Хемилюминесценция в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов с ионами двухвалентного железа

Назыров, Тимур Илдарович

Хемилюминесценция в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов с ионами двухвалентного железа тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Назыров, Тимур Илдарович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Хемилюминесценция в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов с ионами двухвалентного железа»

Автореферат диссертации на тему "Хемилюминесценция в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов с ионами двухвалентного железа"

На правах рукописи

НАЗЫРОВ ТИМУР ИЛДАРОВИЧ

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В РЕАКЦИЯХ 1,2,4,5-ТЕТРАОКСАНОВ И 1,2,4-ТРИОКСОЛАНОВ С ИОНАМИ ДВУХВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 5 V.'-] 2014

Казань-2014

005548952

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтехимии и катализа Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук

Научный Казаков Дмитрий Валерьевич

руководитель доктор химических наук

Официальные Зимин Юрий Степанович,

оппоненты доктор химических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет», профессор кафедры физической химии и химической экологии

Заиров Рустэм Равилевич,

кандидат химических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической и физической химии имени А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук, научный сотрудник

Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение

организация науки Институт биохимической физики им. Н.М.

Эмануэля Российской академии наук (г. Москва)

Защита состоится "18" июня 2014 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 022.005.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук по адресу: 420088, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Арбузова, д. 8, большой конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН (www.iopc.ru).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д 022.005.02 по адресу: 420088, г. Казань, ул. Арбузова, д. 8, ИОФХ КазНЦ РАН.

Автореферат разослан " 23 " апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук

А.В. Торопчина

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Исследование перекисей всегда представляло собой актуальную задачу благодаря их важной роли в окислительных процессах и механизмах генерации света в химических и биохимических системах, а также широкому применению в органическом синтезе и медицине. Последние же десятилетия можно по праву назвать ренессансом химии органических пероксидов, что связано с созданием лекарственных препаратов на основе природного триоксана артемизинина, обладающего антималярийной активностью, а также с обнаружением важных фармакологических свойств у синтетических 1,2,4-триоксоланов и 1,2,4,5-тетраоксанов. В 2012 г. один из синтетических триоксоланов Артеролан (02277) вошел в состав лекарственного антималярийиого препарата Буллат (фирма 11апЬаху), а тетраоксан ККА182 недавно отобран для клинических испытаний. Примечательно, что помимо противомалярийных свойств тетраоксаны, как оказалось, обладают противоопухолевой и антигельминтной активностью. Хотя вопрос о механизме антималярийной активности по-прежнему остается открытым, было установлено, что ключевую роль в этом процессе играет взаимодействие двухвалентного железа с пероксидной связью.

В настоящее время много внимания уделяется исследованию устойчивости, реакционной способности, фармакокинетики и механизма действия биологически активных перекисей, а также синтезу новых производных.

Данная работа посвящена хемилюминесценции 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов - новому направлению, перспективному в фундаментальном и прикладном отношении. До начала нашего исследования в литературе отсутствовали сведения о наблюдении хемилюминесценции в реакциях 1,2,4-триоксоланоз и содержалось всего два примера трансформаций 1,2,4,5-тетраоксанов, сопровождающихся излучением света. Есть все основания полагать, что хемилюминесценция как тонкий, и подчас незаменимый инструмент исследования природных явлений, станет новым подходом к анализу и изучению свойств фармакологически перспективных агентов перекисной природы. Более того, поскольку тетраоксаны и триоксоланы являются интермедиатами окислительных реакций, такое исследование поможет продвинуться в понимании механизмов генерации электронно-возбужденных состояний в окислительных процессах, в том числе протекающих в живых организмах. Наряду с этим по-прежнему актуальна задача синтеза новых пероксидов и изучения их свойств, которая также стала предметом настоящей работы.

Результаты, изложенные в диссертации, являются частью исследований, проводимых в ИОХ УНЦ РАН по теме: «Хемилюминесценция ионов 4Р- и 5Г-элементов в конденсированной фазе» (номер государственной регистрации

0120.0601534). Исследования по теме диссертации были поддержаны РФФИ (проект № 09-03-00831) и грантом Президента РФ на поддержку молодых ученых и ведущих научных школ - молодые доктора наук (МД-3852.2009.3).

Цель работы

Исследование различных аспектов генерации электронно-возбужденных состояний в ходе окислительных трансформаций 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов, изучение механизмов хемнлюминесценции этих реакций и возможностей аналитического определения тетраоксанов с помощью хемнлюминесценции.

Научная новизна и практическая значимость

> Впервые на примере взаимодействия биологически активных 1,2,4-триоксоланов (0203 - 1,2,4-триоксолана на основе адамантанона и циклогексанона, (7Я,85)-эпокси-(1 ЗЯ, 17Д)-триоксоланабиетиновой кислоты, (ЗЯ,5Л)- и (35,55)-1,2,4-триоксоланов аллобетулина) с соединениями железа показано, что вторичные озониды способны к генерации электронно-возбужденных состояний в ходе окислительных трансформаций.

> Обнаружены новые хемилюминесцентные реакции циклических органических пероксидов: взаимодействие 1,2,4,5-тетраоксанов с соединениями двухвалентного железа.

> Выявлена возможность активации свечения в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов добавками красителей различных классов, установлены наиболее яркие хемилюминесцентные системы с участием циклических дипероксидов, включающие в себя ксантеновые красители - производные родамина и неорганические соли двухвалентного железа.

> Показана возможность анализа тетраоксанов с помощью хемилюминесценции, что позволяет определить до 10"9 М циклических пероксидов. Продемонстрирована селективность хемилюминесцентного метода по отношению к тетраоксанам в сравнении с другими активными формами кислорода (супероксид ион, синглетный кислород, пероксид водорода, гидроксильный радикал).

Положения, выносимые на защиту

• Закономерности хемилюминесценции и спектральный состав свечения в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов с ионами двухвалентного железа.

• Характеристики активированной производными родамина и азиновыми красителями хемилюминесценции при взаимодействии 1,2,4,5-тетраоксанов с ионами двухвалентного железа.

• Условия аналитического определения тетраоксанов методом хемилюминесценции с использованием ксантеновых красителей; селективность предложенной хемилюминесцентной системы.

• Особенности активированной родамином 60 хемилюминесценции в реакциях природных и синтетических 1,2,4-триоксоланов с Ре504 или с системой РеС1з/Ь-цистеин.

• Возможность генерации электронно-возбужденных состояний в реакциях распада 1,2,4,5-тетраоксанов катализируемых иодид- и супероксид-ионом.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на XXIV конференции «Современная физическая химия» (Туапсе, 2012 г.), 17-ом Международном симпозиуме по Биолюминесценции и Хемилюминесценции (Гельф, Канада, 2012 г.), XXXI Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике (Москва, 2013 г.).

Публикации

Основные научные результаты диссертации изложены в трех статьях, две из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патенте РФ и тезисах трех докладов.

Личное участие автора в получении научных результатов

Непосредственное участие в получении и обработке экспериментальных данных, анализ и интерпретация полученных результатов, написание статей, тезисов докладов, обзора литературы и диссертационной работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2), обсуждения результатов (глава 3), выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, включает 59 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 204 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Литературный обзор

В литературном обзоре приведены общие сведения о хемилюминесценции, рассматриваются примеры хемилюминесцентных реакций с участием циклических органических пероксидов и реакционноспособных кислородсодержащих частиц. Дается подробная характеристика объектов исследования - 1,2,4-триоксоланов и 1,2,4,5-тетраоксанов, приводятся методы их получения и информация о свойствах. Особое внимание уделяется важной роли этих соединений в фармакологии.

