Барвники на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

дисертації на здобуття наукового ступеня

Герасьов Андрій Олександрович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис молекулярний хімічний люмінесцентний

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Ковтун Юрій Петрович, Інститут органічної хімії НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Комаров Ігор Володимирович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, м. Київ, завідувач кафедри органічної хімії

кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Дубей Ігор Ярославович, Інститут молекулярної біології та генетики НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник

Захист дисертації відбудеться “ 12 ” березня 2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.217.01 в Інституті органічної хімії НАН України за адресою 02660, м. Київ-94, вул. Мурманська, 5, факс (044) 573-26-43

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Інституту органічної хімії НАН України

Автореферат розісланий “ 30 ” січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.217.01 доктор хімічних наук, професор Вовк М.В.

Актуальність теми. У зв'язку з бурхливим розвитком молекулярної електроніки, нелінійної оптики та мультифотонних процесів дизайн барвників для цих потреб має першочергове значення. Поліметинові барвники на основі бородифторидних комплексів 1,3-дикетонів (2,2-дифторо-1,3,2(2Н)діоксаборинів) є інтенсивно забарвленими та флуоресцентними речовинами, інтерес до яких останнім часом дуже зріс через їх практичну цінність, в першу чергу як довгохвильових люмінофорів та об'єктів для нелінійної оптики. Серед таких об'єктів особливу увагу привертають донорно-акцепторні системи, а саме мероціанінові барвники. Проте на сьогодні описано лише декілька прикладів мероціанінових барвників на основі діоксаборинів (ДОБ) і тому не було проведено систематичних досліджень їх фізико-хімічних властивостей. З іншого боку, широке дослідження та застосування таких барвників ускладнюється їх невисокою стійкістю, особливо до гідролізу.

Таким чином, отримання стійких поліметинових барвників на основі бородифторидних комплексів 1,3-дикетонів та систематичне вивчення їх фізико-хімічних властивостей є актуальним науковим та прикладним завданням.

Мета і задачі дослідження. Синтез і дослідження хімічних та спектрально-люмінесцентних властивостей поліметинових барвників на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів та їх діалкіламінозаміщених бензоанельованих похідних.

Об'єкт дослідження - поліметинові барвники на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів.

Предмет дослідження - хімічні та спектрально-люмінесцентні властивості поліметинових барвників.

Методи дослідження - органічний синтез, спектральні методи (ЯМР спектроскопія, електронна спектроскопія, флуоресцентна спектроскопія), РСА, елементний аналіз, квантово-хімічні розрахунки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках науково-дослідницьких тем відділу кольору та будови органічних сполук ІОХ НАН України “Поліметинові системи: синтез, електронна та просторова будова в основному та електронно-збудженому станах” (№ держреєстрації 0105U000153, 2004-2007 рр.), “Синтез, будова та спектрально-люмінесцентні властивості внутрішньо-йонних барвників ” (№ держреєстрації 0107U012150, 2008-2012 рр.).

Наукова новизна отриманих результатів. Синтезовано бородифторидні комплекси 3-ацетил-4-гідроксидіалкіламінокумаринів. На основі цих комплексів одержано ряди симетричних та несиметричних поліметинових барвників. Показано, що введення діалкіламіногруп у ядро кумарину суттєво поглиблює забарвлення зі збільшенням молярного коефіцієнту екстинкції, при цьому значно зростають квантові виходи флуоресценції.

Отримано бородифторидний комплекс 1-метил-3-ацетил-4-гідрокси-7-N,N-диметиламінохінолону. На його основі синтезовано поліметинові барвники, які за спектральними властивостями, мало відрізняються від кумаринових аналогів, але суттєво стійкіші до гідролізу.

Синтезовано бородифторидні комплекси дегідроацетової кислоти та 3-ацетил-4-гідроксипіридону. На їх основі одержано ряди симетричних та мероціанінових барвників. Досліджено взаємодію барвників, похідних дегідроацетової кислоти, з амінами та білками. Встановлено структури продуктів реакції та досліджено їх спектральні властивості.

За допомогою методів електронної, ЯМР спектроскопії та РСА проаналізовано вплив структурних змін на електроноакцепторність ДОБ фрагмента.

Проведено порівняльний аналіз гідролітичної стійкості отриманих барвників. Вперше отримано частково гідролізований діоксабориновий симетричний аніонний барвник. Встановлено, що при зменшенні електроноакцепторності ДОБ фрагмента значно зростає стійкість відповідних барвників.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено препаративно зручні методики отримання бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів. Синтезовано нові бісдіалкіламінозаміщені кумарини. Отримано барвники з рекордними величинами яскравості. Розроблено ефективні індикатори для детекції первинних та вторинних аліфатичних амінів. Запропоновано ефективний та специфічний флуоресцентний індикатор на білки.

