ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТім. В. Н. КАРАЗІНА

ГРИГОРОВИЧ

ОЛЕКСІЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

УДК: 547.814.5+541.141.1.7+541.14.535.37 + 541.49 + 543.426

КОМПЛЕКСОУТВОРЕННЯ ОРГАНІЧНИХ КРАУНВМІСНИХ ЛЮМІНОФОРІВ З ІОНАМИ ЛУЖНОЗЕМЕЛЬНИХ МЕТАЛІВ В ОСНОВНОМУ І ЗБУДЖЕНОМУ СТАНІ

02.00.04 – фізична хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

ХАРКІВ – 2000

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті ім. В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

НАУКОВИЙ
КЕРІВНИК: | кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник

ДОРОШЕНКО АНДРІЙ ОЛЕГОВИЧ,

Науково-дослідний інститут хімії при Харківському національному університеті ім. В. Н. Каразіна, зав. відділом фізичної органічної хімії. | ОФІЦІЙНІ
ОПОНЕНТИ: | доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

САХНО ТАМАРА ВІКТОРІВНА,

Інститут монокристалів НАН України, м. Харків, ст. наук. співр. науково-дослідного відділення лужногалоїдних кристалів.

кандидат хімічних наук, доцент

БОНДАРЄВ МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ,

Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, м. Харків, доцент кафедри фізичної хімії. | ПРОВІДНА
УСТАНОВА: | Інститут хімії поверхні НАН України, (лабораторія фотоніки поверхні), м. Київ.

Захист відбудеться “ 9 ” лютого 2001 р. о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна (Україна, 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 7-80).

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

Автореферат розісланий “ 21 ” грудня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Логінова Л. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи визначається проблемою створення іон-селективних флуоресцентних сенсорів для медико-біологічних досліджень, які пов'язані із змінами концентрації іонів лужних і лужноземельних металів у біологічних об'єктах. Перспективними в цьому відношенні є краунвмісні органічні люмінофори, спектральні характеристики яких істотно змінюються при зв'язуванні металу з макроциклом. При цьому реалізується цікава можливість відстежувати за допомогою зондів, чутливих до концентрації іонів, мікроелектричні характеристики біомембран, що пов'язані зі зміною концентрації іонів металів в приповерхневих шарах.

Для вирішення цих задач перспективними є органічні амінокарбонільні сполуки. До даного класу можуть бути віднесені симетричні біс-азакраун кетоціанінові барвники на основі дибензиліденциклопентанона, які характеризуються значним сольватохромним і сольватофлуорним ефектами, а також 3-гідроксипохідні флавона, які привертають значну увагу дослідників через свої специфічні спектральні характеристики, що визначаються процесом переносу протона у збудженому стані - ESIPT.

У цій роботі нами було проведене дослідження спектральних властивостей, кислотно-основних взаємодій і процесів комплексоутворення з двозарядними іонами лужноземельних металів деяких похідних дибензальциклопентанона і 3-гідроксифлавона. Мета цих досліджень – розробити у подальшому на їхній основі методи дослідження структури біомембран і біохімічних процесів, зв'язаних із зміною концентрації іонів s-елементів в біологічних об'єктах (біомембранах, живих клітинах, клітинних препаратах і т. д.) у звичайних умовах їхнього існування або при впливі зовнішніх негативних факторів (радіоактивність, хімічний вплив і т. д.).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ця дисертаційна робота виконана у відділі фізико-органічної хімії Науково-дослідного інституту хімії при ХНУ ім. В. Н. Каразіна в рамках тем “Фотоніка та міжмолекулярні взаємодії органолюмінофорів іонної будови” (№ держреєстрації 0197U002449) і “Фотоніка органолюмінофорів з поширеним стоксовим зсувом флуоресценції - люмінесцентних зондів нового типу” (№ держреєстрації 0199U004432), а також в рамках міжнародного проекту INTAS № 96-1225.

Метою роботи є встановити механізм процесів комплексоутворення похідних 3-гідроксифлавона і дибензальацетона з іонами лужноземельних металів і оцінка можливості використання цих сполук в якості флуоресцентних зондів, зокрема потенційно чутливих до поверхнього потенціалу біологічних мембран.

Методи дослідження. Для проведення цього дослідження залучалися методи електронної абсорбційної і флуоресцентної спектроскопії при стаціонарному та імпульсному збудженні в наносекундному діапазоні, рН-метрія, FAB (fast atom bombardment) мас-спектроскопія, тонкошарова хроматографія, напівемпірічні квантово-хімічні розрахунки в рамках електронного і повновалентного наближення.

Наукова новизна.

- Показано, що флавони, які мають в орто-положенні гідроксильну групу по відношенню до карбонільної групи, в залежності від радіусу іону, що приєднується, можуть утворювати комплекси декількох типів, з участю або без участі гідроксильної групи в комплексоутворенні.

- Вперше встановлено, що для сполук, що вивчалися, які містять карбонільну групу, необхідно враховувати можливість процесів комплексоутворення з участю неподілених електронних пар атому кисня цієї групи.

