Содержание к диссертации
Введение
Литературный обзор; 24:
Взаимосвязь хемилюминесцентных и фотохимических процессов: 24!
1.2. Динамика элементарного акта; Общие соображения; 26
1.3; Диоксетаны как химические генераторы электронно-возбужденных; состояний. Способы возбуждения хемилюминесценции; 1,2-диоксетанов, Термический распад диоксетанового цикла
Распад диоксетаново го цикла, инициированный переносом электрона: 341
Фрагментация шестичленного кислород-углеродного (тетроксидного) цикла 46
Электронное возбуждение в реакциях: трехчленных циклопероксидов (диоксиранов); 50s
1.6. Фрагментация азот-углеродного цикла; Инверсия стереохимии при выделении азота из циклоазосоединений. 511
1-.7. Последующие .трансформации продуктов фотолиза; циклоазосоединений. Селективная миграция заместителей,,вызванная:
переносом электрона. 57
1.8; «Внутренние» и «внешние» переменные жидкофазных процессов с участием возбужденных состояний: вариация молекулярной структуры и свойств среды как метод исследования и управления превращениями молекул. 60-
1.8:1. «Внутренние» и «внешние» переменные химического процесса...60
1.8.2. Внутримолекулярные процессы с участием электронного возбуждения: роль мультиплетности и орбитальной природы:
электронных состояний; элементы симметрии и влияние среды 61.
1.83І Межмолекулярные взаимодействия с участием: электронного возбуждения:.проблемы описания механизмов жидкофазных процессов. 65
1.8.4:. «Внешние» взаимодействия реагента со средой: влияние полярности и вязкости на пути реакции: 73
ГЛАВА 2. Материалы методы 75
2.1.. Материалы. 75
2.2. Методика хемилюминесцентных экспериментов: 80'
23; Лазерный фотолиз в жидких и суперкритических средах . 89
2.4. Спектральный анализ; . , 92
2.5. Численные методы; , 92
Генерация электронного возбуждения как функция способа раскрыттшчетырехчленного; кислород-углеродного (диоксетанового) цикла структуры диоксетана. термическая и электронообменная хемилюминесценция 93
311. Сравнение профилей распада диоксетанов при термолизе и переносе электрона на;пероксидную группу. 93
3.2; Термическая и электронообменная триггерных диоксетанов. 98ї
3.2.1. Термическая генерация электронного возбуждения и хемилюминесценция . 100"
3.2.1.1. Возбужденные состояния продуктов термолиза: 100*
3:2.1.2. Возбуждение сингл етных состояний, первичная и усиленная
синглет-синглетным переносом энергии хемилюминес це нция 102
3.2.1.3; Возбуждение триплетных состояний и сенсибилизация ими; люминесценции люминофоров путем триплет-триплетного и триплетсинглетного переноса энергии: 109?
3:2.1.4..Заключение о хемивозбуждении при термолизе; 119
3;2.21 Электронообменная генерация возбужденных состояний:. Химически инициируемая электронообменная5люминесценция (ХИЭОЛ) триггерных диоксетанов. 121
3:2.2.1. Кинетика химического триггеринга 121
3:2.2.2. Генерация электронного возбуждения в ХИЭОЛ-процес се;... 127
312:2.3: Природа эмиттера ХИЭОЛ: 127
3:2.2;4.Хемивозбуждение приразных положениях триггерной
(защитной) группы; 130
3.2.3; Заключение о генерации электронного возбуждения как
функции способа раскрытия диоксетанового цикла. 144
ГЛАВА 4. Энзиматически запускаемая электронообменная люминесценция; влияние среды
Инициирование ХИЭОЛ щелочной фосфатазой; 146
О влиянии среды на спектральные свойства 148
4.1.21 Зависимость интенсивности ХИЭОЛ от рН. 15 Г
Выходы хемилюминесценции(ХИ30Л)і возбуждения и флуоресценции эмиттера ХИЭОЛ при вариации рН : 152;
4; ГА Зависимость скорости процесса от рН. 155
Влияние молекулярной структуры на генерацию и перенос электронного возбуждения различной мулътиплетности при фрагментации шестичленного пероксида (промежуточного тетрокєида) 167
5.1. Влияние вариации молекулярной структуры на генерацию
возбужденных состояний различной орбитальной природы И'
мультиплетности. 167
5.1.1. Первичная окси-хемилюминесценция: 169
5.1.2; Хемилюминесценция; сенсибилизированная; триплетами: 177
5.2. Влияние вариации молекулярной структуры на:перенос
электронного возбуждения между состояниями различной
мультиплетности. 182
Раскрытие азот-углеродных: циклов в электрошю-возбужденном состоянии! роль cpeды и молекулярной структуры ; 195
6. Г. Обращение стереохимии;при;выделении азота из циклических; азоалканов и зависимость стереоселективности процесса от вязкости
среды. 195
6.1.1. Комбинированный эффект вязкости и полярности в фотолизе диазабицикло[212! 1 ]гептена: Эффект разделения вязкостных:
профилей стереоселективностиш полярных и;неполярных средах: 198-
6.1.21 Стереоселективность фотолиза диазабицикло [2:2 Л ]гептена при >
температурной и изотермической вариациях;вязкости: 210і
6.1.3: Зависимость от вязкости стерео- и продукт-селективности в-
процессе фотолиза спироциклопропанзамещенного азоалкана: 219
6.-1.4; Зависимость вязкостного профиля процесса от- молекулярной,
структуры как способ диагностики координаты реакции. 224
6.2. Динамика фотолитического выделения азота. 228
6.2.11 Влияние вязкости на изомеризацию хаусана. 229
6.2:21 Зависимость стереоселективности от давления при фотолизе
диазабицикло[2.2:1]гептена в суперкритических средах 232
6.3. Вторичные процессы продуктов фотолиза циклоазоалканов, инициированные переносом электрона — внутримолекулярные миграции заместителей (преобразования Вагнера-Меервайна) и их зависимость от молекулярной структуры 241
Основные выводы. 255
Заключение: 259
Список литературы.
