Електронна будова і спектральні властивості 3-гетарилхромонів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ В. Н. КАРАЗІНА

АВТОРЕФЕРАТ

ЕЛЕКТРОННА БУДОВА І СПЕКТРАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ 3_ГЕТАРИЛХРОМОНІВ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК:

кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Рошаль Олександр Давидович, Науково-дослідний інститут хімії при Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна, старший науковий співробітник

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Сахно Тамара Вікторівна, Полтавське відділення Академії наук технологічної кібернетики, заступник керівника

кандидат хімічних наук, доцент Пивоваренко Василь Георгійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, доцент кафедри органічної хімії

ПРОВІДНА УСТАНОВА:

ДНУ “НТК “Інститут монокристалів” НАН України відділ органічних люмінофорів і барвників, м. Харків.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4).

Автореферат розісланий “ 12 ” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук Панченко В. Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. 3-тіазолілхромони є новим класом біологічно активних речовин, що мають кардіостимуляторну та канцеростатичну дію. Цей клас сполук, на відміну від відомого класу природних речовин 3-фенілхромонів (ізофлавонів), не має побічного естрогенного ефекту, і тому ці сполуки є більш перспективними для розробки нових фармацевтичних препаратів. Однак впровадження у практику таких препаратів потребує, у свою чергу, розробки методів аналізу цих сполук на всіх етапах від синтезу до контролю якості готової продукції. Тому дуже актуальним є дослідження фізико-хімічних властивостей протолітичних форм 3_тіазолілхромонів з метою розробки методів їх якісного та кількісного визначення.

Дисертаційну роботу присвячено вивченню спектральних та кислотно-основних властивостей 3-тіазоліл- та 3-фенілхромонів у основному та збудженому станах; виявленню інтервалів кислотності, де існують різні протолітичні форми зазначених речовин, оцінці здатності різних протолітичних форм до світловипромінювання з метою їх використання як джерела сигналу для детекції цих речовин. Робота також включає теоретичне дослідження смуг поглинання та флуоресценції, визначення природи електронних переходів, а також дослідження зв'язку між характером замісників у хромоновому і гетарильному фрагментах та спектральними і кислотно-основними властивостями.

Оскільки похідні хромону мають інтенсивну флуоресценцію, вони є перспективними зондами для біологічних систем; дослідження впливу середовища на 3-тіазолілхромони з метою використання останніх як біозондів також є дуже актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є частиною планових досліджень, які проводились в НДІ хімії при Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна в рамках держбюджетної теми “Нові флуоресцентні зонди і барвники-мітки біоконюгатів для біологічно-орієнтованих досліджень”, № держреєстрації 0104U00659.

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є вивчення електронної будови, спектральних властивостей і механізму взаємоперетворення протолітичних форм 3-тіазолілхромонів в основному та збудженому станах.

Для досягнення мети було необхідним вирішення таких завдань:

1. Дослідження спектральних властивостей похідних 3-тіазолілхромону в порівнянні з 3_фенілпохідними подібної будови.

2. Віднесення смуг у спектрах поглинання 3-тіазолілхромонів до визначених хромофорних фрагментів молекул.

3. Теоретична оцінка стабільності та вірогідних механізмів взаємоперетворення протолітичних форм в основному та збудженому станах.

4. Дослідження змін спектральних властивостей 3-тіазолілхромонів в інтервалі рН/Н₀ від 11 до -10; оцінка спектральних характеристик кожної протолітичної форми.

5. Оцінка констант протолітичних рівноваг досліджуваних сполук в основному та збудженому станах.

Об'єкти дослідження. Похідні 3-тіазоліл- та 3-фенілхромону (3-ТХ та 3-ФХ відповідно).

Предмет дослідження. Єлектронна будова, спектральні та кислотно-основні властивості 3-тіазоліл- та 3-фенілхромонів в основному та збудженому станах.

Методи дослідження. При проведенні досліджень були використані методи електронної абсорбційної та флуоресцентної спектроскопії при стаціонарному та імпульсному збудженні. Оптимізацію геометрії, розрахунки термодинамічних та спектральних характеристик різних протолітичних форм молекул здійснювали за допомогою напівемпіричних методів АМ1, PPP та CNDO/S. Розрахунки молекулярної динаміки у воді проводили за допомогою пакета програм GROMOS96.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше проведено дослідження природи електронних переходів у спектрах поглинання та випромінювання 3_тіазолілхромонів.

2. Вперше встановлено механізм утворення і взаємоперетворення протолітичних форм 3_тіазолілхромонів в S₀ та S₁ станах. Розраховано величини констант протолітичних рівноваг цих форм.

3. Вперше зроблено теоретичний аналіз стабільності та випромінювальної здатності протолітичних форм 3_тіазолілхромонів у збудженому стані.

4. Вперше проведена теоретична оцінка термодинамічних параметрів фотодисоціації 3_тіазолілхромонів та механізму утворення їх таутомерних форм.

