物理表觀性質(zhì)的變化，一定伴隨著成分結(jié)構(gòu)的改變，我們只有更了解化合物的結(jié)構(gòu)，才能更好地應(yīng)用它。

護(hù)膚品變色在我們的認(rèn)知中，主要原因是氧化，什么樣的結(jié)構(gòu)容易氧化？在我們使用原料的經(jīng)驗(yàn)中，很多活性物容易變色，比如間苯二酚的美白劑、植提類(lèi)、黃酮、多酚，Va醇、Vc，還包括肌肽、藍(lán)銅肽（藍(lán)銅肽不是因?yàn)檠趸兩┑鹊?，那這些成分在結(jié)構(gòu)上有什么不一樣，為什么容易變色？

在抗氧化（二）——機(jī)理篇中，我們對(duì)抗氧化成分的作用機(jī)理做了一個(gè)簡(jiǎn)單的闡述。其實(shí)除了少數(shù)的幾種原料例如富勒烯這種具有傳遞電子能力的材料，大多數(shù)具有抗氧化作用的成分都是犧牲自己保護(hù)別人。

所以今天來(lái)分析一下什么樣的結(jié)構(gòu)容易被氧化，從結(jié)構(gòu)上我們應(yīng)該用什么樣的手段來(lái)盡可能的保證產(chǎn)品不被氧化。

被氧化一般即是失去電子，該物質(zhì)電子云密度比較大，電子躍遷容易，對(duì)電子的束縛能力比較弱，就容易被氧化劑捕獲，所以我們看到易被氧化的成分大多具有共軛結(jié)構(gòu)，當(dāng)然不限于雙鍵交替、苯環(huán)這種π-π共軛，還包括p-π共軛。

常用的酚類(lèi)成分除了間苯二酚類(lèi)，還有對(duì)羥基苯乙酮，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)羥基苯乙酮是比較穩(wěn)定的成分，雖然也有變色的風(fēng)險(xiǎn)，但是相比4-丁基間苯二酚、熊果苷穩(wěn)定不少，為什么？

這就要提到電子效應(yīng)了，電子效應(yīng)是取代基導(dǎo)致分子中電子云密度分布改變的效應(yīng)。從結(jié)果上看，電子效應(yīng)分為吸電子效應(yīng)和給電子效應(yīng)，吸電子效應(yīng)使分子某部分電子云密度降低，給電子效應(yīng)使分子某部分電子云密度升高。

苯是一種非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，苯酚就比較容易氧化，氫醌穩(wěn)定性再差一些，間苯二酚再差一些。原因是苯環(huán)上的-OH上的O未共用電子對(duì)與苯環(huán)形成p-π共軛，呈現(xiàn)給電子共軛（-OH也具有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，在苯環(huán)上，給電子共軛強(qiáng)于吸電子誘導(dǎo)，整體表現(xiàn)出給電子效應(yīng)），利于氫的離解，提高了苯環(huán)上的電子云密度。（pKa反映酸性物質(zhì)的電離程度，值越小，酸性越強(qiáng)，苯酚 pKa = 9.98， 對(duì)苯二酚pKa = 9.96 ，鄰苯二酚 pKa=9.40，間苯二酚 pKa=9.30，酸性強(qiáng)弱不代表容易氧化的強(qiáng)弱）

如果我們?cè)诜拥慕Y(jié)構(gòu)上加上一些基團(tuán)，比如對(duì)羥基苯乙酮，連接苯環(huán)的是一個(gè)羰基，由于羰基具有吸電子效應(yīng)，從而在整體上降低了苯環(huán)的電子云密度，不容易被氧化，表現(xiàn)出不容易變色。α-熊果苷苯環(huán)上直接連接的-O-雖然也具有給電子共軛，但由于葡萄糖的電負(fù)性比較高，可能吸電子誘導(dǎo)要占據(jù)更主要的地位，于是α-熊果苷的穩(wěn)定性也比較好。但4-丁基間苯二酚就不一樣了，烷基一般給電子效應(yīng)較強(qiáng)，進(jìn)一步增加了體系的電子云密度，所以也就更容易被氧化（我們可以通過(guò)該理論去解釋一些成分，比如α-生育酚是4種構(gòu)型中最容易被氧化的）。我們嘗試在4-丁基間苯二酚的苯環(huán)上引入了一個(gè)弱吸電子基團(tuán)（見(jiàn)圖），用同樣的配方打了一個(gè)霜（未做抗氧化保護(hù)），2個(gè)月之后，4-丁基間苯二酚的霜明顯變黃，而引入吸電基的產(chǎn)品基本沒(méi)變色，見(jiàn)圖（黑素細(xì)胞功效測(cè)試，美白功效會(huì)打折扣）

圖1. 4-丁基間苯二酚與引入吸電基的結(jié)構(gòu)