- Встановлено, що швидкість фотовикиду іону металу з краун сполук залежить від катіону, що зв’язаний з макроциклом.

Практичне значення роботи.

Вивчені в цій роботі похідні 3-гідроксифлавона і дибензальацетона є перспективними флуоресцентними зондами, що можуть бути використані при розробці методик дослідження структури і властивостей біологічних мембран, динаміки зміни концентрації лужних і лужноземельних іонів у внутрішньому і зовнішньому середовищі клітини, для селективного забарвлення клітинних препаратів в флуоресцентній мікроскопії. Розроблені методики з використанням флавоноїдних і кетоціанінових зондів, що дозволяють оцінювати зміни площі поверхні клітинних мембран, ступінь гідратованості приповерхневої зони ліпідно-білкового бішару і зміни цих характеристик при впливі іонізуючого і лазерного випромінювання.

Встановлені в роботі закономірності дозволяють більш цілеспрямовано проводити розробку нових флуоресцентних зондів, що пропонуються, для дослідження поверхневих мікроелектричних параметрів біомембран.

Особиста участь здобувача полягає в участі в розробці наукової задачі, виборі і реалізації аналітичних засобів її рішення, проведенні експериментальних вимірів, математичній обробці і аналізі отриманих результатів, а також в участі у формулюванні висновків.

Автор висловлює подяку доценту кафедри органічної хімії Національного університету ім. Т. Г. Шевченко В. Г. Півоваренко (м. Київ), що надав більшість люмінофорів – об'єктів цього дослідження, а також ст. наук. співр. Науково-дослідного інституту хімії при ХНУ Рошалю О. Д. за допомогу в проведенні і тлумаченні результатів експериментів.

Публікації і апробація результатів дисертації.

За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей, 3 - в наукових журналах дальнього зарубіжжя і 5 - в українських журналах.

Основні матеріали дисертації доповідалися на 10 українських і міжнародних конференціях: XIII національна школа-семінар з міжнародною участю "Спектроскопія молекул та кристалів", 20-26 квітня 1997, Суми-Україна; 17th International Conference on Photochemistry, 3-8 серпня 1997, Варшава-Польща; The Jablonski Centennial Conference on Luminescence and Photophysics, 23-27 липня 1998, Торун-Польща; Electronic Processes in organic materials, 18-22 травня 1998, Київ-Україна; International Conference “Hydrogen Bond”, 10-15 травня 1998, Київ-Україна; 18th JUPAC Symposium on Photochemistry, 19-24 липня 1998, Барселона-Іспанія; 6th International conference on methods and applications of fluorescence spectroscopy, 12-15 вересня 1999, Париж-Франція; Перша всеукраїнська конференція студентів і аспірантів “Сучасні проблеми хімії”, 18-19 травня 2000, Київ-Україна; 18th IUPAC Symposium on Photochemistry, 22-27 липня 2000, Дрезден-Німеччіна; 20th International Conference on Polyphenols, 10-15 вересня 2000, Фрайзинг-Вайхенштефан-Німеччіна.

Структура і обсяг дисертації.

Матеріали роботи викладені на 155 сторінках машинописного тексту і включають 41 малюнок і 17 таблиць. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, опису матеріалів і методів дослідження, 3 розділів, що відображають результати власних досліджень, висновків, списку літератури, що складається з 160 літературних джерел.

ОБ'ЄКТИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Для дослідження були використані краунвмісні сполуки 1г, 1д, 2ж, а також наступні модельні сполуки:

1а 1б 1в-1д

1в - R, R1 = NMe2; 1г - R = 15-азакраун-5, R1= NMe2; 1д - R, R1 = 15-азакраун-5.

2а-2ж 3 4

2а - R1, R2, R3 = H; 2б - R1 = OCH3; R2, R3 = H; 2в - R1, R3 = H; R2 = CH3; 2г - R1 = N(CH3)2; R2, R3 = H; 2д - R1 = N(CH3)2; R2 = H; R3 = OCH3; 2е - R1 = N(CH3)2; R2 = CH3; R3 = H;
2ж - R1 = 15-азакраун-5; R2, R3 = H.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В літературному огляді представлені основні досягнення останніх років у вивченні комплексоутворюючої спроможності різноманітних класів органічних люмінофорів, зокрема, що містять краун-цикл.

Розглянуті спектрально-люмінесцентні властивості похідних флавонола в залежності від природи замісників в молекулах і їхніх комплексів з іонами металів похідних 3-гідрокси - і 5-гідроксифлавонів. Розглянуто механізм внутрімолекулярного фотопереносу протона у збудженому стані у похідних 3-гідроксифлавона, а також вплив на цей процес температури і природи розчинника.

Представлені основні класи краун-похідних, перспективних для подальшого використання, а також закономірності змін спектрально-флуоресцентних характеристик цих сполук при утворенні комплексів по краун-циклу з іонами лужних і лужноземельних металів.

