή του keyword opt=calcall Το keyword ορίζει επίσης πως οι σταθερές δυνάµεων θα υπολογιστούν σε κάθε σηµείο χρησιµοποιώντας την τρέχουσα µέθοδο 5 To σύµβολο U (unrestricted), τις περισσότερες φορές θεωρείται δεδοµένο και παραλείπεται

Υπολογιστικό µέρος 74 µε τους υπολογισµούς µοναδικού σηµείου κατά 07 και 03 kcal/mol, αντίστοιχα, για το ΟΗ και C 32 Σύνολα βάσης Χρησιµοποιήθηκαν συνολικά, 17 διαφορετικά σύνολα βάσης, τα οποία και δοκιµάστηκαν για την αξιοπιστία των αποτελεσµάτων τους Ξεκινώντας από το πιο α- πλό, 6-31G, προστέθηκαν σταδιακά συναρτήσεις πόλωσης και διάχυσης στα βαριά άτοµα αλλά και στο υδρογόνο Το αντισυµβατικό σύνολο βάσης που επιλέχτηκε για τους περισσότερους υπολογισµούς ήταν το 6-31+(,3pd), που ανήκει στα διαχωρισµού διπλής στοιβάδας και περιλαµβάνει συναρτήσεις διάχυσης µόνο στα βαριά άτοµα και συναρτήσεις πόλωσης p και d µόνο στα άτοµα υδρογόνου Λόγω της πρωτοτυπίας του συνόλου βάσης, στον Πίνακα 31 δίνονται οι ατοµικές παράµετροι για το άτοµο του υδρογόνου, όπως δόθηκαν στο αρχείο εισαγωγής Πίνακας 31 : Ατοµικές παράµετροι για το άτοµο του υδρογόνου Τύπος Τροχιακός εκθέτης τροχιακού (α) S 3 01873113696D+02 02825394365D+01 06401216923D+00 S 1 01612777588D+00 P 1 04400000000D+01 P 1 01100000000D+01 P 1 02750000000D+00 D 1 01000000000D+01 s, p, d, -συντελεστές συµπύκνωσης (c s ) 03349460434D-01 02347269535D+00 08137573262D+00 01000000000D+01 01000000000D+01 01000000000D+01 01000000000D+01 01000000000D+01 33 Υπολογισµός παραγόντων διόρθωσης (scale factors) Οι αρµονικές συχνότητες δόνησης, theor ω i, διαφέρουν από τις θεµελιώδεις πειραµατικές, ~ exp ν i, κυρίως λόγω της δυσαρµονικότητας [9] Μια άλλη αιτία διαφοράς

Υπολογιστικό µέρος 75 είναι οι υπολογιστικές προσεγγίσεις είτε λόγω ελλιπούς περιγραφής της συσχέτισης ηλεκτρονίου είτε λόγω του πεπερασµένου συνόλου βάσης [10] Για µεγαλύτερη υπολογιστική ακρίβεια, αλλά και για σύγκριση όµοιων µεγεθών, εισάγεται ο παράγοντας διόρθωσης (scale factor), λ Ο λ εξάγεται µε βάση τις αποκλίσεις που παρατηρούνται µεταξύ των υπολογισµένων και πειραµατικών τιµών των συχνοτήτων δόνησης Με πολλαπλασιασµό των theor ω i µε τον λ επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση (ή στην καλύτερη περίπτωση ο µηδενισµός) της διαφοράς τους από τους ~ i exp ν Όσο πιο κοντά βρίσκεται η τιµή του λ στη µονάδα τόσο λιγότερο σφάλµα παρουσιάζουν η ε- κάστοτε υπολογιστική µέθοδος ή/και το σύνολο βάσης Υπάρχουν πολλές εργασίες υπολογισµού των κατάλληλων παραγόντων διόρθωσης για την ακριβέστερη προσέγγιση των πειραµατικών κυµατάριθµων µέσω θεωρητικών τιµών [11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20] Οι θερµοδυναµικές ιδιότητες εξάγονται µέσω των theor ω i Κανονικά λοιπόν, θα έπρεπε να ισχύουν και γι αυτές οι ίδιοι παράγοντες διόρθωσης Επειδή όµως η θερ- µική συνεισφορά στην ενθαλπία είναι περισσότερο ευαίσθητη για τους χαµηλούς κυ- µατάριθµους θα πρέπει για κάθε ιδιότητα που µελετάται να εισάγεται και διαφορετικός παράγοντας διόρθωσης Έτσι άλλος λ θα χρησιµοποιηθεί για τις συχνότητες δόνησης, άλλος για την Ε ZPE και άλλος για την ενθαλπία [11] Για τους θεµελιώδεις κυµατάριθµους προσδιορίζεται ο βέλτιστος λ µέσω της διαδικασίας των ελαχίστων τετραγώνων, ελαχιστοποιώντας τα υπόλοιπα, all theor = ( λω i ~ ν exp i ) 2 (31) Η εξίσωση (31) οδηγεί στον παράγοντα διόρθωσης, λ i λ = all i all i ω theor i ( ω ~ ν theor i exp i ) 2 (32) Αφού βρεθεί η βέλτιστη τιµή του λ, υπολογίζεται τo ελάχιστο υπόλοιπο min για κάθε κατάσταση i theor min = ~ i ( λω ν exp ) 2 (33) i Μετά, ορίζεται το µέσο µοριακό σφάλµα της τετραγωνικής ρίζας (molecular root mean square error), rms mol : ι

Υπολογιστικό µέρος 76 rms mol = n mol min (34) n i mol Το άθροισµα περιλαµβάνει όλες τις καταστάσεις του µορίου Το συνολικό (overall) µέσο σφάλµα της τετραγωνικής ρίζας rms ov είναι: rms ov = n all min (35) n i all Για να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλµατα των κυµατάριθµων σε χαµηλές συχνότητες, πρέπει να υπολογιστεί ο αντίστροφος παράγοντας διόρθωσης, που ελαχιστοποιεί το υπόλοιπο: all 1 = i λω i theor ν 1 ~ exp i 2 (36) Η εξίσωση (36) οδηγεί στο λ που χρησιµοποιείται για τις χαµηλές συχνότητες, αλλά και για τη θερµική συνεισφορά στην ενθαλπία τους λ = all i all i 1 theor ω i 1 theor exp ω ν i i 2 (37) Τα rms mol και rms ov υπολογίζονται αντίστοιχα, µε βάση τις εξισώσεις (34) και (35) Τέλος, ο λ για τις Ε ZPE εξάγεται µε βάση την ελαχιστοποίηση του υπόλοιπου όπου οι theor E ZPE i και exp ZPE i all theor exp 2 = (λ E ZPE E i ZPE ) (38) i i E υπολογίζονται αντίστοιχα, µε βάση τις εξισώσεις (267) και (270) και ο λ δίνεται από την εξίσωση: λ = all i all i E theor ZPE ( E i E theor ZPE exp ZPE i ) 2 i (39) Λόγω της γραµµικής εξάρτησης της theor E ZPE i από τους theor ω i (267), ο λ που προκύπτει (39) µπορεί να χρησιµοποιηθεί κατευθείαν στην theor E ZPE ή στις συχνότητες δόνησης, µε σκοπό τον υπολογισµό της theor E ZPE

Υπολογιστικό µέρος 77 34 Υπολογισµός µέσης απόλυτης απόκλισης, MAD Ο υπολογισµός της µέσης απόλυτης απόκλισης (mean absolute deviation, MAD), είναι ο µέσος όρος (όλων) των n απόλυτων τιµών των αποκλίσεων (διαφορών) των θεωρητικών από τις πειραµατικές τιµές για το εκάστοτε υπό µελέτη χαρακτηριστικό ή ιδιότητα Χ (πχ µήκος δεσµού) MAD = n i X X ) ( theor exp n (310) 35 Λογισµικό και Υπολογιστικά Συστήµατα Το σύνολο των υπολογισµών της θεωρίας DFT (µέθοδος Β3LYP) εκτελέστηκε µε το υπολογιστικό πακέτο Gaussian 98W Revision-A11 [21], στο λειτουργικό περιβάλλον των Windows 2000 Pro [22] Η κατασκευή και επεξεργασία των µοριακών, στερεοχηµικών τύπων έγινε µε τα προγράµµατα Chem3D Ultra 60 [23] και GaussView 307 [24] Το σύνολο των µοριακών συντακτικών τύπων σχεδιάστηκε µε το ChemDraw Ultra 60 [23] Τέλος, η δηµιουργία των γραφηµάτων, των µαθηµατικών τύπων και του κειµένου της διατριβής πραγµατοποιήθηκε µε το πακέτο Windows ffice 2000 [25] Βιβλιογραφία 1 A D Becke, J Chem Phys, 98, 5648 (1993) 2 C Lee, W Yang and R G Parr, Phys Rev B, 37, 785, (1988) 3 P J Stephens, J F Devlin, C F Chabalowski and M J Frisch, J Phys Chem, 98, 11623, (1994) 4 B Schlegel, J Comput Chem, 3, 214 (1982) 5 P Császár and P Pulay, JMolStruc, 114, 31 (1984) 6 C Peng, P Y Ayala, B Schlegel and M J Frisch, J Comp Chem, 17, 49 (1996)

Υπολογιστικό µέρος 78 7 Æ Frisch and M J Frisch, Gaussian 98 User s Reference, Second Edition, Gaussian Inc, Pittsburgh PA, 1999 8 G A DiLabio, D A Pratt, A D LoFaro and J S Wright, J Phys Chem A, 103, 1653 (1999) 9 K Dimorth, C Reichardt, T Siepmann and F Bohlmann, Liebigs Ann Chem, 1, 661 (1966) 10 T Fox and P A Kollman, J Phys Chem, 100, 2950 (1996) 11 A P Scott and L Radom, JPhysChem, 100, 16502 (1996) 12 E F ealy, A older, J Mol Struc, 281, 141, (1993) 13 J A Pople, B Schlegel, R Krishnan, D J DeFrees, J S Binkley, M J Frisch, R A Whiteside, R F out and W J ehre, Int J Quantum Chem Quantum Chem Symp, 15, 269 (1981) 14 R F out, B A Levi and W J ehre, J Comput Chem, 3, 234 (1982) 15 D J DeFrees and A D McLean and W J ehre, J Chem Phys, 82, 333 (1985) 16 N J arris, J Phys Chem, 99, 14689 (1995) 17 G Rauhut and R Pulay, J Phys Chem, 99, 3093 (1995) 18 C W Bauschlicher and Partridge, J Chem Phys, 103, 1788 (1995) 19 J W Finley and P J Stephens, J Mol Struct (TECEM), 357, 225 (1995) 20 P E Peterson, M Abu-mar, T W Johnson, R Parham, D Goldin, C enry, A Cook and K M Dunn, J Phys Chem, 99, 5927 (1995) 21 Gaussian 98W, Revision-A11, M J Frisch, G W Trucks, B Schlegel, G E Scusseria, M A Robb, J R Cheeseman, V G Zakrzewski, J A Montgomery, R E Stratmann, J C Burant, S Dapprich, J M Millan, A D Daniels, K N Kudin, M C Strain, Farkas, J Tomasi, V Barone, M Cossi, R Cammi, B Mennucci, C Pomelli, C Adamo, S Clifford, J rchterski, G A Petersson, P Y Ayala, Q Cui, K Morokuma, P Salvador, J J Dannenberg, D K Malick, A D Rabuck, K Raghavachari, J B Foresman, J Cioslowski, J V rtiz, A G Baboul, B B Stefanov, G Liu, A Liashenko, P Piskorz, I Komaroni, R Gomperts, R L Martin, D J Fox, T Keith, M A Al-Laham, C Y Peng, A Nanayakkara, C Gonzalez, M ead-gordon, E S Replogle and J A Pople, Gaussian Inc, Pittsburgh, PA, 2001 22 Microsoft Windows 2000 Professional, Microsoft Corporation, 2000 23 Chemffice Ulrta 60, Cambridge Scientific Computing, Inc, 2000 24 GaussView, 307, Gaussian Inc, Pittsburgh PA, 2003 25 Microsoft ffice 2000 (903007), Microsoft Corporation, 2000

4 Αποτελέσµατα-Συζήτηση 41 Εύρεση του βέλτιστου υπολογιστικού µοντέλου Κάθε ανάλογη θεωρητική µελέτη οφείλει να έχει όσο το δυνατόν µεγαλύτερη ταύτιση µε τα πειραµατικά δεδοµένα σε αέρια φάση όπου αυτά υπάρχουν Έτσι, σε πρώτο στάδιο, έγινε προσπάθεια να βρεθεί το κατάλληλο υπολογιστικό µοντέλο που να ικανοποιεί αυτή την απαίτηση Στην παρούσα διατριβή µελετήθηκε η δραστικότητα ενώσεων µε αντιοξειδωτικές ιδιότητες, που χαρακτηρίζεται από διάφορες φυσικοχηµικές παραµέτρους Η πιο διαδεδοµένη και µελετηµένη παράµετρος είναι η BDE (βλ Κεφ 121) Όλες οι ενώσεις που µελετήθηκαν ήταν φαινολικά παράγωγα, επειδή τα φαινολικά αντιοξειδωτικά αποτελούν µια από τις κυριότερες κατηγορίες αντιοξειδωτικών ενώσεων Εύλογα, η απλή φαινόλη αποτελεί σηµείο αναφοράς των τιµών των φυσικοχηµικών παραµέτρων, ανεξάρτητα αν η ίδια δεν έχει αντιοξειδωτικές ιδιότητες, κυρίως λόγω τοξικότητας [1] Επίσης, σηµαντικά τµήµατα διαδεδοµένων αντιοξειδωτικών µορίων (του καφεϊκού οξέος και του ΒΗΑ 1 ) αποτελούν η κατεχολική οµάδα αλλά και ο µεθοξυ- ( ΟMe) υποκαταστάτης, αντίστοιχα Η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την εύρεση του κατάλληλου υπολογιστικού µοντέλου βασίζεται στις δύο παραπάνω παρατηρήσεις-σηµειώσεις Επιχειρήθηκε, λοιπόν, να βρεθεί το µοντέλο που θα δίνει τη µέγιστη δυνατή ταύτιση της θεωρητικής σχετικής τιµής της ΒDE ( BDΕ) της κατεχόλης (2-υδροξυφαινόλης) και της γουαϊακόλης (2-µεθοξυ-φαινόλης) µε τις πειραµατικές τιµές για την αέρια φάση Για τη µεγαλύτερη ασφάλεια του µοντέλου µελετήθηκε και η µέγιστη δυνατή ταύτιση της απόλυτης τιµής της BDE της φαινόλης, της κατεχόλης, και της γουαϊακόλης, σε σχέση πάντα µε τις πειραµατικές Κάθε υπολογιστικό µοντέλο µπορεί να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες, στη θεωρητική µέθοδο και στο σύνολο βάσης Από τη µελέτη της διεθνούς βιβλιογραφίας διαπιστώθηκε, ότι στο σύνολο σχεδόν των αντίστοιχων θεωρητικών µελετών χρησι- µοποιήθηκε η συναρτησιακή µέθοδος Β3LYP, µε διαφορετικό κάθε φορά σύνολο βάσης [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] Επιπλέον, εκτός από την πληθώρα των εργα- 1 Το BA είναι η 2-ή 3- τετραβούτυλο-4-υδροξυ-ανισόλη

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 80 σιών, η B3LYP βρέθηκε να αποδίδει ακριβέστερα τις τιµές BDE για δεσµούς µεταξύ βαριών ατόµων και υδρογόνου, Χ Η [15,4,5,6,1] Με βάση λοιπόν, αυτές τις παρατηρήσεις, επιλέχτηκε για τη εκπόνηση της διατριβής η µέθοδος Β3LYP και πραγµατοποιήθηκαν θεωρητικές δοκιµές για την εύρεση του βέλτιστου συνόλου βάσης 411 Βέλτιστο σύνολο βάσης Για την επίτευξη του αρχικού στόχου χρησιµοποιήθηκε µια πληθώρα συνόλων βάσης, από το απλούστερο 6-31G, που είθισται να χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό της τιµής της BDE, µέχρι το πιο σύνθετο 6-311+G(2d,2p) Τα υπόλοιπα σύνολα βάσης επιλέχτηκαν µε τη λογική της σταδιακής προσθήκης συναρτήσεων και ήταν τα: 6-31G(d), 6-31+G(d), 6-31G(d,p), 6-31+G(d,p), 6-31++G(d,p), 6-31+G(d,2p), 6-31+G(2d,2p), 6-311+G(d,2p) Έτσι, δηµιουργήθηκε ένα σύνολο δέκα συµβατικών (conventional) συνόλων βάσης Στην εργασία των Wright et al [3] για πρώτη φορά (όσον αφορά τη µελέτη της BDE) γίνονται υπολογισµοί, µε αρκετά καλά αποτελέσµατα, µ ένα αντισυµβατικό (unconventional) σύνολο βάσης, το οποίο έχει τροποποιηµένες συναρτήσεις πόλωσης p µόνο στα άτοµα του υδρογόνου και όχι και στα βαριά άτοµα Γι αυτό, στο πλαίσιο της διατριβής, δοκιµάστηκαν και επτά επιπλέον αντισυµβατικά σύνολα βάσης Τα αποτελέσµατα των υπολογισµών της διακύµανσης της τιµής της BDE, για 17 διαφορετικά σύνολα βάσης, για τη φαινόλη, την κατεχόλη, τη γουαϊακόλη-ε και την γουαϊακόλη-ζ 2, δίνονται αντίστοιχα στο Σχήµα 41 (α, β, γ, δ) Οι µπλε γραµµές (τετράγωνα) αναφέρονται στη µέθοδο RB3LYP, οι µοβ (τρίγωνα και κύκλοι) στην UB3LYP και οι στικτές γραµµές δηλώνουν τις καλύτερες-προτεινόµενες πειραµατικές τιµές της BDE στην αέρια φάση για την εκάστοτε ένωση Υπάρχουν διάφορα άρθρα στη βιβλιογραφία που αναφέρονται στην καλύτερη πειραµατική τιµή της φαινόλης (870 kcal/mol [16], 883±08 [17]) Στο άρθρο επισκόπησης των dos Santos και Simões [18] ως τέτοια θεωρείται (για την αέρια φάση) η τιµή 887 kcal/mol, η οποία και υιοθετείται στην παρούσα διατριβή ως τιµή αναφοράς Οι αντίστοιχες τιµές αναφοράς για την κατεχόλη και γουαϊακόλη είναι 816 και 845 kcal/mol [19] 2 Ως Ζ θεωρείται η διαµόρφωση της εκάστοτε µονοϋποκατεστηµένης φαινόλης, της οποίας το υδρογόνο του ΟΗ βρίσκεται προς το µέρος του υποκαταστάτη Το αντίθετο, ως Ε

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 81 76 80 84 88 92 6-31G 6-31G(d) 6-31+G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-31+G(d,2p) 6-31+G(2d,2p) 6-311+G(d,2p) 6-311+G(2d,2p) 6-31G(,p) 6-31+G(,p) 6-31,+G(,p) 6-31++G(,p) 6-31+G(,2p) 6-31+G(,3p) 6-31+G(,3pd) BDE (kcal/mol) Πειραµατική τιµή RΒ3LYP Συµβατικά ΣΒ Αντισυµβατικά ΣΒ (α) (β) 66 70 74 78 82 6-31G 6-31G(d) 6-31+G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-31+G(d,2p) 6-31+G(2d,2p) 6-311+G(d,2p) 6-311+G(2d,2p) 6-31G(,p) 6-31+G(,p) 6-31,+G(,p) 6-31++G(,p) 6-31+G(,2p) 6-31+G(,3p) 6-31+G(,3pd) BDE (kcal/mol)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 82 86 82 BDE (kcal/mol) 78 74 70 6-31G 6-31G(d) 6-31+G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-31+G(d,2p) 6-31+G(2d,2p) 6-311+G(d,2p) 6-311+G(2d,2p) 6-31G(,p) 6-31+G(,p) 6-31,+G(,p) 6-31++G(,p) 6-31+G(,2p) 6-31+G(,3p) 6-31+G(,3pd) (γ) 90 BDE (kcal/mol) 86 82 - - - - - Θεωρητική τιµή 78 6-31G 6-31G(d) 6-31+G(d) 6-31G(d,p) 6-31+G(d,p) 6-31++G(d,p) 6-31+G(d,2p) 6-31+G(2d,2p) 6-311+G(d,2p) 6-311+G(2d,2p) 6-31G(,p) 6-31+G(,p) 6-31,+G(,p) 6-31++G(,p) 6-31+G(,2p) 6-31+G(,3p) 6-31+G(,3pd) (δ) Σχήµα 41 : Εξάρτηση της τιµής της BDE για τη φαινόλη (α), κατεχόλη (β), γουαϊακόλη-ε (γ) και γουαϊακόλη-ζ (δ) από το σύνολο βάσης Σηµειώνεται ότι, η πειραµατική τιµή που υπάρχει για τη γουαϊακόλη αναφέρεται στο Ε διαµορφοµερές του µορίου Και στις δύο πειραµατικές εργασίες [19,7], η τιµή BDE είναι περίπου κατά 42 kcal/mol χαµηλότερη από τη φαινόλη, ένδειξη ότι

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 83 στη µητρική ένωση δεν υπάρχει δεσµός υδρογόνου Έτσι, στο εξής, όπου αναγράφεται απλά η ένωση γουαϊακόλη, θα υπονοείται το Ε διαµορφοµερές Επιπρόσθετα, στην [7] δηλώνεται ρητά, ότι η τιµή της BDE που δίνεται αντιστοιχεί στην καθαρή τιµή, αγνοώντας δηλαδή, όλους τους ενδο- και διαµοριακούς δεσµούς υδρογόνου Έτσι, επειδή ο αρχικός στόχος της διατριβής είναι η ικανοποιητική συµφωνία των θεωρητικών αποτελεσµάτων µε τα πειραµατικά, χρησιµοποιήθηκε το Ε διαµορφοµερές για την γουαϊακόλη, παρόλο που δεν είναι το θεωρητικά ενεργειακά σταθερότερο (λόγω της απουσίας ενδοµοριακού δεσµού υδρογόνου) Για την πληρότητα της µελέτης συµπεριλαµβάνεται και το διάγραµµα της γουαϊακόλης-ζ, θεωρώντας ως τιµή προσέγγισης, την αντίστοιχη θεωρητική 901 kcal/mol [3,18] 4111 Συµπεράσµατα µελέτης συµβατικών συνόλων βάσης Οι τιµές BDE που προκύπτουν από τα δέκα συµβατικά σύνολα βάσης (τρίγωνα στο Σχήµα 41) δείχνουν καθαρά, όπως αναµενόταν [3,11], ότι η B3LYP υποεκτιµά τις απόλυτες τιµές BDE, µε αποτέλεσµα αυτές να βρίσκονται κάτω από τις αντίστοιχες πειραµατικές Ακόµη και το µεγαλύτερο συµβατικό σύνολο βάσης 6-311+ G(2d,2p) δίνει τιµές BDE για τη φαινόλη, την κατεχόλη και τη γουαϊακόλη, που είναι αντίστοιχα κατά 51, 72 και 60 kcal/mol χαµηλότερες, (Πίνακας 41) Eξετάζοντας αναλυτικά το Σχήµα 41 εξάγονται τα εξής συµπεράσµατα: α) Οι τιµές BDE αυξάνονται, από το ελάχιστο στο µέγιστο σύνολο βάσης, περίπου από 44 (φαινόλη) έως 40 kcal/mol (γουαϊακόλη) β) Για µεσαίου µεγέθους σύνολο βάσης (6-31+G(d,p) ή µεγαλύτερο) η παραγόµενη τιµή BDE, είναι σχεδόν ίδια µε αυτή του µεγαλύτερου συνόλου βάσης γ) Η προσθήκη συναρτήσεων διάχυσης στα βαριά άτοµα, βελτιώνει τις τιµές BDE δ) Αντίθετα, η προσθήκη συναρτήσεων διάχυσης στα άτοµα του υδρογόνου, χειροτερεύει σε σχέση µε τις πειραµατικές τις τιµές BDE ε) Η προσθήκη συναρτήσεων πόλωσης d στα βαριά άτοµα, οδηγεί σε χαµηλότερες τιµές BDE, και στ) Η προσθήκη συναρτήσεων πόλωσης p στα άτοµα του υδρογόνου, οδηγεί σε βελτίωση των τιµών BDE, σε σχέση µε οποιοδήποτε άλλο συµβατικό σύνολο βάσης Συνεπώς, οι συναρτήσεις πόλωσης τύπου d πρέπει να παραλειφθούν από τα σύνολα βάσης των βαριών ατόµων και οι συναρτήσεις διάχυσης από τα άτοµα του υ-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 84 δρογόνου, διότι ελλάτωνουν τις τιµές BDE Αντίθετα, η προσθήκη συναρτήσεων διάχυσης στα βαριά άτοµα και επιπλέον συναρτήσεων πόλωσης τύπου p στα άτοµα του υδρογόνου έχουν ως αποτέλεσµα τη βελτίωση των τιµών BDE Έτσι, η χρησιµοποίηση των αντισυµβατικών συνόλων βάσης θεωρήθηκε ως η καταλληλότερη επιλογή για το σκοπό της διατριβής 4112 Συµπεράσµατα µελέτης αντισυµβατικών συνόλων βάσης Οι τιµές BDE, που προκύπτουν µε βάση τη θεώρηση για τα επτά αντισυµβατικά σύνολα βάσης, επισηµαίνονται µε κύκλους στο Σχήµα 41 Παρατηρείται ότι: α) Προκύπτει µια εµφανής βελτίωση των τιµών BDE, σε σχέση µε τις τιµές που προκύπτουν από τα συµβατικά σύνολα βάσης και β) Υπάρχει µια συνεχής προσέγγιση των πειραµατικών τιµών (από κάτω) µε την προσθήκη µιας και δύο συναρτήσεων πόλωσης τύπου p στα άτοµα του υδρογόνου Συγκεκριµένα, οι τιµές των BDE που προκύπτουν για τα σύνολα βάσης 6-31+G(,p) και 6-31+G(,2p) διαφέρουν κατά ±1 kcal/mol Με βάση τις παραπάνω παρατηρήσεις, η υιοθέτηση του φαινοµενικά περίεργου συνόλου βάσης 6-31+G(,3pd), το οποίο µάλιστα, σε αντίθεση µε την εργασία των Wright et al [3], δε διαθέτει τροποποιηµένους εκθέτες των p τροχιακών του υ- δρογόνου, φαίνεται αν µη τι άλλο λογική 4113 Υπολογισµοί RB3LYP Στην εργασία [1] αποδείχθηκε, ότι µε τη µέθοδο RB3LYP προκύπτει µε ικανοποιητική ακρίβεια η τιµή της BDE Έτσι, παρόλη την ακρίβεια που επιτεύχθηκε µε το µοντέλο UB3LYP/6-31+G(,3pd), πραγµατοποιήθηκαν και υπολογισµοί µε το µοντέλο RB3LYP/6-31+G(,3pd) ι τιµές BDE της µεθόδου RB3LYP επισηµαίνονται µε τετράγωνα στο Σχήµα 41 Η διακύµανση των τιµών της RB3LYP, σε συνάρτηση µε τα αντίστοιχα (συµβατικά και αντισυµβατικά) σύνολα βάσης, είναι όµοια, µε εκείνη της µεθόδου UB3LYP Επιπλέον, οι τιµές BDE είναι αυξηµένες κατά 23, 15 και 19 kcal/mol (µέση τιµή), αντίστοιχα, για τη φαινόλη, την κατεχόλη και τη γουαϊακόλη, σε σχέση µε τους υπολογισµούς UB3LYP

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 85 Πίνακας 41 : Εξάρτηση των θεωρητικών τιµών ΒDE (σε kcal/mol), από επιλεγµένα σύνολα βάσης Άθροισµα ηλεκτρονιακών και θερµικών ενθαλπιών a, b Φαινόλες Σύνολο Βάσης Ar Ar BDE c (BDE) d BDE e, f Φαινόλη 6-311+G(2d,2p) g -306826675-307459739 836-51 Κατεχόλη 6-311+G(2d,2p) g -382086208-382704628 744-72 -92 Γουαϊακόλη 6-311+G(2d,2p) g -421354724-421979733 (-421986251) i 786 (827) -60 (-74) -51 (-10) Φαινόλη 6-31+G(d,2p) g -306748047-307379817 840-47 Κατεχόλη 6-31+G(d,2p) g -381982761-382600402 751-65 -89 Γουαϊακόλη 6-31+G(d,2p) g -421242822-421866852 (-421873833) 791 (835) -54 (-66) -49 (-05) Φαινόλη 6-31+G(d,2p) h -306744324-307379817 863-24 Κατεχόλη 6-31+G(d,2p) h -381980410-382600402 766-50 -97 Γουαϊακόλη 6-31+G(d,2p) h -421239932-421866852 (-421873833) 810 (853) -36 (-48) -54 (-10) Φαινόλη 6-31+G(,p) h -306675142-307314110 885-02 Κατεχόλη 6-31+G(,p) h -381886400-382514074 814-02 -71 Γουαϊακόλη 6-31+G(,p) h -421132517-42176394 (-421773823) 838 (900) -08 (-01) -47 (+15) Φαινόλη 6-31+G(,2p) h -306675949-307316425 895 07 Κατεχόλη 6-31+G(,2p) h -381888443-382517281 822 05-73 Γουαϊακόλη 6-31+G(,2p) h -421134115-421767144 (-421776676) 848 (908) 03 (07) -47 (+13) Φαινόλη 6-31+G(,3pd) g -306683824-307322822 885-02 Κατεχόλη 6-31+G(,3pd) g -381896831-382524908 817 00-69 Γουαϊακόλη 6-31+G(,3pd) g -421143700-421776063 (-421785284) 844 (902) -02 (01) -42 (+16) a Όλες οι τιµές ενθαλπίας σε hartree b Το άθροισµα των ηλεκτρονιακών και θερµικών ενθαλπιών για τη ρίζα του υδρογόνου για όλα τα σύνολα βάσης υπολογίστηκε 0497912 hartree, εκτός του 6-311+G(2d,2p) που είναι 0499795 hartree, c Οι πειραµατικές τιµές BDE είναι 887, 816, 845, 901 kcal/mol για τη φαινόλη, κατεχόλη, γουαϊακόλη, γουαϊακόλη-ζ, αντίστοιχα (για αναφορές βλ στο κείµενο) d (BDE) = BDE θεωρ BDE πειρ e BDE = BDE ΑrΟΗ BDE Ph f Οι πειραµατικές (BDE) είναι -71, -42 και 134 kcal/mol, για την κατεχόλη, γουαϊακόλη, γουαϊακόλη- Ζ, αντίστοιχα [19] g Οι ενθαλπίες όλων των ριζών προέκυψαν µε τη µέθοδο UB3LYP h Οι ενθαλπίες όλων των ριζών προέκυψαν µε βάση τη µέθοδο RB3LYP i Οι τιµές στις παρενθέσεις αναφέρονται στη γουαϊακόλη-ζ

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 86 Παρόλη την αύξηση, όλες οι αντίστοιχες τιµές BDE που προκύπτουν από τα συµβατικά σύνολα βάσης βρίσκονται πιο χαµηλά από τις πειραµατικές Την καλύτερη τιµή (από τα συµβατικά σύνολα βάσης) δίνει το 6-31+G(d,2p), του οποίου οι τιµές είναι 24, 50 και 36 kcal/mol χαµηλότερες από τις πειραµατικές, αντίστοιχα για τη φαινόλη, την κατεχόλη και τη γουαϊακόλη Παρόλ αυτά, η BDE που υπολογίζεται µε τα 6-31+G(,p) και 6-31+G(,2p) αντισυµβατικά σύνολα βάσης διαφέρει κατά 1 kcal/mol 4114 Επιλογή του βέλτιστου συνόλου βάσης Με βάση τα παραπάνω αποτελέσµατα, γίνεται φανερό, πως µε τη χρήση των µεθόδων UB3LYP και RB3LYP, σε συνδυασµό µ ένα αντισυµβατικό σύνολο βάσης, είναι εφικτό να επιτευχθεί ακρίβεια της τάξης του 02 kcal/mol για τις τιµές BDE µε ταυτόχρονη πολύ καλή ακρίβεια και για τις BDE Αξίζει να τονιστεί όµως, ότι η RB3LYP είναι χρονοβόρος µέθοδος όσον αφορά τον υπολογισµό των συχνοτήτων Έτσι, εύλογα υιοθετήθηκε η µέθοδος B3LYP/6-31+G(,3pd), ως η βέλτιστη για τη µελέτη των φυσικοχηµικών παραµέτρων που χαρακτηρίζουν την αντιοξειδωτική δράση των φαινολικών ενώσεων, που µελετούνται στην παρούσα διατριβή 4115 Έλεγχος της αξιοπιστίας του συνόλου βάσης 6-31+G(,3pd) Σύγκριση γεωµετρίας Όπως αναφέρθηκε, ο κύριος σκοπός της διατριβής είναι η µελέτη των φυσικοχηµικών παραµέτρων των φαινολικών αντιοξειδωτικών Λόγω, όµως, του ασυνήθιστου συνόλου βάσης που επιλέχθηκε, θεωρήθηκε σκόπιµο να εξεταστούν επίσης και οι γεωµετρίες που προκύπτουν απ αυτό 7 13 7 12 C 1 8 12 C 1 8 C 6 C 2 C 6 C 2 C 5 C 4 C 3 C 5 C 4 C 3 11 9 11 9 10 10 1 2 Σχήµα 42 : Συντακτικοί τύποι των µορίων της φαινόλης και της φαινολικής ρίζας

