Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В. Н. КАРАЗІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

ПРОТОЛІТИЧНІ РІВНОВАГИ ТА КОМПЛЕКСОУТВОРЕННЯ ПОХІДНИХ ДИФЛАВОНОЛУ В ОСНОВНОМУ ТА ЗБУДЖЕНОМУ СТАНАХ

02.00.04 - фізична хімія

МОРОЗ ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

ХАРКІВ - 2008

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

Єгорова Тетяна Володимирівна,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

молодший науковий співробітник кафедри органічної хімії

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Органічні флуорофори зі спектральними характеристиками, чутливими до властивостей середовища, є перспективними моделями для розробки флуорохромних індикаторів, необхідних для дослідження біологічних об'єктів - білків, клітинних мембран тощо. Флуоресцентні барвники, що здатні до комплексоутворення і суттєво змінюють при цьому свої спектральні параметри, можуть використовуватись як йонофлуорофори в аналітичній хімії та біофізиці.

Сполуки класу флавоноїдів поєднують у собі всі вищезгадані властивості. Деякі з них, флавоноли, вже застосовують як флуоресцентні індикатори та аналітичні реагенти. Крім того, протягом багатьох років флавоноли використовують в якості модельних сполук для досліджень внутрішньомолекулярного переносу протону молекул у збудженому стані.

Дифлавоноли є похідними флавонолів. Вони мають подібні структурні фрагменти та подвійну кількість функціональних груп. Завдяки цьому вони можуть утворювати більшу кількість протолітичних форм. Але досліджені ці сполуки вибірково та несистематично. Як і у випадку флавонолів, для них властива висока чутливість до параметрів середовища, вони здатні до утворення комплексів з йонами металів, але на відміну від флавонолів дифлавоноли є симетричними молекулами з двома кислотно-основними фрагментами, для кожного з яких можливе перенесення протону у збудженому стані. Крім того, дифлавоноли мають більший, ніж флавоноли, хромофорний та флуорофорний фрагменти, що покращує їхні спектрально-флуоресцентні характеристики та підвищує чутливість до властивостей середовища. Це може обумовлювати їх більшу придатність для використання в якості флуоресцентних зондів.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню спектральних і кислотно-основних властивостей дифлавонолів у основному та збудженому станах, оцінці спроможності всіх протолітичних форм до поглинання та випромінення світла, а також залежності спектрально-флуоресцентних властивостей від параметрів середовища з метою застосування дифлавонолів у якості люмінесцентних маркерів, індикаторів для біологічних досліджень тощо. Проведено дослідження комплексоутворення дифлавонолів з йонами лужноземельних металів, що є важливим для використання цього класу сполук в якості аналітичних реагентів та йонофлуорофорів. Можливе використання дифлавонолів в усіх вищезгаданих областях науки обумовлює велику актуальність роботи. Крім того, дифлавоноли є цікавою моделлю для дослідження переносу протону в симетричних системах, що свідчить про наявність у роботи не тільки прикладної, але й наукової актуальності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є частиною планових досліджень, які проводились у 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 та "Органічні полігетероциклічні люмінесцентні сполуки для потреб біологічно-орієнтованих досліджень", № держреєстрації 0107U00662.

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є встановлення взаємозв'язку спектральних властивостей, механізмів протолітичних перетворень і електронної будови дифлавонолів у основному та збудженому станах, а також виявлення закономірностей комплексоутворення досліджуваних речовин з іонами Ва²⁺ і Mg²⁺.

Для досягнення мети було необхідним вирішення таких завдань:

1. Дослідження змін спектральних властивостей дифлавонолів у залежності від рН (в метанольно-водних та ацетонових розчинах), від характеристик середовища (10 органічних апротонних розчинників різної полярності та нуклеофільності), від присутності у розчинах йонів лужноземельних металів. Порівняння отриманих даних з такими для флавонолів.

2. Аналіз електронної будови дифлавонолів у основному і збудженому станах на підставі експериментальних даних (сольватохромія, сольватофлуорохромія, анізотропія флуоресценції) та результатів квантово-хімічних розрахунків.

3. Віднесення смуг поглинання та випромінення в спектрах протолітичних форм дифлавонолів до відповідних хромофорних та флуорофорних фрагментів.

4. Встановлення механізмів протолітичних перетворень та комплексоутворення дифлавонолів на підставі експериментальних даних і квантово-хімічних розрахунків. Аналіз можливості подвійного переносу протону в процесі фототаутомеризації в електронно збудженому стані.

5. Оцінка кількісних характеристик протолітичних рівноваг та комплексоутворення дифлавонолів.

Об'єкти дослідження. Похідні дифлавонолу.

Предмет дослідження. Електронна будова, спектральні властивості, комплексоутворення та кислотно-основні рівноваги дифлавонолів у основному та збудженому станах.

Методи дослідження. Для проведення досліджень були використані методи електронної абсорбційної та флуоресцентної (стаціонарної та імпульсної) спектроскопії. Оптимізацію геометрії, розрахунки термодинамічних та спектральних характеристик різних протолітичних форм молекул здійснювали у рамках напівемпіричних методів АМ1 та ППП; і, в разі комплексних сполук - методу РМ3.

Наукова новизна отриманих результатів.

