Title
Strukturne i antioksidativne osobine hlorogenske kiseline
Creator
Tošović, Jelena, 1990-
Copyright date
2019
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Inventory ID
D-3253
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 01.03.2019.
Other responsibilities
mentor
Marković, Svetlana, 1959-
član komisije
Amić, Dragan.
član komisije
Petrović, Zorica, 1958-
član komisije
Dimitrić-Marković, Jasmina, 1965-
Academic Expertise
Prirodno-matematičke nauke
Academic Title
-
University
Univerzitet u Kragujevcu
Faculty
Prirodno-matematički fakultet
Publisher
Format
XIII, 153 lista
Abstract (sr)
Priložen rukopis jednim delom obuhvata ispitivanje strukturnih osobina, a
drugim delom ispitivanje antioksidativnog potencijala hlorogenske kiseline.
Posebna pažnja je usmerena ka termodinamičkom i kinetičkom ispitivanju
mehanizama antioksidativnog delovanja ovog jedinjenja.
Prvi deo istraživanja se odnosi na utvrđivanje najstabilnije konformacije
hlorogenske kiseline u gasovitoj fazi i u rastvoru upoređivanjem eksperimentalnih
IR, Raman, 1H-NMR, 13C-NMR i UV spektara sa spektrima simuliranim pomoću
teorije funkcionala gustine. Detaljnom konformacionom analizom je ustanovljeno da
hlorogenska kiselina postoji u obliku smeše različitih konformera. Zajednička
osobina svih ovih konformera je da se na hinskom delu molekula nalaze usmerene
vodonične veze, pri čemu je karboksilni kiseonik usmeren ka vodoniku iz susedne
hidroksilne grupe, a ne ka karboksilnom kiseoniku. Najstabilnija konformacija u
gasovitoj fazi poseduje O4–H4···O9’ vodoničnu vezu, dok najstabilniji konformer u
rastvoru poseduje O4–H4···O10’ vodoničnu vezu. U okviru ove doktorske disertacije
po prvi put su ispitani svi vibracioni oblici u IR spektru hlorogenske kiseline.
Eksperimentalno dobijeni Raman-ski i NMR spektri hlorogenske kiseline su u
saglasnosti sa postojećim rezultatima iz literature. Veoma dobro slaganje između
simuliranih i eksperimentalnih spektara ukazuje na to da su atomi u hlorogenskoj
kiselini pravilno raspoređeni.
Sledeći korak se odnosio na upoređivanje antioksidativne aktivnosti
hlorogenske kiseline sa antioksidativnom aktivnošću njena dva strukturna izomera
(neohlorogenska i kriptohlorogenska kiselina) i kafeinskom kiselinom. Iz tog
razloga su ispitivani termodinamički parametari: entalpija disocijacije veze (Bond
Dissociation Enthalpy, BDE), afinitet prema protonu (Proton Affinity, PA), entalpija
prenosa elektorna (Electron Transfer Enthalpy, ETE), jonizacioni potencijal
(Ionisation Potential, IP) i entalpija disocijacije protona (Proton Dissociation Enthalpy,
PDE), u rastvaračima različite polarnosti. Za potrebe izračunavanja
termodinamičkih parametara određene su entalpije solvatisanog protona i elektrona
u različitim rastvaračima pomoću različitih teorijskih metoda. Detaljno su
ispitani i radikali, anjoni i radikal katjoni koji nastaju iz kafeinske i
kafeoilhinskih kiselina. Osobine hidroksicimetnog dela u odgovarajućim
radikalima, anjonima i radikal katjonima su veoma slične i praktično ne zavise od
položaja esterifikacije. Hinski deo ostaje nepromenjen u svim novonastalim
reaktivnim vrstama. Posledica toga je da sve četiri fenolne kiseline imaju slične
vrednosti termodinamičkih parametara: BDE, PA, ETE, IP i PDE. Iz svega navedenog
je zaključeno da kafeinska i kafeoilhinske kiseline ispoljavaju veoma sličnu
antioksidativnu aktivnost. Isti ovi zaključci izvedeni su i iz eksperimenata, ali
do sada nisu imali uporište u hemijskoj teoriji.