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 87 Για το σκοπό αυτό, έγινε σύγκριση της θεωρητικά υπολογιζόµενης γεωµετρίας των µορίων αναφοράς φαινόλης και φαινολικής ρίζας (Σχήµα 42), µε πειραµατικές αλλά και µε υπάρχουσες θεωρητικές τιµές Στον Πίνακα 42 δίνονται οι γεωµετρικές παράµετροι (µήκη δεσµών και γωνίες), για το βέλτιστο και το µεγαλύτερο σύνολο βάσης, καθώς και οι πειραµατικές τι- µές [20] Τα αποτελέσµατα του συνόλου βάσης 6-31+G(,3pd) βρίσκονται σε πολύ καλή συµφωνία µε τις πειραµατικές τιµές (MAD = 0006 Å) Το σφάλµα αυτό είναι της ίδιας τάξης µεγέθους (0007 Å) µε αυτό της εργασίας [3], στην οποία χρησιµοποιήθηκε το αντισυµβατικό σύνολο βάσης 6-31+G(,p ) Το µεγαλύτερο σύνολο βάσης που χρησιµοποιήθηκε, 6-311+G(2d,2p), δίνει µικρότερο σφάλµα, της τάξης του 0001 Å Πίνακας 42 : Σύγκριση των γεωµετρικών παραµέτρων της βελτιστοποιηµένης γεωµετρίας της φαινόλης µε πειραµατικές και θεωρητικές τιµές Γεωµετρικές Αέρια φάση παράµετροι 6-31+G(,3pd) a 6-311+G(2d,2p) b Πειρ c C 1 C 2 1400 d 1393 1391 C 2 C 3 1402 1391 1394 C 3 C 4 1401 1390 1395 C 4 C 5 1404 1393 1395 C 5 C 6 1399 1389 1392 C 6 C 1 1399 1393 1391 C 2 8 1083 1084 1086 C 3 9 1081 1082 1084 C 4 10 1081 1081 1080 C 5 11 1081 1082 1084 C 6 12 1080 1081 1081 C 1 7 1403 1370 1375 7 13 0966 0962 0957 C 1 C 2 C 3 1195 e 1197 1194 C 2 C 3 C 4 1204 1205 1205 C 3 C 4 C 5 1195 1193 1192 C 4 C 5 C 6 1206 1207 1208 C 5 C 6 C 1 1194 1196 1192 C 6 C 1 C 2 1207 1201 1209 C 1 C 2 8 1202 1200 1200 C 5 C 6 12 1215 1214 1216 C 1 7 13 1107 1097 1088 a MAD = 0006 Å b MAD = 0001 Å c Πειραµατικά δεδοµένα από την [20] d Μήκος δεσµού σε Å e Γωνία σε ο

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 88 Για τη φαινολική ρίζα υπάρχουν τρεις θεωρητικές µελέτες στην αέρια φάση [3,21,22] Οι δύο από αυτές [21,22] χρησιµοποιούν το ίδιο επίπεδο υπολογισµού CAS-SCF/6-311G(2d,p), το οποίο έδωσε µικρούς δεσµούς C (1229 Å) και C Η ( 1073 Å) Ωστόσο, για το µήκος του δεσµού C στη φαινόλη, αναµένεται τιµή ανάµεσα στα 1225 Å της βενζοκινόνης [23] και στον απλό δεσµό της φαινόλης (1375 Å) [20] και για το δεσµό C Η 1084 Å Για το λόγο αυτό, κρίθηκε προτιµότερο να θεωρηθεί ως τιµή αναφοράς η θεωρητική τιµή της µεθόδου B3LYP/6-311+G(2d,2p) Μ αυτήν την επιλογή, τα δοµικά δεδοµένα, που δίνονται στον Πίνακα 43 µε βάση τη µέθοδο B3LYP/6-31+G(,3pd), δίνουν µικρό σφάλµα (0008 Å) και ίδιας τάξης µεγέθους µε της (θεωρητικής) εργασίας [3] Παρατηρείται ακόµη, ότι και οι δύο θεωρητικοί υπολογισµοί, που πραγµατοποιήθηκαν µε τα αντισυµβατικά σύνολα βάσης, δίνουν σχετικά, µεγάλο µήκος δεσµού C Ο, της τάξης των 1296 Å Πίνακας 43 : Σύγκριση των γεωµετρικών παραµέτρων της βελτιστοποιηµένης γεωµετρίας της φαινολικής ρίζας, µε υπάρχουσες θεωρητικές τιµές Γεωµετρικές Αέρια φάση παράµετροι 6-31+G(,3pd) a 6-31G(p ) b 6-311+G(2d,2p) C 1 C 2 1443 c 1443 1449 C 2 C 3 1386 1385 1372 C 3 C 4 1413 1412 1406 C 2 8 1080 1083 1081 C 3 9 1081 1084 1082 C 4 10 1081 1084 1081 C 1 7 1298 1296 1253 C 1 C 2 C 3 1205 d - 1208 C 2 C 3 C 4 1201-1203 C 3 C 4 C 5 1206-1207 C 6 C 1 C 2 1181-1172 C 1 C 2 8 1175-1171 a MAD = 0008 Å, από τα αποτελέσµατα του υπολογισµού 6-311+G(2d,2p) b Θεωρητικά δεδοµένα από την [3] c Μήκος δεσµού σε Å d Γωνία σε ο Επιπλέον, σε αντίθεση µε τη µητρική φαινόλη, η ρίζα της παρουσιάζει µια κινοειδή δοµή, λόγω της σηµαντικής επιµήκυνσης των δεσµών C 1 C 2 και C 1 C 6 (1443 Å) και C 4 C 3 και C 4 C 5 (1413 Å), σε συνδυασµό µε τη βράχυνση του µήκους των δεσµών C 2 C 3 και C 6 C 5 (1386 Å)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 89 Επιµόλυνση spin Η επιµόλυνση spin (spin contamination) είναι γνωστό, πως επηρεάζει σηµαντικά (έµµεσα) τις υπολογιζόµενες τιµές BDE, αφού επηρεάζει (άµεσα) τις υπολογιζό- µενες ενέργειες Προγενέστερες εργασίες έδειξαν ότι η επιµόλυνση spin των υπολογισµών DFT, είναι γενικά χαµηλή, ακόµα και για τις αρωµατικές ρίζες [4,22] Οι µέσες τιµές του τελεστή spin <S 2 > για τη ρίζα της φαινόλης, της κατεχόλης και της γουαϊακόλης υπολογίστηκαν αντίστοιχα 082, 080 και 078, πολύ κοντά δηλαδή, στη µέση τιµή της καθαρής διπλής κατάστασης, 075 Αυτό αποτελεί µια ακόµη ένδειξη, ότι οι τιµές BDE είναι σχεδόν απαλλαγµένες από την επιµόλυνση spin και ως εκ τούτου θα αναµένονται ακριβείς 4116 Παράγοντες διόρθωσης Όπως αναφέρθηκε στο Κεφ 283 οι συχνότητες δόνησης, theor ω i, διαφέρουν από τις θεµελιώδεις πειραµατικές, ~ exp ν i [24], κυρίως, λόγω δυσαρµονικότητας (βλ Παράρτηµα, Πίνακα Π1) Επειδή το επιλεγµένο σύνολο βάσης 6-31+G(,3pd), δεν έχει χρησιµοποιηθεί στο παρελθόν για τον υπολογισµό ενεργειακών δεδοµένων, υπάρχει κενό σε ό,τι αφορά τους παράγοντες διόρθωσής του, λ Με βάση τους τύπους που αναφέρθηκαν στο Κεφ 33, ο παράγοντας διόρθωσης για τις συχνότητες δόνησης υπολογίστηκε 09610 (rms ov = 26 cm -1 ) και οι παράγοντες διόρθωσης για την Ε ZPE και Η vib, αντίστοιχα 09810 και 09985 Το γεγονός, ότι ο παράγοντας διόρθωσης για τη Η vib βρίσκεται οριακά κοντά στη µονάδα, δηλώνει ότι η επερχόµενη διόρθωση που θα επιφέρει η χρησιµοποίησή του στην τιµή της BDE, θα είναι µηδαµινή Πράγµατι, η διαφορά στην υπολογιζόµενη τιµή ΒDE, µε τη χρησιµοποίησή του ή όχι 3, είναι ουσιαστικά µηδενική (00005 kcal/mol) Επιπλέον, η αύξηση της τιµής της BDE µε τη χρησιµοποίηση ενός µόνο παράγοντα διόρθωσης (για Ε ZPE ), αντί για δύο (για Η vib και Ε ZPE ) θα είναι µόνο 015 kcal/mol 3 Η µη χρησιµοποίηση ενός παράγοντα διόρθωσης σηµαίνει, ότι η εκάστοτε παράµετρος πολλαπλασιάζεται µε το 10

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 90 Για τους παραπάνω λόγους, µπορεί να θεωρηθεί ότι δε θα προκύψει ιδιαίτερο σφάλµα στους υπολογισµούς BDE (για το συγκεκριµένο σύνολο βάσης) αν δε χρησι- µοποιηθούν καθόλου παράγοντες διόρθωσης 42 Μελέτη της δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέσω της BDE Με την υιοθέτηση του αντισυµβατικού συνόλου βάσης 6-31+G(,3pd) µπορούν πλέον να εξαχθούν µε ασφάλεια οι τιµές BDE για τα φαινολικά µόρια Αξίζει να τονιστεί, ότι η χρησιµοποίηση συναρτήσεων πόλωσης 3pd στο σύνολο βάσης του ατόµου του υδρογόνου δεν είναι κάτι το καινοφανές Η χρησιµοποίησή τους συνηθίζεται τόσο σε θεωρητικές εργασίες ανόργανων [25] και οργανικών µοριακών συστηµάτων [26] όσο και σε απλού ατοµικού ή/και µοριακού υδρογόνου [27,28] Επιπλέον, για τις περιπτώσεις που µελετούνται στην παρούσα διατριβή, η χρησιµοποίηση επιπλέον συναρτήσεων για την περιγραφή του Η είναι λογική, αφού το Η συµµετέχει αφενός στον κρίσιµο φαινολικό δεσµό Ο Η, που διασπάται και αφετέρου στον επίσης κρίσιµο ενδοµοριακό δεσµό υδρογόνου που ενίοτε σχηµατίζεται µε τους ο-υποκαταστάτες Επίσης, υπογραµµίζεται πως το µοντέλο B3LYP/6-31+G(,3pd), που χρησιµοποιήθηκε είναι πλήρως συνεπές (fully consistent), επειδή οι υπολογισµοί, τόσο για τις µητρικές φαινόλες όσο και για τις αντίστοιχες ρίζες, πραγµατοποιήθηκαν µε το ίδιο ακριβώς θεωρητικό µοντέλο Με τον τρόπο αυτό περιορίζονται τα σφάλµατα στον υπολογισµό της BDE (και των φυσικοχηµικών παραµέτρων γενικότερα) που µελετούνται Αρχικά, θα µελετηθούν οι φαινόλες, µ έναν ή δύο υποκαταστάτες ΟΗ και ΟMe σε ο-θέση, λόγω της άµεσης σχέσης τους µε την επιλογή του συνόλου βάσης και κατόπιν, θα γίνει µελέτη ενός συνόλου µονοϋποκατεστηµένων φαινολών σε ο-, µ- και π-θέση 421 Τιµές BDE για φαινόλες µε υποκαταστάτες Ο και Μe Οι τιµές των απόλυτων και σχετικών τιµών BDE για τη φαινόλη (phenol), κατεχόλη (catechol), γουαϊακόλη (guaiacol), συριγγόλη (syringol) και πυρογαλλόλη (py-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 91 rogallol) συνοψίζονται στον Πίνακα 44 Οι τιµές (εκτός της γουαϊακόλης) αναφέρονται στα σταθερότερα ζεύγη διαµορφοµερών, µητρικής ενώσης/ρίζας Οι διορθωµένες (scaled) και οι µη διορθωµένες (unscaled) τιµές ΒDE βρίσκονται σε εξαιρετική συµφωνία µε τις πειραµατικές 4211 Κατεχόλη Για το ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας της κατεχόλης, µε ενδοµοριακό δεσµό υ- δρογόνου (Ζ διαµορφοµερή), και µε όλα τα υδροξύλια στο επίπεδο του αρωµατικού δακτυλίου, η τιµή BDE 818 kcal/mol που προκύπτει είναι σχεδόν ταυτόσηµη µε την πειραµατική Πίνακας 44 : Απόλυτες και σχετικές τιµές BDE του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd) για τη φαινόλη, κατεχόλη, γουαϊακόλη, συριγγόλη και πυρογαλλόλη (όλες οι τιµές σε kcal/mol) Φαινόλες BDE πειρ BDE θεωρ a (BDE) b 885-02 Φαινόλη 887 d (887) (-01) 8167 00 Κατεχόλη 816 e (818) (02) 844-02 Γουαϊακόλη-Ε 845 e (845) (-00) Γουαϊακόλη-Ζ 901 d 902 01 (903) (02) Συριγγόλη 838 f 843-06 (845) (-07) 773 Πυρογαλλόλη µδ g (774) c BDE πειρ c BDE θεωρ 00-71 e -69-42 e -42 13 d +16-50 f -42-113 a Μη διορθωµένες και διορθωµένες (σε παρένθεση) τιµές b (BDE) = BDE θεωρ BDE πειρ c BDE = BDE Ar BDE Ph d Από την [18] e Από την [19] f Από την [29] g Mη διαθέσιµη (µδ) Για το ίδιο µόριο, θεωρείται ότι υπάρχει µόνο µια τιµή BDE, ανεξάρτητα από τo ποιος δεσµός Ο Η θα διασπαστεί στη µητρική ένωση Αυτό συµβαίνει επειδή η ρίζα (4), µπορεί να αναδιευθετηθεί, σε θερµοκρασία περιβάλλοντος, δίνοντας το σταθερότερο διαµορφοµερές [1] (βλ Σχήµα 43)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 92 διάσπαση - 3 4 5 διάσπαση - 3 5 Σχήµα 43 : Μηχανισµός απόσπασης υδρογόνου από το µόριο της κατεχόλης Η πειραµατική τιµή BDE 71 kcal/mol [19] βρίσκεται σε πολύ καλή συµφωνία µε την υπολογισµένη 69 kcal/molεπιπλέον, η υπολογισµένη διαφορά ενθαλπίας µεταξύ των Ε και Ζ µητρικών διαµορφοµερών είναι 51 kcal/mol, τιµή που δίνει την ισχύ του ενδοµοριακού δεσµού υδρογόνου και βρίσκεται µεταξύ των δύο δηµοσιευ- µένων αντίστοιχων, θεωρητικών τιµών 44 [7] και 57 kcal/mol [1] 4212 Γουαϊακόλη Για τη γουαϊακόλη, ερευνήθηκαν όλα τα δυνατά διαµορφοµερή για τη µητρική ένωση και τις αντίστοιχες ρίζες Η µητρική ένωση έχει τρία διαµορφοµερή (ελάχιστα στην PES), από τα οποία σταθερότερο είναι το Ζ, λόγω του ενδοµοριακού δεσµού υδρογόνου Για την Ε διαµόρφωση, υπάρχουν δύο διαµορφοµερή (6 και 7) τα οποία ουσιαστικά δε διαφέρουν ενεργειακά 4 Το 6, όπου η Μe έχει προσανατολισµό syn 5 και βρίσκεται εκτός του δακτυλίου (σχηµατίζοντας µε αυτόν δίεδρη γωνία 61 ο ), µπορεί να θεωρηθεί ότι µετατρέπεται στο 7 και αντίστροφα Για τη ρίζα εντοπίστηκαν δύο διαµορφοµερή στην PES Στο σταθερότερο, η Μe έχει προσανατολισµό syn 4 Οι υπολογισµοί έδειξαν το 8 πιο σταθερό κατά 01 kcal/mol 5 Για την αποφυγή σύγχυσης υιοθετείται ο όρος syn αποκλειστικά για τους εκάστοτε υποκαταστάτες της φαινόλης Έτσι, µε το syn συµβολίζεται το διαµορφοµερές στο οποίο ο υποκαταστάτης βρίσκεται από την πλευρά του ΟΗ της φαινόλης ή του Ο (για την περίπτωση της ρίζας) και µε το anti το δια- µορφοµερές στο οποίο ο υποκαταστάτης βρίσκεται από την αντίθετη πλευρά

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 93 Το λιγότερο σταθερό (8) διαφέρει κατά 259 kcal/mol και η Μe έχει προσανατολισµό anti C 3 διάσπαση C 3 - C 3 6 7 8 Σχήµα 44 : Μηχανισµός απόσπασης υδρογόνου από το µόριο της γουαϊακόλης Για τους λόγους που αναφέρθηκαν στο Κεφ 411, στο Σχήµα 44 δίνεται ο µηχανισµός απόσπασης υδρογόνου µεταξύ των µη-χαµηλότερων ενεργειακά διαµορφο- µερών Για το Ε µητρικό διαµορφοµερές (7) προκύπτουν διορθωµένες τιµές BDE 845 kcal/mol, BDE 42 kcal/mol και ενδοµοριακή ισχύς δεσµού υδρογόνου 58 kcal/mol, σε άριστη συµφωνία µε τις αντίστοιχες πειραµατικές τιµές, 845 [19], 42 [18] και τη θεωρητική 57 [3] kcal/mol Οι De eer et al [7] βρήκαν το ίδιο χαµηλότερο ενεργειακά Ζ ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας Παρόλ αυτά, τα δύο µητρικά µόρια, που επιλέχθηκαν από τον Wright et al έχουν το ΟMe µε προσανατολισµό anti και syn του ΟΗ, δίνοντας τιµές BDE, που διαφέρουν από τις πειραµατικές αντίστοιχα, κατά 24 και 33 kcal/mol 6 4213 Συριγγόλη Σύµφωνα µε τους υπολογισµούς, η πιο σταθερή µητρική ένωση της συριγγόλης (2,6-διµεθοξυ-φαινόλη) 9, έχει τον ΟΜe, που συµµετέχει στο δεσµό υδρογόνου, µε προσανατολισµό anti και το δεύτερο ΟMe εκτός του επιπέδου του δακτυλίου (κατά 55 ο ), syn Το 9 παρουσιάζει τη σηµαντική διαφορά ότι δεν είναι επίπεδο, συγκρινόµενο µε το επίπεδο µόριο της εργασίας [3] Επιπλέον, το διαµορφοµερές αυτό είναι πιο σταθερό κατά 04 kcal/mol του επίπεδου µορίου (µε τα δύο ΟΜe σε προσανατολισµό anti) της εργασίας [7] 6 Σηµειώνεται ότι, στην ίδια εργασία δε γίνεται καµιά αναφορά για τα διαµορφοµερή της ρίζας, που λαµβάνονται υπόψη για τον υπολογισµό της ΒDE

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 94 διάσπαση C 3 C 3 3 C C 3 3 C - 3 C 9 10 11 Σχήµα 45 : Μηχανισµός απόσπασης υδρογόνου από το µόριο της συριγγόλης Το πιο σταθερό διαµορφοµερές της ρίζας, υπολογίστηκε αυτό στο οποίο οι δύο ΟΜe οµάδες βρίσκονται στο επίπεδο µε προσανατολισµό syn (11) Η ρίζα αυτή είναι πιο σταθερή κατά 09 kcal/mol από τη ρίζα 10, που προέρχεται από τη σταθερότερη µητρική ένωση (µε αποβολή Η ) Επιπλέον, είναι πιο σταθερή κατά 29 kcal/mol από τη ρίζα που αναφέρεται στην εργασία [7], η οποία έχει τον έναν υποκαταστάτη Μe µε προσανατολισµό syn και τον άλλο anti Σηµειώνεται ότι εκτελέστηκαν επιπλέον υπολογισµοί, τροποποιώντας την αρχική δοµή των µορίων (Ε, Ζ ή/και syn, anti), έτσι, ώστε να εξασφαλιστεί ότι βρέθηκαν τα ολικά ελάχιστα στην PES της µητρικής ένωσης και της ρίζας Η υπολογισµένη τιµή BDE 845 kcal/mol, που προέκυψε από το ζεύγος των κατάλληλα επιλεγόµενων διαµορφοµερών, βρίσκεται σε πολύ καλή συµφωνία µε την πειραµατική Το ίδιο συµβαίνει και µε τη BDE ( 42 kcal/mol συγκρινόµενη µε την 50 kcal/mol) 4214 Πυρογαλλόλη Το σταθερότερο διαµορφοµερές της µητρικής πυρογαλλόλης (2,6-διυδροξυφαινόλη) έχει το ένα εξωτερικό ΟΗ µε προσανατολισµό syn και το δεύτερο anti (12) Όσον αφορά τις ρίζες, υπάρχουν δύο διαφορετικές διαµορφώσεις (14 και 16) µε δύο ενδοµοριακούς δεσµούς υδρογόνου Η 14 σχηµατίζεται από την αποβολή του Η από το κεντρικό ΟΗ, ενώ η 16 σχηµατίζεται από την αποβολή του Η ενός εκ των δύο εξωτερικών ΟΗ Σηµειώνεται, ότι η αποβολή του Η δεν έχει σηµασία από ποιο εξωτερικό ΟΗ θα προέλθει, διότι µπορεί να θεωρηθεί ότι τα ΟΗ που απέ- µειναν, περιστρέφονται, υιοθετώντας την πιο σταθερή διαµόρφωση 14 (Σχήµα 46)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 95 Οι τιµές BDE, 774 kcal/mol και BDE, 113 kcal/mol, αντιστοιχούν στην απόσπαση του Η από το κεντρικό ΟΗ (12) Επιπλέον, η τιµή BDE που προκύπτει από την απόσπαση του Η από οποιοδήποτε εξωτερικό ΟΗ είναι 829 kcal/mol και η BDE 58 kcal/mol πρώτη BDE αποκλίνει περίπου κατά 29 kcal/mol και η δεύτερη περίπου κατά 18 kcal/mol, από δύο ανάλογες θεωρητικές τιµές που δηµοσιεύτηκαν πρόσφατα [1] Ωστόσο, η υπολογισµένη τιµή BDE των εξωτερικών ΟΗ είναι σχεδόν η µισή αυτών του κεντρικού ΟΗ Η διαφορά που βρίσκεται στην [1], είναι σε συµφωνία µε την παραπάνω υπολογισθείσα Καµία πειραµατική τιµή BDE ή BDE δεν υπάρχει στη βιβλιογραφία για να γίνουν συγκρίσεις Έτσι, οι τιµές αυτές, µε βάση την ασφάλεια που παρέχει το θεωρητικό µοντέλο, προτείνονται για πρώτη φορά διάσπαση - 12 13 14 διάσπαση - 12 15 16 διάσπαση - 12 16 Σχήµα 46 : Μηχανισµός απόσπασης υδρογόνου από το µόριο της πυρογαλλόλης

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 96 422 Μονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Όπως αναφέρθηκε ήδη, η επιλογή των υποκαταστατών Χ των φαινολών X- Ar έγινε µε βάση τη διαφορετικότητα των ηλεκτρονιακών φαινόµενα που εισάγουν στον αρωµατικό δακτύλιο N F C F F C N C 17 18 19 20 C Br Cl F 21 22 23 24 C C3 N 25 7 26 27 C 3 N C 3 28 Σχήµα 47 : οµές των Ε διαµορφοµερών των ο-υποκατεστηµένων φαινολών

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 97 Πιο συγκεκριµένα, επιλέχτηκαν υποκαταστάτες δέκτες ηλεκτρονίων, από τον πιο ισχυρό ( N 2 ), µέχρι το πιο ασθενή ( C) και υποκαταστάτες δότες από τον πιο ισχυρό ( NMe 2 ) µέχρι τον πιο ασθενή ( F) ιευκρινίζεται ότι ο χαρακτηρισµός της ισχύος και της τάσης των υποκαταστατών έγινε, µε βάση τις παραµέτρους Brown για την ο- και π-θέση και µε τις παραµέτρους ammett για τη µ-θέση Για το σύνολο των δεκατριών διαφορετικών υποκαταστατών που δηµιουργήθηκε, εκ των οποίων οι πέντε είναι δέκτες ηλεκτρονίων ( N 2, CF 3, CN, C, C), και οι οκτώ δότες ( F, Cl, Br, C 3, C 3,, N 2, NMe 2 ), µελετήθηκαν ενδελεχώς όλες οι θέσεις υποκατάστασης (ο-, µ- και π-) Ενδεικτικά, δίνονται στο Σχήµα 47 τα Ε διαµορφοµερή που µελετήθηκαν για την ο-θέση Το σύνολο των διαµορφοµερών δίνεται στο Σχήµα Π1 του παραρτήµατος 4221 ο-υποκατεστηµένες φαινόλες Οι ο-υποκατεστηµένες φαινόλες, 2-X-Ar, αποτελούν ιδιάζουσα περίπτωση, λόγω του ενδοµοριακού δεσµού υδρογόνου (ib) που ενίοτε σχηµατίζεται Έτσι, τα διάφορα διαµορφοµερή που µελετούνται, αποκτούν ιδιαίτερη σηµασία, αφού ανάλογα µε τον προσανατολισµό που θα έχει το Η (του ΟΗ) ως προς τον υποκαταστάτη, θα σχηµατίζεται ή όχι δεσµός υδρογόνου Επιπλέον, στις 2-X-Ar, ι- διαίτερα για τους ογκώδεις υποκαταστάτες, υπάρχει και η παράµερος των στερεοχη- µικών παρεµποδίσεων Παρόλο το εµφανές ενδιαφέρον που παρουσιάζουν οι 2-X-Ar, υπάρχουν αρκετά κενά στην πειραµατική τους µελέτη Επίσης, στις πειραµατικές µελέτες δε γίνεται αναφορά στο διαµορφοµερές, µε αποτέλεσµα οι σχετικές συγκρίσεις να είναι αδύνατες Γι αυτό το λόγο κρίνεται σκόπιµο να δοθούν 7 στον Πίνακα 45 εκτός από τις υπολογισµένες τιµές, µια πληθώρα τιµών από πειραµατικές εργασίες [19,30], άρθρα επισκόπησης [18], βιβλία [31,32] αλλά και επιλεγµένες θεωρητικές εργασίες [1,33] για την πληρέστερη σύγκριση και σχολιασµό των αποτελεσµάτων Σηµειώνεται, ότι οι τιµές που δίνονται στα άρθρα επισκόπησης και στα βιβλία βασίζονται στις εργασίες [19] και [30], γι αυτό υπάρχουν ταυτόσηµες τιµές στον Πίνακα 45 Οι τιµές στην [19] υπολογίζονται µε την τεχνική της πυρόλυσης σε χαµηλή πίεση, ενώ στην [30] µε το δυναµικό αναγωγής ενός ηλεκτρονίου της φαινυλοξικής 7 Σε όλους του πίνακες οι υποκαταστάτες κατατάσσονται µε βάση τις τιµές σ p +, από τον πιο ισχυρό δέκτη ( ΝΟ 2 ) στον πιο ισχυρό δότη ( ΝMe 2 )

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 98 ρίζας που µετρήθηκε µε κυκλική βολταµετρία και από το pk a της φαινόλης, µέσω του νόµου του ess Σε γενικές γραµµές τα αποτελέσµατα που προκύπτουν βρίσκονται σε πολύ καλή συµφωνία τόσο µε τις πειραµατικές όσο και µε τις θεωρητικές τιµές Συγκεκριµένα, η τιµή BDE του υποκαταστάτη ΝΟ 2 βρίσκεται σε αντίθεση µε το σύνολο των πειραµατικών, αλλά σε άριστη συµφωνία µε τη θεωρητική [33] Παρόλη την αρνητική τιµή BDE (-13) που δίνει το πείραµα, µε βάση τον ηλεκτρονιακό χαρακτήρα του ΝΟ 2 αναµένεται θετική τιµή και µάλιστα η σχετικά υψηλότερη, διότι ο ΝΟ 2 είναι ο πιο ισχυρός δέκτης ηλεκτρονίων απ όλους τους υπόλοιπους Έτσι, η πειραµατική τιµή πρέπει να εξετάζεται µε επιφύλαξη, ιδιαίτερα όταν αναφέρεται σε διάλυµα Για τους υποκαταστάτες C, CF 3, C και ΝΜE 2 δεν υπάρχουν πειραµατικές τιµές, γι αυτό συγκρίσεις µπορούν να γίνουν µόνο µε τις υπάρχουσες θεωρητικές Με εξαίρεση την απόκλιση της οµάδας CF 3 κατά 13 kcal/mol, οι υπόλοιπες βρίσκονται σε πολύ καλή συµφωνία Σηµειώνεται, ότι η τιµή BDE για τον υποκατάστατη C διαφέρει (από την υπάρχουσα θεωρητική) οριακά πάνω από 10 kcal/mol, λόγω των διαφορετικών διαµορφοµερών της διατριβής από εκείνα της [33] Πίνακας 45 : Σύγκριση των τιµών BDE του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 2-X- Ar, µε πειραµατικές και µε θεωρητικές τιµές (σε kcal/mol) Πειραµατικές Βιβλιογραφικές Θεωρητικές X Υπολογ a b c d e f -Ε g -Ζ h N 2 28 (148) -13-13 -13-13 27 121 CN 16 (37) -02-02 -02-02 14 37 CF 3 26 (51) 13 35 C 09 (89) 06 78 C 26 (41) 17 77 Br -07 (28) -17-17 -17-17 -12 Cl -04 (31) 01-22 -22-22 / 01-22 -12 13 F -06 (12) -19-19 -19 C 3-17 (-20) -17-26 -26-26 / -17-26 -20-19 N 2-101 (-118) -74-74 -74-74 -114-113 NMe 2-106 (-87) -104 α Οι τιµές αναφέρονται στα Ε διαµορφοµερή Οι τιµές µέσα στις παρενθέσεις αναφέρονται στα Ζ δια- µορφοµερή, στα οποία σχηµατίζεται ib b Από την [30] c Από την [19] d Από την [18] e Από την [32] f Από την [31] g Από την [33] (Ε διαµορφοµερή) h Από την [1] (Ζ διαµορφοµερή) Τα αλογόνα αποτελούν µια ιδιάζουσα περίπτωση και µπορούν να χαρακτηριστούν ως οριακοί (borderline) υποκαταστάτες [34], διότι µε βάση το πρόσηµο της

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 99 παραµέτρου Brown, το Br και το Cl χαρακτηρίζονται ως ασθενείς δέκτες (θετικό πρόσηµο), ενώ το F ως ασθενής δότης (αρνητικό πρόσηµο) Έτσι, οι τιµές BDE που αναµένονται γι αυτά πρέπει να είναι κοντά στο ±1 kcal/mol, όπως και βρίσκονται Η θεωρητική τιµή για τον C 3 παρουσιάζει απόλυτη ταύτιση µε την πειραµατική της [30] Επίσης, για τον ΝΗ 2 βρίσκεται εµφανώς πιο ψηλά από την πειραµατική, αλλά πλησιέστερα στην υπάρχουσα θεωρητική [33] Τέλος, για τον ΝMe 2 δεν υπάρχει πειραµατική τιµή, αλλά η υπάρχουσα θεωρητική σχεδόν ταυτίζεται µε την υπολογισθείσα Συσχετίσεις Οι συσχετίσεις (correlations) µεταξύ των τιµών των παραµέτρων µε θεωρητικές ή/και πειραµατικές τιµές, υπήρξαν ανέκαθεν σκοπός των ερευνητών, διότι αποτελούν ένα επιπλέον εργαλείο στην προσπάθειά τους να χαρακτηρίσουν ιδιότητες (όπως η αντιοξειδωτική δράση) Για τη δηµιουργία σωστών συσχετίσεων αλλά και για τον καθορισµό της καθαρής ηλεκτρονιακής επίδρασης που εισάγουν οι υποκαταστάτες στο δακτύλιο, πρέπει να αφαιρεθεί η επιπρόσθετη ενθαλπική συνεισφορά του ib, όπως και να ελαχιστοποιηθούν οι τυχόν στερεοχηµικές αλληλεπιδράσεις (βλ Κεφ 131) Αυτό πραγµατοποιείται µε τη µελέτη των Ε διαµορφώσεων (που προφανώς δεν είναι τα ολικά ελάχιστα στην PES) Στον Πίνακα 46 δίνονται οι τιµές ΒDΕ µόνο για τα Ε διαµορφοµερή, µαζί µε τις αντίστοιχες των PGE και PRE (βλ Κεφ 132), τους µοριακούς δείκτες (molecular descriptors) S()r και Q()r, οι οποίοι συµβολίζουν αντίστοιχα την τιµή της ατοµικής πυκνότητας spin του ηλεκτρονίου και την κατανοµή φορτίου 8 στο φαινολικό οξυγόνο της ρίζας, τις παραµέτρους Brown σ + o, F o, R + o, τα µήκη, r και τις γωνίες, Α του φαινολικού ΟΗ Σηµειώνεται, ότι οι παράµετροι Brown έχουν οριστεί και υπολογιστεί µόνο για την π-θέση (βλ Κεφ 2114) Η εύρεση της τιµής τους για την ο-θέση βασίζεται στην εξίσωση (41) η οποία αρχικά προτάθηκε για τρεις µόνο υποκαταστάτες ( Cl, C 3 και C 3 ) [35], αλλά χρησιµοποιείται και για περισσότερους [33] σ o + = 066σ p + (41) Οι τιµές F o και R o + µπορούν να προκύψουν µε βάση τον τύπο (291) 8 Για λόγους απλότητας στο υπόλοιπο κείµενο θα αναφέρονται αντίστοιχα ως spin και φορτίο