Методами електронної абсорбційної та емісійної спектроскопій вперше отримано спектральні характеристики дифлавонолів у широкому діапазоні рН та в присутності йонів лужноземельних металів. В результаті сольватохромних, сольватофлуорохромних досліджень та спектрів анізотропії флуоресценції у полімерних матрицях виявлено високу чутливість дифлавонолів до властивостей середовища (полярності, протонодонорної здатності). За допомогою квантово-хімічних розрахунків зроблено віднесення електронних переходів у електронних спектрах досліджуваних молекул до відповідних хромофорних та флуорофорних фрагментів. Уперше експериментально отримано параметри кислотно-основних взаємодій дифлавонолів у основному і збудженому станах, запропоновано механізм протолітичних перетворень відповідних форм. Показано, що у збудженому стані подвійний перенос протону у дифлавонолів не відбувається.

За результатами експерименту встановлено кількісні параметри протолітичних перетворень для кислотно-основних форм дифлавонолів. Зроблено експериментальні оцінки можливості застосування дифлавонолів для дослідження біологічних об'єктів.

Практичне значення отриманих результатів.

Установлено залежність спектральних характеристик молекул дифлавонолів від параметрів середовища. Показано, що деякі з вивчених дифлавонолів мають кращі спектрально-флуоресцентні характеристики, ніж відповідні флавоноли. Це дозволяє замінити флавонольні флуоресцентні зонди на дифлавоноли, що мають більшу чутливість. Завдяки тому, що дифлавоноли можуть утворювати ряд протолітичних форм, їх можна застосовувати в якості флуоресцентних індикаторів кислотності середовища. Здатність деяких дифлавонолів до утворення флуоресціюючого комплексу з водою може бути використана для визначення вмісту останньої в спиртах.

Дані щодо комплексоутворення дифлавонолів можуть застосовуватися при дизайні нових йонофорів для детекції йонів металів у неводних середовищах.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні вимірювань електронних спектрів поглинання та флуоресценції, у визначенні констант дисоціації, протонування та комплексоутворення, у визначенні часу життя молекул дифлавонолів та їх форм у збудженому стані, у математичній обробці та узагальненні отриманих результатів, а також участі 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 у обговоренні одержаних результатів, А. Врублевській за допомогу у проведенні квантово-хімічних розрахунків та В. Г. Пивоваренку за надання речовин для проведення досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи було представлено на 12 наукових конференціях: ХІХ симпозіум IUPAC з фотохімії (Будапешт, Угорщина, 2002); XVI Міжнародна школа-семінар “Спектроскопія молекул і кристалів” (Севастополь, 2003); VII міжнародна науково-практична конференція “Наука і освіта 2004” (Дніпропетровськ, 2004); Пята всеукраїнська конференція студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2004); ХХ симпозіум IUPAC з фотохімії (Гранада, Іспанія, 2004); XXII Міжнародна конференція з поліфенолів (Фінляндія, Гельсінки, 2004); XX Українська конференція з органічної хімії (Одеса, 2004); XVII Міжнародна школа-семінар “Спектроскопія молекул і кристалів” (Берегове, 2005); ІІІ Спільна конференція з хімії КНУ ім. Тараса Шевченка та Університету Поля Сабатьє (Київ, 2005); ІХ Конференція молодих учених та студентів-хіміків південного регіону України (Одеса, 2006); IV Міжнародна конференція з хімії Тулуза-Київ (Тулуза, 2007); Міжнародна конференція „Сучасна фізична хімія для високотехнологічних матеріалів” (Харків, 2007).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 4 статті в українських та міжнародних наукових фахових журналах, 12 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку літературних джерел 112 найменувань. Дисертація викладена на 141 сторінці, містить 44 рисунки, 14 схем і 27 таблиць.

У першому розділі представлено огляд літературних даних щодо електронної будови та кислотно-основних властивостей похідних -пірону. Проведено аналіз літературних даних щодо спектрально-люмінесцентних властивостей флавонолів і дифлавонолів та їх комплексоутворення в основному та збудженому станах. Розглянуто вплив різних факторів на механізм реакції внутрішньомолекулярного переносу протона в молекулах флавонолів.

У другому розділі описано спектроскопічні експериментальні методи, методи визначення констант протолітичних рівноваг та комплексоутворення, викладено принципи теоретичних підходів до визначення спектральних параметрів дифлавонолів квантово-хімічними методами та оцінки констант протолітичних рівноваг у збудженому стані.

Третій розділ присвячено теоретичному вивченню електронної будови дифлавонолів та природи смуг у їхніх спектрах поглинання та флуоресценції. Описано експериментальне визначення параметрів кислотно-основних рівноваг та комплексоутворення дифлавонолів, а також проведено аналіз впливу замісників на дані характеристики. Запропоновано механізми протолітичних перетворень, а також ймовірну модель комплексоутворення молекул дифлавонолів у збудженому стані.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дифлавоноли є похідними поширеного класу природних речовин - флавонолів, які знаходять широке практичне застосування у різних галузях науки (аналітичній хімії, екологічному контролі, медицині, біофізиці та комп'ютерній техніці). Оскільки флавоноли містять подібні структурні фрагменти, їх було обрано в якості модельних речовин для вивчення дифлавонолів. Структури досліджуваних сполук - флавонолів (I) та дифлавонолів (II) наведені на рисунку 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спектральні властивості дифлавонолів

Спектри поглинання дифлавонолів у видимому та ультрафіолетовому діапазонах складаються з декількох інтенсивних смуг, що знаходяться в інтервалах 300-330 нм, 370-390 нм і 410-440 нм. Спектральні параметри дифлавонолів IIa, IIb та IIс в органічних розчинниках різної полярності наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Спектральні характеристики дифлавонолів IIa-с у рідких середовищах