Особистий внесок здобувача полягає у детальній розробці поставлених завдань, виконанні аналітичного огляду наукової літератури за темою дисертації, плануванні та здійсненні експериментальних досліджень, інтерпретації спектральних даних, формулюванні основних положень і висновків дисертаційної роботи. Постановка задачі дослідження та обговорення результатів проведені з науковим керівником к.х.н. Ковтуном Ю.П. та к.х.н. Шандурою М.П. Квантово-хімічні розрахунки та аналіз нелінійно-оптичних властивостей барвників виконано у співпраці з д.х.н. Качковським О.Д. (ІОХ НАН України, м. Київ) та к.ф.-м.н. Пржонською О.В. (Інститут фізики НАН України, м. Київ). Рентгеноструктурний аналіз виконаний у співробітництві з д.х.н. Чернегою О.М. та Власенком Ю.Г. (ІОХ НАН України, м. Київ). ЯМР дослідження проведено у співробітництві з Рябицьким О.Б. (ІОХ НАН України, м. Київ).

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на ХХІ Українській конференції з органічної хімії (м. Чернігів, 2007 р.), конференції “Євроаналіз XIX” (Антверпен, Бельгія, 2007) та ХХХІХ Конференції молодих вчених з органічної хімії та хімії елементоорганічних сполук (м. Київ, 2008 р.).

Публікації за темою дисертації. За темою дисертації опубліковано 4 статті у фахових міжнародних журналах та тези 3 доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 160 сторінках і складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку літературних джерел, що містять 188 найменувань. В роботі є 63 схеми, 11 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, викладено зв'язок вибраного напрямку дослідження з науковою тематикою відділу, визначено мету, об'єкти та предмет дисертаційної роботи, сформульовано наукову новизну та практичну значимість одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача.

В першому розділі узагальнено та систематизовано літературні дані, що стосуються синтезу 4-гідроксипіран-2-онів та 4-гідроксикумаринів.

Другий розділ присвячено синтезу та дослідженню спектрально-люмінесцентних та нелінійно-оптичних властивостей симетричних та мероціанінових барвників на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксикумаринів та 1-метил-3-ацетил-4-гідрокси-7-диметиламінохінолону.

У третьому розділі описані поліметинові барвники на основі бородифторидних комплексів дегідроацетової кислоти та 3-ацетил-4-гідроксипіридону, досліджено взаємодію барвників, похідних дегідроацетової кислоти, з амінами та білками.

У четвертому розділі на основі даних електронної, ЯМР спектроскопії та РСА встановлено взаємозв'язок між структурними змінами у ДОБ фрагменті та його електроноакцепторністю. Досліджено вплив таких змін на гідролітичну та фотостійкість відповідних барвників.

П'ятий розділ містить методики синтезу отриманих сполук.

1. Діоксаборинові барвники на основі 3-ацетил-4-гідроксикумарину та 3-ацетил-4-гідроксихінолону

Барвники - похідні 7-діалкіламінокумарину. Відомо, що введення діалкіламіногрупи у ядро кумарину суттєво впливає на спектрально-люмінесцентні характеристики кумаринових барвників. Очікувалось, що введення електронодонорної групи у ядро кумарину, анельованого з ДОБ циклом, повинно також резонансно стабілізувати ДОБ фрагмент, тобто підвищити його стійкість.

Бородифторидний комплекс 1.4 на основі незаміщеного 3-ацетил-4-гідроксикумарину було одержано в одну стадію з відповідного кумарину 1.1. Виходячи з кумарину 1.2 двохстадійним синтезом був отриманий бородифторидний комплекс 1.5.

На їх основі були синтезовані ряди геміціанінів 1.6-1.10, а з них - ряди аніонних симетричних барвників 1.11-1.15 з різною довжиною поліметинового ланцюга.

Симетричний тетракарбоціанін 1.16 було отримано прямою реакцією. Виявилося, що барвники на основі діалкіламінокумарину 1.12 та 1.14 поглинають на 40 нм глибше та суттєво інтенсивніше, ніж барвники на основі незаміщенного кумарину 1.11 та 1.13 (табл. 1.1). Вініленовий зсув для них складає приблизно 100 нм. Смуги поглинання перших трьох членів цього ряду вузькі та інтенсивні. Найбільше значення молярного коефіцієнта екстинкції спостерігається для дикарбоціаніну 1.14 і становить 300000 М-1·см-1. Проте найсуттєвіше введення діалкіламіногрупи у ядро кумарину впливає на флуоресцентну здатність таких барвників. Так барвники на основі діалкіламінокумарину мають набагато більший квантовий вихід флуоресценції, ніж їх незаміщені аналоги (табл. 1.1). При цьому досягається рекордне значення яскравості для симетричного дикарбоціаніну 1.14, для якого добуток квантового виходу флуоресценції на молярний коефіцієнт екстинкції досягає 200000.

Таблиця 1.1 Спектрально-люмінесцентні характеристики барвників 1.11 - 1.16

Відомо, що нелінійно-оптичні властивості безпосередньо пов'язані з вищими електронними переходами барвника. Оскільки для отриманих симетричних барвників вищі електронні переходи у спектрах поглинання проявляються слабо (малоінтенсивні короткохвильові максимуми), тому ми на прикладі барвника 1.12 за допомогою спектрів анізотропії збудження флуоресценції та двофотонного поглинання встановили положення другого електронного переходу. Анізотропія флуоресценції для барвника 1.12 була виміряна у в'язкому етиленгліколі. З нього видно, що для цього барвника r = -0,05 при 446-448 нм. Таке положення електронного переходу співпадає з короткохвильовим максимумом на спектрі поглинання у етиленгліколі та з даними квантово-хімічного розрахунку (за методом АМ1). У спектрах двофотонного поглинання заборонений одноелектронний перехід практично не спостерігається, тоді як виникає дуже інтенсивний (8000 GM) максимум близько 870 нм (однофотонне поглинання при 435 нм), що відповідає другому електронному переходу для 1.12. Для 1.15 крос-перетин двофотонного поглинання при 960 нм перевищує 17000 GM, що є рекордним показником для поліметинових барвників.