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 100 F o = 066F (42) R + o = 066R + (43) Οι τιµές των παραµέτρων Brown σ + p, ammett σ m, F και R +, για όλους τους υποκαταστάτες, εκτός των C και ΟΗ, λαµβάνονται από το άρθρο επισκόπησης των ansch et al [36] Για τον C, λαµβάνεται η τιµή σ + p = 047 9, από µεταγενέστερη εργασία [37], και για τον ΟΗ, η τιµή σ + p = 078 Αυτό, γιατί σε αντίθεση µε τις περισσότερες τιµές σ + p, η τιµή 092, που προτάθηκε αρχικά [38] για το ΟΗ, δεν προέκυψε από τη διαλυτόλυση 10 του αντίστοιχου τετρακουµυλοχλωριδίου, αλλά από την ταχύτητα της οξικής απόσπασης του φαινυλοτριµεθυλοσιλάνιου σε υδατική µεθανόλη [39] εν είναι λογικό, το µη ιοντισµένο ΟΗ να είναι ισχυρότερος δότης από το ΟC 3 και ως εκ τούτου και η τιµή του σ + p (ΟΗ) να είναι µεγαλύτερη από την σ + p (ΟC 3 ) Αντίθετα, οι τιµές τους BDE (για την π-θέση) δε διαφέρουν σηµαντικά, ανεξάρτητα από τη θεωρητική µέθοδο που χρησιµοποιείται [15] Έτσι, θεωρείται ότι σ + p (ΟΗ) = σ + p (ΟC 3 ) = 078 Πίνακας 46 : Τιµές ΒDE, PRE, PGE, S()r, Q()r, r και A, του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 2-X-Ar καθώς και παράµετροι Brown σ ο +, F ο, R ο + X BDE a PRE a PGE a S()r Q()r + b σ ο c F o + d R o r e A f 00 00 00 05179-03828 000 000 000 09657 11071 N 2 28 102 74 05156-03157 052 043 009 09664 11045 CN 16 29 14 05004-03241 044 034 010 09659 11126 CF 3 26 56 30 05177-03248 040 025 015 09655 11114 C 09 17 07 04925-03646 031 022 009 09658 11097 C 26 82 55 05117-03200 028 022 005 09664 11016 Br -07 18 25 04899-04108 010 030-020 09656 11048 Cl -04 30 33 04954-03893 007 028-020 09657 11041 F -06 40 46 05151-03748 -005 030-034 09657 11035 C 3-17 -21-05 04875-03838 -020 001-021 09656 11048 C 3-42 03 44 04701-03865 -051 019-071 09657 10972-32 12 44 04876-03807 -051 019-071 09656 11000 N 2-101 -99 02 03887-04439 -086 005-091 09650 11080 NMe 2-112 -72 40 03655-04722 -112 010-122 09657 10973 a ΒDE, PRE και PGE σε kcal/mol b Από την [36] µέσω της εξίσωσης (41) c Από την εξίσωση (42) d Aπό την εξίσωση (43) e Από την [30] f Μήκη δεσµού του φαινολικού - σε Å g Γωνίες C-Ο-Η σε ο Όπως αναφέρθηκε στο Κεφ 133, το αλγεβρικό άθροισµα της τιµής των PRE και της PGE καθορίζει την τιµή της BDE (βλ εξίσωση 16) Αυτό σηµαίνει ότι ο 9 Η διαφορετική τιµή οφείλεται στο συζυγιακό φαινόµενο Έτσι, η τιµή του F µένει ίδια και η τιµή του R + προκύπτει από τη διαφορά σ p + F = 047 034 = 014 10 ιαλυτόλυση είναι η υδρόλυση, που γίνεται όχι σε νερό αλλά σε άλλους διαλύτες

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 101 παράγοντας που θα έχει τη µεγαλύτερη απόλυτη τιµή θα διαµορφώνει το πρόσηµο της τιµής της BDE Με βάση όµως τις τιµές του Πίνακα 46 δε µπορεί να εξαχθεί ένας γενικός κανόνας για το ποιο φαινόµενο υπερισχύει Έτσι, για τους υποκαταστάτες CF 3, C 3, ΝΗ 2 και ΝMe 2, η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της ρίζας είναι αυτή που καθορίζει κυρίως τη διαµόρφωση της τιµής BDE (και κατ επέκταση και της ΒDΕ), ενώ για τους υποκαταστάτες ΟΗ και ΟCΗ 3, η αντίστοιχη της µητρικής ένωσης Το γεγονός της µεγαλύτερης συµµετοχής της ρίζας στην τιµή της BDE, για αρκετούς υποκαταστάτες, ωθεί στη µελέτη και άλλων χαρακτηριστικών της ρίζας, όπως στην τιµή του spin, S(Ο)r και του φορτίου, Q()r Απουσία της ενθαλπικής συνεισφοράς του ib σε συνδυασµό και µε την ελαχιστοποίηση των στερεοχηµικών αλληλεπιδράσεων η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της ρίζας οφείλεται πλέον, ως επί το πλείστον, στα ηλεκτρονιακά φαινόµενα (βλ Σχήµα 12), που περιγράφονται από τους δύο παραπάνω µοριακοί δείκτες Πιο αναλυτικά, από τον Πίνακα 46 παρατηρείται πως το φορτίο, Q()r, µειώνεται αλγεβρικά από τους δότες και αυξάνεται από τους δέκτες, σε συµφωνία µε τις πολικές τους ιδιότητες Αντίθετα, η τιµή του spin µειώνεται (καλύτερη διάχυση στο µόριο) τόσο από τους δέκτες όσο και από τους δότες Το γεγονός αυτό βρίσκεται σε αντίθεση µε την πολική επίδραση των τελευταίων Αυτό σηµαίνει, πως οι µεν δότες σταθεροποιούν και µε τις δύο επιδράσεις τους (πολική και διάχυση spin) τη ρίζα, ενώ οι δέκτες τη σταθεροποιούν µε τη διάχυση του spin, αλλά την αποσταθεροποιούν µε τη µείωση του φορτίου Από τις δύο επιδράσεις η πολική είναι πιο ισχυρή [40], µε αποτέλεσµα οι δότες να αποσταθεροποιούν, τελικά, τη ρίζα Έχοντας καταλήξει στο ότι, το πολικό φαινόµενο του υποκατάστατη διαµορφώνει κυρίως την τελική τιµή BDE, το εύλογο ερώτηµα που προκύπτει, είναι ποιο από τα δύο συνθετικά της πολικής επίδρασης είναι το κύριο στη διαµόρφωση της τελικής τιµής της BDE; Tο επαγωγικό ή το συζυγιακό; Η απάντηση στο παραπάνω ερώτηµα δίνεται µε τη βοήθεια των συσχετίσεων του F, που χαρακτηρίζει το επαγωγικό φαινόµενο και του R, που χαρακτηρίζει το ε- παγωγικό, µε το ΒDE Στο Σχήµα 48 δίνονται οι συσχετίσεις των τιµών της BDE µε τους συντελεστες σ + ο, R + o, F o και M και οι αντίστοιχοι συντελεστές προσδιορισµού, R 2 Προφανώς, όσο µεγαλύτερη τιµή έχει ο R 2 (ή ο συντελεστής συσχέτισης R) τόσο καλύτερη συσχέτιση (εξάρτηση) υπάρχει

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 102 10 10 ΒDΕ (kcal/mol) 0-10 -20 y = 8436x - 08533 R 2 = 0934-150 -100-050 000 050 100 σo+ ΒDΕ (kcal/mol) 0-10 -20 y = 96329x + 12213 R 2 = 0912-150 -100-050 000 050 R o+ (α) (β) 10 10 ΒDΕ (kcal/mol) 0-10 -20 y = 19273x - 54968 R 2 = 03092-005 015 035 055 F o ΒDΕ (kcal/mol) 0-10 -20 y = -18064x - 4483 R 2 = 09318-028 -023-018 M (hartree) (γ) (δ) Σχήµα 48 : Συσχετίσεις ΒDΕ µε σ ο + (α), R ο + (β), F ο (γ) και ΗΟΜΟ (δ) Παρατηρείται ότι, η µεταβολή της BDE (κατ επέκταση η ικανότητα αποβολής ρίζας υδρογόνου, άρα και η ικανότητα παρεµπόδισης της οξείδωσης) συσχετίζεται ικανοποιητικά (R 2 = 09340) 11 µε το ηλεκτρονιακό φαινόµενο που εισάγεται από τον εκάστοτε υποκαταστάτη {Σχήµα 48 (α)} Για να µελετηθεί το φαινόµενο αυτό ένα βήµα περισσότερο, γίνεται η συσχέτιση της BDE µε το επαγωγικό και το συζυγιακό φαινόµενο Από τα Σχήµατα 48 (β) και 48 (γ), γίνεται εµφανές ότι το επαγωγικό φαινόµενο δεν επηρεάζει τη µεταβολή της BDE (R 2 = 03092), σε αντίθεση µε το συζυγιακό (R 2 = 09120), το οποίο συσχετίζεται ικανοποιητικά και ως εκ τούτου αποτελεί τον κύριο παράγοντα στη διαµόρφωση της τιµής της Επίσης, η αρκετά ικανοποιητική συσχέτιση του ΗΟΜΟ (οι τιµές ενέργειας των ΗΟΜΟ δίνονται στον Πίνακα 413) και η καλή του S()r (R 2 = 09092) οδηγεί στο συµπέρασµα ότι οι ενέργειες των ΗΟΜΟ µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως δείκτες 11 Η συσχέτιση για τα Ζ διαµορφοµερή έδωσε R 2 = 08418, γεγονός που δηλώνει ότι παρόλη τη συµµετοχή του δεσµού υδρογόνου υφίσταται µια γραµµική εξάρτηση

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 103 για τον κατά προσέγγιση προσδιορισµό της BDE και κατ επέκταση, στο χαρακτηρισµό της αντιοξειδωτικής δραστικότητας των εκάστοτε ο-υποκατεστηµένων φαινολών 4222 µ-υποκατεστηµένες φαινόλες Όπως αναµενόταν, η µεγαλύτερη απόσταση που υπάρχει µεταξύ του υποκαταστάτη Χ και του της φαινόλης, δεν επηρεάζει σηµαντικά την ενεργειακή διαφορά µεταξύ των Ζ και Ε διαµορφοµερών της µητρικής ένωσης Συγκεκριµένα, η διαφορά αυτή δεν ξεπέρασε σε κανένα µόριο τα 05 kcal/mol 12 Σηµειώνεται, ότι παρόλη τη µικρή ενεργειακή διαφορά, ως πιο σταθερά υπολογίστηκαν τα Ζ διαµορφοµερή, εκτός από τις περιπτώσεις των υποκαταστατών F, C 3, N 2 και NMe 2 Στην περίπτωση όµως των ριζών, υπήρξαν τρεις περιπτώσεις όπου η ενεργειακή διαφορά ήταν µεγαλύτερη από 10 kcal/mol Συγκεκριµένα, τα syn διαµορφοµερή των 3-ΟΗ-Ar, 3-C 3 -Ar και 3-CΟ-Ar ήταν σταθερότερα αντίστοιχα, κατά 12, 11 και 20 kcal/mol από τα anti Για την εξαγωγή γενικών κανόνων της καθαρής ηλεκτρονιακής συµπεριφοράς των υποκαταστατών, επιλέχθηκαν και για τη µ-θέση, τα αντίστοιχα ζεύγη Ε διαµορφοµερών της ο-θέσης, ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση µεταξύ οµοίων Σηµειώνεται ότι, σε αντίθεση µε την ο-θέση, µερικά διαµορφοµερή που επιλέχτηκαν αντιστοιχούν στο ολικό ελάχιστο της PES, δίνοντας έτσι την ίδια τιµή BDE στον Πίνακα 47 Στον Πίνακα 47 δίνονται οι υπολογισµένες τιµές BDE των Ε διαµορφοµερών (και των σταθερότερων σε παρένθεση), µαζί µε τις υπάρχουσες πειραµατικές και θεωρητικές τιµές Για τις περιπτώσεις του ΝΟ 2 και CN, η υπολογισµένη θεωρητική τιµή βρίσκεται ανάµεσα στις δύο πειραµατικές, οι οποίες παρουσιάζουν σχετικά µεγάλη διαφορά µεταξύ τους Για τα υπόλοιπα µόρια, οι πειραµατικές ή/και τις προτεινόµενες από τη βιβλιογραφία τιµές απέχουν από τις υπολογισµένες, λιγότερο από 06 kcal/mol Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση του NMe 2, που η πειραµατική τιµή είναι µεγαλύτερη κατά 13 kcal/mol, αλλά µοναδική θεωρητική τιµή της [12] βρίσκεται σε ικανοποιητική συµφωνία µε την υπολογισµένη Επίσης, οι θεωρητικές τιµές BDE της [12,1] βρίσκονται σε πολύ καλή συµφωνία µε τις αντίστοιχες τιµές, που προκύπτουν από τα Ε διαµορφοµερή 12 Με εξαίρεση το C, που η διαφορά ήταν 07 kcal/mol

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 104 Πίνακας 47 : Σύγκριση τιµών BDE του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 3-X- Ar, µε τις υπάρχουσες πειραµατικές και µε θεωρητικές τιµές (σε kcal/mol) Πειραµατικές Βιβλιογραφικές Θεωρητικές X Υπολογ a b c d e f g h N 2 29 (34) 45-05 45-05 / 45-05 29 34 CN 23 (25) 41 11 31 11 / 41 11 27 27 CF 3 23 (26) 40 31 16 21 C 13 (20) 22 C 17 (20) 25 Br 09 (09) Cl 10 (10) 20 12 20 / 10 10 12 12 F 12 (12) 09 14 09 09 11 C 3-04 (-04) -04-05 -07-05 /-04-05 -04-04 C 3 08 (-08) 04-10 00-10/04/-1-019 12-06 09 (-01) 03 02 03 03-04 N 2-05 (-05) -18-04 -12-04 / -18-04 -04-02 NMe 2-07 (-07) -20-19 -20-20 -10 α Οι τιµές αναφέρονται στα Ε διαµορφοµερή Οι τιµές µέσα στις παρενθέσεις αναφέρονται στα σταθερότερα ζεύγη διαµορφοµερών b Από την [30] c Από την [19] d Από την [18] e Από την [32] f Από την [31] g Από την [12] h Από την [1] Συσχετίσεις Στον Πίνακα 48 δίνονται οι τιµές ΒDΕ, PGE και PRE των πιο σταθερών ζευγών µητρικής ένωσης/ρίζας, µαζί µ εκείνες των S()r και Q()r, τις σ m, τα µήκη δεσµών, τις γωνίες του φαινολικού ΟΗ και τις πειραµατικές τιµές pk 13 a Σε αντίθεση µε την ο-θέση, το spin του οξυγόνου της ρίζας δε διαχέεται απ ό- λες τις υποκατεστηµένες φαινόλες Αντίθετα, για τους περισσότερους βρίσκεται περισσότερο εντοπισµένο στο Ο Συγκεκριµένα, για όλους τους δέκτες η τιµή του spin αυξάνεται (σε αντίθεση µε το πολικό τους φαινόµενο), ενώ για τους (τρεις µόνο) δέκτες µειώνεται Όσον αφορά το φορτίο, αυτό µεταβάλλεται ανάλογα µε το φαινόµενο του εκάστοτε υποκαταστάτη, όπως και στην ο-θέση (µε εξαίρεση το C 3 ) Στην περίπτωση δηλαδή, της µ-θέσης το πολικό φαινόµενο και η διάχυση spin δρουν συνεργιστικά, τόσο για τους δέκτες όσο και για τους δότες (και όχι ανταγωνιστικά όπως για τους δέκτες στην ο-θέση) 13 Η αυξηµένες τιµές pk a για όλες τις φαινόλες οφείλονται στο διαµοριακό δεσµό υδρογόνου που σχη- µατίζεται µεταξύ της εκάστοτε φαινόλης και του ανιόντος της, στο µη πρωτικό διαλύτη, Me 2 S, που έγινε το πείραµα

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 105 Πίνακας 48 : Τιµές ΒDE, PRE, PGE, S()r, Q()r, r και A του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 3-X-Ar, παράµετροι Brown σ m και πειραµατικές τιµές pk a X BDE a PRE a PGE a S()r Q()r b σ m c pk a r d Α e 00 00 00 05179-03828 000 18 09657 11071 N 2 29 40 10 05451-03394 071 144 09659 11133 CN 23 30 07 05387-03368 056 1476 09659 11117 CF 3 23 29 06 05374-03334 043 156 09659 11119 C 13 18 05 05293-03461 035 09659 11109 C 17 24 07 05397-03425 037 09658 11103 Br 09 10 02 05173-03686 039 09658 11086 Cl 10 15 05 05185-03578 037 158 09659 11089 F 12 17 05 05180-03718 034 09659 11090 C 3-04 -06-02 05090-03691 -007 182 09657 11059 C 3 08 09 01 05256-03668 012 182 09656 11054 09 10 01 05174-03791 012 09657 11065 N 2-05 -04 01 04839-03975 -016 195 09656 11031 NMe 2-07 -14-07 04828-03960 -016 1905 09655 11019 a (PDE), SPP και SPR σε kcal/mol b Από την [36] c Από την [30] d Μήκη δεσµού του φαινολικού - σε Å e Γωνίες C-Ο-Η σε ο Στις 3-X-Ar, παρατηρείται ότι η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της ρίζας (τιµές PRE) είναι αυτή που σαφώς καθορίζει τη διαµόρφωση της τιµής BDE, για όλους ανεξαρτήτως τους υποκατάστατες Ποσοστιαία, µόνο για την περίπτωση του υποκαταστάτη ΝΜe 2, η σταθεροποίηση της ρίζας είναι διπλάσια από αυτή της µητρικής ένωσης Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις το φαινόµενο είναι τριπλάσιο ( CΗ 3 ) ως δεκαπλάσιο ( Ο) Για τη ποσοτική έκφραση η συµµετοχή των φαινοµένων στην τελική τιµή της BDE σχεδιάζεται το διάγραµµα ammett της παραµέτρου σ m µε το εκάστοτε φαινόµενο (Σχήµα 49) Η εφαπτοµένη (ρ + ) της γραµµικής εξίσωσης (της µορφής y = αx + β) θα δώσει την εκάστοτε ποσοστιαία συµµετοχή [41] Η εξίσωση του PRE έχει κλίση ρ + = 537 kcal/mol, ενώ του PGE 144 kcal/mol Αυτό σηµαίνει ότι η συµµετοχή του φαινοµένου της ρίζας είναι περίπου 37 φορές µεγαλύτερη (537/144) από αυτή του φαινοµένου της µητρικής ένωσης στην τελική τιµή BDE, σε απόλυτη συµφωνία µε τις παραπάνω ποιοτικές προβλέψεις Επίσης, µπορεί να υπολογιστεί η τιµή της παραµέτρου σ m (Ο ), ως εξής: Ο λόγος των αθροισµάτων των απόλυτων τιµών του φαινοµένου της ρίζας προς το φαινόµενο της µητρικής ένωσης είναι, Σ PRE / Σ PGE = 39 Αυτό σηµαίνει ότι το Ο έλκει περίπου κατά 4 φορές ισχυρότερα τα ηλεκτρόνια από ό,τι το ΟΗ [42] Εποµένως, η

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 106 τιµή σ m (Ο ), θα δίνεται από τη σχέση σ m (Ο ) σ m (ΟΗ) 39 = 012 39 = 047, τιµή που δίνεται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία 4 (kcal/mol) 2 0-2 BDE PRE PGE y = 39236x + 00441 y = 53704x - 00113 y = 14407x - 00525-04 00 04 08 Σχήµα 49 : Συσχετίσεις σ m µε ΒDE (R 2 = 09073), PRE (R 2 = 09127) και PGE (R 2 = 07937) σm Στο Σχήµα 410 δίνονται δύο επιλεγµένες συσχετίσεις της BDE, µαζί µε τα τετράγωνα των συντελεστών συσχέτισης, R 2 Οι συσχετίσεις για τις 3-X-Ar περιλαµβάνουν και δοµικά δεδοµένα, αφού παρατηρήθηκε ικανοποιητική συσχέτισή τους µε την BDE 5 5 ΒDΕ (kcal/mol) 0-5 y = -06742x + 12372 R 2 = 08806 13 15 17 19 21 pk a ΒDΕ (kcal/mol) 0-5 y = 30327x - 33509 R 2 = 08545 1100 1105 1110 1115 A(C--) (α) (β) Σχήµα 410 : Συσχετίσεις ΒDΕ µε pk a (α) και A(C--) (β) Από το Σχήµα 410 φαίνεται ότι οι παράµετροι ammett δίνουν ελάχιστα καλύτερη συσχέτιση για την µ-θέση, απ ό,τι οι Brown για την o-θέση Όµοια, και οι συσχετίσεις των ΗΟΜΟ (R 2 = 07899, οι τιµές ΗΟΜΟ δίνονται στον Πίνακα 414) και S()r (R 2 = 08157) είναι χειρότερες για την µ-θέση Καλύτερη συσχέτιση δίνουν οι

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 107 πειραµατικές τιµές pκ a (R 2 = 08806), ενισχύοντας την αξιοπιστία των αποτελεσµάτων Τέλος, για πρώτη φορά εντοπίζεται µια ικανοποιητική συσχέτιση µεταξύ της BDE και της γωνίας C-- (R 2 = 08545) 4223 π-υποκατεστηµένες φαινόλες Οι 4-Χ-Ar είναι αναµφισβήτητα οι πιο µελετηµένες µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Υπάρχουν αρκετές θεωρητικές και πειραµατικές εργασίες, που ασχολούνται µε τους υποκαταστάτες σε π-θέση Παρόλο το µεγάλο όγκο των διαθέσιµων τι- µών, θεωρήθηκε αναγκαίο να γίνουν υπολογισµοί και για την π-µε το ίδιο µοντέλο, για τη συστηµατική µελέτη των αποτελεσµάτων Εκτός από τις πειραµατικές εργασίες που αναφέρθηκαν [19,30], άλλες πρόσφατες µελέτες είναι των Lind et al [43] και Mulder et al [44] Πίνακας 49 : Σύγκριση τιµών BDE του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 4-X- Ar, µε πειραµατικές και θεωρητικές τιµές (σε kcal/mol) Πειραµατικές Βιβλιογραφικές Θεωρητικές X Υπολογ a b c d e f g h i N 2 46 48 64 12 60 44 42 46 CN 22 44 47 03 43 24 19 22 CF 3 38 55 32 41 25 29 32 C 23 25 24 C 26 17 26 Br -02 09-01 05 Cl -01 04-06 04-03 -07-14 -14 F -06-08 -11-10 -20-21 C 3-19 -11-21 -19-19 -18-24 -25 C 3-47 -53-56 -39-59 -53-55 -62-61 -40-83 -80-25 -88-54 -58-59 N 2-85 -126-127 -29-96 -86-96 -94 NMe 2-94 -96-141 -120-95 α Οι τιµές αναφέρονται στα σταθερότερα διαµορφοµερή b Από την [30] c Από την [43] d Από την [19] e Από την [44] f Από την [18] g Από την [12] h Από την [34] i Από την [1] Στον Πίνακα 49 δίνονται οι υπολογισµένες τιµές BDE µαζί µε τις πιο πρόσφατες πειραµατικές και θεωρητικές τιµές Σε αντίθεση µε τους Πίνακες 45 και 47, δε δίνονται οι τιµές που αναφέρονται στα βιβλία, αφού αυτές ταυτίζονται µε µια ή περισσότερες από τις πειραµατικές τιµές του Πίνακα Όπως παρατηρείται, το σύνολο των τιµών που υπολογίστηκε µε το σύνολο βάσης 6-31+G(,3pd), βρίσκεται σε πολύ καλή συµφωνία µε τις πειραµατικές Συγκεκρι-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 108 µένα, οι τιµές (BDE) 14 των 4-Χ-Ar για Χ = ΝΟ 2, Br, F, C 3 και ΝMe 2 απέχουν λιγότερο από 02 kcal/mol από µια ή περισσότερες πειραµατικές τιµές, ενώ για Χ = CN, CF 3, Cl, C 3 και βρίσκονται µεταξύ των πειραµατικών Οι υπάρχουσες πειραµατικές τιµές για την 4-N 2 -Ar πρέπει να εξεταστούν µε προσοχή, επειδή οι δύο ( 126 και 127) είναι πολύ υψηλές και η µία ( 29) πολύ χαµηλή, σε σχέση πάντα µε το τι αναµένεται µε βάση το ηλεκτρονιακό φαινόµενο του υποκαταστάτη Γι αυτό το λόγο και πρόσφατο άρθρο επισκόπησης [18] υιοθετεί ως προτεινόµενη, την τιµή 96 kcal/mol Για την 4-C-Ar, η (BDE) έχει σηµαντική τιµή (09 kcal/mol) Παρόλ αυτά, παρουσιάζει απόλυτη ταύτιση µε τη µοναδική θεωρητική, ενώ για την 4- CΟ-Ar, που στερείται πειραµατικής τιµής, οι δύο υπάρχουσες θεωρητικές διαφέρουν µόνο κατά 01 και 02 kcal/mol, από την υπολογισµένη Συσχετίσεις Στον Πίνακα 410 δίνονται οι τιµές ΒDΕ, PGE και PRE των πιο σταθερών ζευγών µητρικής ένωσης/ρίζας, µαζί µ εκείνες των S()r και Q()r, τις σ + p, F, R +, τα µήκη δεσµών, τις γωνίες του φαινολικού ΟΗ και τις πειραµατικές τιµές pk a Όµοια µε την ο-θέση, οι δέκτες µειώνουν την τιµή του S()r και αυξάνουν αλγεβρικά την τιµή του Q()r, αποσταθεροποιώντας τη ρίζα, ενώ οι δότες µειώνουν την τιµή του S()r και την τιµή του Q()r, σταθεροποιώντας τη ρίζα Επίσης, η τιµή της PRE (µε εξαίρεση τα αλογόνα) έχει αντίθετο πρόσηµο από την τιµή της PGE Αυτό συµβαίνει επειδή το φαινολικό ΟΗ είναι π-δότης, σε αντίθεση µε το οξυγόνο της ρίζας που είναι ένας ισχυρός π-δέκτης Το αποτέλεσµα είναι οι δότες να σταθεροποιούν τη ρίζα (PRE < 0), αλλά να αποσταθεροποιούν τη µητρική ένωση (PGE > 0) και οι δέκτες να αποσταθεροποιούν τη ρίζα (PRE > 0), αλλά να σταθεροποιούν τη µητρική ένωση (PGE < 0) Όπως και στην περίπτωση των 3-Χ-Ar, η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της ρίζας είναι αυτή που παίζει το σηµαντικότερο ρόλο στη διαµόρφωση της τιµής της BDE Εξαιρέσεις αποτελούν όλα τα αλογόνα, για τα οποία η τιµή PGE είναι µεγαλύτερη από την PRE, οπότε η αποσταθεροποίηση της µητρικής ένωσης διαµορφώνει λίγο ως πολύ την τιµή της BDE 14 Για τη διάκριση των σχετικών τιµών BDE, µε την παρένθεση συµβολίζεται η αφαίρεση των πειρα- µατικών από τις θεωρητικές τιµές, (BDE) = BDE θεωρ BDE πειρ

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 109 Πίνακας 410 : Τιµές ΒDE, PRE, PGE, S()r, Q()r, r(-) και A(C--) του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 4-X-Ar, παράµετροι Brown σ + p, F, R + και πειραµατικές τιµές pk a X BDE a PRE a PGE a S()r Q()r + b σ p F b R + b c pk a r d Α e 00 00 00 05179-03828 000 000 000 18 09657 11071 N 2 46 36-10 05141-03391 079 065 014 108 09665 11156 CN 22 17-05 04970-03546 066 051 015 132 09662 11130 CF 3 38 32-07 05330-03409 061 038 023 152 09662 11130 C 23 13-11 04886-03543 047 033 014 09663 11121 C 28 17-11 05057-03482 042 034 008 09662 11116 Br -02 01 03 05032-03809 015 045-030 1636 09658 11098 Cl -01 06 07 05076-03751 011 042-031 1675 09657 11100 F -06 05 12 05131-03806 -007 045-052 09656 11098 C 3-19 -15 04 04984-03857 -031 001-032 189 09657 11058 C 3-47 -33 14 04707-04061 -078 029-107 09654 11060-40 -26 14 04786-04052 -078 029-107 1976 09654 11069 N 2-85 -60 25 04356-04319 -130 008-138 2075 09653 11045 NMe 2-94 -76 18 04217-04380 -170 015-185 198 09653 11035 a (ΒDE), PRE και PGE σε kcal/mol b Από την [36] c Από την [30] d Μήκη δεσµού του φαινολικού - σε Å e Γωνίες C-Ο-Η σε ο Κατ αντιστοιχία µε τη µ-θέση, η ποσοτική συµµετοχή του φαινοµένου της ρίζας, στην τιµή της BDE, προκύπτει από το διάγραµµα ammett 8 4 (kcal/mol) 0-4 -8-12 BDE PRE PGE y = 56246x - 02885 y = 42493x - 00792 y = -12738x + 02897-2 -1 0 1 σp+ Σχήµα 411 : Συσχετίσεις σ p + µε ΒDE (R 2 = 09787), PRE (R 2 = 09700) και PGE (R 2 = 07255) Οι κλίσεις ρ + των εξισώσεων PRE και PGE είναι αντίστοιχα, 425 και 127 kcal/mol Αυτό σηµαίνει ότι η συµµετοχή του φαινοµένου της ρίζας είναι περίπου κατά 33 φορές µεγαλύτερη (425/127) από αυτή του φαινοµένου της µητρικής ένωσης στην τιµή της BDE, σε απόλυτη συµφωνία µε τις ποιοτικές προβλέψεις Στο ίδιο τριπλάσιο αποτέλεσµα κατέληξε και η µελέτη των Pratt et al [41] Στο Σχήµα 412 δίνονται ενδεικτικά οι δύο καλύτερες συσχετίσεις της ΒDΕ

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 110 10 10 ΒDΕ (kcal/mol) 0-10 -20 y = 63594x + 17782 R 2 = 09376-2 -15-1 -05 0 05 R + ΒDΕ (kcal/mol) 0-10 -20 y = -1614x - 39374 R 2 = 09824-028 -023-018 M (hartree) (α) (β) Σχήµα 412 : Συσχετίσεις BDE µε R + (α) και ΗΟΜΟ (β) Στη συνέχεια, υπολογίστηκε η τιµή της παραµέτρου σ + p (Ο ), µε τρόπο ανάλογο της σ m (Ο ) Ο λόγος των απόλυτων τιµών των αθροισµάτων των δύο φαινοµένων είναι Σ RSE / Σ RGE = 24, γεγονός που σηµαίνει πως το Ο, στις π-υποκατεστηµένες φαινόλες, έλκει τα ηλεκτρόνια κατά περίπου, 2-3 φορές ισχυρότερα από ό,τι τα απωθεί το ΟΗ Εποµένως: σ + p (Ο ) = σ + p (ΟΗ) 24 = 078 24 = 187 Σηµειώνεται, πως η βιβλιογραφική τιµή ( 20) της [41] βρίσκεται σε πολύ καλή ταύτιση µε την τιµή της παρούσης διατριβής 423 Γενικά συµπεράσµατα Με την ολοκλήρωση της µελέτης για τις τρεις διαφορετικές θέσεις υποκατάστασης µπορούν να γίνουν κάποιες γενικές συγκρίσεις και να εξαχθούν µερικά γενικότερα συµπεράσµατα Με την ανάλυση των επιµέρους σταθεροποιήσεων/αποσταθεροποιήσεων των µορίων, µπορεί πλέον να θεωρηθεί ότι το Σχήµα 13 των Wu και Lai [40], που αρχικά ορίστηκε µόνο για την π-θέση, ισχύει σε γενικές γραµµές, για όλους τους υποκαταστάτες σε όλες τις θέσεις υποκατάστασης Εξαίρεση αποτελούν οι τιµές PGE για την ο- και µ-θέση και τα αλογόνα F, Cl και Br για την ο- και π- θέση Συγκεκριµένα, οι τιµές PGE ενώ αναµενόταν αρνητικές είναι θετικές, γεγονός που σηµαίνει έστω και µικρή αποσταθεροποίηση της µητρικής ένωσης, από τους δέκτες, για την ο- και µ-θέση Επίσης, τα Cl και Br ελατ-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 111 τώνουν την τιµή της BDE, ενώ µε βάση το ηλεκτρονιακό τους φαινόµενο αναµενόταν το αντίθετο Το γεγονός αυτό οφείλεται στην αποσταθεροποίηση που προκαλούν στη µητρική ένωση ίνουν δηλαδή, θετική τιµή PGE, ενώ αναµενόταν αρνητική Επίσης, το F, παρόλη την αναµενόµενη αρνητική τελική τιµή για τη BDE που προκύπτει, αποσταθεροποιεί τη ρίζα (PRE < 0) Υπενθυµίζεται, ότι οι οργανικοί χηµικοί κατατάσσουν τα αλογόνα στους δότες ηλεκτρονίων, ενώ µε βάση τις τιµές των παραµέτρων Brown και ammett τα Cl και Br σε π-θέση είναι ασθενείς δέκτες (σ + p (Cl) = 011, σ + p (Br) = 015) και το F ασθενής δότης (σ + p (F) = -007), ενώ για τη µ-θέση όλα είναι δότες (σ + p (F) = 034, σ + p (Cl) = 037, σ + p (Br) = 037) [45] A PRE D Η A > Η Η Η Η Η D < Η Η PGE A D Σχήµα 413 : ιαφοροποίηση της τιµής της BDE µε την εισαγωγή υποκαταστάτη δέκτη (Α) και δότη (D) ηλεκτρονίων σε ο-, µ- και π-θέση Όλα τα παραπάνω, µαζί µε το γεγονός, ότι οι απόλυτες τιµές των παραµέτρων ammett και Brown είναι αρκετά χαµηλές (ιδιαίτερα για ο- και π-θέση), ενισχύουν την άποψη, ότι τα αλογόνα δεν είναι σωστό να χαρακτηρίζονται συνολικά ως δότες ή δέκτες, αλλά ως µια οµάδα που βρίσκεται στο µεταίχµιο των δύο κατηγοριών [34] Ολοκληρώνοντας τη µελέτη εξάρτησης της BDE από τη φύση και τη θέση των υποκαταστατών, δίνεται το συγκεντρωτικό Σχήµα 414 Σηµειώνεται πως η τοποθέτηση των υποκαταστατών, σε όλα τα σχήµατα, γίνεται (για όλες τις θέσεις) µε βάση τις τιµές των παραµέτρων Brown σ + p, κατά φθίνουσα σειρά Από το Σχήµα 414 φαίνεται ότι για την ο- και π-θέση υπάρχει µεγάλη ελάττωση της BDE για τους δότες ηλεκτρονίων (δεξιά στο σχήµα) Επίσης στη µ-θέση τα φαινόµενα είναι πολύ ασθενή, ιδιαίτερα για τους δότες και για την ενδιάµεση οµάδα