2. Экспериментальная часть

Содержит стандартные методики очистки растворителей и реагентов, способы синтеза используемых 1,2,4,5-тетраоксанов, 1,2,4-триоксоланов и методики регистрации хемилюминесценции.

3. Хемилюминесценция в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов с соединениями железа

Неактивированная хемилюминесценция (ХЛ)

т- 2+

Известно, что взаимодействие тетраоксанов и триоксоланов с ионами г е играет ключевую роль в проявлении фармакологической активности пероксидов. Это обстоятельство стимулирует дополнительный интерес к исследованию возможности генерации электронно-возбужденных состояний в этих биологически важных реакциях.

В качестве объектов исследования использовались 1,2,4,5-тетраоксаны различной структуры: дипероксид трифторацетона 1, обладающие антигельминтной активностью мостиковые тетраоксаны 2-5показавший антималярийные свойства дипероксид циклогексанона 6 и 1,2,4,5-тетраоксан дезоксихолевой кислоты 7 (схема 1).

Схема 1.

Мы обнаружили, что взаимодействие тетраоксанов 1-7 с соединениями двухвалентного железа сопровождается ХЛ:

РеБС^или Ре804/родамин 60 пероксиды 1-7 -СН3С№Н20=1:1 ^ ^

Наиболее подробно ХЛ была исследована на примере дипероксида трифторацетона 1, который использовали в качестве модельного соединения. Оказалось, что свечение, возникающее в реакции этого тетраоксана с БеБО^ сосредоточено в области 370-480 нм, что совпадает со спектром флуоресценции 1,1,1-трифторацетона в водном (50%) ацетонитриле (рис. 1). Следовательно, эмиттером наблюдаемой ХЛ является синглетно-возбужденный кетон. Методом йодометрического титрования было установлено, что ХЛ не обусловлена

1 Автор выражает благодарность д.х.н. Теренгьеву А.О. (ИОХ РАН) за предоставление для исследований пероксидов 2-5 и 8-12.

каталитическим разложением дипероксида трифторацетона под действием соединений железа, а также не вызвана реакциями возможных примесей в пероксиде или в соли Ре504, а связана именно с окислением двухвалентного железа тетраоксаном. Кроме того, оказалось, что после смешения реагентов до того бесцветный раствор приобретает коричневую окраску, характерную для окисленных форм двухвалентного железа, а качественные реакции с красной и желтой кровяными солями на ионы Ре2+ и Ре3+ выявили присутствие только ионов трехвалентного железа в реакционной массе после окончания реакции.

Рис. 1. 1- Спектр флуоресценции 1,1,1-трифторацетона в водном (50%) ацетонитриле ([трифторацетон]=1.510"2 М, 5 "С). 2- спектр ХЛ, возникающей в реакции дипероксида 1,1,1-трифторацетона 1 с РеБСН ([тетраоксан 1]=210"3 М, [Ре804]=2-10"3 М, СН3СМ:Н20=1:1,30°С).

X, нм

350 375 400 425 450 475 500 525

Мы показали, что в условиях избытка соли железа над пероксидом ([тетраоксан 1]=2-10'4 M, [FeS04]=410 3 M, CH3CN:H20=1:1, 30 °С) затухание ХЛ следует закону первого порядка с хорошим коэффициентом корреляции (рис. 2). Из линейной зависимости логарифма интенсивности XJI от времени были оценены

Рис. 2. Кинетическая кривая затухания ХЛ, возникающей в реакции тетраоксана 1 с Рс504, и ее полулогарифмическая анаморфоза ([тетраоксан 1]=2-10"4 М, [Ре804]=410"3 М, СНзСМ:Н20=1:1,30 °С).

константы скорости псевдопервого порядка, которые, так же как и интенсивность свечения, практически не зависели от атмосферы, при которой проводилась реакция: значения констант, определенные для процесса, проводимого в

атмосфере аргона и кислорода, равны 0.41 ±0.02 с"' и 0.38 ±0.04 с"1 соответственно. Таким образом, мы показали, что метод ХЛ может быть использован для исследования кинетики взаимодействия тетраоксанов с соединениями железа.

Похожие результаты были получены и для реакции мостиковых тетраоксанов 2 и 3. ИК-спектр реакционной смеси, снятый сразу же после окончания спада свечения, показал, что в ходе реакции происходит разрушение пероксидных связей в тетраоксановом фрагменте. Об этом свидетельствует исчезновение в продуктах реакции характерных для тетраоксанов сигналов при 830-925 см"1. Оказалось, что в случае мостиковых тетраоксанов спектр ХЛ, полученный с помощью граничных светофильтров, имеет сложный характер и состоит из нескольких максимумов при X = 460-500, 500-570 и 570-590 нм. При этом область максимумов свечения практически одинакова для обоих изученных пероксидов, а спектры ХЛ отличаются лишь соотношением интенсивности полос излучения, что может быть обусловлено как различным квантовым выходом люминесценции карбонильных соединений - продуктов взаимодействия пероксида с солью железа, так и разным выходом их возбуждения для тетраоксанов с нитрилыюй и карбоксильной группой. Причем в присутствии 02 для обоих пероксидов наблюдается ослабление интенсивности свечения (без изменения продолжительности спада ХЛ), что указывает на значительный вклад триплетных состояний в хемилюминесценцию. Сравнение спектра хемилюминесценции, снятого в ходе реакции мостикового тетраоксана 2 с сульфатом железа в атмосфере аргона и кислорода, выявило, что кислород существенно подавляет люминесценцию при 500-560 нм, а значит, именно она обусловлена излучением с триплетных состояний (рис. 3).

В литературе обсуждается общая схема взаимодействия тетраоксанов с соединениями двухвалентного железа. Можно предположить, что в рамках этого механизма и происходит генерация электронно-возбужденных состояний, например, в ходе разложения перокси-интермедиатов А и/или Б (схема 2).

Рис. 3. Спектр хемилюминесценции, возникающей в реакции мостикового тетраоксана 2 с РеБС^ ([тетраоксан 2] = 210"3 М, [1:е504]-2-Ю'3 М, С1ЬСК:Н20-1:1, 70 °С). Реакция проводилась при постоянном барботаже Аг (1) или Ог (2).

Ре(Ш)

о-о

х-

Ьу

ч ~ ~ ..........О—Ге(Ш)

X О—О—Ре(Ш)

Иу

Схема 2.

Однако установление точного механизма ХЛ, возникающей при окислении Ге2' тетраоксанами, требует проведения дополнительных исследований.

Отметим, что обнаруженные нами хемилюминесцентные реакции являются новыми не только для тетраоксанов, но и в целом для циклических органических пероксидов, поскольку ранее о ХЛ в реакциях этого класса соединений с ионами Ре2+ не сообщалось.

Хемилюминесценция, активированная производными ксантеновых красителей

Мы показали, что добавки родамина 6С (1ШО) значительно усиливают свечение в реакциях тетраоксанов с ионами Ре2+. Так, например, значения максимальной интенсивности ХЛ и ее светосуммы в присутствии 1-Ю"3 М этого красителя превышают аналогичные величины, зарегистрированные для неактивированной ХЛ более чем на два порядка ([Ре504]=2-103 М, [тетраоксан 3]=110 3 М, СН3СТ\Г:Н20=1:1, Аг, 25 °С). При этом активатор усиливает ХЛ, но не влияет на кинетику ее затухания. Эмиттером свечения является электронно-возбужденный краситель, о чем свидетельствует совпадение спектра ХЛ, снятого методом граничных светофильтров, с областью флуоресценции родамина >.=550-650 нм (рис. 4).