Досліджуючи вплив основ на симетричні барвники, ми отримали неочікуваний продукт 1.17. Його будова підтверджена елементним аналізом, спектрами ЯМР 1Н та 19F. У спектрі ЯМР 1Н спостерігається нееквівалентність протонів кумаринових ядер та поліметинового ланцюга. При взаємодії з ефіратом трифтористого бору у присутності триетиламіну він переходить у вихідний барвник 1.12. Стійкість 1.17 до подальшого гідролізу може бути пов'язана з більшою локалізацією негативного заряду на ДОБ циклі, ніж у 1.12, що знижує його активність у реакції з гідроксильним аніоном. Максимум поглинання барвника 1.17 знаходиться тільки на 39 нм вище, ніж у відповідного барвника 1.12, але інтенсивність поглинання та флуоресценції суттєво менші.

Ряд мероціанінів 1.18-1.33 з різними за основностями кінцевими гетероциклічними залишками було отримано з відповідних геміціанінів та четвертинних солей гетероциклів.

Подібно до симетричних, мероціанінові барвники характеризуються інтенсивним поглинанням (табл. 1.2), проте їх спектральні характеристики, внаслідок донорно-акцепторної природи, є чутливими до полярності середовища та природи кінцевого ядра.

Таблиця 1.2 Спектрально-люмінесцентні властивості барвників 1.18 - 1.33

Так у полярному ацетонітрилі при збільшенні електронодонорності другого кінцевого ядра смуги поглинання стають ширшими та менш інтенсивними, тобто зростає вклад структури А3 - полієну з розділеними зарядами. У хлороформних розчинах спостерігається зворотня картина - інтенсивність поглинання збільшується із збільшенням електронодонорності другого ядра, що свідчить про збільшення вкладу структури ідеального поліметину А2. Ці ж закономірності зберігаються і при подовженні поліметинового ланцюга.

Найбільший сольватохромний ефект (128 нм) спостерігається для піридинового барвника 1.32.

У кристалічному стані, за даними РСА, для барвника 1.19 (рис. 1.5а) з низькоосновним індоленіновим залишком спостерігаються практично вирівняні довжини зв'язків поліметинового ланцюга, що відповідає стану А2. Натомість, для барвника 1.27 з високоосновним 4-хіноліновим залишком характерна зворотня альтернація зв'язків, тобто зростає вклад структури А3.

Введення діетиламіногрупи в кумариновий фрагмент суттєво впливає на інтенсивність флуоресценції. Так величини квантових виходів флуоресценції незаміщених та заміщених аналогів (1.18, 1.20 та 1.19, 1.21 відповідно) подекуди відрізняються на порядки. Для індоленінового триметинціаніну 1.19 на основі діетиламінокумарину квантовий вихід флуоресценції досягає 100% у толуені (табл. 1.2).

Введення діетиламіногрупи у кумаринове ядро також приводить до зростання стійкості до гідролізу мероціанінових барвників. В той час, коли мероціаніни на основі незаміщеного кумарину (1.18 та 1.20) зазнають гідролізу при дії третинних амінів, то для більшості їх аналогів на основі діетиламінокумарину гідроліз відбувається лише при нагріванні з лугами. Таким чином можна одержати 1,3-дикарбонільні сполуки 1.34 та 1.35. На відміну від їх бородифторидних комплексів, для таких барвників вініленовий зсув складає 67 нм і при переході від карбо- до дикарбоціаніну вже відбувається зменшення інтенсивності та уширення смуги поглинання.

Відомо, що у юлолідиновому фрагменті діалкіламіногрупа значно більш жорстко фіксована, ніж діетиламіногрупа, тому її включення у хромофор, як правило, приводить до зростання інтенсивності флуоресценції відповідного барвника. З цієї причини нами було синтезовано декілька барвників на основі кумарину 1.36.

Вихідний комплекс 1.37 можна одержати в одну стадію з кумарину 1.36. З цього комплексу було отримано геміціанін 1.38, аніонні симетричні барвники 1.39 та 1.40 та індоленіновий мероціанін 1.41. Закріплення діалкіламіногрупи в юлолідиновий фрагмент приводить до батохромного зсуву максимуму поглинання на 10-20 нм для всіх барвників, але інтенсивність поглинання суттєво не змінюється у порівнянні з відповідними барвниками на основі діетиламінокумарину, а квантовий вихід флуоресценції навіть зменшується.

