DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83982-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747219
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: R. Bernadett Vlocskó وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجذور الحرة ومضادات الأكسدة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في النشاط المضاد للأكسدة لـ 17 زوجًا من نظائر الفينول والثيوفينول، مع التركيز على ميزاتها الهيكلية وإمكانات التقاط الجذور الحرة. تستخدم الدراسة حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتحليل خصائص فيزيائية كيميائية متنوعة، بما في ذلكenthalpies تفكك الروابط (BDE)، لحظات ثنائي القطب، وطاقة المدارات، في كل من الحالة الغازية والبيئات المائية. تم إجراء التقييم التجريبي للنشاط المضاد للأكسدة باستخدام اختبارات DPPH و ABTS، مما يكشف أن عدة مركبات، وخاصة الفينولات 1، 4، 5، 6، 13، و 17، والثيوفينولات 25، 26، 31، 32، و 33، أظهرت قدرات التقاط متفوقة مقارنة بمضاد الأكسدة المرجعي تروكس.
تشير النتائج إلى أنه في الحالة الغازية، يهيمن آلية نقل ذرة الهيدروجين (HAT) بسبب انخفاض قيم BDE، بينما في البيئات المائية، تؤدي تأثيرات المذيب إلى تحول نحو آلية فقدان البروتون المتسلسل ونقل الإلكترون (SPLET). من الجدير بالذكر أن الدراسة تحدد معلمات فيزيائية كيميائية رئيسية، مثل جهد التأين ووصف HOMO للفينولات، و BDE وكثافة الدوران للثيوفينولات، كمتنبئات حاسمة لكفاءة مضادات الأكسدة. تدعم الأبحاث إمكانية استخدام الثيوفينولات كمضادات أكسدة وتقترح الحاجة إلى مزيد من الدراسات لتحسين نماذج العلاقة الكمية بين الهيكل والنشاط (QSAR)، والتي يمكن أن تعزز الفهم التنبؤي للنشاط المضاد للأكسدة في المركبات ذات الصلة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من مشتقات الفينول والثيوفينول البديلة جنبًا إلى جنب مع المذيبات العضوية مثل الإيثانول وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO). تضمنت تحضير محاليل العازلة استخدام أملاح فوسفات الصوديوم، وتحديدًا فوسفات الهيدروجين ثنائي الصوديوم ($\text{Na}_2\text{HPO}_4$)، فوسفات الهيدروجين أحادي الصوديوم ($\text{NaH}_2\text{PO}_4$)، وكلوريد الصوديوم ($\text{NaCl}$). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام بيرسلفات البوتاسيوم لتوليد الجذر 2،2′-أزينو-بيس(3-إيثيل بنزوتيازولين-6-حمض السلفونيك) (ABTS)، بينما تم الحصول على المركبات الجذرية بما في ذلك DPPH و ABTS و AAPH من Sigma-Aldrich و Oakwood Chemicals أو Thermo Fisher Scientific، وتم استخدامها في التجارب دون مزيد من التنقية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم الأنشطة المضادة للأكسدة لسبعة عشر من نظائر الفينول والبينزينثيول باستخدام اختبارات التقاط الجذور DPPH و ABTS. أشارت النتائج إلى أن مشتقات الفينول عمومًا أظهرت نشاطًا مضادًا للأكسدة متفوقًا مقارنة بنظيراتها من البينزينثيول، مع مركبات محددة مثل 1 (o-NH₂)، 4 (p-OMe)، و 17 (نافثيل) تظهر فعالية كبيرة، متجاوزة مضاد الأكسدة المرجعي تروكس. من الجدير بالذكر أنه بينما أظهرت الفينولات نشاطًا معززًا في اختبار ABTS، كانت أداؤها قابلة للمقارنة مع الثيوفينولات في اختبار DPPH. تشير النتائج إلى أن أنماط الاستبدال تؤثر بشكل كبير على فعالية مضادات الأكسدة، مع مجموعات مانحة للإلكترون تعزز النشاط.
