Синтез, спектральні властивості та реакція фотопереносу протона в ряду нових гетероциклічних нітрогенвмісних похідних та аналогів 3-гідроксихромону

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ В.Н. КАРАЗІНА

УДК 535.372+543.42+547.814.1

СИНТЕЗ, СПЕКТРАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ

ТА РЕАКЦІЯ ФОТОПЕРЕНОСУ ПРОТОНА В РЯДУ НОВИХ ГЕТЕРОЦИКЛІЧНИХ НІТРОГЕНВМІСНИХ ПОХІДНИХ І АНАЛОГІВ 3-ГІДРОКСИХРОМОНУ

02.00.03 - органічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

СВЄЧКАРЬОВ ДЕНИС АНДРІЙОВИЧ

ХАРКІВ - 2009

Дисертацією є рукопис.

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

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК	доктор хімічних наук, професор Дорошенко Андрій Олегович, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, професор кафедри органічної хімії
ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ	доктор хімічних наук, доцент Пивоваренко Василь Георгійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри органічної хімії доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Ліпсон Вікторія Вікторівна, Державна установа «Інститут проблем ендокринної патології імені В. Я. Данилевського» АМН України (м. Харків), зав. відділу медичної хімії

Захист відбудеться « 12 » березня 2009 р. о 1600 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського національного

університету імені В. Н. Каразіна (Україна, 61077 м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-80).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці

Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна (Україна, 61077 м. Харків, пл. Свободи, 4).

Автореферат розісланий «___» __________ 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат хімічних наук В. Г. Панченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси переносу заряду та протону широко розповсюджені у природі. Сполуки, для яких ці процеси є властивими, активно вивчаються вже понад 50 років. Предметом активних наукових пошуків в цьому напрямку є похідні 3-гідроксихромону (3ГХ), для яких характерні унікальні фізико-хімічні властивості завдяки фотопереносу протона у збудженому стані їх молекул. Двосмуговий спектр випромінювання цих сполук став передумовою для розвитку новітнього методу флуоресцентного аналізу - раціометричної детекції, головною перевагою якої є те, що вона не потребує використання внутрішніх стандартів та еталонів. Це є вирішальним та принциповим для роботи із біологічними об'єктами.

Протягом багатьох років ведуться дослідження в галузі застосування похідних 3-гідроксихромону як сенсорів полярності, в'язкості, протонодонорності середовища. Ці сполуки запропоновано використовувати як флуоресцентні мітки білків, а також для вивчення фізико-хімічних властивостей біологічних об'єктів, наприклад, внутриклітинного рН, оцінки поверхневого потенціалу, площі поверхні клітинних мембран і навіть - ранньої детекції апоптозису клітин.

В останні десять років чималого розвитку набув напрямок синтезу похідних 3-гідроксихромону із додатковими гетероциклічними фрагментами. Так, саме до таких сполук належать 3-гідроксихромони із найбільш довгохвильовою флуоресценцією та найвищими квантовими виходами. Похідні, що мають у положенні 2 гетероароматичні замісники, можуть розглядатися як потенційні системи з альтернативним напрямком утворення водневих зв'язків і, як наслідок, можливістю альтернативного шляху перебігу процесу фотопереносу протона. Це відкриває нові можливості для вивчення фотофізики цього процесу, а також створення нових багатосмугових люмінесцентних сполук і розробки на їх основі високоефективних флуоресцентних раціометричних сенсорів із підвищеною кількістю інформаційних каналів збору даних щодо стану найближчого оточення зонду у біооб'єкті на молекулярному рівні.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Дисертація є складовою частиною планових науково-дослідних робіт, що проводились у Науково-дослідному інституті хімії при Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна у рамках держбюджетних тем «Нові флуоресцентні зонди і барвники-мітки біокон'югатів для біологічно-орієнтованих досліджень», № держреєстрації 0104U00659 та «Органічні полігетероциклічні люмінесцентні сполуки для потреб біологічно орієнтованого аналізу», № держреєстрації 0107U00662.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є синтез нових гетероциклічних нітрогенвмісних похідних 3-гідроксихромону, дослідження електронної будови, спектрально-флуоресцентних властивостей та реакції фотопереносу протона у збудженому стані у їх молекулах, а також вивчення внутрішньомолекулярних водневих зв'язків та імовірності перебігу реакції внутрішньомолекулярного фотопереносу протона альтернативним шляхом у молекулах деяких з цих сполук.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити такі задачі:

Ё синтез ряду нових похідних 3-гідроксихромону із гетероароматичними нітрогенвмісними замісниками у положенні 2;

Ё дослідження спектрально-флуоресцентних властивостей і фотофізики цільових сполук у різних розчинниках, аналіз залежності цих характеристик від природи гетероциклічного фрагменту у положенні 2;

Ё підвищення квантової ефективності флуоресценції 3-гідроксихромонових систем за рахунок їх об'єднання із молекулярними фрагментами відомих органолюмінофорів - диарилоксазолу, трифенілпіразоліну, тощо.

Ё моделювання можливості утворення альтернативного водневого зв'язку у вибраних похідних 3-гідроксихромону та експериментальне дослідження цього явища у кристалічному стані за допомогою рентгеноструктурного аналізу і у розчинах із використанням усього доступного комплексу спектральних методів.

Об'єкти дослідження - гетероароматичні нітрогенвмісні похідні 3-гідроксихромону.

Предмет дослідження: електронна будова, спектрально-флуоресцентні властивості, внутрішньомолекулярні водневі зв'язки та реакція фотопереносу протона у збудженому стані в молекулах гетероароматичних похідних 3-гідроксихромону.