Барвники - похідні 5,7-дипіролідилкумарину. Оскільки введення діалкіламіногрупи в кумаринове ядро суттєво впливає на спектрально-люмінесцентні властивості діоксаборинових барвників, було цікаво отримати системи з двома діалкіламіногрупами у кумариновому залишку. Циклізацією дипіролідилфенолу 1.42 з трихлорфеніловим естером малонової кислоти був синтезований комплекс кумарину з двома молекулами трихлорфенолу 1.43. Останній, без виділення вільного кумарину, переводили у 3-ацетил-4-гідроксикумарин 1.44, взаємодією якого з ефіратом трифтористого бору отримували тетрафтороборатну сіль бородифторидного комплексу 1.45, з якої при обробці основою було отримано вільний комплекс 1.46.

Введення другої діалкіламіногрупи значно зменшує активність метильної групи ДОБ циклу у ціанінових конденсаціях. Тому нам вдалось отримати тільки найкоротші симетричний аніонний 1.48 та мероціанінові барвники 1.49-1.51. Через низьку активність комплекс 1.46 не взаємодіє з диметиламінобензальдегідом. Для отримання відповідного стирилу ми використали сіль 1.45, в якій одна з піролідильних груп змінює свій електроно-донорний ефект на електроноакцепторний внаслідок солеутворення, що повинно приводити до збільшення реакційної здатності цього комплексу. Дійсно, названа сіль легко взаємодіє з диметиламінобензальдегідом, але з утворенням суміші барвників. За допомогою хроматографії з реакційної маси було виділено два барвники з однаковими максимумами поглинання. За допомогою рентгеноструктурного аналізу, мас- та ЯМР спектроскопії були встановлені їх структури. Один з них виявився очікуваною стирильною похідною 1.52, тоді як в іншому барвнику 1.53 відбулося заміщення атома фтору на ацетатну групу. Факти про такі процеси зустрічаються у літературі, але у нашій роботі таке легке заміщення атому фтору ми спостерігали тільки один раз.

Хоча друга діалкіламіногрупа дещо виведена з площини молекули, її введення приводить до помітних спектральних ефектів. У випадку симетричного барвника 1.48, порівняно з барвником на основі діетиламінокумарину, спостерігається батохромний зсув максимуму поглинання (18 нм) та зростання молярного коефіцієнта екстинкції з 252000 до 300000 М-1·см-1, що наближається до максимальних значень, відомих для ціанінів з таким коротким поліметиновим ланцюгом. Це супроводжується зменшенням квантового виходу флуоресценції.

Максимуми поглинання мероціанінів 1.49-1.51 в ацетонітрилі знаходяться глибше, ніж у відповідних похідних діетиламінокумарину. Інтенсивність поглинання при цьому дещо зростає із збільшенням електронодонорності кінцевого гетероциклічного залишку на відміну від барвників на основі діетиламінокумарину. Таким чином, при зменшенні електроноакцепторності ДОБ циклу більш наближеними до структури ідеального поліметину (А2) стають барвники з високоосновними ядрами.

Введення другої діалкіламіногрупи також приводить до підвищення гідролітичної стійкості барвників на основі дипіролідилкумарину на два порядки.

Барвники - похідні 7-диметиламінохінолону. При взаємодії хінолону 1.54 з оцтовим ангідридом у піридині утворюється тільки продукт О-ацилювання 1.55, який стійкий до перегрупування у 3-ацетилхінолон 1.57. Тому для його отримання було розроблено двостадійний синтез. На першій стадії проводилась циклізація хінолону 1.54 з біс(трихлорфеніл)малонатом, з наступним лужним розмиканням піранонового циклу. Отриманий хінолон 1.57 був переведений у комплекс 1.58, з якого відповідними реакціями були отримані барвники 1.60-1.62. Максимуми поглинання та флуоресценції одержаних барвників дуже подібні до відповідних для кумаринових аналогів, але інтенсивність поглинання та випромінювання дещо знижується. Таким чином, заміна атома оксигену кумаринового ядра на метиламіногрупу мало впливає на спектральні властивості барвників на основі цих ядер, але приводить до суттєвого збільшення гідролітичної стійкості відповідних барвників.

Для оцінки впливу лактонного та лактамного фрагментів у барвниках на основі діетиламінокумарину та диметиламінохінолону, ми спробували синтезувати барвники на основі бензоїлацетону з діалкіламіногрупою. Бородифторидний комплекс 1.63 виявився дуже малоактивним у ціанінових конденсаціях. Нам вдалося отримати тільки барвник 1.64 при взаємодії 1.63 з щ-індоленіновим альдегідом. З менш активним диметиламінобензальдегідом комплекс 1.63 взагалі не вступав у конденсацію, також не вдалося одержати аніонний симетричний барвник на його основі. При відсутності лактонного містка спостерігається суттєве падіння інтенсивності поглинання, хоча флуоресцентна здатність залишається високою. При цьому різко зростає стійкість до дії лугів.

2. Діоксаборинові барвники на основі 3-ацетил-4-гідроксипіран-2-онів та 3-ацетил-4-гідроксипірид-2-онів

Діоксаборинові барвники на основі дегідроацетової кислоти. Як було показано вище, анельовані піранони типу 3-ацетил-4-гідроксикумаринів легко утворюють бородифторидні комплекси, з яких отримують інтенсивно та глибоко забарвлені поліметинові барвники з високою флуоресцентною здатністю. Тому було доцільно дослідити хімічну та спектральну поведінку відповідних барвників на основі дегідроацетової кислоти 2.1.