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 112 των αλογόνων, Για την ενδιάµεση οµάδα παρατηρείται πλέον και σχηµατικά, ότι σε όλες τις θέσεις η επίδρασή της είναι µικρή 4 ΒDΕ (kcal/mol) 0-4 -8 N2 CN CF3 C C Br Cl F C3 C3 N2 NMe2 όρθο µέτα πάρα -12 Σχήµα 414 : Εξάρτηση της µεταβολής της ΒDΕ από τη φύση και τη θέση (ο-, µ- και π-) των υποκαταστατών Υπογραµµίζεται ότι τα συνολικά φαινόµενα των υποκαταστατών παρουσιάζουν προσθετικότητα [1] Αυτό σηµαίνει, ότι προσθέτοντας τις τιµές BDE των επιµέρους υποκαταστατών των µονοϋποκατεστηµένων φαινολών, µπορεί να προκύψει η τελική τιµή BDE για τις πολυυποκατεστηµένες φαινόλες Ιδιαίτερα στην ο-θέση, λόγω του ενδεχόµενου ib, για την εξαγωγή της σωστής τιµής ΒDE, πρέπει, εκτός των καθαρών ηλεκτρονιακών φαινοµένων, να προστεθεί και η (απόλυτη) τιµή της ενθαλπίας του ib ( Η intra ) της µητρικής ένωσης και να αφαιρεθεί η (απόλυτη) τιµή Η intra της ρίζας Οι προσθετικές αυτές τιµές δίνονται στους Πίνακες 46, 48 και 410 αντίστοιχα, για την ο-, µ- και π-θέση, ενώ οι τιµές των δεσµών υδρογόνου για τις µητρικές ενώσεις στον Πίνακα 419 Η τιµή του δεσµού υδρογόνου για τις 2-CΟΗ-ΑrΟ, 2- ΟΗ-ΑrΟ και 2-CΗ 3 -ΑrΟ υπολογίστηκε αντίστοιχα 1232, 873 και 259 kcal/mol Παρόλ αυτά, σύµφωνα µε τους Wright et al [1], η Η intra σε συµµετρικές ρίζες δεν είναι τόσο αυξηµένη (λόγω της µείωσης της ηλεκτρονιακής πυκνότητας του οξυγόνου της ρίζας), οπότε σε τέτοια µόρια προτείνεται µια χαµηλότερη τιµή (75 kcal/mol)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 113 Έτσι, για παράδειγµα η πυρογαλλόλη έχει δύο υδροξύλια σε ο-θέση από τα ο- ποία το ένα σίγουρα θα κάνει δεσµό υδρογόνου µε το φαινολικό Επίσης, θα υπάρχει και ένας δεσµός υδρογόνου στη ρίζα Έτσι, η αλγεβρικά υπολογισµένη ΒDE θα ι- σούται µε 32 2 75 2 + 51 2 = 112 kcal/mol, σε σχεδόν απόλυτη ταύτιση µε την υπολογισµένη 113 kcal/mol Η µέθοδος αυτή είναι εξαιρετικά χρήσιµη, αφού µπορεί να οδηγήσει µε ικανοποιητική ασφάλεια, στον υπολογισµό της ΒDE για µόρια, χωρίς την εκτέλεση κάποιου υπολογισµού Τέλος, στον Πίνακα 411, δίνονται οι προτεινόµενες απόλυτες τιµές BDE για όλες τις θέσεις Για την ο-θέση δίνονται δύο διαφορετικές τιµές Μια για τα Ε δια- µορφοµερή, στα οποία δεν υφίσταται ib και µια (σε παρένθεση) για τα Ζ διαµορφωµερή µε ib (ολικά ελάχιστα στην PES) Όπως αναµένεται οι τιµές στις παρενθέσεις είναι µεγαλύτερες αφού καταναλώνεται επιπλέον ενέργεια για να διασπαστεί ο ib Οι τιµές στις παρενθέσεις είναι µικρότερες όταν δηµιουργείται ib στην παραγόµενη ρίζα Πίνακας 411 : Προτεινόµενες απόλυτες τιµές BDE του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες (σε kcal/mol) BDE (Ph-) = 885 kcal/mol BDE X 2-X-Ar α 3-X-Ar b 4-X-Ar b N 2 913 (1033) b 920 931 CN 901 (922) 910 907 CF 3 911 (936) 911 924 C 895 (974) 906 915 C 912 (957) 905 914 Br 879 (913) 895 883 Cl 882 (916) 896 884 F 879 (916) 898 879 C 3 8688 (865) 881 866 C 3 8437 (819) 870 838 8535 (817) 884 845 N 2 7842 (768) 881 800 NMe 2 7731 (810) 878 791 α Οι τιµές αναφέρονται στα Ε διαµορφοµερή b Οι τιµές αναφέρονται στα σταθερότερα ζεύγη διαµορφοµερών µητρικής ένωσης/ρίζας 43 Μελέτη της δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέσω του E i Η µελέτη του δυναµικού ιοντισµού, E i συµβάλλει στην προσέγγιση της αντιοξειδωτικής δράσης, µέσω του µηχανισµού αποβολής ηλεκτρονίου, SET (βλ Κεφ

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 114 122) Πραγµατοποιήθηκε µια ανάλογη µελέτη µε αυτή του BDE, για όλες τις µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες και στις τρεις θέσεις υποκατάστασης 431 Έλεγχος του υπολογιστικού µοντέλου Στο κεφαλαίο 41 ελέγχθηκε η αξιοπιστία του αντισυµβατικού συνόλου βάσης, 6-31+G(,3pd) για τον υπολογισµό των απόλυτων και σχετικών τιµών της φυσικοχη- µικής παραµέτρου, BDE Το δυναµικό ιοντισµού E i, αποτελεί επίσης µια φυσικοχηµική παράµετρο, η ο- ποία προκύπτει ως αλγεβρικό άθροισµα (αφαίρεση στην προκειµένη περίπτωση) ε- νεργειών Ως εκ τούτου, όπως και στην περίπτωση της BDE, οι τιµές E i και E i που εξάγονται από το υπολογιστικό µοντέλο της διατριβής, αναµένεται να είναι ως ένα βαθµό εξίσου αξιόπιστες Παρόλ αυτά, παρατηρείται βιβλιογραφικά µια απόκλιση των θεωρητικών από τις πειραµατικές τιµές, λόγω των διαφορετικών τεχνικών που χρησιµοποιούνται για τις τελευταίες [9] Γι αυτό το λόγο, θεωρήθηκε σκόπιµο να γίνει ο προσδιορισµός i) των απόλυτων τιµών E i της φαινόλης και του βενζολίου και ii) της ΜΑD, των υπολογιζόµενων τιµών E i, από τις υπάρχουσες πειραµατικές ή/και θεωρητικές Σηµειώνεται, ότι οι τιµές αναφέρονται στα ζεύγη των σταθερότερων διαµορφοµερών και ότι σε όλους τους υπολογισµούς του E i η E ZPE πολλαπλασιάζεται µε τον παράγοντα διόρθωσης 0981, που υπολογίσθηκε για το συγκεκριµένο σύνολο βάσης Η απόλυτη τιµή E i του βενζολίου υπολογίστηκε ίση µε 2084 kcal/mol και βρίσκεται σε καλή συµφωνία µε την πειραµατική 2132 kcal/mol (924 ev) 15 [46] Η θεωρητική αυτή τιµή είναι καλύτερη από τις τιµές 1741, 2067 και 2010 kcal/mol που υπολογίστηκαν αντίστοιχα [8], µε βάση τις µεθόδους F, MP2, PMP2 Επίσης, οι τιµές που προέκυψαν από τους υπολογισµούς B3LYP στα σύνολα βάσης 6-31G(d), 6-311G(d), 6-311G(d,p), 6-311G(2d,2p), 6-311G(3df,3pd) είναι όλες χαµηλότερες από τα 2076 kcal/mol [8] Μόνο το µεγαλύτερο σύνολο βάσης 6-311++G(3df,3pd) προσεγγίζει λίγο καλύτερα ( 209 kcal/mol [8]) την πειραµατική τιµή Επίσης, η τιµή E i της φαινόλης (1941 kcal/mol) βρίσκεται σε πολύ καλύτερη συµφωνία µε την πειραµατική, (1962 kcal/mol [47]), απ ό,τι άλλες υπάρχουσες θεωρητικές (1841 [9] και 1849 kcal/mol [13]), που υπολογίστηκαν µε τη µέθοδο B3LYP και διαφορετικό σύνολο βάσης 15 Στις πειραµατικές εργασίες το E i εκφράζεται σε ev (1 ev = 2306 kcal/mol)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 115 Στον Πίνακα 412 δίνονται οι E i της απλής φαινόλης και των π- και µ- µονοϋποκατεστηµένων φαινολών, σε σχέση µε το βενζόλιο, η τιµή E i του οποίου είθισται να χρησιµοποιείται ως τιµή αναφοράς Πίνακας 412 : Τιµές E i του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 4- και 3-Ar, µαζί µε θεωρητικές και πειραµατικές τιµές (σε kcal/mol) E i -X Θεωρ a Θεωρ b Πειρ Φαινόλη -144-180 -170 [47] 4-N 2 56 08-33 [48] 4-CN -39-36 [49] 4-CF 3 19-70 - 4-C -53-96 18 [50] 4-C -61-117 -05 [51] 4-Br -162 - -167 [52] 4-Cl 10-188 -40 [53] 4-F -104 - -105 [54] 4-C 3-230 -263-257 [55] 4-C 3-324 -367-402 [56] 4- -259-324 -303 [57] 4-N 2-435 -474-4-NMe 2-537 -555-3-N 2 39-15 -56 [48] 3-CN -15-337 [49] 3-CF 3 00-79 - 3-C -51-92 - 3-C -731-124 -10 [51] 3-Cl -93-144 -136 [58] 3-F -59 - -1185 [57] 3-C 3-192 -233-204 [55] 3-C 3-258 -396-3- -186-245 -241 [59] 3-N 2-348 -393-3-NMe 2-456 -479 - MAD a 515 (18) c 525 (13) c - a E i της µεθόδου B3LYP/6-31+G(,3pd), σε σχέση µε την τιµή του βενζολίου, 2084 kcal/mol b E i, σε σχέση µε την τιµή του βενζολίου 2021 kcal/mol από την [9] c αριθµός των τιµών, µε βάση τον οποίο εξάγεται η ΜΑD Η ΜΑD είναι καλύτερη από την υπάρχουσα θεωρητική [9] 16 για ένα εύρος τι- µών από 40 έως 20 kcal/mol Σε µερικές περιπτώσεις, η απόκλιση από την πειραµατική είναι µεγαλύτερη από 5 kcal/mol Όµως, όλες σχεδόν αυτές οι περιπτώσεις περιέχουν πειραµατικές τιµές που υπολογίστηκαν µε την τεχνική της πρόσκρουσης ηλε- 16 Οι τιµές MAD που αναφέρονται στην εργασία είναι 364 (41) και 408 (28) αντίστοιχα για την π- και µ-θέση Για το σωστό τρόπο σύγκρισης των αποτελεσµάτων υπολογίστηκε εκ νέου το MAD για το κοινό σύνολο των µορίων

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 116 κτρονίων [50,49,51,53,56], µια τεχνική που υπερεκτιµά τις τιµές των E i (βλ Κεφ 122) [60] Συγκεκριµένα, οι περιπτώσεις αυτές αφορούν τους υποκαταστάτες: 4- C, 3-CN, 4-CN, 4-Cl, 4-ΟMe, 3- και 4-C Αγνοώντας αυτές τις τιµές από τον υπολογισµό της MAD, λαµβάνεται µια βελτιωµένη τιµή, 441 kcal/mol Επίσης, οι µεγαλύτερες αποκλίσεις εντοπίζονται στις τιµές των 3- και 4-N 2 Στις περιπτώσεις αυτές, οι τιµές αποκτήθηκαν µε την τεχνική της φωτοηλεκτρονικής φασµατοσκοπίας [48], µιας πειραµατικής µεθόδου, η οποία υποτιµά τις αναµενόµενες τιµές E i [9] Το σύνολο των υπολειπόµενων τιµών παρουσιάζει µια απόκλιση µικρότερη από 5 kcal/mol, σε σχέση τις πειραµατικές και δίνει αισθητά βελτιωµένη τιµή MAD, 334 kcal/mol Τα παραπάνω ενισχύουν την αξιοπιστία του µοντέλου, που επιλέχθηκε για τον υπολογισµό των E i 432 ο-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Για τις ο-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες δεν υπάρχει καµία θεωρητική µελέτη υπολογισµού του E i Επίσης, ακόµα και πειραµατικά, υπάρχουν τιµές για λιγότερα από τα µισά µόρια που µελετούνται Έτσι, η παρουσίαση των συγκεκριµένων τιµών και βοηθά στη µελέτη του µηχανισµού SET και καλύπτει µια σηµαντική βιβλιογραφική έλλειψη Στον Πίνακα 413 δίνονται οι τιµές E i (από τη φαινόλη), PGE και PCE, για τις 2-X-Ar, µαζί µ εκείνες των M, S()c και Q()c (συµβολίζει το φορτίο του φαινολικού υδροξυλίου της κατιοντικής ρίζας), τις σ + ο και τις πειραµατικές τιµές E i Σηµειώνεται ότι για την ένωση 2-ΝΗ 2 -Αr δεν εντοπίστηκε στην PES το Ζ διαµορφοµερές Οι δύο πειραµατικές τιµές που διαφέρουν κατά πολύ από τις υπολογισµένες, είναι για τους υποκαταστάτες ΝΟ 2 και CN Οι τιµές αυτές υπολογίστηκαν αντίστοιχα, µε την τεχνική φωτοηλεκτρονικής φασµατοσκοπίας και της πρόσκρουσης ηλεκτρονίων ύο τεχνικές, που, όπως συζητήθηκε στο Κεφάλαιο 431, δίνουν ελαττω- µένες και αυξηµένες τιµές αντίστοιχα, σε σχέση µε τις αναµενόµενες Οι υπόλοιπες τιµές παρουσιάζουν πολύ καλή ταύτιση των Ε i µε τις πειραµατικές, αποδεικνύοντας την ορθότητα της µεθόδου και την αξιοπιστία των θεωρητικών τιµών για τις οποίες δεν υπάρχουν αντίστοιχες πειραµατικές

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 117 Πίνακας 413 : Τιµές E i, PCE, PGE, ΗΟΜΟ, S()c και Q ()c του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 2-X-Ar, σ ο + και πειραµατικές τιµές E i Χ a E i Πειρ PCE a PGE a ΗΟΜΟ b S()c Q()c + c σ ο 00 00 00-02373 02150 00409 000 N 2 175 (171) d 114 [48] 249 74-02714 02096 00761 052 CN 119 (129) 203 [49] 133 14-02610 02044 00864 044 CF 3 145 (136) - 174 30-02637 02257 00780 040 C 90 (61) - 97 07-02578 02055 00482 031 C 68 (38) - 123 55-02537 02273 01067 028 Br 04 (28) - 29 25-02442 01625-00206 010 Cl 33 (50) 28 [53] 66 33-02473 01822 00085 007 F 64 (74) 51 [57] 110 46-02485 02087 00258-005 C 3-60 (-52) -64 [55] -63-03 -02317 01888 00418-020 C 3-160 (-135) - -116 44-02192 01421 00043-051 -86 (-66) -71 [59] -42 44-02266 01640 00181-051 N 2-253 - -255-02 -01985 00830-00590 -086 NMe 2-369 (-268) - -327 42-01941 00691-01109 -112 a E i, PCE και PGE σε kcal/mol b Σε hartree c Από την [36] µέσω της εξίσωσης (41) d Οι τιµές αναφέρονται στα Ε διαµορφοµερή Οι τιµές µέσα στις παρενθέσεις αναφέρονται στα Ζ διαµορφοµερή, στα οποία σχηµατίζεται ενδοµοριακός δεσµός υδρογόνου Από τη σύγκριση των απόλυτων τιµών PGE και PCE προκύπτει, ότι το φαινό- µενο της κατιοντικής ρίζας είναι αυτό που καθορίζει κυρίως την τελική τιµή του E i Πιο συγκεκριµένα, για τους δέκτες ηλεκτρονίων η κατιοντική ρίζα αποσταθεροποιείται (PCE > 0) πολύ πιο έντονα από ό,τι η µητρική ένωση (PCE > PGE) Το φαινόµενο αυτό είναι εντονότερο στους ισχυρούς δέκτες ( N 2, C, CN) και εξασθενεί στους ασθενείς ( Br, Cl) Ανάλογα, στους πιο ισχυρούς δότες, η διαφορά στη σταθεροποίηση της κατιοντικής ρίζας, σε σχέση µε της µητρικής ένωσης, γίνεται πολύ έντονη, γεγονός που οφείλεται ακριβώς στις ηλεκτρονιακές ιδιότητες του υποκαταστάτη Το CΗ 3 αποτελεί τη µοναδική (µικρή) εξαίρεση για τους δέκτες Υπενθυµίζεται ότι η συζήτηση, για λόγους ορθής συσχέτισης και συστηµατικότητας, αναφέρεται στα Ε διαµορφοµερή, τα περισσότερα των οποίων δεν είναι τα ολικά ελάχιστα στην PES Το σταθερότερο ζεύγος της κατεχόλης (βλ Κεφ 4211) δίνει τιµή E i 66 kcal/mol, η οποία διαχωρίζεται στα PGE = 06 και PCE = 72 kcal/mol, τιµές που επιβεβαιώνουν τους παραπάνω ισχυρισµούς ποσοτική έκφραση της συµµετοχής του φαινοµένου της κατιοντικής ρίζας στην τιµή της E i, προκύπτει µε τη βοήθεια του Σχήµατος 415

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 118 20 10 0 E (kcal/mol) -10-20 -30-40 -50 Ei PCE PGE y = 30371x + 08302 y = 30978x + 38005 y = 06027x + 29706-150 -100-050 000 050 100 Σχήµα 415 : Συσχέτιση σ ο + µε E i (R 2 = 09590), PCE (R 2 = 09266) και PGE (R 2 = 00166) σo+ Από τις κλίσεις των ευθειών συσχέτισης του Σχήµατος 415 γίνεται φανερό, ότι το φαινόµενο της κατιοντικής ρίζας διαµορφώνει, σχεδόν ολοκληρωτικά, την τελική τιµή της E i Πράγµατι, παρατηρείται ότι οι ευθείες της E i και του PCE έχουν ουσιαστικά την ίδια κλίση (3037 και 3098 kcal/mol, αντίστοιχα) Αυτό σηµαίνει ότι θα είναι ουσιαστικά παράλληλες και θα διαφέρουν κατά µια σταθερά Αυτή η σταθερά δίνεται από την ευθεία της PGE, η οποία αναµένεται (και είναι) παράλληλη προς τον άξονα των x (ρ + = 060) Εφόσον το PCE καθορίζει την τιµή του E i, αξίζει να µελετηθεί πώς µεταβάλλονται οι δείκτες (σταθεροποίησης/αποσταθεροποίησης) spin και φορτίο, των κατιοντικών ριζών από το ηλεκτρονιακό φαινόµενο του εκάστοτε υποκαταστάτη Στον Πίνακα 413 παρατηρείται, ότι το spin διαχέεται στο βενζολικό δακτύλιο ανεξάρτητα από το είδος του υποκαταστάτη (µε εξαίρεση το CF 3 και το C), σταθεροποιώντας την κατιοντική ρίζα Αντίθετα, η µεταβολή του φορτίου καθορίζεται από το πολικό φαινόµενο του υποκαταστάτη Έτσι, οι δότες µειώνουν το θετικό φορτίο του ΟΗ, σταθεροποιώντας το µόριο, ενώ οι δέκτες το αυξάνουν αποσταθεροποιώντας το Και στην περίπτωση των κατιοντικών ριζών, το πολικό φαινόµενο υπερισχύει της διάχυσης spin, µε αποτέλεσµα οι δότες να τις σταθεροποιούν, ενώ οι δέκτες να τις αποσταθεροποιούν Μικρές αποκλίσεις δίνουν τα αλογόνα, τα οποία όµως στην παρούσα διατριβή δε θεωρούνται ότι ανήκουν στους δότες (ή στους δέκτες), αλλά σε µια ενδιάµεση οµάδα

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 119 Ο R 2 µεταξύ της E i και των ηλεκτρονιακών φαινόµενων (που εκφράζονται µέσω του σ + o ) είναι 09590 Η τιµή αυτή είναι µεγαλύτερη από την αντίστοιχη της BDE για τις 2-Χ-Ar (βλ Σχήµα 48), γεγονός που εκφράζει την κυρίαρχη σηµασία των ηλεκτρονιακών φαινοµένων για το E i στην ο-θέση Στο Σχήµα 416 δίνονται ενδεικτικά µερικές συσχετίσεις της E i Όπως και στην περίπτωση της BDE, µέσω της συσχέτισης της E i µε το R + ο { ιάγραµµα 416 (α)} γίνεται φανερό, ότι το συζυγιακό φαινόµενο είναι κυρίως αυτό που καθορίζει την τιµή της E i και όχι το επαγωγικό που παρουσιάζει φτωχή συσχέτιση (R 2 = 04167) Ei (kcal/mol) 30 20 10 0-10 -20-30 -40 y = 33824x + 80535 R 2 = 08907-150 -100-050 000 050 R o+ Ei (kcal/mol) 30 20 10 0-10 -20-30 -40 y = -65802x - 15934 R 2 = 09795-028 -023-018 M (hartree) (α) (β) Σχήµα 416 : Συσχετίσεις της E i µε το R o + (α) και M (β) Θα πρέπει να τονιστεί, η καλή συσχέτιση µεταξύ της Ε i και της ενέργειας του M της µητρικής ένωσης, γεγονός που αναµένεται και µε βάση το θεώρηµα του Koopmans, το οποίο σχετίζει άµεσα την ενέργεια του ΗΟΜΟ µε το E i (βλ Κεφ 24) Η αρνητική κλίση του Σχήµατος 416 (β), σηµαίνει ότι όσο ισχυρότερος δότης είναι ο υποκαταστάτης τόσο µεγαλύτερη ενέργεια έχει το M και τόσο ευκολότερα θα αποµακρύνεται το ηλεκτρόνιο από αυτό, µειώνοντας την τιµή του E i και κατ επέκταση της E i Σηµειώνεται, ότι σύµφωνα µε το θεώρηµα του Koopmans το πρώτο δυναµικό (ή ενέργεια) ιοντισµού ισούται µε το αντίθετο της ενέργειας του M Για τη φαινόλη, το E i, υπολογισµένο σύµφωνα µε το θεώρηµα, ισούται µε 1489 kcal/mol 17, τιµή που απέχει αρκετά από την υπολογισµένη, 1941 kcal/mol Το ίδιο συµβαίνει και για τα υπόλοιπα µόρια Η διαφορά αυτή οφείλεται στη θεώρηση που έγινε από τον 17 E i = ( 02373) 6275095

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 120 Koopman, ότι η αφαίρεση του ηλεκτρονίου δεν επηρεάζει τις ενέργειες των υπόλοιπων Ν-1 ηλεκτρονίων, γεγονός που όµως δε συµβαίνει στην πραγµατικότητα [61] 433 µ-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Η ενεργειακή διαφορά των Ε από τα Ζ διαµορφοµερή των κατιοντικών ριζών για τη µ-θέση είναι σχεδόν για όλες τις ενώσεις χαµηλότερη από 10 kcal/mol Εξαίρεση (όπως και για τις µη φορτισµένες ρίζες) αποτελούν οι κατιοντικές ρίζες 3- C 3 -Ar + και 3-ΟΗ-Ar + Στο Σχήµα 417 δίνονται αναλυτικά τα διαµορφοµερή και οι ενεργειακές τους διαφορές Η kcal/mol 32 28 15 15 21 (α) (β) Σχήµα 417 : Ενεργειακό διάγραµµα διαµορφοµερών 3-C 3 -Ar + (α) και 3-ΟΗ-Ar + (β) Αυτή η σταθεροποίηση των syn διαµορφοµερών µπορεί να εξηγηθεί µε την α- νάλυση του επαγωγικού φαινοµένου Το επαγωγικό φαινόµενο χωρίζεται στο καθαρά επαγωγικό, που διαδίδεται µέσω των σ δεσµών και το φαινόµενο πεδίου F (Field Effect) που διαδίδεται µέσω του χώρου ή του διαλύτη 18 [62] Αν και τα δύο φαινόµενα διαχωρίζονται πολύ δύσκολα και εξετάζονται ενιαία, µόνο µε αυτήν την ανάλυση είναι εφικτό να δοθεί εξήγηση Έτσι, το γεγονός ότι οι δύο δότες ηλεκτρονίων ΟΗ και ΟCΗ 3 στη διαµόρφωση που βρίσκονται πιο κοντά στο φαινολικό ΟΗ σταθεροποιούν περισσότερο το µόριο (κατά 21 και 28 kcal/mol αντίστοιχα), υποδηλώνει πως το φαινόµενο πεδίου είναι αυτό που καθορίζει αυτήν τη σταθερότητα της κατιοντικής ρίζας (η οποία σταθεροποιείται µε δότες ηλεκτρονίων) Για τη σωστή σύγκριση των αποτελεσµάτων, όπως και για το BDE στη µ-θέση, οι τιµές στον Πίνακα 414 υπολογίζονται από τα ζεύγη των Ε διαµορφοµερών 18 Για την περίπτωση της αέριας φάσης, το φαινόµενο πεδίου θα διαδίδεται µόνο µέσω του χώρου

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 121 Πίνακας 414 : Τιµές E i, PCE, PGE, ΗΟΜΟ, S()c και Q()c του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 3-X-Ar και σ m -Χ a E i PCE a PGE a ΗΟΜΟ b S()c Q()c c σ m 00 00 00-02373 02150 00409 000 N 2 180 190 10-02702 02329 00698 071 CN 131 138 07-02624 02177 00796 056 CF 3 141 147 06-02632 02301 00870 043 C 83 87 05-02554 02163 00720 035 C 68 75 07-02532 02257 00744 037 Br 34 35 01-02489 01687 00273 039 Cl 58 63 05-02512 01880 00481 037 F 85 90 05-02516 02071 00447 034 C 3-48 -50-02 -02337 01958 00511-007 C 3-89 -89 00-02305 00752-00172 012-29 -28 01-02358 01261-00042 012 N 2-204 -208-04 -02070 00374-00495 -016 NMe 2-322 -329-07 -01942 00086-00650 -016 a E i, PCE και PGE σε kcal/mol b Σε hartree c Από την [36] Όπως και στην περίπτωση της ο-θέσης, το φαινόµενο της κατιοντικής ρίζας α- ποτελεί τον κύριο παράγοντα στη διαµόρφωση της τελικής τιµής του E i Μάλιστα, για την περίπτωση της µ-θέσης αποτελεί ουσιαστικά το µοναδικό παράγοντα, αφού η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση που υφίσταται η µητρική ένωση από τον εκάστοτε υποκαταστάτη είναι για όλες τις περιπτώσεις (ακόµα και για τους ισχυρούς δέκτες και δότες), πολύ ασθενής (PGE < 1) Εποµένως, κρίνεται απαραίτητη η µελέτη και των δύο χαρακτηριστικών της κατιοντικής ρίζας, του spin του Ο και του φορτίου του ΟΗ, που τη διαφοροποιούν από την ουδέτερη µητρική ένωση Αξιοσηµείωτη είναι η αρνητική τιµή E i που προκύπτει για τους υποκαταστάτες ΟC 3 και ΟΗ Σύµφωνα µε το πρόσηµο των παραµέτρων ammett, οι συγκεκριµένοι υποκαταστάτες στη µ-θέση είναι δέκτες (σ m > 0), ενώ στις ο- και π-θέσεις είναι δότες (σ + ο,p < 0) Επιπλέον, σύµφωνα µε την απόλυτη τιµή των σ m, οι υποκαταστάτες ΟC 3 και ΟΗ, όπως και τα ζεύγη ΝΗ 2 και ΝMe 2, επιφέρουν την ίδια ηλεκτρονιακή διαταραχή στον αρωµατικό δακτύλιο Αν ίσχυε αυτό, θα σήµαινε ότι οι τιµές E i που θα εξάγονταν θα ήταν ταυτόσηµες (για κάθε ζεύγος) Αυτό όµως δε συµβαίνει, το ΟΗ δίνει τιµή E i = 29 kcal/mol και το C 3 89 kcal/mol Αυτό οφείλεται στη µεγαλύτερη σταθεροποίηση που υφίσταται η κατιοντική ρίζα 3-ΟC 3 -Ar + (-89 kcal/mol), σε σύγκριση µε την 3-Ο-Ar + ( 28 kcal/mol)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 122 Ο Πίνακας 414 δείχνει ότι η τιµή S()c για το C 3 όχι µόνο είναι χαµηλότερη απ όλους τους δέκτες, αλλά και από τον C 3, που είναι δότης (σ m < 0) Μάλιστα, το spin της 3-C 3 -Ar + είναι χαµηλότερο απ αυτό της 3--Ar + Εξετάζοντας για σύγκριση, τις τιµές S()r του Πίνακα 48, για τις αντίστοιχες ρίζες 3- ΟC 3 -Ar (05256) και 3-Ο-Ar (05174), παρατηρείται ότι αυτές είναι σχεδόν ταυτόσηµες και µεγαλύτερες από όλους του δότες και τα αλογόνα (δέκτες) Εποµένως, η ελάττωση της τιµής του S()c µπορεί να δικαιολογήσει τη µεγαλύτερη διάχυση spin και τη σταθεροποίηση των κατιοντικών ριζών Επιπλέον, το Q()c, για τις δύο αυτές κατιοντικές ρίζες είναι αρνητικό, γεγονός που µπορεί να σηµαίνει ότι οι υποκαταστάτες λειτουργούν συνολικά, ως δότες ηλεκτρονίων Η πρόταση αυτή ενισχύεται από το γεγονός ότι αρνητικές τιµές φορτίου παρουσιάζουν µόνο οι ισχυροί δότες ηλεκτρονίων ( N 2 και ΝMe 2 ), σε αντιδιαστολή µε όλους τους δέκτες που έχουν θετικό φορτίο Για παράδειγµα, οι τιµές του φορτίου για τις αντίστοιχες ρίζες (βλ Πίνακα 48) είναι αρνητικές και µικρότερες ή περίπου ίσες µε αυτές των αλογόνων που είναι δέκτες Επίσης, οι υποκαταστάτες N 2 και ΝMe 2 δεν επιφέρουν την ίδια διαταραχή στο δακτύλιο, αφού ο δεύτερος ελαττώνει πάρα πολύ την τιµή S(Ο)c και το φορτίο του ΟΗ σε σχέση µε τον πρώτο, σταθεροποιώντας κατά 50% περισσότερο την αντίστοιχη κατιοντική ρίζα και ελαττώνοντας κατά 50% τη E i Από τα δυο αυτά παραδείγµατα συµπεραίνεται ότι, οι τιµές ammett που δίνονται γι αυτές τις δύο οµάδες θα πρέπει να εξετάζονται µε ιδιαίτερη προσοχή στην περίπτωση των µ-µονοϋποκατεστηµένων κατιοντικών ριζών Γενικά πάντως, οι δέκτες αυξάνουν το spin και το φορτίο αποσταθεροποιώντας τις κατιοντικές ρίζες (PCE > 0), ενώ οι δότες µειώνουν το spin και το φορτίο σταθεροποιώντας τις κατιοντικές ρίζες (PCE < 0) Μέσω του Σχήµατος 418 µπορεί εποπτικά αλλά και ποσοτικά να εκφραστεί η συµµετοχή του φαινοµένου της κατιοντικής ρίζας στη διαµόρφωση της τελικής τιµής της E i Πράγµατι, όπως αναµενόταν, τα σηµεία που καθορίζουν τις δύο ευθείες, E i και PCE, ουσιαστικά ταυτίζονται, µε αποτέλεσµα την ταύτιση και των ίδιων των ευθειών Επιπλέον, όπως και στη ο-θέση, το φαινόµενο της µητρικής ένωσης είναι σχεδόν σταθερό, δίνοντας µια παράλληλη ευθεία προς τον άξονα x (ρ + = 162)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 123 30 20 10 E (kcal/mol) 0-10 -20-30 -40-50 Ei PCE PGE y = 4592x - 10433 y = 16221x - 01547 y = 4754x - 10589-04 -02 0 02 04 06 08 σm Σχήµα 418 : Συσχέτιση σ m µε E i (R 2 = 07977), PCE (R 2 = 08033) και PGE (R 2 = 08909) Ενδεικτικές συσχετίσεις απεικονίζονται το Σχήµα 419 Ei (kcal/mol) 30 20 10 0-10 -20-30 -40 y = -64252x - 15517 R 2 = 099-028 -026-024 -022-020 -018 M (hartree) Ei (kcal/mol) 30 20 10 0-10 -20-30 -40 y = 26375x - 80301 R 2 = 08613-010 -005 000 005 010 Q() (α) Σχήµα 419 : Συσχετίσεις E i µε ΗΟΜΟ(α) και Q() (β) (β) Στο Σχήµα 419 (α) παρατηρείται η πολύ καλή συσχέτιση του E i µε το M, επαληθεύοντας για την µ-, όπως και στην ο-θέση, το θεώρηµα Koopmans Επίσης, υπάρχει ικανοποιητική συσχέτιση (R 2 = 08580) µεταξύ της E i και του S()c (δε δίνεται στο Σχήµα 419) αλλά και του φορτίου του υδροξυλίου Q(ΟΗ) (R 2 = 08613), γεγονός που δίνει το δικαίωµα της θεώρησης του spin και του φορτίου (της κατιοντικής ρίζας που δηµιουργείται) ως κριτηρίου για την ικανότητα αποβολής ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο µόριο