Для проведення досліджень було використано методи електронної абсорбційної та флуоресцентної спектроскопії, спетроскопії ЯМР 1Н, у деяких випадках - мас-спектроскопії, рентгеноструктурного аналізу, а також напівемпіричні та неемпіричні методи квантовохімічних розрахунків.

Наукова новизна одержаних результатів.

Ё Синтезовано 10 нових гетероциклічних нітрогенвмісних похідних 3-гідроксихромону із замісниками різної природи у положенні 2 хромонового біциклу. Проведено систематичні дослідження їх спектральних та флуоресцентних властивостей, показано залежність спектральної поведінки цих сполук від природи гетероциклічного фрагменту у положенні 2.

Ё Доказано наявність реакції фотопереносу протона у ізохінолонових похідних 3-гідроксихромону, що є молекулами із зворотним напрямком переміщення електронної густини у збудженому стані порівняно із іншими відомими на даний момент похідними 3-гідроксихромону. Із застосуванням серії модельних сполук продемонстровано визначальну роль зростання кислотності протонодонорної групи в S1-стані для перебігу реакції фотопереносу протона.

Ё Встановлено, що поєднання 3-гідроксихромонових систем із молекулярними фрагментами відомих органолюмінофорів дозволяє підвищити квантові виходи флуоресценції при збереженні аномальних спектральних властивостей, обумовлених реакцією внутрішньомолекулярного фотопереносу протона.

Ё Вперше проведено моделювання та отримано експериментальні докази можливості існування альтернативного внутрішньомолекулярного водневого зв'язку та альтернативного напрямку реакції фотопереносу протона у молекулах 3-гідроксихромонів із двома потенційними протоноакцепторними центрами.

Практичне значення одержаних результатів. Отримано 5 похідних 3-гідроксихромону із високими квантовими виходами флуоресценції та значною чутливістю до оточуючого середовища, що можуть бути застосовані як раціометричні зонди різноманітних параметрів їх мікрооточення. Синтезовані сполуки можуть бути використані як база для розробки експрес-тестів наявності полярних домішок і вологи в органічних розчинниках, а також як сенсори та індикатори в різноманітних біохімічних та біофізичних дослідженнях. Отримані похідні із альтернативним внутрішньомолекулярним водневим зв'язком та альтернативним напрямком фотопереносу протона відкривають нові шляхи для створення високоефективних багатосмугових флуоресцентних сенсорів із підвищеною кількістю каналів збору даних.

Особистий внесок здобувача полягає в синтезі об'єктів дослідження та необхідних для цього напівпродуктів, проведенні вимірювань електронних спектрів поглинання та флуоресценції, а також участі у постановці завдань, виборі об'єктів та методів дослідження, інтерпретації УФ, ЯМР 1Н та мас-спектрів, проведенні квантовохімічних розрахунків, математичній обробці та узагальненні отриманих результатів, їх порівняльному аналізі, а також участь у формулюванні узагальнень та висновків.

Автор висловлює вдячність Л. Л. Лукацькій за допомогу у проведенні вимірювань електронних спектрів поглинання та визначенні флуоресцентних характеристик деяких сполук, В. М. Баумеру за проведення рентгеноструктурного аналізу, З. О. Сизовій, Г. В. Карпушиній та І. В. Букатичу за участь у проведенні окремих синтезів та в обробці спектральних даних для деяких сполук.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень було представлено на наступних наукових конференціях: VII міжнародній науково-практичній конференції «Наука і освіта» (м. Дніпропетровськ, 2004 р.), ХХ міжнародному симпозіумі ІЮПАК з фотохімії (м. Гранада, Іспанія, 2004 р.), ХХ Українській конференції з органічної хімії (м. Одеса, 2004 р.), IV міжнародній конференції «Хімія нітрогенвмісних гетероциклів» (м. Харків, 2006 р.), Х міжнародній конференції «Методи та застосування флуоресценції (MAF10)» (м. Зальцбург, Австрія, 2007 р.), ХХІ Українській конференції з органічної хімії (м. Чернігів, 2007 р.), ХХІІ міжнародному симпозіумі

ІЮПАК з фотохімії (м. Гетеборг, Швеція, 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 статей в українських та міжнародних фахових наукових виданнях, 8 тез доповідей на українських та міжнародних наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків та списку використаних літературних джерел із 185 найменувань. Викладена на 143 сторінках машинописного тексту, містить 15 таблиць та 54 рисунки.

Перший розділ представляє огляд літературних даних з тематики дослідження. Розглянуто загальні підходи до синтезу хромонових систем та шляхи їх оптимізації, обговорено питання фотофізики та фотохімії 3-гідроксихромонів, зокрема реакцію внутрішньомолекулярного фотопереносу протона у збудженому стані цих молекул. Розглянуто вплив зовнішніх чинників на спектральну поведінку, а також перспективи використання таких сполук як флуоресцентних індикаторів та зондів.

У другому розділі обґрунтовано вибір об'єктів дослідження, представлено загальну схему їх синтезу, методи та результати встановлення структури отриманих сполук. Подано детальний опис методик синтезу цільових сполук та необхідних для цього напівпродуктів, а також фізико-хімічних методів, що було застосовано при комплексному дослідженні синтезованих похідних 3-гідроксихромону.

Третій розділ присвячено фізико-хімічним властивостям цільових сполук, узагальненню даних щодо залежності їх спектрально-флуоресцентної поведінки від структури та природи замісників, а також обговоренню можливості їх використання як раціометричних зондів.