На основі бородифторидного комплексу 2.2, одержаного з дегідроацетової кислоти 2.1, були отримані відповідні симетричний 2.7 та несиметричні барвники 2.4-2.6, 2.8, які виявилися досить слабкими люмінофорами. Тільки симетричний барвник має квантовий вихід флуоресценції 12%, всі інші на порядок нижчі. Однак, при додаванні до їх розчинів первинних або вторинних аліфатичних амінів спостерігаються цікаві спектральні ефекти. Наприклад, при короткотривалій взаємодії візуально не флуоресцентного мероціаніну 2.4а з 2-метоксиетиламіном спостерігалося виникнення достатньо інтенсивної червоної флуоресценції, а ТШХ показала утворення нового барвника. При цьому максимум поглинання утвореного барвника майже не відрізнявся від вихідного, що вказує на збереження ДОБ циклу. При проведенні реакції з надлишком аміну при кімнатній температурі був виділений барвник, який хоча і не був доведений до аналітичної чистоти, але за даними ЯМР 1Н відповідає структурі 2.9. У його мас-спектрі молекулярний пік відображає аніонну частину молекули.

Барвник 2.9 не вдалося отримати в аналітично чистому вигляді через легку циклізацію у піридон 2.16, який також утворюється при більш тривалому нагріванні барвника 2.4а з 2-метоксиетиламіном. Тому був отриманий відповідний структурний аналог з вторинним аміном. Так при взаємодії барвника 2.4а з піролідином реакція проходить досить швидко з утворенням єнаміну 2.10. Як і очікувалось, він виявився більш стійким у порівнянні з 2.9, що дозволило однозначно підтвердити його структуру спектром ЯМР 1Н та рентгеноструктурним аналізом.

Діоксаборинові барвники на основі 3-ацетил-4-гідроксипірид-2-онів. Для більш якісної оцінки спектральних ефектів, які спостерігаються при реакції амінів з барвниками - похідними дегідроацетової кислоти, були отримані відповідні барвники піридонового ряду 2.16-2.19. Як уже зазначалося, вони можуть бути синтезовані з єнамінів типу 2.9, але препаративно зручніше це робити зустрічним синтезом із 3-ацетил-4-гідроксипіридону 2.13, з якого було одержано вихідний бородифторидний комплекс 2.14.

Усі піридонові барвники були синтезовані аналогічно до їх кисневих аналогів. Мероціанін 2.16, отриманий із комплексу 2.14, за всіма константами та спектральними даними повністю збігається з раніше отриманим альтернативним шляхом.

Барвники піридонового ряду 2.16-2.19 за спектральними характеристиками мало відрізняються від кисневих аналогів і також є слабкими люмінофорами, хоча мають дещо вищу інтенсивність поглинання.

Взаємодія діоксаборинових барвників на основі дегідроацетової кислоти з амінами. У випадку симетричного барвника 2.7 або стирилу 2.8 при взаємодії з амінами швидко відбувається глибока деструкція (зокрема і руйнування ДОБ циклу). У випадку мероціанінових барвників 2.4-2.6 спектральні зміни наступають більш повільно і швидкість розмикання піранонового ядра сповільнюється по мірі збільшення електронодонорності другого кінцевого ядра, оскільки більш електронодонорні кінцеві групи сильніше нагнітають електронну густину на піраноновий фрагмент, а, відтак, зменшують його чутливість до нуклеофільної атаки.

Максимум поглинання мероціаніну 2.4а майже не змінюється при додаванні до його розчину 2-метоксиетиламіну. Але вже при додаванні аміну до розчинів барвників 2.5 та 2.6 максимуми поглинання зміщуються батохромно на 20 та 44 нм відповідно.

У спектрах флуоресценції при взаємодії з алкіламінами найбільш помітні зміни відбуваються для індоленінового 2.4а та бензотіазольного 2.5 барвників. Для їх розчинів, внаслідок взаємодії з амінами, спостерігається суттєве зростання квантового виходу флуоресценції (з 1,3% до 19% для 2.4а та з 1,2% до 13% для 2.5). Максимуми флуоресценції при цьому зсуваються батохромно на 33 та 48 нм відповідно для 2.4а та 2.5.

Таким чином, деякі барвники на основі бородифторидного комплексу дегідроацетової кислоти можуть бути використані для детектування первинних та вторинних аліфатичних амінів. Важливим класом природних сполук, які часто містять вільні аліфатичні аміногрупи, є білки. Ми дослідили взаємодію деяких білків з барвником 2.4б у водному буфері при співмірних концентраціях обох компонент. Було встановлено, що при взаємодії барвника 2.4б з розчином високомолекулярного білка бичачого сироваткового альбуміну (БСА) відбувається миттєве збільшення інтенсивності флуоресценції без значного зсуву її максимуму, що пов'язано з нековалентною взаємодією з білком. Проте з часом відбувається подальше зростання інтенсивності флуоресценції з батохромним зміщенням її максимуму, що вже відповідає ковалентній взаємодії барвника з аміногрупами білка. У випадку взаємодії 2.4б з середньомолекулярним лізоцимом не спостерігається миттєвого збільшення інтенсивності флуоресценції, але з часом також відбувається зміна смуги флуоресценції.