Будова і спектрально-люмІнесцентні і протоноакцепторні властивості похідних дибензальацетона

Головним хромофорним фрагментом сполук 1б - 1д є угруповання пара - диметиламінозаміщеного фенілпропенона, спектральні властивості якого в значній мірі визначаються конформацією пропенонового ланцюга. Окрім цис-транс ізомерії, для молекул цього класу також характерна наявність поворотних ізомерів, що відрізняються взаємною орієнтацією зв'язків C=C і C=O пропенонового фрагменту (S-цис/S-транс).

Сполуки 1в - 1д, завдяки наявності в їхніх молекулах насиченого містка -CH2-CH2-, що входить до складу жорсткого циклопентанонового фрагменту, існують у виді плоских біс-S-цис - конформерів.

Сполука 1б, на відміну від своїх просторово-фіксованих аналогів, може існувати у виді декількох конформерів, що відрізняються взаємною орієнтацією зв'язків С=С відносно карбонільної групи:

біс-S-транс (1б1) S-транс-S-цис (1б2) біс-S-цис (1б3)

За результатами квантово-хімічних розрахунків конформер 1б3 виявився найбільш енергетично вигідним. Крім того, він має найменший дипольний момент серед наведених структур, що сприяє зміщенню конформаційної рівноваги у бік його утворення в розчинниках низької полярності.

Для 1б кут між хромофорними фрагментами в розчині, оцінений за Кіпріановим, склав ~121. Значення цього кута (N-O-N), оцінені для трьох можливих конформерів 1б1-1б3 за результатами квантово-хімічного розрахунку, склали відповідно 90, 107 і 123. Таким чином, було зроблено висновок, що 1б в розчині існує переважно в плоскій біс-S-цис-конформації 1б3.

В експериментальних спектрах поглинання сполук 1а-1д виявляються тільки інтенсивні переходи *-типу ( у межах 50000 л/моль·см), на фоні яких спостереження малоінтенсивних переходів n*-типу ( не більш 100 л/мольсм), що локалізовані на карбонільній групі, не представляється можливим. При цьому для всіх сполук характерні невеликі квантови виходи флуоресценції.

У всіх сполуках, що досліджуються, при переході до збудженого стану має місце значне зростання дипольного моменту, яке зумовлює сольватохромний і сольватофлуорохромний ефекти, що спостерігаються. Зі збільшенням полярності розчинника смуги поглинання і випромінювання зазнають достатньо сильного батохромного зсуву, що супроводжується зменшенням квантового виходу флуоресценції. Утворення водневих зв'язків між молекулами розчинника і кетоціанінових барвників призводить до додаткового довгохвильового зміщення спектру і супроводжується помітним падінням квантового виходу флуоресценції.

З точки зору протолітичних взаємодій, молекули 1а-1д містять реакційні центри двох типів - диалкіламіно- і карбонільну групи, основність яких істотно розрізнюється. Оскільки протонування карбонільної групи відбувається в середовищах з високою кислотністю (від H0= -4 і нижче), яке не досягається в біологічних об'єктах (для вивчення яких планується використати сполуки, що обговорюються), ми обмежилися лише розглядом реакційної здатності алкільованих аміногруп (1а-1д).

При протонуванні молекул сполук, що досліджуються, по диалкіламіногрупам спостерігається значний короткохвильовий зсув смуг поглинання (рис. 1), що супроводжується падінням ефективності флуоресценції. Це пов'язано з ефектом "виключення" аміногруп із супряження з -системою молекули при зв'язуванні із ними протона, оскільки NHAlk2+-група володіє тільки індукційним ефектом і впливає на спектр поглинання лише як слабкий збурюючий фактор. Дані спектрофотометричного кислотно-основного титрування наведені в табл. 1.

Рис. 1. Спектрофотометричне титрування 1г у водному розчині етанола в діапазоні рН від 8 до -1. В рамці наведена зміна оптичної щільності в залежності від рН на аналітичній довжині хвилі =500 нм. Стрілками показано направлення зміни оптичної щільності при збільшенні кислотності розчину.

Для похідних дибензальацетона, що містять два однакових хромофорних фрагменти, очікувалося протонування обох аміноалкільних груп при однакових значеннях рН. Але на прикладі 1г було встановлено, що протонування цих угруповань відбувається при різних значеннях рН, причому різниця в константах залежить від природи алкільних замісників при атомах азоту. Беручи до уваги константу протонування сполуки 1б, було зроблено висновок, що у несиметричному дибензальциклопентаноні першим протонується атом азоту диалкіламіногрупи, а вже після цього атом азоту азакраун-ефирної групи. В ході титрування помітний момент утворення монопротонованої форми, максимум поглинання якої зсунуто у короткохвильову область внаслідок зникнення “кіпріановського” розщеплення довгохвильової смуги (рис. 1).

Таблиця 1.

Кислотно-основні взаємодії похідних дибензальацетона у водному розчині етанола.

Сполука | abs (B), см-1abs (BH+), см-1pKBH+ | abs (BH2+), см-1pKBH2+1д | 20200 | 20640 | 3.220.10 | 28560 | 2.140.01 | 1г | 20040 | 20880 | 4.230.02 | 28680 | 1.950.01 | 1в | 20340 | 21000 | 2.590.07 | 28920 | 0.900.08 | 1б | 21120 | 21600 | 3.090.03 | 30840 | 2.910.04 | 1а | 26280 | 26720 | 3.200.01 | 40000 | 1.570.01 | 3 | 24360 | 34020 | 4.110.01 | - | - | N(CH3)2-корічний альдегід | 24820 | - | 2.690.01 | - | - | Примітка: диметиламінокорічний альдегід є модельною сполукою.