У четвертому розділі дискутується питання можливості утворення альтернативних внутрішньомолекулярних водневих зв'язків у гетероароматичних похідних 3-гідроксихромону із двома потенційними протоноакцепторними центрами. Наведено експериментальні підтвердження існування таких зв'язків, а також обговорено можливість альтернативного фотопереносу протона у таких молекулах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Об'єктами дослідження в даній роботі є гетероциклічні нітрогенвмісні похідні 3-гідроксихромону (3ГХ) 8a-e, 9a-d та 10a. Всі сполуки було синтезовано за методикою Алгара-Флінна-Оямади, загальна схема синтезу представлена на рисунку 1.

Вихідними речовинами в синтезі були орто-гідроксиацетофенон 1 або його бензанельовані аналоги 2 та 3, що при конденсації з альдегідами 4а-е утворювали три види халконів відповідно - 5а-е, 6a-d та 7a. Конденсацію проводили у водно-спиртовому розчині лугу при кімнатній температурі впродовж 1 доби. Для отримання халконів 5d та 6d було використано більш жорсткі умови (Натрій метоксид у ДМСО при нагріванні), оскільки активність альдегіду 4d є суттєво зниженою завдяки електронодонорному впливу трифенілпіразолінового замісника.

Вибір замісників був обумовлений трьома задачами дослідження: встановленням залежності спектральної поведінки гетероароматичних похідних 3ГХ від природи замісника у положенні 2, пошуком нових ефективних люмінофорів цього ряду із високими квантовими виходами флуоресценції, а також можливістю утворення ними альтернативних водневих зв'язків.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Схема синтезу нових похідних 3-гідроксихромону із гетероциклічними нітрогенвмісними фрагментами у положенні 2.

Таким чином, нами було синтезовано похідні 3ГХ із сильнодонорним замісником d, вираженими електроноакцепторними замісниками b та е і замісниками помірно акцепторного характеру а та с. Синтез похідних із замісниками а та е був також цікавий з точки зору дослідження альтернативного водневого зв'язування в їх молекулах. Підтвердження структури всіх цільових, а також найважливіших проміжних сполук, проводили за даними спектроскопії ЯМР 1Н. У випадку сполук 8b та 9b для їх ідентифікації було застосовано метод мас-спектроскопії.

З метою систематизації даних щодо спектральної поведінки заміщених 3ГХ, їх спектри поглинання та флуоресценції було виміряно у серії розчинників різної полярності. У таблиці 1 як приклад наведено дані електронних спектрів для сполук 8а-е у трьох розчинниках - слабополярному толуолі, 1,2-дихоретані (помірна полярність) та сильнополярному ацетонітрилі.

Як видно із даних таблиці 1, досліджувані похідні 3ГХ характеризуються двосмуговою флуоресценцією, що є наслідком процесу внутрішньомолекулярного фотопереносу протона (ВМФПП, рисунок 2). Відповідність спектрів збудження флуоресценції всіх досліджених сполук у короткохвильовому та довгохвильовому максимумах випромінювання дозволили зробити висновок про те, що обидві форми утворюються з єдиного основного стану. Цей факт вказує на те, що процес, котрий приводить до появи форми із випромінюванням у довгохвильовому діапазоні, відбувається виключно у збудженому стані. Так, короткохвильову смугу, розташовану при 21200-24200 cм-1, ми віднесли до емісії нормальної форми N*, тоді як довгохвильову при 17000-19000 cм-1 - до випромінювання фототаутомеру T* (рисунок 3). Стоксові зсуви флуоресценції фототаутомерних форм мають значення порядку 6000-12000 cм-1 та можуть бути класифіковані як аномально великі.

Таблиця 1

Спектральні властивості похідних 3-гідроксихромону

Спол.	Розчинник	abs, см-1	flN, см-1	STN, см-1	flT, см-1	STT, см-1
8a	толуол	26820	24190	2630	19000	7820	0.34
	1,2-дихлоретан	26860	23140	3720	18950	7910	0.44
	ацетонітрил	27180	22790	4390	18690	8490	0.65
8b	толуол	28700	23740	4960	18020	10680	0.01
	1,2-дихлоретан	30260	25485	4775	18160	12100	0.03
	ацетонітрил	30380	25400	4980	18160	12220	0.04
8c	толуол	25460	22420	3040	17940	7520	0.57
	1,2-дихлоретан	25580	21520	4060	18100	7480	0.70
	ацетонітрил	26020	20340	5680	18120	7900	0.51
8d	толуол	22960	20180	2780	16990	5970	0.55
	1,2-дихлоретан	22660	19060	3600	16705	5955	0.30
	ацетонітрил	23380	18420	4960	16440	6940	0.48
8e	толуол	25660	22540	3120	17850	7810	0.005
	1,2-дихлоретан	25960	20880	5080	16990	8970	0.004
	ацетонітрил	26100	19770	6330	16930	9170	0.003

Визначення сольватохромних характеристик синтезованих похідних 3ГХ ми проводили, користуючись нормованим індексом Райхардта як мірою полярності розчинників. За даними спектрофлуориметричних вимірювань було досліджено залежності положення максимумів випромінювання нормальної та фототаутомерної форм, а також максимумів поглинання відносно індексу полярності Райхардта.

З наведених графіків (рисунок 4) видно, що для досліджених сполук положення максимуму флуоресценції фототаутомеру не відрізняється високою чутливістю до природи розчинника. Причиною тому є досить незначна різниця дипольного моменту фототаутомеру в основному та збудженому станах. Для нормальної форми, навпаки, спостерігається суттєвий батохромний зсув смуги її випромінювання із ростом полярності розчинника. Цей зсув тим більший, чим сильніше зростає дипольний момент нормальної форми молекули при електронному збудженні.