X, нм

Рис. 4. 1- спектр хемилюминесценции, возникающей в реакции мостикового тетраоксана 2 с БеБС^ в присутствии родамина ([тетраоксан 2]=510"3 М,

[Ре804]=НСГ3 М, [ас16С.]=2-1(Г3 М, СН3СМ:Н20=1:1, Аг, 60 °С). 2- спектр флуоресценции родам1ша бО ([Я<36С]= 110"5 М, СН3СМ:Н20- 1:1, >«=488 нм).

Можно предположить, что родамин усиливает ХЛ по механизму переноса энергии с образующихся при окислении ионов Ре2+ тетраоксанами электронно-возбужденных состояний на активатор. С другой стороны, нельзя полностью исключить сценарий, при котором возбуждение красителя происходит в результате его взаимодействия с реакционноспособными радикалами, генерируемыми в системе Ре2+/тетраоксан.

В таблице 1 приведены значения характеристик ХЛ в реакциях тетраоксанов с ионами Ре2+. Из представленных данных видно, что максимальная интенсивность, светосумма и выход ХЛ зависят от природы пероксида и значительно превышают аналогичные величины, полученные в холостых опытах (ХЛ зарегистрированная в тех же условиях, но в отсутствии родамина или Ре804). Таким образом, очевидно, что свечение в основном генерируется в системе тетраоксан/Ре2711(1 и не вызвано прямой реакцией пероксидов с родамином.

Мы также провели серию опытов по исследованию ХЛ в реакциях ионов Рс21 с пероксидами, сходными по структуре с мостшсовыми тетраоксанами 2-5, но отличающимися от них отсутствием одной пероксидной связи. Эти соединения показаны на схеме 3, а результаты ХЛ-измерений представлены в таблице 1. Характеристики ХЛ, определенные для реакций монопероксидов 8-12, оказались существенно меньше измеренных для тетраоксанов 1-5. Полученные результаты косвенно свидетельствуют о том, что в механизме генерации электронно-возбужденных состояний в реакциях тетраоксанов участвует два пероксидных фрагмента.

Таблица 1. Максимальная интенсивность (1тах/фотон-с"'-мл~1), светосумма (Б/фотон мл" ') и выход ХЛ (фи/эйнштейн-моль-1) в реакции тетраоксанов с Ре504 ([пероксид]=1-10" М, [Ре804]=2-10"3 М, [ГШОННГ1 М, СН3С1чГ:Н20=1:1, Аг, 25 °С)

ХЛ-системы Пероксид 1тах,Ю'9 в, -10г,в фхл, Ю8

нероксид/Ге2 7111160 1 37,00 38,92 64,60

2 1,00 5,72 9,49

3 4,70 22,85 37,93

4 0,90 6,17 10,24

5 0,90 4,13 6,86

8 0,10 0,25 0,42

9 0,01 0,19 0,31

10 0,01 0,10 0,16

и - - -

12 0,01 0,51 0,84

пероксид/ЯёбО 2 0,02 0,21 0,35

3 0,02 0,22 0,37

4 0,01 0,13 0,22

5 0,01 0,10 0,16

8 - - -

9 - - -

10 - - -

11 - - -

12 - - -

пероксид/Ре2+ 2 0,01 0,05 0,08

3 0,02 0,18 0,30

4 0,01 0,06 0,09

5 0,02 0,04 0,07

"-" обозначает отсутствие сигнала ХЛ.

Схема 3.

В завершение раздела, посвященного активированной ХЛ, отметим, что помимо ХЛ дипероксида трифторацетона и мостиковых тетраоксанов, мы обнаружили свечение при взаимодействии с нонами Ре + дипероксида

циклогексанона 6 ([тетраоксан 6]=3-10"3 М, [FeS04]=610-3 М, [Rd6G]=310"3 М, CH3CN:H20=1:1, Аг, 70 °С) и тетраоксана дезоксихолевой кислоты 7. Для последнего пероксида XJ1 наблюдалась как при взаимодействии с FeS04 ([тетраоксан 7]=1-10"2 М, [FeSO4]=M0"3 М, [Rd6G]=5-10'4 М, CH3CN:H20=1:1, 60 °С)2, так и в системе гетраохсаи/Ь-цистеишТеСЬ, где ионы Fe2+ генерируются in situ ([тетраоксан 7]=110"2 М, [Ь-цистеин]=3-10"3 М, [FeCl3]=2-10-3 М, [Rd6G]=5-10^ М, CH3CN, 60 °С).

Мы также показали, что активированная родамином ХЛ наблюдается в реакциях тетраоксанов не только с FeS04, но и с другими солями двухвалентного железа. Так, мы обнаружили свечение при взаимодействии пероксидов 1-3 с глюконатом Fe(glu)2 и хлоридом FeCl2 железа ([тетраоксан]=[соль Fe2+]=1-10"3 М, [Rd6G]=3.5104 М, CH3CN:H20=1:1, Аг, 25 °С). Интересно, что если в случае дипероксида трифторацетона светосумма ХЛ практически не зависит от противоиона соли, то для мостиковых пероксидов 2 и 3 такая зависимость наблюдается. Так, например, светосумма ХЛ в реакции пероксида 2 с глюконатом двухвалентного железа примерно в четыре раза превышает аналогичную величину для реакции с сульфатом железа. В случае же тетраоксана 3, напротив, светосумма ХЛ в реакции этого пероксида с Fe(glu)2 в два раза меньше, чем при взаимодействии пероксида с FeS04. Выяснение причины влияния природы соли и мостикового тетраоксана на характеристики ХЛ требует дальнейших исследований.

4. Аналитическое определение 1,2,4,5-тетраоксаиов методом хемилюминесценцпи

Яркость активированного родамином свечения, возникающего при взаимодействии тетраоксанов с соединениями железа, позволяла надеяться на возможное использование этих ХЛ-реакций в аналитических целях. В связи с этим мы провели всестороннее исследование хемилюминесцентных систем тетраоксан/Те2+ в присутствии активаторов ХЛ - красителей различных классов (ксантеновые, кумариновые, индигоидные, трифенилметановые, азокрасители, азиновые и антрахиноновые красители) с целью выявления аналитических возможностей определения концентрации тетраоксанов методом ХЛ.

Выбор данных активаторов был обусловлен хорошей растворимостью в водно-ацетонитрильной среде, обеспечивающей наилучшее растворение солей металлов и органических пероксидов, а также высоким квантовым выходом люминесценции. В экспериментах по выбору наиболее оптимального усилителя свечения и удобной ХЛ-системы для аналитического определения 1,2,4,5-

2 При растворении в водном ацетонитриле тетраоксана 7 раствор становился мутным. Таким образом, в системе СН3СМ:Н20 ХЛ наблюдалась в гетерогенных условиях.

