Colorazione ossidativa dei capelli: nuovi intermedi primari a
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Colorazione ossidativa dei capelli: nuovi intermedi primari a
Studio e sperimentazione ■ Silvia Vertuani, Sonia Molesini, Stefano Manfredini, Ermanno Piergentili, Federica Comanducci, Giuliano Nocentini Colorazione ossidativa dei capelli: nuovi intermedi primari a struttura pirimidinica coloranti di tipo ossidativo, infatti, si formano in situ per accoppiamento ossidativo di una molecola, denominata intermedio primario o base di ossidazione, e di un secondo agente cromogeno, noto come copulante (coupler) o intermedio secondario. L’accoppiamento ossidativo dei due precursori del colore avviene con l’ausilio di un agente ossidante, di solito acqua ossigenata, che, oltre a decolorare il capello, ossida la base trasformandola in un composto particolarmente reattivo in grado di legarsi al copulante in un processo di polimerizzazione che porta alla formazione di grosse molecole con elevata coniugazione di doppi legami e anelli aromatici responsabili della colorazione del capello. Queste reazioni avvengono in ambiente alcalino, con pH compreso tra 9 e 10, ottenuto mediante ammoniaca, la quale agisce aprendo lo strato esterno del capello (cuticola) e facendo così penetrare in profondità i precursori e l’agente ossidante. Una volta avvenuta la reazione di accoppiamento ossidativo e ripristinata la normale permeabilità della cuticola, le grosse molecole di colorante formatesi non riescono più ad uscire e rimangono intrappolate all’interno della struttura del capello: le colorazioni ad ossidazione creano una tintura permanente proprio perché, in seguito alle reazioni suddette, si legano in maniera permanente alla cheratina dei capelli1. Dal punto di vista pratico, il processo di colorazione per ossidazione prevede l’applicazione diretta dei precursori (intermedio primario e copulante) in miscela con una soluzione acquosa di perossido di idrogeno come agente ossidante, questa miscela viene quindi lasciata fissare sulle fibre per un tempo determinato e successivamente viene rimossa me- ©Jean Louis David 2009 I La colorazione permanente dei capelli viene ottenuta tramite una reazione chimica che modifica, in modo definitivo, il colore dei capelli. Gli agenti coloranti coinvolti in questo processo sono molecole di piccole dimensioni, solitamente incolori, che riescono ad attraversare la cuticola esterna che riveste il capello e, in seguito ad una reazione di ossidazione, si legano tra loro formando il colorante vero e proprio 40 Kosmetica • dicembre 2010 diante risciacquo, una volta che le fibre si sono colorate. I precursori del colore sono essenzialmente costituiti da derivati organici con anelli aromatici per lo più appartenenti alla serie benzenica con gruppi NH2 e OH. Questi gruppi possono ossidarsi più o meno facilmente secondo che siano in posizione para, orto o meta. Di solito l’ossidazione coinvolge molecole con i gruppi in posizione para tra loro (es. p-fenilendiamina, p-amminofenolo, p-toluendiammina) a formare dei chinoni o degli imminochinoni che si legano alla loro stessa forma ridotta e ai copulanti, che comunemente presentano i gruppi funzionali in posizione meta tra loro (m-fenilendiammina, m-amminofenolo, resorcinolo) (fig.1). La formazione del colorante e l’entità della polimerizzazione dei precursori sono parte di un processo piuttosto complesso che dipende dalla reattività delle molecole utilizzate e dalle condizioni di reazione, senza contare che è quasi sempre complicato dal fatto che per ottenere