- Фрагментация шестичленного кислород-углеродного (тетроксидного) цикла
- Лазерный фотолиз в жидких и суперкритических средах
- Термическая генерация электронного возбуждения и хемилюминесценция
- Выходы хемилюминесценции(ХИ30Л)і возбуждения и флуоресценции эмиттера ХИЭОЛ при вариации рН
Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение большинства задач современной химии едва ли возможно без понимания физических аспектов химических превращений. Образно говоря, знание физической природы химических явлений служит «компасом» для «путешествия» по молекулярному миру из долин реагентов в долины продуктов. Среди наиболее фундаментальных физических аспектов химических процессов - вопрос о преобразовании энергии из одной формы в другую. Важнейшими случаями этого являются преобразование энергии химических связей реагентов, находящихся в основном состоянии, в энергию электронного возбуждения продуктов и далее - в свет и, наоборот, утилизация энергии электронного возбуждения, возникающего при поглощении молекулой кванта света, в процессах перестройки химической структуры. Таким образом, установление общих закономерностей химических процессов в электронно-возбужденных состояниях или с их участием представляет собой одну из наиболее актуальных задач современной физической химии.
Существует два основных сценария участия электронно-возбужденных состояний в химическом процессе. Первый из них имеет своим началом вертикальный переход молекулы реагента в возбужденное состояние (например, при поглощении кванта света), который, собственно, и инициирует химическое превращение. Во втором сценарии генерация электронно-возбужденного продукта является, наоборот, результатом химической трансформации невозбужденных реагентов. К процессам, происходящим по первому сценарию, относятся фотохимические превращения, ко второму - хемилюминесцентные;
в) Фотабоэбуждеяие
Ь) Хаиивозвуадекие
последние сопровождаются неравновесным испусканием кванта света (хемилюминес-ценция)(см.Рис. 1).
Прочие пути хими
ческих превращений с
участием возбужденных
Координата реакции (конфигурация ядер)
Рис. 1. Иллюстрация двух основных сценариев участия электронного возбуждения в химическом процессе: (а) фотовозбуждение и (Ь) хемивозбуждение (прямые стрелки -поглощение и испускание кванта света, волнистые - безызлучательные переходы).
состояний являются ничем
иным, как вариантами либо
же «симбиозом» двух выше
описанных сценариев. Так,
фотохимически можно
инициировать цепочку тем-новых стадий, приводящих к электронно-возбужденным продуктам и испусканию света (фотохемилюминес-центные реакции), а первичные хемивозбужден-ные продукты могут вызывать последовательность вторичных процессов, которые по своей природе могут быть как химическими, так и физическими (например, перенос энергии электронного возбуждения).
Выяснение общих закономерностей фотохимических и хемилюминесцентных процессов дает возможность отнести их изучение к одной области знания - химии электронно-возбужденных состояний, формирующей общий подход к диагностике химических превращений, путь которых пролегает
по поверхностям потенциальной энергии (ППЭ) как основного, так и возбужденных состояний.
В настоящей диссертации главное внимание уделено роли молекулярной структуры и влиянию среды в реакциях с участием электронно-возбужденных состояний (хеми- и фотовозбуждение) и возможности использования вариации этих «внутренних» и «внешних» переменных для исследования природы таких процессов в жидкой фазе.
Управление химическим процессом путем вариации молекулярной структуры реагентов и внешних условий представляет собой задачу с несколькими переменными. Схема 1 иллюстрирует многообразие форм влияния Схема 1
Влияние на каюпы рвведни с учдепюч гннррнык частиц
Иманамс расположена и прфоды меетроию-впбдоенчьп состояв
Изменение скоростей и выходов образования продуктов
Вариация молекулярной
структуры
«внутренних» и «внешних» переменных (т.е. вариаций структуры реагента и свойств среды) на жидкофазный процесс, происходящий с участием электронного возбуждения.
Цели и задачи работы. Основной целью настоящей работы явилось изучение особенностей протекания важных процессов с участием электронного возбуждения, представляющих как чисто научный, так и практический интерес, при ключевых вариациях молекулярной структуры и свойств среды. Выбор модельных процессов, происходящих при хеми- и фотовозбуждении, в качестве объектов такого исследования был обусловлен сходством возможных механизмов их протекания, способствующим поиску общих закономерностей фотохимии и хемилюминесценции.
В рамках общей проблемы, рассматриваемой в диссертации, перед автором стояли следующие конкретные задачи:
Выяснить, как происходит возникновение электронного возбуждения в зависимости от способов раскрытия одних и тех же четырехчленных кислород-углеродных (диоксетановых) циклов, и выявить роль структуры реагента в образовании возбужденных продуктов.
Исследовать хемилюминесценцию практически важных триггерных диоксетанов (химический аналог биолюминесценции светляка), а именно: установить механизм раскрытия диоксетанового цикла (стадийный или синхронный) и генерации электронного возбуждения продуктов, а также исследовать влияние молекулярной структуры и свойств среды на этот хемилюминесцентный процесс при различных способах его инициирования.