Певне виключення з такої поведінки демонструють N-метилізохінолонзаміщені 3ГХ 8b та 9b, для поглинання та випромінювання нормальної форми яких характерна негативна сольватофлуорохромія. Схожу тенденцію демонструє також довгохвильова смуга поглинання сполуки 8е.

З метою оцінки раціометричної чутливості досліджених сполук до полярних характеристик оточуючого середовища нами було також побудовано залежність логарифму відношення інтенсивності випромінювання нормальної та фототаутомерної форм від індексу полярності (рисунок 5). Як можна побачити, з ростом полярності розчинника має місце виражена тенденція до зменшення відносної інтенсивності випромінювання фототаутомерної форми. З одного боку, це може свідчити про зниження швидкості процесу ВМФПП в полярних розчинниках, що може бути наслідком конкуренції специфічних міжмолекулярних взаємодій за участю розчинника із наявним у досліджуваних 3ГХ внутрішньомолекулярним водневим зв'язком. Разом із тим, не можна виключати й індуковане гасіння флуоресценції фототаутомерних форм у полярному середовищі, що також приводить до збільшення відношення IN*/IT*.

Проведені дослідження 3ГХ із п'ятьма гетероциклічними замісниками різної природи дозволили встановити деякі закономірності. Так, збільшення розмірів спряженої системи приводить до батохромного зміщення максимумів смуг поглинання та флуоресценції (рисунок 6).

Дійсно, найбільш довгохвильовими поглинанням та флуоресценцією характеризуються трифенілпіразолінові похідні 3ГХ, слідом за ними - похідні із фрагментом дифенілоксазолу. Середню позицію займають хіноліновий та бензімідазольні 3-гідроксихромони, і тільки у випадку N-метилізохінолонзаміщеного 3-гідроксихромону спостерігався гіпсохромний зсув смуги поглинання при збереженні батохромного зміщення смуг випромінювання. Це свідчить про те, що як правило, боковий замісник стає частиною головного хромофорного фрагменту молекули, тоді як хромоновий біцикл виступає структурним елементом, що забезпечує збереження у таких сполуках аномальних спектральних властивостей.

Чутливість раціометричної відповіді (рисунок 6) оцінена нами як тангенс кута нахилу залежності логарифму відношення інтенсивності флуоресценції нормальної та фототаутомерної форми від індексу полярності Райхардта. Видно, що найвищою чутливістю до зміни полярності характеризуються сполуки із N-метилізохінолоновим та трифенілпіразоліновим замісниками.

Поєднання хромонового біциклу із відомими високоефективними флуорофорами приводить до підвищення квантового виходу флуоресценції до значень, що перевищують 60%, що є досить нехарактерним для сполук із реакцією ВМФПП через суттєві безвипромінювальні втрати енергії електронного збудження у продукті реакції фотопереносу протона. Анелювання до хромонового біциклу бензольного кільця призводить до зниження квантового виходу флуоресценції від 2-3 до 10 разів, а також зменшує сольватофлуорохромію та, як правило, чутливість раціометричної відповіді до зміни полярності оточуючого середовища.

Як і для інших сполук із процесом ВМФПП, для досліджених похідних 3ГХ квантовий вихід флуоресценції демонструє залежність від полярності розчинника (рисунок 7). Із зростанням показника квантовий вихід збільшується, проходить через максимум і далі падає. Пояснити це можна тим, що спочатку зростання полярності середовища приводить до уповільнення процесу ВМФПП, що веде до зменшення безвипромінювальних витрат енергії, а відтак - до помітного зростання ефективності флуоресценції. Згодом домінувати починає регульований полярністю розчинника процес індукованого гасіння флуоресценції, що у підсумку дає зниження квантового виходу випромінювання.

Для того, щоб окреслити перспективи використання синтезованих 3-гідроксихромонів для аналізу, наприклад, вмісту домішок води в органічних розчинниках, наведемо результати титрування водою розчину сполуки 8d у діоксані та ацетоні (рисунок 8). Збільшення концентрації води приводить до зростання інтенсивності флуоресценції нормальної форми разом із її батохромним зміщенням, а також до зменшення інтенсивності смуги фототаутомеру. Продемонстрована висока чутливість 8d та 9d до низьких концентрацій води робить їх перспективними сенсорами вологи в апротонному середовищі. В той же час титрування водою розчину сполуки 8а в етанолі показало її перспективність для визначення складу бінарних водно-органічних систем в широкому діапазоні концентрацій (5-85% об.).

Добре відомо, що внутрішньомолекулярний фотоперенос протону, який спричиняє появу двох смуг флуоресценції, зокрема, у похідних 3ГХ, як правило, проходить за участю кислотної та основної груп, що належать одній молекулі та поєднані одна із одною внутрішньомолекулярним водневим зв'язком. Молекули 2-бензімідазол- та 2-хінолінзаміщених 3ГХ можуть бути розглянуті як системи із двома потенційними протоноакцепторними центрами (атом Оксигену карбонільної групи та атом Нітрогену бензімідазольного або хінолінового гетероциклу відповідно) та однією протонодонорною гідроксильною групою, що розташована між ними. Таким чином, в цих молекулах існує можливість утворення внутрішньомолекулярних водневих зв'язків двома принципово різними шляхами (рисунок 9). Відповідно, можливі два різні фотофізичні механізми фотопереносу протона, що будуть приводити у збудженому стані до різних фотопродуктів із відмінними спектральними характеристиками.