le colorazioni desiderate vengono utilizzate miscele di più basi e più copulanti. Fig.1- Meccanismo di accoppiamento ossidativo intermedio primario-copulante. Ricerca e sviluppo di nuovi intermedi primari Nel tentativo di sviluppare nuovi precursori per la colorazione permanente dei capelli è necessario tenere conto di diversi fattori. Infatti, tali molecole devono essere applicate sui capelli e a contatto con il cuoio capelluto, per cui devono rispondere a requisiti molto severi. Innanzitutto, i coloranti devono essere sicuri da un punto di vista tossicologico a livello soprattutto dermatologico e non devono provocare sensibilizzazione. Nel corso degli ultimi decenni molto si è discusso sui possibili effetti dannosi delle tinture per capelli sulla salute umana. Molti dei precursori utilizzati, infatti, rientrano nel gruppo delle ammine aromatiche, molecole sospettate (sospetto in molti casi confermato) di avere un’attività cancerogena a carico dell’apparato urogenitale2. Alla fine degli anni ‘70 molte ammine aromatiche utilizzate per la colorazione dei capelli sono state proibite in Europa, ma molte vengono ancora utilizzate e i dati sulla loro sicurezza non sono ancora definitivi. Come ulteriore requisito i nuovi precursori per le tinture devono poter sviluppare una sufficiente intensità della colorazione nella gradazione desiderata e possibilmente tale colorazione deve essere resistente agli Kosmetica • dicembre 2010 Fig.2- Schema generale di sintesi d’intermedi primari derivati della TAP per amminazione riduttiva. agenti esterni, quale ad esempio condizioni atmosferiche avverse, lavaggi frequenti dei capelli, messe in piega e sudorazione. Tra i diversi precursori di ossidazione comunemente utilizzati nelle tinture per capelli, il nostro gruppo di ricerca ha individuato la 2,4,5,6-tetraminopirimidina (TAP) come punto di partenza per lo sviluppo e la sintesi di nuovi intermedi primari da utilizzare nelle tinture per capelli. Tale molecola, già ampiamente utilizzata come intermedio primario in composizioni coloranti per capelli di tipo ossidativo, è stata scelta innanzitutto in quanto presenta un profilo di sicurezza ampiamente accettabile, come è emerso dal dossier redatto dal Comitato Scientifico per la Sicurezza dei Consumatori (CSSC), l’organo della Commissione Europea incaricato di raccogliere e valutare la sicurezza dei coloranti utilizzati sull’uomo3. La TAP ed i relativi derivati sostituiti in posizione 2,4 e/o in posizione 6 sono in grado di sviluppare sui capelli colorazioni molto intense, ma con il limite di essere instabili alla luce, per cui dopo poco tempo il colore si attenua notevolmente e in certi casi cambia il riflesso. Allo scopo di ottenere colori più resistenti, mantenendo comunque invariato il profilo di tossicità della molecola di partenza, sono state sintetizzate nuove molecole sostituendo l’ammina in posizione 5 della TAP con gruppi aromatici idonei. Le molecole ottenute sono state quindi accoppiate 41 Studio e sperimentazione Tab.1- Copulanti utilizzati per le tinture binarie. con diversi copulanti classicamente impiegati nelle tinture ed applicati su ciocche di capelli per verificare la qualità e la stabilità della colorazione. Un requisito importante delle nuove molecole è costituito dalla loro solubilità in ambiente acquoso, in modo da essere facilmente incorporate nella formulazione da applicare sui capelli. Il primo approccio da noi applicato alla sostituzione del gruppo NH2 in posizione 5 è rappresentato dall’introduzione di un derivato benzenico tramite amminazione riduttiva, che