5. Вперше проведено системне дослідження спектральних властивостей усіх протолітичних форм 3_тіазолілхромонів та модельних 3-фенілхромонів в широкому інтервалі рН/Н₀.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати дослідження складають основу для розробки методів аналізу 3_тіазолілхромонів у фармацевтичній промисловості. Встановлені залежності спектральних характеристик від структури молекул 3_тіазолілхромонів можуть бути використані для розробки перспективних флуоресцентних зондів для визначення кислотності середовища.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні вимірювань електронних спектрів поглинання та флуоресценції, у визначенні констант дисоціації та протонування, у визначенні часу життя молекул протолітичних форм 3-тіазолілхромонів у збудженому стані, у математичній обробці та узагальненні отриманих результатів. Також здобувач брав участь у формуванні основних наукових задач дослідження, їх методичних та експериментальних рішень, в аналізі та інтерпретації отриманих результатів, у написанні статей, обґрунтуванні та формулюванні висновків. Автор висловлює подяку А. О. Дорошенку за участь в обговоренні одержаних результатів, О. В. Кириченку за проведення розрахунків методом молекулярної динаміки та В. П. Хилі за надання речовин для проведення досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на 7 наукових конференціях республіканського та міжнародного рівня: XVI Міжнародна школа-семінар “Спектроскопія молекул і кристалів” (м. Севастополь, 2003); VII міжнародна науково-практична конференція “Наука і освіта 2004” (м. Дніпропетровськ, 2004); V Всеукраїнська конференція студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2004); XXII Міжнародна конференція з поліфенолів (Фінляндія, м. Гельсінкі, 2004); XX Українська конференція з органічної хімії (м. Одеса, 2004); III Всеукраїнська конференція молодих вчених і студентів з актуальних питань хімії, (м. Харків, 2005); XVII Міжнародна школа-семінар “Спектроскопія молекул і кристалів” (м. Берегове, 2005).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 4 статті в українських та міжнародних наукових фахових журналах, 7 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку літературних джерел 130 найменувань. Дисертація викладена на 119 сторінках, містить 27 рисунків, 11 схем і 17 таблиць.

У першому розділі представлено огляд літературних даних щодо методів синтезу 3_феніл- та 3-тіазолілхромонів, електронної будови, кислотно-основних та спектрально-люмінесцентних властивостей похідних хромону. Проведено аналіз літературних даних щодо реакцій міжмолекулярного переносу протона в молекулах гетарилхромонів.

У другому розділі описано експериментальні методи, визначення констант дисоціації та протонування, сформульовано принципи теоретичних підходів до визначення спектральних параметрів 3-гетарилхромонів квантово-хімічними методами та оцінки констант протолітичних рівноваг 3-тіазоліл - та 3_фенілхромонів у збудженому стані.

Третій розділ присвячено теоретичному вивченню електронної будови та природі смуг у спектрах поглинання та флуоресценції 3-тіазоліл- і 3_фенілхромонів, віднесення розрахованих електронних переходів до експериментальних спектрів. Тут також висвітлюється експериментальне визначення спектральних та кислотно-основних властивостей 3_гетарилхромонів, що обумовлені різною природою замісників. Проведено теоретичну оцінку флуоресцентних характеристик різних протолітичних форм 3-феніл- та 3_тіазолілхромонів, описано механізми їх утворення.

Основний зміст роботи

Електронна будова і спектральні властивості похідних хромону

	R1	R2	R3	R4	R5
Ia Ib Ic Id Ie If Ig Ih Ii	- -OH -OCH3 -OH -OCH3 -OH -OCH3 -OH -OCH3	- - - - - -CF3 -CF3 -CF3 -CF3	- - - -CH3 -CH3 - - -CH3 -CH3	- - - - - - - - -	- - - - - - - - -
IIa IIb IIc IId IIe IIf IIg IIh	-OH -OH -OH -OCH3 -OH -OCH3 -OH -OCH3	- - - - - - - -	- - - - - - - -	- - -C2H5 -C2H5 -C2H5 -C2H5 -C2H5 -C2H5	- -OCH3 - - -OCH3 -OCH3 -NO2 -NO2

3_фенілхромони, як було згадано раніше, є поширеною групою природних речовин, тому їх фізико-хімічні властивості вже частково освітлені в літературі. Дослідження електронної будови і спектральних властивостей синтетичних 3_тіазолілхромонів та їх похідних було проведено з використанням 3_фенілхромонів як модельні речовини. Структури досліджуваних сполук 3_тіазоліл- (I) та 3_фенілхромонів (II) наведені на рисунку 1.

Природа електронних спектрів похідних хромону

Квантово-хімічне дослідження природи електронних спектрів похідних хромону проводили для найбільш поширених похідних (Ib, IIb,), які мають гідроксильну групу в положенні 7 хромонового фрагмента.

На першій стадії було проведено оптимізацію геометрії молекул методом АМ1. Далі досліджування проводили методами РРР і CNDO/S Врахування відхилення молекул від планарності в методі PPP здійснювалося шляхом коректування значення резонансного інтегралу зв'язку хромон - тіазоліл/феніл (в) за формулою: в = в₀·cos²И, де в₀ - максимальне (за модулем) значення резонансного інтеграла, характерне для зв'язку між фрагментами (прийнято - 2,11 eV), И - торсіонний кут між фрагментами.

Віднесення електронних переходів до смуг поглинання у спектрах 3_тіазолілхромона і 3_фенілхромона проводили шляхом дослідження характеру локалізації молекулярних орбіталей на фрагментах молекул та проведення аналізу конфігураційної взаємодії. Для підтвердження зроблених висновків було проведено аналіз чисел переносу заряду і чисел локалізації збудження.