Розуміння фактичної природи внутрішньомолекулярних водневих зв'язків у гетероциклічних 3-гідроксихромонових системах, в яких існує можливість альтернативного шляху перебігу процесу фотопереносу протона, та можливість передбачити, а, в ідеалі, контролювати процес ВМФПП, є дуже важливими.

Більш детальні розрахунки (таблиця 2) для теоретичного обґрунтування або спростування зробленого припущення були проведені на прикладі 2-(бензімідазол-2-іл)-3-гідроксихромону (сполука 8а). За нашими припущеннями, переважний напрямок, за котрим проходитиме процес ВМФПП, повинен цілком визначатись рівновагою альтернативних форм із внутрішньомолекулярним водневим зв'язком в основному стані:

Процес ВМФПП є одним із найшвидших хімічних процесів, що проходить за значно коротший час ніж навіть обертання гідроксильної групи та/або гетероциклічного фрагменту. Саме тому ми виключили з розгляду можливість конформаційних змін для збудженого 2-(бензімідазол-2-іл)-3-гідроксихромону.

Таблиця 2

Результати квантово-хімічного моделювання конформацій

2-(бензімідазол-2-іл)-3-гідроксихромону в основному стані

Конфор-мація	E, ккал/моль
	AM1	RM1	PM3	PM6	6_31G**/ B3LYP	6_31++G(d)/ B3LYP	сс-PVDZ/ B3LYP
А	0	3.28	2.33	0.45	0	0	0
В	2.67	4.88	4.14	3.64	4.15	4.36	3.86
С	1.80	0	0	0	0.83	1.59	0.26

Попри деякі протиріччя у результатах напівемпіричних розрахунків, неемпіричне моделювання однозначно свідчить, що найбільш термодинамічно вигідним є ротамер А, що стабілізований додатковим водневим зв'язком та реалізує «класичний» внутрішньомолекулярний фотоперенос протона до карбонільного атому Оксигену.

Зрештою, молекулярна структура органічних сполук може бути остаточно встановлена тільки за допомогою рентгеноструктурних досліджень. Відомо, що більшість 3ГХ у кристалічному стані перебуває у вигляді димерів із двома міжмолекулярними водневими зв'язками. Рентгеноструктурні дослідження показали, що сполука 8а у кристалічному стані перебуває у формі, позначеній вище як конформація С (рисунок 10).

Молекула сполуки 8а є планарною у кристалічному стані, чому сприяє наявність досить сильного внутрішньомолекулярного водневого зв'язку: відстань H3…N3 дорівнює 1.84(3) Е, кут O3-H3-N3 складає 150(3).

Ключовим питанням з точки зору розуміння фотофізики сполуки 8а та їй подібних є збереження конформації С, наявної у кристалічному стані, після розчинення в органічних розчинниках, або її перетворення на конформацію типу А, відповідно до результатів квантово-хімічних розрахунків. Порівняльний аналіз спектрів флуоресценції 8а показав, що форма та положення смуги фототаутомерної емісії цієї сполуки у кристалічному стані, де реалізовано конформацію типу С, суттєво відрізняються від таких для флуоресценції у толуольному розчині. Зокрема, при переході від кристалічного стану до розчину спостерігається чіткий гіпсохромний зсув порядка 300 cм-1. Іншою обставиною, що варта уваги, є факт, що загальна інтенсивність флуоресценції сполуки 8а у кристалічному стані значно нижча, аніж у розчині, у протиріч характерному для більшості сполук із ВМФПП значному зростанню квантових виходів флуоресценції у жорсткому оточенні. На нашу думку причина цього полягає у різних конформаціях дослідженої молекули в розчині і у кристалічному стані і, як наслідок, - відмінності фотофізичних механізмів, що відповідальні за появу довгохвильової смуги випромінювання із аномально великим Стоксовим зсувом флуоресценції.

Ще однією сполукою, що було отримано і вивчено з метою встановлення природи внутрішньомолекулярних водневих зв'язків та фотофізики процесу фотопереносу протона, стало похідне 3ГХ 8е. З точки зору можливості утворення альтернативного водневого зв'язку ця сполука представляє навіть більший інтерес, ніж 8а. Так, шестичленний хіноліновий цикл забезпечує коротшу відстань від гідроксильного Гідрогену хромонового біциклу до атому Нітрогену бокового замісника у випадку реалізації конформації типу С, що, разом із більшою нуклеофільністю хінолінового атому Нітрогену повинно сприяти утворенню більш міцного водневого зв'язку.

Отримані розрахункові дані майже однозначно вказують на значне переважання конформації типу С із альтернативним внутрішньомолекулярним водневим зв'язком за участю атому Нітрогену хінолінового фрагменту. Проведені розрахунки свідчать, що форма із «альтернативним» ВЗ типу OH…N в даному випадку є більш енергетично вигідною (ДДH ~ 1.57 ккал/моль, РМ6). Більша стійкість такого зв'язку також підтверджується розрахованою міжатомною відстанню H…N, що дорівнює 1.99 Е. У той же час, для «класичної» структури відстань H…O склала 2.21 Е.