Zatim je usledilo ispitivanje ponašanja hlorogenske kiseline u reakciji sa
slobodno radikalskim vrstama (DPPH•, HO• i O2 −•) pomoću ESR spektroskopije.
Izvedeni eksperimenti su pokazali da je hlorogenska kiselina selektivna prema
DPPH•, HO• i HOO•/O2−• radikalima.
Usledilo je i termodinamičko ispitivanje mogućih antioksidativnih
mehanizama (prenos vodonikovog atoma (Hydrogen Atom Transfer, HAT), obrazovanje
radikalskog adukta (Radical Adduct Formation, RAF), gubitak protona praćen prenosom
elektrona (Sequential Proton Loss Electron Transfer, SPLET) i prenos elektrona praćen
prenosom protona (Single Electron Transfer – Proton Transfer, SET-PT)) ove kiseline u
prisustvu ispitivanih radikala. Otkriveno je da u vodenom rastvoru ni jedan
mehanizam nije pogodan za reakciju između hlorogenske kiseline i O2−• što vodi ka
zaključku da je u kiseloj sredini HOO• odgovoran za ponašanje HOO•/O2−• smeše. HAT
i RAF su povoljni antioksidativni mehanizmi u slučaju reakcija hlorogenske
kiseline sa HOO• i HO•, dok je u slučaju DPPH• radikala jedini očekivani mehanizam
HAT.
U narednom koraku je pomoću računarske metodologije koja je poznata pod
nazivom: test za procenjivanje ukupne antioksidativne aktivnosti zasnovan na
kvantno mehaničkim proračunima (Quantum Mechanics-based test for Overall free
Radical Scavenging Activity (QM-ORSA) ispitivana antioksidativna aktivnost
hlorogenske kiseline u odnosu na troloks koji je predstavljao referentni sistem.
Primenjena metodologija podrazumeva termodinamičko i kinetičko ispitivanje svih
mogućih mehanizama i uključuje različite aspekte koji mogu da utiču na
antioksidativni kapacitet jedinjenja.
Najpre je vršeno ispitivanje u nepolarnim rastvaračima. Dobijeno je da
hlorogenka kiselina i troloks sa HO• radikalom reaguju preko HAT i RAF
mehanizama, dok je u slučaju CH3OO• radikala HAT jedini mogući reakcioni put.
Hlorogenska kiselina je reaktivnija prema HO•, dok je prema CH3OO• manje reaktivna
od troloksa.
Zatim je vršeno istraživanje antioksidativne aktivnosti hlorogenske
kiseline u odnosu na troloks u vodenom rastvoru pri fiziološkim uslovima. Na pH
= 7.4 hlorogenska kiselina postoji u obliku monoanjona (87 %) i dianjona (13 %), dok
se troloks dominantno nalazi u obliku monoanjona (> 99 %). Ispitivane su reakcije
monoanjona i dianjona hlorogenske kiseline i monoanjona troloksa sa HO• i CH3OO•
radikalima. Oba anjonska oblika hlorogenske kiseline u prisustvu CH3OO• podležu
isključivo HAT mehanizmu. U prisustvu HO• operativni su HAT, RAF, SPLET i SETPT mehanizmi. Kako su sve antioksidativne reakcije dianjona kontrolisane
difuzijom, njegov doprinos u „hvatanju“ HO• je gotovo isti kao i doprinos
monoanjonskog oblika koji se pri datim uslovima nalazi u mnogo većoj koncentraciji.
Izračunata vrednost konstante brzine za reakciju između hlorogenske kiseline i HO•
radikala je u savršenoj saglasnosti sa odgovarajućom eksperimentalnom vrednošću.
Redosled reaktivnosti hlorogenske kiseline prema izabranim radikalima je isti u
polarnoj i nepolarnoj sredini.
Abstract (en)
One part of the enclosed manuscript is devoted to investigation of structural features of chlorogenic acid, whereas the other is associated with examination of the antioxidative potential of chlorogenic acid. Particular attention is dedicated to thermodynamic and kinetic investigation of antioxidative mechanisms of chlorogenic acid.