Спектри флуоресценції після закінчення взаємодії барвника з білком. З них видно, що інтенсивність на максимумі випромінювання кінцевих розчинів приблизно у 50 разів вища, ніж інтенсивність флуоресценції розчину вихідного барвника, причому спостерігається явна специфічність до природи білка, яка проявляється у положенні максимуму випромінювання. Таким чином, барвник 2.4б може використовуватись як ефективний та специфічний індикатор на білки.

3. Порівняльна характеристика одержаних діоксаборинових барвників

Як вже згадувалося, системним недоліком ДОБ барвників, який ускладнює їх ефективне застосування та дослідження, є низька стійкість до гідролізу. Саме тому одним з головних завдань нашої роботи було встановлення факторів, які зменшують це негативне явище. Ми провели систематичне дослідження стійкості отриманих ДОБ барвників та порівняли їх з деякими відомими барвниками. Для визначення константи швидкості знебарвлення барвників у лужних умовах для кожного з них була одержана серія спектрів поглинання його водно-ацетонітрильного розчину з великим надлишком основи (ДБУ) в залежності від часу перебігу реакції. Кінетика зменшення інтенсивності на максимумі поглинання в усіх випадках має перший порядок. На основі відповідних кінетичних кривих були вирахувані константи швидкості знебарвлення барвників.

Серія симетричних барвників по зростанню стійкості у лужному середовищі має наступний вигляд. Найменш стійким виявився барвник на основі 3-ацетил-4-гідроксикумарину, а найбільш стійким - на основі дипіролідилкумарину, що відповідає ряду по зменшенню електроноакцепторності ДОБ фрагмента. Для порівняння були отримані константи знебарвлення класичного катіонного та аніонного барвника у цих умовах.

Аналогічно було проведено аналіз стійкості для мероціанінових барвників. Виявилось, що стійкість ряду індоленінових барвників на основі усіх одержаних бородифторидних комплексів співмірна зі стійкістю відповідних симетричних барвників. При цьому спостерігаються аналогічні тенденції, а саме зменшення електроноакцепторності ДОБ циклу підвищує стійкість мероціанінів у лужному середовищі. Перехід до мероціанінів з більш електронодонорними, ніж індоленін, кінцевими гетероциклами поступово підвищує стійкість таких мероціанінів у лужному середовищі.

Вплив структурних змін у ДОБ фрагменті на фізико-хімічні властивості барвників можна спостерігати не лише за допомогою електронної, але й ЯМР спектроскопії. Так, наприклад, у спектрах ЯМР 1Н та 13С, виміряних у CDCl3, сигнали протону та вуглецю метинової групи поліметинового ланцюгу, що знаходиться біля індоленінового залишку барвника, зсуваються у сильне поле при зменшенні електроноакцепторності ДОБ фрагмента: з 6,76 до 6,46 і 5,93 м.д. та з 102,0 до 100,1 і 98,9 м.д. для 1.18, 1.19 і 1.49 відповідно.

Висновки

1. Отримано систематичні ряди симетричних та несиметричних барвників на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксикумаринів. Показано, що введення діалкіламіногруп приводить до значного збільшення інтенсивності поглинання та випромінювання, досягаючи в деяких випадках рекордних значень інтенсивності флуоресценції та яскравості.

2. Показано, що в рядах діоксаборинових мероціанінів, змінюючи електронодонорність другого ядра та довжину поліметинового ланцюга, можна змінювати спектрально-люмінесцентні та інші фізико-хімічні властивості барвників в широких межах.

3. Досліджено нелінійно-оптичні властивості барвників на основі 7-діетиламінокумарину. Встановлено, що такі барвники характеризуються високою інтенсивністю двофотонного поглинання.

4. Вперше отримано продукт часткового гідролізу діоксаборинового симетричного аніонного барвника.

5. Синтезовано діоксаборинові барвники на основі 7-диметиламінохінолону. Показано, що перехід від кумаринових до хінолонових барвників мало впливає на спектральні властивості, але суттєво підвищує стійкість до гідролізу.

6. Одержано ряди симетричних та мероціаніових барвників на основі бородифторидних комплексів дегідроацетової кислоти та 3-ацетил-4-гідроксипіридону. Показано, що мероціанінові барвники на основі бородифторидного комплексу дегідроацетової кислоти можуть використовуватись як ефективні флуоресцентні індикатори на первинні та вторинні аміни, а також на білки. Встановлені фактори, що впливають на швидкість та специфічність їх дії.

7. При проведенні порівняльного аналізу гідролітичної стійкості отриманих барвників встановлено, що при зменшенні електроноакцепторності діоксаборинового фрагмента значно зростає стійкість відповідних барвників.

Основний зміст дисертації викладено в публікаціях

1. Gerasov A.O. Series of polymethine dyes derived from 2,2-difluoro-1,3,2-(2H)-dioxaborine of 3-acetyl-7-diethylamino-4-hydroxycoumarin / A.O. Gerasov, M.P. Shandura, Yu.P. Kovtun // Dyes and Pigments. -- 2008. -- Vol. 77. -- P. 598--607. (Особистий внесок автора: синтетична частина роботи, спектральні дослідження синтезованих барвників, обговорення отриманих результатів).