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 124 434 π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Στον Πίνακα 415 δίνονται οι τιµές E i, PCE, PGE, ΗΟΜΟ, S()c και Q(), για τις π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες µαζί µε τις παραµέτρους Brown Πίνακας 415 : Τιµές E i, PCE, PGE, ΗΟΜΟ, S()c και Q()c του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 4-X-Ar και σ p + Χ a E i PCE a PGE a ΗΟΜΟ b S()c Q()c + c σ p 00 00 00-02373 02150 00409 000 N 2 200 190-10 -02761 02096 00640 079 CN 105 100-05 -02596 02044 00586 066 CF 3 163 157-07 -02677 02257 00792 061 C 89 77-12 -02575 02055 00597 047 C 84 73-11 -02573 02100 00688 042 Br -18-15 03-02407 01625 00196 015 Cl 10 17 07-02440 01822 00335 011 F 40 51 11-02446 02087 00371-007 C 3-86 -83 03-02280 01888 00330-031 C 3-183 -171 13-02154 01421 00004-078 -115-103 11-02219 01640 00051-078 N 2-291 -270 21-01965 00830-00212 -130 NMe 2-393 -377 16-01835 00691-00334 -170 a E i, PCE και PGE σε kcal/mol b Σε hartree c Από την [36] Όπως και στις προηγούµενες περιπτώσεις, έτσι και στις π-µονοϋποκατεστη- µένες φαινόλες παρατηρείται, ότι η τιµή του PCE είναι συντριπτικά µεγαλύτερη από την τιµή του PGE, µε αποτέλεσµα να επιδρά σχεδόν αποκλειστικά στην τελική δια- µόρφωση του E i Η ποσοτική έκφραση αυτής της επίδρασης µπορεί να προκύψει µέσω του διαγράµµατος Brown Η κλίση της ευθείας που αντιστοιχεί στο PCE είναι 2068 και στο PGE, 126 kcal/mol Αυτό σηµαίνει ότι η συµµετοχή του πρώτου φαινοµένου είναι σχεδόν δεκαεξαπλάσια (2068/126 = 164) από του δεύτερου Σηµειώνεται, ότι και στο Σχήµα 420 υπάρχει πολύ µεγάλη ταύτιση των ευθειών όχι όµως τόσο µεγάλη όπως αυτή του Σχήµατος 418 Αυτό µπορεί να οφείλεται στο συζυγιακό φαινόµενο του υποκαταστάτη, που υπάρχει στην π- (όπως και στην ο-θέση) που διαφοροποιεί ελαφρώς τις τελικές τιµές

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 125 30 20 10 E (kcal/mol) 0-10 -20-30 -40-50 Ei PCE PGE y = 21941x - 01087 y = 20682x + 00264 y = -12575x + 01353-2 -1 0 1 σp+ Σχήµα 420 : Συσχέτιση σ p + µε E i (R 2 = 09648), PCE (R 2 = 09572) και PGE (R 2 = 07927) Όσον αφορά τη διάχυση του spin παρατηρείται ότι, όπως και στις ουδέτερες ρίζες, όλοι οι υποκαταστάτες (εκτός του CF 3 ) ελαττώνουν την τιµή του S(Ο)c σταθεροποιώντας τα µόρια Αντίθετα, το φορτίο µεταβάλλεται ανάλογα µε το πολικό φαινόµενο του εκάστοτε υποκαταστάτη Οι δότες µειώνουν αλγεβρικά το φορτίο σταθεροποιώντας το µόριο ενώ οι δέκτες το αυξάνουν αποσταθεροποιώντας το Το πολικό φαινόµενο τελικά, κυριαρχεί µε αποτέλεσµα να υπάρχει σταθεροποίηση των κατιοντικών ριζών µε υποκαταστάτες δότες και αποσταθεροποίηση µε δέκτες Αποκλίσεις για άλλη µια φορά δείχνουν τα αλογόνα Παρατηρείται επίσης, ότι οι τιµές των E i, βρίσκονται σε συµφωνία µε το συνολικό ηλεκτρονιακό φαινόµενο των υποκαταστατών, σ + p Εξαίρεση αποτελούν, ό- πως και για την περίπτωση της BDE, τα αλογόνα Πιο συγκεκριµένα, το Br µειώνει το E i ( E i < 0) και το F το αυξάνει, σε αντίθεση µε ό,τι αναµενόταν Το γεγονός αυτό ενισχύει επιπλέον τον αρχικό ισχυρισµό ότι τα αλογόνα πρέπει να κατατάσσονται σε µια ενδιάµεση οµάδα και όχι απόλυτα ως δότες Θα πρέπει να τονιστεί ότι και τα τρία αλογόνα ( F, Br και Cl) έχουν συµπεριφορά δότη, όσον αφορά τις τιµές spin και φορτίου, αφού οι τιµές αυτές µειώνονται, σε σχέση µε την µη υποκατεστηµένη φαινόλη Το φαινόµενο αυτό µπορεί να εξηγηθεί µόνο αν υποτεθεί πως, σε αυτές τις περιπτώσεις, το επαγωγικό φαινόµενο Ι έχει ένα συντελεστή µικρότερο της µονάδας (βλ εξίσωση 292), µε αποτέλεσµα να υπερισχύει τελικά το συζυγιακό 19 19 Ανάλογα µπορεί να υποτεθεί ότι το συζυγιακό φαινόµενο R έχει ένα συντελεστή µικρότερο της µονάδας για τις αντίστοιχες περιπτώσεις

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 126 Στο Σχήµα 421 δίνονται οι δύο καλύτερες συσχετίσεις της E i Η συσχέτιση µε το ΗΟΜΟ είναι καλύτερη από εκείνη της ο-θέσης, ενώ παρατηρείται πολύ καλή συσχέτιση µε το φορτίο 30 30 Ei (kcal/mol) 10-10 -30-50 y = -63736x - 15442 R 2 = 09924-028 -026-023 -021-018 M (hartree) Ei (kcal/mol) 10-10 -30-50 y = 47976x - 18087 R 2 = 0927-005 000 005 010 Q() (α) (β) Σχήµα 421 : Συσχετίσεις E i µε ΗΟΜΟ (α) και Q() (β) 435 Γενικά συµπεράσµατα Με την ολοκλήρωση της µελέτης απόσπασης ηλεκτρονίου από τις µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες σε όλες τις θέσεις υποκατάστασης, µπορούν να εξαχθούν µερικά γενικά συµπεράσµατα Όπως και στην περίπτωση της ΒDE, παρατηρείται ότι σε όλες τις θέσεις υποκατάστασης, οι δέκτες αυξάνουν την τιµή του E i, ενώ οι δότες τη µειώνουν Αυτό µπορεί να γίνει κατανοητό αν αναλογιστεί κανείς, πως ένας δότης αποσταθεροποιεί τη µητρική ένωση και αυξάνει την ενέργεια του M της Αυτό έχει ως έµµεσο αποτέλεσµα, τη µείωση του Ε i, αφού χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για την αποµάκρυνση του ηλεκτρονίου από το τροχιακό Τα αλογόνα (όπως και στην περίπτωση της BDE) δεν ανταποκρίνονται απόλυτα στο ρόλο του δότη Πιο σωστά, λοιπόν πρέπει να τοποθετηθούν σε µια ενδιάµεση κατηγορία

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 127 A + PCE + D + Η A > Η Η Η Η Η D < Η Η PGE A D Σχήµα 422 : ιαφοροποίηση της τιµής του E i µε την εισαγωγή δέκτη (Α) και δότη (D) ηλεκτρονίων σε ο-, µ- και π- θέση Έτσι, σε αντιστοιχία µε το ΒDE, η µεταβολή της τιµής του E i µπορεί να απεικονιστεί ανάλογα µε το είδος του υποκαταστάτη Στο Σχήµα 422 απεικονίζεται η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της µητρικής ένωσης και της κατιοντικής ρίζας ανάλογα µε το είδος του υποκαταστάτη ιαγράφεται επίσης ποιοτικά, η διαφορά στην ένταση των φαινοµένων στις κατιοντικές ρίζες 20 10 IP (kcal/mol) 0-10 -20-30 N2 CN CF3 C C Br Cl F C3 C3 N2 NMe2-40 όρθο µέτα πάρα Σχήµα 423 : Εξάρτηση της µεταβολής της E i από τη φύση και τη θέση (ο-, µ- και π-) των υποκαταστατών

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 128 Συµπεράσµατα, σε σχέση µε την επίδραση της φύσης και της θέσης των υποκαταστατών στο E i, προκύπτουν από το τρισδιάστατο Σχήµα 423 Σ αυτό φαίνεται ότι (σε αντίθεση µε το BDE) δεν υπάρχει ιδιαίτερα µεγαλύτερη ελάττωση της E i για την ο- και π-θέση, σε σχέση µε τη µ-θέση για τους δέκτες, ενώ για τους δότες οι διακυµάνσεις σε όλες τις θέσεις είναι περίπου ίσες Για την ενδιάµεση οµάδα των αλογόνων, τα φαινόµενα για όλες τις θέσεις είναι πιο ασθενή αλλά αυξάνονται από το Br στο F, λόγω της αύξησης της ηλεκτραρνητικότητας, η οποία δυσχεραίνει την αποµάκρυνση του ηλεκτρονίου ( E i > 0) Τέλος, στον Πίνακα 416, δίνονται οι προτεινόµενες απόλυτες τιµές BDE για τα µόρια που µελετήθηκαν Για την ο-θέση δίνονται δύο διαφορετικές τιµές Μια για τα Ε διαµορφοµερή, στα οποία δεν υφίσταται ib και µια (σε παρένθεση) για τα Ζ δια- µορφωµερή µε ib (ολικά ελάχιστα στην PES) Παρατηρείται, ότι το E i µεταβάλλεται λίγο έως καθόλου από θέση υποκατάστασης σε θέση υποκατάστασης για τον ίδιο υποκαταστάτη Ειδικότερα, οι τιµές στην ο- και µ-θέση έχουν πολύ µικρή διαφορά (ελαφρώς αυξηµένες στη µ-θέση) ενώ σε κάποια µόρια είναι σχεδόν ταυτόσηµες (διαφορά µικρότερη από 05 kcalmol) Επίσης, οι τιµές µειώνονται σε όλες τις περιπτώσεις στην π-θέση Το γεγονός αυτό οφείλεται στην ίδια περίπου σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση που υφίσταται η κατιοντική ρίζα από τον εκάστοτε υποκαταστάτη, ανεξάρτητα από τη θέση υποκατάστασής του (βλ στήλες PCE στους Πίνακες 413, 414 και 415) Πίνακας 416 : Προτεινόµενες απόλυτες τιµές E i της µεθόδου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες (σε kcal/mol) E i (Ph-) = 1941 kcal/mol E i X 2-X-Ar a 3-X-Ar b 4-X-Ar b N 2 2116 (2111) b 2123 2140 CN 2060 (2069) 2070 2046 CF 3 2085 (2077) 2084 2104 C 2030 (2002) 2030 2029 C 2008 (1978) 2010 2023 Br 1944 (1968) 1967 1923 Cl 1974 (1991) 1992 1951 F 2004 (2014) 2019 1980 C 3 1881 (1889) 1887 1854 C 3 1781 (1806) 1823 1757 1855 (1875) 1893 1826 N 2 1687 ( ) 1733 1660 NMe 2 1608 (1673) 1619 1548 α Οι τιµές αναφέρονται στα Ε διαµορφοµερή b Οι τιµές αναφέρονται στα σταθερότερα ζεύγη διαµορφοµερών µητρικής ένωσης/ρίζας

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 129 44 Μελέτη της δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέσω του PDE Με τη µελέτη της ενθαλπίας απόσπασης πρωτονίου, PDE, προσεγγίζεται η α- ντιοξειδωτική δράση, µέσω του δεύτερου σταδίου του µηχανισµού αποβολής ηλεκτρονίου, SET (βλ Κεφ 122) Η µελέτη πραγµατοποιήθηκε ανάλογα µε αυτήν της BDE και του E i για όλες τις µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες και για τις τρεις θέσεις υποκατάστασης Λίγες προσπάθειες έχουν γίνει για τη µελέτη των κατιοντικών ριζών Ar + είτε πειραµατικά [10,30,63,64,65,66] είτε θεωρητικά [12,13] Πιο συγκεκριµένα, τα ηλεκτρονιακά φαινόµενα των 3- και 4-X-Ar + [12] στην τιµή της PDE και τα α- ντίστοιχα των κατεχολικών κατιοντικών ριζών [13] σε αέρια φάση υπολογίστηκαν µε το µοντέλο B3LYP/6-31G(d,p) Οι µελέτες έδειξαν ότι οι υποκαταστάτες παίζουν κυρίαρχο ρόλο στη σταθερότητα των 3- και 4-X-Ar + όπως και στις κατιοντικές ρίζες, Α + Παρόλ αυτά, στις µελέτες αυτές δε δόθηκαν τα διαµορφοµερή των κατιοντικών και ουδέτερων ριζών που καθόρισαν την τιµή της PDE Επίσης, πιθανώς λόγω της παρουσίας του ib, οι 2-X-Ar + δε µελετήθηκαν καθόλου Έτσι, εκτός από την ολοκληρωµένη µελέτη των µηχανισµών αντιοξειδωτικής δράσης, µέσω και του PDE, η δοµική µελέτη όλων των διαµορφοµερών των κατιοντικών και των αντίστοιχων ουδέτερων ριζών, αλλά και η ισχύς του Η intra, συνιστούν επιπλέον στόχους της παρούσης διατριβής 441 Έλεγχος του υπολογιστικού µοντέλου Όπως και στην περίπτωση της BDE και του E i, θεωρήθηκε σκόπιµο να ελεγχθεί η αξιοπιστία του αντισυµβατικού συνόλου βάσης 6-31+G(,3pd) Σηµειώνεται, ότι και η ενθαλπία απόσπασης πρωτονίου, PDE είναι µια φυσικοχηµική παράµετρος, η οποία προκύπτει ως το αλγεβρικό άθροισµα ενεργειών (ενθαλπιών για την ακρίβεια) Έτσι, όπως στην BDE και στο E i, οι τιµές PDE και PDE που εξάγονται µε το υπολογιστικό µοντέλο της διατριβής αναµένεται να είναι εξίσου αξιόπιστες, όπως θ αποδειχτεί και παρακάτω Επειδή δεν υπάρχουν πειραµατικές τιµές PDE, ώστε να γίνει άµεση σύγκριση, µελετήθηκαν οι συσχετίσεις των εξαγόµενων τιµών µε τις πειραµατικές τιµές pκ a και χρόνου ζωής, τ exp των κατιοντικών ριζών Για µεγάλες τιµές pκ a και χρόνου ζωής,

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 130 τ exp της κατιοντικής ρίζας, αναµένονται µεγάλες τιµές του PDE Αυτό συµβαίνει γιατί όσο µεγαλύτερη είναι η τιµή του pκ a και του χρόνου ζωής, τ exp {µικρότερο log(1/τ exp )} τόσο δυσκολότερα αποσπάται το Η +, αυξάνοντας την τιµή PDE Στο Σχήµα 424 δίνονται οι συσχετίσεις για την µ- και π-θέση µε πειραµατικές τιµές Για την ο-θέση υπάρχουν µόνο τέσσερις πειραµατικές τιµές pκ a, µε αποτέλεσµα η συσχέτιση να µην είναι τόσο αξιόπιστη (R 2 = 06947) 40 40 30 30 PDE (kcal/mol) 20 10 0-10 -20 y = 20442x + 17727 R 2 = 09558-20 -15-10 -5 0 5 10 pk a PDE (kcal/mol) 20 10 0-10 -20 y = -43874x + 28895 R 2 = 07831 55 6 65 7 75 log(1/τexp) (α) (β) Σχήµα 424 : Συσχετίσεις της PDE από το pk a σε µ- και π-θέση (α) και log(1/τ exp ) σε π- θέση (β) Παρατηρείται ότι υπάρχει καλή συσχέτιση (µε θετική κλίση) του pκ a µε το PDE, επαληθεύοντας τις αρχικές υποθέσεις Η συσχέτιση και για τις δύο θέσεις δίνει R = 09777, ταυτόσηµο µε αυτό της βιβλιογραφίας (09754) Η συσχέτιση του log(1/τ exp ) µε το PDE είναι µέτρια (όπως αναµενόταν αρνητική, 08849) αλλά επίσης ίδια µε αυτή της βιβλιογραφίας ( 08892) Σηµειώνεται, ότι οι πειραµατικές τιµές τ exp έχουν προσδιοριστεί σε διάλυµα φαινολών σε n-βουτυλοχλωρίδιο Έτσι, για τη σωστή συσχέτιση των τ exp µε το spin και το φορτίο, θα έπρεπε να ληφθεί υπόψη η επίδραση του διαλύτη Παρόλ αυτά έχει βρεθεί, πως η επίδραση του φαινοµένου του διαλύτη είναι πολύ µικρή και δε µεταβάλλει ιδιαίτερα το spin και το φορτίο [10,63] Επιπρόσθετα, ελέγχθηκε κατά πόσο υπάρχει επιµόλυνση spin στα αποτελέσµατα Στον Πίνακα 417 δίνονται οι µέσες τιµές των τελεστών spin <S 2 > για τις 2-, 3- και 4-X-Ar + Οι τιµές για τις κατιοντικές ρίζες κυµαίνονται από 076 ως 078 και για τις αντίστοιχες ρίζες από 077 ως 079 Το σύνολο λοιπόν, των τιµών βρίσκεται πολύ κοντά στη µέση τιµή 075, της διπλής κατάστασης, µε αποτέλεσµα να µην ανα- µένεται κάποια αρνητική επίδραση στον υπολογισµό της τιµής PDE [2,4]

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 131 Πίνακας 417 : Μέσες τιµές του τελεστή spin <S 2 > για τις 2-, 3- και 4-X-Ar + και τις α- ντίστοιχες ρίζες 2-X- 3-X- 4-X- Ar + Ar Ar + Ar Ar + Ar 07633 07886 07633 07886 07633 07886 N 2 07635 07906 07703 07915 07696 07941 CN 07664 07923 07636 07932 07689 07960 CF 3 07633 07898 07642 07904 07659 07926 C 07640 07913 07633 07921 07741 07979 C 07640 07906 07629 07906 07675 07935 Br 07594 07871 07634 07907 07572 07874 Cl 07608 07876 07641 07908 07582 07877 F 07624 07873 07652 07903 07597 07867 C 3 07619 07862 07647 07892 07588 07860 C 3 07594 07808 07670 07888 07575 07789 07597 07824 07663 07895 07570 07808 N 2 07644 07675 07702 07899 07594 07734 NMe 2 07678 07656 07766 07889 07643 07711 442 Γεωµετρία Ph + Στις περιπτώσεις υπολογισµού της BDE και E i, ως µόριο αναφοράς λαµβάνεται η φαινόλη, ενώ για την PDE, η αντίστοιχη φαινολική κατιοντική ρίζα Ph + Έτσι, πριν από τη µελέτη των τιµών PDE έχει ενδιαφέρον να συζητηθεί η δοµή της φαινολικής κατιοντικής ρίζας, Ph +, αφού απουσιάζουν πλήρως από τη βιβλιογραφία τα δοµικά της δεδοµένα, σε αντίθεση µε τις δοµές της φαινόλης και της φαινυλοξικής ρίζας της οποίας έχουν µελετηθεί πειραµατικά [20] και θεωρητικά [67,3] στην αέρια φάση Στον Πίνακα 418 δίνονται επιλεγµένα δοµικά δεδοµένα της κατιοντικής ρίζας, όπως επίσης της φαινόλης και της φαινυλοξικής ρίζας για σύγκριση Από τα δεδοµένα του Πίνακα παρατηρείται ότι, σε αντίθεση µε τη φαινόλη οι δύο ρίζες (κατιοντική και ουδέτερη) παρουσιάζουν κινοειδή δοµή, που αποδεικνύεται από τη σηµαντική επιµήκυνση των δεσµών C 1 C 2, C 3 C 4, C 4 C 5 και C 1 C 6, σε σχέση µε τους C 2 C 3 και C 5 C 6 Άλλα σηµεία ενδιαφέροντος είναι α) η επιµήκυνση, του φαινολικού δεσµού Ο Η (κατά 001 Å), β) η επακόλουθη µείωση (περίπου κατά 006 Å) του δεσµού C 1 Ο 7 και γ) η σηµαντική αύξηση (περίπου κατά 48 ο ) της γωνίας C της κατιοντικής ρίζας σε σχέση µε τη φαινόλη

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 132 Πίνακας 418 : Σύγκριση επιλεγµένων µηκών δεσµών και γωνιών για τις βελτιστοποιηµένες γεωµετρίες της φαινολικής κατιοντικής ρίζας, της φαινυλοξικής ρίζας και της φαινόλης Θεωρητικές τιµές Μήκος Ph + Ph Ph a C 1 C 2 1433 b 1443 1400 C 2 C 3 1376 1386 1402 C 3 C 4 1431 1413 1401 C 4 C 5 1443 1413 1404 C 5 C 6 1378 1386 1399 C 6 C 1 1437 1443 1399 C 1 7 1340 1298 1403 7 13 0975 0966 C 1 C 2 C 3 1185 c 1205 1195 C 6 C 1 C 2 1217 1181 1207 C 2 C 1 7 1200 1209 1223 C 1 7 13 1155 1107 a αρίθµηση δίνεται στο Σχήµα 42 (C 1 ipso άνθρακας) b Μήκη δεσµών σε Å c Γωνίες σε ο 443 Συσχετίσεις του µήκους δεσµού µε τις συχνότητες δόνησης Στο Σχήµα 425 δίνονται τα διαγράµµατα για όλες τις θέσεις, όπως επίσης οι συντελεστές συσχέτισης και οι εξισώσεις των ευθειών του µήκους r(-) µε την α- ντίστοιχη συχνότητα δόνησης του v(-) Εξετάζοντας τις τιµές των συντελεστών συσχέτισης και για τις τρεις θέσεις υ- ποκατάστασης, παρατηρείται ότι όλοι είναι πολύ καλοί έως πάρα πολύ καλοί, ενώ διαπιστώνεται µια ελαφρά καλυτέρευσή τους µε την αποµάκρυνση του εκάστοτε υ- ποκαταστάτη από την ο- προς την π-θέση 3660 3640 ν (Ο-Η) 3620 3600 3580 3560 y = -12732x + 15989 R 2 = 09922 0969 0970 0971 0972 0973 0974 0975 0976 r(-η) (α)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 133 3840 3820 3800 ν (Ο-Η) 3780 3760 3740 3720 3700 y = -12902x + 16302 R 2 = 09974 0966 0968 0970 0972 0974 0976 R (-Η) (β) 3660 3640 ν (Ο-Η) 3620 3600 3580 3560 y = -12385x + 15653 R 2 = 0999 0968 0970 0972 0974 0976 r(-η) (γ) Σχήµα 425 : Συσχέτιση ν(ο-η) µε r(-) για την 2-Χ-Ar + (α), 3-Χ-Ar + (β), και 4- Χ-Ar + Η µελέτη των κατιοντικών ριζών, λόγω της µικρής ζωής τους είναι πολύ δύσκολη Οι πολύ καλές συσχετίσεις όµως που προέκυψαν, για όλες τις θέσεις υποκατάστασης, µεταξύ του µήκους δεσµού r(ο-η) και των συχνοτήτων ν(ο-η), βοηθούν στον ακριβή υπολογισµό του πρώτου µέσω του δεύτερου και το αντίθετο Προκύπτει λοιπόν, ένας πολύ χρήσιµος µοριακός δείκτης, που εξοικονοµεί χρόνο και χρήµα για τους ερευνητές Ταυτόχρονα, βοηθά στη µελέτη µορίων άγνωστης δοµής, αλλά και των εξαιρετικά βραχύβιων κατιοντικών ριζών που και δύσκολα απο- µονώνονται και δύσκολα µελετούνται

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 134 444 ο-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες 4441 Ενδοµοριακός δεσµός υδρογόνου (ib) Όπως στις ο-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες, έτσι και στις κατιοντικές φαινολικές ρίζες, οι δοµές που αντιστοιχούν στα ολικά ελάχιστα στην PES έχουν ib Για τον υπολογισµό όµως, µόνο του καθαρού ηλεκτρονιακού φαινοµένου, στην PDE, αυτή η ενθαλπική συνεισφορά πρέπει να αφαιρεθεί Επίσης, λόγω της µικρής διάρκειας ζωής της κατιοντικής ρίζας, τα πειράµατα για τον προσδιορισµό της Η intra, είναι πολύ δύσκολα αν όχι αδύνατα Εξαιτίας λοιπόν, της συµµετοχής των κατιοντικών ριζών στον αντιοξειδωτικό µηχανισµό, θεωρείται σκόπιµη η µελέτη του Η intra Στον Πίνακα 419 δίνεται η ενθαλπία του ib των 2-X-Ar +, µαζί µε επιλεγµένα δοµικά δεδοµένα των αντίστοιχων διαµορφοµερών Ο υπολογισµός του Η intra έγινε µε την αφαίρεση της ενθαλπίας του (χαµηλότερου ενεργειακά τοπικού ελάχιστου) Ε διαµορφοµερούς από την ενθαλπία του (ολικού ελάχιστου) Ζ, όπως συνέβη και στις ουδέτερες φαινόλες [33] Για λόγους σύγκρισης της µεταβολής του Η intra στις ουδέτερες φαινόλες µ εκείνη στις κατιοντικές φαινολικές ρίζες, δίνονται και οι αντίστοιχες τιµές των πρώτων που υπολογίστηκαν µε την ίδια µέθοδο, όπως και βιβλιογραφικές Από τον Πίνακα 419 φαίνεται ότι η ισχύς του Η intra τόσο για τις ουδέτερες φαινόλες όσο και για τις κατιοντικές ρίζες µεταβάλλεται µε τον ίδιο τρόπο Επιπλέον, όταν σχηµατίζεται πενταµελής δακτύλιος η ισχύς του δεσµού είναι µικρότερη στις κατιοντικές ρίζες απ ό,τι στις ουδέτερες φαινόλες Το φαινόµενο αυτό, κατά πάσα πιθανότητα, οφείλεται στη µείωση του ηλεκτρονιακού φορτίου στις κατιοντικές ρίζες Ανάλογο συµπέρασµα παρουσιάστηκε στην [68] για τις 2-ΟΗ-Ar + και 2-ΟΗ- Ar, όπου το Η 20 intra υπολογίσθηκε ίσο µε 22, πολύ κοντά στην τιµή της διατριβής, 21 kcal/mol Αντίθετα, όταν σχηµατίζεται εξαµελής δακτύλιος η ισχύς των Η intra των Ar + είναι µεγαλύτερη από των Ar Προφανώς, η ισχύς του δεσµού υδρογόνου γενικά, είναι µεγαλύτερη όταν σχηµατίζονται εξαµελείς δακτύλιοι από ό,τι στους πενταµελείς τόσο στις Ar + όσο και στις Ar 20 Η intra = Η intra (2-X-Ar + ) Η intra (2-X-Ar)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 135 Πίνακας 419 : Τιµές ενθαλπίας ενδοµοριακών δεσµών υδρογόνου, intra, επιλεγµένα δοµικά δεδοµένα, και συχνότητες δόνησης της βελτιστοποιηµένης γεωµετρίας των 2-X-Ar +, και των αντίστοιχων µητρικών ενώσεων, 2-X-Ar 2-X-Ar + 2-X-Ar X a b intra r( ) c r( A) A d ν e intra f intra r( ) r( A) A ν 09745 1155 35840 09657 1107 36901 N 2 (6) g -125 10232 15780 1081 27286-120 -119 09882 16918 1077 32641 CN(5) -11 09789 24294 1159 35103-21 -26 09690 24004 1118 36401 CF 3 (6) -33 09818 18831 1151 34577-25 -24 09680 19744 1122 36555 C (6) -114 10270 15852 1089 26420-80 -92 09895 17397 1083 32358 C 2 (6) -148 10266 15774 1090 26590-117 -114 09859 17493 1087 33075 Br(5) -10 09797 25416 1137 34749-35 -39 09702 25261 1099 36071 Cl(5) -17 09791 24783 1140 34979-35 -30 09694 24623 1100 36284 F(5) -27 09782 22972 1147 35329-37 -30 09685 22714 1099 36562 C 3 (5) 11 09737 24751 1151 35890 04 05 09651 24365 1110 36983 C 3 (5) -32 09765 21680 1123 35458-58 -44 09704 21105 1079 36243 (5) -30 09769 22002 1134 35440-51 -41 09692 21742 1089 36442 N(C 3 ) 2 (5) 66 09660 24491 1148 36837-37 -48 09803 20794 1044 34425 a Το άτοµο του υποκαταστάτη που δηµιουργεί το δεσµό υδρογόνου γράφεται σε έντονα πλάγια b intra σε kcal/mol c Μήκος δεσµού σε Å d Μήκος γωνίας C-Ο-Η σε ο e Συχνότητες δόνησης φαινολικού Ο-Η σε cm -1 f Από την [33] g Οι αριθµοί (5) and (6) δηλώνουν αντίστοιχα πενταµελείς και εξαµελείς δακτυλίους δεσµού υδρογόνου

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 136 Όλοι οι υποκαταστάτες (εκτός του ΝMe 2 ) του Πίνακα 419, παρουσιάζουν µεγαλύτερες τιµές r( ), µικρότερες ν και ψηλότερες Α, σε σχέση µε τα αντίστοιχα ουδέτερα µόρια Επιπλέον, όπως αναµενόταν, η µεγάλη τιµή r( ) συνοδεύεται από µικρότερες τιµές r( A), στους εξαµελείς δακτυλίους Οι συσχετίσεις που προκύπτουν, µεταξύ του intra και των r( ), r( A), ν, Α, (R = 09438, 08940, 09317 και 08800 αντίστοιχα), είναι αισθητά καλύτερες από ό,τι οι αντίστοιχες των ουδέτερων µορίων Οι υπολογισµοί έδειξαν ακόµη, πως στα περισσότερα µόρια (Χ = F, Cl, Br, CN, h, CΗ 3, C 3, C και N 2 ) των κατιοντικών ριζών και των ουδέτερων µορίων, ο προσανατολισµός του υποκαταστάτη Χ ως προς το φαινολικό ΟΗ όπου υφίσταται ib (Ζ διαµορφοµερές), διατηρείται και στο χαµηλότερο ενεργειακά, Ε διαµορφοµερές Εξαίρεση αποτελούν οι οµάδες ΝΜe 2, CF 3 και C (Σχήµα 426) N C 3 C 3 662 662 C 3 N C 3 523 145 29 28 254 C 3 255 C 3 + N C 3 174 + N C 3 181 142 30 31 125 405 F C F F 776 234 605 F C F F 605 32 18 49 + 355 F C F F 1000 290 + 602 F C F F 602 33 34 Σχήµα 426 : ιαµορφοµερή Ζ (αριστερή στήλη) και Ε (δεξιά στήλη) των 2-NΜe 2 -Ar, 2- NMe 2 -Ar +, 2-CF 3 -Ar και 2-CF 3 -Ar +

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 137 Συγκεκριµένα, οι δύο µεθυλοµάδες του ΝΜe 2, τόσο στα ουδέτερα µόρια όσο και στις κατιοντικές ρίζες, δηµιουργούν µικρότερες δίεδρες γωνίες (µικρότερη παρα- µόρφωση από την επιπεδότητα) µε το βενζολικό δακτύλιο στην Ε διαµόρφωση (28, 31) παρά στην Ζ (29, 30) Επίσης, το CF 3 στην Ε διαµόρφωση, παρουσιάζει όµοια παραµόρφωση στο ουδέτερο µόριο και στην κατιοντική ρίζα (18 και 34 αντίστοιχα), η οποία είναι µικρότερη από αυτή της Ζ διαµόρφωσης (32, 33) Επιπλέον, στο σταθερότερο διαµορφοµερές της Ε διαµόρφωσης, ο υποκαταστάτης C είναι γυρισµένος κατά 180 ο, σε σχέση µε τη Ζ, τόσο στις ουδέτερες όσο και στις φαινολικές κατιοντικές ρίζες Το θετικό πρόσηµο του intra για τον υποκαταστάτη ΝΜe 2, σηµαίνει πως το Ε διαµορφοµερές είναι σταθερότερο από το Ζ κατά 66 kcal/mol Όπως αναφέρθηκε στο Κεφ 432, το Ζ διαµορφοµερές της 2-ΝΗ 2 -Ar + δεν εντοπίστηκε στην PES ούτε ως ολικό, ούτε ως τοπικό ελάχιστο, ως εκ τούτου δεν µπορεί να υπολογιστεί η τιµή intra Παρόλ αυτά, σε αντίθεση µε την [33] στην οποία το Ε του ουδέτερου µορίου υπήρχε µόνο ως µεταβατική κατάσταση, αυτό εντοπίστηκε ως ολικό ελάχιστο στη διατριβή, δίνοντας τιµή, intra = 17 kcal/mol Μιλώντας αυστηρά χηµικά, το µοναδικό διαµορφοµερές του C 3 που µπορεί έστω και θεωρητικά να σχηµατίζει iηβ είναι το Ε, στο οποίο το υδρογόνο του iηβ προέρχεται από τη µεθυλοµάδα Παρόλ αυτά, στη βιβλιογραφία [33], το intra της µητρικής ένωσης, δεν αναφέρεται στην ενθαλπική συνεισφορά της κατεξοχήν iηβ αλληλεπίδρασης, αλλά στις στερεοχηµικές απώσεις µεταξύ των υδρογόνων του C 3 και του φαινολικού ΟΗ, δίνοντας έτσι ένα πιο ελεύθερο ορισµό στον iηβ 4442 Μελέτη του PDE και συσχετίσεις Όπως και στον υπολογισµό του intra, για τον υπολογισµό του PDE λαµβάνονται υπόψη τα χαµηλότερα ενεργειακά διαµορφοµερή χωρίς iηβ τόσο για τις Ar + όσο και για τις Ar, προκειµένου να είναι σωστές οι διάφορες συσχετίσεις Έτσι, οι αλλαγές στη διαµόρφωση ενσωµατώνονται στην τελική τιµή (γεγονός που δε θα συνέβαινε αν λαµβάνονταν υπόψη οι αντίστοιχες ρίζες που προκύπτουν από την αποπρωτονίωση) Για τους υποκαταστάτες C και ΟΗ, στο ολικό ελάχιστο της φαινυλοξικής ρίζας υπάρχει δεσµός υδρογόνου (Σχήµα 427) µεταξύ της ρίζας Ο και του υδρογόνου του υποκαταστάτη Της διατριβής είναι η συστηµατική