Розчинник	abs, нм	fl(А), нм	St(А), см-1	(А), %	fl(Б), нм	St(Б), см-1	( Б), %
IIa
Толуен	381	452*	4130*	-	602	9360	43,5
Трихлоретилен	382	461*	4480*	-	595	9360	58,6
Дихлорметан	382	496*	6060*	-	598	9480	80,4
Хлороформ	378	461*	4480*	-	598	9720	27,1
Ацетонітрил	379	511*	6780*	-	610	9980	25,1
Ізопентанол	382	508	6510	-	614	9900	0,5
IIb
Толуен	377	-	-	-	602	9920	18,4
Трихлоретилен	379	455	4420	0,05	598	9680	17,1
Дихлорметан	378	480	5640	0,2	599	9760	19,8
Хлороформ	380	464	4780	0,1	598	9600	19,2
Ацетонітрил	371	510	7180	1,1	609	10530	4,2
IIс
Толуен	434	528	4100	3,8	633	7240	60,5
Трихлоретилен	438	528	3890	8,0	632	7010	58,8
Дихлорметан	440	570	5180	56,8	643	7180	20,1
Хлороформ	440	543	4310	43,3	634	6950	36,5
Ацетонітрил	431	538	4560	0,6	653	7840	2,7

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так, у дифлавонолів IIa і IIb при збільшенні полярності середовища (при переході від толуену до ацетонітрилу) зсув довгохвильової смуги поглинання складає 5 нм. В разі IIс величина сольватохромного ефекту більша - приблизно 10 нм.

З даних таблиці 1 та рис. 2 випливає, що спектральна поведінка дифлавонолів IIa і IIb подібна: вони мають близькі положення довгохвильової смуги поглинання, а також їхні спектри мають виражену коливальну будову та подібні один до одного за формою. В той час як спектр IIс має згладжену форму, а максимум поглинання розташований в області більших довжин хвиль.

Всі ці спектральні особливості IIс можуть свідчити про відмінну від IIa та IIb природу довгохвильового переходу даних молекул.

Квантово-хімічне дослідження природи електронних спектрів похідних хромону проводили в рамках методів РРР та CNDO/S.

За результатами розрахунків молекул дифлавонолів в залежності від локалізації орбіталей в основному та збудженому станах було виділено три типи електронних переходів. Два з них мають локальний характер - «піронохромонові» (ПХ) переходи (локалізовані на піронохромоновому ядрі) та «фенільні» (Ф). Третій - відповідає переходу з перенесенням заряду з арильних замісників на піронохромоновий фрагмент (ФПХ).

В літературі прийнято вважати перехід локальним, якщо число перенесення заряду (l_ФПХ) приймає значення до 20%; при більших значеннях l_ФПХ його відносять до переходу з переносом заряду. Так, з даних таблиці 2 зроблено висновок, що довгохвильовий електронний перехід молекул IIa та IIb має чітку локалізацію на піронохромоновому фрагменті. Про це також свідчать високі значення чисел локалізації збудження - L_ПХ сягає 81-89%.

Таблиця 2

Параметри і типи електронних переходів в молекулах дифлавонолів у діапазоні 300 - 400 нм*

Перехід	л**, нм	f	LПХ	lФПХ, %	Тип переходу
Дифлавонол IIa
Ш1	355	0,01	89	13	ПХ
Ш2	347	0,66	83	20	ФПХ
Ш3	316	0,41	74	34	ФПХ
Ш4	304	0,38	83	20	ФПХ
Дифлавонол IIb
Ш1	363	0,1	85	12	ПХ
Ш2	357	0,74	81	14	ПХ
Ш3	321	0,64	71	20	ФПХ
Ш4	317	0,02	22	34	ФПХ
Дифлавонол IIc
Ш1	385	0,54	64	28	ФПХ
Ш2	382	0,79	65	28	ФПХ
Ш3	369	0,02	9	0	ПХ
Ш4	368	0,27	11	0	ПХ

У випадку дифлавонолу IIс довгохвильова смуга поглинання відповідає переходу з перенесенням заряду (ФПХ). Числа переносу заряду приймають значення 28% з одного з бічних кілець, величина L_ПХ для IIс дорівнює 64-65%.

Таким чином, теоретичні дослідження підтверджують припущення, зроблені на підставі експерименту: довгохвильові смуги поглинання молекул IIa та IIb мають іншу природу, ніж IIс, що зумовлює різницю у сольватохромних та сольватофлуорохромних властивостях даних сполук.

Флуоресцентні властивості дифлавонолів

Для дифлавонолів, як і для відповідних флавонолів, характерна двосмугова флуоресценція, параметри якої в значній мірі залежать від властивостей середовища.

Размещено на http://www.allbest.ru/

У спектрах флуоресценції IIa в апротонних середовищах спостерігається одна довгохвильова смуга випромінення Б, положення якої не залежить від полярності розчинника. Додавання невеликих кількостей спиртів у розчини IIa в апротонних розчинниках приводить до появи короткохвильової смуги А (рис. 3).