The first part of the investigation was devoted to determination of the most stable
conformation of chlorogenic acid in gaseous phase and in solution by comparison of
experimental IR, Raman, 1H-NMR, 13C-NMR, and UV spectra with the spectra simulated
using density functional theory methods.
Detailed conformational analysis has established that chlorogenic acid exists as a
mixture of several conformations. A common feature of all conformations is that quinic
moeity is characterized with directed hydrogen bonds, with carboxyl hydrogen oriented
toward aproximate hydroxyl group, but not toward carboxyl oxygen. The most stable
structure in gaseous phase is characterized with O4–H4···O9’, whereas the most stable
conformation in solution is characterized with O4–H4···O10’. Within this dissertation, all
vibrational modes of the IR spectrum of chlorogenic acid were examined for the first time.
Experimentally obtained Raman and NMR spectra of chlorogenic acid are in perfect accord
with the literature results. Very good agreement between simulated and experimental spectra
indicate correct arrangement of atoms in this compound.
The next step was related to the comparison of the antioxidative activity of
chlorogenic acid with the antioxidative potentials of its two structural isomers
(neochlorogenic and cryptochlorogenic acids) and caffeic acid. For this reason,
thermodynamic parameters: Bond Dissociation Enthalpy (BDE), Proton Affinity (PA),
Electron Transfer Enthalpy (ETE), Ionisation Potential (IP), and Proton Dissociation
Enthalpy (PDE) in solutions of different polarity were examined. To obtain thermodynamic
parameters, the enthalpies of the solvated proton and electron in various solutions with
different theoretical methods were determined. Detailed examination of radicals, anions, and
radical cations derived from caffeic and caffeoylquinic acids was conducted. The properties
of the hydroxycinnamic moiety in the corresponding radicals, anions and radical cations are
very similar and practically do not depend on the esterification position. Quinic moiety
remains the same in the derived reactive species. As a result, all four phenolic acids have
similar values of thermodynamic parameters BDE, PA, ETE, IP, and PDE. Taking all these
facts into account, it was concluded that caffeic and caffeoylquinic acids exhibit very similar antioxidant activity. The same results have been derived from experiments, however, they
have not been supported by chemical theory so far.
Subsequently, the behavior of chlorogenic acid in the reactions with free radicals
(DPPH•, HO•, and О2 −•) was investigated using ESR spectroscopy. The obtained results
showed that chlorogenic acid is selective toward DPPH•, HO•, and HOO•/O2−• radicals.
Thermodynamic investigation of all possible antioxidative mechanisms (Hydrogen
Atom Transfer (HAT), Radical Adduct Formation (RAF), Sequential Proton Loss Electron
Transfer (SPLET), and Single Electron Transfer – Proton Transfer (SET-PT)) of chlorogenic
acid in the presence of investigated free radicals was also conducted. The results revealed that
no mechanism is suitable for scavenging O2−•, which leads to conclusion that HOO• is
responsible for the behavior of HOO•/O2−• mixture. HAT and RAF are plausible
antioxidative mechanisms in the case of the reaction of chlorogenic acid with HOO• and HO•,
whereas the only possible mechanism in the case of DPPH• radical is HAT.
Following the computational methodology, also known as Quantum Mechanics-based
test for Overall free Radical Scavenging Activity (QM-ORSA), the antioxidative activity of
chlorogenic acid relative to trolox as reference compound was examined. The applied
methodology implies thermodynamic and kinetic investigation of all possible mechanisms.
This approach also considers various effects that can influence antioxidative activity of a
compound.
Firstly, investigation in nonpolar solvents was performed. The results showed that
both chlorogenic acid and trolox react with HO• via HAT and RAF mechanisms, whereas in
the case of CH3OO• HAT is the only favourable reaction pathway. Chlorogenic acid is more
reactive toward HO•, but less reactive toward CH3OO• than trolox.