Квантово-хімічні розрахунки показали, що усі досліджені р-орбіталі молекул мають чітку локалізацію на хромоновому (СН) та на тіазольному (TA) або фенільному (РН) фрагментах, а електронні переходи обумовлені локальними "хромоновими", низько інтенсивними локальними "тіазольними" або "фенільними" переходами, а також переходами з міжфрагментним переносом заряду за участю орбіталей обох типів. Згідно з цим, були відокремлені три хромофорні фрагменти: хромоновий (СН), тіазольний (TA) або фенільний (РН), а також вся молекула тіазолілхромону (TC) або фенілхромону (РС).

Крім того, хромофором також є карбонільна група, на якій локалізовано довгохвильовий nр*_перехід.

Віднесення смуг у спектрах поглинання до розрахованих електронних переходів показало, що усі інтенсивні смуги у спектрах, починаючи від 240 нм, обумовлені переходами, що локалізовані на хромоновому фрагменті. Про це говорить аналіз локализації орбіталей, величини чисел переносу заряду з гетарильного на хромоновий фрагмент (l_ARCH) та числа локализації збудження на хромоновому (L_СH) й арильному (тіазольному L_ТA, фенільному L_РH) фрагментах, відповідно до наведених у таблиці 1. Переходи тіазольного та фенільного типу (ТА, РН), а також nр*- перехід мають низьку силу осцилятору (f) та на вигляд спектральних кривих не впливають. Переходи з міжфрагментним переносом заряду (ТС, РС), знаходяться в області 220-250 нм. Вони обумовлюють різницю в експериментальних спектрах тіазоліл- та фенілхромонів. Параметри цих переходів залежать як від типу бокового циклу та замісників в ньому, так і від величини торсійного кута між цим циклом та хромоновим фрагментом (для 3_фенілхромонів И складає 35_40, тоді як для 3_тіазолілхромонів дорівнює нулю).

Флуоресцентні властивості хромонів обумовлені наявністю довгохвильового забороненого nр*-переходу. Оскільки дезактивація nр*_збудженого стану відбувається через триплетні рр* стани, що лежать нижче, флуоресценція нейтральних форм 3-гетарилхромонів відсутня.

Для аніонних форм 3_тіазоліл- і 3_фенілхромонів характерні електронні переходи тих же типів, що й у нейтральних форм, проте, довгохвильовий перехід СН-типу має більш низьку енергію, ніж nр*_перехід, у результаті чого аніони речовин, що досліджуються, мають інтенсивну флуоресцію.

У випадку утворення катіона шляхом протонування тіазольного циклу локалізація хромофорних фрагментів зберігається тією ж, що і в нейтральних молекул, однак довгохвильовий перехід також має рр*-природу. При протонуванні карбонільної групи замість хромофору СН-типу утворюється новий пірилієвий хромофор, а перехід nр*-типу зникає.

Таблица 1 Параметри довгохвильових електронних рр*-переходів у молекулах хромонів Ib і IIb

Перехід	л*, нм	н*, см-1	f	LCH	LAR	lARCH	Конфігураційний склад	Тип переходу
7-гідрокси-3-тіазолілхромон
Ш1	313	31940	0,175	95,6	4,4	7	0,30 ч211' +0,59 ч221'	CH
Ш2	295	33950	0,253	79,3	20,7	11	0,52 ч221'	CH
Ш3	263	38060	0,784	89,6	10,4	8	0,61 ч221' +0,53 ч231'	CH
Ш4	256	39030	0,120	76,9	23,1	43	0,50 ч211' +0,51 ч212'	TСCH
Ш5	247	40890	0,060	77,9	22,1	26	0,48 ч231' +0,41 ч232'	TСCH
7-гідрокси-3-фенілхромон
Ш1	311	32180	0,136	99,2	0,8	1	0,74 ч211'	CH
Ш2	281	35650	0,168	88,7	11,3	7	0,72 ч212'	CH
Ш3	274	36450	0,000	5,3	94,7	0	0,48 ч224' +0,40 ч233'	PH
Ш4	258	38710	0,761	95,2	4,8	2	0,44 ч211'	CH
Ш5	246	40730	0,299	87,5	21,5	18	0,58 ч212' +0,45 ч221'	CH

* - довжина хвилі та хвильове число максимуму електронного переходу.

Кислотно-основні властивості 3-тіазолілхромонів

Як виходить із структурних формул, сполуки Ib, Id, If, Ih, IIb, IIс, IIе і Iig мають здатну до дисоциації гідроксильну групу та в лужних середовищах можуть дисоціювати з утворенням аніону. Показники констант, що характеризують процеси дисоціації 3_тіазоліл- і 3_фенілхромонів, наведені в таблиці 2. Як видно, молекули 3-ТХ та 3_ФХ виявляють схожі кислотні властивості.

Таблиця 2 Константи дисоціації 3-гетарилхромонів

3-ТХ	pKa	3-ФХ	pKa
Ib	8.55 0.01	IIb	8.50 0.01
Id	8.71 0.01	IIc	9.03 0.01
If	8.12 0.01	IIe	9.56 0.01
Ih	8.11 0.01	IIg	8.90 0.01

Рис. Схема дисоціації 3- тіазолілхромонів

Аналіз впливу замісників у цих молекулах на величини констант кислотності pK_a дозволив установити такі закономірності:

* метилювання тіазольного циклу 3-ТХ (сполуки Id, If) не викликає значимої зміни кислотності 7-гідроксигрупи, тоді як введення електроноакцепторної CF₃-групи спричиняє деяке збільшення кислотності 3-ТХ (до 0,6 одиниць pK_а);

* наявність етильної групи в положенні 6 хромонового циклу (сполуки IIc, IIe і IIg) знижує кислотність 3_ФХ і змінює їхнє pK_а на 0,5 _ 1 одиницю;

* введення нітрогрупи в положення 4ґ фенільного фрагменту (сполука IIg) викликає відносне підвищення кислотності ( на 0,4 од. pK_а у порівнянні з IIс і IIе).