استخدمت الدراسة أيضًا حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتحليل الخصائص الفيزيائية الكيميائية لهذه المركبات، بما في ذلكenthalpies تفكك الروابط (BDE)، جهد التأين (IP)، والألفة البروتونية (PA). لوحظت علاقة قوية بين قيم BDE المحسوبة والنشاط المضاد للأكسدة، خاصةً بالنسبة للثيوفينولات في اختبار ABTS. كشفت التحليلات أن قيم BDE المنخفضة عمومًا تتوافق مع نشاط مضاد للأكسدة أعلى، مما يشير إلى أن آلية HAT تلعب دورًا حاسمًا. بالإضافة إلى ذلك، سلطت الأبحاث الضوء على أهمية تأثيرات المذيب على التفاعل، مع تفضيل آلية SPLET في البيئات القطبية. بشكل عام، توفر الدراسة رؤى قيمة حول علاقات الهيكل والنشاط لمركبات الفينول والثيوفينول، مع تحديد أوصاف جزيئية رئيسية يمكن أن توجه تصميم مضادات أكسدة أكثر فعالية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الأنشطة المضادة للأكسدة لسبعة عشر من مركبات الفينول والثيوفينول باستخدام اختبارات التقاط الجذور المعتمدة، وتحديدًا طرق DPPH و ABTS. من الجدير بالذكر أن المركبات 1، 4، 5، 6، 13، و 17 من بين الفينولات، و 25، 26، 31، 32، و 33 من بين الثيوفينولات أظهرت قدرات التقاط متفوقة، وغالبًا ما تتجاوز تلك الخاصة بمضاد الأكسدة المرجعي تروكس. لتوضيح الآليات الكامنة وراء هذه الأنشطة، تم إجراء حسابات شاملة لنظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتقييم خصائص حرارية كيميائية متنوعة، بما في ذلكenthalpies تفكك الروابط (BDE)، جهود التأين (IP)، والألفة البروتونية (PA)، في كل من الحالة الغازية والبيئات المائية.
أشارت النتائج إلى أنه في الحالة الغازية، هيمنت آلية نقل ذرة الهيدروجين الرسمية (HAT)، بينما في الظروف المائية، أدت تأثيرات المذيب إلى تحول نحو آلية فقدان البروتون المتسلسل ونقل الإلكترون (SPLET). كشفت العلاقات بين الأنشطة التجريبية والمعلمات الفيزيائية الكيميائية المحسوبة أن جهد التأين ووصف أعلى مدار جزيئي مشغول (HOMO) كانت حاسمة للفينولات، بينما كانت BDE وكثافة الدوران مهمة للثيوفينولات. كما أبرزت الدراسة أن BDE، التي تعد عادةً عاملًا رئيسيًا في التقاط الجذور، لم تسهم بشكل كبير في النشاط المضاد للأكسدة للمركبات التي تم تحليلها. تضع الأبحاث الأساس للتحقيقات المستقبلية في العلاقات الكمية بين الهيكل والنشاط (QSAR) وتقترح أن الاستكشاف الإضافي للآليات المعقدة لمضادات الأكسدة يمكن أن يعزز فهم فعالية هذه المركبات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83982-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747219
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): R. Bernadett Vlocskó et al.
Primary Topic: Free Radicals and Antioxidants
Overview
This research investigates the antioxidant activity of 17 pairs of phenol and thiophenol analogues, focusing on their structural features and radical scavenging potential. The study employs density functional theory (DFT) calculations to analyze various physicochemical properties, including bond dissociation enthalpies (BDE), dipole moments, and orbital energies, in both gas phase and aqueous conditions. The experimental evaluation of antioxidant activity was conducted using the DPPH and ABTS assays, revealing that several compounds, particularly phenols 1, 4, 5, 6, 13, and 17, and thiophenols 25, 26, 31, 32, and 33, demonstrated superior scavenging abilities compared to the reference antioxidant Trolox.