2. The nature of electron transitions in anionic dioxaborines, derivatives of aminocoumarin / A.O. Gerasov, M.P. Shandura, Yu.P. Kovtun, A.D. Kachkovsky // J. Phys. Org. Chem. -- 2008. -- Vol. 21. -- P. 419--425. (Особистий внесок автора: синтез несиметричного аніонного барвника, аналіз спектральних даних, квантово-хімічні розрахунки, обговорення отриманих результатів).

3. Gerasov A.O. Polymethine dyes derived from the boron difluoride complex of 3-acetyl-5,7-di(pyrrolidin-1-yl)-4-hydroxycoumarin / A.O. Gerasov, M.P. Shandura, Yu.P. Kovtun // Dyes and Pigments. -- 2008. -- Vol. 79. -- P. 252--258. (Особистий внесок автора: розробка методу отримання бородифторидного комплексу 3-ацетил-4-гідрокси-5,7-дипіролідилкумарину та синтез барвників на його основі, аналіз спектральних даних та встановлення будови синтезованих сполук, обговорення отриманих результатів).

4. 1,3,2-(2H)-Dioxaborine Polymethine Dyes on the Base of Dehydroacetic Acid - Effective Fluorescent Amine Probes / A.O. Gerasov, M.P. Shandura, Yu.P. Kovtun, Yu.G. Vlasenko, V.F. Gorchev // J. Heterocycl. Chem. -- 2008. -- Vol. 45. -- P. 1665--1672. (Особистий внесок автора: літературний пошук, дослідження реакції барвників на основі бородифторидного комплексу дегідроацетової кислоти з амінами, аналіз спектральних даних та встановлення будови синтезованих сполук).

5. Герасьов А.О. Поліметинові барвники на основі борфторидних комплексів полізаміщених 4-гідроксикумаринів : Тези доповідей ХХІ Української конференції з органічної хімії, 1-5 жовт. 2007 р. / А.О. Герасьов, М.П. Шандура, Ю.П. Ковтун / Інститут органічної хімії НАН України, Наукова рада з проблеми “Органічна хімія” при відділені хімії НАН України [та ін.]. - Чернігів, 2007. -- 131 с.

6. Герасьов А.О. Поліметинові барвники на основі борфторидних комплексів 4-гідрокси-7-діетиламінокумарину : Тези доповідей ХХІ Української конференції з органічної хімії, 1-5 жовт. 2007 р. / А.О. Герасьов, М.П. Шандура, Ю.П. Ковтун / Інститут органічної хімії НАН України, Наукова рада з проблеми “Органічна хімія” при відділені хімії НАН України [та ін.]. - Чернігів, 2007. -- 132 с.

7. Asymmetric Evaporable Dyes for Nanocomposite Sensor : Abstract of Euroanalysis XIX, September 10-14, 2007 / Grytsenko K., Lytvyn O., Kovtun Yu., Shandura M., Gerasov A., Grimm B., Schrader S., Darchuk L., Rene Van Grieken / Antwerp (Belgium), 2007. -- P. 222.

Анотація

Герасьов А.О. Барвники на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. Інститут органічної хімії НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена синтезу, вивченню закономірностей у спектрах поглинання, флуоресценції, ЯМР та стійкості поліметинових барвників на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів.

Розроблено методи отримання бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксикумаринів та на їх основі синтезовано ряди симетричних аніонних та мероціанінових барвників. Введення діалкіламіногрупи у ядро кумарину таких барвників приводить до батохромного зсуву максимумів поглинання та флуоресценції зі значним зростанням їх інтенсивності та стійкості до дії основ.

Досліджено нелінійно-оптичні властивості барвників на основі бородифторидного комплексу 3-ацетил-4-гідрокси-7-діетиламінокумарину.

Отримано діоксаборинові барвники на основі 7-диметиламінохінолону. Показано, що перехід від кумаринових до хінолонових барвників мало впливає на спектральні властивості, але суттєво підвищує стійкість до гідролізу.

Синтезовано барвники на основі бородифторидних комплексів 3-ацетил-4-гідроксипіранонів та 3-ацетил-4-гідроксипіридонів. Досліджено взаємодію барвників, похідних дегідроацетової кислоти, з амінами та білками. Для мероціанінів цього ряду наслідком такої взаємодії з амінами є розмикання піранонового циклу та утворення інтенсивно флуоресцентних барвників.

Встановлено закономірності між структурою, спектральними властивостями і стійкістю одержаних барвників.

Ключові слова: діоксаборин, кумарин, поліметинові барвники, мероціанін, поглинання, флуоресценція.

Аннотация

Герасёв А.А. Красители на основе бордифторидных комплексов 3-ацетил-4-гидроксипиранонов и 3-ацетил-4-гидроксипиридонов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. Институт органической химии НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена синтезу, изучению закономерностей в спектрах поглощения, флуоресценции, ЯМР и устойчивости полиметиновых красителей на основе бордифторидных комплексов 3-ацетил-4-гидроксипиранонов и 3-ацетил-4-гидроксипиридонов.