consiste nel fare reagire la TAP con un derivato della benzaldeide in modo da formare un’immina (A) che viene poi ridotta ad ammina secondaria (B) (fig.2). Poiché i primi risultati indicavano che i derivati imminici erano in grado di sviluppare colori più intensi delle corrispondenti ammine, la fase di riduzione è stata successivamente eliminata e si è proseguito valutando direttamente le immine. Il nostro approccio è consistito in un classico sviluppo delle relazioni struttura-attività (RSA) attraverso l’uso di un efficace metodo di valutazione delle proprietà coloranti. Tab.2- Risultati di colorazione e di stabilità del colore su ciocca Intermedio secondario Intermedio primario Entità viraggio Tono fresco Tono invecchiato Riflesso fresco Riflesso invecchiato 2,4-diaminophenoxyethanol sulfate TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Alto Basso Basso Medio Basso Medio Basso Basso Medio Basso 7,5 7 8 7 8 7 7,5 7,5 7,5 6,5 6,5 7 6,5 7 7 7 7,5 7,5 8,5 9 9 8,5 9 8 8 8 8 9 9 10 9 10 8,5 9 9 9 8 8 8,5 8 8,5 9 8,5 9 9,5 9 10 10 9 10 9 9 9 8,5 Verde Brillante Verde Brillante Verde Verde Giallo Verde Bottiglia Verde Vivace Verde Vivace Verde Vivace Verde Vivace Fuxia Intenso Fuxia Fuxia Fuxia Fuxia Fuxia Fuxia Fuxia Fuxia Dorato Rame Dorato Arancio Dorato Ramato Giallo Dorato Ramato Dorato Dorato Giallo Caldo Dorato Giallo Caldo Dorato Ramato Dorato Ramato Verde Oliva Verde Oliva Dorato Giallo Verde Giallo Verde Dorato Verde Giallo Verde Giallo Verde Giallo Verde Giallo Arancio Rossastro Giallo Arancio Rossastro Arancio Rossastro Giallo Arancio Rossastro Arancio Dorato Rosato Arancio Rosso Giallo Rosato Giallo Rosato Dorato Dorato Dorato Giallo Dorato Dorato Giallo Dorato Dorato Giallo Caldo Dorato Dorato Ramato 2,6-dihydroxyethylaminotoluene 2-amino-3-hydroxypyridine 42 Kosmetica • dicembre 2010 A tal fine, sono stati inseriti sull’anello aromatico gruppi in grado di dislocare la carica elettronica conferendo alla molecola maggiore stabilità. In particolare, si è cercato di valutare se i gruppi OH e OCH3, che sono caratteristici dei filtri solari, possono in qualche modo influenzare la resistenza della colorazione in base alla loro posizione o al numero di sostituzioni. In seguito, gli intermedi primari ottenuti sono stati inseriti in percentuale compresa tra 0,5 e 2% in formulazioni tipiche a base di ammoniaca per la preparazione di tinture, contenenti diversi copulanti. Per semplicità sono state valutate solo miscele binarie intermedio primario-copulante. I copulanti utilizzati sono quelli indicati in tabella 1. L’emulsione con i precursori di ossidazione è stata miscelata con un’emulsione ossidante contenente perossido di idrogeno e la tintura ottenuta è stata quindi applicata su ciocche di pelo di yak per simulare il processo di colorazione. Si è scelto di utilizzare peli di yak (bue tibetano), perché pur avendo una struttura paragonabile ai capelli umani danno un risultato più riproducibile, sono normalmente meno stressati e rovinati e sono praticamente privi di pigmentazione, che potrebbe altrimenti interferire nella colorazione della fibra. Ogni tintura è stata testata in doppio in modo da ottenere due ciocche colorate di cui sono stati valutati tono e riflesso. Una delle due ciocche trattate è stata conservata al buio, mentre l’altra è stata esposta alla luce per due settimane, al termine delle quali i due gruppi di fibre cheratiniche sono stati confrontati per determinare l’entità del viraggio di colore. Parte sperimentale Sintesi dell’immina (A) In generale tutti gli intermedi primari imminici sono stati