тетраоксанов использовали дипероксид трифторацетона 1 в качестве модельного субстрата. Результаты исследования представлены на рис. 5. Из полученных данных видно, что наибольшая интенсивность ХЛ наблюдается в присутствии красителей ксантенового ряда, а также метиленового голубого и метиленового зеленого, принадлежащих к классу азиновых красителей (в опытах с использованием остальных красителей получены значительно меньшие значения интенсивностей ХЛ, которые не приведены на рис. 5). Причем наибольшая интенсивность ХЛ наблюдается в присутствии родамина ЗВ, а максимальное значение свегосуммы зафиксировано для родамина

К'сантеноъые красители _1

; 45

! 40 35 ; 5 30

|| 20 : 15 | 10

10.2.0) (О.«) 42,

38,9 37 ж

(0,31) 35,6

§¿1,7 (0.38) 18,7

|10.2 (0.37) 7,6

2,6 г

<ь

(0.50) 1 1,8 ^7

Азнновые красители 1

(¡¡6 0,6 ода 0.1

^ ^

о? ^ .-О-

^ ^ , сР ^ ^ ^

у V? о*8

Г ^

С*

■ 45 О

■ 40 о

30 3 И Я

- 25 -э- о Я

- 20 1 2

" 5 5

• 10

(0,04)

шт - 0

Рис. 5. Максимальная интенсивность и светосумма ХЛ в реакции дипероксида трифторацетона 1 с РеЭОд в присутствии красителей ксантенового и азинового ряда ([тетраоксан 1]=110~3 М, [Ре804]=2-1СГ3 М, [краситель]=М0"3 М, СН3С№Н20=1:1, Аг, 25 °С). Наряду с характеристиками ХЛ в скобках приведены относительные величины квантовых выходов флуоресценции красителей.

Интересно, что между интенсивностью ХЛ и квантовым выходом люминесценции (ф) активаторов, определенным нами в смеси растворителей, в которых проводились хемилюминесцентные измерения, не наблюдается прямой корреляции. Так, например, квантовый выход флуоресценции родамина В и родамина ЗВ практически сравнимы, а интенсивность ХЛ, зарегистрированная в присутствии этих красителей, отличается более чем на порядок. Более того,

величина <р 4,5-дибромфлуоресцеина превышает значение ср для ряда производных родамина, но интенсивность ХЛ с родаминами существенно выше, чем с 4,5-дибромфлуоресцеином.

Выбрав наиболее оптимальные активаторы ХЛ на примере дипероксида трифторацетона, мы также определили характеристики свечения, возникающего при окислении ионов двухвалентного железа мостиковыми тетраоксанами 2-5 в присутствии производных родамина и метиленового зеленого (таблица 2). Из данных таблицы видно, что наибольшие значения 1тах и выхода ХЛ зафиксированы для мостикового тетраоксана 3, содержащего нигрильную группу. Именно этот пероксид и был выбран нами для определения предела обнаружения мостиковых тетраоксанов методом ХЛ.

Таблица 2. Максимальная интенсивность (1тИ[/фотон с"1мл") и выход ХЛ (срхл/эйнштейн-моль"1) в реакции пероксидов 1-5 с Ре804 в присутствии производных родамина и метиленового зеленого ([тетраоксан]= I • 10" М, [Ре50,(]=2-10"3 М, [краситель]= 1 ■ 10 3 М, Аг, СН3СК:Н20= 1:1, 25 °С).

тетраоксан Родамин 60 Родамин ЗВ Бутиловый эфир родамина Б Метиленовый зеленый

I -Ю-9 1т»,-10-" фхл,'108 1,шх,-10"9 ФхлЛО8 I 10"9 ■чпах» Фх„,-108

1 37,00 64,60 45,20 36,98 35,59 36,10 3,14 5,63

2 1,00 9,49 3,42 5,21 5.62 6,78 0,02 0,16

3 4,70 37,93 19,76 34,92 14,28 25,19 0,12 0,93

4 0,90 10,24 2,58 9,73 1,83 6,57 0,13 2,61

5 0,90 6,86 7,49 10,10 4,82 9,63 0,10 0,49

Зависимости максимальной интенсивности ХЛ, возникающей в реакции пероксида 3 с сульфатом и глюконатом двухвалентного железа в присутствии родамина 6в и родамина ЗВ, от концентрации этих красителей представляют собой кривые с насыщением, характерные для процессов активации свечения по механизму переноса энергии (рис. 6, 7).

Установив условия, при которых наблюдается максимальная интенсивность свечения, на примере взаимодействия тетраоксана 3 с глюконатом двухвалентного железа мы определили предел обнаружения тетраоксанов1. Из рис. 8 следует, что максимальная интенсивность ХЛ увеличивается с концентрацией пероксида, а предел обнаружения составляет 3.2-10"9 М. Таким образом, ХЛ оказалась весьма чувствительным методом определения концентрации мостиковых тетраоксанов.

3 При растворении Ре(§1и)2 в СН3С№Н20 при концентрации соли 1-Ю'2 М образуется взвесь (при [Ре(з1и)2] < 2Т0'3 М раствор остается прозрачным). Таким образом, опыты по определению предела обнаружения тетраоксанов методом ХЛ проводились в гетерогенных условиях.

Рис. 6. Зависимость интенсивности ХЛ в реакции тетраоксана 3 с Ре804 в присутствии родамина 60 от концентрации / красителя ([тетраоксан 3]=110"3 М,

[Ре804]=2-10"3 М, СН3СМ:Н201:1, Аг, 25 °С).

2 3

1400

1200

1000 Д а 800 х

^ 600 /

* / го '

£ 400-1 / 200 ' 0 '

0 1 2 3 4 5

[КЙЗВ]ю3, м

Рис. 7. Зависимость интенсивности ХЛ в реакции тетраоксана 3 с Ре^1и)2 в присутствии родамина ЗВ от концентрации красителя ([тетраоксан 3]=1-10"3 М, |Те(§1и)2]=2-1СГ3 М, СН3СК:Н20=1:1, Аг, 25 "С).

1д [тетраоксан 3]

Рис. 8. Зависимость интенсивности активированной родамином ЗВ

хемшломинесценции в реакции тетраоксана 3 с глюконатом железа от концентрации пероксида ([ре(^и)2]=М0'2 М, [Яс13В]= 210"3 М, СН3С№Н20=1:1, Аг, 25 °С).

Было интересно установить, насколько селективен метод XJI в отношении аналитического определения циклических дипероксидов? Эти данные могли бы быть полезны в связи с перспективой использования предложенного способа анализа тетраоксанов в биологических системах, например для мониторинга лекарственных препаратов, содержащих тетраоксановые фрагменты, в живых организмах. Для этого, где было возможно, мы провели исследование XJI в условиях, в которых проводились опыты с тетраоксанами (система nepoKCHfl/FeS04/Rd3B) с той только разницей, что вместо дипероксидов использовались активные формы кислорода [reactive oxygen species (ROS)], которые являются важными участниками биохимических процессов: '02, 'ОН, Н202, ог. Для генерации ROS применяли следующие химические системы и соединения: Ы-хлорсукщшимид/Н202 и Na2Mo04/H202 - источник синглетного кислорода, FeS04/H202 - реакция, в которой образуется гидроксильный радикал, К02 - источник супероксид-иона. Было также исследовано активированное родамином ЗВ свечение с участием NaOCl и Н202. Оказалось, что интенсивность ХЛ в реакциях тетраоксанов (особенно пероксидов 1 и 3) значительно выше, чем в системах, где образуются ROS. Исключение составляет реакция N-хлорсукцинимида с Н202, где была зафиксирована относительно высокая интенсивность ХЛ. Однако, по-видимому, это свечение не вызвано синглетным кислородом, поскольку в отдельных экспериментах было показано, что интенсивность ХЛ в реакции Н202 с FeS04 в присутствии и отсутствии необходимого для генерации '02 реагента - N-хлорсукцинимида практически одинакова.

Таким образом, мы показали, что предлагаемый нами ХЛ-метод определения тетраоксанов является не только чувствительным, но и весьма селективным.