Исследовать механизм генерации различных электронно-возбужденных состояний в процессе фрагментации тетроксида (шестичленного пероксидного интермедиата окисления углеводородов) путем ключевой вариации структуры исходного углеводорода и проследить аналогию этого процесса с хемивозбуждением при распаде диоксетанов (ср. пп. 1 и 2).
Выяснить роль состояний различной мультиплетности во вторичных процессах переноса электронного возбуждения, разрешить противоречия в представлениях о механизме переноса энергии с изменением спина путем вариации структуры доноров и акцепторов энергии.
Определить механизм раскрытия азот-углеродных циклов в электронно-возбужденном состоянии (последовательный либо синхронный разрыв связей C-N) и, по возможности, сравнить этот процесс с элементарным актом фрагментации кислород-углеродных циклов (ср. пп. 1-3).
Установить природу загадочного обращения стереохимии при выделении молекулы азота из электронно-возбужденных циклических азоалканов -явления, обнаруженного Ротом и Мартином еще в 1967 г.
Исследовать влияние среды и роль строения молекул циклоазоалканов в процессе инверсии стереохимии при фотолитическом отщеплении азота (ср. п. 6).
Разработать метод диагностики координат реакций мономолекулярных органических превращений, основанный на исследовании зависимости процесса от вязкости как функции замещения в молекуле реагента.
Экспериментально проверить «динамическую» модель стереохимической инверсии, предложенную недавно в литературе.
Исследовать вторичные процессы продуктов фотолиза циклоазоалканов, инициированные переносом электрона, - внутримолекулярные миграции заместителей (преобразования Вагнера-Меервайна (Wagner-Meerwein)) и их зависимость от молекулярной структуры.
Научная новизна работы. Представлена сравнительная картина генерации электронно-возбужденных состояний и хемилюминесценции замещенных 1,2-диоксетанов различного строения, допускающих разные способы инициирования распада кислород-ухлеридного цикла - термолиз и внутримолекулярный перенос электрона на пероксидную группу. Показано, что в то время как при термическом раскрытии диоксетанового цикла происходит заселение целого спектра низколежащих электронно-возбужденных состояний обоих продуктов распада, при распаде, инициированном переносом электрона, происходит возбуждение исключительно арильного фрагмента. Детально исследованы механизм и кинетика химически и энзиматически запускаемой электронообменной люминесценции (т.н. ХИЭОЛ-процесс) тригтерных диоксетанов, а также влияние среды на возникновение ХИЭОЛ и роль молекулярной структуры в процессе генерации возбужденных состояний.
В результате исследования электронного возбуждения различных люминофорных групп при хемилюминесцентной фрагментации циклических тетроксидов (промежуточных пероксидных интермедиатов в окислении углеводородов) впервые получено экспериментальное подтверждение возможности распада тетроксида по синхронному механизму. Установлена возможность возбуждения как Тр так и «запрещенного» Si-состояния карбонильного продукта реакции, причем непосредственно в акте распада тетроксида.
Устранены противоречия в описании механизма триплет-синглетного (T-S) переноса электронного возбуждения. Предложена модернизация обменно-резонансной модели T-S переноса энергии.
Предложен новый способ диагностики координаты реакции по зависимости вязкостного профиля процесса от молекулярной структуры реагента.
Выяснен механизм раскрытия азотно-углеродного цикла в электронно-возбужденных циклоазоалканах и обращения стереохимии, сопровождающего выделение азота (загадка Рота и Мартина). Решена задача о динамике такого процесса - установлена статистическая природа стереохимической инверсии.
Впервые исследована структурная зависимость внутримолекулярных превращений фотопродуктов циклоазосоединений, инициированных переносом электрона (миграции заместителей в промежуточных циклических катион-радикалах). По селективности миграции заместителей в циклических катион-радикалах впервые установлено, что кинетическое поведение таких внутримолекулярных процессов может качественным образом меняться - от «стереохимической памяти» до случаев, соответствующих принципу Куртина-Хаммета (Curtin-Hammett), даже при небольших вариациях структуры исходного реагента.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы, обусловленная новизной полученных результатов, заключается, во-первых, в том, что достигнуто понимание структурных аспектов и эффектов среды в важнейших модельных процессах с участием электронно-возбужденных состояний. В частности, следует отметить, что рассмотренные случаи электронообменной люминесценции находят использование в хемилюминесцентных биоаналитических методах и, таким образом, знание закономерностей протекания таких процессов в зависимости от среды и структуры реагентов имеет прямое отношение к разработке и рациональному применению биосенсорных технологий. Другим важным практическим аспектом настоящей работы является разработка нового подхода к диагностике координаты реакции, основанного на изучении зависимости процесса от вязких свойств среды. В этом контексте существенным является принцип разделения механического эффекта среды, влияния полярности растворителя и температуры на скорости и селективность образования продуктов. Кроме того, для определенных стерео- и продукт-селективных процессов, изученных в настоящей работе, показана возможность управления селективностью за счет небольших вариаций молекулярной структуры. Практическая важность этих процессов связана с возможностью их использования в тонких синтетических технологиях конструирования полициклических соединений и надмолекулярных структур.
Основные положения, выносимые на зашиту. На защиту вынесены следующие основные положения:
Развитие концепции взаимообратимости хемилюминесцентных и фотохимических процессов применительно к элементарным актам раскрытия органических гетероциклов различного строения, протекающим с участием электронно-возбужденных состояний.