Будова і спектрально-люмінесцентні властивості похідних
3-гідроксифлавона

Спектральні характеристики похідних 3-гідроксифлавона в значній мірі визначаються наявністю в їхніх молекулах внутрімолекулярного водневого зв'язку. Для цього ряду сполук характерний процес фотопереносу протону (ESIPT), причиною якого є погоджене збільшення основності карбонільної групи і кислотності гідроксигрупи при переході до збудженого стану. В результаті цього, в спектрі флуоресценції спостерігаються дві смуги випромінювання: фототаутомерна форма флуоресцирує в більш довгохвильовій області у порівнянні з вихідною “нормальною” формою. Співвідношення інтенсивностей згаданих вище смуг істотно залежить від будови молекули і характеристик мікрооточення. Так, в спектрі сполуки 2а інтенсивність випромінювання фототаутомерної форми на 1-2 порядка перевищує інтенсивність вихідної форми, тоді як у спектрі похідних з сильними електронодонорними замісниками - 2г, 2ж ефективність флуоресценції обох форм близька.

У сполук 2г і 2ж, що містять в пара-положенні бокового бензольного кільця сильний електронодонорний замісник - диалкіламіногрупу - ефективність реакції фотопереносу протона в S1-стані помітно знижена в результаті міжфрагментного переносу заряду з цього замісника на бензопіроновий фрагмент. Цей процес впливає на спектрально-люмінесцентні властивості як незв’язаної молекули 2г, так і комплексів, що утворюються.

У протонодонорних і протонакцепторних розчинниках похідних 3-гідроксифлавона спостерігається частковий розрив внутрішньомолекулярного водневого зв'язку і утворення міжмолекулярних водневих зв'язків з молекулами розчинника. Це призводить до зменшення ефективності реакції ESIPT, аж до повного її подавлення (наприклад, для сполучення 2г у спирті).

Окрім залежності швидкості фотопереносу протона від властивостей розчинника для похідних 3-гідроксифлавона спостерігається також помітний сольватофлуорохромний ефект. Так, в залежності від полярності розчинника, смуга флуоресценції, що відповідає збудженій молекулі флавонола, змінює своє положення в достатньо широких межах, в той час як положення смуги випромінювання фототаутомерної форми і смуги поглинання флавонолів практично не залежать від розчинника (рис. 2).

Рис. 2. Залежність спектрально-флуоресцентних характеристик 2г від полярності, L – константа Ліпперта розчинника (1 – положення смуг поглинання, 2 і 3 – смуг флуоресценції нормальної і таутомерної форм).

Відзначена вище залежність спектру похідних 3-гідроксифлавона від параметрів мікрооточення може бути використана для відкриття протонодонорних домішок в апротонних розчинниках і для оцінки полярності клітинних мембран.

Комплексоутворення похідних дибензальциклопентанона

Комплексоутворення 1а-1д і 3 з іонами Mg2+, Ca2+ і Ba2+ досліджувалося в розчинах в ацетонітрилі. Було встановлено, що всі вивчені сполуки здатні до координації іонів металів по карбонільній групі, крім того, сполуки 1д і 1г здатні утворювати комплекси за участю азакраун-циклу.

Як вже згадувалося вище, сполуки 1д і 1а-1в мають в своєму складі два однакових крос-супряжених хромофорних фрагменти, в результаті взаємодії яких, згідно з А. Н. Кіпріановим, довгохвильова смуга поглинання розщеплюється в дублет. Після зв'язування іону металу з одним з азакраун-угрупувань, асиметрична смуга поглинання барвника приймає вид “правильної” неструктурованої смуги, розташованої між максимумами математично виділених компонент смуги незакомплексованого ліганда (рис. 3).

Рис. 3. Зникнення “кіпріановського” розщеплення довгохвильової смуги спектру поглинання на прикладі 1д при приєднанні іону Ba2+. Пунктиром показано математично поділені складові спектру 1д.

Зміни спектрів 1a-1в і 3, що спостерігаються при збільшенні концентрації іонів лужноземельних металів, можуть бути пояснені як наслідок утворення донорно-акцепторних комплексів з участю неподілених електронних пар атому кисня карбонільної групи. При утворенні донорно-акцепторних комплексів з іонами лужноземельних металів квантовий вихід флуоресценції знижується у 8-10 разів (основні характеристики комплексів, що утворюються наведені в таблиці 2).

Таблиця 2.

Комплексоутворення з іонами Mg2+ Ca2+ і Ba2+ сполук 1а-1д і 3 в ацетонітрилі.