5. Хемилюмннесценция при взаимодействии тетраоксанов с сунсрокснд-и иодид-ионом

Мы обнаружили, что генерация электронно-возбужденных состояний может происходить не только при окислении двухвалентного железа, но и в реакциях катализированного распада пероксидов под действием иодид-иона и биологически важной активной формы кислорода - супероксид-иона. Ранее было показано, что ионы Г вызывают распад дипероксида трифторацетона 1. Постулировался механизм цепного расходования пероксида, инициированного переносом электрона с иодид-иона, в котором частицей-носителем цепи выступал супероксид-ион, образующийся при распаде промежуточного пероксианион-радикала (схема 4).

ИХ',

РзС

Р-О сн3 А-СР,

I" или 02 12 или 02

О—О 1

,зС Р-0

н3сАо о/

Ас,,

о2

2 Н3С

Схема 4.

Мы показали, что разложение тетраоксана 1, индуцированное ионами I", сопровождается генерацией электронно-возбужденных состояний. Отметим, что свечение наблюдается не только при использовании и-Ви4№ в качестве источника иодид-иона, но и при взаимодействии дипероксида трифторацетона с К1 в СНзСМ, что указывает на ключевую роль именно иодид-иона в ХЛ-процессе. Спектр ХЛ имеет сложный характер и состоит из трех полос излучения с максимумами при >.=450, 540 и 590 нм (рис. 9). Примечательно, что интенсивность ХЛ практически не зависит от природы газа, пропускаемого через раствор: значения 1хл и Б оказались практически идентичны в атмосфере 02 и Аг ([тетраоксан 1]=ЗТ0~2 М, [/!-Ви4ОТ]=2-10-3 М, СН2С12, 25 °С).

I, отн. ед

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

I I

\ /

к/

-—

Рис. 9. Спектр ХЛ, снятый методом граничных светофильтров в реакции дипероксида трифторацетона 1 с л-ВщМ ([тетраоксан 1]=310"2 М, [п-Ви4№]=2-10"3 М, СНзСЗЧ, Аг, 60 °С).

-X, нм

450 500 550 600

Оказалось, что интенсивность и светосумма ХЛ, возникающей в реакции I" с тетраоксаном 1, существенно увеличиваются в присутствии активаторов ХЛ -производных родамина. Например, в присутствии родамина ЗВ значения 1хл и Б возрастают в 4 и 5 раз соответственно, а при использовании родамина в качестве активатора — более чем на порядок. Область свечения, определенная с помощью граничных светофильтров, совпадает с областью флуоресценции родамина бО 1=550-650 нм. Таким образом, электронно-возбужденный краситель является эмиттером наблюдаемой ХЛ. В спектрах поглощения и флуоресценции

родамина 60, снятых после реакции, не наблюдается сколько-нибудь заметных изменений. Это является косвенным аргументом в пользу того, что краситель не вовлекается в реакцию, а проявляет себя как инертный активатор ХЛ.

Можно предположить, что генерация электронно-возбужденных состояний в системе тетраоксан 1/я-Ви4Ы[ происходит в ходе индуцированного иодид-ионом разложения пероксида, показанного на схеме 4. Как можно видеть, в приведенном на схеме механизме ключевую роль играет супероксид-ион. Ранее было установлено, что 02~" действительно вызывает разложение соединения 1. Мы нашли, что эта реакция также сопровождается ХЛ. Так, например, ХЛ была обнаружена при взаимодействии пероксида 2 с К02 в присутствии дибензо-18-краун-6 эфира (добавлен для лучшей растворимости К02) в осушенном ДМСО:

В присутствии 5-103 М родамина ЗВ наблюдалось 4-х кратное усиление свечения ([тетраоксан 2]=5-10"э М, [К02]=5-1(Г3 М, [дибензо-18-краун-6 эфир]=1-10"г М, ДМСО, Аг, 25 °С). Отметим, что в системе родамин ЗВ/К02/дибензо-18-краун-6-эфир в ДМСО также наблюдается ХЛ, но ее интенсивность более чем на порядок меньше активированного свечения в присутствии тетраоксана. Аналогичные результаты были получены в осушенном ДМСО и СНзСЫ без использования краун-эфира4. Примечательно, что в ИК-спектре, снятом после завершения спада ХЛ (через = 90 мин после смешения реагентов) в реакции К02 и пероксида 2 в СН3СК, отсутствовали характерные ИК-колебания пероксидных связей при 830-925 см"1, а сам вид ИК-спектра оказался практически идентичным спектру продукта реакции тетраоксана 2 с РеЗОд. Это обстоятельство является аргументом в пользу того, что свечение возникает именно в результате взаимодействия 02"' с тетраоксаном, приводящего к деструкции пероксида.

Анализ области свечения с помощью граничных светофильтров показал, что ХЛ, наблюдающаяся в реакции супероксид-иона с тетраоксаном 2, в основном сосредоточена в диапазоне 450-550 нм ([пероксид 2]=5-10"3 М, [К02]=110~2 М, 02, СН3СМ, 70 °С). В присутствии же родамина 6Б интенсивность свечения увеличивалась на порядок, а максимум ХЛ сместился в область, соответствующую фотолюминесценции родамина: \ = 550-650 нм.

4 В этом случае, очевидно, можно говорить о вкладе гетерогенной составляющей ХЛ, так как К О; плохо растворим в диметилсульфоксиде и ацегогалриле.

6. Хемилюминесценция при взаимодействии 1,2,4-триоксоланов с соединениями железа

Представляло интерес выяснить, является ли способность к генерации электронно-возбужденных состояний свойством, присущим лишь 1,2,4,5-тетраоксанам, или же оно проявляется и для другого класса биологически активных пероксидов — 1,2,4-триоксоланов, обладающих иной структурой пероксидного фрагмента и характеризующихся несколько отличным от тетраоксанов механизмом взаимодействия с соединениями двухвалентного железа. Для исследований были выбраны стабильные вторичные озониды: (ЗД,5Й) и (35,55) 1,2,4-триоксоланы аллобетулина 13 и 14, (7Л,85)-эпокси-(13Д,17Л)-триоксоланабиетиновая кислота 15 и 1,2,4-триоксолан на основе адамантанона и циклогексанона (КОЗ, обладающий антималярийной активностью (схема 5).

Схема 5.

Как оказалось, 1,2,4-триоксоланы на основе природных соединений действительно способны к образованию электронно-возбужденных состояний в ходе реакции с соединениями железа. Мы показали, что взаимодействие пероксидов 13 и 14 с РеС13 в присутствии гидрохлорида Ь-цистеина и родамина сопровождается свечением в видимой области спектра:

БеСЬ/Ь-цистеин/родамин6С , ,_лп

пероксиды 13,14 ---—-*- И V (540 - 650 им)

70 °С, СН3СЫ/Н20 (1:1)

Свечение сосредоточено в области ?и=540-650 нм, что совпадает со спектром люминесценции родамина 6С снятом в водном ацетонитриле, а следовательно, родамин является эмиттером наблюдаемой ХЛ.

Проведение реакции в атмосфере кислорода значительно увеличивало светосумму ХЛ по сравнению с процессом, осуществленным в аргоне (рис. 10), а анализ реакционной массы, сделанный методом ТСХ после завершения спада свечения, показал отсутствие пероксидов 13 и 14 в реакционной смеси. Этот экспериментальный факт согласуется с ранее известными данными о том, что биологически активные артемизинин, триоксоланы и тетраоксаны разлагаются под действием каталитических количеств Бе'11 в присутствии восстановителя (Ь-цистеин или дитионат натрия) с образованием свободных радикалов.