Проведений розрахунок енергії перехідного стану для перетворення між двома формами із ВМВЗ дозволив оцінити енергії активації прямого та зворотного переходу OH…N OH…O, що склали відповідно 6.05 и 4.48 ккал/моль. Таким чином, самодовільна зміна характеру ВМВЗ у молекулі 8е за звичайних умов навряд чи представляється можливою. За даними проведених попередніх рентгеноструктурних досліджень (рисунок 11), у кристалічному стані цього похідного 3-гідроксихромону реалізується ВЗ із атомом Нітрогену хінолінового біциклу. А, отже, є всі підстави очікувати, що подібна структура буде збережена і при переході у розчин.

ВИСНОВКИ

Синтезовано ряд нових гетероароматичних нітрогенвмісних похідних та аналогів 3-гідроксихромону, що містять у положенні 2 хромонового біциклу бензімідазольний, N-метилізохінолоновий, дифенілоксазольний, трифенілпіразоліновий та хіноліновий фрагменти (всього 10 сполук). Досліджено спектрально-флуоресцентні властивості синтезованих сполук, вивчено їх сольватохромну поведінку та реакцію внутрішньомолекулярного фотопереносу протона в електронно-збудженому стані. Проаналізовано вплив природи замісника на спектральні властивості синтезованих похідних 3-гідроксихромону.

1. Встановлено, що поєднання 3-гідроксихромонового хромофору із відомими хромофорними фрагментами приводить до утворення ефективних флуоресцентних сполук із реакцією внутрішньомолекулярного фотопереносу протона. Спектральні властивості таких сполук є чутливими до зміни полярності середовища у широкому діапазоні, що робить їх перспективними для створення на їх основі нових індикаторів та зондів для раціометричних флуоресцентних досліджень фізико-хімічних параметрів хімічних та біологічних об'єктів.

2. Показано, що реакція внутрішньомолекулярного фотопереносу протона у збудженому стані реалізується як у молекул із традиційним для більшості 3-гідроксихромонових систем переносом заряду з бокового замісника на пропеноновий фрагмент хромонового біциклу, так і у молекул із так званим зворотним переносом заряду. Вирішальну роль у цьому процесі відіграє ступінь зростання кислотності протонодонорної групи в електронно-збудженому стані, що доведено незалежними експериментами на модельних сполуках.

3. Змодельовано можливість утворення альтернативних внутрішньомолекулярних водневих зв'язків в розчинах бензімідазольного та хінолінового похідних 3-гідроксихромону. Досліджено можливість перебігу процесу внутрішньомолекулярного фотопереносу протона альтернативним шляхом та окреслено перспективи використання цієї властивості для створення нових багатоканальних раціометричних зондів.

4. Експериментально доведено існування альтернативних внутрішньомолекулярних водневих зв'язків у кристалічному стані для бензімідального та хінолінового похідних 3-гідроксихромону. Встановлено нетипове для хромонів ланцюгове пакування молекул бензімідазольного похідного у кристалічній гратці. Представлено аргументи щодо збереження альтернативного водневого зв'язку у розчині та перебігу процесу фотопереносу протона альтернативним шляхом у випадку хінолінового похідного.

5. Для досліджених похідних 3-гідроксихромону показана висока чутливість раціометричної відповіді до вмісту полярних домішок, зокрема води. Продемонстровано перспективність застосування трифенілпіразолінових похідних як індикаторів невеликих кількостей води в органічних розчинниках, а бензімідазольного 3-гідроксихромону - для аналізу складу двокомпонентних водно-органічних систем у широкому діапазоні концентрацій.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Свечкарев Д. А. Природа гетероатома и фотофизические характеристики перспективных флуоресцентных зондов - гетероаналогов 3-гидроксихромона / Д. А. Свечкарев, А. О. Дорошенко // Вестн. ХНУ. Химия. - 2006. - № 731. - Вып. 14(37). - С. 90-93.

Автор приймав участь у формулюванні задачі, проведенні квантовохімічних розрахунків та інтерпретації отриманих результатів.

2. Cвечкарев Д. А. Синтез и спектральные свойства новых люминесцентных соединений с реакцией внутримолекулярного фотопереноса протона - производных 2-(N-метилизохинолон-1(2Н)-4-ил)-3-гидроксихромона / Д. А. Cвечкарев, Г. В. Карпушина, А. О. Дорошенко // Вестн. ХНУ. Химия. - 2007. - № 770. - Вып. 15(38). - С. 201-207.

Внесок автора полягає у формулюванні задачі, участі у синтезі та дослідженні спектральних властивостей отриманих сполук та проведенні розрахунків, а також у формулюванні результатів дослідження.

3. Svechkarev D. A. New benzimidazolic 3-hydroxychromone derivative with two alternative mechanisms of the excited state intramolecular proton transfer reaction / D. A. Svechkarev, V. N. Baumer, Z. A. Syzova, A. O. Doroshenko // J. Mol. Struct. - 2008. - V. 882. - P. 63-69.

Особистий внесок автора полягає у синтезі об'єкту дослідження, участі в проведенні розрахунків та вивченні спектральних властивостей, а також у формулюванні результатів.

4. Svechkarev D. A. 2-(benzimidazol-2-yl)-3-hydroxychromone derivatives: spectroscopic properties and a possible alternative intramolecular proton phototransfer / D. A. Svechkarev, G. V. Karpushina, L. L. Lukatskaya, A. O. Doroshenko // Centr. Eur. J. Chem. - 2008. - V. 6(3). - P. 443-449.

Автору належить участь у формулюванні задачі, синтезі об'єктів дослідження та вивченні їх спектральних властивостей, а також у проведенні розрахунків та інтерпретації отриманих результатів.