圖2. 左邊是將4-丁基間苯二酚引入吸電基之后的成分做的霜，右邊是4-丁基間苯二酚做的配方

在上面我們還引入了一個(gè)pKa值，代表一個(gè)成分的解離程度。我們?cè)谌粘５慕?jīng)驗(yàn)中，能明顯感受到，在偏酸性的條件下，間苯二酚的體系會(huì)更穩(wěn)定，這是什么原因？

因?yàn)榉恿u基容易電離，如果將酚羥基上的氫電離之后，那就形成氧負(fù)離子，進(jìn)一步增加了體系的電子云密度，導(dǎo)致更容易被氧化。（見(jiàn)圖3，可能兩個(gè)-OH的電離有一定比例，圖3只是示意圖，不代表真實(shí)情況）

圖3. 4-丁基間苯二酚的電離

所以我們一般需要調(diào)節(jié)pH來(lái)盡可能控制產(chǎn)品的穩(wěn)定性，那pKa值和pH有什么關(guān)系？

通過(guò)該公式可以得出，當(dāng)pH=pKa時(shí)，此時(shí)體系中該分子解離的濃度和未解離的濃度相等，也就是50%的分子處在離子狀態(tài)。如果我們要控制有90%的成分在分子狀態(tài)，pH要比pKa小1，同理，如果要保持99%的分子狀態(tài)，pH就要比pKa小2。

因此如果體系中多酚類(lèi)的化合物比較多（植提、美白成分等），我們需要注意pH。

現(xiàn)在有一個(gè)新的美白成分——二葡糖基棓酸，本身?xiàng)斔峋哂泻芎玫拿腊卓寡趸Ч尤雰蓚€(gè)葡糖基，進(jìn)一步增加了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和水溶性。鞣花酸是棓酸的二聚體就比較麻煩了，它不溶于水和醇，溶于稀堿溶液，即通過(guò)電離使其成鹽，增大溶解性，可是一旦成鹽，穩(wěn)定性將變差，很容易被氧化。

圖4. 棓酸及其衍生物的結(jié)構(gòu)

在護(hù)膚品的氧化變色（二）——水溶性成分的穩(wěn)定性這篇文章中，我提到橄欖苦苷會(huì)和焦亞硫酸鈉反應(yīng)，于是得出結(jié)論焦亞硫酸鈉可能對(duì)顏色可以保護(hù)，但對(duì)活性物不一定有保護(hù)的結(jié)論。其實(shí)焦亞硫酸鈉（或者亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、二氧化硫?qū)儆谕?lèi)成分）是醫(yī)用Vc注射液的保護(hù)劑，也是很多活性成分的保護(hù)劑，為什么？

其實(shí)亞硫酸鹽與雙鍵的反應(yīng)屬于親核加成，即雙鍵上電子云密度低就更利于該反應(yīng)，所以在磺基琥珀酸鹽合成過(guò)程中，順酐酯化之后無(wú)需中和，就直接加成，為了保證羧基盡可能少解離，保持羧基的吸電子效應(yīng)，而橄欖苦苷上恰好有一個(gè)雙鍵滿足了這個(gè)條件，易于被亞硫酸鹽加成，見(jiàn)圖6。

圖5. 二氧化硫?qū)﹄p鍵的加成來(lái)漂白

 圖6. 橄欖苦苷的結(jié)構(gòu)以及可以被亞硫酸鹽加成的地方

而Vc為什么可以被亞硫酸鹽保護(hù)呢？因?yàn)閂c的雙鍵上有兩個(gè)-OH，形成給電子共軛效應(yīng)，增加了雙鍵上的電子云密度，所以這個(gè)雙鍵容易被氧化，但是不易被亞硫酸鹽加成，同理，酚類(lèi)也是如此，所以亞硫酸鹽同樣也能保護(hù)酚類(lèi)。

圖7. Vc的結(jié)構(gòu)

那Vc如何保持穩(wěn)定？我們從Vc的氧化過(guò)程中，2,3號(hào)位的-OH最后生成酮，其實(shí)并不是Vc的兩個(gè)-OH被氧化。因?yàn)橄┐际奖旧矸€(wěn)定性比較差，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥浇Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖）。在抗氧化——機(jī)理這篇公眾號(hào)中，我們解釋了這方面的原理。

 圖8. Vc的氧化過(guò)程

 圖9. Vc的烯醇式與酮式轉(zhuǎn)化

Vc具有比較強(qiáng)的酸性，主要是2，3號(hào)位的-OH電離出氫（可能主要是3號(hào)位，不一定準(zhǔn)確），生成氧負(fù)離子，進(jìn)一步增加了體系的電荷密度，因而容易被氧化。Vc的pKa為4.17，如果要保持90%的分子形態(tài)，pH需要到3.17，所以我們經(jīng)常聽(tīng)到原型Vc需要使pH低于3.5或者3.0，會(huì)更穩(wěn)定一些，原因就是如此。