preparati adattando procedure di letteratura4 che prevede la reazione della 2,4,5,6-tetraamminopirimidina solfato con una aldeide aromatica, in rapporto molare compreso tra 1 e 2. La reazione viene preferibilmente condotta in una soluzione acquosa di sodio idrossido o in un mezzo acquoso alcolico basico a temperatura compresa tra 20 e 90°C. Esempio: Preparazione di 2-metossi-4-[(2,4,6-triammino-pirimidin- 5-ilimmino)-metil]-fenolo (A6). Ad 1g di 2,4,5,6-tetraamminopirimidina solfato disciolto mediante riscaldamento in 4,2 ml di una soluzione 2M di sodio idrossido, si aggiungono 0,638 g di vanillina. La miscela viene riscaldata a 40°C e mantenuta a tale temperatura per 2 ore sotto agitazione. Quindi, si raffredda a 0°C. Il precipitato formatosi è separato mediante filtrazione e lavato con 15 ml di acqua fredda, 50 ml di diclorometano e 50 ml di dietiletere. Il solido viene essiccato a temperatura ambiente. Resa: 0.96g di un prodotto marrone. Punto di fusione 164-167°C. Sintesi dell’ammina secondaria (B) Le ammine secondarie possono essere ottenute dalle corrispondenti 5-immino-2,4,6- Intermedio secondario Intermedio primario Entità viraggio Tono fresco Tono invecchiato Riflesso fresco Riflesso invecchiato 2-amino-6-chloro-4-nitrophenol TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A Basso Basso Nullo Basso Nullo Nullo Basso Nullo Nullo Basso Basso Medio Basso Basso Basso Medio Basso Medio Medio Medio Alto Alto Alto Alto Alto Medio Alto Medio Alto Alto 7 7,5 7 7 8 8 8 8 7,5 7 6,5 7,5 6,5 8 7 7,5 7,5 7,5 7 7,5 8 7 8 7 7,5 7,5 7,5 7,5 8 7 7,5 8 8 8,5 8 7,5 8 7 9,5 7,5 8,5 8 8 8,5 8 8,5 10 10 9 9,5 7,5 9 8,5 9 Giallo Arancio Giallo Arancio Giallo Arancio Giallo Caldo Intenso Giallo Arancio Intenso Giallo Arancio Intenso Giallo Intenso Giallo Arancio Giallo Arancio Viola Viola Vivace Viola Viola Cupo Viola Viola Spento Viola Spento Marrone Viola Viola Rosso Arancio Rosso Arancio Rosato Rosso Rosato Rosso Arancio Rosso Rosato Rosso Rosato Rosso Rosato Rosso Rosato Rosso Rosato Giallo Arancio Giallo Arancio Giallo Arancio Giallo caldo Intenso Giallo Arancio Intenso Giallo Arancio Intenso Giallo Intenso Giallo Arancio Giallo Arancio Viola Viola Vivace Viola Viola Cupo Viola Viola Spento Viola Spento Viola Vivace Viola Vivace Rosso Rosato Spento Rosato Spento Rosso Rosato Rosso Rosato Spento Rosso Rosato Spento Rosso Rosato Spento Rosso Rosato Spento Rosato Spento Rosato Spento 2-methyl-5-hydroxyethylaminophenol 2-methylresorcinol Kosmetica • dicembre 2010 43 Studio e sperimentazione triamminopirimidine per idrogenazione catalitica, preferibilmente in solvente alcolico a temperatura ambiente utilizzando come catalizzatore Pd supportato su carbone al 10%. Esempio: Preparazione di 2,4,6 triammino5-(4-piridilmetilammino)-pirimidina (B2). 1.7 g di 2,4,6-triammino-5-(4-piridilmetilenammino) -pirimidina (A2), ottenuta come descritto sopra, sono stati disciolti in 500 ml di metanolo ed idrogenati a pressione atmosferica in ambiente saturato con H2 a temperatura ambiente con 0,2 g di catalizzatore (10% Pd/C). Dopo 3 ore il catalizzatore è stato rimosso mediante filtrazione dalla miscela di reazione e il solvente evaporato fino a secchezza. Il prodotto grezzo ottenuto è stato purifica- to su colonna cromatografica in gel di silice (eluente: diclorometano/ metanolo 9:1). Resa 0,94 g di un prodotto arancione. Punto di fusione >250 °C. Preparazione della tintura Gli intermedi primari di formula (A) o (B) e i copulanti riportati in tabella 1 sono stati inseriti in una emulsione per tintura in concentrazione non superiore al 2% in