Дифлавонол IIb має подібні до IIa флуоресцентні властивості. Однак короткохвильова низькоінтенсивна смуга А спостерігається не тільки в протонодонорних, але й в апротонних середовищах при збільшенні їх полярності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В спектрах дифлавонолу IIc смуга А проявляється у широкому інтервалі полярностей середовища. Її положення та інтенсивність також чутливі до наявності протонодонорних домішок. При цьому довгохвильова смуга Б проявляє незначний позитивний сольватофлуорохромний ефект.

Вимірювання спектрів анізотропії флуоресценції показало, що кожна зі смуг зумовлена лише одним флуорофором і не є суперпозицією кількох смуг.

Оскільки дифлавоноли в збудженому стані можуть утворювати три таутомерні форми (рис. 4) для віднесення смуг у спектрах флуоресценції дифлавонолів було використано два незалежних шляхи:

· аналіз даних квантово-хімічних розрахунків - ентальпій утворення форм у збудженому стані, розподілення електронної густини в молекулах у S₀ та S₁-станах, а також експериментальні оцінки змін величин та орієнтації дипольних моментів при збудженні;

· експериментальне дослідження кислотно-основних властивостей дифлавонолів у основному та збудженому станах, аналіз будови протолітичних форм та кількісна оцінка прототропних перетворень у дифлавонолів.

Електронна будова дифлавонолів у основному та збудженому станах

Аналіз даних квантово-хімічних розрахунків методом АМ1 показав, що молекули всіх дифлавонолів у основному стані мають симетричне розподілення електронної густини. Цей факт обумовлює рівноцінність обох орто-гідроксикарбонільних (ОГК) фрагментів з точки зору їх електронної будови та реакційної здатності.

При збудженні спостерігається перенесення заряду з бічних фенільних кілець на піронохромоновий фрагмент. Для молекул IIа величина перенесеного заряду є незначною. У випадку диметокси похідного IIb ПЗ збільшується, але найбільший ПЗ спостерігається в молекулі IIс. Було встановлено, що при збудженні симетричне розподілення електронної густини в молекулах дифлавонолів порушується.

Порівняння зарядів на атомах Оксигену гідроксигруп в основному та збудженому станах показало, що порушення симетрії електронної будови форми NN* у S₁-стані мусить приводити до «несиметричних» змін кислотно-основних властивостей ОГК фрагментів молекул.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Експериментальним доказом асиметризації молекул дифлавонолів при збудженні є розраховані на основі величин анізотропії флуоресценції кути між векторами дипольних моментів у S₁ та S₀-станах. Так, значення кута змінюються від 24 до 41 (в залежності від дифлавонолу). У випадку симетричного перерозподілу електронної густини величина кута дорівнювала б нулю.

Для вивчення термодинамічної стабільності таутомерів дифлавонолів у збудженому стані були розраховані ентальпії утворення всіх форм у S₀ та S₁ станах (рис. 5). Подібна картина також спостерігається у випадку інших дифлавонолів.

Таким чином, було зроблено припущення, що у збудженому стані найбільш вірогідним буде перенесення лише одного протону, оскільки найбільш термодинамічно вигідною формою є таутомер NT*.

Кислотно-основні властивості дифлавонолів у основному та збудженому станах

Оскільки дифлавоноли мають дві гідроксигрупи, ріст рН середовища приводить до двоступінчатої дисоціації з утворенням аніонної та дианіонної форм - NA і AA (схема 1). Спектрофотометричне титрування IIа показало, що різниця між константами дисоціації в усіх вивчених середовищах досить невелика (табл. 3) і складає 0,9 - 2,3 логарифмічні одиниці (в залежності від розчинника).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Порівняння значень констант дисоціації в основному та збудженому станах показало (табл. 3), що при збудженні молекул IIа-ІІс, незалежно від природи замісників, кислотність однієї з гідроксильних груп різко збільшується, а кислотність іншої, навпаки, дещо зменшується, що утруднює відщеплення другого протону у збудженому стані.

Таблиця 3

Константи дисоціації дифлавонолів у S₀ та S₁ станах*

		pK1	pK2	ДpK	pK1*	pK2*	ДpK*
IIа		S0	S1
	ацетон	21,8±0,04	23,3±0,10	1,5	7,2	24,1	16,9
	етанол - вода (1:1)	9,22±0,02	11,54±0,02	2,32	1,0	12,9	11,9
	метанол	13,46±0,04	14,32±0,03	0,86	4,9	15,0	10,2
IIb	метанол	13,6±0,1	14,5±0,1	0,9	3,4	17,8	14,4
IIс	метанол	13,9±0,1	14,9±0,1	1,0	8,3	16,0	7,7

Отже, дані кислотно-основного титрування також свідчать про те, що при збудженні найбільш вигідним є відщеплення лише одного протону.

Усі досліджувані речовини є слабкими основами завдяки наявності атомів Оксигену карбонільних груп в усіх досліджуваних молекулах та атомів Нітрогену в дифлавонолі IIс. За результатами спектрофотометричного титрування було розраховано константи протонування дифлавонолів у основному стані, які наведено в табл. 4.

Було встановлено, що в середовищах підвищеної кислотності відбувається протонування всіх основних центрів молекул. Так, приєднання протону до дифлавонолів IIа та IIb відбувається за двоступінчатим механізмом, а в разі IIс - воно проходить у чотири стадії. Аналіз величин констант та спектральних даних показав, що:

§ перехід до S₁-стану супроводжується значним збільшенням основності карбонільних груп; різниця між константами протонування цих груп в S₀-стані невелика (~ 2 одиниці рК) та зменшується при збудженні молекул;

§ у основному стані в молекулі IIс відбувається протонування спочатку диметиламіногруп, а потім атомів Оксигену карбонільних груп. Однак у збудженому стані має місце інверсія констант протонування, що може свідчити про зміну порядку протонування IIс.