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 138 µελέτη του καθαρού φαινοµένου του εκάστοτε υποκαταστάτη, όπως και στην περίπτωση της κατιοντικής ρίζας, έτσι και στη ρίζα η ενθαλπική αυτή συνεισφορά πρέπει να αφαιρεθεί Εποµένως, στους υπολογισµούς λαµβάνονται υπόψη οι χαµηλότερες ενεργειακά ρίζες που δεν έχουν ib (για το ΟΗ και για το C ασταθέστερες κατά 87 κατά 72 kcal/mol, αντίστοιχα) 195 Η kcal/mol 222 158 148 36 72 (α) (β) Η kcal/mol 87 30 (γ) (δ) Σχήµα 427 : Ενεργειακό διάγραµµα και δοµές των διαµορφοµερών των : 2-C-Ar + (α), 2-CΟΗ-Ar (β), 2--Ar + (γ) και 2-ΟΗ-Ar (δ) Στον Πίνακα 420 δίνονται οι τιµές PDE που προκύπτουν από τα ζεύγη των διαµορφοµερών που συζητήθηκαν Σηµειώνεται ότι, οι διαφορές λαµβάνονται από την τιµή της µη υποκαταστηµένης φαινολικής κατιοντικής ρίζας που υπολογίστηκε, 2084 kcal/mol Για την ολοκληρωµένη όµως, µελέτη της φυσικοχηµικής παραµέτρου δίνονται σε παρένθεση και οι τιµές που εξάγονται από τα σταθερότερα ζεύγη Σηµειώνεται ότι οι τιµές PRE δεν είναι ταυτόσηµες µε τους πίνακες που περιέχονται στο κεφάλαιο που µελετήθηκε το E i, διότι εκείνες εκφράζουν ενέργειες, ενώ οι τιµές που αναφέρονται στο PDE (και στο BDE) ενθαλπίες Όπως είχε παρατηρηθεί και στις περιπτώσεις της BDE και του E i, το φαινόµενο της ρίζας (PRE) και το φαινόµενο της κατιοντικής ρίζας (PCE) παίζουν αντίστοιχα τον κύριο ρόλο στη διαµόρφωση της τελικής τιµής της PDE Εύλογο είναι το ερώτη-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 139 µα, ποιο από τα δύο στην περίπτωση του PDE θα παίζει τον κυρίαρχο ρόλο Όπως γίνεται φανερό, από τις απόλυτες τιµές του Πίνακα 420, το PCE είναι αυτό που κυρίως διαµορφώνει την τελική τιµή Το γεγονός αυτό αναµενόταν, επειδή η διαταραχή που επιφέρουν οι υποκαταστάτες στις κατιοντικές ρίζες είναι µεγαλύτερη απ ό,τι στις ρίζες Πίνακας 420 : Τιµές PDE, PCE, PRE, Q(ΟΗ), r, A και ν της µεθόδου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 2-X-Ar +, σ p + και πειραµατικές τιµές pk a Χ PDE a PCE a PRE a Q(ΟΗ) + b σ o c pk a r d A e ν f 00 00 00 0188 000-81 09745 1155 35840 N 2-149 (-24) g 251 102 0129 052-09746 1159 35821 CN -104 (-92) 133 29 0159 044-09746 1158 35821 CF 3-119 (-86) 175 56 0163 040-09748 1161 35790 C -87 (27) 104 17 0158 031-09745 1156 35837 C -43 (34) 124 81 0158 028-09747 1152 35762 Br -10 (00) 28 18 0133 010-09727 1147 36048 Cl -37 (-19) 66 29 0146 007-13 09734 1149 35963 F -70 (-43) 110 40 0161-005 - 09744 1154 35847 C 3 43 (43) -64-21 0164-020 -93 09734 1149 35954 C 3 118 (124) -115 03 0118-051 -64 09715 1138 36203 56 (-02) -43 13 0144-051 - 09724 1144 36063 N 2 157 ( ) -256-99 0088-086 - 09698 1146 36463 NMe 2 256 (190) -328-72 0057-112 - 09694 1124 36447 a PDE, PCE και PRE σε kcal/mol Η τιµή PDE της φαινόλης υπολογίστηκε 2084 kcal/mol b Από την [36] µέσω της εξίσωσης (41) c Από την [30] d Μήκος δεσµού του φαινολικού - σε Å e Μήκος γωνίας C-Ο-Η σε ο f Συχνότητες δόνησης φαινολικού Ο-Η σε cm -1 g Τιµές των σταθερότερων ζευγών Επιπλέον, σύµφωνα µε τις υπάρχουσες τιµές pk a, το C 3 και το Cl αποπρωτονιώνονται ευκολότερα από τη φαινόλη Αντίθετα, το C 3 αποπρωτονιώνεται δυσκολότερα Οι πειραµατικές τιµές βρίσκονται σε συµφωνία µε τις θεωρητικές που προέκυψαν για το Cl και το C 3, αλλά σε αντίθεση µε το C 3 Όµως είναι γνωστό, πως το C 3 είναι ένας δότης και αναµένεται να έχει ανάλογη συµπεριφορά µε το C 3, δηλαδή να αποπρωτονιώνεται δυσκολότερα από τη φαινόλη (ίδια ή µικρότερη τιµή pk a ) λόγω της αύξησης της ηλεκτρονιακής πυκνότητας του δεσµού Ο Η Έτσι, οι θεωρητικά εξαγόµενες τιµές µπορούν να θεωρηθούν τουλάχιστον γι αυτήν την περίπτωση ως ένα σηµείο πιο αξιόπιστες από τις πειραµατικές Η ποσοτική συµµετοχή του PCE, στην τιµή της PDE, προσδιορίζεται µέσω του Σχήµατος 428 Οι κλίσεις ρ + των εξισώσεων PCE και PRE είναι αντίστοιχα, 3108 και 902 kcal/mol To αποτέλεσµα αυτό σηµαίνει ότι η συµµετοχή του PCE είναι περίπου 34

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 140 φορές µεγαλύτερη (3108/902) από αυτή του PRE στην τελική τιµή PDE, σε συµφωνία µε την ποιοτική εκτίµηση που προηγήθηκε 40 20 (kcal/mol) 0-20 -40 PDE PCE PRE y = -22159x - 17204 y = 31179x + 38519 y = 90187x + 21314-15 -10-05 00 05 10 σo+ Σχήµα 428 : Συσχέτιση σ ο + µε PDE (R 2 = 09409), PCE (R 2 = 09284) και PRE (R 2 = 07425) Η αποπρωτονίωση της κατιοντικής ρίζας γίνεται από το φαινολικό ΟΗ Για το λόγο αυτό, επιχειρήθηκαν επιπλέον συσχετίσεις του PDE µε το S()c (R 2 = 08131) και µε τη Q(ΟΗ) (R 2 = 05459) Σε αντίθεση µε το spin, το οποίο είναι µια ακριβής κβαντοχηµική τιµή, η τιµή του φορτίου εξαρτάται από την εκάστοτε προσέγγιση που επιχειρείται Η πληθυσµιακή ανάλυση κατά Mulliken, παρέχει µια αξιόπιστη αναπαράσταση του φορτίου µέσα στο µόριο Χρησιµοποιώντας λοιπόν, τη διαφορά του φορτίου µεταξύ της κατιοντικής ρίζας και του αντίστοιχου ουδέτερου µορίου µπορεί να εκφραστεί η συµβολή που παίζει ο υποκαταστάτης στο φορτίο του φαινολικού ΟΗ Έτσι όσο µεγαλύτερη είναι αυτή η διαφορά, τόσο αποσταθεροποιείται η κατιοντική ρίζα και τόσο µειώνεται το PDE (αυξάνεται η οξύτητα) 445 µ-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Όπως και στις περιπτώσεις µελέτης της BDE (Κεφ 4222) και του E i (Κεφ 433), έτσι και για το PDE, επιλέχθηκαν για τις 3-Χ-Ar + τα αντίστοιχα ζεύγη των Ε διαµορφοµερών τις ο-θέσης, έτσι ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση µεταξύ τους Πιο αναλυτικά, για τους υποκαταστάτες CF 3, C και NMe 2, τα Ζ διαµορφοµερή αποτελούν το ολικό ελάχιστο στην PES Για όλα τα υπόλοιπα, σταθερότερα διαµορφοµερή είναι τα Ε µε εξαίρεση τους υποκαταστάτες ΟΗ, ΟCΗ 3 και C

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 141 για τους οποίους στη σταθερότερη µορφή ο υποκαταστάτης έχει προσανατολισµό syn (Σχήµα 417 και 429) Η kcal/mol 06 02 02 Σχήµα 429 : Ενεργειακό διάγραµµα και δοµές των διαµορφοµερών της 3-CΟΟ-Ar + Στον Πίνακα 421, δίνονται οι τιµές PDΕ που προκύπτουν από τα Ε διαµορφοµερή µαζί µε τις τιµές των σταθερότερων ζευγών (ως επί το πλείστον Ζ) Οι διαφορές των τιµών µεταξύ των σταθερότερων ζευγών και των αντιστοίχων (Ε) της µ-θέσης (ουσιαστικά οι διαφορές ενθαλπίας µεταξύ των Ε και Ζ διαµορφοµερών) δεν υπερβαίνουν τα 08 kcal/mol Εξαιρέσεις αποτελούν οι οµάδες ΟΗ και ΟCΗ 3, λόγω της σταθεροποίησης της syn διαµόρφωσης (βλ Κεφ 433) Πίνακας 421 : Τιµές PDE, PCE, PRE Q(ΟΗ), r, A και ν της µεθόδου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 3-X-Ar +, σ m και πειραµατικές τιµές pk a Χ PDE a PCE a PRE a Q(ΟΗ) b σ m c pκ α r d A e ν f 00 00 00 0188 000-81 09745 1155 35840 N 2-151 (-149) g 191 40 0188 071-14 09756 1161 35712 CN -108 (-104) 138 30 0184 056-14 09747 1158 35812 CF 3-118 147 29 0334 043-14 09754 1160 35739 C -71 89 18 0184 035 09746 1157 35820 C -52 (-50) 76 24 0187 037 09748 1157 35801 Br -25 (-17) 35 10 0157 039 09726 1153 36048 Cl -48 (-41) 63 15 0170 037-11 09734 1155 35965 F -73 (-66) 90 17 0186 034 09743 1158 35870 C 3 45 (51) -51-06 0180-007 -79 09734 1153 35971 C 3 97 (109) -88 09 0118 012-62 09694 1146 36468 39 (48) -29 10 0144 012 09711 1151 36211 N 2 204 (208) -208-04 0100-016 3 09686 1142 36581 NMe 2 314-328 -14 0073-016 59 09676 1134 36715 a PDE, PCE και PRE σε kcal/mol b Από την [36] c Από την [30] d Μήκος δεσµού του φαινολικού - σε Å e Μήκος γωνίας C-Ο-Η σε ο f Συχνότητες δόνησης Ο-Η σε cm -1 d Από την [30] g Τιµές των σταθερότερων ζευγών Σε αντίθεση µε την ο-θέση, παρατηρείται ότι το PCE κυριαρχεί σχεδόν ολοκληρωτικά στη διαµόρφωση της τελικής τιµής του PDE (οι λόγοι γι αυτό εξηγήθηκαν

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 142 στο Κεφ 444) Η ποσοτική έκφραση της συµµετοχής των PRE και PCE στη PDE, µπορεί να προκύψει, µε βάση το διάγραµµα ammett (Σχήµα 430) 40 20 (kcal/mol) 0-20 -40 PDE PCE PRE y = -42198x + 10541 y = 47569x - 10551 y = 53704x - 00113-05 0 05 1 σm Σχήµα 430 : Συσχέτιση σ m µε PDE (R 2 = 07716), PCE (R 2 = 08053) και PRE (R 2 = 09127) Η κλίση των PCE και PRE είναι αντίστοιχα 4757 και 537 kcal/mol Το αποτέλεσµα αυτό σηµαίνει ότι το πρώτο φαινόµενο είναι εννιά φορές περίπου (4757/537) πιο κυρίαρχο από το δεύτερο, σε συµφωνία µε τα παραπάνω ποιοτικά αποτελέσµατα Εξετάζοντας γεωµετρικά το διάγραµµα παρατηρείται, ότι οι ευθείες PDE και PCE είναι περίπου συµµετρικές, µε άξονα συµµετρίας τον x Αυτό εξηγείται από το ότι οι δύο παράµετροι έχουν αντίθετα πρόσηµα και ίσες απόλυτες τιµές Εποµένως, το PCE είναι κατά πολύ πιο κυρίαρχο από το PRE (η ευθεία PRE έχει µικρή κλίση (537) και µηδενική σταθερά) στη διαµόρφωση της τελικής τιµής της PDE Η συσχέτιση PDE/pΚ a είναι αρκετά καλή µε R 2 = 09679 Παρόλ αυτά, οι τι- µές pκ a των τριών ισχυρότερων δεκτών ( ΝΟ 2, CN και CF 3 ) εξετάζονται µε επιφύλαξη, αφού και οι τρεις υποκαταστάτες παρόλη τη διαφορετική τους ισχύ εµφανίζουν ίδιες τιµές (pκ a = 14) Σε γενικές γραµµές παρατηρείται, ότι οι συσχετίσεις της µ-θέσης είναι καλύτερες από τις αντίστοιχες της ο-θέσης Ιδιαίτερα καλή συσχέτιση παρουσιάζει η τιµή της γωνίας του φαινολικού υδροξυλίου, A (R 2 = 09709, y = 00571x 1153) Ε- ξαίρεση αποτελεί η συσχέτιση µε το σ m, επακόλουθο της µέτριας συσχέτισης του κυρίαρχου PCΕ µε το σ m Το γεγονός αυτό δηλώνει ότι για την µ-θέση υπεισέρχονται και άλλοι παράγοντες (εκτός των αµιγών ηλεκτρονιακών φαινοµένων του εκάστοτε υποκαταστάτη) που καθορίζουν το συνολικό φαινόµενο, PCE Τέλος, εκτός από τα

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 143 δοµικά δεδοµένα και τις συχνότητες δόνησης, το S()c, Q()c αλλά και το Q µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως µοριακοί δείκτες για τον, κατά προσέγγιση, υπολογισµό του PDE για τη µ-θέση (R 2 088) 446 π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες Η π-θέση δεν παρουσιάζει ιδιαίτερο πρόβληµα στην επιλογή διαµορφοµερών Για τα µόρια στα οποία υπάρχουν δύο διαµορφοµερή, οι διαφορές ενθαλπίας που προέκυψαν από τους υπολογισµούς, µεταξύ των Ζ και Ε, δεν υπερβαίνουν τα 04 kcal/mol (περίπτωση C 3 ) Όπως και στο ουδέτερο µόριο, έτσι και στις κατιοντικές ρίζες για τον υποκαταστάτη C, η σταθερότερη διαµόρφωσή του είναι η Ζ (κατά 02 kcal/mol από την Ε) Όµως, για λόγους σύγκρισης µε την ο- και µ-θέση λαµβάνεται υπόψη η τιµή του Ε διαµορφοµερούς Στο Πίνακα 422 δίνονται οι τιµές PDE, PCE, PRE και Q(ΟΗ) για τις π- µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες µαζί µε τις σ + p και άλλες πειραµατικές Πίνακας 422 : Τιµές PDE, PCE, PRE, Q(ΟΗ), r, A και ν της µεθόδου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις 4-X-Ar +, σ p + και πειραµατικές τιµές pk a και log(1/τ exp ) Χ PDE a PCE a PRE a Q(ΟΗ) + b σ p c pk a log (1/τ exp ) d r e A f ν g 00 00 00 01876 000-81 657 09745 1155 35840 N 2-155 191 36 01746 079-150 664 09750 1159 35776 CN -84 101 17 01706 066-130 696 09743 1157 35864 CF 3-125 157 32 01901 061-130 09755 1160 35715 C -65 78 13 01725 047 09746 1156 35825 C -57 (-55) h 74 17 01775 042 09747 1156 35814 Br 17-16 01 01553 015-88 09729 1152 36044 Cl -11 17 06 01647 011-99 65 09734 1154 35979 F -45 51 06 01804-007 09742 1158 35891 C 3 68-83 -15 01703-031 -71 638 09732 1151 35999 C 3 137-170 -33 01443-078 -47 647 09717 1147 36189 77-103 -26 01567-078 -55 09725 1151 36073 N 2 210-270 -60 01338-130 45 617 09707 1146 36312 NMe 2 300-376 -76 01140-170 62 594 09696 1140 36445 a PDE, PCE και PRE σε kcal/mol b Από την [36] c Από την [30] d Από την [10] e Μήκος δεσµού φαινολικού - σε Å f Γωνίες C-Ο-Η σε ο g Συχνότητες δόνησης φαινολικού Ο-Η σε cm -1 h Τιµές των σταθερότερων ζευγών

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 144 Θα πρέπει να σηµειωθεί πως η πειραµατική τιµή PDE = 200 kcal/mol 21 που υπολόγισαν οι Bordwell et al [30] για την 4-ΝMe 2 -Ar +, απέχει από την υπολογισµένη τιµή του Πίνακα 422 (300 kcal/mol) Αντίθετα, η θεωρητική τιµή 289 kcal/mol [12] βρίσκεται σε πολύ καλή συµφωνία µε την τιµή της διατριβής Το ίδιο συµβαίνει και µε την αποσταθεροποίηση της 4-ΝΟ 2 -Ar +, η οποία υπολογίστηκε 191 kcal/mol Η θεωρητική τιµή (176 kcal/mol) βρίσκεται πολύ κοντά, αλλά η πειραµατική (94) σε απόσταση από την τιµή της διατριβής Οι τιµές του Πίνακα 422 φανερώνουν, ότι η π-θέση δεν αποτελεί εξαίρεση για το ποιο φαινόµενο κυριαρχεί Όµοια µε τις υπόλοιπες θέσεις, το PCE καθορίζει κατά µεγάλο βαθµό την τελική τιµή του PDE Επίσης, όπως αναµένονταν, τα φαινόµενα σταθεροποίησης και αποσταθεροποίησης των PCE και PRE είναι εντονότερα στους ισχυρούς δότες και δέκτες Στο ίδιο συµπέρασµα κατέληξε και ο Bordwell et al [30] για τις οµάδες 4-ΝΗ 2 και 4-ΝMe 2 Σε γενικές γραµµές οι υπολογισµένες τιµές PDE βρίσκονται σε συµφωνία µε την τάση των πειραµατικών τιµών pk a Επιπλέον, για τους ίδιους υποκαταστάτες µπορεί να ειπωθεί πως i) σταθεροποιούν τις ρίζες και τις κατιοντικές ρίζες και στην ο- και µ-θέση, ii) σταθεροποιούν περισσότερο τις κατιοντικές ρίζες (η τιµή PRE δεν υπερβαίνει τα 10 kcal/mol) και iii) η σταθεροποίηση που προκαλεί ο υποκαταστάτης ΝMe 2 στις κατιοντικές ρίζες είναι εντονότερη σε όλες τις θέσεις από αυτή του ΝΗ 2 ( 33 µε 38 kcal/mol και 21 µε 27 kcal/mol αντίστοιχα) 40 20 (kcal/mol) 0-20 -40 PDE PCE PRE y = -16453x - 01331 y = 20704x + 00541 y = 42493x - 00792-2 -1 0 1 σp+ Σχήµα 431 : Συσχέτιση σ + p µε PDE (R 2 = 09512), PCE (R 2 = 09572) και PRE (R 2 = 09700) 21 Στην εργασία αναφέρεται ως οξύτητα και έχει αντίθετο πρόσηµο

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 145 Η ποσοτική έκφραση της συµµετοχής του SPC στην τιµή του PDE, µπορεί να προκύψει από το διάγραµµα Brown (Σχήµα 431) Από τις κλίσεις των ευθειών PCE και PRE προκύπτει πενταπλάσια, περίπου, κυριαρχία του PCE (2070/425), σε σχέση µε το PRE, σε συµφωνία µε τα ποιοτικά αποτελέσµατα Οι συσχετίσεις για την π-θέση είναι στο σύνολό τους, καλύτερες από αυτές της ο- και µ-θέση Μοναδική εξαίρεση αποτελεί η συσχέτιση PDE µε το pk a Επίσης, οι συσχετίσεις των PCE και PRE µε το F και R +, (R 2 = 04160, 08884 και 04016, 09090, αντίστοιχα) δείχνουν ότι και για την π-θέση, το συζυγιακό φαινόµενο είναι αυτό που καθορίζει κυρίως την σταθεροποίηση ή αποσταθεροποίηση της κατιοντικής, όπως και της ουδέτερης ρίζας Ως εκ τούτου και η τελική τιµή του PDE θα καθορίζεται κυρίως από το συζυγιακό φαινόµενο του εκάστοτε υποκαταστάτη, γεγονός που πράγµατι ισχύει (R 2 = 08807) Επίσης, το σύνολο των δοµικών χαρακτηριστικών, όπως και οι v δίνουν πολύ καλές τιµές συσχετίσεων (094 > R 2 > 097), γεγονός που επιτρέπει τη χρησιµοποίησή τους ως µοριακών δεικτών, για τον κατά προσέγγιση υπολογισµό, της οξύτητας (PDE) των κατιοντικών ριζών Επιπλέον, σε αντίθεση µε την ο-θέση και τα Q()c (R 2 = 09116), Q()r (R 2 = 09349) δίνουν αρκετά καλές συσχετίσεις, επιτρέποντας έτσι τη χρησιµοποίησή τους ως µοριακών δεικτών υπολογισµού της οξύτητας 447 Γενικά Συµπεράσµατα Με την ολοκλήρωση της µελέτης για όλους τους υποκαταστάτες σε όλες τις θέσεις υποκατάστασης µπορούν να εξαχθούν κάποια γενικά συµπεράσµατα για την PDE Όπως και στη περίπτωση των ΒDE και E i, έτσι και για την PDE µπορεί να δοθεί εποπτικά η µεταβολή της τιµής της ανάλογα µε το είδος του υποκαταστάτη Στο Σχή- µα 432 απεικονίζεται η σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της ουδέτερης και της κατιοντικής ρίζας, σε σχέση µε το είδος του υποκαταστάτη ίνεται επίσης, η ποιοτική διαφορά της έντασης των φαινοµένων PCE και PRE To Σχήµα 432 διαφέρει από το αντίστοιχο της BDE για τα ουδέτερα µόρια (βλ Σχήµα 413), στο οποίο οι δότες τα σταθεροποιούν, ενώ οι δέκτες τα αποσταθεροποιούν Αυτός είναι άλλωστε και ο λόγος που οι δέκτες οδηγούν σε χαµηλές τιµές

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 146 BDE ( BDE < 0), σε αντίθεση µε τους δότες ( BDE > 0) Στην περίπτωση του PDE συµβαίνει το αντίθετο A A < PRE D A + PCE D > + D + Σχήµα 432 : ιαφοροποίηση της τιµής του PDE µε την εισαγωγή δέκτη (Α) και δότη (D) ηλεκτρονίων σε ο-, µ- και π-θέση Επίσης παρατηρείται (β Πίνακες 420, 421 και 422) ότι i) τα τρία αλογόνα (εκτός του Br) µπορούν να θεωρηθούν ως ασθενείς δέκτες, αφού παρουσιάζουν αρνητικές τιµές PCE και PRE σε όλες τις θέσεις υποκατάστασης, ii) τα φαινόµενα των υποκαταστατών δεκτών (οι πέντε κατ εξοχήν δότες και τα τρία αλογόνα), είναι εντονότερα στην ο- απ ό,τι στη µ- και π-θέση, τόσο για τις κατιοντικές ρίζες (µεγαλύτερες θετικές τιµές PCE, αποσταθεροποίηση), όσο και για τις αντίστοιχες ρίζες (µεγαλύτερες θετικές τιµές PRE, αποσταθεροποίηση), iii) αντίθετα, τα φαινόµενα των υ- ποκαταστατών δοτών (από C 3 µέχρι ΝΜe 2 ) είναι εντονότερα στην π-, απ ό,τι στην ο- και µ-θέση, τόσο για τις κατιοντικές ρίζες (µεγαλύτερες αρνητικές τιµές PCE, σταθεροποίηση) όσο και για τις αντίστοιχες ρίζες (µεγαλύτερες αρνητικές τιµές PRE, σταθεροποίηση) Ακόµη, για τη σφαιρική µελέτη της PDE, σε σχέση µε τη φύση και θέση των υποκαταστατών, δίνεται το τρισδιάστατο Σχήµα 433 Σ αυτό φαίνεται, ότι και στις τρεις θέσεις υποκατάστασης εµφανίζονται παρό- µοια φαινόµενα υποκαταστατών Πιο συγκεκριµένα, οι δότες (αριστερά στο σχήµα) παρουσιάζουν θετικές τιµές PDE, ενώ οι δέκτες και τα αλογόνα, αρνητικές Αυτό είναι αναµενόµενο, επειδή τα αλογόνα όπως έχει ήδη συζητηθεί ανήκουν σε µια εν-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 147 διάµεση οµάδα Έτσι, για όλες τις θέσεις υποκατάστασης οι δότες µειώνουν την οξύτητα των κατιοντικών ριζών, ενώ οι δέκτες και τα αλογόνα την αυξάνουν Από το σχήµα φαίνεται, ακόµη, ότι τα φαινόµενα των υποκαταστατών που είναι δότες είναι εντονότερα στη µ- και π- από ό,τι στην ο-θέση, ενώ για τους υπόλοιπους υποκαταστάτες, ανεξάρτητα από τη θέση υποκατάστατης, οι οξύτητες των κατιοντικών ριζών είναι περίπου της ίδιας έντασης 30 PDE (kcal/mol) 20 10 0-10 -20 NMe2 N2 C3 C3 F Cl Br C C CF3 CN N2 όρθο µέτα πάρα Σχήµα 433 : Εξάρτηση της µεταβολής της PDΕ από τη φύση και τη θέση (ο-, µ- και π-) των υποκαταστατών Τέλος, δίνονται οι προτεινόµενες απόλυτες τιµές PDE για τα µόρια που µελετήθηκαν Για την ο-θέση δίνονται δύο διαφορετικές τιµές Μια για τα Ε διαµορφοµερή, στα οποία δεν υφίσταται ib και µια (σε παρένθεση) για τα Ζ διαµορφωµερή µε ib (ολικά ελάχιστα στην PES) Όπως αναµένεται οι τιµές στις παρενθέσεις είναι µεγαλύτερες αφού καταναλώνεται επιπλέον ενέργεια για να διασπαστεί ο ib Οι τιµές στις παρενθέσεις είναι µικρότερες όταν δηµιουργείται ib στην παραγόµενη ρίζα

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 148 Πίνακας 423 : Προτεινόµενες απόλυτες τιµές PDE (οξύτητας) του µοντέλου B3LYP/6-31+G(,3pd), για τις µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες (σε kcal/mol) PDE (Ph-) = 2084 kcal/mol PDE X 2-X-Ar + a 3-X-Ar +b 4-X-Ar +b N 2 1935 (2060) b 1935 1929 CN 1981 (1992) 1980 2000 CF 3 1966 (1998) 1966 1959 C 1998 (2111) 2012 2019 C 2042 (2118) 2035 2028 Br 2074 (2084) 2067 2011 Cl 2048 (2065) 2044 2074 F 2015 (2041) 2019 2039 C 3 2128 (2116) 2135 2182 C 3 2202 (2208) 2193 2221 2140 (2083) 2133 2162 N 2 2241 ( ) 2292 2294 NMe 2 2340 (2275) 2399 2384 α Οι τιµές αναφέρονται στα E διαµορφοµερή b Οι τιµές αναφέρονται στα σταθερότερα ζεύγη διαµορφοµερών µητρικής ένωσης/ρίζας Όπως και από το Σχήµα 433 έτσι και από τις τιµές του Πίνακα 423, γίνεται φανερό ότι οι φαινόλες µε υποκαταστάτες αλογόνα σε όλες τις θέσεις, έχουν χαµηλότερη τιµή PDE από τη φαινόλη Μάλιστα στην ο- και µ-θέση η τιµή PDE µεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα µε την ηλεκτραρνητικότητά τους Γεγονός αναµενόµενο, αφού µεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα συνεπάγεται επιπλέον εξασθένιση του δεσµού Ο-Η, άρα ευκολότερη απόσπαση του πρωτονίου (µεγαλύτερη οξύτητα), δηλαδή χα- µηλότερη τιµή PDE 45 Γενικές παρατηρήσεις για τα υπό µελέτη είδη και για τους δύο µηχανισµούς δέσµευσης ελευθέρων ριζών 451 Σχετικές σταθερότητες της µητρικής ένωσης, της ρίζας και της κατιοντικής ρίζας Η µέχρι τώρα µελέτη των σχετικών τιµών των φυσικοχηµικών παραµέτρων ( BDE, E i και PDE), περιλάµβανε, ως επί το πλείστον, την κάθετη σύγκριση µεταξύ τους (σύγκριση διαφορετικών υποκαταστατών για την ίδια θέση υποκατάστασης) Για την οριζόντια σύγκρισή τους (σύγκριση του ίδιου υποκαταστάτη σε διαφορετικές θέσεις υποκατάστασης), πρέπει να υπολογιστεί η µεταβολή της ενθαλ-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 149 πίας για τρεις ξεχωριστές περιπτώσεις, µεταξύ της: o- και π-θέσης, µ- και π- θέσης και o- και µ-θέσης, για κάθε ένα υποκαταστάτη και για τα τρία είδη των µορίων (µητρική ένωση, ρίζα και κατιοντική ρίζα) Οι τιµές Η δίνονται στο Σχήµα 434 Θετικές τιµές Η(ο-p), σηµαίνουν ότι η π-υποκατεστηµένη φαινόλη είναι σταθερότερη από την αντίστοιχη όρθο, ενώ οι αρνητικές το αντίθετο Από τη σύγκριση της ο- µε την π-θέση {(Σχήµα 434 (α)} παρατηρείται ότι, το σύνολο σχεδόν των π-υποκατεστηµένων φαινολών είναι σταθερότερο απ αυτό των όρθο, για όλα τα είδη των µορίων, µε µόνη εξαίρεση το ΝΗ 2 Το τελευταίο οφείλεται στον ib, που δηµιουργείται στην ο-θέση, από το υδρογόνο του ΝΗ 2 και σταθεροποιεί περισσότερο τα είδη Αναλυτικότερα, όλοι οι δέκτες και ο ΝMe 2 σταθεροποιούν περισσότερο τη µητρική ένωση στην π-θέση απ ό,τι τη ρίζα, ενώ το αντίθετο συµβαίνει για τους δότες, ΟΗ και C 3 Επίσης, στις κατιοντικές ρίζες, η σταθεροποίηση είναι µεγαλύτερη σε όλους τους δότες, σε όλα τα αλογόνα και στους δέκτες, C και CN Η (ο-π) (kcal/mol) 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Μητρ Ένωση Κατ Ρίζα Ρίζα N2 C CN CF3 C Br Cl F C3 C3 N2 NMe2 (α) Η (µ-π) (kcal/mol) 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Μητρ Ένωση Κατ Ρίζα Ρίζα N2 C CN CF3 C Br Cl F C3 C3 N2 NMe2 (β)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 150 Η (ο-m) (kcal/mol) 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 Μητρ Ένωση Κατ Ρίζα Ρίζα N2 C CN CF3 C Br Cl F C3 C3 N2 NMe2 Σχήµα 434 : Τιµές µεταξύ των αντίστοιχων διαµορφοµερών ο- και π-θέσης (α), µ- και π-θέσης (β) και ο- και µ-θέσης (γ) (γ) Εποµένως, οι τιµές i) BDE θα είναι υψηλότερες στην π- απ ό,τι στη ο-θέση, για το σύνολο των υποκαταστατών, ii) E i θα είναι λίγο µεγαλύτερες, κατ απόλυτη τιµή, στην π-θέση, για το σύνολο των υποκαταστατών, µε εξαίρεση τα αλογόνα και iii) PDΕ, κατ απόλυτη τιµή, θα είναι µικρότερες στην π-θέση για όλους τους δότες Για την περίπτωση της σύγκρισης της µ- µε την π-θέση {(Σχήµα 434 (β)} παρατηρείται ότι, για όλους τους δότες και τα αλογόνα, οι κατιοντικές ρίζες σταθεροποιούνται σχετικά έντονα ( Η > 35 kcal/mol) Αντίθετα, στους δέκτες (µε εξαίρεση το CN), οι τιµές Η είναι µικρότερες Ενδιαφέρον παρουσιάζει η µείωση των τιµών Η στις κατιοντικές ρίζες από το Br στο C 3 και από το C 3 στο ΝΜe 2 Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης, η σταδιακή µείωση της σχετικής σταθεροποίησης της π- θέσης από τους δέκτες προς τους δότες για όλες τις µητρικές ενώσεις Εποµένως, οι τιµές i) BDE θα είναι µεγαλύτερες κατ απόλυτη τιµή στην π- απ ό,τι στη µ-θέση, για το σύνολο των υποκαταστατών και µάλιστα το φαινόµενο θα είναι πιο έντονο στους δότες, ii) E i θα είναι µεγαλύτερες κατ απόλυτη τιµή στην π- θέση, για το σύνολο των υποκαταστατών, µε εξαίρεση πάλι τα αλογόνα και iii) PDΕ κατ απόλυτη τιµή θα είναι µικρότερες στην π-θέση για όλους τους δότες και τα αλογόνα Σηµειώνεται, ότι το Σχήµα 434 (γ), είναι ουσιαστικά η προβολή του Σχήµατος 434 (β), στο Σχήµα 434 (α) και δίνεται για συγκριτικούς λόγους