peso sul peso totale della composizione, con una rapporto 2:1 intermedio primario/coupler. L’emulsione è stata portata a pH 10 con ammoniaca. Prima dell’applicazione sulle fibre, l’emulsione contenente i precursori è stata miscelata in rapporto 1:1,5 con una emulsione a base di perossido di idrogeno a 20 volumi. Colorazione delle ciocche Per ogni tintura sono state preparate due ciocche. La tintura è stata applicata, uniformemente, sulle fibre in quantità sufficiente da ricoprirle completamente. La miscela è stata lasciata in posa sulle ciocche in ambiente termostatato a 30°C per 30 minuti, al termine dei quali è stata rimossa tramite risciacquo. Infine, le ciocche sono state lavate con shampoo ed asciugate a phon. Dopo aver verificato l’uniformità della colorazione per le due ciocche e aver registrato tono e riflesso per ogni miscela binaria, una ciocca è stata conservata al buio, mentre l’altra è stata esposta alla luce solare durante il giorno e a lampada UV durante la notte per la durata di 2 settimane, trascorse le quali le ciocche sono state nuovamente confrontate. Tab.2- Risultati di colorazione e di stabilità del colore su ciocca Intermedio secondario Intermedio primario Entità viraggio Tono fresco Tono invecchiato Riflesso fresco Riflesso invecchiato 4-amino-2-hydroxytoluene TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A Alto Medio Alto Alto Alto Alto Alto Basso Medio Alto Alto Nullo Basso Basso Basso Medio Nullo Basso Medio Basso Basso Nullo Basso Basso Basso Basso Nullo Basso Basso Medio Basso Medio Basso Medio Basso Nullo Medio Basso 6,5 7 7 7 6,5 7 7,5 8 7 8,5 9 9 8 9 8 8 8,5 9 7 8 8 7 8 7 9 7,5 7,5 8 9 9 8 9 8 8,5 9 9 7 8 8 8 7,5 7,5 8,5 9 9 8,5 9,5 9,5 8,5 9,5 8 8,5 9 9,5 7,5 8,5 9 7,5 8,5 7,5 9 8 8,5 9 10 10 8,5 10 8,5 8,5 10 9 Viola Cupo Viola Cupo Cenere Grigio Viola Grigio Verde Cenere Grigio Verde Cenere Grigio Verde Cenere Grigio Verde Cenere Verde Oliva Verde Oliva Giallo Verde Giallo Dorato Verde Verde Acido Dorato Giallo Dorato Giallo Dorato Caldo Dorato Verde Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Verde azzurro Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Giallo Giallo Giallo Giallo Intenso Giallo Limone Giallo Intenso Giallo Verde Giallo Giallo Grigio Grigio Cenere Grigio Grigio Cenere Verde Grigio Verde Cenere Grigio Verde Cenere Grigio Verde Oliva Verde Oliva Giallo Dorato Verde Giallo Dorato Verde Verde Acido Giallo Dorato Giallo Dorato Giallo Dorato Dorato Verde Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Verde azzurro Azzurro Aviatore Azzurro Aviatore Giallo Giallo Giallo Giallo Intenso Giallo Limone Giallo Intenso Verde Giallo Verde Giallo Giallo Verde 4-amino-m-cresol 5-amino-6-chloro-o-cresol 6-amino-m-cresol 44 Kosmetica • dicembre 2010 Risultati e discussione Nella tabella 2 sono riportati i risultati delle prove di tintura su ciocca e i corrispondenti dati di stabilità del colore alla luce. Dalla tabella si può osservare che a parità di copulante utilizzato la formazione dell’immina in posizione 5 della TAP genera tinture con tono generalmente uguale o più alto rispetto alla molecola di riferimento, mentre il riflesso può discostarsi anche di molto dal colore dato alle cicche dalla TAP. Per quanto concerne la stabilità della colorazione non si sono notati, tranne alcune eccezioni, miglioramenti significativi rispetto al riferimento. In linea generale si può osservare che i sostituenti contenenti gruppi OH e OCH3 determinano un leggero incremento della stabilità del colore. I risultati migliori sono stati ottenuti per gli accoppiamenti con 