Порядок протонування IIс був встановлений на основі аналізу експериментальних спектральних характеристик дифлавонолів та модельних сполук - флавонолів (рис. 1).

Для флавонолу Iс можливі два варіанти протонування з утворенням монокатіонів двох типів - С₁ і С₂ (схема 2). Співставлення спектральних характеристик Iс та Ia показало, що в основному стані протонування йде через утворення катіону С₁.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналіз значень констант основності, розрахованих за методом Ферстера, показав, що у S₁ стані для Iс також повинен спостерігатися інверсний порядок протонування (табл. 4).

Розрахунок ентальпій утворення протолітичних форм Iс також показав, що найбільш стійким у збудженому стані є катіон бензопірилієвого типу C₂ : ДH_f для нього дорівнює 110 ккал/моль, а для катіону С₁ складає - 141 ккал/моль.

Однак незважаючи на те, що теоретичні дані свідчать на користь інверсного порядку протонування, аналіз змін у спектрах флуоресценції в різних середовищах (метанолі та ацетонітрилі) приводить до протилежних висновків.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спектральні дослідження показали, що положення смуги флуоресценції катіону Ic в метанолі подібне до положення нейтральної форми молекули Ia (406 і 410 нм відповідно). Також подібною є флуоресценція, що спостерігається в апротонному ацетонітрилі: при протонуванні Iс з'являється емісія при 525 нм, що відповідає смузі таутомеру Т* незаміщеного флавонолу Ia (526 нм). Фототаутомерна протонована форма Iс може утворитися лише з катіону С₁, що свідчить про присутність цього катіону в збудженому стані. Було встановлено, що час життя катіону С₁ складає 210 пс. Таким чином, константа швидкості перепротонування С₁C₂ мусить бути значно вища, аніж 4,8Ч10⁹ с^-1, що є занадто високою величиною для цього дифузійно контрольованого процесу.

Виходячи з цього, було зроблено висновок, що, не дивлячись на зміну основних властивостей диметиламіногрупи та карбонільного фрагменту, катіон C₂ у збудженому стані не встигає утворитися з кінетичної точки зору, оскільки швидкість таутомеризації С₁ набагато вища ніж можлива швидкість перепротонування. Внаслідок цього, порядок протонування Iс у збудженому стані залишається таким, як і у основному.

Аналогічні дослідження були проведені для дифлавонолу IIс. Порівняння отриманих даних з аналогічними для модельних сполук - Iс та ІIa - дозволило встановити такі закономірності:

а) дикатіонна форма IIс є спектральним аналогом нейтральної форми незаміщеного дифлавонолу ІIa. Вони мають однакові положення максимумів довгохвильових смуг поглинання та смуг флуоресценції;

б) для дикатіону дифлавонолу IIс є властивим процес фотоперенесення протону (ФПП);

в) трикатіон та тетракатіон мають невеликий Стоксів зсув флуоресценції (~ 2000 - 4000 см^-1), що свідчить про їх схожу будову в S₀ і S₁ станах.

Зі спектральних досліджень витікає, що порядок протонування дифлавонолу IIс, а також будова всіх його протолітичних форм, окрім дикатіонної, в збудженому стані подібна до таких у основному.

Співставлення даних квантово-хімічних розрахунків з отриманими параметрами кислотно-основних взаємодій та з розрахованими кутами між векторами дипольних моментів дифлавонолів IIa-c у основному та збудженому станах дозволило встановити деякі закономірності фотоніки досліджуваних сполук:

§ положення короткохвильової смуги флуоресценції А дифлавонолів у апротонних середовищах ідентичне положенню відповідної смуги флавонолів, що свідчить про схожу електронну будову флуорофорного фрагменту форми NN* дифлавонолів;

§ збудження молекул приводить до асиметричного перерозподілу електронної густини в молекулах дифлавонолів, про що свідчать зміна орієнтації дипольних моментів, а також різке збільшення кислотності лише однієї з гідроксигруп, внаслідок чого дифлавоноли у S₁ стані, фактично, перетворюються на одноосновні кислоти;

§ дисоціація з груп ОН у збудженому стані сильно утруднює фотоперенесення другого протону. Таким чином, довгохвильова смуга Б відповідає флуоресценції фототаутомеру з одним перенесеним протоном NТ*.

Комплексоутворення дифлавонолів

Окрім кислотно-основних та спектральних властивостей дифлавонолів, було вивчено їх комплекси з йонами Магнію та Барію.

дифлавонол флуорофорний протон електронний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дифлавоноли, як і флавоноли, здатні утворювати два типи комплексів - “зовнішні” комплекси та хелати (рис. 6) в залежності від розміру металойону. Оскільки їх молекули мають два центри комплексоутворення, для них характерний ступінчатий механізм приєднання йонів. Спектральні параметри отриманих комплексів наведені у таблиці 5. Як і у випадку флавонолів, взаємодія дифлавонолів з металойонами супроводжується батохромним зсувом довгохвильової смуги поглинання. Це зумовлено акцепторним впливом приєднаного катіону, що викликає перенесення заряду з бічних арильних замісників на ПХ систему. Внаслідок цього для молекул IIа та IIb змінюється характер низькоенергетичного електронного переходу: він перетворюється на перехід з перенесенням заряду. Приєднання другого йону металу приводить до різноманітних ефектів, що пояснюються впливом розміру катіону та ефектами замісників у лігандах.