Невеликий вплив замісників на кислотні властивості 7-гідроксихромонів обумовлений їхнім слабким електронним впливом (-С₂Н₅) або віддаленістю від 7_гідроксигрупи.

Всі досліджувані речовини є слабкими основами завдяки наявності оснувних центрів - атома Оксигену карбонільної групи в усіх 3-ТХ і 3-ФХ та атому Нітрогену в тіазольному циклі 3_ТХ. Відповідно, протонування спричиняє утворення одного (3-ФХ) чи двох (3-ТХ) катіонів різної природи. Оскільки обидва оснувних центри 3_тіазолілхромонів мають приблизно однакові константи протонування (рК_b=-2,4), важливим є питання про механізм приєднання протону до цих сполук.

Порядок протонування був установлений на основі аналізу експериментальних спектральних характеристик 3_тіазолілхромонів, порівняння теоретичних та експериментальних спектрів поглинання, а також зіставлення величин енергій Ґіббса () для відповідних рівноваг, розрахованих за допомогою методу АМ1.

Розрахунок енергій Ґіббса показав, що для монокатіонів, одержаних шляхом протонування карбонільної групи, величини складають від -862,8 до -836,3 кДж/моль для різних похідних, що значно вище, ніж для монокатіонів потонованих по атому Нітрогену (_927,9 - _931,6 кДж/моль). Отже, за результатами розрахунків першою стадією протонування 3_ТХ є приєднання протона до атома Нітрогена тіазольного циклу.

Аналогічний висновок може бути зроблений у результаті аналізу серій спектральних кривих, отриманих при титруванні 3-ТХ в кислій області (рис 6). Приєднання першого протону спричиняє невеликий батохромний зсув довгохвильової смуги поглинання (до 10 нм), у той час як утворення дикатіона викликає батохромний зсув до 50 нм (в залежності від замісників).

Таблиця 3 Константи протонування 3-тіазоліл- і 3-фенілхромонів

3-ТХ	pKb1	pKb2	3-ФХ	pKb
Ib	-2,25 0,11	-5,64 0,11	IIb	-2,86 0,06
Ic	-2,13 0,08	-5,58 0,11	IIc	-2,37 0,09
Id	-2,99 0,33	-6,39 0,35	IId	-2,31 0,10
Ie	-2,60 0,29	-6,05 0,27	IIe	-2,38 0,03
If	-3,52 0,22	-7,08 0,25	IIf	-2,47 0,04
Ig	-3,71 0,25	-7,28 0,25	IIg	-3,60 0,04
Ii	-4,20 0,02	-7,21 0,09	IIh	-3,52 0,04

Ці зміни добре корелюють з результатами квантово-хімічних розрахунків: протонування тіазольного циклу викликає невелике зменшення енергії переходів СН-типу і відповідно до маленького батохромного зсуву. Протонування атому Оксигену карбонільної групи спричиняє появу переходів пірилієвого типу, які мають більш низьку енергію, що обумовлює значний батохромний зсув довгохвильової смуги поглинання.

Співставлення констант протонування для молекул 3_гетарилхромонів (табл. 3) дозволило виявити такі закономірності:

* метилювання гідроксигрупи в положення 7 хромонового циклу не викликає достовірно значиму зміну констант основності в рядах 3_тіазолілхромонів (сполуки Ib, Ic) і 3_фенілхромонів (сполуки IIc, IId);

* введення метильної групи в положення 3 тіазольного фрагмента (сполуки Iс, Ie, Ii) спричиняє достовірне збільшення обох констант на 0,5-1,0 порядка;

* введення електроноакцепторного угрупування CF₃ (сполуки If, Ig, Ii) збільшує обидві константи на порядок і більше.

Як видно з таблиці 3, введення замісників викликає паралельне “зміщення” значень констант протонування 3_тіазолілхромонів за першим та другим ступенями. У випадку похідних If, Ih і Ii зниження основності 3-ТХ незалежно від місця приєднання першого протона обумовлене введенням електроноакцепторної CF₃-групи, яка знаходиться у прямому супряженні як з карбонільним фрагментом, так і з атомом Нітрогену тіазольного циклу.

У сполук з метильним замісником в тіазольному циклі (Id, Ie, Ig, Ii) симбатна зміна констант першого і другого порядку можлива, лише якщо першим протонується тіазольний цикл: передавання електронних ефектів з катіона тіазольного на хромоновий фрагмент є значно більшим, ніж із хромілієвого чи бензопірилієвого катіона на тіазольний цикл. Це обумовлено тим, що відповідно до розрахунків монокатіони 3-ТХ із зарядом на тіазольному кільці зберігають планарну будову, а протонування хромонового фрагмента призводить до розуплощення молекули (кут між площинами хромілієвого і тіазольного фрагментів збільшується до 50-60°).

Прототропні перетворення 3-тіазолілхромонів у збудженому стані

Аналіз будови 3_тіазолілхромонів показав, що у збудженому стані можуть існувати вісім різних протолітичних форм. Окрім нейтральної (N), аніонної (A) і катіонних форм (С_N, С_O, D), можливе утворення трьох таутомерів: двох нейтральних (T_N, T_O) та одного катіонного типу (С_T).