Демонстрация на выбранных экспериментальных моделях путей управления электронным возбуждением и элементарными актами хемилюминесцентных реакций циклопероксидов с помощью небольших изменений в строении реагентов.
Картина генерации электронного возбуждения при распаде триперных диоксетанов как функция способа раскрытия кислород-углеродного цикла, структуры исходной молекулы и среды.
Влияние молекулярной структуры на генерацию электронного возбуждения при фрагментации гегроксида.
Модернизация модели переноса электронного возбуждения с изменением мультиплетности.
Детальное описание практически важного случая энигматически запускаемой электронообменной люминесценции и роли среды в этом процессе.
Подход к упрощению общей задачи о роли среды и структуры (см. Схему 1) путем разделения механического (вязкостного) эффекта среды, влияния полярности растворителя и температуры на исследуемый процесс.
Метод диагностики координаты реакции, основанный на изучении зависимости процесса от вязкости как функции замещения в молекуле реагента.
Механизм раскрытия азот-углеродного цикла в электронно-возбужденном состоянии циклоазосоединения.
Решение задачи о механизме стереохимической инверсии при выделении азота из возбужденных циклоазоалканов и описание роли среды и молекулярной структуры в таком процессе.
Обнаружение и описание структурной зависимости внутримолекулярных превращений фотопродуктов циклоазосоединений, инициированньж переносом электрона (миграции заместителей в промежуточных циклических катион-радикалах).
Личный вклад автора. Большая часть изложенного материала получена при определяющем вкладе автора настоящей диссертации. Это касается как постановки задач, таки выбора методов их решения, выполнения экспериментов и интерпретации результатов. Кроме того, бблыпая часть статей, опубликованных по теме работы в соавторстве, написана лично им. Синтез же органических материалов (циклоазосоединений, диоксетанов и их предшественников), использованных диссертантом, был осуществлен его соавторами.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на следующих научньж конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: Рабочем семинаре института ядерной физики в Орсэ (Institut de Physique Nucleate d'Orsay, Univeisite de Paris-Sud, Орсэ, Франция, март-апрель 1996 г.), Международном совещании по свободным радикалам в биологии и окружающей среде (Бардолино, Италия, июнь 1996 г.), Международном симпозиуме по фотохимии и фотофизике молекул и ионов, посвященном 100-летию А.Н. Теренина, С.-Петербург, июль-август 1996 г.), 10-ом Международном симпозиуме по биолюминесценции и хемилюминесценции (Болонья, Италия, сентябрь 1998 г.), 2-ом Международном симпозиуме «Dresden Chermlunimescence Days» (Дрезден, Германия, май 2000 г.), Проблемном семинаре ИБХФ РАН под рук-вом ЛА. Блюменфельда (Москва, ИБХФ РАН, июнь 2000 г.), Гордоновской конференции по органической фотохимии (Новый Лондон, Коннектикут, США, июль 2001 г.), XX Международной конференции по фотохимии (Москва, июль-август 2001 г.), Международном коллоквиуме по переносу электрона в химии и биологии, организованном Немецким химическим обществом (Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh) в рамках съезда GDCh (Вюрцбург, Германия, сентябрь 2001 г.),
Международной конференции по люминесценции, посвященной 110-летию СИ. Вавилова (Москва, ФИАН, октябрь 2001 г.), XIX Симпозиуме ШРАС (Будапешт, Венгрия, июль 2002 г.), Конференции по химической физике, посвященной 80-летию В,И. Гольданского (Москва, ИХФ РАН, июнь 2003 г.), 13-ом Международном симпозиуме по биолюминесценции и хемилюминесценции (Иокогама, Япония, август 2004 г.).
Результаты работы неоднократно докладывались на конкурсах Отдела кинетики химбиопроцессов ИХФ РАН и ИБХФ РАН (в 1992 г. - 1-ая премия, в 1995 г. - Ш-я премия, в 1999 г. - 1-ая и П-ая премии, в 2005 г. - 1-ая премия).
В 1999 г. по результатам VII Конкурса Европейской Академии (Accidentia Europaea) автору были присуждены Премия Accidentia Еиюраеа с почетным дипломом и Медаль Клуба российских членов этой академии. В том же году работа автора была отмечена Благодарностью Президента РАН (РП РАН №10105-254 от 8 июня 1999 г.).
Грантовая поддержка работы. Работа, составившая предмет настоящей диссертации, была поддержана несколькими грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), программой Отделения химии и наук о материалах (ОХНМ) РАН «Теоретическое и экспериментальное изучение природы химической связи и механизмов важнейших химических процессов», грантами Фонда Фольксвагена (Volkswagen Stiftung) и Немецкого научного общества (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG).
Публикации. Содержание диссертации полностью опубликовано. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и состоит из 31 статьи в реферируемых отечественных (академических) и международных журналах, 8 статей в материалах международных конференций, 1 главы в рецензированной монографии (п. 38) и 12 тезисов и аннотаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, заключения и списка литературы (355 наименований). В диссертации 305 страниц, 113 графических иллюстраций (67 рисунков и 46 схем) и 18 таблиц.