Розраховані константи стійкості отриманих комплексних сполук подано в таблиці 6. Як і у випадку констант протолітичних рівноваг, рК є невисоким - до 2 лог. од.

Величини констант стійкості комплексів з йонами Магнію за першим ступенем практично не залежать від природи замісників у молекулах дифлавонолів. Більша константа стійкості комплексів IIc може зумовлюватися найбільш ефективною делокалізацією позитивного заряду йона металу. Спектральні зміни, що супроводжують комплексоутворення дифлавонолів, а також значення констант рК₁ є подібними до аналогічних даних у разі модельних флавонолів Іа-с (табл. 6). Це дозволило зробити висновок про те, що будова даних комплексів також подібна - вони відносяться до сполук хелатного типу.

Константи стійкості за другим ступенем мають досить низькі значення для всіх досліджуваних сполук, більш подібні до таких величин для «зовнішніх» комплексів флавонолів.

З метою встановлення ймовірної будови комплексів дифлавонолів на другому етапі приєднання йону Mg²⁺, методом РМ3 було розраховано енергії Гібса процесів утворення можливих сполук різної будови. Проведені розрахунки показали більшу термодинамічну вигідність утворення комплексу «змішаної» будови (Д_fG⁰₂₉₈ = -41,3 ккал/моль для IIa) в порівнянні з дихелатним (Д_fG⁰₂₉₈ = -54,1 ккал/моль для IIa).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Порівняння спектральних змін при комплексоутворенні і констант стійкості комплексів дифлавонолів ІІа-с з йонами Ba²⁺ з відповідними даними для флавонолів Іа-с також дозволяє говорити про їх аналогічну будову - комплекси ІІа-с з йонами Ba²⁺ за обома ступенями відносяться до «зовнішнього» типу. В даному випадку стабільність комплексів, утворених ІІа та ІІс на першій стадії приєднання, вища, аніж у випадку незаміщеного дифлавонолу. Цей ефект може бути зумовлений донорними властивостями диметиламіно- та метоксигруп, які сприяють делокалізації електронної густини на йон Барію.

Аналіз спектральних характеристик і параметрів рівноваг дозволив зробити загальні висновки щодо будови комплексів дифлавонолів. Так, при комплексоутворенні з одним йоном металу дифлавоноли поводять себе аналогічно відповідним флавонолам Ia-c. Приєднання другого йону металу супроводжується різноманітними спектральними ефектами, природа яких зумовлена конкуренцією металойонів і ефектами замісників.

ВИСНОВКИ

У роботі було досліджено кислотно-основні та спектральні властивості протолітичних форм дифлавонолів у основному та збудженому станах; вивчено комплексоутворення дифлавонолів; отримано кількісні характеристики протолітичних рівноваг та запропоновано механізми утворення протолітичних форм та комплексних сполук.

1. Молекули дифлавонолів мають симетричну електронну будову в основному та асиметричну - в збудженому станах.

2. У основному стані дифлавоноли є двохосновними кислотами, а в збудженому - дисоціація за другим ступенем утруднена. Другий кислотний центр при збудженні інактивується. Особливості змін кислотно-основних властивостей дифлавонолів при збудженні приводять до фотоперенесення тільки одного з протонів та утворенню тільки однієї фототаутомерної форми.

3. Дослідження спектральних характеристик смуг поглинання та випромінення, а також квантово-хімічний аналіз електронних переходів дозволили провести віднесення смуг у спектрах до певних фрагментів молекули. Показано, що довгохвильові електронні переходи незаміщеного дифлавонолу та його метоксипохідного локалізовані на піронохромоновому фрагменті, а у разі диметиламінопохідного - вони є переходами з перенесенням заряду.

4. Короткохвильові смуги випромінення дифлавонолів проявляють значний сольватофлуорохромний ефект, що дозволяє рекомендувати їх у якості флуоресцентних зондів для біологічних досліджень. Наявність флуоресценції комплексів дифлавонолів з водою може бути використана для детекції останньої у неводних середовищах, в тому числі у спиртах.

5. З йонами Барію дифлавоноли утворюють комплекси «зовнішнього» типу. На основі аналізу спектральних властивостей, величин констант стійкості та розрахованих термодинамічних параметрів зроблено висновок, що приєднання першого йону Магнію приводить до утворення комплексу хелатного типу, а другого - до утворення комплексу «змішаної» будови.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Roshal A. D. Spectral and Acid-Base Features of 3,7-dihydroxy-2,8-diphenyl-4H,6H-pyrano[3,2-g]chromenedione (Diflavonol) - A Potential Probe for Monitoring the Properties of Liquid Phases / A. D. Roshal, V. V. Moroz, V. G. Pivovarenko, A. Wroblewska, J. Blazejowski // J. Org. Chem. - 2003 - Vol. 68. - P. 5860-5869.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні спектральних вимірювань, обробці результатів сольватохромних та сольватофлуорохромних досліджень. Виконано квантово-хімічні розрахунки оптимальної геометрії кислотно-основних форм дифлавонолу та їх спектральних параметрів.

2. Мороз В. В. О природе трехполосной флуоресценции дифлавонолов / В. В. Мороз, А. Д. Рошаль, В. Г. Пивоваренко // Вісн. Харк. нац. ун-ту. Сер.: Хімія. - 2006. - № 731. - C. 59-68.