Рис. 10. Зависимость интенсивности хемилюминесценции от времени в реакции пероксида 14 с РеС13 в присутствии Ь-цистеина и родамина 6й ([тетраоксан 14]= 1.510"3 М, [Ь-цистеин]=3 10"3 М, [РеС13]= 1.5 10"3 М, [Кд6С]=1.5 10"3 М, СН3Ш:Н20=1:1, 70 °С). 1 - реакция проводилась в атмосфере Ог, 2 - реакция проводилась в атмосфере Аг.

Похожие результаты были получены при изучении XJ1 в реакциях (7R,8S)-эпокси-(13Л,17Я)-триоксоланабиетиновой кислоты 15 с той только разницей, что в этом случае вместо системы РеС13/Ь-цистеин, где ионы Fe2+ образуются in situ, использовались соли двухвалентного железа: хлорид, сульфат и глюконат ([пероксид 15]=5Ю~3 М, [FeS04]=[FeCl2]=[Fe(glu)2]=1.5-10-3 М, [Rd6G]=l .4-Ю"4 М, ацетон:вода= 1:1, 50 °С). При этом максимальная интенсивность свечения была зарегистрирована в случае взаимодействия соединения 15 с глюконатом Fe2+.

Учитывая факт образования свободных радикалов в реакциях триоксоланов с ионами Fe2+, а также влияние кислорода на поведение XJI пероксидов 13-15, можно предположить, что свечение генерируется по механизму рекомбинации перокси-радикалов посредством передачи энергии с образующихся возбужденных карбонильных соединений на активатор - родамин 6G (схема 6).

^/^О Fe2+ или FeCb/L-цистеин

О i -±->- RO- и R-

R- + 02 -ROO-

ROO-+ ROO- -R=0* + ROH + 02

перенос энергии

R=0* + родамин 6G-[родамин 6G]*-»-hv

Схема 6.

Отметим, что нам также удалось зарегистрировать XJT при взаимодействии биологически активных триоксана артемизинина и триоксолана OZ03 с FeS04 или системой РеС1з/Ь-цистеин в присутствии родамина 6G в водном ацетонитриле. Сделанное наблюдение, с одной стороны, расширяет круг светящихся пероксидных объектов, а с другой - свидетельствует о том, что XJI это свойство,

характерное не только для артемизинина и триоксоланов, синтезированных на основе природных соединений, но также и для их чисто синтетических аналогов, таких как пероксиды класса ОХ.

Завершая раздел, посвященный ХЛ 1,2,4-триоксоланов, отметим, что из перекисей, представленных на схеме 5 (7Л,85)-эпокси-(13/?,17Л)-триоксоланабиетиновая кислота 15 синтезирована нами в результате окисления абиетиновой кислоты озоном в СН2С12 при -40 °С (схема 7).

Схема 7.

Данные рентгеноструктурного анализа соединения 15 в виде метилового эфира (соединение 16) подтвердили стереоспецифичность эпоксидирования связи С7(8) и образование вторичного озонида в положении С13(17) (рис. II).5 Оказалось, что помимо способности к генерации электронно-возбужденных состояний, пероксид 15 обладает рядом ценных фармакологических свойств,

среди которых противоопухолевая, противоязвенная и противовоспалительная

активность.

Рис. 11. Молекулярная структура соединения 16

5 Автор благодарит к.х.н. К.Ю. Супоницкого (ИНЭОС РАН) за проведение рентгеноструктурного исследования соединения 16.

6 Автор благодарит к.б.н. О.С. Жукову, к.б.н. И.В. Чудова, д.б.н. А.Ф. Исмагилову, Иг. X. До Тхи Тху, Пг. Тханх Тра Нгуен за проведение фармакологических испытаний соединения 15.

Основные результаты и выводы

1. Обнаружена и исследована ХЛ, возникающая в видимой области спектра в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов с ионами двухвалентного железа (источники ионов Ре2+ - сульфат, хлорид и глюконат железа) в водном ацетонитриле. Показано, что в случае дипероксида трифторацетона эмиттером ХЛ является синглетно-возбужденный трифторацетон (А, = 375-500 нм), в то время как в свечение, возникающее в реакциях мостиковых тетраоксанов, вносят вклад не только синглетно-, но и триплетно-возбужденные состояния.

2. Выявлено, что ХЛ в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов активируется добавками красителей различных классов. Наибольшая яркость свечения наблюдается в присутствии красителей ксантенового рада - производных родамина, а также метиленового голубого и метиленового зеленого. Установлен спектральный состав свечения и определены максимальная интенсивность и выход ХЛ, которые зависят от природы пероксида и активатора и лежат в диапазоне 2-107 - 4,5-Ю10 фотонс~1мл"1 и 1,6-10"9 - 6,5-10"7 эйнштейн'моль"1 соответственно.

3. Показана возможность использования обнаруженных ХЛ-реакций для аналитического определения мостиковых тетраоксанов. Выбрана наиболее удобная для анализа ХЛ-система, включающая в себя родамин ЗВ и глюконат двухвалентного железа, с помощью которой выявлен предел обнаружения тетраоксанов 10"9 М. Установлена селективность предложенной ХЛ-пробы по отношению к исследованным циклическим пероксидам: интенсивность ХЛ в реакциях тетраоксанов значительно выше, чем в системах с участием других активных форм кислорода (синглетный кислород, гидроксильный радикал, пероксид водорода и супероксид-ион).

4. Выявлена активированная родамином хемилюминесценция в реакциях биологически активных пероксидов - артемизинина, 0203 (1,2,4-триоксолан на основе адамантанона и циклогексанона), 1,2,4-триоксоланов аллобетулина и впервые синтезированной (7Л,85)-эпокси-(13Л,17Л)-триоксоланабиетиновой кислоты с РеЭОд или с БеСЬ в присутствии восстановителя Ь-цистеина. Установлено, что электронно-возбужденный краситель является эмиттером наблюдаемого свечения, которое генерируется по механизму рекомбинации перокси-радикалов.

5. Показано, что генерация электронно-возбужденных состояний в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов происходит не только при окислении двухвалентного железа, но и в ходе каталитического распада пероксидов, индуцированного иодид- и супероксид-ионом. Свечение активируется производными родамина.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Kazakov D.V., Timerbaev A.R., Safarov F.E., Nazirov T.I., Kazakova O.B., Ishmuratov G.Y., Terent'ev A.O., Borisov D.A., Tolstikov A.G., Tolstikov G.A., Adam W. Chemiluminescence from the biomimetic reaction of 1,2,4-trioxolanes and 1,2,4,5-tetroxanes with ferrous ions // RSC Advances. - 2012. - Vol. 2. - P. 107-110.

2. Казакова О.Б., Смирнова И.Е., До Тхи Тху X., Тханх Тра Нгуен, Апрышко Г.Н., Жукова О.С., Медведева Н.И., Назыров Т.И., Третьякова Е.В., Чудов И.В., Исмагилова А.Ф., Супоницкий К.Ю., Казаков Д.В., Сафаров Ф.Э., Толстиков Г.А. Синтез, структура и фармакологическая активность (7R,8S)-3noKCH-(13R,17R)-TpHOKcoflaHa6HeTHHOBoM кислоты // Биоорган, химия. - 2013. - Т. 39. - С. 230-239.

3. Назыров Т.Н., Сафаров Ф.Э., Казаков Д.В., Терентьев А.О. Новые хемилюминесцентные реакции 1,2,4,5-тетраоксанов // Сборник статей по материалам XI Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии». - 2013. - № 11. - С. 59-65.