Фрагментация шестичленного кислород-углеродного (тетроксидного) цикла
Так как: люминесценция: люциферин-люциферазнош системы невозможна; без. АТФ, препарат люцифершш и- люциферазы- светляка используют.- в і качестве- бйолюминесцентного сенсора- для определения: малых количеств АТФ. Современные: биолюминесцентные: методы позволяют определить вплоть до 10 18 М: АТФ; в пробе; [97,98] . А поскольку биосинтез: АТФ - показатель физиологической активности. организмов, люциферин-люциферазные препараты находят; применение для обнаружения г бактериально го заражения в какой-либо среде, оценки жизнеспособности эритроцитов при консервировании крови, изучения действия антибиотиков на микроорганизмы и т.д.. Биоаналитические возможности; люциферин-люциферазньтх: систем не; ограничиваются одним лишь. определением АТФ [97]; однако, серьезным препятствием широкому использованию таких; препаратов5 является; их; высокая-стоимость. Последнее обстоятельство и определило? необходимость-создания; эффективных синтетических систем;, использующих те же принципы генерации света, что в процессе биолюминесценции светляка:. В этом контексте следует- заметить, что выделение- диоксетанонового предшественника? эмиттера, биолюминесценции (см. Схему 1.8) позволило бы существенно; расширить технические возможности аналитических: хемилюминесцентных: методик. Но так как практически г это г едва лиг осуществимо, было: предпринятое немало усилий для. создания его устойчивого синтетического аналога, который обладал бы склонностью к селективным реакциям: с. определенными агентами -триггерами, запускающими таким образом; хемилгоминесцентный; процесс. На Схеме 1.9 (внизу) показан наиболее удачный вариант Схема1.9
Промежуточный диоксетанон предшественник эмиттера биолюминесценции светляка. Предшественник люминофора и мостик для ПЭл Источник энергии Общая структура синтетических ХИЭОЛ-акти вных диоксетанон!
Защитная группа, предотвращающая ПЭл в отсутствие триггера синтетического диоксетана [26], являющегося функциональным аналогом интермедиата; в механизме биолюминесценции светляка (Схема; 1.9, сверху). Защитная группа R в этом диоксетане препятствует спонтанному переносу электрона с арильного фрагмента; на пероксидную цепочку. Устранение защитной группы «оголяет» фенолят-ион: и делает возможным; внутримолекулярный! перенос электрона; с О7 на- пероксидную часть молекулы, в результате- чего; и-происходит распад кислород-углеродного цикла с: образованием: электронно-возбужденного; эмиттера хемилюминесценции [99];. аналогично тому,, как это, по-видимому, осуществляется в биолюминесцентном процессе [27] (см; Схему 1.10);
В большинстве современных биосенсорных методов, основанных на явлении ХИЭОЛ, в качестве триггера используется; щелочная фосфатаза [100,101] - популярнейший в иммунохимии реагент. Этим же обусловлен и выбор фосфатной группы (Р03) в качестве защитного заместителя R (см. Схему 1.9), препятствующего внутримолекулярному переносу электрона на пероксидную группировку. Следует заметить, что существуют и иные хемилюминесцентные методы определения] щелочной І фосфатазы [102,103], в том; числе, и- с использованием люциферина; и; люциферазы светляка; [102]. Очевидным недостатком таких методов является то; что ни один из них не является прямым; В то же; время; использование ХИЭОЛ-активных диоксетанов - прямой;7 способ; определения- энзиматического триггера; Следующим? за; щелочной? фосфатазош по- частоте использования? энзиматическим реагентомявляется:р1галоктозидаза [ 104].
Стратегия, включающая в себя подбор защитных групп, избирательно; реагирующих с: определенными; биомолекулами, делает синтетические аналоги предшественников эмиттера5биолюминесценции избирательными и эффективнейшими, биосенсорами; [26,99-101]. Для-отдельных биологически важных материалов- достижим; уровень определения концентраций порядка 10 " М! [26];
Для рациональной разработки эффективных биосенсорных систем, использующих триггерные диоксетаны, необходимо понимать основные: закономерности энзиматически запускаемого ХИЭОЛ-процесса; Однако;. до самого? последнего времени; выбор условий? проведения; таких хемилюминесцентных анализов осуществлялся; чаще всего по -наитию, путем проб и ошибок [26].
Лазерный фотолиз в жидких и суперкритических средах
Как: уже обсуждалось, в-разделе 1.8.3- в .литературе нет" единого мнения о механизме участия; второго триплета в процессе T-S; переноса энергии.. Предположим здесь для простоты, что)имеет место стадийный процесс переноса возбуждения (Схема 2.3), т.е. перенос на Т3 акцептора; Схема 2.3 за которым следует интеркомбинационная конверсия:Т2- -SJ (во всяком-случае, по данным Каталани и Вильсон [178] в случае эндотермического? переноса возбуждения активационный барьер,, получаемый из температурной зависимости константы скорости этого процесса в точности соответствует разности энергии донора и второго триплета 9,10-ДБА). Из-за большой разницы энергий между Т2 9 10-ДБА (74.6 ккал/моль) и Ті нафталина; (61 ккал/моль) брутто-S перенос возбуждения с последнего на 9,10-ДБА, т.е. N(T,) -к 9,10-ДБА(Т2) - ОДО-ДБА ,), невозможен; Следовательно, нафталин- лишь тушит триплетные состояния первичного1 донора: электронного возбуждения; Легко увидеть, что в присутствии нафталина вклад сенсибилизированной? флуоресценции 9Д0-ДБА (/с) в общую интенсивность свечения (/ксГ5)вьфажается соотношением (2Л5);
Очевидно, что в отсутствием нафталина; интенсивность сенсибилизированной флуоресценции 9;10-ДБА (/с) определяется соотношением (2.16). Деление (2Л6) на (2Л5) приводит к штерн iJ- = og TvAgx?[G] (2Л6) фольмеровскому выражению (2 Л 7) для тушения нафталином; сенсибилизированной флуоресценции 9,4 О-ДБ А.