5. Свечкарев Д. А. Альтернативное водородосвязывание и реакция фотопереноса протона в молекуле 2-(хинолин-2-ил)-3-гидроксихромона / Д. А. Свечкарев, В. Н. Баумер, А. О. Дорошенко // Вестн. ХНУ. Химия. - 2008. - № 820. - Вып. 16(39). - С. 257-261.

Особистий внесок автора полягає в участі у формулюванні задачі, синтезі та дослідженні спектральних властивостей об'єкту дослідження та участі у формулюванні результатів.

6. Svechkarev D. A. New 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline-containing 3-hydroxychromones as highly solvatofluorochromic polarity probes / D. A. Svechkarev, I. V. Bukatich, A. O. Doroshenko // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. - 2008. - V. 200. - P. 426-431.

Автору належить участь у формулюванні задачі, синтезі та проведенні спектральних та флуориметричних досліджень отриманих сполук, розрахунків, а також у формулюванні результатів дослідження.

7. Свєчкарьов Д. А. Реакція фотопереносу протона в ряду 2-(2'-R-ацил-амінофеніл)бензімідазолу / Д. А. Свєчкарьов, З. О. Сизова, А. О. Дорошенко // Наука і освіта - 2004: VII Міжн. наук.-практ. конф., 10-25 лютого 2004 р.: матеріали. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - Т. 52. Хімія та хімічні технології. - С. 36.

Особистий внесок автора полягає у синтезі цільових сполук та необхідних напівпродуктів, вимірюванні спектрів поглинання та флуоресценції, участі у формулюванні висновків дослідження.

8. Svechkarev D. A. Excited State Intramolecular Proton Transfer Reaction In The Series of N-Acyl Substituted 2-(2'-aminophenyl)-benzimidazoles: Regulation of Photophysics By N-H Group Acidity / D. A. Svechkarev, Z. A. Syzova, A. O. Doroshenko // XX IUPAC Symp. on Photochemistry, 17-22 July 2004: proceedings. - Granada, Spain, 2004. - P. 547-548.

Автором виконано синтез досліджених сполук, вимірювання електронних спектрів поглинання та флуоресценції, а також частково - інтерпретація отриманих фотофізичних даних.

9. Свечкарев Д. А. Реакция фотопереноса протона в ряду N-ацилпроизводных 2-(2'-аминофенил)-бензимидазола / Д. А. Свечкарев, З. А. Сизова, А. О. Дорошенко // ХХ Укр. конференция по орг. химии, 21-25 сентября 2004 г.: тез. докл. - Одесса, 2004. - С. 567.

Особистий внесок автора полягає у синтезі досліджених сполук, вимірюванні електронних спектрів поглинання та флуоресценції, участі в інтерпретації отриманих фотофізичних даних.

10. Svechkarev D. A. Synthesis and spectral properties of new heterocyclic 3-hydroxychromone derivatives / D. A. Svechkarev, A. O. Doroshenko, L. L. Lukatskaya // CNCH International Conference, 2-6 October 2006: proceedings. - Kharkov, Ukraine, 2006. - P. 216.

Особистий внесок автора полягає у синтезі дослідженої сполуки та необхіжних напівпродуктів, участі у вимірюванні спектрів поглинання та флуоресценції та інтерпретації отриманих результатів.

11. Svechkarev D. Water effect on the spectral behavior of 2-(benzimidazol-2-yl)-3-hydroxychromone in alcohols / D. Svechkarev, L. Lukatskaya, A. Doroshenko // MAF10 International Conference, 9-12 September 2007: proceedings. - Salzburg, Austria, 2007. - P. 74.

Автору належить формулювання задачі, здійснено синтез дослідженої сполуки та дослідження її спектральних властивостей.

12. Свечкарев Д. А. Альтернативное водородосвязывание в молекуле 2-(бензимидазол-2-ил)-3-гидроксихромона / Д. А. Свечкарев, А. О. Дорошенко, В. Н. Баумер // ХХI Укр. конференция по орг. химии, 1-5 октября 2007 г.: тез. докл. - Чернигов, 2007. - С. 296.

Особистий внесок автора полягає у синтезі дослідженої сполуки та необхідних напівпродуктів, проведенні спектральних досліджень та участі у формулюванні висновків.

13. Cвечкарев Д. А. Спектральные свойства и реакция фотопереноса протона в ряду производных 2-(N-метилизохинолон-1(2Н)-4-ил)-3-гидроксихромона / Д. А. Cвечкарев, Г. В. Карпушина, А. О. Дорошенко // ХХI Укр. конференция по орг. химии, 1-5 октября 2007 г.: тез. докл. - Чернигов, 2007. - С. 297.

Автору належить формулювання задачі, участь у синтезі та дослідженні спектральних властивостей отриманих сполук, а також проведенні розрахунків та узагальнення результатів.

14. Svechkarev D. A. Two novel highly solvatofluorochromic 3-hydroxychromone derivatives as effective polarity probes / D. A. Svechkarev, I. V. Bukatich, A. O. Doroshenko // XXII IUPAC Symp. on Photochemistry, 28 July - 1 August 2008: proceedings. - Gцteborg, Sweden, 2008. - P. 469.

Внесок автора полягає у формулюванні задачі, участі у синтезі та виконанні спектральних вимірювань, проведенні розрахунків, а також формулюванні результатів дослідження.

АНОТАЦІЇ

гідроксихромон похідний гетероциклічний

Свєчкарьов Д.А. Синтез, спектральні властивості та реакція фотопереносу протона в ряду нових гетероциклічних нітрогенвмісних похідних та аналогів 3-гідроксихромону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук зі спеціальності 02.00.03 - органічна хімія. Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2008.