4. Казакова О.Б., Смирнова И.Е., Третьякова Е.В., Чудов И.В., Исмагилова А.Ф., Назыров Т.Н., Куковинец О.С., Толстиков Г.А. Средство, представляющее собой 13-изопропил-4,10-диметилдодекагидро-13,16-эпоксиоксирено[2,3]нафто[2,1^][1,2]диоксицин-4-карбоновую кислоту, проявляющее противовоспалительную и противоязвенную активность // Патент РФ №2472787 от 20.01.2013 г.

5. Казаков Д.В., Назыров Т.Н., Сафаров Ф.Э. Хемилюминесценция биологически важных молекул: фармакологически перспективные пероксиды и синглетный кислород // XXIV Конференция «Современная физическая химия», г. Туапсе, 2012 г., С. 108.

6. Kazakov D.V., Safarov F.E., Nazirov Т.А., Kazakova O.B., Terent'ev A.O., Borisov D.A., Adam W. Chemiluminescence of 1,2,4-trioxolanes and 1,2,4,5-tetroxanes: fundamentals and possible biomedical applications // 17th International Symposium on Bioluminescence and Chemiluminescence. Luminescence. - 2012. - Vol. 27. - P. 95.

7. Назыров Т.И., Сафаров Ф.Э., Казаков Д.В. Хемилюминесценция при взаимодействии 1,2,4,5-тетраоксанов с иодид- и супероксид-ионом // XXXI Всероссийский симпозиум молодых ученых по химической кинетике, пансионат «Березки», 2013 г., С. 33.

Лицензия №0177 от 10.06.96 г. Подписано в печать 17.04.2014 г. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л.1,5. Тираж 120 экз. Заказ №104

Типография ГОУ ВПО «Башгосмедуниверситет РОСЗДРАВА» 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Назыров, Тимур Илдарович, Уфа

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтехимии и катализа Российской академии наук Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии Уфимского научного центра

Российской академии наук

04201 и

На правахлзукописи

НАЗЫРОВ ТИМУР ИЛДАРОВИЧ

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В РЕАКЦИЯХ 1,2,4,5-ТЕТРАОКСАНОВ И 1,2,4-ТРИОКСОЛАНОВ С ИОНАМИ ДВУХВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА

02.00.04 - Физическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель:

доктор химических наук Казаков Дмитрий Валерьевич

Уфа-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...............................................................10

1.1 Хемилюминесценция как явление............................................................10

1.2. Хемилюминесценция циклических органических пероксидов.............13

1.3. Активные формы кислорода и методы их хемилюминесцентного детектирования................................................................................................14

1.3.1. Супероксид радикал (0{)..................................................................16

1.3.2. Синглетный кислород ('02)................................................................18

1.3.3. Гидроксилъныйрадикал (ОН)...........................................................20

1.3.4. Пероксид водорода (Н202).................................................................21

1.3.5. Пероксинитрит (ONOO')..................................................................23

1.4. 1,2,4,5-Тетраоксаны..................................................................................26

1.4.1. 1,2,4,5-Тетраоксаны на основе циклоалканов..................................27

1.4.2. 1,2,4,5-Тетраоксаны на основе замещенных бензалъдегидов..........31

1.4.3. 1,2,4,5-Тетраоксаны на основе стероидов в качестве молекул-переносчиков.................................................................................................32

1.4.4. 1,2,4,5-Тетраоксаноаминовые и аминохинолиновые конъюгаты. ..35

1.4.5. 1,2,4,5-Тетраоксаны с липофилъными носителями.........................38

1.4.6.Другие примеры синтеза 1,2,4,5-тетраоксанов...............................39

1.4.7. Химические свойства 1,2,4,5-тетраоксанов....................................42

1.4.8. Хемилюминесцентныереакции 1,2,4,5-тетраоксанов....................43

1.5. 1,2,4-Триоксоланы....................................................................................44

1.5.1. Синтез 1,2,4-триоксоланов...............................................................45

1.5.2. Свойства 1,2,4-триоксоланов...........................................................46

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.................................................52

2.1. Экспериментальные установки...............................................................52

2.1.1. Установка для измерения интенсивности ХЛ в видимой области спектра.........................................................................................................52

2.1.2. Стандартные приборы......................................................................53

2.2. Растворители и реагенты.........................................................................53

2.3. Методики синтеза.....................................................................................54

2.3.1. 1,2,4,5-Тетраоксаны...........................................................................54

2.3.2. 1,2,4-Триоксоланы..............................................................................56

2.4. Методы анализа........................................................................................58

2.4.1. Йодометрическое титрование.........................................................58

2.4.2. Тонкослойная хроматография...........................................................58

2.4.3. ИК-спектроскопия.............................................................................59

2.5. Методика регистрации хемилюминесценции.........................................59

2.5.1. Реакция 1,2,4,5-тетраоксанов 1-7 и циклических монопероксидов 812 с солями Fe2+............................................................................................59

2.5.2. Реакция мостиковых 1,2,4,5-тетраоксанов с КО2..........................60

2.5.3. Реакция дипероксида трифторацетона с тетрабутиламмоний йодидом.........................................................................................................60

2.5.4. Реакция активных форм кислорода с FeSC>4....................................61

2.5.5. Реакция 1,2,4-триоксоланов с FeCl$ / L-цистеин в присутствии родамина 6G.................................................................................................62

2.6. Определение относительного квантового выхода флуоресценции красителей.......................................................................................................62

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ....................................................64

3.1. Хемилюминесценция в реакциях 1,2,4,5-тетраоксанов с соединениями железа...............................................................................................................64

3.1.1. Неактивированная хемилюминесценция...........................................64

3.1.2. Активированная хемилюминесценция...............................................77

3.1.3. Аналитическое определение тетраоксанов методом хемилюминесценции.....................................................................................86

3.2. Хемилюминесценция при взаимодействии тетраоксанов с супероксид-и иодид-ионом...............................................................................................109

3.3 Хемилюминесценция при взаимодействии 1,2,4-триоксоланов с соединениями железа....................................................................................118

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.....................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................127

Сокращения и условные обозначения

XJI - хемилюминесценция

ROS - reactive oxygen species (активные формы кислорода) Imax - максимум интенсивности хемилюминесценции S - светосумма хемилюминесценции фхл - выход хемилюминесценции Rd - родамин

«-BU4NI - тетрабутиламмоний иодид NBS - N-бромсукцинимид NCS - N-хлорсукцинимид ДМСО - диметилсульфоксид ДФА - 9,10-дифенилантрацен ДБА - 9,10-дибромантрацен

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Исследование перекисей всегда представляло собой актуальную задачу благодаря их важной роли в окислительных процессах и механизмах генерации света в химических и биохимических системах, а также широкому применению в органическом синтезе и медицине. Последние же десятилетия можно по праву назвать ренессансом химии органических пероксидов, что связано с созданием лекарственных препаратов на основе природного триоксана артемизинина, обладающего антималярийной активностью, а также с обнаружением важных фармакологических свойств у синтетических 1,2,4-триоксоланов и 1,2,4,5-тетраоксанов. В 2012 г. один из синтетических триоксоланов Артеролан (02277) вошел в состав лекарственного антималярийного препарата 8уппат (фирма ЯапЬаху), а тетраоксан ЮСА182 недавно отобран для клинических испытаний. Примечательно, что помимо противомалярийных свойств тетраоксаны, как оказалось, обладают противоопухолевой и антигельминтной активностью. Хотя вопрос о механизме антималярийной активности по-прежнему остается открытым, было установлено, что ключевую роль в этом процессе играет взаимодействие двухвалентного железа с пероксидной связью.