Для фотолиза циклоазосоединений (Табл; 2.2) в жидких, растворах и суперкритических средах (С02 и; СгЬЦ) [270-283]; при; высоких давлениях [282,283] (40-200 атм) использовались линии 333, 353 и 364 нм аргоно-ионного лазера (INNOVA 100, Coherent Company). Жидкие растворы предварительно освобождались от кислорода продувкой аргоном в течение 10 минут. Перед началом, экспериментов в су пер критических углекислоте и: этане кислород из реакционной; ячейки; с навеской реагента (азоалкана) удалялся продувкой газообразных СО; и С:Нб соответственно.
Жидкие: растворы облучались непосредственно в; ЯМР-ных ампулах; в которых затем! производился: анализ продуктов. ЕК процессе фотолизаьампулышомещались.вшрозрачный;термостат илш криостат (ві зависимости:от температуры опыта).ВОІ избежание локального нагрева І раствора лазерным лучом ампула с образцом перемещалась вверх и вниз; с помощью механического устройства:,
Установка, для: фотолиза: в суперкритических средах (Рис; 2.2) была- разработана- специально: для? настоящей; работы; Эта установка была собрана нт основе реакционной ячейки: (Рис. 2.2с) с 9-ти; миллиметровыми:: кварцевыми: окнами; ш внутренним-объемом-10.4 мл, выполненноЙ! из нержавеющей стали и;рассчитанной на давления до 500 атм:- Ячейка была любезно предоставлена группой: Ю; Трое (Геттингенский университет, Германия).
Эксперименты в суперкритических средах проводились по следующею методике.1 Образцы, азоалкана? (20.0 мг): помещались в ячейку которая? затем заполнялась жидким СО2 либо этаном.. После: этого5 ручным: поршнем (Рис. 2:2): давление доводилось до требуемой і величины, в; диапазоне: 40: 200 (± 1), атм. После установления; равновесной? температуры в, 50 ± 1- С образец: в; ячейке: облучался-аргоно-ионным;лазером;(X = 33 3: нм). Продукты,фотолизаіулавливались: следующим; образом. Содержимое реактора; заполненного? СОл, медленно (в. течение примерно 3 часов); пропускалось. через ловушку- со-стеклянной спиралью, охлажденной;до — 70 С. Осевшие фотопродукты; собирались промывкой спирали;КО;мл СНСІ3. Содержимое же реактора,, заполненного этаном, поступало в ловушку, где замораживалось при: температуре жидкого азота.
Термическая генерация электронного возбуждения и хемилюминесценция
Наиболее естественный метод исследования генерации электронного возбуждения в химических процессах:состоит в изучении; первичнош хемилюминесценции; т люминесценции люминофоров, сенсибилизированной; электронно-возбужденными продуктами образующимися: в, реакции.. В: последующих: разделах используется; именно такой подходк исследованию процессов хемивозбуждения.
Выбор люминофоров: (акцепторов электронного возбуждения) для: исследования химической: генерации; возбужденных состояний напрямую зависит от: расположенияц и» мультиплетностш электронных уровней продуктов изучаемой: реакции,
ВїТабл; сведены: результаты: расчета низколежащих уровней энергии: продуктов термолиза шиоксетанов т Ъ Л а,Ь в вакууме,, гексане и і ацетонитриле., Как видно из данных Табл.. ЗЛ, синглетные состояния-эфира. т-3:4і расположены: наї нecкoлькo ккал/моль, выше синглетных состояний адамантанонов - З.За,Ь;. в то время как триплетные. состояния; последних находятся примерно І на 10 ккал/моль выше триплета т-Ъ 14; Следует, также заметить и то, что зависимость, расположения возбужденных; состояний:, от растворителя:: невелика. Расстояние между
Si- и Т-состояниямшадамантанонов 3.3a,b составляет всего несколько ккал/моль, в то время как в случае эфира т-3.4 это синглет-триплетное расщепление 20= ккал/моль. Столь большое синглет-триплетное расщепление характерно для; л,л: -состояний.. Действительно, как оказалось,. основной I вклад в волновые функции; как синглетного, так и триплетного состояний і вносят молекулярные- орбитали: ті-типа:: НОМО-1, HOMO, LDMO и IiUMO+1, показанные на Рис. З .З:
При- термическом распаде диоксетанов предпочтительно образование электронно-возбужденных состояний п,л -типа; [18,293]. Более того, некоторые авторы [18] полагают, что запрет на заселение состояний иной чем -п,я орбитальной природы носит почти абсолютный
Молекулярные орбйтали (расчитанные методом AMI), ответственные за электронное возбуждение эфира т-3.4 - продукта термолиза диоксетанов от-3.1а,Ь. характер. Экспериментальное исследование тг,л; -возбужения (см. Рис. 3.3), если таковое происходит при термолизе диоксетанов m-3.1a,b, дает прекрасную возможность подвергнуть проверке упомянутый выше тезис.
Хемилюминесценция, обнаруженная при термолизе диоксетанов m-3.1a,b и 3.1f, представляет собой флуоресценцию - наблюдаемое свечение не тушится нафталином (акцептором энергии триплетных состояний). Более того, спектры первичной хемилюминесценции m-3.1a,b соответствуют флуоресценции адамантанонов 33a,b..