Здобувачем проведено вимірювання електронних спектрів поглинання похідних дифлавонолів у спиртах та часу життя всіх форм у збудженому стані, розраховано константи випромінювальної та безвипромінювальної дезактивації.

3. Мороз В. В. Кислотно-основные свойства флавонолов. I. Механизм протонирования флавонолов в основном и возбужденном состояниях / В. В. Мороз, А.Г. Чалый, А. Д. Рошаль // Журн. орг. та фарм. хімії. - 2007 - Т. 5, № 3 (19) - C. 67-73.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні кислотно-основного титрування похідних сполук ряду флавонолу та розрахунку констант протонування всіх досліджуваних речовин у основному та збудженому станах. Обґрунтовано механізми протолітичних перетворень. Проведено порівняльний аналіз впливу замісника на значення констант протонування.

4. Мороз В. В. Кислотно-основные свойства флавонолов. II. Механизм протонирования дифлавонолов в основном и возбужденном состояниях / В. В. Мороз, А. Г. Чалый, А. Д. Рошаль, Л. М. Птягина, А. А. Верезубова // Журн. орг. та фарм. хімії. - 2007 - Т. 5, № 4 (20) - C. 67-74.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні кислотно-основного титрування похідних дифлавонолу та розрахунку констант протонування всіх досліджуваних речовин у основному та збудженому станах. Обґрунтовано механізми протолітичних перетворень. Проведено порівняльний аналіз механізмів протонування в молекулах флавонолів і дифлавонолів.

5. Roshal A. D. Diflavonols: Acid-Base Properties and Proton Transfer in Excited State / A. D. Roshal, V. V. Moroz, J. Blazejowski, A. Wroblewska, V. G. Pivovarenko // XIX-th IUPAC Symp. on Photochemistry. - 2002. - Budapest (Hungary). - P. 407.

Здобувачем було вивчено спектральні властивості кислотно-основних форм незаміщеного дифлавонолу та розраховано константи дисоціації молекул барвника в основному та збудженому станах.

6. Moroz V. V. Spectral and Acid-Base Properties of Diflavonol in the Ground and Excited States / V. V. Moroz, A. D. Roshal, A. Wroblewska, J. Blazejowski, V.G. Pivovarenko // Proceedings of the XVI Intern. School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”. - 2003. - Sevastopol. - P. 301.

Здобувачем проведено сольватохромні та сольватофлуорохромні дослідження дифлавонолу, розраховано різницю між дипольними моментами молекули у основному та збудженому станах, а також термодинамічні характеристики кислотно-основних форм у основному та збудженому станах.

7. Мороз В. В. Прототропні рівноваги та комплексоутворення в молекулі дифлавонолу / В. В. Мороз, О. Д. Рошаль, В. Г. Пивоваренко // VII міжнародна науково-практична конференція “Наука і освіта 2004”: Тез. доп. - Дніпропетровськ, 2004. - Т. 52. Хімія та хім.технологія. - C. 34

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні комплексометричного титрування дифлавонолу та розрахунку констант стійкості комплексів з йонами Магнію.

8. Мороз В. В. Комплексные соединения дифлавонолов с ионами Mg²⁺: устойчивость и спектральные свойства / В. В. Мороз, О. Д. Рошаль, В. Г. Пивоваренко // Пята всеукр. конф. студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”: Тез. доп. - Київ, 2004. - C. 76.

Здобувачем вивчено спектральні властивості комплексів дифлавонолу з йонами Магнію у основному та збудженому станах, проведено віднесення смуг у спектрах поглинання та флуоресценції комплексів різної стехіометрії.

9. Wroblewska A. Diflavonols - Competition Between Intramolecular Charge and Proton Transfer, and Their Ability to Complex Divalent Metal Cations in the Ground and Excited States / A. Wroblewska, V. V. Moroz, J. Blazejowski, A. D. Roshal, V.G. Pivovarenko // Proceedings of the XX IUPAC Symp. on Photochemistry. - 2004. - Granada (Spain) - P. 599-600.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні та інтерпретації результатів розрахунку оптимальної геометрії та термодинамічних властивостей комплексів дифлавонолу з Магнієм, співставленню розрахункових результатів з експериментальними даними.

10. Roshal A.D. Diflavonols as Complexing Agents for Alkaline Earth Ions. / A. D. Roshal, V. V. Moroz, V. G. Pivovarenko // Proceedings of the XXII Intern. conf. of polyphenoles - Helsinki (Finland), 2004. - P. 687.

Здобувачем виконано титрування дифлавонолу Барій перхлоратом та розраховано константи стійкості комплексів, проведено порівняльний аналіз спектральних властивостей комплексів барвника з йонами Барію та Магнію.

11. Мороз В. В. Механізм комплексоутворення дифлавонолів з іонами Маґнію та Барію / В. В. Мороз, О. Д. Рошаль, В. Г. Пивоваренко // XX укр. конф. з органічної хімії: Тез. доп. - Одеса, 2004. - C. 275.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні квантово-хімічних розрахунків геометрії комплексів у основному та збудженому станах. Проведено порівняльний аналіз із комплексними сполуками флавонолу.

12. Moroz V. V. Theoretical study of proton transfer in diflavonol derivatives / V. V. Moroz, A. D. Roshal, A. Wroblewska, J. Blazejowski // Proceedings of the XVII International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”. - Beregove (Crimea, Ukraine), 2005. - P. 76.