Спо-лука | Іон | Тип комплексу | Поглинання | Флуоресценція | abs, см-1lg Kabsfl, см-1ST, см-1flg Kfluor1д- | - | 21440 | - | 17380 | 4060 | 0.330 | - | Mg2+ / 1 | crown | 22080 | 2.770.03 | - | - | - | 3.320.09 | Mg2+ / 2 | CO | 19040 | 1.170.05 | 15900 | 3140 | 0.029 | 1.820.01 | Mg2+ / 3 | crown | 26780 | 0.140.08 | 24400 | 2380 | 0.039 | 1.050.01

Ca2+ / 1 | crown | 22120 | 3.100.02 | - | - | - | 3.670.13 | Ca2+ / 2 | crown | 26560 | 2.070.02 | 21860 | 4700 | 0.001 | 2.900.01 | Ca2+ / 3 | CO | 23800 | 1.560.05 | 16000 | 7800 | 0.089 | Ba2+ / 1 | crown | 22320 | 3.520.02 | - | - | - | 3.530.02 | Ba2+ / 2 | crown | 25000 | 1.750.04 | 16030 | 8970 | 0.052 | 1.200.03 | Ba2+ / 3 | CO | 23000 | 1.020.02 | 22000 | 1000 | 0.023 | 1г- | - | 21380 | - | 17260 | 4120 | 0.230 | - | Mg2+ / 1 | crown | 21760 | 2.120.04 | - | - | - | 2.310.06 | Mg2+ / 2 | CO | 18860 | 1.700.06 | 15650 | 3210 | 0.020 | 1.960.03 | Ca2+ / 1 | crown | 21760 | 2.050.02 | - | - | - | 2.850.04 | Ca2+ / 2 | CO | 19360 | 1.430.03 | 15400 | 3960 | 0.020 | 2.050.06 | Ba2+ / 1 | crown | 21760 | 2.830.05 | - | - | - | 2.620.02 | Ba2+ / 2 | CO | 20080 | 1.350.01 | 15760 | 4320 | 0.030 | 1.520.06 | 1в- | - | 21860 | - | 17220 | 4640 | 0.230 | - | Mg2+CO | 18880 | 1.350.05 | 15860 | 3020 | 0.022 | 1.660.01 | Ca2+CO | 19040 | 1.870.02 | 15900 | 3140 | 0.032 | 1.800.01

Ba2+CO | 19660 | 1.540.03 | 16140 | 3520 | 0.045 | 1.510.01 | 1б- | - | 23000 | - | 16880 | 6120 | 0.200 | - | Mg2+CO | 19600 | 1.300.08 | 15520 | 4080 | 0.030 | 1.850.01 | Ca2+CO | 19540 | 1.810.02 | 15540 | 4000 | 0.138 | 2.260.01 | Ba2+CO | 20280 | 1.520.02 | 15820 | 4460 | 0.060 | 1.750.01 | 1а- | - | 28300 | - | 17880 | 10420 | 0.006 | - | Mg2+CO | 24800 | 0.520.02 | 21440 | 3360 | 0.009 | - | Ca2+CO | 24920 | 1.690.01 | 21760 | 3160 | 0.001 | - | Ba2+CO | 25740 | 1.140.06 | 22400 | 3340 | 0.020 | - | 3- | - | 25900 | - | 20520 | 5380 | 0.011 | - | Mg2+CO | 22880 | 1.070.02 | 19220 | 3660 | 0.007 | - | Ca2+CO | 23340 | 1.200.03 | 19540 | 3800 | 0.008 | -

Ba2+CO | 24340 | 0.920.03 | 19300 | 5040 | 0.006 | -

На наш погляд, існує певна аналогія між комплексоутворенням з іонами металів, яке досліджується в цій роботі, і утворенням комплексів з водневим зв'язком, наприклад, у спиртових розчинах сполук, що вивчаються. В останньому випадку також спостерігається деякий довгохвильовий зсув спектру поглинання і випромінювання у порівнянні з розчином в ацетонітрилі.

Для 1а-1в і 3 спостерігається утворення комплексів тільки з співвідношенням метал: ліганд рівним 1 : 1. Карбонільна група не є ефективним комплексоутворювачем і константи стійкості утворених комплексів сполук 1а-1в і 3 виявляються не дуже великими (lgK ~1. 02.0). Ефективність утворення комплексів з іонами Ba2+ і Ca2+, у порівнянні з іонами Mg2+, виявляється дещо більшою, однак іони Mg2+ виявляють більш істотний вплив на спектральні характеристики сполук внаслідок більшої щільності заряду на катіоні.

У випадку сполук 1д і 1г, що містять реакційні центри двох типів, взаємодія з іонами лужноземельних металів відбувається в дві або три стадії, в залежності від кількості центрів комплексоутворення. Послідовність стадій комплексоутворення цих сполук з різними іонами різноманітна (рис. 4).

Рис. 4. Схеми процесу комплексоутворення сполук 1д і 1г з іонами Mg2+, Ca2+ і Ba2+ в розчині ацетонітрилу.

