Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краунсодержащие хемоеенсоры на катионы металлов 6
1.1. Хромогенные сенсоры 6
1.2. Флуоресцентные сенсоры 11
1.3. Фотопереключаемые сенсоры 22
Глава 2. Краунзамещенные азометины и их металлокомплексы -эффективные хромогенные хемоеенсоры на катионы щелочных и щелочноземельных металлов 27
Глава 3. Флуоресцентные таутомерные хемоеенсоры на основе иминов бензо[А]фуранового и бензо[А]кумаринового ряда с различными макроциклическими рецепторами 37
3.1. Синтез и спектрально-люминесцентные свойства краунсодержащих иминов 5-гидрокси-2,3-тетраметилен- и 5-гидрокси-2,3-Дифенилбензо[6]фу-ран-4-карбальдегида и их производных 37
3.2. Имины 7-гидрокси-4-метилбензо[/г]кумарин-8-карбальдегида -флуоресцентные сенсоры на катионы щелочноземельных и переходных металлов 54
Глава 4. Фотопереключаемые краунсодержащие хемоеенсоры на катионы металлов 60
4.1. Фотохромизм и хемосенсорные свойства N-ацилированных кето-енаминов ряда бензо[6]тиофена 60
4.2. Катиониндуцированные фотоизомеризации иминов 3-фенилнор-борнадиен-2-карбальдегида 76
Глава 5. Теоретическое исследование координации 4-аминобензо-15-краун-5- и 4-аминобензо-18-краун-6-эфирных рецепторов с ионами щелочных и щелочноземельных металлов 80
Глава 6. Экспериментальная часть 91
Выводы 109
Литература 111
- Фотопереключаемые сенсоры
- Синтез и спектрально-люминесцентные свойства краунсодержащих иминов 5-гидрокси-2,3-тетраметилен- и 5-гидрокси-2,3-Дифенилбензо[6]фу-ран-4-карбальдегида и их производных
- Фотохромизм и хемосенсорные свойства N-ацилированных кето-енаминов ряда бензо[6]тиофена
- Катиониндуцированные фотоизомеризации иминов 3-фенилнор-борнадиен-2-карбальдегида
Введение к работе
Хемосенсоры - это молекулы абиотической природы, способные селективно и обратимо взаимодействовать с определяемым субстратом с сопутствующими изменениями в одном или более свойствах системы. В самом общем случае молекула хемосенсора состоит из сигнальной и рецепторной части, а также мостика между ними; однако последний может и отсутствовать. В зависимости от типа сигнальной части хемосенсоры можно разделить на три группы: хромогенные, флуоресцентные и фотопереключаемые.
Хромогенные
і і і
UV/Vis: +АХ;+Ає Флуоресцентные
-о*
Фотопереключаемые
В
> I I ч I ' / /
/1 \ \
*
При взаимодействии хромогенного сенсора с субстратом (в частности, с ионом металла) наблюдается гипсо- или батохромный сдвиг длинноволновой полосы поглощения исходного соединения. Если смещение полосы поглощения значительно и происходит в видимой части спектра, это приводит к изменению окраски раствора. Такие сигнальные системы принято называть колориметрическими («naked-eye») хемосенсорами.
Принцип действия флуоресцентных хемосенсоров основан как на изменении интенсивности флуоресценции, так и на смещении полосы испускания исходных соединений при их комплексообразовании с субстратом.
Фотопереключаемые хемосенсоры способны к обратимому «включению-выключению» своих сенсорных свойств под действием электромагнитного излучения.
Подавляющее большинство рецепторов, способных связывать положительно заряженные ионы (их также называют ионофорами), можно разделить на следующие группы:
хелатирующие агенты;
поданды;
коронанды или краун-эфиры;
криптанды;
каликсарены.
Краун-эфиры, открытые Педерсеном в 1962 году, занимают среди этих пяти групп рецепторов особое место и широко используются в дизайне новых хемосенсорных систем благодаря их уникальной способности связывать катионы щелочных металлов, достаточно высокой селективности и доступности. Помимо щелочных металлов краун-эфиры являются эффективными комплексообразующими реагентами для катионов щелочноземельных металлов, РЬ и ТІ , а при введении в их структуру атомов азота и серы они становятся чувствительными к ионам Ag+, Hg+, Cd+. Детектирование данных ионов в биологических жидкостях и окружающей среде является особенно важным в медицине и биологии. С одной стороны они включены в различные биологические процессы (Na\ К7, Mg , Са/+), применяются в лечении различных заболеваний (Li+, Са2+), а с другой - могут нанести серьезный вред окружающей среде и здоровью человека (Ва , Pb , Tl+, Ag+, Hg2+, Cd2+). Несмотря на большое количество хемосенсоров на данные группы ионов задача получения новых соединений, сочетающих в себе
5 одновременно такие показатели, как безопасность, доступность, чувствительность, селективность является чрезвычайно актуальной. "9
Таким образом, цель данной работы заключается в синтезе и исследовании спектрально-люминесцентных свойств новых краунсодержащих хромогенных, флуоресцентных и фотопереключаемых хемосенсоров на катионы щелочных и щелочноземельных металлов.
Фотопереключаемые сенсоры
Азометины относятся к наиболее изучаемому классу лигандов в современной координационной химии. Сочетание в одной молекуле краун-эфирного фрагмента и иминой компоненты приводит к амбидентатным лигандным системам 81,82, способным как к образованию хелатов с J-металлами (Zn2+, Cd2+, Cu2+), так и краун-эфирных комплексов с ионами щелочных и щелочноземельных металлов.26 103 Такая координация может происходить в разной последовательности с образованием моно- или биядерных комплексов. Поскольку важность подобных соединений для создания хемосенсоров очевидна, нами были изучены комплексообразующие свойства краунсодержащих азометиновых лигандов 81a,b,f и 82а,с-е, а так же их хелатных комплексов 83a,b,f по отношению к ионам щелочных и щелочноземельных металлов с использованием методов электронной и ЯМР
Основания Шиффа 81,82 были получены конденсацией краунсодержащих аминов с соответствующими альдегидами. Соединения 81 и 82 существуют в наиболее характерной для ароматических азометинов бензоидной форме с расположением в спектрах ЯМР Н сигналов протонов групп ОН и NHTs в слабом поле (13-14 м.д.). В электронных спектрах поглощения наблюдаются узкие полосы в области 350-370 нм, интенсивность и поглощение которых мало зависят от полярности растворителей (толуол, 2-пропанол, ацетонитрил). Добавление к ацетонитрильным растворам азометинов 81 и 82 ацетата цинка (5-кратный мольный избыток) в том же растворителе приводит к образованию хелатных комплексов шиффовых оснований 83 и 86 (схемы 4 и 5). Об этом свидетельствует сдвиг обоих сигналов HC=N в сильное поле, исчезновение сигналов ОН протонов (таблица 3) и значительное уширение полос поглощения. Имины 81а,Ь обладают малоинтенсивной флуоресценцией в области 530-550 нм с аномальной величиной Стоксова сдвига (АСС) 8195 см 1 (а) и 9561 см" (Ь), что связано с переносом протона в возбужденном состоянии на иминный атом азота.
В комплексах 83а,Ь такая возможность исключена и значения Стоксова сдвига заметно уменьшаются: 5463 см"1 (а) и 5268 см 1 (Ь), причем интенсивность флуоресценции существенно увеличивается.
Прибавление иодидов лития, натрия или калия к ацетонитрильным растворам лигандов 81 и 82 вызывает гипсохромный сдвиг длинноволнового максимума поглощения (-5-10 нм), что по данным105 106 соответствует образованию моноядерных комплексов 84,87. Этот факт был подробно исследован на примере соединений 81а,Ь методом ЯМ? Н: в присутствии Lil наблюдается слабопольное смещение сигналов протонов метиленовых групп краун-эфирного цикла и протонов аннелированного к нему бензольного кольца на 0.06-0.19 м.д. (таблица 3). В спектре ЯМ? 7Li лиганда 81 b происходит слабопольный сдвиг сигнала лития на 0.63 м.д. Эти данные однозначно указывают на вхождение катиона Li+ в краун-эфирную полость и формирование моноядерных комплексов 84а,Ь.19 105 107
Образование биядерных комплексов 85 и 88 (схемы 4 и 5) было установлено при добавлении к ацетонитрильным растворам хелатов 83 и 86 солей лития, натрия, калия, магния, кальция и бария (5-кратный мольный избыток). Характерный гипсохромный сдвиг длинноволнового максимума поглощения в сочетании с гиперхромным эффектом (рис. 1), соответствует появлению в растворе структур 85 и 88.19 105 106 Это подтверждается данными
ЯМР Н и Li спектроскопии на примере соединений 85. Как и в вышеописанных случаях, происходит слабопольное смещение сигналов протонов групп СНг и бензольного кольца бензо-15-краун-5-эфирной группы на 0.10-0.21 м.д. (таблица 3) и сигналов лития на 0.52, 0.48, 0.33 м.д. (для комплексов 85Ь (М = Zn), 85f (М = Cd), 85f (М = Zn) соответственно). Отметим, что сигналы протонов групп, не затрагивающихся краун-эфирным комплексообразованием (например, метильная группа тозильного заместителя, метильная и фенильная группы пиразольного заместителя) практически не претерпевают сдвигов. Было обнаружено, что краун-эфирное комплексообразование соединения 83f (М = Си) с катионом бария приводит к «naked-eye» эффекту - хорошо заметному визуально изменению окраски ацетонитрильного раствора со светло-зеленой (А,макс 700 нм) на малиновую ( макс 550 нм), тогда как ионы других щелочных и щелочноземельных металлов не вызывают данного сенсорного эффекта. Спектрофотометрическим методом определено, что медный хелат 83f (М = Си) с катионом Са образует биядерный комплекс состава 2:1, с катионом Ва2+ - "сэндвичевый" комплекс состава 2:2 с константой устойчивости (3 = 1.6 Ю15 (рис. 2-4). Метод определения состава комплексов заключался в установлении зависимости AD от концентрации соли металла при постоянной концентрации лиганда. Точки излома на кривых насыщения отвечают отношению стехиометрических коэффициентов.
По данным электронных спектров поглощения образование биядерных комплексных соединений 85 и 88 из краун-эфирных комплексов 84 и 87 в ацетонитриле обнаружено не было, вероятно, из-за дезактивирующего действия катиона щелочного металла в краун-эфирном кольце на процесс хелатирования с катионами d-металлов даже при их 5-кратном мольном избытке.
Синтез и спектрально-люминесцентные свойства краунсодержащих иминов 5-гидрокси-2,3-тетраметилен- и 5-гидрокси-2,3-Дифенилбензо[6]фу-ран-4-карбальдегида и их производных
7-Гидрокси-4-метилбензо[/2]кумарин-8-карбальдегид 108 был получен сплавлением 7-гидрокси-4-метилбензо [И] кумарина 106 с этил-N-фенилимидоформиатом и последующим гидролизом полученного основания Шиффа 107. Конденсация альдегида 106 с соответствующими аминами привела к бензо-15-краун-5-содержащему имину 109 и модельному 15N-фенилимину 7-гидрокси-4-метилбензо[/г]кумарин-8-карбальдегида ПО (схема 10).
В спектре ЯМР !Н орто-гидроксиальдегида 108 сигналы протонов альдегидной и гидроксильнои групп проявляются острыми синглетами при 10.1 м.д. и 12.6 м.д. без признаков расщепления, что позволяет сделать предположение о существовании этого соединения в условиях съемки (CDCI3, комнатная температура) исключительно в бензоидной форме.
Аналогично ранее описанным иминам ряда бензо[/ ]фурана в растворах соединений 109, ПО устанавливается таутомерное равновесие между бензоидной (А) и хиноидной формами (В), поглощающими в области 420 и 490 нм соответственно (схема 11),112,113 Содержание хиноидной формы уменьшается при снижении полярности растворителя (рис. 9).
Сигналы NH и СН протонов краунсодержащего производного 109 проявляются уширенными синглетами, свидетельствуя о наличии быстрого протонного обмена. В случае модельного азометина 110 в диметилсульфоксиде наблюдается характерное щепление подвижного протона на ядрах 15N с константой спин-спинового взаимодействия J = 50.1 Гц, что говорит о примерно равном содержании форм А и В в растворе (43.7% и 56.3% соответственно).115 116 При сравнении данных электронной и ЯМР Н спектроскопии нами был вычислен молярный коэффициент экстинкции хиноидного таутомера (єв 2.63104 лмоль см"1) и получены параметры таутомерного равновесия для иминов 109,110, исходя из предположения, что коэффициент 8В мало зависит от типа растворителя и вида заместителя R (таблица 7).
При взаимодействии краунсодержащего производного 109 с катионами щелочных и щелочноземельных металлов наблюдается значительное смещение таутомерного равновесия в сторону бензоидной формы аналогично ранее описанным иминам ряда бензо[6]фурана (схема 12, верхняя строка). В электронных спектрах поглощения это сопровождается уменьшением максимума поглощения хиноидной формы в области 480 нм (Ає 15% для щелочных и 25% для щелочноземельных металлов).108 109 С другой стороны добавление ацетатов переходных металлов к диметилсульфоксидному раствору соединения 109 приводит к характерному гипсохромному сдвигу длинноволновой полосы поглощения на 10-30 нм, связанному с образованием хелатных комплексов 112 (схема 12, нижняя структура).100
Исследование люминесцентных свойств краунсодержащего имина 109 показало, что он проявляет высокую хемосенсорную чувствительность по отношению к ионам Си2+, Со2+. В ацетонитрильных и диметилсульфоксидных растворах данное соединение обладает интенсивной флуоресценцией в области 530 нм при возбуждении светом XB03Q 480 нм. Добавление ацетатов меди и кобальта приводит к ярко выраженному CHEQ-эффекту - уменьшению интенсивности флуоресценции (в 38.8 и 33.1 раза соответственно) без заметного смещения полосы эмиссии (рис. 10). Данные изменения в интенсивности испускания легко детектируются визуально, таким образом, имин 109 может быть использован как "naked-eye -сенсор для качественного экспресс-анализа вышеуказанных ионов в растворе. Взаимодействие соединения 109 с катионами щелочных и щелочноземельных металлов вызывает значительно меньшие изменения интенсивности флуоресценции. Так, например, добавление перхлоратов магния и бария к ацетонитрильному раствору хемосенсора 109 приводит к тушению флуоресценции в 3.4 и 2.9 раза (рис. 11). Тем не менее данный эффект так же может быть использован для детектирования этих ионов в растворе.
Относительное уменьшение интенсивности флуоресценции соединения 109 (С = 2.510"5 М) в ДМСО при добавлении катионов переходных металлов (С = 2.5 10"4 М). Таким образом, нами получен новый тип амбидентатного флуоресценного хемосенсора, способного к распознаванию различных типов ионов: катионов переходных металлов (за счет наличия орто гидроксииминной компоненты) и катионов щелочноземельных металлов (за счет наличия краун-эфирного рецептора). Он проявляет хорошо выраженную сенсорную чувствительность к катионам Mg и Ва+ и является эффективным селективным колориметрическим («naked-eye») флуоресцентным хемосенсором на катионы Си2+ и Со +.
Фотохромизм и хемосенсорные свойства N-ацилированных кето-енаминов ряда бензо[6]тиофена
Среди всех известных фотохромных реакций особое место принадлежит валентной изомеризации бицикло[2.2.1]гепта-2,5-диена норборнадиена в тетрацикло[3.2.0.02 7.04 6]гептан - квадрициклан (схема 16). Интерес к данному типу фотоизомеризации обусловлен применением этой системы для аккумулирования световой энергии, в качестве молекулярных переключателей в электронных оптических устройствах, для записи и хранения информации, а так же в качестве фотодинамических сенсоров на катионы металлов. С целью создания новых фотопереключаемых хемосенсорных систем нами были синтезированы краунсодержащие имины З-фенилнорборнадиен-2-карбальдегида 129 и 130 путем конденсации фенилнорборнадиен-2-карбальдегида с 4-аминобензо-15-краун-5-эфиром и 4,4 -диаминодибензо-18-краун-6-эфиром соответственно (схема 17).
Структура норборнадиенов 129,130 подтверждена при помощи методов ИК, ЯМР Н и масс-спектроскопии. Для этих соединений, а также для их комплексов с катионами щелочных и щелочноземельных металлов, обнаруживаются два вида фотохимических процессов: Z/E-изомеризация по связи C=N и валентная изомеризация в соответствующие квадрицикланы. В электронных спектрах норборнадиенов 129,130 наблюдаются длинноволновые полосы поглощения в области 360 нм, характерные для исследованных ранее N-арилпроизводных подобного типа.131 Облучение их ацетонитрильных растворов светом А,0бЛ 365 нм в течение 3-5 с приводит к быстрой, термически обратимой E/Z-изомеризации по связи C=N (схема 18, верхняя строка), проявляющейся в уменьшении экстинкции длинноволнового максимума с гипсохромным сдвигом 5 нм, характерным для.
Добавление солей щелочных и щелочноземельных металлов к ацетонитрильным растворам норборнадиенов 129,130 приводит к образованию краун-эфирных комплексов (например, 131 и 133). В электронных спектрах поглощения это сопровождается гипсохромным сдвигом длинноволнового максимума 10 нм. Для комплексов 131 и 133 направление фотохимической реакции при облучении их растворов светом Я0бл 365 нм определяется типом координированного металла: в случае ионов щелочных металлов наблюдается быстрая, термически обратимая Z/E-изомеризация по связи C=N, в случае щелочноземельных - происходит образование соответствующих квадрицикланов (схема 18), при этом интенсивность максимума в районе 350 нм падает и появляется новая полоса в области 280 нм при наличии нескольких четких изобестических точек (рис.
Таким образом, впервые получена фотохромная система на основе норборнадиена, в которой в зависимости от типа образующегося краун-эфирного комплекса происходят различные процессы: Z/E -фотоизомеризация по связи C=N в боковой цепи (в присутствии катионов щелочных металлов) или валентная изомеризация в соответствующий квадрициклан (в присутствии катионов щелочноземельных металлов). Такие катиониндуцированные фотохимические процессы могут быть использованы для сенсорного распознавания щелочных и щелочноземельных металлов.
Для выявления факторов, определяющих селективность взаимодействия вышеописанных хемосенсорных систем с катионами щелочных и щелочноземельных металлов нами были проведены квантовохимические расчеты для модельных систем 134,137 и их комплексов с катионами Li+, Na+, К+, Са2+ и Ва2+. При помощи расчетов методом теории функционала плотности DFT (B3LYP/6-31G) и DFT B3LYP/LanL2DZ133 были исследованы энергетические и геометрические характеристики 4-аминобензо-18-краун-6-эфира 134, 4 аминобензо-15-краун-5-эфира 137 и их комплексов 135,136,138-140, проведен сравнительный анализ относительной устойчивости их структурных изомеров и изучены факторы, определяющие селективность комплексообразования в таких системах. Стационарные точки на поверхности потенциальной энергии (ППЭ) идентифицировались путем расчета матрицы вторых производных (силовых констант), проводившегося аналитически. Графические изображения молекулярных структур, представленные на рисунках, были получены при помощи программы PD (режим PLUTO) в рамках пакета программ PC MODEL,134 в качестве входных параметров для которой использовались конечные декартовы координаты атомов, полученные в результате оптимизации геометрии. Как показали расчеты, 4-аминобензо-18-краун-6 134 и 4-аминобензо-15-краун-5 137 могут существовать в виде ряда конформеров, соответствующих энергетическим минимумам. Геометрические характеристики термодинамически наиболее выгодных конформеров краун-эфиров 134,137 представлены на рис. 23. Остальные конформеры дестабилизированы относительно них на 2 - 10 ккал/моль.