Разработаны методы получения бордифторидных комплексов 3-ацетил-4-гидроксикумаринов и на их основе синтезированы систематические ряды симметричных анионных и мероцианиновых красителей. Введение диалкиламиногруппы в ядро кумарина таких красителей приводит к батохромному сдвигу максимумов поглощения и флуоресценции со значительным ростом их интенсивности и устойчивости к действию оснований. При этом в некоторых случаях молярный коэффициент экстинкции достигает 3300000 М-1·см-1, а квантовый выход флуоресценции - 100 %.

Изучены нелинейно-оптические свойства красителей на основе бордифторидного комплекса 3-ацетил-4-гидрокси-7-диэтиламинокумарина. Установлено, что такие красители характеризуются интенсивным двухфотонным поглощением.

Впервые получен продукт частичного гидролиза диоксаборинового симметричного анионного красителя, его максимум поглощения только на 39 нм выше, чем у исходного симметричного красителя, но интенсивность поглощения и флуоресценции существенно ниже.

Разработан способ получения 5,7-бис(диалкиламино)-4-гидроксикумаринов. Получены диоксабориновые красители на основе дипирролидилкумарина, которые характеризуются высокой гидролитической устойчивостью. Введение второй диалкиламиногруппы в ядро кумарина, в основном, приводит к батохромному сдвигу максимумов поглощения и флуоресценции.

Синтезированы диоксабориновые красители на основе 7-диметиламинохинолона. Показано, что переход от кумариновых к хинолоновым красителям мало влияет на спектральные свойства, но значительно увеличивает устойчивость к гидролизу.

В рядах диоксабориновых мероцианинов, изменяя электронодонорность второго ядра и длину полиметиновой цепи, можно изменять спектрально-люминесцентные свойства в широких пределах. Так для индолениновых мероцианинов на основе 7-диэтиламинокумарина виниленовый сдвиг составляет около 100 нм и проявляется положительная сольватохромия. Тогда как, при переходе к красителям с высокоосновными гетероциклическими ядрами происходит изменение знака сольватохромного эффекта, а его величина достигает 128 нм.

Синтезированы красители на основе бордифторидных комплексов 3-ацетил-4-гидроксипиранонов и 3-ацетил-4-гидроксипиридонов. Исследовано взаимодействие красителей, производных дегидроацетовой кислоты, с аминами и белками. Для мероцианинов этого ряда следствием такого взаимодействия есть размыкание пиранонового цикла и образование интенсивно-флуоресцентных красителей. Показано, что в случае использования первичных алифатических аминов такие красители при нагревании циклизуются с образованием красителей производных бордифторидного комплекса 3-ацетил-4-гидроксипиридона, которые также были получены альтернативным путём. Определено, что скорость реакции исследованных мероцианинов с аминами увеличивается как при уменьшении электронодонорности второго ядра, так и при увеличении полярности растворителя. При взаимодействии этих красителей с белком проявляется специфичность к его природе.

Установлены закономерности между спектрально-люминесцентными свойствами, структурой и устойчивостью полученных красителей от природы заместителей в диоксаборине. Показано, что в ряду уменьшения электроноакцепторности диоксаборинового фрагмента значительно увеличивается устойчивость соответствующих красителей в щелочной среде.

Ключевые слова: диоксаборин, кумарин, полиметиновые красители, мероцианин, поглощение, флуоресценция.

Summary

Gerasov A.O. Dyes based on boron difluoride complexes of 3-acetyl-4-hydroxypyranones and 3-acetyl-4-hydroxypyridones. - Manuscript.

A thesis for candidate's degree, specialty 02.00.03 - Organic Chemistry. Institute of Organic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2009. The dissertation is devoted to synthesis, investigation of the rules in absorption, fluorescence, NMR spectra, and stability of polymethine dyes based on boron difluoride complexes of 3-acetyl-4-hydroxypyranones and 3-acetyl-4-hydroxypyridones. Synthetic methods have been developed which afford boron difluoride complexes of 3-acetyl-4-hydroxycoumarin and a number of anionic symmetrical, and merocyanine dyes have been derived from them. Introduction of the dialkylamino group in the coumarin core of such dyes results in the batochromic shifts of absorption and fluorescence maxima accompanied by a significant increase in their intensities and stability towards bases.

Non-linear properties of dyes based on boron difluoride complexes of 3-acetyl-4-hydroxy-7-dialkylaminocoumarin have been investigated.

A number of dyes based on the 7-dimethylaminoquinolone core have been obtained. It has been shown that spectral properties change only slightly on passing from coumarin to quinolone dyes, although hydrolytic stability increases.

A number of dyes based on boron difluoride complexes of 3-acetyl-4-hydroxypyranones and 3-acetyl-4-hydroxypyridones have been synthesized. The reaction of dyes derived from dehydroacetic acid with amines and proteins has been investigated. For such merocyanines, this reaction results in opening of the pyranone system, and formation of highly fluorescent dyes.

The regularities have been found between the structure, spectral properties, and stability of the dyes obtained.

Key words: dioxaborine, coumarin, polymethine dyes, merocyanine, absorption, fluorescence.

Размещено на Allbest.ru