Таблиця 4 Ентальпії утворення (ккал/моль) ізомерних форм деяких 3-тіазолілхромонів у збудженому стані

	Нейтральні форми	Монокатіони
	N*	TO*	TN*	CO*	CN*	CТ*
Ia	55.7	42.9	18.6	190.5	178.2	173.1
Ib	60.5	-	-	191.1	178.6	-
Ie	-90.1	-100.2	-125.9	43.9	39.7	36.5
Ig	-99.9	-	-	60.8	38.1	-

Для того щоб видібрати форми, які могли б існувати у збудженому стані, нами був проведений аналіз розрахованих ентальпій утворення цих форм та енергетичних характеристик електронних переходів в теоретичних спектрах флуоресценції.

Аналіз розрахованих ентальпій утворення (), представлених у таблиці 4, показав, що утворення монокатіона (C_O) і нейтрального таутомера (T_O) протонованих по карбонільній групі енергетично не вигідне. Отже, для 3_тіазолілхромонів у збудженому стані характерна така ж послідовність приєднання протону, що і в основному стані - спочатку до тіазольного цикла, а потім до карбонільної групи.

Таблиця 5 Розраховані максимуми флуоресценції можливих форм 3_тіазолілхромонів у збудженому стані

	лфл ,нм
	A*	N*	TN*	CN*	CT*	D*
Ib	469	440	923	439	675	427
Ic	-	414	-	447	-	426
If	509	440	960	434	730	431
Ii	-	436	-	437	-	431

Порівняння максимумів флуоресценції, наведених у таблиці 5, показало, що для нейтрального таутомера T_N* енергія переходу менша за 1 еВ (920_960 нм) і таким чином, ця форма не буде флуоресціювати через інтенсивну внутрішню конверсію. Як вже відзначалося раніше, нейтральна форма також не повинна мати власної флуоресценції через наявність довгохвильового nр*_переходу. В результаті флуоресценція повинна спостерігатися тільки у моно- та дикатіонної форм, а також у аніона та катіон-таутомерної форми у випадку 7_гідроксипохідних. Згідно з розрахунками, у короткохвильовому диапазоні повинна спостерігатися смуга дикатіона, а у довгохвильовій - смуга катіон-таутомера.

Таблиця 6 Константи дисоціації і протонування 3_ТХ і 3_ФХ у збудженому стані, оцінені за методом Ферстера

3-ТХ	pK*a	pK*b1	pK*b2	3-ФХ	pK*a	pK*b
Ib	1.9	1.4	-4.5	IIb	1.1	5.5
Ic	-	1.7	-4.8	IIc	-	5.8
Id	0.1	1.6	-4.7	IId	0.9	7.6
Ie	-	1.1	-4.25	IIe	2.0	7.9
If	0.3	0.1	-5.3	IIf	-	7.7
Ih	0.2	0.5	-6.8	IIg	1,0	3,8
Ii	-	0.6	-6.2	IIh	-	3,6

Константи взаємоперетворень протолітичних форм 3_ТХ і 3-ФХ у збудженому стані (таблиця 6) були оцінені на основі експериментальних даних за методом Ферстера.

Отримані на основі експериментальних кривих області рН/Н₀, де існує кожна з досліджуваних форм для сполуки Ib в основному (а) та збудженому (b) станах. Різниця у величинах рК_а (табл.3) и рК_а* (табл.6), що дорівнює у деяких випадках 5-7 одиниць рН, свідчить про різке зростання кислотності 7_гідроксигрупи при збудженні. Це обмовлює фотодисоціацію нейтральної форми 3_ТХ та збільшення інтервалу рН, де існує збуджена аніонна форма, у порівнянні з основним станом (до рН = 0).

Привертає до себе увагу зміна інтенсивності випромінювання аніонної форми - перший перегин кривої відповідає рівновазі аніон - нейтральна форма в основному стані, другий перегин - тій же рівновазі у збудженому стані.

Область існування збуджених катіонних форм також розширюється, але в значно меншому ступені. На основі аналізу взаємного розташування смуг в спектрах флуоресценції та інтервалів рН/Н₀, в яких реєструються ці смуги, нами було проведено віднесення останніх до

кислотно-основних форм 3_тіазолілхромонів, що існують у збудженому стані.

Основні спектральні характеристики 3_тіазолілхромонів наведені в таблиці 7. Як видно із даних таблиці, випромінювання аніонної форми характеризується високим Стоксовим зсувом. Подібний ефект, напевно, обумовлений сольватною складовою релаксаційних процесів у збудженому стані. Він є також характерним і для аніонів 3_фенілхромонів.

Введення акцепторної CF₃-групи в положення 2 веде до стабілізації аніонної форми за рахунок більшої делокалізації негативного заряду хромонового фрагмента, що, в свою чергу, обумовлює значне батохромне зміщення максимума полоси випромінювання аніона. Разом з цим, CF₃-група створює стеричні перешкоди, які сприяють виведенню тіазольного циклу з площини молекули в основному стані і додатковому збільшенню торсійного кута між фрагментами за рахунок зниження міжфрагментного переносу заряда. Такі стеричні і електронні ефекти призводять до істотного зменшення квантового виходу флуоресценції і зниження часу життя аніону CF₃-похідних в S₁-стані.