Здобувачем розраховано оптимальну геометрію та термодинамічні характеристики таутомерних форм біс-(диметиламіно)-похідного дифлавонолу. Вивчено спектральні властивості даної молекули та проведено порівняльний аналіз спектральних властивостей із незаміщеною молекулою.

13. Roshal A. D. Double Proton Transfer in Diflavonol Molecules / A. D. Roshal, V. V. Moroz // Proceedings of the 3^rd Joint Scientific Conference in Chemistry (Kyiv National T. Schevchenko University and Paul Sabatier University, Toulouse), - К., 2005. - P. 76.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні квантово-хімічних розрахунків ізомерних дифлавонолів та розробка критеріїв ймовірності протікання подвійного перенесення протону в залежності від симетрії молекули.

14. Мороз В. В. Спектральное поведение дифлавонолов в протонодонорных растворителях / В. В. Мороз, О. Д. Рошаль, В. Г. Пивоваренко // VІІІ Конференція молодих учених та студентів-хіміків південного реґіону України: Тез. доп. - Одеса, 2006. - C. 55.

Здобувачем проведено вимірювання спектрів поглинання диметоксидифлавонолу в спиртових розчинах та зроблено висновки про природу третьої смуги флуоресценції.

15. Roshal A. D. The Nature of Three-Band Diflavonol Fluorescence in Alcohols / A. D. Roshal, V. V. Moroz, V. G. Pivovarenko // Proceedings of the 4^th International Chemistry Conference Toulouse-Kyiv. - Toulouse (France), 2007. - Р. 30.

Особистий внесок здобувача полягає у вимірюванні часу життя протолітичних форм похідних дифлавонолу та проведенні сольватохромних та сольватофлуорохромних досліджень цих молекул у спиртах.

16. Moroz V. V. Protonation constants inversion in 4',4”-bis-(dimethylamino)-diflavonol in the excited state / V. V. Moroz, A. D. Roshal, A. G. Chalyj // Proceedings of the Intern. Conf. Modern Physical Chemistry for Advanced Materials. - Kharkiv, 2007. - Р. 282.

Здобувачем проведено спектрофотометричне титрування 4,4-біс-(диметиламіно)-дифлавонолу у спирті та розраховано константи протонування у основному та збудженому станах.

АНОТАЦІЇ

Мороз В. В. Протолітичні рівноваги та комплексоутворення похідних дифлавонолу в основному та збудженому станах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук зі спеціальності 02.00.04 - фізична хімія. Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2008.

За допомогою досліджень спектральних характеристик смуг поглинання та випромінення, а також квантово-хімічного аналізу електронних переходів показано, що в залежності від замісників довгохвильові смуги поглинання дифлавонолів обумовлені переходами, локалізованими на піронохромоновому фрагменті або переходами з міжфрагментним перенесенням заряду.

За допомогою експериментальних та теоретичних методів встановлено, що молекули дифлавонолів мають симетричну електронну будову в основному та асиметричну - у збудженому станах. Особливості змін кислотно-основних властивостей дифлавонолів при збудженні приводять до фотопереносу тільки одного з протонів та утворенню тільки однієї з двох можливих фототаутомерних форм.

Досліджено електронну будову, спектральні, кислотно-основні властивості та комплексоутворення дифлавонолів з йонами Ba²⁺ і Mg²⁺ у основному та збудженому станах.

На основі квантово-хімічних розрахунків та аналізу спектральних характеристик комплексів зроблено припущення щодо їх вірогідної структури та запропоновано механізми комплексоутворення.

Ключові слова: дифлавоноли, дисоціація, протонування, комплексоутворення, протолітичні форми, електронна абсорбційна і флуоресцентна спектроскопія, фототаутомеризація.

Мороз В. В. Протолитические равновесия и комплексообразование производных дифлавонола в основном и возбужденном состояниях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.04 - физическая химия. Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2008.

Исследование спектральных характеристик полос поглощения, а также квантово-химический анализ природы электронных переходов позволили провести отнесение полос в спектрах к определенным фрагментам молекул. Показано, что длинноволновые полосы поглощения незамещенного дифлавонола и его метоксипроизводного обусловлены переходами, локализованными на пиронохромоновом фрагменте, а в случае диметиламинопроизводного - переходами с межфрагментным переносом заряда.

Анализ кислотно-основных свойств и механизма таутомеризации дифлавонолов в возбужденном состоянии, а также использование для этой цели модельных соединений - флавонолов, позволили установить природу полос в спектрах флуоресценции дифлавонолов. Показано, что длинноволновая полоса испускания обусловлена наличием в возбужденном состоянии фототаутомера, коротковолновая - исходной формы с внутримолекулярной или межмолекулярной водородной связью (в зависимости от типа растворителя). Также у замещенных дифлавонолов в спиртах в присутствии следовых количеств воды обнаружена флуоресценция ионной пары.

Коротковолновые полосы испускания обладают значительной сольватохромией, что позволяет рекомендовать дифлавонолы в качестве зондов для медико-биологических исследований.

С помощью экспериментальных и теоретических методов установлено, что молекулы дифлавонолов имеют симметричное электронное строение в основном состоянии и асимметричное - в возбужденном.

Показано, что в основном состоянии дифлавонолы являются двухосновными кислотами, а в возбужденном состоянии, за счет несимметричного перераспределения электронной плотности и инактивации одной...