При утворенні комплексів з іонами барію і кальцію 1д і 1г в спектрі поглинання спостерігається істотний короткохвильовий зсув, в той час як максимум спектру флуоресценції незначно зсувається у довгохвильову область (не більш ніж на 1000 см-1). Це свідчить на користь ефекту "виштовхування" (ejection) іону металу із краун-цикла при переході до збудженого стану, що відбувається зі швидкістю, яка значно перевищує швидкість випромінювання флуоресценції комплексу. В результаті замість спектру металокомплексу спостерігається випромінювання донорно-акцепторного комплексу по карбонільній групі сполук 1в з іонами Ba2+и Ca2+. При цьому Стоксовий зсув флуоресценції для азакраун-комплексів досягає майже 9000 см-1.

У випадку комплексоутворення 1д і 1г з іонами Mg2+ включення металу в азакраун-цикл супроводжується появою інтенсивного короткохвильового випромінювання, з чого може бути зроблене припущення, що у випадку комплексу з іонами магнію "виштовхування" іону металу з краун-циклу відбувається зі швидкістю помітно меншою, ніж швидкість випромінювання флуоресценції відповідного комплексу.

Комплексоутворення похідних 3-гідроксифлавона

Дослідження залежності спектрів поглинання і флуоресценції 2а-2г від концентрації іонів металів дозволяє зробити висновок, що комплексоутворення з Ba2+, Са2+ і Mg2+ протікає в одну стадію. Розрахунок складу комплексів, що утворюються, показав, що всі вони мають співвідношення ліганд : метал, рівне 1: 1.

Спектрально-люмінесцентні характеристики речовин, що досліджуються, і комплексів, що ними утворюються наведені в таблиці 3. По характеру змін у спектрах, а, отже, і за своєю природою комплекси, що утворюються, можна поділити на 2 групи.

Комплекси першого типу - далі “зовнішні” - утворюються при взаємодії іонів Ba2+ і Са2+ із карбонільною групою всіх похідних 3-гідроксифлавона, а також іонів Mg2+ з похідними 3-метоксифлавона. При приєднанні іону металу має місце невеликий батохромный зсув спектру поглинання, а в спектрі випромінювання з'являється інтенсивна смуга флуоресценції комплексу. При переході до збудженого стану спостерігається конкуренція між процесом комплексоутворення по карбонільній групі і фотопереносом протону. Як наслідок, спостерігається дисоціація “зовнішніх” комплексів і утворення ліганда у фототаутомерній формі.

Отримані експериментальні дані дозволяють припустити, що в утворенні комплексів першого типу 3-гідроксигрупа не бере участь - іон металу утворює донорно-акцепторний зв'язок тільки із “зовнішньою” електронною парою атому кисня карбонільної групи, що який бере участь в утворенні внутрішньомолекулярного водневого зв'язку, аналогічно комплексам похідних дибензальацетона.

Можливість заміщення іоном Ba2+ атому водня гідроксигрупи флавонолів представляється малоймовірним, бо при цьому повинен утворитися аніон флавілію. Як витікає з даних таблиці 3, флавоноли є занадто слабкими кислотами для того, щоб утворити в ацетонітрильному розчині скільки-небудь помітну кількість аніонної форми. Навіть в концентрованих розчинах Ba(ClO4)2 в ацетонітрилі поглинання і випромінювання аніонів флавонолів не спостерігається.

Таблиця 3.

Спектрально-люмінесцентні характеристики похідних 3-гідроксифлавона
і їх комплексів з іонами Mg2+, Ca2+ і Bа2+.

Сполу
ка | Іон | Тип комплексу | Поглинання | Флуоресценція

abs, см-1 | lg Kabsfl, см-1 | St, см-1 | fl | 2а | - | - | 29400 | 9.12±0.0222463014770 | 0.0009 | Mg2+хелат | 23840 | 1.71±0.02 | 20480 | 3360 | 0.105 | Ca2+СО | 28720 | 0.91±0.08 | 24300 | 4420 | 0.051 | Ba2+СО | 28600 | 0.76±0.02 | 24420 | 4180 | 0.042 | 2б | - | - | 28700 | 9.59±0.0222364015060 | 0.0012 | Mg2+хелат | 23360 | 1.31±0.01 | 20260 | 3100 | 0.300 | Ca2+СО | 27320 | 0.84±0.06 | 22520 | 4800 | 0.263 | Ba2+СО | 27680 | 0.72±0.04 | 22980 | 4700 | 0.221 | 2в | - | - | 33820 | - | - | - | - | Mg2+СО | 33280 | 0.32±0.03 | - | - | - | Ca2+СО | 32060 | 0.82±0.02 | - | - | - | Ba2+СО | 32940 | 0.75±0.04 | - | - | - | 2г | - | - | 25180 | 10.18±0.0221898016200 | 0.127 | Mg2+хелат | 22340 | 2.07±0.06 | 18240 | 4100 | 0.733 | Ca2+СО | 22520 | 1.38±0.04 | 17900 | 4620 | 0.314 | Ba2+СО | 23340 | 0.72±0.01 | 18220 | 5120 | 0.563 | 2д | - | - | 25680 | 10.25±0.0221968016000 | 0.020 | Mg2+хелат | 23260 | 1.62±0.02 | 18520 | 4740 | 0.836 | Ca2+СО | 23520 | 1.46±0.04 | 18480 | 5040 | 0.380 | Ba2+СО | 24080 | 1.49±0.01 | 18740 | 5340 | 0.479 | 2е | - | - | 26220 | - | 19840 | 6380 | 0.686 | Mg2+СО | 23680 | 0.39±0.08 | 18620 | 5060 | 0.045 | Ca2+СО | 24000 | 1.70±0.04 | 18400 | 5600 | 0.059 | Ba2+ | СО | 24320 | 1.24±0.03 | 18500 | 5820 | 0.130 | 2ж | - | - | 25060 | 10.23±0.0221915015910 | 0.041 | Mg2+/ 1 | хелат | 22600 | 2.25±0.07 | 18600 | 4000 | 0.165 | Mg2+/ 2 | краун | 23840 | 0.83±0.06 | 19880 | 3960 | 0.468 | Ca2+/ 1 | краун | 28760 | 3.51±0.02 | - | - | - | Ca2+/ 2 | СО | 27180 | 0.72±0.08 | 18580 | 8600 | 0.573 | Ba2+/ 1 | краун | 28080 | 2.40±0.02 | - | - | - | Ba2+/ 2 | СО | 26180 | 0.89±0.04 | 18680 | 7500 | 0.498 | 4 | - | - | 32940 | - | 28620 | 4320 | 0.114 | Mg2+краун | 36520 | 1.97±0.09 | - | - | - | Ca2+краун | 38900 | 3.83±0.01 | - | - | - | Ba2+краун | 36740 | 3.57±0.02 | - | - | - | Примітка: 1- для незакомплексованого ліганда наведені характеристики форми без переносу протона;