Синтезовано ряд нових гетероароматичних нітрогенвмісних похідних та аналогів 3-гідроксихромону. Досліджено спектрально-флуоресцентні властивості синтезованих сполук, вивчено їх сольватохромну поведінку та реакцію внутрішньомолекулярного фотопереносу протона в електронно-збудженому стані. Проаналізовано вплив природи замісника на спектральні властивості синтезованих похідних 3-гідроксихромону.

Показано, що поєднання фрагментів відомих флуорофорів із 3-гідроксихромоновим біциклом веде до утворення нових високоефективних багатосмугових люмінофорів із реакцією внутрішньомолекулярного фотопереносу протона.

Досліджено природу внутрішньомолекулярних водневих зв'язків у молекулах похідних 3-гідроксихромону із бензімідазольним та хіноліновим замісниками, показано можливість перебігу процесу фотопереносу протона у цих молекулах альтернативним шляхом.

Висока чутливість спектральних характеристик синтезованих сполук до змін полярності середовища робить їх перспективними зондами для фізико-хімічних та медико-біологічних досліджень, що продемонстровано на прикладі аналізу домішок вологи в органічних розчинниках різної природи.

Ключові слова: Фотоперенос протона, 3-гідроксихромон, водневий зв'язок, сольватохромія, раціометричні зонди.

Свечкарев Д. А. Синтез, спектральные свойства и реакция фотопереноса протона в ряду новых гетероциклических азотсодержащих производных и аналогов 3-гидроксихромона. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков, 2008.

Синтезирован ряд новых гетероциклических азотсодержащих производных и аналогов 3-гидроксихромона, содержащих в положении 2 хромонового бицикла бензимидазольный, N-метилизохинолоновый, дифенилоксазольный, трифенилпиразолиновый и хинолиновый заместители. Исследованы спектрально-флуоресцентные свойства полученных производных, их сольватохромные характеристики в серии растворителей разной природы, а также реакция фотопереноса протона в их молекулах в электронно-возбудженном состоянии. Проанализировано влияние природы заместителя на спектральные свойства исследованных производных 3-гидроксихромона.

Показано, что объединение хромонового бицикла с известными флуорофорными фрагментами приводит к образованию новых высокоэффективных многополосных люминофоров с внутримолекулярным фотопереносом протона. Присутствие сильных акцепторов во втором положении приводит к существенному снижению квантовых выходов флуоресценции. К такому же эффекту приводит также и аннелирование бензольного кольца к хромоновому бициклу.

Экспериментально доказано, что реакция фотопереноса протона реализуется как у соединений с традиционным для данного класса соединений направлением переноса заряда с заместителя в положении 2 на хромоновый бицикл, так в молекулах с переносом заряда в противоположном направлении.

Исследована природа внутримолекулярных водородных связей в бензимидазольном и хинолиновом производных 3-гидроксихромона. Проведено моделирование возможности существования форм с альтернативной водородной связью, а также прохождения процесса фотопереноса протона альтернативным путем. С помощью рентгеноструктурных исследований доказано наличие альтернативных внутримолекулярных водородных связей с участием атома азота гетероциклического заместителя для обоих соединений в кристаллическом состоянии. Предсказано изменение направления фотопереноса протона с «альтернативного» на классический «флавонольный» при переходе из кристаллов в раствор. В то же время, для хинолинового производного альтернативная водородная связь оказалась существенно прочнее и сохраняется как в кристаллическом состоянии, так и в растворе.

Синтезированные соединения показывают высокую чувствительность спектральных характеристик к изменениям полярности окружения. Эта особенность делает их перспективными для создания на их основе рациометрических флуоресцентных зондов и сенсоров целого ряда параметров для физико-химических и медико-биологических исследований. Так, показана перспективность использования трифенилпиразолиновых производных для анализа примесей влаги в органических растворителях, а также возможность применения бензимидазольного 3-гидроксихромона для анализа водно-органических систем в широком диапазоне концентраций.

Полученные данные углубляют понимание фотофизики процесса внутримолекулярного фотопереноса протона и открывают новые возможности для создания эффективных многополосных зондов с увеличенным количеством каналов сбора информации.

Ключевые слова: Фотоперенос протона, 3-гидроксихромон, водородная связь, сольватохромия, рациометрические зонды.

Svechkarev D. A. Synthesis, spectral properties and proton phototransfer reaction in a series of new heterocyclic nitrogen-containing derivatives and analogs of 3-hydroxychromone. - Manuscript.

Thesis for a Ph.D. degree in specialty 02.00.03 - organic chemistry. Kharkov V. N. Karazin National University, Kharkov, 2008.

Series of new heteroaromatic nitrogen-containing derivatives and analogs of 3-hydroxychromone was synthesized. Spectral and fluorescent properties of these compounds, as well as their solvatochromic behavior and the excited state intramolecular proton phototransfer reaction, were investigated. Influence of the substituent nature on the spectral characteristics of the synthesized 3-hydroxychromone derivatives was analyzed.

The nature of intramolecular H-bonds in the molecules of 3-hydroxychromone derivatives with benzimidazole and quinoline moieties were studied, they were shown to be capable of realization of the proton phototransfer process in an alternative pathway.

High sensitivity of the spectral characteristics of the investigated compounds to the changes of the medium polarity makes them perspective probes for physico-chemical and medico-biological purposes. This was particularly demonstrated on the example of analysis of moist admixtures in organic solvents of different nature.

Key words: Proton phototransfer, 3-hydroxychromone, hydrogen bond, solvatochromism, ratiometric probes.

Размещено на Allbest.ru