Дополнительное подтверждение тому, что первичная; хемилюминесценшш представляет собой? флуоресценцию именно адамантанонового? фрагмента; распада, было получено- автором: настоящей; работы- из результатов: исследованиям синглет-синглетного: (S-S)1 переноса энергии: на «стандартные» [294] люминофоры 9;10-дифенилантрацен (9Д0-ДФА) и 9-флуоренон: В этих экспериментах в качестве контрольного реагента использовался адамантилиденадамантан-1,2-диоксетан; (3;lf, AAD);. термолизуемыш в том; же растворителе и в=тех же температурных условиях. Дело - в томv что; этот симметричный, диоксеташ дает при; термолизе1 лишь адамантанон (в;отличие от несимметричных производных ш-ЗЛа,Ь),,.и, соответственно, его первичная хемилюминесценция І представляет собой і флуоресценцию адамантанона [5]. Диоксетаныти-ЗЛа,Ь и 3;lf настолько устойчивы термически;, что- для? их полного разложения: за: конечное время; измерений: необходимы температуры значительно выше 100 С. В = данной і работе опыты і проводились при умеренной;. температуре (65 С),7 позволяющей; пренебречь расходом реагента за\ время; измерений; и таким. образом, обеспечить практически постоянный (квазистационарный)!уровень интенсивности излучения; ДиоксеташЗ.Ш является рекордно термоустойчивым! представителем семеистваї этих циклических пероксидов, гораздо более- устойчивым чем; диоксетаны m-3.1a,b. Поэтому,, чтобы1 обеспечить измеряемый уровень интенсивности; хемилюминесценции; при термолизе: 3.1f, приходилось делать растворы с концентрацией: этого; диоксетана более 10" М.. что = было на два порядка выше, чем в опытах с /w-3.1a,b.
Выходы хемилюминесценции(ХИ30Л)і возбуждения и флуоресценции эмиттера ХИЭОЛ при вариации рН
Перенос энергии с триплетных доноров (продуктов термолиза диоксетанов 3.1) на акцепторы электронного возбуждения - 9,10-ДБА и хелатный комплекс европия Еи(ТТА)зРпеп (уровни лигандов показаны слева, уровни иона Еи3+ - справа). возбужденных триплетных доноров акцепторам электронного возбуждения? (9,Ю-ДБА и Еи( ГТА)зРЬеп), используемым для обнаружения;этих нефосфоресцирующих триплетных продуктов;
Как; видно; из; Рис. 3.8; перенос энергии: на; хелатный комплекс Eu(TTA)3Phen возможен как с триплетов адамантанона (33), так и эфира (3 4), вто время как перенос возбуждения на 9 ДО-ДБ Ас 314 невозможен; из-за большой; эндотермичности такого процесса;. Таким; образом; использование 9,10-ДБА дает возможность\ селективного «проявления» триплета ЪЗ.
Очевидно, что триплетные; продукты; 33 ш 3.4) обладают существенно; различными временами жизни- Трсостояния: (тг): Таким; образом,, чтобы установить,, образуются? ли; при термолизе оба триплетно-возбужденных; продукта; или: только один из: них; следовало1 сравнить штерн-фольмеровские: константы (ЛЕТ ТТ )- Т-Т переноса энергии; с этих доноров:, на один И тот же акцептор; Bl самом деле, константы; скорости (Ет ) диффузионно-контролируемого экзотермического Т-Т переноса возбуждения:на один И;ТОТ, же акцептор должны, быть- практически1 идентичны; для, различных?" доноров. тт п Следовательно; различие величин ЛЕТ тт должно отражать различие во временах; жизни; (тт) Т г состояний; первично возбужденных; продуктов. В; качестве; общего для доноров 33т и. 3l4i акцепторам триплетного возбуждения; был выбран- нафталин; Такими образом; в соответствии- с обозначениями; введенными5в разделе 2.2 АЕТ" " &тм- Выбор нафталина; обусловлен; тем, что; его1 Тгсостояние расположено наг уровне- 61 ккал/моль, и; таким образом, позволяет тушить, триплеты: обоих фрагментов распада; (33 и 3 4); несимметричного; диоксетана Само? собой; разумеется, в случае; симметричного диоксетана. 3.1f (AAD)? триплетным донором, может быть І лишь, адамантанон: в Тг состоянии; тушение этого электронного состояния, «проявленного» как 9,10-ДБА; (T-S перенос энергии),.так и-хелатом;европия (Т-ТЇ перенос энергии), должно происходить с одной и той же штерн-фольмеровской константою TNTT (нафталин?; способен; тушить лишь нижний] Тгуровень 3.3 и не тушит ни г 9Д 0-ДБА,. ни хелат европия): В І случае же несимметричных диоксетанов т-ЗЛа,Ь кроме триплетного адамантанона 3)3 может образовываться І и триплетныш эфир1 3)4; но лишь. Ті-возбужденный? адамантанон способен; сенсибилизировать; флуоресценцию1 9Д0-ДБА (см. Рис. 3.8),- Люминесценция же Еи(ТТА)зРЬеп возможна при сенсибилизации триплетами;как 313; так и 3 (Рис; 3.8). Таким.образом,, еслш при термолизе: т-ЗЛа;Ь: кроме заселения: (п;л?)-уровня адамантанона 3.3 происходит возбуждение.;3(п,п )-состояние фрагментам 3I4J, то значение.эффективной- штерн-фольмеровской; константы; TNTT, формально определенной г по зависимости коэффициента усиления-хемилюминесценции:нафталином (км17) в присутствии Еи(ТТА)зРпеп от концентрации; нафталина? ([N]) [см. Схему 2:2 и соотношение: (2Л 2)]у должно отличаться от величины A"TNTT, полученной; из зависимости; от [N]i интенсивности хемилюминесценции; в присутствии 9Ц0-ДБА\ [см. Схему 2.3 и соотношение (2Л 7)];
На: Рис. 3,9і показана зависимость интенсивности? свечения при; термолизе диоксетанов.т-ЗЛа,Ь и,ЗЛІ7 в-присутствии:Еи(ТТГА)їРИеп от концентрации? нафталина, а на Рис. ЗЛО - обработка; этих; данных, в? координатах уравнения (2 Л 2).