2 – наведено показник константи дисоціації 3-гідроксигрупи.

Комплексоутворення похідних 3-гідроксифлавона з Mg2+ супроводжується значним батохромним зсувом смуг поглинання і випромінювання. Зміни, що спостерігаються в спектрах дозволяють зробити висновок про формування в даному випадку комплексів, що істотно відрізняються за природою від комплексів першого типу.

Комплекси другого типу утворюються тільки у 3-гідроксифлавонів. Їхня стійкість є вищою, ніж у “зовнішніх” комплексів і залежить від природи замісника у боковому бензольному кільці, а, отже, і від електронної щільності на атомах кисня гідроксильної групи. З цього можна зробити висновок, що на відміну від “зовнішніх” комплексів, в утворенні комплексів другого типу бере участь також і гідроксильна група.

Крім того, для даних комплексів характерні величини St є приблизно в 1.5 рази більш низькими, ніж у відповідних “зовнішніх” комплексів. Це говорить про утворення більш жорсткої молекулярної структури, конформація якої не зазнає істотних змін у збудженому стані. Дані спектрів флуоресценції свідчать також і про відсутність фотопереноса протону у комплексів цього типу. Перераховані факти, а також результати FAB мас-спектроскопії, дозволяють припустити для комплексів другого типу циклічну хелатну будову.

Заміна в молекулі сполуки 2г диметиламіногрупи на 15-азакраун-5-цикл (2ж) не призводить до істотних змін спектральних характеристик. Як і у випадку 2г, вони в значній мірі визначаються електронодонорними властивостями N, N-диалкіламіногрупи у боковому бензольному кільці. Сполука 2ж відрізняється від 2а-2г тільки тим, що вона має додатковий центр комплексоутворення - 15-азакраун-5-цикл.

Як і для азакраунпохідних дибензальацетона, послідовність стадій комплексоутворення по двох центрах у випадку 2ж є різною для різних іонів лужноземельних металів (рис. 5).

Рис. 5. Послідовність стадій комплексоутворення 2ж з іонами лужноземельних металів.

При утворенні комплексів 2ж з іонами барію і кальцію в стаціонарних та часорозвинених спектрах флуоресценції не спостерігається поява смуг, які належать комплексам по краун-циклу. Це свідчить про ефективний фотовикид катіону з азакраунциклу при збудженні. Однак, у випадку іонів магнію була зареєстрована смуга випромінювання, що відповідає краун-комплексу. На відміну від комплексів з іонами Са2+ і Ba2+, іон магнію значно сильніше зв'язаний з атомом азоту краун-циклу і його фотовикид з азакраун-циклу у збудженому стані відбувається значно повільніше.

Окрім вивчення комплексоутворення похідних 3-гідроксифлавона засобами електронної спектроскопії нами також була зроблена спроба підтвердження висновків про будову комплексів, що утворюються, методом FAB мас-спектроскопії. В мас-спектрах похідних 3-гідроксифлавона в присутності іонів металів були виявлені всі типи комплексів, існування яких було зафіксовано методом електронної спектроскопії. Однак, окрім цього по даних мас-спектрів було виявлено існування незначної кількості двохлігандних комплексів з флавонолами (рис. 6). Раніше ці комплекси нами не були зафіксовані, тому що для їхнього утворення було необхідно створити концентрацію ліганда, недосяжну для вимірювання за допомогою електронної спектроскопії.