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 151 452 Προτεινόµενος µηχανισµός δέσµευσης ελευθέρων ριζών µέχρι τώρα µελέτη εστιάστηκε στον όσο το δυνατόν ακριβέστερο υπολογισµό των τιµών των φυσικοχηµικών παραµέτρων BDE, Ε i PDE, οι οποίες χαρακτηρίζουν τους (αντιοξειδωτικούς) µηχανισµούς και κατ επέκταση αποτελούν ένα χρήσιµο εργαλείο στη διαλεύκανση του ποιος µηχανισµός θα είναι κυρίαρχος (θα γίνεται δηλαδή µε µεγαλύτερη ταχύτητα) Όπως αναφέρθηκε, δύο είναι οι κύριοι µηχανισµοί αντιοξειδωτικής δράσης για τη δέσµευση των ελευθέρων ριζών Ο µηχανισµός απόσπασης υδρογόνου AT (που πραγµατοποιείται σ ένα στάδιο) και ο µηχανισµός µεταφοράς ηλεκτρονίου, SET (που πραγµατοποιείται σε δύο στάδια) Σηµειώνεται, ότι και οι δύο µηχανισµοί αντίδρασης των φαινολικών αντιοξειδωτικών µε τις ελεύθερες ρίζες λαµβάνουν χώρα παράλληλα, αλλά µε διαφορετικές ταχύτητες Είναι γνωστό, ότι η ικανότητα δέσµευσης των ελευθέρων ριζών αυξάνεται µε υποκαταστάτες δότες [3,1,12,13,14,18,47] Από τη µελέτη του PDE για όλες τις θέσεις υποκατάστασης, προέκυψε το συµπέρασµα ότι οι δότες αυξάνουν την τιµή του ( PDE > 0), σε αντίθεση µε τη µείωση που προκαλούν στην τιµή BDE ( BDE < 0) και E i (E i < 0) Το γεγονός αυτό σηµαίνει οι δότες δε βοηθούν στην αποπρωτονίωση (οξύτητα) της κατιοντικής ρίζας, οπότε δεν επιταχύνουν το δεύτερο στάδιο του SET Το συµπέρασµα που εξάγεται από αυτή την παρατήρηση είναι πως το δεύτερο στάδιο του SET που χαρακτηρίζεται από το PDE (βλ Σχήµα 11) δε θα αποτελεί το στάδιο που θα καθορίζει την ταχύτητα του µηχανισµού και κατ επέκταση την αντιοξειδωτική ικανότητα των φαινολών, να αντιδράσουν µε τις ελεύθερες ρίζες Υπενθυµίζεται επίσης, ότι η φαινόλη δεν έχει αντιοξειδωτικές ιδιότητες Έτσι κάθε ένωση µε BDE ή/και ΙP > 0 δε µπορεί να θεωρηθεί ως αντιοξειδωτικό Βέβαια, η µελέτη υποκαταστατών που είναι δέκτες δε στερείται σηµασίας, επειδή πολλές φορές ελλοχεύει ο κίνδυνος το µόριο να δράσει προοξειδωτικά, σε πολύ χαµηλές τιµές BDE ή/και Ε i, οπότε χρειάζονται κάποιοι δέκτες ώστε να αυξήσουν τις τιµές (αυτό συµβαίνει γιατί ισχύουν προσθετικοί κανόνες µεταξύ των φαινοµένων των υποκαταστατών, βλ Κεφ 423) Σε γενικές γραµµές µπορεί να θεωρηθεί, πως για µεγάλες αρνητικές τιµές BDE και µικρές (αρνητικές) τιµές E i, ο µηχανισµός που επικρατεί είναι ο AT Αντίθετα, όταν υπάρχουν µεγάλες αρνητικές τιµές E i και µικρές (αρνητικές) τιµές

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 152 BDE, επικρατέστερος µηχανισµός είναι ο SET [69] Όµως η τάξη µεγέθους, του µικρού και του µεγάλου, είναι σχετική στην επιστήµη, γι αυτό πρέπει να ορίζονται για την κάθε περίπτωση Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγµα της α-τοκοφερόλης, επειδή για το µόριο αυτό παραµένει ανοικτό το ερώτηµα για το ποιος µηχανισµός επικρατεί [1] Συγκεκριµένα, οι Burton et al [70], µε πειραµατικό τρόπο, οδηγήθηκαν στο συµπέρασµα ότι επικρατεί ο ΗΑΤ Οι Pedulli et al [71] ανέκαθεν ισχυρίζονταν πως ο ΗΑΤ είναι ο επικρατέστερος µηχανισµός Οι Njus και Kelly [72] διαφώνησαν ότι οι βιταµίνες Α και C δίνουν ένα υδρογόνο in vivo Οι Bisby και Parker [73] απέδειξαν πειραµατικά, τους ισχυρισµούς των Njus και Kelly Παρόλ αυτά οι Mukai et al [74] επιχειρηµατολόγησαν υπέρ του SET και σε πιο πρόσφατη εργασία τους προτείνουν έναν συνολικό µηχανισµό µεταφοράς φορτίου και πρωτονίου [75] Σύµφωνα λοιπόν, µε τη βιβλιογραφία οι υπολογιζόµενες κρίσιµες τιµές της τοκοφερόλης είναι BDE = 113 και E i = 361 kcal/mol [1] Έτσι, για τιµές BDE 10 kcal/mol και E i < 36 kcal/mol µπορεί να θεωρηθεί ότι ο κυρίαρχος µηχανισµός είναι ο ΗΑΤ Όσο µειώνεται η τιµή της E i τόσο περισσότερο αυξάνεται η κυριαρχία του SET και για E i 40 kcal/mol αρχίζει να αλλάζει ο επικρατέστερος µηχανισµός, που καταλήγει να είναι απόλυτα κύριος όταν E i > 45 kcal/mol [1] Στην περίπτωση που η τιµή BDΕ είναι µικρή (< 6 kcal/mol) µπορεί να θεωρηθεί πως επικρατέστερος µηχανισµός είναι ο SET για E i < 24 kcal/mol [69] Μια πολύ σηµαντική παράµετρος που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ο κίνδυνος της προοξειδωτικής δράσης Έτσι, για τιµές E i µικρότερες από 45 kcal/mol τα Ν- ανάλογα της α-τοκοφερόλης (6-ύδροξυ-5,7,8-τριµέθυλ-1,2,3,4-τετραυδρο-κινολίνη) [70] και 9-ύδροξυ-ζουλολοδίνη [76], αποδείχτηκαν άχρηστα ως αντιοξειδωτικά, λόγω της απευθείας αντίδρασής τους µε το ατµοσφαιρικό οξυγόνο (προοξειδωτική δράση) [77] Αυτό σηµαίνει πως ο µηχανισµός SET, όταν λαµβάνει χώρα σε τόσο χαµηλές τιµές E i, είναι ανεπιθύµητος Απ όλη την παραπάνω συζήτηση θα πρέπει να σηµειωθεί πως τα όρια των τι- µών δεν είναι αυστηρά διευθετηµένα Έτσι, για το χαρακτηρισµό του κυρίαρχου µηχανισµού γίνονται δεκτές αποκλίσεις ± 2 kcal/mol για τη ΒDE και ± 4 kcal/mol για τη E i Επίσης, σηµαντική παράµετρος για να κυριαρχήσει ο µηχανισµός SET είναι η χαµηλή τιµή του ΒDE Τα συµπεράσµατα που µπορούν να εξαχθούν είναι τα εξής:

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 153 α) Στις περιπτώσεις που επικρατεί ο µηχανισµός SET, η ταχύτητά του χαρακτηρίζεται από το πρώτο επί µέρους στάδιο αποβολής ηλεκτρονίου, που χαρακτηρίζεται από το δυναµικό ιοντισµού E i β) Οι φαινόλες n-x-ar {(n = 2, 3, 4 και Χ = N 2, CF 3, CN, C, C (δέκτες)} δεν εµφανίζουν καµία αντιοξειδωτική δράση, µέσω οποιουδήποτε µηχανισµού γ) Οι ο-, µ- και π-µονοϋποκατεστηµένες φαινόλες µε την ενδιάµεση οµάδα των αλογόνων F, Cl, Br, επίσης δεν εµφανίζουν καµία αντιοξειδωτική δράση, µέσω οποιουδήποτε µηχανισµού δ) Οι 2-, 3- και 4-C 3 -Ar φαινόλες αν και εµφανίζουν αρνητικές τιµές BDE, λόγω της µικρής απόλυτης τιµής τους, δε µπορούν να χαρακτηριστούν ως µόρια µε αντιοξειδωτικές ιδιότητες ε) Ο υποκαταστάτης C 3 παρουσιάζει µέτρια δραστικότητα, όσον αφορά το µηχανισµό ΗΑΤ, σε περίπτωση όµως αντιοξειδωτικής του δράσης (ως τµήµα ενός µεγαλύτερου µορίου), ο µηχανισµός SET είναι πιο πιθανός, µετακινούµενοι από την ο- στη π-θέση στ) Η κατεχόλη (2-ΟΗ-Ar) ως ένωση, δεν χρησιµοποιείται ως αντιοξειδωτικό, λόγω τοξικότητας Παρόλ αυτά, η κατεχολική οµάδα είναι από τα πιο ενεργές στα αντιοξειδωτικά µόρια [78,79,80] Έτσι, λόγω των χαµηλών και ίσων περίπου τι- µών της BDE και E i, µπορεί να θεωρηθεί πως ακολουθείται ο µηχανισµός ΗΑΤ ζ) Στη µ- και π-θέση ο υποκαταστάτης ΟΗ δεν παρουσιάζει αντιοξειδωτικές ιδιότητες, επειδή ο σηµαντικός ib που υπάρχει στην ο-θέση δεν υφίσταται πια η) Ο υποκαταστάτης N 2 σε ο- και π-θέση δεσµεύει τις ελεύθερες ρίζες µέσω του µηχανισµού ΗΑΤ, ενώ στη µ- θέση µέσω του SET θ) Για την 2-ΝΜe 2 -Ar δεν µπορεί να απαντηθεί µε ασφάλεια ποιος µηχανισµός ακολουθείται Πιθανόν να επικρατεί ελαφρά ο SET ι) Για την 3-ΝΜe 2 -Ar επικρατέστερος µηχανισµός είναι ο SET µε σχεδόν ανύπαρκτο τον ΗΑΤ και κ) Για την 4-ΝΜe 2 -Ar επικρατέστερος µηχανισµός είναι ο SET, χωρίς όµως η τιµή E i να υπερβαίνει το όριο και να γίνεται η ένωση προοξειδωτική Θα πρέπει να σηµειωθεί, πως οι ποσοτικές τιµές που υπολογίστηκαν για όλους τους υποκαταστάτες έχουν ιδιαίτερη σηµασία, επειδή στη σχεδίαση των αντιοξειδω-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 154 τικών µορίων χρειάζονται διάφορες οµάδες, είτε ως επιβραδυντές είτε ως επιταχυντές της οξείδωσης 46 Μελέτη µερικών παραγώγων του βενζοϊκού οξέος Τα παράγωγα του βενζοϊκού οξέος ανήκουν στην κατηγορία των φυσικών (φαινολικών) αντιοξειδωτικών και ως εκ τούτου η µελέτη τους έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον Από το Kεφάλαιο 45 εξάγεται το συµπέρασµα, ότι ο µηχανισµός SET επικρατεί όταν υπάρχουν στο µόριο ισχυροί δότες, όπως N 2 Λόγω έλλειψης τέτοιων στα παράγωγα του βενζοϊκού οξέος που θα µελετηθούν, εξετάστηκε µόνο ο µηχανισµός ΗΑΤ και η φυσικοχηµική παράµετρος, ΒDE, που τον περιγράφει Σηµειώνεται, ότι οι υπολογισµοί των βενζοϊκών και των φαινυλοξικών οξέων πραγµατοποιήθηκαν µε το µοντέλο Β3LYP/6-31G+(d), ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση των αποτελεσµάτων τους µε εκείνα των κινναµωµικών οξέων [81] 461 Τα µόρια που µελετήθηκαν και οι δοµές τους Τα µόρια που επιλέχθηκαν για µελέτη είναι τα: π-υδροξυβενζοϊκό οξύ (35), 3,4- διυδροβενζοϊκό οξύ (πρωτοκατεχικό οξύ, protocatechuic acid, 36), 3-µεθοξυ-4- υδροξυβενζοϊκό οξύ (βανιλικό οξύ, vanillic acid, 37) και 3,5-διµεθοξυβενζοϊκό οξύ (συριγγικό οξύ, syringic acid, 38) Η πλήρης γνώση της γεωµετρίας των µητρικών ενώσεων και των ριζών τους, είναι αναγκαία για τη µελέτη της SAR Για το λόγο αυτό και λόγω της έλλειψης δο- µικών δεδοµένων για τα περισσότερα µόρια, εντοπίστηκαν στην PES και συζητούνται όλα ελάχιστα Για την εύκολη µελέτη των διαµορφοµερών, χαρακτηρίζονται ως Ζ τα µόρια στα οποία το υδρογόνο του φαινολικού ΟΗ βρίσκεται από την ίδια πλευρά (του βενζολικού δακτυλίου) µε το καρβονύλιο του C, ενώ ως Ε από την αντίθετη Επίσης, οι όροι syn και anti χαρακτηρίζουν τον προσανατολισµό των υποκαταστατών ( ΟΗ ή/και CΗ 3 ), σε σχέση µε το φαινολικό υδρογόνο Η τοποθέτηση των παραπάνω όρων σε αγκύλες δηλώνει ότι το µεθύλιο του CΗ 3 βρίσκεται εκτός του βενζολικού επιπέδου

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 155 8 7 4 1 C 9 5 3 11 12 10 C 35 36 3 C 3 C C C 3 C 37 38 Σχήµα 435 : οµές των οξέων: π-υδροξυβενζοϊκό (35), πρωτοκατεχικό (36), βανιλικό (37) και συριγγικό (38) 4611 π-υδροξυβενζοϊκό οξύ (35) Η µονοένυδρη [82] και η διµερής δοµή [83] του 35 έχουν µελετηθεί πειραµατικά και θεωρητικά [84] Και οι δύο δοµές Ε-35 και Ζ-35 υπολογίστηκαν επίπεδες, σε συµφωνία µε τα πειραµατικά και θεωρητικά δεδοµένα Αντίθετα µε τα πειραµατικά δεδοµένα, το δια- µορφοµερές Ζ-35 υπολογίστηκε ενεργειακά σταθερότερο (κατά 06 kcal/mol) Ο Wilberg [85] υπολόγισε την ενεργειακή διαφορά των Ζ και Ε, (<1 kcal/mol), βρίσκοντας πως το υδρογόνο ενός δότη (όπως το ΟΗ ), σε π-θέση ως προς το C, προσανατολίζεται προς την πλευρά του C= Επιλεγµένες γεωµετρικές παράµετροι της βελτιστοποιηµένης γεωµετρίας, µαζί µε τις διαθέσιµες πειραµατικές τιµές ακτίνων Χ και υπάρχουσες θεωρητικές δίνονται στον Πίνακα 424 Λόγω των αρκετών διαµορφοµερών που προκύπτουν για τα υπόλοιπα µόρια της οικογένειας (από την περιστροφή των οµάδων ΟΗ και C) ενδιαφέρον έχει να µελετηθεί και το ενεργειακό φράγµα περιστροφής των δύο βασικών αυτών οµάδων, ώστε να εξαχθούν συµπεράσµατα για την ευκολία ή µη της περιστροφής τους

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 156 Πίνακας 424 : Σύγκριση γεωµετρικών παραµέτρων της βελτιστοποιηµένης γεωµετρίας του Z-35 (η αρίθµηση δίνεται στο Σχήµα 435), µε πειραµατικές και θεωρητικές τιµές (µήκη δεσµών σε Å και γωνίας δεσµών σε ο ) Γεωµετρικοί παράµετροι C 1 C 2 C 2 C 3 C 3 C 4 C 4 C 5 C 5 C 6 C 1 C 6 C 1 C 9 C 9 10 C 9 11 11 12 C 4 7 7 8 C 1 C 6 C 5 C 6 C 5 C 4 C 3 C 4 C 5 C 6 C 1 C 2 c C 4 7 8 C 6 C 1 C 9 C 1 C 9 10 C 1 C 9 11 10 C 9 11 Z-35 Πειρ a Θεωρ b 1406 1390 1402 1403 1391 1403 1480 1219 1362 0975 1365 0971 1206 1197 1203 1192 1102 1184 1253 1132 1215 1393 1387 1394 1390 1386 1390 1475 1228 1322 0930 1357 0840 1208 1194 1205 1194 1120 1194 1232 1147 1221 1402 1391 1401 1402 1386 1405 1479 1216 1361 0975 1362 0970 a Πειραµατικά δεδοµένα από την [82] b Θεωρητικά δεδοµένα από την [84] c Η αντίστοιχη τιµή της γωνίας C 4 7 8 για το E-35 είναι 1103 o Η περιστροφή των οµάδων ΟΗ και C έδωσε ενεργειακά µέγιστα στις 92 o και 89 o, αντίστοιχα, για τις δίεδρες γωνίες (C 3 C 4 7 8 ) και (C 2 C 1 C 9 10 ) και αντίστοιχες τιµές ενεργειακών φραγµάτων, 38 και 75 kcal/mol (βλ Σχήµα 436) Όπως αναµενόταν [86] οι τιµές για τις ίδιες οµάδες που υπολογίστηκαν µε βάση την ηµιε- µπειρική µέθοδο AM1 (Austin Model 1) ήταν 50% χαµηλότερες (23 και 27 kcal/mol, αντίστοιχα) από τα αποτελέσµατα της DFT Η τιµή που προέκυψε στο επίπεδο MP2/6-311++G(d,p) για την περιστροφή του ΟΗ είναι 26 kcal/mol [85] Επιπλέον, η διαθέσιµη θεωρητική τιµή για την περιστροφή C 1 C 9 στο ανιόν του π-αιθυλοβενζοϊκού οξέος είναι 59 kcal/mol [87]

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 157 Ζ-35-g-C : -496040-496044 (hartree) -496048-496052 -496056 75 kcal/mol 38 kcal/mol -496060 0 30 60 90 120 150 180 Ζ-35 θ ( ο ) Ε-35 Ζ-35-g- : Σχήµα 436 : ιάγραµµα δυναµικής ενέργειας της περιστροφής του ( ) και C ( ) του π-υδροξυβενζοϊκού οξέος (35)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 158 Για την περίπτωση της περιστροφής C 1 C 9 τα ενεργειακά ελάχιστα βρίσκονται για θ = 0 ο, 180 ο και 360 ο (δεν εµφανίζονται στο διάγραµµα), που αντιστοιχούν στην επίπεδη διαµόρφωση του µορίου Αυτές οι διαµορφώσεις σταθεροποιούνται, λόγω συζυγιακών φαινοµένων, αφού επιτρέπουν τη διάχυση του π-συστήµατος του δακτυλίου και στο C Όταν ο δεσµός C 1 C 9 είναι 90 ο παύει να υπάρχει η σταθεροποίηση λόγω συζυγίας, αφού το συζυγιακό π-σύστηµα είναι κάθετο στο C Το ενεργειακό φράγµα των 75 kcal/mol που προκύπτει µε την περιστροφή, οφείλεται ακριβώς σε αυτή την έλλειψη της ενέργειας συντονισµού αλλά και στις π-απώσεις Σηµειώνεται ότι το διαµορφοµερές Ζ-35 (ολικό ελάχιστο) για θ = 0 ο µετατρέπεται στο Ε-35 (τοπικό ελάχιστο) µε µια περιστροφή 180 ο του δεσµού C 1 C 9 και µε επιπλέον περιστροφή 180 ο προκύπτει ξανά το Ζ-35 Όµοια το Ζ-35 µετατρέπεται στο Ε-35 µε µια περιστροφή 180 ο του δεσµού C 4 Ο 7 Το ενεργειακό φράγµα στην περίπτωση περιστροφής του ΟΗ είναι αρκετά χαµηλότερο και οφείλεται, πιθανότατα, µόνο στις π-απωστικές αλληλεπιδράσεις του αρωµατικού δακτυλίου µε το µονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων του οξυγόνου 4612 Πρωτοκατεχικό οξύ (36) Στην PES για το 36, εντοπίστηκαν έξι επίπεδα διαµορφοµερή (Σχήµα 437) Ολικό ελάχιστο είναι το Z-36-syn5, το οποίο είναι σταθερότερο από τα E-36-anti5 και E-36-syn5, κατά 11 and 43 kcal/mol, αντίστοιχα Επιπλέον, είναι σταθερότερο κατά 04, 10 και 46 kcal/mol από τα E-36-anti3, Z-36-syn3 and Z-36-anti3, αντίστοιχα, που προκύπτουν µε περιστροφή κατά 180º, γύρω από τον απλό δεσµό C- C Η δοµή του ολικού ελάχιστου βρίσκεται σε άριστη συµφωνία µε το φαινόµενο του υποκαταστάτη που παρατηρεί ο Wilberg [85], που θεωρεί ότι οι δότες, όπως το ΟΗ σε µ-θέση του 3,4-διυδροξυβενζοϊκού οξέος, βρίσκονται στην ίδια πλευρά µε το C= του C

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 159 E-36 Z-36 36-anti3 36-syn5 Η (kcal/mol) 93 87 87 85 36-anti5- Z--36 36-syn3- E--36 05 05 02 Z-36-anti3 E-36-syn5-727 - 737 46 43 E-36-anti5 Z-36-syn3 E-36-anti3 Z-36-syn5 11 10 04 Σχήµα 437 : Ενεργειακό διάγραµµα και δοµές των διαµορφοµερών του πρωτοκατεχικού οξέος (36) και των παραγόµενων ριζών του 4613 Βανιλικό οξύ (37) Όπως και στο 36, έξι τοπικά ελάχιστα εντοπίστηκαν στην PES για το 37 Σε αντίθεση όµως, µε το 36 (και το 35) υπάρχουν και δύο µη επίπεδες δοµές οι E-37- [anti5] και Z-37-[syn3] (Σχήµα 438), στις οποίες το CΗ 3 βρίσκεται εκτός επιπέδου κατα 696º and 691º, αντίστοιχα Τα διαµορφοµερή E-37-syn5, E-37-[anti5], E-37-anti3, Z-37-anti3 and Z-37-[syn3] βρίσκονται αντίστοιχα 47, 65, 04, 49 και 64 kcal/mol, ενεργειακά ψηλότερα από το ολικό ελάχιστο, Z-37-syn5

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 160 Η kcal/mol anti3-37 syn5-37 anti5-37 syn3-37 07 06 02 E-37-[anti5] Z-37-[syn3] - 815 Z-37-anti3 E-37-syn5-811 65 64 49 47 E-37-anti3 Z-37-syn5 04 Σχήµα 438 : Ενεργειακό διάγραµµα και δοµές των διαµορφοµερών του βανιλικού οξέος (37) και των παραγόµενων ριζών του 4614 Συριγγικό οξύ (38) Τέσσερα ελάχιστα εντοπίστηκαν για το 38 στην PES Όπως και το 37, το 38 έχει δύο µη επίπεδα διαµορφοµερή το E-38-anti3-[anti5] και το Z-38-[syn3]-syn5, στα οποία τα C 3 είναι κατά 658º and 654º εκτός του βενζολικού επιπέδου, α- ντίστοιχα (Σχήµα 439) Σηµειώνεται πως έγιναν προσπάθειες για τον εντοπισµό των επίπεδων δοµών των E-38-anti3-[anti5] ή/και Z-38-[syn3]-syn5, ξεκινώντας τη βελτιστοποίηση από πλήρως επίπεδες δοµές, αλλά τελικά προέκυψαν πάλι τα µη επίπεδα µόρια Το Z-38-anti3-syn5 είναι πιο σταθερό κατά 01, 12 και 16 kcal/mol, αντίστοιχα από τα E-38-anti3-syn5, Z-38-[syn3]-syn5 και E-38-anti3-[anti5]

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 161 38-syn3-anti5 Η kcal/mol 38-anti3-anti5 38-syn3-syn5 38-anti3-syn5 17 05 01 E-38-anti3-[anti5] Z-38-[syn3]-syn5-775 - 776 E-38-anti3-syn5 Z-38-anti3-syn5 16 12 01 Σχήµα 439 : Ενεργειακό διάγραµµα και δοµές των διαµορφοµερών του συριγγικού οξέος (38) και των παραγόµενων ριζών του 4615 Παραγόµενες ρίζες Οι ρίζες που προκύπτουν από την οµολυτική σχάση του χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής, επειδή, όπως έχει αποδειχτεί στο Κεφ 42, παίζουν κυρίαρχο ρόλο στη διαµόρφωση της τελικής τιµής της BDE Ως εκ τούτου, η γνώση των δοµών και των σχετικών ενεργειών τους (ενθαλπιών για την ακρίβεια, Η) αποτελεί µια χρήσιµη πληροφορία για την εξήγηση της SAR των αντιοξειδωτικών ενώσεων Για το 35 προκύπτει µόνο µία ρίζα, λόγω συµµετρίας Αντίθετα, εντοπίζονται οκτώ τοπικά ελάχιστα για τη ρίζα που προκύπτει από το 36 και τέσσερα για τη ρίζα του 37 και του 38 Τα ολικά ελάχιστα των ριζών όλων των ενώσεων που µελετούνται, δίνονται στα Σχήµατα 437, 438 και 439 Στο σύνολο των ολικών ελάχιστων είτε για τις µητρικές ενώσεις είτε για τις ρίζες, οι υποκαταστάτες είναι συνεπίπεδοι µε το βενζολικό δακτύλιο, ως αποτέλεσµα της τάσης για µεγαλύτερη δυνατή συζυγία Όλες οι µητρικές ενώσεις παρουσιάζουν περίπου ίσα µήκη C C στο βενζολικό δακτύλιο, ενώ όλες οι ρίζες παρου-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 162 σιάζουν κινοειδή δοµή Επιπλέον, το µήκος του δεσµού C της ρίζας παρουσιάζει µια σηµαντική ελάττωση 0,12 Å, σε σχέση µε τις µητρικές ενώσεις Οι τιµές που προέκυψαν µεταβάλλονται από 1239 µέχρι 1261 Å υποδηλώνοντας ένα σηµαντικό ποσοστό ύπαρξης διπλού δεσµού [88,81,3] Τα ίδια χαρακτηριστικά εντοπίστηκαν επίσης και στην περίπτωση των κινναµωµικών οξέων [81] Η δηµιουργία ενδοµοριακού δεσµού υδρογόνου για τα αντιοξειδωτικά 36, 37 και 38 (Ζ διαµορφοµερή), επαληθεύεται και από τις διαφορές στα µήκη και τις γωνίες δεσµών, γεγονός που παρατηρήθηκε και σε προγενέστερες εργασίες [88,81,89] Το σχεδόν ταυτόσηµο µήκος δεσµού Ο Η (0970-0974 Å), που προέκυψε για όλες τις υπό µελέτη ενώσεις, υποδηλώνει πως το µήκος Ο Η δεν αποτελεί µοριακό δείκτη αντιοξειδωτικής δράσης για τα βενζοϊκά οξέα 462 Η Αντιοξειδωτική δράση των παραγώγων του βενζοϊκού οξέος Η αντιοξειδωτική δράση των βενζοϊκών οξέων, όπως αναφέρθηκε, χαρακτηρίζεται από την τιµή της φυσικοχηµικής παραµέτρου BDE Στον Πίνακα 425 δίνονται οι τιµές ΒDE των σταθερότερων ζευγών µητρικής ένωσης/ρίζας (βλ και Σχή- µατα 437, 438 και 439) όπως επίσης και οι τιµές των αντίστοιχων ζευγών, που υπάρχουν στη βιβλιογραφία [81] για τα κινναµωµικά οξέα (Ar C=C C), για σύγκριση Αξίζει να σηµειωθεί πως τα δύο φαινολικά ΟΗ που υπάρχουν στο δακτύλιο του 36, λόγω της ύπαρξης του C (αντίθετα µε την περίπτωση της κατεχόλης) δεν είναι ισότιµα Έτσι, µπορούν να προκύψουν δύο διαφορετικές ρίζες µια από το 4-ΟΗ και µία από το 3-ΟΗ Οι υπολογισµοί έδειξαν πως σταθερότερη ρίζα είναι αυτή που προκύπτει από το 3-ΟΗ (Σχήµα 437) Αυτό σηµαίνει ότι (για την αέρια φάση που µελετάται) η απόσπαση θα γίνει από την 3-θέση και πως ο εκάστοτε υ- ποκαταστάτης νοείται σε µ-θέση ως προς τη ρίζα και θα εισάγει µόνο το επαγωγικό του φαινόµενο στο δακτύλιο και όχι το συζυγιακό Για την περίπτωση του C η διαφορά είναι µικρή διότι το συζυγιακό φαινόµενο του είναι µικρό (R + = 011), γι αυτό άλλωστε και δεν αλλάζει δραστικά η τιµή BDE (737 για τη 3-Ο και 739 για την 4-Ο ) Παρόλ αυτά, η µελέτη θα πρέπει να γίνεται πάντοτε µε προσοχή Σηµειώνεται ότι η µελέτη των ενεργειακών φραγµάτων των οµάδων ΟΗ και C που προηγήθηκε επιτρέπει την υπόθεση πως σε θερµοκρασία δωµατίου

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 163 και κατά τη διάρκεια της οµολυτικής σχάσης, η ρίζα που παράγεται µπορεί να γυρίσει στη σταθερότερη δοµή της, η οποία µπορεί να διαφέρει από την αντίστοιχη της µητρικής ένωσης Αυτό συµβαίνει, επειδή τα φράγµατα περιστροφής δεν είναι τόσο µεγάλα Έτσι, η επιλογή της παραγόµενης ρίζας για τον υπολογισµό της BDE γίνεται ανεξάρτητα από το αν η δοµή της ανταποκρίνεται στην αντίστοιχη της µητρικής ένωσης από την οποία προήλθε (βλ Σχήµατα 437, 438 και 439) Πίνακας 425 : Θεωρητικές τιµές BDE για τα παράγωγα του βενζοϊκού οξέος και σύγκριση µε τα αντίστοιχα κινναµωµικά (όλες οι τιµές kcal/mol) Βενζοϊκά οξέα BDE a BDE b BDE c [BDE] d BDE e {BDE} f {BDE} g 35 824 823 782 42 796 27-15 36 737 30 739 h 727 697 42 709 18-12 37 811 815 786 29 794 21-08 38 776 775 738 37 757 18-19 36 814 i 784 31 36 814 j 810 05 α Τιµές των σταθερότερων διαµορφοµερών b Τιµές των αντίστοιχων διαµορφοµερών µε τα κινναµω- µικά οξέα, c Τιµές των κινναµωµικών οξέων από την [81] d [ΒDE] = BDE b BDE c e BDE αντίστοιχων φαινολών (φαινόλη, κατεχόλη, γουαϊακόλη, συριγγόλη) f {ΒDE} = BDE b BDE e g {ΒDE} = BDE c BDE e h Η τιµή αντιστοιχεί στο ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας Z-36-syn5/Ε-Η- 36 (4-Ο ) i Η τιµή αντιστοιχεί στο ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας Ζ-36-syn3/Ε-Η-36 (4-Ο ) j Η τιµή αντιστοιχεί στο ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας Ζ-36-syn3/Z-36 (3-Ο ) Η αντιοξειδωτική σειρά δραστικότητας των βενζοϊκών οξέων που προκύπτει, µε βάση και τις δύο σειρές των θεωρητικών τιµών (Πίνακας 425), βρίσκεται σε συµφωνία µε πειραµατικά δεδοµένα σε λιποπρωτεΐνες χαµηλής πυκνότητας (lowdensity lipoproteins, LDL) [90], και σε φθίνουσα σειρά είναι: πρωτοκατεχικό (36) > συριγγικό (38) > βανιλλικό (37) π-υδροξυβενζοϊκό (35) Από τη σειρά δραστικότητας των ενώσεων που προέκυψε, µπορεί να εξαχθεί το συµπέρασµα, ότι η εισαγωγή ενός δεύτερου ΟΗ (δότης) σε µ-θέση, αυξάνει την αντιοξειδωτική δράση της ένωσης i) σε σχέση µε τις µονοφαινόλες, επειδή οι δότες αυξάνουν την αντιοξειδωτική δράση και ii) σε σχέση µε τις ενώσεις που έχουν ένα ή δύο ΟC 3, λόγω της µη ύπαρξης iηβ (δηλαδή σταθεροποίησης) στη παραγόµε-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 164 νη ρίζα Σηµειώνεται πως το γεγονός αυτό παρατηρήθηκε και για τις φαινόλες χωρίς τρίτο υποκαταστάτη 22 463 Σύγκριση αντιοξειδωτικής δράσης βενζοϊκών και κινναµωµικών ο- ξέων Το γεγονός ότι η σειρά αντιοξειδωτικής δράσης δε µεταβάλλεται µε την επιλογή των αντίστοιχων µε τα κινναµωµικά, βενζοϊκών οξέων, καθιστά τη σύγκριση µεταξύ των δύο οικογενειών, αξιόπιστη Από τη σειρά δραστικότητας των βενζοϊκών και των κινναµωµικών οξέων παρατηρείται πως µεγαλώνοντας την ανθρακική αλυσίδα η σειρά δραστικότητας των αντίστοιχων ενώσεων κάθε οικογένειας δεν µεταβάλλεται Πιο συγκεκριµένα, το 3,4-διυδροξυβενζοϊκό οξύ και το 3,4-διυδροξυκινναµωµικό οξύ (καφεϊκό οξύ) είναι τα δραστικότερα οξέα και από τις δύο οικογένειες των αντιοξειδωτικών Ακολουθούν το 4-υδροξυ-3,5-διµεθοξυ-βενζολικό οξύ και το 4-ύδροξυ-3,5- διµεθοξυκινναµωµικό οξύ, και τέλος οι υπόλοιπες δύο ενώσεις της εκάστοτε οικογένειας Επιπρόσθετα, από τον Πίνακα 425 παρατηρείται πως το σύνολο των τιµών BDE των βενζοϊκών οξέων είναι µεγαλύτερο ( [BDE] 35 kcal/mol) από τις α- ντίστοιχες τιµές των κινναµωµικών, γεγονός που υποδηλώνει τη χαµηλότερη αντιοξειδωτική τους δραστικότητα Οι τιµές BDE και για τις δύο οικογένειες των αντιοξειδωτικών εξάγονται από επίπεδα µόρια, γεγονός που αποκλείει το γεγονός η στερεοχηµική παρεµπόδιση να είναι η αιτία της διαφοράς Η µοναδική δοµική διαφορά είναι η παρεµβολή της βινυλίδενο (αιθυλίδενο) οµάδας, CΗ=CΗ, η οποία µάλιστα συνδέεται απευθείας µε τον αρωµατικό δακτύλιο Η οµάδα αυτή επιτρέπει την λόγω συντονισµού καλύτερη σταθεροποίηση της ρίζας, που καθορίζει κυρίως την τελική τιµή BDE, µε αποτέλεσµα την ελάττωση της τιµής της Επιπλέον, και οι δύο ανθρακικές αλυσίδες ως υποκατάστατες, είναι δέκτες και ως εκ τούτου αυξάνουν τη τιµή της BDE (σε σχέση µε τη µη υποκατεστηµένη φαινόλη) Όπως αναφέρθηκε, οι δέκτες δεν είναι κατάλληλοι για αύξηση της αντιοξειδωτικής δράσης Παρόλ αυτά, το C είναι πιο ισχυρός δέκτης, σε σχέση µε το C=C C Η διαφορά στην ισχύ εξάγεται από τις τιµές των παραµέτρων ammett σ p 22 Στις φαινόλες, λόγω έλλειψης τρίτου υποκαταστάτη, η θέση υποκατάστασης ως προς το φαινολικό ΟΗ είναι πλέον όρθο