Аналіз констант швидкостей первинних фотофізичних процесів у збуджених аніонних формах свідчить, що зміна спектральних характеристик при введенні акцептора обумовлена зростанням швидкості безвипромінювальних процесів на 1_2 порядка.

Високі значення Стоксових зсувів катіонних форм обумовлені значними структурно-релаксаційними процесами у збудженому стані. При проведенні оптимізації геометрії катіонів C_N* и D* у збудженому стані були зареєстровані значні зміни торсійних кутів між хромоновим та тіазольним фрагментами.

Так, дикатіони в S₁-стані значно сплощуються, міжфрагментний кут зменшується від 50-60°до 0° або до 30° у CF₃- похідних), а у монокатіонів спостерігається обертання бокового циклу на 180°.

Окремо нами було розглянуто механізм утворення катіон-таутомерної форми. Часорозвинені спектри флуоресценції вказують, що попередником таутомера є монокатіонна форма C_N*.

Про це ж свідчать величини k_d для C_N* форми. У випадку 7_гідрокси_3_тіазолілхромонів константи безвипромінювальної дезактивації є на порядок вищими, аніж у 7_метоксипохідних. Це підтвержує наявність у 7_гідроксипохідних додаткового каналу дезактивації, яким може бути фототаутомеризація катіонної форми.

Нами було розглянуто два механізми утворення катіон-таутомерної форми - фототаутомеризацію “асоціативного” та “дисоціативного” типів.

На першій стадії фототаутомеризації “асоціативного” типу відбувається протонування катіону 3_тіазолілхромону по карбонільній групі (процес (1)), а потім - дисоціація 7_гідроксигрупи дикатіону з утворенням катіон-таутомеру (процес (2)):

С_N* + [H₂O···H] ⁺ > D* + H₂O (1)

D* + H₂O > C_Т* + [H₂O···H] ⁺ (2)

В разі “дисоціативного” механизму першим етапом є фотодисоціация гідроксигрупи катіонной форми 3-тіазолілхромона і перенос протона на молекулу розчинника (процес (3)).

Далі утворена нейтральна частка приймає протон від молекули розчинника, зв'язаного з атомом Оксигену карбонільної групи (процес (4)). Утворення катіон-таутомера в цьому випадку проходить через нейтральну таутомерну форму:

C_N* + H₂O > T_N* + [H₂O···H] ⁺ (3)

T_N* + [H₂O···H] ⁺ > C_Т* + H₂O (4)

Згідно з розрахунками, процес утворення фототаутомерів 3_тіазолілхромонів за “дисоціативним” механізмом є довільним процесом (ДG < 0), параметри якого визначаються стадією переносу протона до молекули розчинника. спектроскопія протолітичний тіазолілхромон

У випадку “асоціативного” механизму повинно спостерігатися приєднання протона до позитивно зарядженої частки (монокатіону 3-тіазолілхромона). Довільне проходження процесу асоціації часток з однаковим електричним зарядом здається нам досить сумнівним. Таким чином, на нашу думку, у випадку 3_тіазолілхромонів має реалізуватися “дисоціативний” механізм утворення катіон-таутомерів.

У разі протікання таутомерізації за “дисоціативним” механізмом, крім процесу внутришньомолекулярного перерозподілу електронної густини, можливим є також одночасний процес - переміщення протона уздовж молекул розчинника, об'єднаних водневими зв'язками, від гідроксильної групи до карбонільного фрагменту молекули 3-ТХ. Можливість такого процесу у випадку утворення катіону-таутомеру 3_тіазолілхромонів була проаналізована за допомогою методу молекулярної динаміки. Аналіз результатів розрахунків дозволив виділити популяцію молекул 3_тіазолілхромонів, в яких протонодонорна і протоноакцепторна групи зв'язані містками із чотирьох молекул води. Однак популяція цих водневозв'язаних молекул дуже мала - 5-7 %, а час життя складає 2,1 пс, що в 10-20 разів менше, ніж у подібних агрегатів, описаних у літературі. Отже, при утворенні катіон-таутомера відбувається сінхронне передавання протону з гідроксильної групи до найближчої до неї молекули розчинника та з протонованної молекули розчинника на карбонільну групу. Протікання сінхронного переносу протона розчинником при фототаутомерізації 3_тіазолілхромонів є малоймовірним.

Висновки

3-тіазолілхромони мають більшу кількість кислотно-основних груп, ніж похідні хромону, що вивчалися раніше. Проведені в роботі дослідження показали, що наявність ще однієї основної групи (атому Нітрогену в тіазольному циклі) призводить до збільшення кількості протолітичних форм, особливо у збудженому стані, а також до зміни характеру їх взаємодії та взаємоперетворень. В першу чергу це стосується природи та механізму утворення таутомерної форми 3-ТХ. Проте порівняння спектральних характеристик протолітичних форм 3-ТХ і 3-ФХ дозволило виявити у деяких з них схожу поведінку.

Дослідження властивостей похідних 3-ТХ у порівнянні з аналогічними похідними 3-ФХ дозволило зробити наступні висновки:

Аналіз теоретичних та експериментальних спектрів поглинання 3_тіазолілхромонів показав, що за природою походження електронних переходів і їх відносному розташуванню у спектрах, 3_тіазолілхромони є спектральними аналогами 3-фенілхромонів.