The following step was investigation of antioxidative activity of chlorogenic acid
relative to trolox in aquous solution at physiological conditions. At pH = 7.4 chlorogenic acid
exists in monoanionic (87 %) and dianionic (13 %) forms, whereas dominant form of trolox
is monoanionic (> 99 %). The reactions of chlorogenic acid monoanion and dianion, as well
as of trolox monoanion, with HO• and CH3OO• were examined. Both anionic forms of
chlorogenic acid undergo only HAT raction with CH3OO• radical. Operative mechanistic
pathways in the case of HO• are HAT, RAF, SPLET, and SET-PT. Considering that all the
reactions with dianion are diffusion-controlled, its contribution to scavenging HO• is almost
equivalent to that of more abundant monoanion. The calculated rate constant value for the
reaction of chlorogenic acid with HO• is in perfect agreement with corresponding
experimentaly obtained value. The order of reactivity toward selected free radicals is the
same in polar and nonpolar solution.
Classification
547.56(043.3)
Subject
Hlorogenske kiseline - Doktorske disertacije
Type
Tekst
Abstract (sr)
Priložen rukopis jednim delom obuhvata ispitivanje strukturnih osobina, a
drugim delom ispitivanje antioksidativnog potencijala hlorogenske kiseline.
Posebna pažnja je usmerena ka termodinamičkom i kinetičkom ispitivanju
mehanizama antioksidativnog delovanja ovog jedinjenja.
Prvi deo istraživanja se odnosi na utvrđivanje najstabilnije konformacije
hlorogenske kiseline u gasovitoj fazi i u rastvoru upoređivanjem eksperimentalnih
IR, Raman, 1H-NMR, 13C-NMR i UV spektara sa spektrima simuliranim pomoću
teorije funkcionala gustine. Detaljnom konformacionom analizom je ustanovljeno da
hlorogenska kiselina postoji u obliku smeše različitih konformera. Zajednička
osobina svih ovih konformera je da se na hinskom delu molekula nalaze usmerene
vodonične veze, pri čemu je karboksilni kiseonik usmeren ka vodoniku iz susedne
hidroksilne grupe, a ne ka karboksilnom kiseoniku. Najstabilnija konformacija u
gasovitoj fazi poseduje O4–H4···O9’ vodoničnu vezu, dok najstabilniji konformer u
rastvoru poseduje O4–H4···O10’ vodoničnu vezu. U okviru ove doktorske disertacije
po prvi put su ispitani svi vibracioni oblici u IR spektru hlorogenske kiseline.
Eksperimentalno dobijeni Raman-ski i NMR spektri hlorogenske kiseline su u
saglasnosti sa postojećim rezultatima iz literature. Veoma dobro slaganje između
simuliranih i eksperimentalnih spektara ukazuje na to da su atomi u hlorogenskoj
kiselini pravilno raspoređeni.
Sledeći korak se odnosio na upoređivanje antioksidativne aktivnosti
hlorogenske kiseline sa antioksidativnom aktivnošću njena dva strukturna izomera
(neohlorogenska i kriptohlorogenska kiselina) i kafeinskom kiselinom. Iz tog
razloga su ispitivani termodinamički parametari: entalpija disocijacije veze (Bond
Dissociation Enthalpy, BDE), afinitet prema protonu (Proton Affinity, PA), entalpija
prenosa elektorna (Electron Transfer Enthalpy, ETE), jonizacioni potencijal
(Ionisation Potential, IP) i entalpija disocijacije protona (Proton Dissociation Enthalpy,
PDE), u rastvaračima različite polarnosti. Za potrebe izračunavanja
termodinamičkih parametara određene su entalpije solvatisanog protona i elektrona
u različitim rastvaračima pomoću različitih teorijskih metoda. Detaljno su
ispitani i radikali, anjoni i radikal katjoni koji nastaju iz kafeinske i
kafeoilhinskih kiselina. Osobine hidroksicimetnog dela u odgovarajućim
radikalima, anjonima i radikal katjonima su veoma slične i praktično ne zavise od
položaja esterifikacije. Hinski deo ostaje nepromenjen u svim novonastalim
reaktivnim vrstama. Posledica toga je da sve četiri fenolne kiseline imaju slične
vrednosti termodinamičkih parametara: BDE, PA, ETE, IP i PDE. Iz svega navedenog
je zaključeno da kafeinska i kafeoilhinske kiseline ispoljavaju veoma sličnu
antioksidativnu aktivnost. Isti ovi zaključci izvedeni su i iz eksperimenata, ali
do sada nisu imali uporište u hemijskoj teoriji.