The findings indicate that in the gas phase, the hydrogen atom transfer (HAT) mechanism predominates due to lower BDE values, while in aqueous environments, the solvent effects lead to a shift towards the sequential proton loss electron transfer (SPLET) mechanism. Notably, the study identifies key physicochemical parameters, such as ionization potential and HOMO descriptors for phenols, and BDE and spin density for thiophenols, as critical predictors of antioxidant efficiency. The research supports the potential of thiophenols as antioxidants and suggests the need for further studies to refine quantitative structure-activity relationship (QSAR) models, which could enhance the predictive understanding of antioxidant activity in related compounds.
Methods
In this study, various substituted phenol and thiophenol derivatives were utilized alongside organic solvents such as ethanol and dimethyl sulfoxide (DMSO). The preparation of buffer solutions involved the use of sodium phosphate salts, specifically disodium hydrogen phosphate ($\text{Na}_2\text{HPO}_4$), sodium dihydrogen phosphate ($\text{NaH}_2\text{PO}_4$), and sodium chloride ($\text{NaCl}$). Additionally, potassium persulfate was employed for the generation of the 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS) radical, while radical compounds including DPPH, ABTS, and AAPH were sourced from Sigma-Aldrich, Oakwood Chemicals, or Thermo Fisher Scientific, and were used in the experiments without further purification.
Results
In this study, the antioxidant activities of seventeen phenol and benzenethiol analogues were evaluated using the DPPH and ABTS radical scavenging assays. The results indicated that phenol derivatives generally exhibited superior antioxidant activity compared to their benzenethiol counterparts, with specific compounds such as 1 (o-NH₂), 4 (p-OMe), and 17 (naphthyl) demonstrating significant efficacy, surpassing the reference antioxidant Trolox. Notably, while phenols showed enhanced activity in the ABTS assay, their performance was comparable to thiophenols in the DPPH assay. The findings suggest that substitution patterns significantly influence antioxidant effectiveness, with electron-donating groups enhancing activity.
The study further employed density functional theory (DFT) calculations to analyze the physical-chemical properties of these compounds, including bond dissociation enthalpies (BDE), ionization potential (IP), and proton affinity (PA). A strong correlation was observed between the calculated BDE values and antioxidant activity, particularly for thiophenols in the ABTS assay. The analysis revealed that lower BDE values generally corresponded to higher antioxidant activity, indicating that the HAT mechanism plays a crucial role. Additionally, the research highlighted the importance of solvent effects on reactivity, with the SPLET mechanism being favored in polar environments. Overall, the study provides valuable insights into the structure-activity relationships of phenolic and thiophenolic compounds, identifying key molecular descriptors that could guide the design of more effective antioxidants.
Discussion
In this study, the antioxidant activities of seventeen phenol and thiophenol compounds were evaluated using established radical scavenging assays, specifically the DPPH and ABTS methods. Notably, compounds 1, 4, 5, 6, 13, and 17 among phenols, and 25, 26, 31, 32, and 33 among thiophenols demonstrated superior scavenging abilities, often exceeding that of the reference antioxidant Trolox. To elucidate the mechanisms underlying these activities, comprehensive density functional theory (DFT) calculations were performed to assess various thermochemical properties, including bond dissociation enthalpies (BDE), ionization potentials (IP), and proton affinities (PA), in both gas and aqueous phases.
The findings indicated that in the gas phase, a formal hydrogen atom transfer (HAT) mechanism predominated, while in aqueous conditions, the solvent effects led to a shift towards a sequential proton loss electron transfer (SPLET) mechanism. Correlations between experimental activities and calculated physicochemical parameters revealed that ionization potential and highest occupied molecular orbital (HOMO) descriptors were critical for phenols, whereas BDE and spin density were significant for thiophenols. The study also highlighted that BDE, typically a key factor in radical scavenging, did not significantly contribute to the antioxidant activity of the compounds analyzed. The research lays the groundwork for future investigations into quantitative structure-activity relationships (QSAR) and suggests that further exploration of complex antioxidant mechanisms could enhance understanding of these compounds’ efficacy.