2-amino-6-chloro-4-nitrophenol, 6-amino-mcresol, 6-amino-o-cresol e m-aminophenol, in cui la colorazione ottenuta con gli intermedi primari sostituiti è apparsa più stabile alla luce rispetto a quella del riferimento. L’intermedio primario 7A è quello che ha dato il risultato di stabilità migliore con la maggior parte dei copulanti utilizzati. Gli intermedi primari A2 e B2 sono risultati molto insolubili e quindi sono stati testati solamente con il 2,6-dihydroxyethylaminotoluene. Entrambi sviluppano una colorazione intensa rosa fucsia, molto instabile alla luce. dimenti, così come saranno necessari studi di tossicità per valutare se le modificazioni apportare sul precursore (TAP) modificano in qualche modo il profilo di sicurezza delle molecole.I risultati di questo progetto sono stati insigniti della protezione brevettuale con brevetto concesso in data 17.05.2010 (n. 0001374708). Conclusioni Dai test effettuati si può osservare che tutti gli intermedi primari testati mantengono un comportamento analogo con il medesimo coupler. I composti testati, tuttavia, mostrano una stabilità alla luce maggiore o uguale a quella della TAP e in nessun caso si riscontra una riduzione di stabilità della colorazione. È, quindi, possibile ipotizzare che l’inserimento nell’intermedio primario di gruppi in grado di agire da filtro delle radiazioni UV incida solo marginalmente sulla stabilità del colore una volta applicato sul capello, in quanto, è probabile che sia il copulante il maggior responsabile dell’instabilità ai raggi UV. Il ruolo del coupler nella stabilizzazione del colore necessita di ulteriori approfon- © RIPRODUZIONE RISERVATA Bibliografia 1. 2. 3. 4. T. Imai et al.; The Reaction of Oxidative Hair Dyes in Cuticle Layers; Journal of Cosmetic Chemists (SCCJ); 2008; 42(4): 305-312. Harling M et al.; Bladder cancer among hairdressers: a meta-analysis; Occup Environ Med; 2010; 67(5):351-8. Opinion of the SCCNFP on A53 – 2,4,5,6-Tetraaminopyrimidine; http://ec.europa. eu/health/archive/ph_risk/committees/sccp/ documents/out232_en.pdf J.Chem. Res. Miniprint; 1992; 2: 514-539. Intermedio secondario Intermedio primario Entità viraggio Tono fresco Tono invecchiato Riflesso fresco Riflesso invecchiato 6-amino-o-cresol TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A Alto Medio Alto Medio Alto Medio Alto Basso Basso Medio Basso 7 9 8,5 6,5 9 7 7,5 8,5 7,5 8,5 10,5 10 7,5 10 7,5 8 9,5 8 Giallo Arancio Spento Giallo Chiaro Giallo Dorato Giallo Arancio Spento Giallo Arancio Giallo Ruggine a macchie Giallo Chiaro a chiazze Giallo Arancio a chiazze m-aminophenol TAP Medio 6,5 7 resorcinol 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A TAP 1A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A Medio Alto Medio Basso Medio Basso Basso Nullo Nullo Medio Medio Alto Medio Medio Basso Alto Medio Nullo Medio Medio 7 7,5 7 8 7 7 8,5 8 7 9 9 8 9 8 9 9 9 8 9 7 9 7,5 7,5 8,5 8 8 9,5 10 9 9,5 9 9 9,5 10 Giallo Caldo Arancio Giallo Caldo Giallo Giallo Arancio Intenso Giallo Caldo Arancio Giallo Ruggine a macchie Giallo Arancio a chiazze Giallo Arancio a chiazze Grigio Verde (Viola nelle punte) Verde Militare Verde Oliva Marrone Verde Dorato Cenere Verde Dorato Dorato Giallo Dorato Giallo Freddo Dorato Verde Dorato Verde Ramato Dorato Ramato Ramato Ramato Ramato Ramato Dorato Rame Ramato Ramato Kosmetica • dicembre 2010 Verde Militare Verde Oliva Dorato Marrone Dorato Dorato Verde Dorato Giallo Dorato Giallo Freddo Dorato Verde Dorato Verde Ramato Dorato Dorato Dorato Dorato Ramato Dorato Ramato Dorato Dorato Rame Dorato Ramato Dorato Ramato 45