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 165 των ανάλογων υποκαταστατών 23, σ p (CΕt) = 045 και σ p (C=C CEt) = 003 Η επίδραση του ηλεκτρονιακού φαινοµένου της ανθρακικής αλυσίδας γίνεται πιο ορατή, µε βάση τις αντίστοιχες τιµές {BDE} µεταξύ των δύο οικογενειών των αντιοξειδωτικών και των αντίστοιχων φαινολών χωρίς ανθρακική αλυσίδα (φαινόλη, κατεχόλη, γουαϊακόλη και συριγγόλη) Οι τιµές {BDE} για τα βενζοϊκά οξέα είναι θετικές, γεγονός που δείχνει ότι το C ελαττώνει την αντιοξειδωτική τους δράση (βλ Πίνακα 425) Αντίθετα, οι τιµές {BDE} για τα κινναµωµικά είναι αρνητικές Το συµπέρασµα που εύκολα εξάγεται είναι, πως η εξάλειψη της βινυλίδενο οµάδας από το C=C C είναι ανεπιθύµητη, γιατί ελαττώνει την αντιοξειδωτική δράση των φαινολικών ενώσεων Οι Natella et al [90], κατέληξαν στο ίδιο συµπέρασµα, µελετώντας πειραµατικά τα ίδια (τέσσερα) παράγωγα του βενζοϊκού και του κινναµωµικού οξέος Για το δραστικότερο φαινολικό αντιοξειδωτικό των βενζοϊκών οξέων, το πρωτοκατεχικό οξύ, έχει ενδιαφέρον να µελετηθεί η ποσοτική σταθεροποίηση /απόσταθεροποίηση που επιφέρει η εξάλειψη της βινυλίδενο οµάδας (σε σχέση µε το σταθερότερο καφεϊκό οξύ), µε βάση δύο ισοδεσµικές αντιδράσεις Η αντίδραση (R 41) αναφέρεται στη µητρική ένωση (σε σχέση µε το σταθερότερο καφεϊκό οξύ) -03 C C C + C C + C C C (R 41) και η (R 42) στη ρίζα (σε σχέση µε τη σταθερότερη ρίζα του καφεϊκού οξέος) 39 C C C + C C + C C C (R 42) Η εξίσωση (R 41) έχει τιµή Η = 03 kcal/mol, ενώ η (R 42) Η = 39 kcal/mol Το γεγονός αυτό σηµαίνει ότι η εξάλειψη της βινυλίδενο οµάδας από το καφεϊκό οξύ σταθεροποιεί κατά 03 και αποσταθεροποιεί κατά 39 kcal/mol τη µητρική ένωση και τη ρίζα, αντίστοιχα Στο Σχήµα 440 δίνεται εποπτικά, η επίδραση της βινυλίδενο οµάδας 23 Λόγω του ότι σ p (CΗ) = σ p (CΕt) = 045, µπορεί να θεωρηθεί µε ασφάλεια, πως η τιµή σ p (C=C=CEt) = 003 θα µπορούσε ν αντιστοιχηθεί (αν όχι απόλυτα µε µεγάλη ακρίβεια) στην τιµή σ p (C=C=CΗ), η οποία δεν υπάρχει

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 166 Η C Η C < Η B 39-03 [BDE] = - 42 Σχήµα 440 : Επίδραση της βινυλίδενο αλυσίδας στη σταθερότητα της µητρικής ένωσης και της ρίζας (όλες οι τιµές σε kcal/mol) Επίσης, µε βάση τις ισοδεσµικές αντιδράσεις (R 43) και (R 44) µπορεί να δοθεί ποσοτικά η σταθεροποίηση που επιφέρει στη µητρική ένωση της κατεχόλης το C και η αποσταθεροποίηση στη ρίζα -17 + C C + (R 43) 10 + C C + (R 44) Η αποσταθεροποίηση των παραγόµενων ριζών µπορεί να επιβεβαιωθεί και από τις τιµές spin του φαινολικού Ο Στο Σχήµα 441 δίνονται οι υπολογισµένες τιµές spin για τα βαριά άτοµα επιλεγµένων ριζών παραγώγων του βενζοϊκού οξέος Όπως παρατηρείται, οι τιµές του spin των οξυγόνων του C είναι σχεδόν µηδενικές, οπότε το spin εντοπίζεται κυρίως, στο δακτύλιο και στο Ο Αντίθετα, στα κινναµωµικά οξέα το spin Ο διαχέεται και στο βινυλιδενικό σύστηµα [81] σε όλες τις αντίστοιχες ρίζες, µε αποτέλεσµα να σταθεροποιούνται περισσότερο Το ΗΟΜΟ έχει στο παρελθόν αποτελέσει δείκτη αντιοξειδωτικής δραστικότητας Όσο χαµηλότερη ενεργειακά είναι η ιδιοτιµή του τόσο χαµηλότερη η αντιοξειδωτική δράση της ένωσης [81,88] Οι ιδιοτιµές M που υπολογίστηκαν είναι 02498, 02389, 02355 και 02229 hartree αντίστοιχα, για τα σταθερότερα διαµορφοµερή των 35, 36, 37 και 38, οδηγώντας σε λανθασµένη σειρά δραστικότητας: 38 > 37 > 36 > 35 Συγκεκρι- µένα, ενώ για τη λιγότερο δραστική ένωση 35 πραγµατικά η τιµή ΗΟΜΟ είναι η χαµηλότερη, για την πιο δραστική 36, η τιµή ΗΟΜΟ είναι η δεύτερη χαµηλότερη, αντί για την πρώτη υψηλότερη

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 167 036-021 001-014 000 031-012 -004-002 -003 041 (033) 043 034-021 041 (039) 029-008 006 030-015 -017 037 007 000 000 000 032 (029) 010 033 018-011 C 3 008-016 001 031-010 -003 034 034 (030) 037 027-016 006 008 036 (031) 033-016 -009 037 025-017 35-r 36-syn3-36-anti3-001 007 (032) 3 C 024 030 C 3-006 -015-019 Z-36 37-anti3 38-anti3-anti5 005 000 000 009 001-003 031 007 001-002 005 Σχήµα 441 : Τιµές spin επιλεγµένων ριζών παραγώγων του βενζοϊκού οξέος Σε παρένθεση δίνονται οι τιµές spin των αντίστοιχων κινναµωµικών οξέων από την [81] Παρόλ αυτά, µε την εξαίρεση των αντίστοιχων οξέων συριγγικού και σιναπινικού 24 (4-υδροξυ-3,5-διµεθοξυκινναµωµικό οξύ) οι ιδιοτιµές M των κιννα- µωµικών [81] είναι µεγαλύτερες από αυτές των βενζοϊκών, σε συµφωνία µε τις πειραµατικές και θεωρητικές σειρές αντιοξειδωτικής δράσης για τα τρία από τα τέσσερα µόρια Συνολικά, λοιπόν, µπορεί να ειπωθεί πως οι ιδιοτιµές ΗΟΜΟ δεν είναι κατάλληλοι µοριακοί δείκτες της αντιοξειδωτικής δράσης, τουλάχιστον αυτών των δύο οικογενειών των αντιοξειδωτικών Ο Zhang µε ανάλογη θεωρητική µελέτη κατέληξε στη ίδια παρατήρηση [91] 47 Μελέτη µερικών παραγώγων του φαινυλοξικού οξέος Τα φαινυλοξικά οξέα ανήκουν και αυτά στην κατηγορία των φυσικών (φαινολικών) αντιοξειδωτικών και αποτελούν µια εύλογη επιλογή για τη συνέχεια της µελέτης Η αύξηση της ανθρακικής αλυσίδας κατά µια µεθυλενοµάδα (-C 2 -), σε 24 Η διαφορά των ιδιοτιµών ΗΟΜΟ συριγγικού και σιναπινικού οξέος είναι πολύ µικρή (00007 hartree)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 168 σχέση µε τα βενζοϊκά, είναι λογικό επακόλουθο για τη συστηµατική µελέτη της SAR, επειδή µε την αύξηση αυτή, µπορούν να εξαχθούν συµπεράσµατα για τη µεταβολή της αντιοξειδωτικής δράσης, λόγω της, εκ των πραγµάτων µεγαλύτερης απόστασης του C από το δακτύλιο (και κατ επέκταση από το αποσπώµενο Η ) Λόγω i) του ότι στο µόριο δεν υπάρχουν αµινοµάδες και γενικά δότες και ii) των πολύ καλών αποτελεσµάτων που προέκυψαν για τα βενζοϊκά οξέα, η µελέτη των παραγώγων του φαινυλοξικού οξέος θα επικεντρωθεί στο µηχανισµό ΗΑΤ και στη φυσικοχηµική παράµετρο που τον περιγράφει, τη ΒDE 471 Τα µόρια που µελετήθηκαν και οι δοµές τους Τα µόρια που επιλέχθηκαν για µελέτη είναι τα ανάλογα των βενζοϊκών: π- υδροξυφαινυλοξικό οξύ (39), 3,4-διυδροφαινυλοξικό οξύ (οµοπρωτοκατεχικό οξύ, homoprotocatechuic acid, 40), 3-µεθοξυ-4-υδροξυφαινυλοξικό οξύ (οµοβανιλικό οξύ, homovanillic acid, 41) και 3,5-διµεθοξυφαινυλοξικό οξύ (οµοσυριγγικό οξύ, homosyringic acid, 42) 3 8 7 4 1 C 2 5 9 C 10 12 13 C 2 C 11 39 40 3 C 3 C C 2 C C 2 C 3 C 41 42 Σχήµα 442 : οµές των οξέων : π-υδροξυφαινυλοξικό (39), οµοπρωτοκατεχικό (40), οµοβανιλικό (41) και οµοσυριγγικό (42) Τα φαινυλοξικά, σε αντίθεση µε τα βενζοϊκά οξέα, λόγω του sp 3 υβριδισµού του C 9, παρουσιάζουν τρισδιάστατη δοµή, µε το C να βρίσκεται εκτός του

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 169 επιπέδου του βενζολικού δακτυλίου Για το λόγο αυτό, η µελέτη των δοµών των διάφορων διαµορφοµερών παρουσιάζει ένα επιπλέον ενδιαφέρον Για το οµοπρωκατεχικό και το οµοβανιλικό οξύ υπάρχουν κρυσταλλογραφικά δεδοµένα και µπορεί να επιχειρηθεί κάποια σύγκριση Σηµειώνεται πως για όλα τα µόρια εντοπίστηκαν και µελετήθηκαν στην PES, όλα τα τοπικά και ολικά ελάχιστα 4711 π-υδροξυφαινυλοξικό οξύ (39) Λόγω της τρισδιάστατης δοµής του, το 39 (αλλά και για όλα τα υπόλοιπα φαινυλοξικά παράγωγα) εντοπίστηκε τοπικό ελάχιστο (gauche-39) στο οποίο η δίεδρη γωνία C 1 -C 9 -C 10-11 είναι 74 ο, µε το οξυγόνο του C=Ο να έχει προσανατολισµό cis σε σχέση µε το δακτύλιο ( Η = 03 kcal/mol) Kρυσταλλογραφικά δεδοµένα για το (µη υποκαταστηµένο) φαινυλοξικό οξύ επαληθεύουν τη δοµή αυτή [92] To ολικό ελάχιστο Ζ-39 υπολογίστηκε ενεργειακά σταθερότερο κατά την ίδια ποσότητα µε αυτή των αντίστοιχων βενζοϊκών οξέων (06 kcal/mol) (Ζ-39) (g-39) Σχήµα 443 : ιαµορφοµερή του π-υδροξυφαινυλοξικού οξέος (39) 4712 Οµοπρωτοκατεχικό οξύ (40) Λόγω του sp 3 υβριδισµού του C 9, εκτός από τα έξι (αντίστοιχα των βενζοϊκών) διαµορφοµερή εντοπίστηκαν και τα gauche διαµορφοµερή στην PES για το 40 Το ολικό ελάχιστο είναι το (αντίστοιχο του βενζοϊκού) Z-40-syn5, το οποίο είναι σταθερότερο από τα E-40-anti5 και E-40-syn5, αντίστοιχα κατά 05 and 43 kcal/mol Επιπλέον, είναι σταθερότερο αντίστοιχα κατά 04, 04 και 45 kcal/mol από τα E-40-anti3, Z-40-syn3 and Z-40-anti3, που προκύπτουν µε περιστροφή κατά 180º γύρω από τον απλό δεσµό C-C (Σχήµα 444) Όλα τα gauche διαµορφο-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 170 µερή (το C=Ο είναι cis ως προς το δακτύλιο), τόσο για τη µητρική ένωση όσο και για τη ρίζα, βρίσκονται ουσιαστικά στο ίδιο ενεργειακό επίπεδο ( Η < 01 kcal/mol) µε το αντίστοιχο µη-gauche µόριο Έτσι, ανεξάρτητα αν υπάρχουν στην PES, στο Σχήµα 444 δίνεται για εργονοµικούς λόγους, µόνο το g-40-3 E-40 Z-40 40-anti3 40-syn5 Η kcal/mol 96 92 90 87 Z--40 E--40 40-anti5-40-syn3- Z-40-anti3 E-40-syn5 05 03 01-714 g-40-3 E-40-anti5 E-40-anti3 Z-40-syn3-711 Z-40-syn5 45 43 06 05 04 04 Σχήµα 444 : Ενεργειακό διάγραµµα και δοµές των διαµορφοµερών του οµοπρωτοκατεχικού οξέος (40) και των παραγόµενων ριζών του Η δοµή του ολικού ελάχιστου βρίσκεται σε συµφωνία µε το ότι το ΟΗ ως δότης σε µ-θέση βρίσκεται από την πλευρά του C= του C Παρόλ αυτά, κρυσταλλογραφικά δεδοµένα [93] της διµερούς µορφής του µορίου έδειξαν ως σταθερότερο διαµορφοµερές το Z-40-syn3, στο οποίο σχηµατίζεται δεσµός υδρογόνου από το ΟΗ της 3- και όχι της 4-θέσης

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 171 Η αντίθεση αυτή αποτέλεσε το έναυσµα για την σύγκριση του Η της 3- και της 4-θέσης των κατεχολικών παραγώγων των φαινυλοξικού αλλά και του βενζοϊκού οξέος Στον Πίνακα 426 δίνονται οι τιµές 4- Η intra και 3- Η intra για τα 40, 36, και της µη υποκαταστηµένης κατεχόλης (3), ως τιµή αναφοράς Πίνακας 426 : Σύγκριση της ισχύος των ενδοµοριακών δεσµών υδρογόνου Η intra που σχηµατίζονται από την 3- και 4-θέση του oµοπρωτοκατεχικού οξέος (40), του πρωτοκατεχικού οξέος (36) και της κατεχόλης (3) (όλες οι τιµές σε kcal/mol) Ενώσεις 4- Η intra 3- Η intra (4- Η intra ) a (3- Η intra ) b 3 42 42 36 (-CΟΟΗ) 44 36 02-05 40 (-C 2 -C) 43 41 01-01 a (4- Η intra ) = 4- Η intra (X) 4- Η intra (3) b (3- Η intra ) = 3- Η intra (X) 3- Η intra (3) X = 36 ή 40 Οι τιµές του Πίνακα 426 δείχνουν ότι ο 4- Η intra είναι ισχυρότερος από τον 3- Η intra και για τα δύο οξέα, γεγονός που ενισχύει την άποψη ότι το σταθερότερο διαµορφοµερές θα είναι αυτό που σχηµατίζει Η intra από την 4- και όχι από την 3- θέση, σε αντίθεση µε την πειραµατική πρόταση Σηµειώνεται βέβαια, ότι τα πειρα- µατικά δεδοµένα αφορούν τη διµερή µορφή του µορίου, που πραγµατοποιείται µέσω διαµοριακών δεσµών υδρογόνου µεταξύ των C και ίσως αυτός είναι ο κύριος λόγος της αντίθεσης που παρατηρήθηκε Επίσης, σε σχέση µε την κατεχόλη, παρατηρείται µικρή ισχυροποίηση του Η intra για την 4- και µικρή εξασθένηση στην 3-θέση Το γεγονός αυτό µπορεί να εξηγηθεί µε τη θεώρηση, ότι κατά τη δηµιουργία του 3- Η intra, το οξυγόνο της 4-θέσης, που σχηµατίζει ib, βρίσκεται σε συζυγία µε τον εκάστοτε δέκτη και έτσι απογυµνώνεται ηλεκτρονιακά, µε αποτέλεσµα να ελαττώνεται η ισχύς του δεσµού Το φαινόµενο αυτό, µάλιστα, είναι πιο έντονο στον ισχυρότερο δέκτη C Επιπλέον, επιφέρει τα αντίθετα αποτελέσµατα κατά τη δηµιουργία του 4- Η intra, αφού µε την ελάττωση της ηλεκτρονιακής πυκνότητας του οξυγόνου της 4-θέσης εξασθενεί ο δεσµός Ο-Η, µε έµµεσο αποτέλεσµα την (έστω και πολύ µικρή) ισχυροποίηση του 4- Η intra

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 172 4713 Οµοβανιλικό οξύ (41) Το σύνολο των gauche διαµορφοµερών του 41, βρίσκονται ουσιαστικά στο ί- διο ενεργειακό επίπεδο (εκφυλισµός) µε τα µη-gauche Το γεγονός αυτό επιτρέπει την ελαχιστοποίηση του αριθµού των υπολογιζόµενων δοµών, στα έξι αντίστοιχα τοπικά ελάχιστα του 37 Από αυτά στο E-41-[anti5] και στο Z-41-[syn3] το CΗ 3 βρίσκεται εκτός επιπέδου κατά 663º and 668º, αντίστοιχα µε προσανατολισµό trans ως προς το CΟΟΗ Τα διαµορφοµερή E-41-syn5, E-41-[anti5], E-37-anti3, Z-41-anti3 and Z-41-[syn3] βρίσκονται αντίστοιχα 46, 60, 04, 48 και 59 kcal/mol, ψηλότερα (στην επιφάνεια της δυναµικής ενέργειας) από το ολικό ελάχιστο, Z-41-syn5 Παρατηρείται δηλαδή, η ίδια ακριβώς ενεργειακή τοποθέτηση των διαµορφο- µερών στην PES, µε σχεδόν ίδια ενθαλπική απόσταση των τοπικών ελαχίστων από το ολικό, όπως τα αντίστοιχα βενζοϊκά 37 Ανάλογα, στις τέσσερις ρίζες, οι ενεργειακές διαφορές είναι µικρότερες από 1 kcal/mol µε σταθερότερη την syn3-41 και ασταθέστερη την anti3-41 ( = 10 kcal/mol) Σηµειώνεται πως κρυσταλλογραφικά δεδοµένα [94] δίνουν ως σταθερότερη δοµή την Z-41-gauche Αυτό, όµως, δεν έρχεται σε αντίθεση µε τα θεωρητικά αποτελέσµατα (σε αέρια φάση), διότι το gauche ελάχιστο έχει ίδια ενθαλπία µε το α- ντίστοιχο (ολικό ελάχιστο) non-gauche Ζ-40-syn5 Το ίδιο παρατηρήθηκε και για τη gauche µορφή της ρίζας, τη syn3-41 Έτσι, µπορεί να ειπωθεί, πως η ενέργεια που ανταποκρίνεται στο ολικό ελάχιστο της µητρικής ένωσης και της ρίζας, είναι διπλά εκφυλισµένη Z-41-syn5 syn3-41 Σχήµα 445 : Σταθερότερες δοµές της µητρικής ένωσης και της ρίζας του οµοβανιλικού οξέος (41)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 173 4714 Οµοσυριγγικό οξύ (42) Όπως και για τα προηγούµενα µέλη της οµάδας των φαινυλοξικών οξέων ό- λες οι gauche διαµορφώσεις που εντοπίστηκαν στην PES, είναι ασταθέστερες από τις αντίστοιχες non-gauche Γι αυτό το λόγο, η συζήτηση θα περιοριστεί στα 4 α- ντίστοιχα ελάχιστα διαµορφοµερή των βενζοϊκών Επίσης, όπως και το 41, έτσι και το 42 έχει δύο µη επίπεδα διαµορφοµερή το E-42-anti3-[anti5] και το Z-42-[syn3]-syn5, µε trans προσανατολισµό ως προς το CΟΟΗ, στα οποία τα C 3, βρίσκονται αντίστοιχα 623º και 619º, εκτός του βενζολικού επιπέδου Το Z-42-anti3-syn5 (Σχήµα 446) είναι πιο σταθερό, αντίστοιχα κατά 01, 07 και 12 kcal/mol από τα E-42-anti3-syn5, Z-42-[syn3]-syn5 και E-42-anti3-[anti5] Παρατηρείται λοιπόν, πως όχι µόνο τα διαµορφοµερή βρίσκονται µε την ίδια σειρά στην PES, όπως τα βενζοϊκά 38, αλλά και σε ακριβώς ίδια ενθαλπική απόσταση από το ολικό ελάχιστο Το γεγονός αυτό παρατηρήθηκε και για το 41 (σε σχέση µε το 37) και δείχνει πως ο προσανατολισµός των υποκαταστατών ( ΟΗ ή/και ΟCΗ 3 ) ως προς το C 2 -C, επιφέρει ακριβώς τις ίδιες ενεργειακές διάφορες µε αυτό του C Σηµειώνεται πως για το 42 δεν υπάρχουν κρυσταλλογραφικά δεδοµένα για να γίνει σύγκριση Τέλος, οι τιµές Η των διαµορφοµερών της ρίζας είναι επίσης µικρές ( Η <12 kcal/mol) Z-42-anti3-syn5 42-syn3-syn5 Σχήµα 446 : Σταθερότερες δοµές της µητρικής ένωσης και της ρίζας του οµοσυριγγικού οξέος (42)

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 174 472 Αντιοξειδωτική δράση παραγώγων των φαινυλοξικών οξέων Η αντιοξειδωτική δράση των φαινυλοξικών οξέων όπως και αυτή των βενζοϊκών θα σχολιαστεί µε βάση την τιµή της BDE Στον Πίνακα 427 δίνονται οι τιµές ΒDE των σταθερότερων ζευγών µητρικής ένωσης/ρίζας (βλ και Σχήµατα 443, 444, 445 και 446), όπως επίσης και οι τιµές των σταθερότερων ζευγών των βενζοϊκών οξέων και των φαινολών Υπενθυµίζεται, πως η επιλογή του σταθερότερου ζεύγους µητρικής ένωσης/ρίζας, ανεξάρτητα αν η τελευταία είναι ή όχι η αντίστοιχή της, θεωρείται σωστή, επειδή η θεωρητική µελέτη των ενεργειακών φραγµάτων περιστροφής των οµάδων ΟΗ και C έδειξε πως σε θερµοκρασία δωµατίου η περιστροφή είναι δυνατή Πίνακας 427 : Θεωρητικές τιµές BDE για παράγωγα του φαινυλοξικού οξέος και σύγκριση µε τα αντίστοιχα βενζοϊκά οξέα (όλες οι τιµές σε kcal/mol) Φαινυλοξικά BDE a οξέα BDE b [BDE] c BDE d {BDE} e {BDE} f 39 794 824-30 796-02 28 40 711 g 739 h -28-02 30 709 714 737-23 -05 27 41 786 811-25 794-08 17 42 751 776-25 757-06 19 α Τιµές των σταθερότερων διαµορφοµερών b Τιµές των σταθερότερων διαµορφοµερών των αντίστοιχων βενζοϊκών οξέων c [ΒDE] = BDE a BDE b d BDE των αντίστοιχων απλών φαινολών (φαινόλη, κατεχόλη, γουαϊακόλη, συρινγκόλη) e {ΒDE} = BDE a BDE d f {ΒDE} = BDE b BDE d g Η τιµή αντιστοιχεί στο ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας Z-40-syn5/Ε-Η-40 (4-Ο ) h Η τιµή αντιστοιχεί στο ζεύγος µητρικής ένωσης/ρίζας Z-36-syn5/Ε-Η-36 (4-Ο ) Η αντιοξειδωτική σειρά δραστικότητας των φαινυλοξικών οξέων που προκύπτει µε βάση τις τιµές BDE, βρίσκεται σε συµφωνία µε τα πειραµατικά δεδοµένα σε διάλυµα λιπιδίων [78], και σε φθίνουσα σειρά είναι: οµοπρωτοκατεχικό (40) > οµοσυριγγικό (42) > οµοβανιλικό (41) π- υδροξυφαινυλοξικό (39) Παρατηρείται λοιπόν, ότι και στα φαινυλοξικά οξέα, η ύπαρξη της κατεχολικής οµάδας αυξάνει την αντιοξειδωτική δράση των ενώσεων, σε σχέση µε τη µονοφαινόλη και τα µεθοξυ-υποκαταστηµένα παράγωγά της Αυτό οφείλεται στο ότι

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 175 το οµοπρωτοκατεχικό οξύ είναι η µοναδική ένωση που έχει τη δυνατότητα δη- µιουργίας iηβ, στην παραγόµενη ρίζα µετά την οµολυτική σχάση, γεγονός που τη σταθεροποιεί και αυξάνει την αντιοξειδωτική δράση της ένωσης 473 Σύγκριση αντιοξειδωτικής δράσης φαινυλοξικών και βενζοϊκών ο- ξέων Από τη µελέτη της σειράς δραστικότητας των φαινυλοξικών και βενζοϊκών οξέων παρατηρείται πως µε την προσθήκη ενός µεθυλενίου στην ανθρακική αλυσίδα, η σειρά δραστικότητας των αντίστοιχων ενώσεων κάθε οικογένειας δεν µεταβάλλεται Πιο συγκεκριµένα, τα οµοπρωτοκατεχικό και πρωτοκατεχικό είναι τα δραστικότερα οξέα και από τις δύο οικογένειες, µετά τα οµοσυριγγικό και συριγγικό, ακολουθούν οµοβανιλικό και βανιλικό και τέλος τα π-υδροξυφαινυλοξικό και π-υδροξυβενζοϊκό οξέα Σηµειώνεται ότι, ενώ η παρεµβολή της µεθυλενικής οµάδας δε διαφοροποιεί τη σειρά δραστικότητας των ενώσεων στην ίδια οικογένεια µεταβάλλει τη δραστικότητα του συνόλου της µιας οικογένειας, σε σχέση µε την άλλη Από τον Πίνακα 427 παρατηρείται ότι όλες οι τιµές BDE των φαινυλοξικών οξέων είναι µικρότερες ( [BDE] 26 kcal/mol) από τις αντίστοιχες τιµές των βενζοϊκών, γεγονός που υποδηλώνει την υψηλότερη αντιοξειδωτική τους δραστικότητα Σε αντιδιαστολή µε την επιπεδότητα βενζοϊκών και κινναµωµικών τα φαινυλοξικά δεν είναι επίπεδα µόρια, παρατήρηση που ίσως συνδέεται µε τη µεταβολή της αντιοξειδωτικής τους δράσης Όµως το C, δε βρίσκεται σε τέτοια απόσταση από τον βενζολικό δακτύλιο και κατ επέκταση από το αποσπώµενο Η (βλ Σχήµατα 243, 244, 245 και 246) που να δικαιολογεί κάποια στερεοχηµική παρεµπόδιση Η µοναδική διαφορά στη δραστικότητα των δύο οικογενειών προκύπτει από την εισαγωγή του µεθυλενίου ανάµεσα στο φαινολικό δακτύλιο και στο C Το µεθυλένιο είναι δότης (+I φαινόµενο), ενώ το C, δέκτης ( I, R) Το C και γενικότερα οι δέκτες επιφέρουν αρνητικά αποτελέσµατα, όσον α- φορά την αντιοξειδωτική δράση, λόγω αποσταθεροποίησης της παραγόµενης ρίζας Στα φαινυλοξικά οξέα, το µεθυλένιο, που µεσολαβεί, αντισταθµίζει την έλξη ηλεκτρονίων του CΗ, ελαττώνοντας τα ηλεκτρονιακά του φαινόµενα Έτσι, η πα-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 176 ραγόµενη ρίζα δεν αποσταθεροποιείται, µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η αντιοξειδωτική δράση του εκάστοτε οξέος Μελετώντας τις παραµέτρους Brown (δεν υπάρχουν παράµετροι ammett για το C 2 -C) των δύο ανθρακικών αλυσίδων παρατηρείται ότι η οξική οµάδα, δε µειώνει απλά το ηλεκτρονιακό φαινόµενο του καρβοξυλίου αλλά το µηδενίζει, σ + p (C 2 -CΗ) = 001 και σ + p (CΗ) = 042 Έτσι, εξηγείται η µείωση των τι- µών BDE στα φαινυλοξικά, σε σχέση µε τα βενζοϊκά οξέα Η επίδραση του ηλεκτρονιακού φαινοµένου της µεθυλενικής οµάδας µπορεί να γίνει ορατή και µε βάση τις τιµές {BDE} µεταξύ των δύο οικογενειών των αντιοξειδωτικών και των αντίστοιχων απλών φαινολών χωρίς ανθρακική αλυσίδα (φαινόλη, κατεχόλη, γουαϊακόλη και συριγγόλη) Οι τιµές {BDE} για τα σταθερότερα ζεύγη των φαινυλοξικών οξέων είναι αρνητικές, γεγονός που δείχνει ότι το CΗ 2 -C αυξάνει την αντιοξειδωτική τους δράση (βλ Πίνακα 427) Αντίθετα, οι τιµές {BDE} για τα βενζοϊκά είναι θετικές Η ποσοτική επίδραση της µεθυλενικής οµάδας στη µητρική ένωση και στη ρίζα του οµοπρωτοκατεχικού οξέος µπορεί να προκύψει, µέσω των ισοδεσµικών α- ντιδράσεων (R 45) και (R 46) C 14 + C 2 C C 2 C + C (R 45) -11 C C 2 + C C 2 C + C (R 46) Από την (R 45) εξάγεται τιµή Η =18 kcal/mol και από την (R 46) Η = 11 kcal/mol Το γεγονός αυτό σηµαίνει ότι η µεθυλενική οµάδα αποσταθεροποιεί κατά 18 και σταθεροποιεί κατά 11 kcal/mol αντίστοιχα τη µητρική ένωση και τη ρίζα Επιπλέον, µε βάση τις ισοδεσµικές εξισώσεις (R 47) και (R 48) µπορεί να εξαχθεί η ποσοτική σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της οξικής οµάδας στο ο- µοπρωτοκατεχικό οξύ, σε σχέση µε την κατεχόλη + C 2 C -03 C 2 C + (R 47) -01 C 2 + C C 2 C + (R 48) Από την (R 47) εξάγεται η τιµή Η = 03 kcal/mol και από την (R 48) Η = 01 Το γεγονός αυτό σηµαίνει ότι η οξική οµάδα επιφέρει πολύ µικρές ενερ-

Αποτελέσµατα-Συζήτηση 177 γειακές µεταβολές (σταθεροποιεί κατά 03 και 01 kcal/mol αντίστοιχα τη µητρική ένωση και τη ρίζα) Στο Σχήµα 447 δίνεται εποπτικά η επίδραση των υποκαταστατών C και C 2 -C στα δύο δραστικότερα µόρια (παράγωγα της κατεχόλης) των υπό µελέτη οικογενειών των αντιοξειδωτικών ενώσεων τιµή [BDE] που προκύπτει, είναι η διαφορά BDE µεταξύ των τιµών 739 kcal/mol 714 kcal/mol 10 [ΒDΕ] = 25 B > Ph < -17 03 Σχήµα 447 : Επίδραση των CΟΟΗ και C 2 -C στη σταθεροποίηση/αποσταθεροποίηση της µητρικής ένωσης και της ρίζας της κατεχόλης (όλες οι τιµές σε kcal/mol) Βιβλιογραφία 1 J S Wright, E R Johnson and G A DiLabio, J Am Chem Soc, 123, 1173 (2001) 2 T Fox and P A Kollman, J Phys Chem, 100, 2950 (1996) 3 J S Wright, D J Carpenter, D J McKay and K U Ingold, J Am Chem Soc, 119, 4245 (1997) 4 T Brinck, M aeberlein and M Jonsson, J Am Chem Soc 119, 4239 (1997) 5 G A DiLabio and J S Wright, Chem Phys Lett, 297, 181 (1998) 6 G A DiLabio, D A Pratt, A D LoFaro and J S Wright, J Phys Chem A, 103, 1653 (1999) 7 Μ I de eer, -G Korth and P Mulder, J rg Chem, 64, 6969 (1999) 8 G A DiLabio, D A Pratt and J S Wright, Chem Phys Lett, 311, 215 (1999)