Zatim je usledilo ispitivanje ponašanja hlorogenske kiseline u reakciji sa
slobodno radikalskim vrstama (DPPH•, HO• i O2 −•) pomoću ESR spektroskopije.
Izvedeni eksperimenti su pokazali da je hlorogenska kiselina selektivna prema
DPPH•, HO• i HOO•/O2−• radikalima.
Usledilo je i termodinamičko ispitivanje mogućih antioksidativnih
mehanizama (prenos vodonikovog atoma (Hydrogen Atom Transfer, HAT), obrazovanje
radikalskog adukta (Radical Adduct Formation, RAF), gubitak protona praćen prenosom
elektrona (Sequential Proton Loss Electron Transfer, SPLET) i prenos elektrona praćen
prenosom protona (Single Electron Transfer – Proton Transfer, SET-PT)) ove kiseline u
prisustvu ispitivanih radikala. Otkriveno je da u vodenom rastvoru ni jedan
mehanizam nije pogodan za reakciju između hlorogenske kiseline i O2−• što vodi ka
zaključku da je u kiseloj sredini HOO• odgovoran za ponašanje HOO•/O2−• smeše. HAT
i RAF su povoljni antioksidativni mehanizmi u slučaju reakcija hlorogenske
kiseline sa HOO• i HO•, dok je u slučaju DPPH• radikala jedini očekivani mehanizam
HAT.
U narednom koraku je pomoću računarske metodologije koja je poznata pod
nazivom: test za procenjivanje ukupne antioksidativne aktivnosti zasnovan na
kvantno mehaničkim proračunima (Quantum Mechanics-based test for Overall free
Radical Scavenging Activity (QM-ORSA) ispitivana antioksidativna aktivnost
hlorogenske kiseline u odnosu na troloks koji je predstavljao referentni sistem.
Primenjena metodologija podrazumeva termodinamičko i kinetičko ispitivanje svih
mogućih mehanizama i uključuje različite aspekte koji mogu da utiču na
antioksidativni kapacitet jedinjenja.
Najpre je vršeno ispitivanje u nepolarnim rastvaračima. Dobijeno je da
hlorogenka kiselina i troloks sa HO• radikalom reaguju preko HAT i RAF
mehanizama, dok je u slučaju CH3OO• radikala HAT jedini mogući reakcioni put.
Hlorogenska kiselina je reaktivnija prema HO•, dok je prema CH3OO• manje reaktivna
od troloksa.
Zatim je vršeno istraživanje antioksidativne aktivnosti hlorogenske
kiseline u odnosu na troloks u vodenom rastvoru pri fiziološkim uslovima. Na pH
= 7.4 hlorogenska kiselina postoji u obliku monoanjona (87 %) i dianjona (13 %), dok
se troloks dominantno nalazi u obliku monoanjona (> 99 %). Ispitivane su reakcije
monoanjona i dianjona hlorogenske kiseline i monoanjona troloksa sa HO• i CH3OO•
radikalima. Oba anjonska oblika hlorogenske kiseline u prisustvu CH3OO• podležu
isključivo HAT mehanizmu. U prisustvu HO• operativni su HAT, RAF, SPLET i SETPT mehanizmi. Kako su sve antioksidativne reakcije dianjona kontrolisane
difuzijom, njegov doprinos u „hvatanju“ HO• je gotovo isti kao i doprinos
monoanjonskog oblika koji se pri datim uslovima nalazi u mnogo većoj koncentraciji.
Izračunata vrednost konstante brzine za reakciju između hlorogenske kiseline i HO•
radikala je u savršenoj saglasnosti sa odgovarajućom eksperimentalnom vrednošću.
Redosled reaktivnosti hlorogenske kiseline prema izabranim radikalima je isti u
polarnoj i nepolarnoj sredini.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.