Введение нафталина в. хемилюминесцирующиег растворы термолизуемьш диоксетанов: т-ЪЛ Ь и ЗЛГ в; присутствии 9Д0-ДБА вызывает тушение: свечения (Рис.. ЗЛ1). Обработка; этих данных в; координатах уравнения (2! 17) показана на Рис.3 Л2.
Линейные зависимости, показанные на Рис. Зі. 10 и 3.12, позволяют определить искомые штерн-фольмеровские константы: переноса: энергии на нафталин с темновых триплетов,, образующихсяг при термолизе диоксетанов: т-ЗЛа,Ь и Зі If. Действительно, ВЇ соответствии І С уравнением І (2! 12) деление значений пересечения1 прямых; на Рис. 3.10с осью; ординат на их наклон дает: величины: TN T а соответствии с соотношением (2; 17) наклонпрямых на? Рис.. 3:11 равен: А:татт. Но т.к. концентрации - хелата европия; ([В ]) и 9 Д 0-ДБ А ([С]); малы,. а константы; скорости: в знаменателях выражений! (2.8) ш (2Л4) порядка; диффузионной1 константы скорости,.то вместо тктт И хыТх вполне можно; говорить, о і &TNTT;: значения последней; величины,. определенные описанными выше способами сведены в Табл. 3;3/
Как и ожидалось, в,случае термолиза симметричного: диоксетана (AAD) были: получены- близкие значения; штерн-фолъмеровских; констант (А::шТтС) TV переноса- энергии; на нафталина при «проявке» тем нового триплета1 донора» хелатом европия и; 9; 1 О ДБА (см: нижнюю строку Табл. 3:3);- Действительно, при: термолизе- 3 Л f образуется лишь один: продукт адамантанон: 33а; обладающий; высоколежащим триплети ым: состоянием способным І сенсибилизировать люминесценцию; как:хелата европия; так и 9;\0-ДБА; Таким; образом-результат не:зависит от способа «проявки» триплета (хелатом Eu + или 9,10-ДБА).. Обращает на себя: внимание довольно; низкая; величина гміг - около 3;5Г М 1 (3;8- М в опытах: с; «проявкой» 9;10-дибромантраценом и; 33 Ml1 в опытах: с хелатом; европия), говорящая І о низком времени- жизни і (ту ) темнового І триплета:. ВI самом деле, т.к. длядиффузионно-контролируемого процесса &ш - 1010 М: с"1, то, будь .ATTN Тт 3:5 М"1, тт должно составлять всего несколько долей наносекунды. В действительности: же так оно и: есть:; адамантанон и в самом деле обладает низкими временем жизни триплетного состояния, не превышающем долей наносекунды [5 295] В = отличие от симметричного диоксетана 3ilf; в случае термолиза? несимметричных; производных; т-ЪЛа,Ь - изучение Т-Ъ переноса: энергии; наї нафталин? с нефосфоресцирующих; триплетных: продуктов; проявленных Еи(ТТА)зРпеп; и; 9Д 0-ДБА, приводит; к различным результатами Как видно? из- Табл. 3:3 в этих случаях: значение, Лтміг зависит от люминофора, использованного в качестве люминесцентного зонда для: обнаружения: темновых: триплетов. Так, для: т-ЗЛа при использовании» 9,10-ДБА в качестве «проявителя» триплетов; значение кттТ получается сходным с тем,г что; получено для ЗЛГ (что соответствует Т-Т переносу энергии; с: адамантанонового фрагмента распада диоксетана); вто же время, при использовании: Eu(TTA)3Phen величина ктыТ г" оказалась значительно выше чем?при проявке триплетов 9Д0-дибромантраценом (Табл: 3:3); Похожий результат получается и для-т-ЗЛЬ. Такими образом;- при термолизе: несимметричных диоксетанов; m-3.1a,b; кроме- триплетного адамантанона образуется? и; другой = нефосфоресцирующий; триплетный- продукт. Этот продукт/ не может быть? проявлен- сенсибилизацией флуоресценции? 9;10-ДБА, но? проявляется сенсибилизацией; люминесценции! хелата: европия;, обладающего низколежащим Т-уровнем лиганда (58.4 ккал/моль). Очевидно, таким; продуктом? может быть лишь эфир т-ЗЛ в Tt-состоянии (см. Рис: 3.8):
Итак, использование различных люминофоров? позволило выявить возбуждение низколежащих нефосфоресцирующих триплетных состояний: обоих фрагментов; термического распада несимметричных диоксетанов:. Общий выход триплетных состояний,, определенный по сенсибилизированнойлюминесценции хелата европия (откалиброванной -в абсолютных:единицах интенсивности;излучения с помощью стандарта; Хастингса-Вебера [234]) оказался довольно высок, а именно, 0.2:
