СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ГИБРИДНЫХ
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ им. А.Н.НЕСМЕЯНОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК _________________________________________________________________________________ На правах рукописи СЕРГЕЕВА АНТОНИНА НИКОЛАЕВНА СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ 1,8-НАФТАЛИМИДА 02.00.03 – органическая химия 02.00.04 – физическая химия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Москва-2015 Работа выполнена в лаборатории фотоактивных супрамолекулярных систем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) Научные руководители: доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией фотоактивных супрамолекулярных систем ИНЕОС РАН Федорова Ольга Анатольевна кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории фотоактивных супрамолекулярных систем ИНЭОС РАН Федоров Юрий Викторович Официальные оппоненты: доктор химических наук Ширинян Валерик Зармикович ведущий научный сотрудник лаборатории гетероциклических соединений ФГБУН органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН Института доктор химических наук, профессор Травень Валерий Федорович декан Высшего химического колледжа РАН факультета ФГБОУ ВПО Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук. Защита состоится « » марта 2015 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 002.250.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д. 28. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ИНЭОС РАН. Автореферат диссертации разослан « » 2015 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.250.01 кандидат химических наук Ольшевская В.А. 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время проводятся интенсивные фундаментальные исследования, направленные на разработку методов получения новых фотоактивных материалов для широкого спектра применений в технике, медицине и биологии. Особое место среди них занимают исследования, изучающие детальные механизмы взаимодействия света с органическими соединениями. Дизайн и создание гибридных фоточувствительных систем представляют особый интерес в связи с возможностью реализации в них конверсии света одновременно по нескольким направлениям. В данной работе осуществлен синтез и проведено изучение новых гибридных фотоактивных систем на основе 1,8-нафталимида. Производные нафталимида являются эффективными органическими люминофорами и применяются в качестве красителей для природных и синтетических волокон, активной среды для лазеров на растворах красителей, оптических отбеливателей, флуоресцентных маркеров в биологии, а также для создания электролюминесцентных материалов. Выбор данного флуорофора в качестве одной из составляющих фотоактивных систем обусловлен не только его широким практическим применением, но и относительной простотой синтеза его производных, высокими квантовыми выходами флуоресценции в органических растворителях и слабой зависимостью спектральнолюминесцентных характеристик от рН среды. Благодаря чувствительности фотофизических свойств данного класса люминофоров к внешнему окружению и природе вводимых в состав их молекул заместителей, хромофорная система 1,8-нафталимида привлекает значительный интерес как оптическая платформа для создания разнообразных гибридных фотоактивных систем. Достаточно новым направлением исследований в области нафталимидных красителей является получение конъюгатов с биомолекулами. В настоящей работе уделено внимание разработке фотосенсибилизирующих молекул с целью создания новых лекарственных средств для диагностики и лечения онкологических заболеваний, что является одной из приоритетных целей в биохимических исследованиях. Цели работы. Разработка методов синтеза производных 4-пиразолинил- и 4метоксинафталимида, содержащих краун-эфирные фрагменты в качестве N-арильного заместителя, и изучение влияния комплексообразования по краун-эфирному фрагменту на оптические характеристики этих соединений. Синтез фотоуправляемых гибридных систем на основе нафталимида, содержащих фрагменты нафтопирана, стирилового красителя. Исследование спектральных свойств полученных систем. Разработка методов синтеза бисхромофорных фотосенсибилизаторов и анализ фотофизических свойств полученных соединений. Научная новизна. Впервые синтезированы производные 4-пиразолинил-1,8нафталимида, содержащие фрагмент бензо-15-краун-5- или N-фенилаза-15-краун-5-эфира в составе N-арильного заместителя при имидном атоме азота нафталимидного ядра, а также дитиакраунсодержащие производные 4-метокси-1,8-нафталимида. Показано, что комплексообразование указанных соединений с катионами щелочноземельных, тяжелых и переходных металлов сопровождается значительным изменением флуоресценции. Разработаны методы синтеза неописанных ранее гибридных фоточувствительных систем на основе нафталимидного хромофора и фрагментов нафтопирана и стирилового красителя. Показано, что данное сочетание фотоактивных фрагментов в одной структуре приводит к соединениям, в которых реакции фотохимической изомеризации или 3 электроциклизации могут быть использованы для фотоуправления флуоресценцией. Влияние фотохимических превращений на флуоресценцию красителя продемонстрировано также в супрамолекулярном ансамбле 18-краун-6-эфир-содержащего хромена и аммонийной соли 4аминонафталимида. На основе бактериохлорофилла а и 4-метоксипроизводных нафталимида впервые получены бисхромофорные конъюгаты, которые могут рассматриваться как флуоресцентные фотосенсибилизаторы при проведении фотодинамической терапии рака. Изучен фотоиндуцированный перенос энергии в указанных системах, а также проанализировано влияние структуры спейсера между хромофорами на фотофизические свойства указанных молекул. Практическая ценность. 1. Разработаны методы получения краунсодержащих производных 4-пиразолинил- и 4метокси-1,8-нафталимида, фотохромных 4-стирили пирано-1,8-нафталимидов, бисхромофорных систем, содержащих фрагменты нафталимида и бактериохлорофилла а соответственно. 2. Продемонстрирована способность дитиакраун-эфирных производных нафталимида выступать в роли РЕТ-сенсоров на катионы ртути (II) и свинца (II) в ацетонитрильных и водных растворах. На краунсодержащие производные нафталимида, демонстрирующие свойства флуоресцентных сенсоров, получен патент. 3. Обнаружена возможность обратимого фотопереключения излучения нафталимидного хромофора в составе гибридной системы, содержащей фрагмент нафтопирана, что может быть использовано для создания новых фотоактивных материалов, а также для использования данного типа флуорофоров в анализе конформаций биомолекул. 4. Показано влияние структуры спейсера между хромофорами в конъюгатах производных нафталимида и бактериохлорофилла а на фотофизические свойства, что может служить одним из принципов дизайна практически важных агентов для флуоресцентной диагностики в методе фотодинамической терапии. Личный вклад автора. Автор диссертации участвовал в анализе литературных данных, обсуждении задач, решаемых в диссертационной работе, подготовке и проведении экспериментов, интерпретации полученных результатов и их обобщении, формулировке основных научных выводов, а также в написании научных публикаций и представлении докладов по теме диссертации на конференциях различного уровня. Данная работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 09-03-00047, 12-03-00778, 14-03-31935, РФФИ НЦНИЛ № 13-03-93106, Программ РАН ОХ-6, П-8, Госконтракта ФЦНТП № 02.740.11.5221, Госконтракта ФЦНТП 02.513.11.3208, Госконтракта Министерства образования и науки РФ № 16.74011.0446, Программы PICS 3904, Проекта РАН и НЦНИ (CNRS) Франции № 23977, а также Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Автор выражает глубокую благодарность к.х.н. П.А. Панченко, инж.-исслед. Д.Е. Архипову, к.х.н. Н.Э. Шепелю, д.х.н. А.С. Перегудову и к.х.н. И.А. Годовикову (ИНЭОС РАН), д.х.н. М.А. Грину (МИТХТ), Dr. G. Jonusauskas (Universite Bordeaux 1, France), Dr. S. Delbare и J. Berthet (Universite Lille 2, France) за участие в постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов на разных этапах работы. Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 6 статей, из них 2 – в журналах из списка ВАК, и 1 патент. Основные результаты работы были представлены на 4 следующих конференциях: II Международная молодежная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе, Россия, 2010); VII, X Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «UCChTМКХТ» (РХТУ, Москва, Россия, 2011, 2014 гг.); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ, Москва, Россия, 2011, 2012 гг.); VI Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Физикохимия-2011» (ИФХЭ РАН, Москва, Россия, 2011); Joint Symposium on Organic photochromes «Phenics in Russia» (Chernogolovka, Russia, 2011); V Молодежная кон ференция ИОХ РАН (Москва, Россия, 2012); Всероссийская конференция с международным участием «Успехи синтеза и комплексообразования» (РУДН, Москва, Россия, 2012 г.); III International Symposium «Molecular Photonics» (Repino, Russia, 2012); VII PHENICS International Network Symposium (Nantes, France, 2012); International symposium on Photochromism (ISOP) (Berlin, Germany, 2013); XXV IUPAC Symposium on Photochemistry (Bordeaux, France, 2014). Структура работы. Диссертационная работа общим объемом 169 страниц состоит из введения, обзора литературы, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части, выводов и приложений и содержит 64 схемы, 22 таблицы и 103 рисунка. Список литературы включает 152 наименования. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 3.1. Флуоресцентные нафталимида. сенсоры на основе краунсодержащих производных 1,8- В последние годы было показано, что определенные преимущества в разработке оптических сенсоров возникают при использовании флуорофоров, обладающих более длинноволновым положением полос в спектрах флуоресценции и бóльшим значением стоксова сдвига. К таким преимуществам, прежде всего, следует отнести возможность проведения анализа в условиях биологических объектов, определения катионов d-элементов, комплексные соединения которых часто имеют полосы поглощения в видимом диапазоне, а также уменьшение ошибок измерений, связанных с самопоглощением флуоресценции и рассеянием света возбуждения. В силу отмеченных обстоятельств в качестве базовых флуорофоров для получения ион-активных систем на основе имида нафталевой кислоты нами были выбраны 4-пиразолинил- и 4-метоксипроизводные 1,8-нафталимида. 3.1.1. Синтез краунсодержащих производных 4-пиразолинил-N-фенил-1,8-нафталимида. Производные нафталимида 6а - в, содержащие остаток 1,5-дифенил-2-пиразолина в 4ом положении нафталимидного ядра, были получены из аценафтена по схеме 1. Ацилирование аценафтена 1 по Фриделю-Крафтсу проводилось под действием хлорангидрида уксусной кислоты в присутствии хлорида алюминия (III) в среде 1,2-дихлорэтана. Выход целевого продукта составил 92%. Схема 1 5 4-Ацетилнафталевый ангидрид 3 был получен окислением 4-ацетилаценафтена 2 бихроматом натрия в среде ледяной уксусной кислоты при температуре 90 - 100°С. Выпавший осадок представлял собой кислоту 8, которая в процессе сушки при 120°С подверглась дегидратации с образованием ангидрида 3 (схема 2). Схема 2 Взаимодействие 4-ацетилнафталевого ангидрида с аминами 7а – в проводилось в среде уксусной кислоты при температуре кипения реакционной массы (схема 1). Cинтез Nарилимидов 4-циннамоилнафталевой кислоты 5а - в исходя из бензальдегида и соответствующих 4-ацетилнафталимидов 4а – в проводился в среде этанола при комнатной температуре, в качестве конденсирующего агента применялся гидроксид натрия. Синтез 4(1,5-дифенил-2-пиразолинил-3)-производных N-замещенного нафталимида 6а – в проводился конденсацией соединений 5а – в с фенилгидразином в присутствии NaOH при кипячении в этиловом спирте. 3.1.2. Синтез дитиакраунсодержащих производных 4-метокси-1,8-нафталимида. На схеме 3 представлен синтез 4-метоксипроизводных 1,8-нафталимида, содержащих бензодитиа- и азадитиакраун-эфирные группы в N-арильном фрагменте молекулы. Синтезированный нами 4-метокси-N-фенил-1,8-нафталимид 11а был использован в качестве модельного соединения при сравнении спектрально-люминесцентных свойств полученных соединений. Исходным соединением в синтезе 4-метоксипроизводных нафталимида 11а – в являлся коммерчески доступный 4-нитронафталевый ангидрид 9, который использовался нами для ацилирования ряда ароматических аминов 12а – в в среде уксусной кислоты. Для введения донорной метоксигруппы в 4-ое положение нафталимидного ядра N-фенилзамещенного производного 10а нами была использована смесь метанола и КОН, а в случае донорных краунсодержащих субстратов 11б,в был использован более нуклеофильный реагент - метилат натрия, т. к. в присутствии КОН реакции не наблюдалось. 6 Схема 3 3.1.3. Изучение влияния природы N-арильного заместителя на спектральные свойства. Спектрально-люминесцентные свойства синтезированных соединений 6а – в были изучены в ацетонитрильных растворах. В таблице 1 представлены фотофизические характеристики соединений 6а – в и их комплексов с катионами металлов. Длинноволновая полоса в спектрах поглощения 4-пиразолинилнафталимидов 6а – в обусловлена переносом заряда с электронодонорного пиразолинильного фрагмента на карбонильные группы карбоксиимидной группировки, что иллюстрируют изображенные на схеме 4 резонансные структуры. Максимумы флуоресценции располагаются в области 670 нм. Таблица 1. Спектрально-люминесцентные характеристики комплексов 6б·Mg2+, 6в·Ca2+ и свободных лигандов 6а – в, τ1 (τ2 ) – время жизни флуоресценции. 6а 6б 6б·Mg2+ 6в 6в·Ca2+ abs max (lg ε), нм fluor max , нм 485 (4.36) 485 (4.35) 493 (4.41) 484 (4.13) 489 (4.19) 669 669 680 670 680 fluor 0.099 0.110 0.074 0.031 0.082 lg βML τ1 (τ2 ), нс 7.13 4.59 0.91 (1.60) 1.22 (1.95) 0.23 (1.40) - В ряду соединений 6а - в нами было проанализировано влияние природы N-арильного заместителя на спектрально-люминесцентные свойства. Как видно из таблицы 1, введение фрагмента бензо-15-краун-5-эфира в состав N-арильного заместителя соединения 6б не изменяет положения полос в спектрах поглощения и флуоресценции, а также оказывает слабое влияние на квантовый выход флуоресценции. В то же время, наличие азакраун -эфира в составе N-арильного фрагмента в 6в, практически не изменяя положения полос в спектрах поглощения и флуоресценции, приводит к уменьшению квантового выхода флуоресценции. Небольшие различия в положении максимумов в спектрах поглощения соединений 6a - в указывают на отсутствие π-электронного взаимодействия между N-арильным фрагментом и остатком нафталимида в основном электронном состоянии. На основании анализа литературных данных эффект тушения флуоресценции при введении электронодонорных заместителей можно объяснить существованием в возбужденном состоянии конкурентного с флуоресценцией безызлучательного процесса переноса электрона (РЕТ, англ., Photoinduced Electron Transfer) с N-арильного заместителя на 7 нафталимидный хромофор. Увеличение электронодонорных свойств N-арильного фрагмента за счет наличия в нем краун-эфирных групп будет приводить к увеличению вероятности безызлучательной дезактивации S1-состояния и, следовательно, к уменьшению квантового выхода флуоресценции (схема 4). Для объяснения наблюдаемых различий в квантовых выходах флуоресценции краунсодержащих нафталимидов 6б и 6в нами были проведены квантово-химические расчеты энергии их граничных орбиталей. Расчеты выполнены в программе МОРАС 2009 с использованием полуэмпирического метода РМ6. На рис. 1 представлены значения энергии МО для краунсодержащих производных 6б и 6в. Замена бензокраун-эфирной группы в 6б на N-фенилазакраун-эфирный фрагмент сопровождается увеличением энергии N-арильной орбитали на 0.56 эВ, при этом энергетические уровни граничных орбиталей нафталимидного фрагмента остаются практически неизменными. Из рис. 1 следует, что тушение флуоресценции, обусловленное переносом электрона с ВЗМО N-арильной группы, будет наиболее эффективным для соединения 6в, поскольку в этом случае N-арильная π-МО располагается выше по энергии, чем ВЗМО нафталимидного остатка. В бензокраун-эфирном производном 6б тушения флуоресценции наблюдаться не будет, поскольку в 6б PET процесс становится невозможным из-за того, что перенос электрона с низко расположенной π-МО бензокраун-эфирной группы на более высокую по энергии орбиталь нафталимидного фрагмента является энергетически невыгодным. Таким образом, проведенные расчеты позволяют объяснить различие в квантовых выходах флуоресценции у представленных производных 6б и 6в и подтверждают независимый характер π-МО N-арильной группы и нафталимидного фрагмента. Схема 4 Рисунок 1. Схема энергетических уровней π-МО краунсодержащих производных 6б,в. Орбитали в скобках относятся к возбужденному состоянию нафталимидного хромофора. На следующем этапе нашей работы мы получили 4-метоксизамещенные нафталимиды 15а – в, ионофорные фрагменты которых были модифицированы путем введения в состав макроцикла двух атомов серы вместо двух атомов кислорода. Такая модификация рецептора позволяет управлять селективностью комплексообразования и делает возможным связывание катионов тяжелых и переходных металлов указанными молекулами в водных растворах, а также практически не влияет на π-электронную структуру нафталимидного хромофора и Nарильного ядра, что позволяет перенести установленные нами ранее закономерности спектрального поведения и на данные соединения. 8 3.1.4. Комплексообразование краунсодержащих производных нафталимида с катионами металлов. В спектрах поглощения и флуоресценции ацетонитрильных растворов соединений 6б в добавление перхлоратов Mg2+, Ca2+ приводило к небольшому батохромному сдвигу максимумов длинноволновых полос, связанному с увеличением электроноакцепторных свойств карбоксиимидного фрагмента в результате координации катиона по краун -эфирному рецептору (табл. 1). В случае азакраунсодержащего производного 6в добавление перхлората кальция сопровождалось увеличением квантового выхода флуоресценции более чем в три раза, что позволяет говорить об уменьшении электронодонорности атома азота азакраун эфира при комплексообразовании, вследствие чего уменьшается вероятность переноса электрона с N-арильного заместителя на нафталимидный остаток в возбужденном состоянии. Связывание катионов магния бензокраунсодержащим производным 6б приводило к тушению флуоресценции (табл. 1). В результате квантовые выходы флуоресценции комплексов 6б·Mg2+ и 6в·Ca2+ оказались близкими между собой. Наборы спектров флуоресценции соединений 6б,в в процессе спектрофлуориметрического титрования перхлоратами магния и кальция в ацетонитриле были использованы для расчета констант устойчивости образующихся комплексов. Значения логарифмов констант устойчивости приведены в табл. 1. Комплексообразование нафталимидов 6б - в с катионами металлов также было подтверждено данными 1 Н ЯМРспектроскопии. Комплексообразование 6б с Mg2+ сопровождалось сдвигом сигналов протонов, связанных с бензольным ядром и краун-эфирным циклом, в область слабого поля, при этом химические сдвиги протонов нафталинового ядра оставались практически неизменными. Аналогичные изменения наблюдались в 1 Н ЯМР-спектре 6в при добавлении Ca(ClO 4 )2 . Для изучения селективности комплексообразования дитиакраунсодержащих производных 11б,в использовались перхлораты переходных и непереходных металлов: Сu(ClO 4 )2 , AgClO 4 , Hg(ClO 4 )2 , Ni(ClO 4 )2 , Fe(ClO 4 )2 , Zn(ClO 4 )2 , Cd(ClO4 )2 , Mg(ClO 4 )2 , Ca(ClO4 )2 . Как и ожидалось, добавление катионов металлов в растворы не приводило к значительному изменению положения и интенсивности длинноволновых полос в спектрах поглощения, но сопровождалось разгоранием флуоресценции, связанным с ингибированием РЕТвзаимодействия между флуорофором и рецептором при комплексообразовании (рис. 2). Рисунок 2. Степень разгорания флуоресценции (FE) соединения 11б при добавлении десятикратного избытка перхлоратов ряда металлов в ацетонитриле (а) и воде (б). Концентрация лиганда в растворе 6.4·10-6 моль/л. Спектры флуоресценции лигандов 11б,в были измерены при десятикратном избытке перечисленных выше перхлоратов металлов. Результаты для соединения 11б представлены на рис. 2 в виде диаграмм, иллюстрирующих степень разгорания флуоресценции FE 9 (Fluorescence Enhancement) для конкретного катиона металла. Величина FE представляет собой отношение интегральных интенсивностей флуоресценции раствора лиганда в присутствии и в отсутствии данного катиона соответственно. Проведенные исследования показывают, что введение двух атомов серы в состав краун-эфирного рецептора приводит к селективным по отношению к катионам ртути (II) и свинца (II) флуороионофорам, а также делает возможным определение Hg2+ в водном растворе в присутствии щелочных, щелочноземельных и ряда тяжелых металлов (цинк, железо, никель, кадмий, свинец). 3.2. Флуоресцентные фотохромы. В данной работе предложен синтез и проведено изучение новых гибридных фотохромных систем на основе 1,8-нафталимида. В нафтопиранах 13 и 14 сочетается два фрагмента – флуоресцентный нафталимидный и фотохромный нафтопирановый (схема 5). Использование нафталимидного фрагмента в составе фотохромного соединения позволяет создавать системы, в которых фотохромизм оказывает существенное влияние на флуоресценцию. В качестве фотохромной составляющей мы использовали фрагмент нафтопирана, так как подобные соединения, как известно, обладают превосходными фотохромными откликами, хорошей окрашиваемостью и быстрой обесцвечиваемостью. Синтезированные нафтопираны 13 и 14 обладают двумя важными свойствами. С одной стороны, наличие нафталимидного хромофора обуславливает поглощение в видимой области и интенсивную флуоресценцию при фотовозбуждении. С другой стороны, фотохимическое раскрытие цикла при облучении, как ожидается, должно вызывать значительные изменения в электронной структуре молекулы, влияющие на излучательные свойства соединения. Схема 5 3.2.1. Синтез алкоксипроизводных N-фенил-1,8-нафталимида. Нами был осуществлен синтез нафтопиранов 13 и 14, отличающихся положением пиранового атома кислорода по отношению к карбоксиимидной группировке нафталимида. Сначала по описанным ранее методикам нами были получены ключевые N-фенилзамещенные нафтолы 19 и 22, исходя из 3- и 4-нитронафталевого ангидрида соответственно (схема 6). В случае 3-замещенного нафталимида первой стадией было восстановление нитрогруппы хлоридом олова (II) в кислых условиях, далее получение соли диазония, которую без очистки направляли на гидролиз в присутствии серной кислоты. Заключительной стадией синтеза 3гидрокси-N-фенилнафталимида 19 являлось имидирование в уксусной кислоте при кипячении. Для получения 4-гидрокси-N-фенилнафталимида 22 был предложен другой порядок проведения реакций: сначала ангидрид 9 подвергался имидированию, затем восстановлению аминогруппы и гидролизу, что позволило получить целевой нафтол 22 с хорошим выходом (схема 6). 10 Схема 6 Для получения целевого нафтопирана 13 были использованы два метода. Первый заключался во взаимодействии нафтола 19 с дифенилпропаргиловым спиртом в присутствии кислоты (схема 7). Схема 7 Второй метод представлял собой взаимодействие нафтола 19 с β-фенилкоричным альдегидом в присутствии этоксида титана (IV) (схема 7). Нафтопиран 14 был получен взаимодействием нафтола 22 с дифенилпропаргиловым спиртом в присутствии кислоты. 3.2.2. Исследование нафталимида. спектральных свойств алкоксипроизводных N-фенил-1,8- Все фотохромные свойства нафтопиранов 13 и 14 были изучены в ацетонитриле, метиленхлориде и толуоле с использованием флеш- фотолиза и стационарных экспериментов. Полученные характеристики представлены в таблице 2. Нафтопиран 13 поглощает в области 352 - 355 нм и 412 - 415 нм, в то время как нафтопиран 14 – в области 341 - 352 нм и 387 - 392 нм, что является результатом введения нафталимидного фрагмента в молекулярную структуру abs нафтопирана ( max = 320 нм) (табл. 2). При облучении нафтопирана 14 УФ светом (365 нм) наблюдается образование новой полосы поглощения с максимумом 510 нм и уменьшение оптической плотности исходных 11 полос в области 340 и 390 нм, что свидетельствует о формировании открытой мероцианиновой формы (рис. 3а). Окрашенные формы нафтопиранов 13 и 14 термически переходят в неокрашенные закрытые формы, когда фотооблучение прекращается. Кинетика темновой релаксации, определенная из анализа зависимости спектров поглощения от времени, имеет моноэкспоненциальный характер в ацетонитриле и метиленхлориде (рис. 3б). Таблица 2. Спектральные свойства нафтопиранов 13 и 14 в сравнении с 4-метокси-Nфенилнафталимидом 11а при комнатной температуре. Закрытая форма fluor , нм , нм max Растворитель Ацетонитрил Дихлорметан Толуол 352, 412 355, 415 355, 415 Ацетонитрил Дихлорметан Толуол 341, 388 352, 392 345, 387 Ацетонитрил 361 abs max Открытая форма fluor , нм max τ, с , нм Нафтопиран 13 461 0.09 495 458 0.14 505 446 0.04 501 Нафтопиран 14 476 0.12 336, 386, 510 534 471 0.20 336, 391, 515 461 0.09 343, 387, 520 525 4-Метокси-N-фенил-1,8-нафталимид 11а 434 0.76 abs max fluor fluor 0.098 0.176 0.153 - 532.3 10.3 - 0.005 0.003 - - В качестве стандарта для определения квантового выхо да флуоресценции закрытых и о ткрытых форм представленных соединений использовались э танольные растворы кумарина 6 и родамина 6Ж соответственно. A 0.6 а 0.5 A 0.25 б 0.20 max = 510 нм 0.4 = 532 с 0.15 0.3 0.10 0.2 0.05 0.1 0.0 300 0.00 400 500 , нм 600 700 0 1000 2000 3000 t, с Рисунок 3. Изменения в спектре поглощения (а) нафтопирана 14 при облучении и кинетика темновой релаксации (б) его открытой формы в ацетонитриле (С = 1·10-4 моль/л). Длина волны, на которой регистрировали изменения, 510 нм. Открытая форма нафтопирана 14 достаточно стабильна: в ацетонитриле ее время жизни равно 532 с. Время жизни открытой формы изомерного соединения 13 более чем на три порядка короче (табл. 2). Различие в значениях времен жизни открытых форм нафтопиранов 13 и 14 можно объяснить тем, что в случае нафтопирана 14 окрашенная форма стабилизируется за счет сопряжения между атомом кислорода в С-4 положении нафталимидного ядра и карбонильными группами карбоксиимидной группировки. Процесс термической релаксации открытой формы нафтопирана 14 в толуоле оказался более сложным: после прекращения облучения окрашенная форма нафтопирана 14 быстро обесцвечивается, но не до исходного состояния, а до промежуточного окрашенного состояния 12 с большим временем жизни (рис. 4а). Известно, что фотопревращение нафтопиранов под действием света может привести к образованию двух открытых форм – трансоид-транс (TT) и трансоид-цис (TC), причем, ТС-изомер термически неустойчив и быстро переходит в закрытую форму, в то время как ТТ-изомер сначала медленно переходит в ТС-изомер, а затем – в закрытую форму. Вероятно, в случае нафтопирана 14 при облучении образуются оба окрашенных изомера: ТТ-изомер и ТС-изомер. Время жизни ТС-изомера нафтопирана 14 составляет 2.7 с. ТТ-изомер стабилен в течение как минимум нескольких часов и его точное время жизни мы не определяли. A 0.10 а 0.08 А 0.16 б 0.12 = 2.7 с 0.06 0.08 УФ УФ УФ УФ УФ 0.04 0.04 0.02 0.00 0 20 40 60 80 0.00 100 120 0 1000 2000 3000 4000 5000 t, с t, c Рисунок 4. Кинетика темновой релаксации (а) нафтопирана 14 и изменение его оптической плотности (б) при последовательном облучении УФ (365 нм) и видимым светом (525 нм) в толуоле при комнатной температуре (C = 4.2·10-5 моль/л). Длина волны, на которой регистрировали изменения, 515 нм. Важным фактором для оценки практической применимости фотохромного соединения является скорость его фотодеградации. В случае нафтопирана 14 после каждого цикла обесцвечивания наблюдалось остаточное поглощение открытой формы и снижение оптической плотности фотостационарного состояния, что мы связываем с образованием термически устойчивого ТТ-изомера (рис. 4б). Чтобы снизить содержание ТТ-изомера в смеси мы сократили время облучения УФ светом до 10 с. Образующийся при этом фотостационар, преимущественно состоящий из ТС-изомера, демонстрирует хорошую термическую обратимость (рис. 5). A 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 50 100 t, с 150 200 Рисунок 5. Изменение оптической плотности нафтопирана 14 при последовательном облучении УФ (365 нм) в течение 10 с и термической релаксации в толуоле при комнатной температуре (C = 4.2·10-5 моль/л). Длина волны, на которой регистрировали изменения, 515 нм. Изучение фотоизомеризации алкоксипроизводных N-фенил-1,8-нафталимида с помощью спектроскопии ЯМР. В случае соединения 13 после 10 мин облучения при -70˚С в 13 ЯМР-спектре наблюдались три группы сигналов, соответствующих исходной закрытой и двум открытым – ТТ- и ТС-формам (схема 8, рис. 6). Соотнесение сигналов протонов обоих изомеров было основано на одномерных и двумерных NOESY и TOCSY экспериментах. При облучении нафтопирана 13 при низких температурах: -80°C, -70°C, -60°C, -50°C и -40°C обнаружено, что степень превращения закрытой формы 13 в открытую уменьшается с увеличением температуры (табл. 3). Отношение TT/ТС увеличивается при повышении температуры, указывая на то, что TT-изомер термически более стабилен, чем ТС-изомер. Термическое превращение ТС-изомера в закрытую форму было изучено в толуоле при разных температурах, что позволило определить константы скорости этого процесса и его термодинамические характеристики: энергию активации (56.64 кДж·моль-1 ), энтальпию (54.91 кДж·моль-1 ) и энтропию (-43.62 Дж·моль-1 ·К). Аналогичные параметры для превращения ТТизомера в ТС-изомер определить не удалось из-за низкой концентрации и высокой термической стабильности ТТ-изомера. Схема 8 13 13 13 13 10 мин 0 мин Химический сдвиг, м.д. Рисунок 6. Спектры H ЯМР (ароматическая область) нафтопирана 13 до и после облучения светом (405 нм) в течение 10 мин при -70°C в толуоле-d 8 . 1 Таблица 3. Соотношение изомеров в нафтопиране 13 после облучения (λ = 405 нм) в течение 10 мин в толуоле при разных температурах, kТС - константа скорости темновой релаксации ТС-изомера. Т, °C -80 -70 -60 -50 -40 Закрытая форма 13, % 44.8 45.8 69.6 86.7 91.88 TC-изомер, % 56.2 49.3 26.4 10 0 14 TT-изомер, % 0 4.9 4.0 3.3 8.22 TT/TC, % 0 9.9 15.2 33.0 - kТ С, с-1 2.74·10-5 1.85·10-4 9·10-4 3.1·10-3 - Продукты фотолиза нафтопирана 14 при температурах -60°C, -55°C, -50°C и -40°C оказались термически более стабильными, чем в случае нафтопирана 13. ТТ-изомер нафтопирана 14 имеет более слабое стерическое отталкивание между протонами в положении 5 и 9 по сравнению с нафтопираном 13, поэтому его концентрация в смеси после облучения оказывается выше, чем в случае нафтопирана 13. Экспериментальные данные, полученные при анализе спектров ЯМР продуктов фотопревращения нафтопирана 14, позволили рассчитать константы скорости (табл. 4) и термодинамические характеристики (табл. 5) процессов, происходящих при термической релаксации открытых форм нафтопирана 14 согласно следующему уравнению: Таблица 4. Константы скорости k1 , k2 , k3 (уравнение 1), полученные из временной зависимости концентрационных профилей для изомеров нафтопирана 14 по данным ЯМР. Т, °C -60 -50 -45 -40 -1 5 5 5 ‒ ‒ ‒ k1 , с 4.36·10 6.85·10 8.16·10 1.47·10‒4 8.47·10‒6 1.83·10‒5 2.30·10‒5 4.68·10‒5 k2 , с-1 k3 , с-1 1.24·10‒5 4.17·10‒5 8.82·10‒5 1.78·10‒4 kравн (kТ С-ТТ /kТТ-ТС) 5.15 3.75 3.54 3.15 ≠ -1 ∆G , кДж·моль -2.87 -2.54 -2.34 -2.20 Таблица 5. Энергия активации, энтальпия и энтропия основных процессов, происходящих при термической релаксации открытых форм нафтопирана 14 в толуоле. Процесс EА, кДж·моль-1 ΔH≠, кДж·моль-1 23.26 21.41 TCTT 33.26 31.45 TTTC TCзакрытая форма 54.89 ΔS≠, Дж·моль-1 ·К -225.747 -192.129 53.04 -87.7174 0.5 а 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 300 400 500 , нм 600 80 70 60 50 40 30 20 10 0 700 А 0.5 б 300 250 0.4 200 0.3 150 0.2 100 0.1 0.0 300 50 400 500 , нм 600 0 700 Интенсивность, отн. ед. А Интенсивность, отн. ед. Переключение флуоресценции. Нафтопираны 13 и 14 демонстрируют характерную флуоресценцию нафталимидного фрагмента с максимумом в области 460 - 480 нм (рис. 7), в то время как полосы излучения открытых форм имеют максимум в области 525 - 535 нм (рис. 8). Рисунок 7. Спектры поглощения (сплошная линия) и флуоресценции (пунктирная линия) нафтопиранов 13 (а) и 14 (б) в ацетонитриле при комнатной температуре (С = 4·10-5 моль/л). 15 300 Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн. ед. Было обнаружено, что квантовые выходы флуоресценции соединений 13 и 14 имеют средние значения (табл. 2). Таким образом, фотовозбуждение может вызывать как фотохромное превращение, так и флуоресценцию. Для сравнительно устойчивой открытой формы нафтопирана 14 мы смогли оценить квантовые выходы флуоресценции в ацетонитриле и толуоле (табл. 2, рис. 8), которые оказались очень низкими. а 1 200 100 2 0 500 , нм 600 700 150 б 1 100 50 2 0 500 , нм 600 700 Рисунок 8. Спектры флуоресценции нафтопирана 14 (1) и его открытой формы (2) в ацетонитриле (а) и толуоле (б); длина волны возбуждения закрытой формы 400 нм, а открытой - 480 нм. 28 0 мин 24 Интенсивность, отн. ед. Интенсивность, отн. ед. При облучении ультрафиолетовым светом (365 нм) интенсивность флуоресценции нафтопирана 14 снижается и при образовании после 6 минут облучения фотостационарного состояния интенсивность флуоресценции уменьшается на 36% (рис. 9). Во время облучения видимым светом (525 нм) или после темновой релаксации флуоресценция восстанавливается. Таким образом, флуоресценцией нафталимидного фрагмента в соединении 14 можно обратимо управлять с помощью фотоиндуцированной изомеризации закрытой формы в открытую, что может представлять интерес для создания элементов оптической памяти и для использования подобных флуорофоров в биохимических исследованиях. а 20 16 12 6 мин 8 4 0 400 500 600 700 14 0 мин 12 б 10 8 6 мин 6 4 2 0 400 500 , нм 600 700 , нм Рисунок 9. Изменения в спектрах флуоресценции нафтопирана 14 (C = 4.2·10-5 моль/л) при облучении в метиленхлориде (а) и толуоле (б) при комнатной температуре (λвозб = 365 нм). 3.2.3. Синтез фотохромной супрамолекулярной системы на основе производных 4-аминоN-(2-аминоэтил)-1,8-нафталимида и 18-краун-6-эфирсодержащего бензопирана. В настоящей работе была изучена супрамолекулярная система, состоящая из хромена 24, содержащего фрагмент бензо-18-краун-6-эфира, и 4-аминонафталимида 27, имеющего в качестве заместителя аммонийную группу, способную координироваться с краун -эфирным рецептором (схема 9). 16 Схема 9 Бензокраун-эфирсодержащий пиран 24 был получен по реакции коммерчески доступного фенола 23 с β-фенилкоричным альдегидом в присутствии этоксида титана (IV) в толуоле по известной методике. Восстановление нитрогруппы в соединении 25 проводили хлоридом олова (II) в присутствии кислоты, чтобы одновременно с этим снять карбаматную группу с этилендиаминового фрагмента в N-арильном заместителе. Для выделения свободного амина 26 реакционную массу разбавляли водой, подщелачивали 5%-м раствором NaOH до слабощелочной реакции и проводили экстракцию хлористым метиленом. Перевод 4-амино-Nаминоэтилнафталимида 26 в перхлорат 27 был осуществлен с использованием хлорной кислоты в ацетонитриле. Координация аммонийной группы нафталимида 27 по краун-эфирному фрагменту хромена 24 была изучена с помощью ЯМР- и оптической спектроскопии. Показано, что комплексообразование влияет на фотохромные характеристики хромена 24, а также понижает уровень интенсивности флуоресценции нафталимида 27. Мы предположили, что причиной снижения квантового выхода флуоресценции нафталимида 27 в составе комплекса может быть протекание в супрамолекулярной системе таких фотоиндуцированных процессов, как перенос электрона и/или энергии. 3.2.5. Синтез 4-стирилзаме щенных производных N-бутил-1,8-нафталимида. В данном разделе представлены результаты синтеза и изучения свойств флуоресцентных фотохромов 32а – в, содержащих в качестве фотохромной составляющей стильбеновый фрагмент. Основной целью исследования, наряду с синтезом оригинальных производных нафталимида, явилось выяснение вопроса возможно ли при помощи фотохромной реакции E,Z-изомеризации достичь управления флуоресценцией нафталимидного остатка. Производные N-бутилнафталимида 32а – в были получены исходя из 4-бром-1,8нафталевого ангидрида 30 (схема 10). Ключевой стадией получения нафталимидов 32а – в являлась реакция сочетания по Хеку 4-бром-N-бутилнафталимида 31 с ароматическими стирилпроизводными 33а – в, катализируемая ацетатом палладия. 17 Схема 10 Согласно данным ЯМР-спектроскопии стириловые производные 32а – в получены в виде E-изомеров. Дополнительным доказательством структуры полученных соединений явились данные рентгеноструктурного анализа (рис. 10). 32а 32б 32в Рисунок 10. Общий вид стирилнафталимидов 32а – в в представлении атомов эллипсоидами тепловых колебаний с вероятностью 50%. 3.2.6. Свойства 4-стирилзаме щенных производных N-бутил-1,8-нафталимида. Исследуемые соединения 32а – в характеризуются наличием длинноволновой полосы поглощения, максимум которой сдвигается батохромно при переходе от метоксизамещенного стирилнафталимида 32а к диметиламинопроизводному 32в, а также интенсивной длинноволновой флуоресценцией в видимой области (табл. 6). Как известно, производные стильбена под действием света способны к E,Z-изомеризации. С помощью методов УФ и ЯМР-спектроскопии нами была исследована фотохромная реакция E,Z-изомеризации в ряду стирилнафталимидов 32а – в в толуоле. При облучении растворов соединений 32а – в фильтрованным светом ртутной лампы (436 нм) наблюдается образование фотостационарного состояния, которое характеризуется меньшей оптической плотностью по сравнению с исходным E-изомером, а также гипсохромным сдвигом полосы поглощения на 5 - 21 нм (табл. 6). 18 В таблице 6 приведены значения квантовых выходов флуоресценции соединений 32а – в в Е-форме и смеси E+Z, а также квантовые выходы обратимой реакции E,Zфотоизомеризации. В случае метоксипроизводных 32а,б наблюдалось уменьшение квантовых выходов флуоресценции их растворов в фотостационарных состояниях в 1.2 раза по сравнению с соответствующими растворами E-изомеров. Для соединения 32в изменений флуоресценции не наблюдалось. Небольшие эффекты изменения интенсивности флуоресценции, сопровождающие фотоизомеризацию, могут быть связаны с тем, что переход соединения в Z-изомер не приводит к значительному нарушению сопряжения в хромофорной системе. Это может происходить, когда фрагменты Z-изомера располагаются в одной плоскости. В этом случае не наблюдается значительного изменения в распределении электронной плотности в хромофоре, что и не приводит к значительным изменениям флуоресцентных характеристик. Очевидно, что при разработке дизайна фотопереключаемых систем в дальнейшем необходимо достигнуть того, чтобы фотоизомеризация приводила к значительным структурным перестройкам в молекуле. Таблица 6. Спектральные свойства стирилнафталимидов 32а – в и их растворов в фотостационарных состояниях в толуоле при комнатной температуре. 32а 32б 32в E-изомер E+Z-изомер E-изомер E+Z-изомер E-изомер E+Z-изомер abs max , нм fluor max , нм 405 386 412 403 460 455 495 498 510 512 585 585 fluor а 0.23 0.18 0.35 0.28 0.33 0.32 transcis б cistrans б 0.33 0.44 0.22 0.40 0.22 0.53 а Квантовые выхо ды соединений 32а - в определены по отношению к кумарину 6. Квантовые выхо ды растворов в фотостационарном состоянии определены по отношению к соответствующим Е-изомерам. Концентрация соединений в кювете – 1.2·10-5 М. 3.3. Конъюгаты нафталимидов с N-аминобактериопурпуринимидом. В данной части нашей работы приведены результаты по получению и исследованию спектральных свойств неизвестных ранее конъюгатов на основе Nаминобактериопурпуринимида и нафталимидного хромофора с целью разработки эффективных агентов для флуоресцентной диагностики опухоли в методе фотодинамической терапии. 3.3.1. Синтез бис(хромофорных) систем на основе нафталимида и N-аминобактериопурпуринимида. производных 4-метокси-1,8- Производные 4-метоксинафталимида 35, 38, являющиеся ключевыми интермедиатами в синтезе фотосенсибилизирующих конъюгатов, были получены исходя из 4-бром- и 4нитронафталевого ангидрида 9, 30 соответственно по схеме 11: 19 Схема 11 Для введения ацилхлоридной группы использовались тионилхлорид в случае производного 35 и оксалилхлорид, как более мягкий реагент, в случае нафталимида 38. Синтезированные ацилхлориды 36, 39 без дополнительной очистки направлялись на следующую стадию реакции. Схема 12 Для синтеза конъюгатов 41 и 42 из бактериохлорофилла а в соответствии с описанной методикой был получен N-аминобактериопурпуринимид 40. Реакция пурпуринимида 40 с ацилхлоридами, полученными из нафталимидов 35 и 38, дала целевые соединения 41 и 42 (схема 12). 3.3.2. Исследование спектральных свойств полученных конъюгатов. Конъюгаты производных бактериопурпуринимида с флуоресцентными красителями, в которых две фотоактивные компоненты разделены спейсером, можно рассматривать как бис(хромофорные) системы, в которых оптические характеристики отдельных хромофоров могут меняться до некоторой степени в результате обмена энергией и/или электронами между хромофорами системы или образования комплекса-эксиплекса с участием обоих хромофоров. Применительно к рассматриваемым конъюгатам для фотодинамической терапии рака, безызлучательные пути дезактивации возбужденного состояния, такие как перенос энергии, перенос электрона, образование эксиплексов, могут значительно снизить эффективность образования синглетного кислорода порфириновой компонентой и/или погасить эмиссию флуорофора. При сочетании двух хромофоров согласно результатам, представленным на рис. 11, наблюдается небольшое перекрывание полосы излучения 4-метоксинафталимида 35 с полосами поглощения порфирина 40 в области 400 – 450 нм и 500 - 550 нм. Следовательно, в конъюгате 41 при облучении светом с длиной волны 437 нм можно ожидать как 20 А 0.4 10 8 0.3 6 0.2 4 0.1 0.0 2 300 400 500 600 , нм 700 0 800 Интенсивность, отн. ед. флуоресценцию нафталимида, так и частичный перенос энергии с фрагмента нафталимида на порфириновый хромофор. Рисунок 11. Спектр поглощения порфирина 40 (сплошная линия) и спектр флуоресценции нафталимида 35 (пунктирная линия) в ацетонитриле. 0.4 Интенсивность, отн. ед. Экспериментальные результаты по изучению флуоресценции конъюгата 41 показали, fluor что 85-кратное уменьшение квантового выхода флуоресценции ( max =437 нм) по сравнению с модельным соединением 35 (рис. 12б, табл. 7) можно объяснить переносом энергии возбуждения с нафталимида на порфириновый хромофор. Мы также сравнили квантовые выходы флуоресценции конъюгата 41 и раствора, содержащего эквимолярную смесь производного бактериопурпуринимида 40 и 4-метоксинафталимида 35 (табл. 7). Оказалось, что значение квантового выхода флуоресценции нафталимида в смеси хромофоров (φ = 0.17) в 25 раз выше по сравнению с аналогичным значением для конъюгата 41 (φ = 0.0068). а А 0.3 0.2 1 2 0.1 0.0 300 400 500 600 , нм 700 800 8 б 2 6 4 2 1 0 400 500 , нм 600 Рисунок 12. Спектры поглощения (а) и флуоресценции (б) конъюгата 41 (1) и нафталимида 35 (2) в ацетонитриле (λвозб = 360 нм, концентрация обоих соединений 5.8·10-6 моль/л). На основе теории резонансного переноса энергии по Фёрстеру была проведена оценка скорости процесса переноса энергии (kFRET , с-1 ) между компонентами конъюгата и его эффективности (табл. 7). Проведенные расчеты показали, что скорость переноса энергии возбуждения в конъюгате 41 на 2 порядка превышает скорость излучательной дезактивации, что является причиной тушения флуоресценции. Судя по всему, высокое значение kFRET является результатом довольно небольшого расстояния между нафталимидным и порфириновым хромофорами (r = 13.0 Å), лежащего в пределах диапазона 0 < r < 0.5R0 (18.5 21 Å), где эффективность переноса (E), как правило, близка к 100%. Как видно из табл. 7, значения эффективности переноса энергии E в конъюгате 41, полученные из теоретических расчетов и путем измерения флуоресценции, выше 95%. Для того чтобы избежать уменьшения уровня флуоресценции нафталимида в конъюгате 41 за счет переноса энергии, мы решили модифицировать структуру спейсера, используя менее жесткую пентаметиленовую цепь вместо п- фениленметиленовой группы. Эта идея была реализована в конъюгате 42. В этом случае молекула, как ожидалось, будет более гибкой, что должно привести к более легкому достижению конформации с почти ортогональной ориентацией дипольных моментов хромофоров, при которой скорость переноса энергии близка к нулю. Как видно из табл. 7, интенсивность излучения нафталимида в конъюгате 42 уменьшается всего в 2 раза по сравнению с интенсивностью излучения 38 в эквимолярной смеси соединений 38 и 40. Если проводить аналогию с конъюгатом 41, то наблюдаемое тушение флуоресценции соответствует 50% эффективности переноса энергии между хромофорами конъюгата 42, что существенно ниже наблюдаемого переноса энергии в конъюгате 41 (96%). Учитывая, что интеграл перекрывания (3.30·1014 M-1 ·см-1 ·нм4 , табл. 7) и расстояние между хромофорами (r = 13.2 Å) для конъюгата 42, а также квантовый выход и время жизни флуоресценции нафталимида 38 ( D = 0.56, τD = 6.7 нс) очень близки по значениям к соответствующим параметрам для соединений 41 и 35, можно предположить, что ингибирование процесса переноса энергии в молекуле 42 является результатом конформационных изменений и различной взаимной ориентации хромофоров. Высокую теоретическую эффективность переноса энергии для конъюгата 42 (табл. 7), не согласующуюся с экспериментальными данными, можно объяснить случайным выбором ориентационного фактора k2 (2/3), используемого нами для расчета константы скорости kFRET и критического радиуса R0 . fluor Таблица 7. Спектральные свойства и характеристики переноса энергии для конъюгатов 41, 42 и нафталимидов 35, 38 по сравнению с эквимолярными смесями отдельных компонентов конъюгатов а. 35 40 + 35 41 38 40 + 38 42 fluor 0.58 0.17 0.0068 0.56 0.11 0.055 fluor max , нм R0 , Å 434 436 436 446 448 448 37.1 36.3 Интеграл перекрыванияб, М-1 ·м-1 ·нм4 2.49·1014 3.30·1014 E, % -1 kFRET , с 7.1·1010 6.4·1010 Теор.в Эксп.г 99.8 99.8 96.0 50.0 а Данные для соединений 41, 35 и смеси 40+35 были получены с использованием ацетонитрила в качестве растворителя (λ возб = 360 нм), данные для 42, 38 и смеси 40+38 - используя ДМ СО (λ возб = 340 нм). б Рассчитано из спектров по глощения порфирина 40 и излучения соединений 35 и 38. в Рассчитано как R06 /( R06 r 6 ) . г fl fl Рассчитано как 1 ( / D ) , где fl и fl Dfl - квантовые выхо ды хромофора-донора в присутствии и в отсутствии акцептора соответственно. Таким образом, оценка спектральных свойств полученных нами конъюгатов 41 и 42 показала, что интенсивность флуоресценции нафталимидного фрагмента в составе конъюгата 22 уменьшается в сравнении с соединениями 35 и 38, что можно объяснить с точки зрения переноса энергии с флуорофора (нафталимид) на фотосенсибилизатор (бактериопурпуринимид) при фотовозбуждении. Степень уменьшения уровня флуоресценции сильно зависит от структуры спейсера между хромофорами. ВЫВОДЫ В настоящей работе предложены методы синтеза неизвестных ранее производных 4пиразолинил- и 4-метокси-1,8-нафталимида, содержащих фрагменты краун-эфиров с различной комбинацией гетероатомов; 1,8-нафталимида, аннелированного фрагментом дифенилпирана; 1,8-нафталимидов, сопряженных со стириловым фрагментом, а также конъюгатов 1,8-нафталимида с бактериохлорофиллом а. Разработан метод синтеза 1,8нафталимида, содержащего аммонийную группу в качестве заместителя, и его комплекса с 18-краун-6-содержащим хроменом. Установлен механизм возникновения флуоресцентного отклика при комплексообразовании краун-содержащих 4-пиразолинилнафталимидов с катионами магния и кальция, а также выявлена селективность по отношению к катионам Hg (II) и Pb (II) в водных и органических растворах для дитиакраунсодержащи х производных 1,8нафталимида. Обнаружено, что введение нафтопиранового фрагмента в состав молекулы 1,8нафталимида приводит к соединениям, в которых реализуется фотообратимое переключение флуоресценции. Установлено влияние положения пиранового фрагмента на фотохромные характеристики соединений. Установлено, что причиной неэффективного переключения флуоресценции в случае 4стирилзамещенных производных 1,8-нафталимида является отсутствие значительных структурных изменений в молекуле при фотоизомеризации. Определено влияние структуры спейсера в конъюгате бактериохлорофилла а и производного 4-метоксинафталимида на его флуоресцентные характеристики, обеспечивающие возможность использования конъюгатов в качестве флуоресцентных навигаторов при проведении фотодинамической терапии рака. 1. 2. 3. 4. 5. Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: 1. 2. 3. 4. 5. Федорова О. А., Федоров Ю. В., Панченко П. А., Сергеева А. Н., Ощепков М. С., Ощепков А. С. 4Замещенные N-арил-1,8-наф талимиды, проявляю щие свойства флуоресцентных сенсоров на катионы металлов, и способы их по лучения // Патент РФ RU 2515195 C1, 10.05.2014 Бюл. № 13. Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федоров Ю. В., Федорова О. А. Синтез и сенсорные свойства краунсодержащих произво дных 4-(1,5-дифенил-Δ2 -пиразолин-3-ил)-1,8-нафталимида // Физико химия поверхности и защита материалов. – 2012. – Т. 48. – № 5. – С. 440-449. Panchenko P. A., Sergeeva A. N., Fedorova O. A., Fedorov Yu. V., Reshetnikov R. I., Schelkunova A. E., Grin M. A., Mironov A. F., Jonusauskas G. Spectroscopical study of bacteriopurpurinimide -naphthalimide conjugates for fluorescent diagnostics and photodynamic therapy // J. Photochem. Photobiol. B. – 2014. – V. 133. – P. 140144. Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Синтез и сенсорные свойства краунсодержащих произво дных 4-пиразолинил-1,8-нафталимида // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. – 2011. – Т. XXV. – № 4. – С. 61-66. ISSN: 1506-2017. Сергеева А. Н., Решетников Р. И., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В., Грин М. А. Новые сенсибилизаторы для фото динамической терапии рака на основе произво дных нафта лимида и 23 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. природных хлорофиллов // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. – 2011. – Т. XXV. – № 11. – С. 62-66. ISSN: 1506-2017. Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Фо тоактивная супрамолекулярная система на основе флуоресцентного произво дного наф талимида и фото хромного 18 -краун-6эфирсодержащего производного бензопирана // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. – 2014. – Т. XXVIII. – № 10. – С. 52-55. ISSN: 1506-2017. Захарко М. А., Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А. Синтез 4-стирилзамещенных 1,8нафталимида для применения в качестве ф луоресцентных навигаторов в фотодинамической терапии онкологических заболеваний // Успехи в химии и химической техно логии: сб. науч. тр. – 2014. – Т. XXVIII. – № 10. – С. 49-51. ISSN: 1506-2017. Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Синтез и спектрально-люминесцентные свойства краунсодержащих производных 4-пиразолинил-1,8-нафталимида // II Международная молодежная школа -конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. Сборник тезисов. – Туапсе, Россия. – 2010. – С. 72. Сергеева А. Н., Панченко П. А. Фо тоактивные молекулярные устройства на осн ове произво дных 1,8нафталимида // Материалы XVIII международного молодежного научного форума «Ломоносов-2011» [Электронный ресурс]. – М.: МА КС Пресс, 2011. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Сенсорные свойства краунсодержащих производных 4-пиразо линил-1,8-наф талимида // VI Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН « Физико химия-2011». Тезисы докладов. – Москва, Россия. – 2011. – С. 26. Sergeeva A., Panchenko P. A., Fedorova O. A. Fedorov Yu. V. Photoswitchable fluorescent naphthalimides bearing photochromic units // Joint Sy mposium on Organic photochomes «Phenics in Russia». – Chernogolovka, Russia. – 2011. – P. 63. Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Оптические молекулярные устройства на основе 1,8-нафталимида. Синтез и свойства // V Мо лодежная конференция ИОХ РАН. Сборник тезисов докладов. – Москва, Россия. 2012. – С. 170. Сергеева А. Н., Панченко П. А. Синтез и свойства оптических молекулярных устройств на основе 1,8нафталимида // Материалы XIX международного молодежного научного форума «Ломоносов-2012» [Электронный ресурс]. – М.: МА КС Пресс, 2012. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). Сергеева А. Н., Панченко П. А., Федорова О. А., Федоров Ю. В. Алкоксипроизводные нафталимида в качестве активных компонентов оптических молеку лярных устройств // Всероссийская научная конференции (с международным участием) « Успехи синтеза и комплексообразования». Тезисы докладов. – Москва, Россия. – 2012. – С. 31. Sergeeva A. N., Panchenko. P. A., Fedorova O. A., Fedorov Yu. V. A lko xynaphthalimide derivatives as the active components of optical molecular devices // III International Symposiu m «Molecular Photonics». Book of Abstracts. – Repino, Russia. – 2012. – P. 78. Fedorova O. A., Berdnikova D. V., Sergeeva A. N., Panchenko P. A., Fedorov Yu. V., Lokshin V., Delbaere S. Hybrid Photochromic Systems: Insight Into Structure And Mechanism // III International Sy mposium «Molecular Photonics». Book of Abstracts. – Repino, Russia. – 2012. – P. 70. Sergeeva A., Panchenko P., Fedorova O., Fedorov Yu. Photochromism of naphthopyrans bearing naphthalimide chromophore" // VII PHENICS International Network Sy mposium. Book of abstracts. – Nantes, France. – 2012. - P. P34. Panchenko P. A., Sergeeva A. N., Fedorov Yu. V., Fedorova O. A., Delbaere S., Berthet J. Photochromis m of naphthopyrans bearing naphthalimide chro mophore" // International symposium on Photochromis m (ISOP). Book of abstracts. – Berlin, Germany. – 2013. – P. 79. Erko F. G., Berthet J., Sergeeva A. N., Panchenko P. A., Fedorova O. A., Delbaere S. Photochemical reaction of naphthalimide derivatives of naphthopyrans by NMR" // International symposium on Photochromism (ISOP). Book of abstracts. – Berlin, Germany. – 2013. – P. 110. Panchenko P. A., Sergeeva A. N., Fedorova O. A., Fedorov Yu. V., Reshetnikov R. I., Schelkunova A. E., Grin M. A., M ironov A. F., Jonusauskas G. Spectroscopical study of bacteriopurpurinimide–naphthalimide conjugates for fluorescent diagnostics and photodynamic therapy // XXV IUPA C Sy mposiu m on Photochemistry. Book of Abstracts. – Bordeau x, France. – 2014. – P. P30. 24