В основному та збудженому станах 3_тіазолілхромони мають однаковий механізм протонування: приєднання протона на першій стадії до атома нітрогена тіазольного циклу, на другій - протонування карбонільної групи.

Встановлено, що з восьми вірогідних продуктів протолітичних взаємодій 3_тіазолілхромонів у збудженому стані, джерелом випромінювальної флуоресценції можуть бути дикатіонна, монокатіонна, катіон-таутомерна і аніонна форми. Досліджено спектральні характеристики усіх протолітичних форм 3_тіазолілхромонів та їх залежність від природи замісників.

Катіон-таутомерна форма 3_тіазолілхромонів утворюється у збудженому стані з монокатіону за “дисоціативним” механізмом без переносу протона через водневозв'язані ланцюги молекул розчинника. Значне зростання кислотності (ДрК=5 одиниць) приводить до появлення ефекту фотодисоціації 7_гідроксигрупи 3_тіазолілхромонів, який забезпечує існування аніонної форми у широкому інтервалі рН (до рН=0).

Аналіз спектральних властивостей протолітичних форм показує, що флуоресценція аніонної форми, а також характерна для всіх 3-тіазолілхромонів флуоресценція монокатіона С_N* можуть бути використані для кількісної детекції при визначенні 7-гідрокси-3-тіазолілхромонів.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

1. Рошаль А. Д., Львовская М. И., Хиля В. П. Природа полос в электронных спектрах поглощения изофлавонов и 3-(2-тиазолил)-хромонов // Журнал органічної та фармацевтичної хімії. - 2004. - Т. 2, № 4(8). - С. 61-65.

2. Fluorescence behavior of isoflavones: pH-dependent effects / Lvovska M. I., Roshal A. D., Doroshenko A. O., Kirichenko A. V., Khilya V. P. // Functional Materials - 2005. - Т. 12, № 3 - С. 563-568.

3. Механизм таутомеризации 7-гидроксиизофлавонов в возбужденном состоянии / Львовская М. И., Рошаль А. Д., Кириченко A. B., Дорошенко А. О., Хиля В. П. // Вісник Харківського нац. ун-ту. Хімія. - 2005. - Вип. 13(36), № 669. - С. 32-38.

4. Рошаль А. Д., Львовская М. И., Хиля В. П. Спектральные характеристики и кислотно-основные свойства производных 3-тиазолил-хромона // Журнал физической химии, 2005. - Т. 79, № 8. - С. 1457-1461;

5. Roshal A. D., Lvovska M. I., Khilya V. P. Prototropic reactions of 3-phenil and 3_hetaryl chromone derivatives in the ground аnd excited states // Proceedings of the XVI International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”.- Sevastopol. - 2003. - P. 225.

6. Львовська М. І., Рошаль О. Д. Дослідження природи смуг в електронних спектрах поглинання похідних хромону // VII міжнародна науково-практична конференція “Наука і освіта 2004” т.52. Хімія та хім.технологія: Тез. доп. - Дніпропетровськ: Вид-во “Наука і освіта” - 2004.- C.33-35.

7. Львовская М. И., Рошаль А. Д., Хиля В. П. Изучение протолитических равновесий производных 3-тиазолилхромонов методами электронной спектроскопии // Пята всеукр. конф. студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”:Тез. доп. - Київ: Вид-во Київськ. університету - 2004.- C.75.

8. Lvovska M. I., Roshal A. D., Khylia V. P. Spectral and acid-base properties of thiazolyl analogs of isoflavones // Proceedings of the XXII International conference of polyphenoles, Finland, Helsinki: “Gummerus Printing” - 2004.- P. 631-632. Здобувачем проведено порівняльний аналіз кислотно-основних та спектральних характеристик 3-тіазолілхромонів та 3-фенілхромонів.

9. Львовская М. И., Рошаль А. Д., Хиля В. П. Кислотно-основные свойства 7_гидрокситиазолилхромонов // XX укр. конф. з органічної хімії: Тез. доп. - Одеса: Астропринт. - 2004. - C. 528.

10. Спектральные свойства и механизм таутомеризации 3-фенилхромонов / Львовская М. И., Рошаль А. Д., Хиля В. П., Дорошенко А. О., Кириченко А. В.// III Всеукр. конф. молодих вчених і студентів з актуальних питань хімії. Тез. доп. -Харків. - 2005.- C. 53.

11. Lvovska M. I., Roshal A. D., Khilya V. P. Acid-base properties in the excited state and fluorescent behavior of 3-thiazolylchromone derivatives // Proceedings of the XVII International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”.- Beregove.- 2005. - Р. 52.

Анотації

Львовська М. І. Електронна будова і спектральні властивості 3_гетарилхромонів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук зі спеціальності 02.00.04 - фізична хімія. Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2006.

Досліджено електронну будову та спектральні властивості 3-тіазоліл- та 3_фенілпохідних хромону. Проведено теоретичний розрахунок електронних переходів та зроблено віднесення експериментальних смуг поглинання та флуоресценції до цих переходів. Встановлено, що більшість інтенсивних електронних переходів в молекулах 3-тіазоліл- та 3-фенілхромонів мають однакову природу.

Вивчено прототропні перетворення похідних хромону в основному та збудженому станах. Показано, що в основному стані 7-гідроксипохідні хромону виявляють схожі кислотні властивості. Аналізом експериментальних спектральних характеристик 3_тіазолілхромонів, порівнянням експериментальних та теоретичних спектрів поглинання, а також зіставленням величин енергій Ґіббса для можливих рівноваг встановлено, що в основному та збудженому станах 3_тіазолілхромони мають однаковий механізм протонування: приєднання протона на першій стадії до атома Нітрогена тіазольного цикла, на другій - протонування карбонільної групи.