Катиониндуцированные фотоизомеризации иминов 3-фенилнор-борнадиен-2-карбальдегида
Энергии комплексообразования систем 138, рассчитанные как разность между полной энергией комплекса 138 и суммарной энергией катиона Li+ и соответствующего конформера 137, составляют 126-135 ккал/моль.
Формирование комплексов 139 также приводит к заметным изменениям геометрических характеристик исходного краун-эфира, однако эти изменения оказываются менее выраженными, чем в случае комплексов лития, что свидетельствует о более благоприятных стереохимических условиях комплексообразования для катиона натрия. Сокращение межатомных расстояний О...О в случае связанных с бензольным кольцом кислородных центров составляет 0.01 - 0.12 А; сокращение остальныхдистанций О...О более существенно (0.10 - 0.30 А). Сформированные в результате взаимодействия связи катиона с кислородными центрами в комплексах 139 несколько длиннее, чем в комплексах 138 и находятся в о диапазоне 2.3 - 2.4 А. В комплексах натрия не наблюдается заметных различий в длинах связей катиона с макроциклом: связи Na...O примерно эквивалентны во всех обнаруженных системах, что также указывает на более оптимальное соответствие размеров катиона и полости краун-эфира, чем в случае катиона лития. Рассчитанные энергии комплексообразования систем 139 на 25 - 29 ккал/моль ниже, чем для литиевых комплексов и составляют 100-106 ккал/моль (таблица 13).
В отличие от комплексов лития и натрия, где катион располагается внутри полости макроцикла, координационный узел K+Os в комплексах 140 характеризуется квази-пирамидальной структурой с катионом калия в вершине. Сжатие координационного узла О5 исходного краун-эфира при формировании комплексов 140 оказывается гораздо менее выраженным, чем для комплексов 138 и 139: так, изменения расстояний О...О между связанными с бензольным кольцом кислородными центрами не превышают 0.1 А, остальные дистанции О...О укорачиваются на 0.1 - 0.2 А. Рассчитанные длины связей катиона с атомами кислорода макроцикла в комплексах 140 (2.7 - 2.8 А) намного больше, чем в случае комплексов 138,139 и примерно эквивалентны для всех обнаруженных систем. Рассчитанные энергии комплексообразования систем 140 в 1,5-2 раза ниже, чем для комплексов 138,140 и составляют 67-74 ккал/моль.
Как и в случае систем 135,136 основным аттрактивным компонентом связывания в комплексах 138-140 является взаимодействие орбиталей неподеленных пар кислородных центров краун-эфира с вакантными s-орбиталями щелочного металла. Результаты расчетов (таблица 13) свидетельствуют о понижении энергий орбитального взаимодействия в ряду Li, Na, К, что согласуется с тенденцией понижения энергий комплексообразования в этом ряду. В случае комплексов калия эффективному электронному донированию n0—»SM препятствуют также неблагоприятные стерические условия: расположение катиона вне полости макроцикла не обеспечивает оптимального перекрывания орбиталей фрагментов и снижает эффективность их взаимодействия.
Согласно расчетам, сольватация не оказывает решающего влияния на селективность 4-аминобензо-15-краун-5-эфирного рецептора. Достаточно большой размер катионов натрия и калия позволяет им взаимодействовать с большим количеством молекул растворителя, что приводит к ослаблению их связывания с краун-эфиром. Сольватация иона лития ограничена небольшим количеством молекул растворителя, что в меньшей степени дестабилизирует систему 138.
Таким образом, проведенные расчеты подтвердили экспериментально наблюдаемую высокую чувствительность 4-аминобензо-18-краун-6-эфирного рецептора по отношению к ионам Ва и 4-аминобензо-15-краун-5-эфира -по отношению к ионам Li+.