Данная работа посвящена хемилюминесценции 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов — новому направлению, перспективному в фундаментальном и прикладном отношении. До начала нашего исследования в литературе отсутствовали сведения о наблюдении хемилюминесценции в реакциях 1,2,4-триоксоланов и содержалось всего два примера трансформаций 1,2,4,5-тетраоксанов, сопровождающихся излучением света. Есть все основания полагать, что хемилюминесценция как тонкий, и подчас

незаменимый инструмент исследования природных явлений, станет новым подходом к анализу и изучению свойств фармакологически перспективных агентов перекисной природы. Более того, поскольку тетраоксаны и триоксоланы являются интермедиатами окислительных реакций, такое исследование поможет продвинуться в понимании механизмов генерации электронно-возбужденных состояний в окислительных процессах, в том числе протекающих в живых организмах. Наряду с этим по-прежнему актуальна задача синтеза новых пероксидов и изучения их свойств, которая также стала предметом настоящей работы.

Результаты, изложенные в диссертации, являются частью исследований, проводимых в ИОХ УНЦ РАН по теме: «Хемилюминесценция ионов и элементов в конденсированной фазе» (номер государственной регистрации 0120.0601534). Исследования по теме диссертации были поддержаны РФФИ (проект № 09-03-00831) и грантом Президента РФ на поддержку молодых ученых и ведущих научных школ - молодые доктора наук (МД-3852.2009.3).

Цель работы

Исследование различных аспектов генерации электронно-возбужденных состояний в ходе окислительных трансформаций 1,2,4,5-тетраоксанов и 1,2,4-триоксоланов, изучение механизмов хемилюминесценции этих реакций и возможностей аналитического определения тетраоксанов с помощью хемилюминесценции.

Научная новизна и практическая значимость > Впервые на примере взаимодействия биологически активных 1,2,4-триоксоланов (0203 - 1,2,4-триоксолана на основе адамантанона и циклогексанона, (7Я,85)-эпокси-(13Я,17Я)-триоксоланабиетиновой

кислоты, (ЗЯ, 5К)- и (35,55)-1,2,4-триоксоланов аллобетулина) с соединениями железа показано, что вторичные озониды способны к генерации электронно-возбужденных состояний в ходе окислительных трансформаций.

Положения, выносимые на защиту

• Особенности активированной родамином хемилюминесценции в реакциях природных и синтетических 1,2,4-триоксоланов с Бе804 или с системой РеС1з/Ь-цистеин.

Апробация работы

Публикации

Личное участие автора в получении научных результатов

Структура и объем диссертации

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за неоценимую помощь при проведении исследований и написании статей, за ценные советы и предложения, а также за всестороннюю поддержку своему научному руководителю доктору химических наук Казакову Дмитрию Валерьевичу.

Считаю приятным долгом выразить благодарность д.х.н. Казаковой Оксане Борисовне за внимание к работе и консультации по синтезу органических пероксидов.

Автор благодарит Тимербаева Азата Рамилевича, Сафарова Фарита Эриковича и Третьякову Елену Валерьевну за помощь при проведении экспериментов, советы и предложения.

Автор выражает признательность д.х.н. Терентьеву А.О. и к.х.н. Борисову Д.А. (ИОХ РАИТ) за предоставление образцов мостиковых тетраоксанов для исследований.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Хемилюминесценция как явление

Хемилюминесценция (ХЛ) - это процесс излучения квантов света, образующимися в ходе химической реакции электронно-возбужденными соединениями эмиттерами ХЛ. Существует несколько условий, при выполнении которых можно ожидать, что реакция будет сопровождаться излучением света. Во-первых, сумма энергии активации и теплоты реакции ключевой хемилюминесцентной стадии (то есть, элементарный акт реакции, где и происходит образование электронно-возбужденных продуктов) должны быть больше или равны энергии электронно-возбужденного состояния эмиттера ХЛ. В подавляющем большинстве случаев свечение наблюдается в экзотермических реакциях, обладающих достаточным запасом энергии. Отметим, однако, что свечение может генерироваться не только в экзотермической, но и в эндотермической реакции, при условии, что энергия активации такого процесса достаточна для заселения электронно-возбужденных уровней продукта реакции. Такая ситуация реализуется, например, в случае разложения некоторых эндопероксидов, сопровождающихся ХЛ, обусловленной излучательной дезактивацией синглетного кислорода. Другим критерием является требование пересечения поверхности потенциальной энергии реагентов реакции с поверхностью потенциальной энергии возбужденного состояния одного из продуктов при движении по координате реакции. Помимо этого, необходимо, чтобы соблюдалось условие структурного подобия, то есть, близости строения активированного комплекса и возбужденного состояния продукта реакции. Также важно, чтобы выделяющаяся в реакции энергия не рассеивалась между разными продуктами реакции, а сосредотачивалась на одном из фрагментов [1].

В общем случае интенсивность ХЛ определяется следующим уравнением:

1хл= ^У-фхл,

где \у-скорость реакции, а фхл - квантовый выход ХЛ, который определяется как отношение скорости испускания квантов света к скорости ключевой стадии реакции. Значение фхл также определяют как отношение испущенных квантов света к начальной концентрации реагента.

Выход ХЛ, в свою очередь, это произведение квантового выхода возбуждения (ф*) и люминесценции (фЛЮм ):

Фхл = ф* • флюм.

Интенсивность ХЛ может быть довольно слабой в случаях, если скорость реакции относительно мала, а квантовые выходы возбуждения или люминесценции невелики (распространенный случай для многих карбонильных соединений). Поэтому для усиления свечения часто используют метод активации ХЛ, суть которого заключается в том, что происходит передача энергии от донора Р (первичного эмиттера) к акцептору А (активатору), обладающему высокой эффективностью люминесценции, который и выступает в качестве эмиттера ХЛ:

Р*-► ЬУр ,

р*+А -*-Р + А*,

А* -► а + ^уа

В зависимости от того, добавлен ли в реакционную смесь активатор или нет, принято говорить о неактивированной ("прямой") и активированной ХЛ. Помимо высокого значения квантового выхода люминесценции, желательно, чтобы активатор ХЛ был инертен по отношению к участникам реакции, и кинетика была одинаковой в присутствии и отсутствии активатора.

В качестве активаторов ХЛ чаще всего используют производные антрацена, родамина и флуоресцеина, а также комплексы лантаноидов. На примере активации свечения, возникающего при инициированном окислении углеводородов и распаде 1,2-диоксетанов, замещенных антраценами были подробно исследованы различные типы переноса энергии от карбонильных продуктов на активатор: триплет-триплетный (ТТ), триплет-синглетный (ТБ)

и синглет-синглетный (ББ). Установлено, что процессы триплет-триплетного переноса энергии не приводят к активации ХЛ, потому что триплетные состояния активаторов дезактивируются бузызлучательно. Вклад же триплет-синглетного и синглет-синглетного переноса энергии в активацию ХЛ зависит от природы активатора. Так, например, триплет-синглетный перенос энергии не играет существенной роли при активации свечения 9,10-дифенилантраценом (ДФА). Поэтому, ДФА считается активатором синглетно-возбужденных состояний. Напротив, синглет-синглетный перенос энергии не вносит ощутимого вклада при усилении ХЛ с помощью 9,10-дибромантрацена (ДВА), так что последний является активатором в основном триплетных состояний. Известно [2], что перенос энергии является разрешенным процессом между состояниями одинаковой мультиплетности 88 или ТТ, а 8Т-перенос запрещен. Однако вероятность интеркомбинационных переходов сильно увеличивается в присутствии тяжелых атомов, поэтому запрет на Т8-перенос в случае ДБА снимается. Помимо ДБА, хорошими акцепторами триплетного возбужд