Розглянуто вісім вірогідних протолітичних форм 3-тіазолілхромонів у збудженому стані. Показано, що серед них відповідним за флуоресценцію є дикатіонна, монокатіонна, катіон-таутомерна та аніонна форми. Вивчено спектральні характеристики усіх форм 3_тіазолілхромонів, що флуоресціюють, встановлено механізм протолітичних взаємоперетворень цих форм у збудженому стані.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.04 - физическая химия. Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2006.

Диссертационная работа посвящена исследованию электронного строения и спектральных свойств 3-тиазолил- и 3-фенил- производных хромона.

В настоящей работе проведен теоретический расчет электронных переходов для представителей нового класса соединений 3_тиазолилхромонов, а также для ранее более изученных - 3_фенилхромонов. Было найдено, что для данных молекул характерны электронные переходы четырех типов: локализованные на хромоновом фрагменте, гетарильном фрагменте, переход с переносом заряда, а также длинноволновый nр*-переход, обусловленный наличием карбонильной группы хромонового цикла. Сделано отнесение экспериментальных полос поглощения и флуоресценции к этим переходам. Установлено, что большинство интенсивних электронных переходов в молекулах 3_тиазолил- и 3_фенилхромонов имеют одинаковую природу, различие же в экспериментальных спектрах поглощения обусловлено отличием в геометрии молекул (молекулы 3_тиазолилхромонов имеют плоское строение, тогда как торсионный угол между фрагментами молекул 3_фенилхромонов составляет 35_40°). В работе изучены прототропные превращения 3_тиазолил- и 3_фенил- производных хромона в основном и возбужденном состояниях. Показано, что в основном состоянии 7_гидроксипроизводные хромона проявляют подобные кислотные свойства, небольшие различие в величинах рК_а объясняются электронодонорным или электроноакцепторным влиянием заместителей.

Протонирование производных хромона, протекающее в сильнокислых средах, протекает по-разному, что связано с наличием у 3-фенилхромонов одного, а у 3_тиазолилхромонов - двух основных центров. Последовательность присоединения протонов к молекулам последних была выяснена на основе анализа экспериментальных спектральных характеристик 3_тиазолилхромонив, сравнения экспериментальных и теоретических спектров поглощения, а также сопоставления величин энергий Гиббса для двух возможних равновесий. Было установлено, что в основном и возбужденном состояниях 3_тиазолилхромоны имеют одинаковый механизм протонирования: присоединение протона на первой стадии к атому азота тиазольного цикла, на второй - к атому кислорода карбонильной группы.

Показано, что 3-тиазолил- и 3-фенилпроизврдные хромона, в возбужденном состоянии подвергаются фотодиссоциации и фототаутомеризации. Это подтверждается наличием полос испускания в областях кислотности, которые соответствуют нефлуоресцирующим нейтральным формам. Наиболее интересными в этом плане являются молекулы 3-тиазолилхромонов, у которых в возбужденном состоянии может существовать восемь разных протолитических форм - нейтральная, анионная, дикатионная, два монокатиона и три таутомера различного строения. На основе сравнения энергий S₁>S₀ переходов для этих форм, было установлено, что флуоресценция должна наблюдаться у моно- и дикатионной форм, а также в случае 7_гидроксипроизводных, у аниона и катион-таутомерной формы. Согласно расчетным и экспериментальным данным, наиболее смещена в коротковолновую область полоса дикатиона, а в длинноволновую - полоса катион-таутомера.

С целью выяснения механизма образования катион-таутомерной формы в возбужденном состоянии нами был использован метод молекулярной динамики и времяразрешенная флуоресцентная спектроскопия. Показано, что из двух механизмов, наиболее вероятным для 3_фенилхромонов является механизм “ассоциативного” типа. Напротив, для 3-тиазолилхромонов катион-таутомерная форма образуется по “диссоциативному” механизму. При этом перенос протона по цепочке водородосвязанных молекул растворителя не происходит.

Lvovska M. I. Electronic structure and spectral properties of 3_hetarylchromones. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree by speciality 02.00.04 - physical chemistry.- V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2006.

The electronic structure and spectral properties of 3-thiazolyl- and 3_phenylderivatives of chromones were studied. The theoretic simulation of electronic transitions and their attribution to experimental absorption and emission bands were made. The same nature of the electronic transitions in the molecules of 3-thiazolyl- and 3_phenylchromones was shown.

The protolytic transitions of the investigated chromones in the ground and the excited states were studied. The experimental spectral properties of 3-thiazolylchromones were analyzed using the obtained theoretical spectra and values for all the possible protolytic equilibria in the ground and excited states. It was found that protonation mechanism is the same as in the ground state, as in the excited one: the first stage of the protonation is proton addition to nitrogen atom of thiazole cycle, the second one is protonation of the carbonyl group.

The eight possible protolytic forms of 3-thiazolylchromones were considered to exist in the excited state. The dicationic, monocationic, cation-tautomeric and anionic forms were shown to be responsible for the observed emission of the studied compounds in the wide pH/H₀ range. The mechanisms of the ground and excited state protolytic transformations of 3-thiazolylchromones were elucidated.

Размещено на Allbest.ru

...