Рис. 6. Ймовірна будова двохлігандних комплексів похідних 3-гідроксифлавона з іонами магнію (А) і барію і кальцію (Б) і В), виявлених за допомогою мас-спектроскопії.

Застосування флавонолів для оцінки зміни площі поверхні і полярності біологічних мембран

Оскільки 4'-диметиламіно-3-гідроксифлавон (2г) є сполукою, спектральні характеристики якої істотно залежать від властивостей оточення, ця сполука є перспективним флуоресцентним зондом, що дозволяє водночас досліджувати полярність, гідратованість і зв'язані із ними інші характеристики біологічних об'єктів.

Нами була показана можливість оцінювати зміну площі поверхні біологічних мембран під впливом -випромінювання з використанням сполуки 2г. В доповнення до двохсмугової флуоресценції 2г, адсорбованого на мембрані, при насиченні мембрани молекулами зонда, в спектрі з'являється смуга випромінювання 2г у водній фазі. З побудованої залежності інтенсивності флуоресценції 2г від концентрації доданого зонду можна розрахувати концентрацію насичення молекулами мембрани, що досліджується і, відповідно, оцінити зміну площі поверхні мембрани під впливом вражаючих факторів. На даному принципі було засновано проведене нами дослідження цієї сполуки в суспензіях клітин щурів (кліток печінки, селезінки і тімуса) до і після впливу на них інтенсивного -випромінювання.

Окрім оцінки площі поверхні клітинних мембран, завдяки наявності сольватофлуорного ефекту, 2г також можна застосовувати для оцінки міри гідратованості і полярності мембрани, з якою зв'язана молекула 2г.

Для всіх типів клітин характерна зміна положення смуги флуоресценції нормальної форми в інтервалі 19000-20000 см-1. У відповідності з цим нами була проведена оцінка полярності поверхневих шарів мембран клітин різних органів щурів і клітин крові людини.

Застосування Азакраунпохідних дибензальциклопентанона для дослідження структури біологічних мембран

Зроблена оцінка числа місць зв'язування і констант асоціації з одиничним центром зв'язування сполук 1в-1д на мембранах еритроцитів людини, вільних від гемоглобіну. Виявлено, що згадані вище зонди локалізуються на мембранах в двох місцях: на поверхні розділу ліпідний бішар – вода і в приповерхневому фосфатно-холіновому шарі. Встановлено, що в залежності від гідрофільності зонду співвідношення молекул, що локалізовані в різних шарах мембрани, є різним.

Висновки

1. Вивчено процеси комплексоутворення похідних дибензальацетона і 3-гідроксифлавона з іонами лужноземельних металів, встановлено структуру і спектрально-флуоресцентні характеристики комплексів, що утворюються. Похідні дибензальацетона можуть утворювати комплекси з іонами лужноземельних металів по карбонільній групі. Похідні 3-гідроксифлавона в залежності від розміру іону металу і наявності вільної 3-гідроксигрупи в молекулі можуть утворювати два типи комплексів: “зовнішній”, з координаційним зв'язком між іоном металу і вільною неподіленою електронною парою атому кисня карбонільної групи, і циклічний хелатний комплекс. В формуванні хелатного комплексу окрім карбонільної групи бере участь також гідроксильна група 3-гідроксифлавона. Методом FAB мас-спектроскопії встановлена принципова можливість утворення двохлігандних комплексів, однак лише за умов істотного надлишку ліганда.

2. Показано, що приєднання першого іону водню або іону металу до одного з однакових центрів взаємодії у симетричних похідних дибензальциклопентанона, призводить до зникнення кіпріанівського розщеплення довгохвильової смуги поглинання, що дозволяє зафіксувати реакцію приєднання цього іону за незначною зміною спектральних характеристик ліганда.

3. Комплексоутворення біфункційних 15-азакраун-5-похідних відбувається у декілька стадій, з утворенням комплексів складу метал : ліганд – 1 : 1, 2 : 1 (і 3 : 1 для біс-азакраун похідних дибензальциклопентанона). Послідовність стадій комплексоутворення суттєво залежить від радіусу іону, що приєднується.

4. У комплексів з азакраун-похідними у збудженому стані спостерігається швидкий фотовикид іонів металу з краун-циклу. Вперше встановлено, що швидкість фотодисоціації металокомплекса залежить від міцності зв'язку іону металу з атомом азоту. Іон магнію найбільш міцно зв'язаний з азакраун-циклом, внаслідок чого швидкість фотовикиду у комплексів з іонами магнію найменша. У “зовнішніх” комплексів флавонолів з іонами барію і кальцію в S1-стані має місце конкуренція процесів комплексоутворення і фотопереноса протона.

5. Завдяки комплексоутворенню, що викликає помітні зміни спектральних характеристик сполук, що досліджувалися, та суттєвому сольватофлуорохромному ефекту, азакраунпохідні дибензальциклопентанона і 3-гідроксифлавона запропоновано для використання в якості флуоресцентних сенсорів на іони лужноземельних металів. Показано, що вивчені сполуки є також придатними для оцінки структури, поверхневих і електричних властивостей біомембран.

Перелік робіт, що були опублікувани за темою дисертації:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.