圖10. Vc的電離

那Vc的衍生物呢？

我們只需要把Vc的2,3號(hào)位-OH保護(hù)一個(gè)，就可以大大增加Vc的穩(wěn)定性，比如Vc乙基醚、Vc葡糖苷、Vc磷酸酯鈉/鎂等（見(jiàn)表1和圖11，Vc只被氧化1個(gè)-OH，另一個(gè)轉(zhuǎn)化為酮式結(jié)構(gòu)，非被氧化），保護(hù)其它羥基是沒(méi)有作用的，比如經(jīng)常被用作抗氧化劑的抗壞血酸棕櫚酸酯，它的6號(hào)位被棕櫚酸接上了，但是起到抗氧化作用的2,3號(hào)位并沒(méi)有被保護(hù)，而且由于棕櫚酸這個(gè)疏水基團(tuán)的引入，破壞了Vc本身致密的晶型，導(dǎo)致Vc棕櫚酸酯更容易在空氣中吸潮而變色（Vc在晶體狀態(tài)下并不容易被氧化）。VCIP就十分變態(tài)的把4個(gè)羥基全部酯化了，增加了它的油溶性和對(duì)皮膚的滲透能力。不過(guò)這些衍生物進(jìn)入皮膚被水解生成Vc之后才能發(fā)揮作用，效率明顯低了不少。

表1. 不同Vc衍生物的特性以及功效驗(yàn)證

圖11. Vc各種衍生物的結(jié)構(gòu)

當(dāng)然某些成分，比如肌肽，它的pH控制就比較有意思，肌肽的α-碳（圖12上紅圈處）上面的氫容易離解生成碳正離子，導(dǎo)致共軛體系延長(zhǎng)，吸收光譜紅移，因此變成黃色。我們需要將pH調(diào)整至其等電點(diǎn)附近，羧基呈微弱的解離，增加其給電子效應(yīng)，避免氫離解，達(dá)到穩(wěn)定的效果。（脫羧肌肽不存在這個(gè)情況）

圖12. 肌肽的結(jié)構(gòu)

藍(lán)銅肽是一個(gè)比較特殊的成分，由于銅離子是被三肽-1螯合起來(lái)的（見(jiàn)關(guān)于“肌肽與脫羧肌肽的作用”中一些問(wèn)題的說(shuō)明），所以銅離子與三肽-1之間的力并不是十分緊密，如果加入其它能夠與銅離子反應(yīng)的成分，比如EDTA能直接螯合銅離子，使顏色變深，肌肽或者脫羧肌肽也可以螯合銅離子，使產(chǎn)品變得偏淡紫色（是否引起功效的改變不做討論），以及各種陰離子成分包括增稠劑都可能使銅離子從三肽-1的懷中脫離出來(lái)，所以藍(lán)銅肽的配方成分要盡可能簡(jiǎn)單一些。

其實(shí)除了調(diào)控pH來(lái)控制活潑氫的電離，我們還可以通過(guò)降低水活度來(lái)達(dá)到這個(gè)效果。

曾經(jīng)我得到一款美白產(chǎn)品（成品），具有很強(qiáng)的美白祛斑作用（會(huì)脫皮），而且光照加熱不變色，我把它溶于水，第二天，顏色就變成酒紅色（見(jiàn)圖13），說(shuō)明里面有酚的結(jié)構(gòu)，那為什么原產(chǎn)品不變色呢？

圖13. 某公司美白產(chǎn)品（左）及其水溶液（右）

因?yàn)樵摦a(chǎn)品中很可能不含水或者水很少。不含水，那酚類(lèi)成分就無(wú)法電離，保持原始形態(tài)，而且體系中溶解氧更少，自然也就不容易氧化變色。其實(shí)Vc四大天王里面除了仙麗施，其它的品牌都加了大量的醇，包括國(guó)產(chǎn)一些品牌的Vc精華。由于醇能降低水活度，因而也能提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性，當(dāng)然犧牲膚感是在所難免的。除此之外，增稠劑也能降低水的活度。

還有一類(lèi)易氧化的成分，就是不飽和雙鍵，在護(hù)膚品的氧化變色（一）——油脂穩(wěn)定性中，已經(jīng)對(duì)機(jī)理做了詳細(xì)闡述。但是我們?nèi)粘?huì)遇到一個(gè)非常頭疼的成分——Va醇，Va醇極易被氧化，純的Va醇在空氣中只需要兩三個(gè)小時(shí)就迅速被氧化，很多人以為它是被氧化成Va醛或者Va酸，這個(gè)只有很少部分，絕大部分是它的不飽和鍵被氧化了（見(jiàn)圖14），只有在體內(nèi)有酶的作用才會(huì)被轉(zhuǎn)化為Va酸。Va醇雖然在抗衰、美白等方面是天花板級(jí)的存在，但對(duì)配方的要求比較高，而且貨物的周轉(zhuǎn)周期要很快，因此就有了很多公司開(kāi)發(fā)具有維甲酸靶點(diǎn)的非原型Va成分，比如最近火熱的補(bǔ)骨脂酚、三葉鬼針草提取物等植物A醇成分。

 圖14. 視黃醇在UVC（254nm）下的光分解產(chǎn)物

既然Va醇如此不穩(wěn)定，是不是就沒(méi)法用了，當(dāng)然不是。

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