Кинетика фотопротолитических реакций ароматических соединений в липосомах, микроэмульсиях и мицеллах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО

КРАСНОГО ЗНАМЕНИ УНИВЕРСИТЕТ им. М В. ЛОМОНОСОВА ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи ИЛЬИЧЕВ Юрий Валерьевич

УДК: 541.141; 537.373

КИНЕТИКА ФОТОПРОТОЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ЛИПОСОМАХ, МИКРОЭМУЛЬСИЯХ И МИЦЕЛЛАХ

02.00.15 — химическая кинетика и катализ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА—1990 г.

Работа выполнена на кафедре химической кинетики химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор М. Г. КУЗЬМИН доктор химических наук, вед. н. сотр. А. Б. ДЕМЯШКЕВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор А. К. ЧИБИСОВ доктор химических наук, профессор А. К. ЯЦИМИРСКИЙ

Ведущая организация: Научно-исследовательский физико-лпмичеекнй институт им. Л. Я. КАРПОВА

в « » час. на заседании специализированного совета Д-053.05.44 по химическим паукам при Московском государственном университете по адресу: Москва, 119899 ГСП, Ленинские горы, МГУ, химический факультет;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета МГУ.

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат химических наук

и

Е. В. Калашникова .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Кислотно-основные реакции, в том числе с участием электронно-возбужденных молекул, принадлежат к одному из основных типов химических превращений и играют важную роль во многих биологических процессах. Митохондриальный синтез АТФ, фосфори-лирование в хлоропластах, анаэробный метаболизм галобактерий включают в качестве основного звена энергопреобразуюцей цепи процессы переноса протона через мембрану. Широкое исследование протолити-ческих реакций в гомогенных растворах позволило установить общие закономерности и понять механизм процесса. В то же время в микрогетерогенных системах, используемых в качестве моделей биомембран, реакции переноса протона в основном и возбужденном состояниях изучены очень мало. Установление общих с гомогенными растворами и выявление специфических закономерностей протекания фотопереноса протона в микрогетерогенных системах способствует более глубокому пониманию механизма этой важной химической реакции. Изучение кинетики таких процессов имеет большое значение для развития представлений о фундаментальных закономерностях переноса заряда в организованных системах, в том числе о закономерностях транспорта заряженных частиц через границу раздела фаз. Исследование фотопротоли-тических реакций в липидных бислойных мембранах и других ¡модельных системах (монослоях, мицеллах, микрозмульсиях и т.п.) может рассматриваться как путь к пониманию динамики и механизма транспорта протонов в биомембранах. Знание кинетических закономерностей фотопереноса протона в микрогетерогенных системах открывает возможности не только для моделирования природных систем транспорта протонов, но и для создания искусственных преобразователей солнечной энергии, систем записи информации и т.д.

Цель работы заключалась в установлении общих закономерностей и специфики протекания фотопереноса протона в минрогетерогенных системах различной природы (липосомах, мицеллах, микроэмульсиях), развитии представлений о механизме реакции в таких системах. Основные задачи работы:

-анализ кинетических моделей фотопротолитических реакций в минрогетерогенных системах и разработка методов определения кинетических параметров из данных стационарной и кинетической флуоресцентной спектроскопии;

-определение основных факторов, связанных со структурой и свойст-

вами микрогетерогенных систем (полярностью, микровязкостью, фазовым состоянием и др.) и оказывающих влияние на кинетику фотопрото-литических реакций в таких системах;

-установление зависимостей констант скорости фотопереноса протона в этих системах от температуры, электростатического потенциала микрофазы, свободной энергии реакции.

Научная новизна. В диссертации впервые с использованием численного анализа данных импульсной флуорометрии исследована кинетика фото-протолитической диссоциации ароматических гидроксисоединений в суспензиях липосом, микроэмульсиях масло/вода, мицеллярных растворах.

Обнаружено существование в бислойных липидных мембранах липосом различных областей локализации гидроксисоединений, сильно отличающихся по скорости фотопереноса протона (явление кинетической неэквивалентности в бислое).

Впервые исследовано влияние фазового состояния липидных бислойных мембран на кинетику фотопереноса протона и обнаружено скачкообразное уменьшение скорости фотопротолитической диссоциации при фазовом переходе гель - жидкий кристалл в бислое.

Впервые изучены бимолекулярные реакции фотопереноса протона в суспензиях липосом, а также реакции с участием возбужденных молекул ароматических аминов и азотистых гетероциклов в мицеллярных растворах.

Установлена единая корреляционная зависимость эффективных констант скорости от свободной энергии фотопереноса протона для широкого круга ароматических соединений и мицелл различного заряда.

Впервые количественно исследована взаимосвязь между разностью электрических потенциалов на микроскопической границе раздела фаз и константами скорости фотопереноса протона. Обнаружено уменьшение скорости фотопротолитической диссоциации ароматических гидроксисоединений при уменьшении электростатического потенциала микроэмульсии.

Практическая значимость работы. Установленные в работе закономерности протекания фотопротолитических реакций в микрогетерогенных системах различной природы позволили развить фундаментальные представления о процессах переноса протона в организованных системах, показав плодотворность энергетического подхода к анализу этих про-

цессов. Можно ре! довать использовать твкой подход при выяснении механизма тры .¡рта протонов в биологических мембранах и создании искусственных. систем активного транспорта протонов. На основе полученных данных предложено использовать соединения, вступающие в реакции фотопереноса протона, в качестве люминесцентных зондов для изучения состояния микроокружения молекул в организованных системах, в частности, фазовых превращений лишдных бислоев. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка цитируемой: литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста (без оглавления, рисунков, таблиц и списка цитируемой литературы), содержит ¿/¿"рисунков,/? таблиц и список цитируемой литературы из i Ô"? наименований. На защиту выносятся:

-кинетические параметры псевдомономолекулярных и бимолекулярных реакций фотопереноса протона в суспензиях липосом, мицеллярных растворах и микроэмульсиях масло/вода;

-обнаруженное явление кинетической неэквивалентности при фото-протолитической диссоциации ароматических гидроксисоединвний в суспензиях липосом;

-результаты исследования влияния температуры на скорость фотопереноса протона в микрогетерогенных системах, обнаруженное резкое уменьшение скорости фотопротолитической диссоциации при фазовом переходе гель-жидкий кристалл в липидных бислоях. -результаты изучения влияния электростатического потенциала мицелл и микроэмульсий на скорость фотопротолитической диссоциации, -обнаруженная единая зависимость эффективных констант скорости от свободных энергий фотопереноса протона для различных классов ароматических соединений и мицелл различного типа. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы обсувда-лись и докладывались на Всесоюзном совещании "Процессы фотопереноса электрона и протона" (Москва, 1988 г.), на 6-ом Всесоюзном совещании по фотохимии (Новосибирск, 1989 г.), на Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции (Караганда, 1989 г.), на 7-ой конференции молодых ученых-химиков Сибири и Урала (Иркутск, 1989 г.), на конференциях молодых ученых Химического факультета ИГУ (Иркутск, 1987г.) и Химического факультета МГУ (Москва, 1987 г.). По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение к диссертации посвящено рассмотрению общих проблем кинетики и механизма процессов переноса протона в биологических мембранах и различных модельных мембранных системах. Показана актуальность исследования реакций фотопереноса протона в лшшдных бислойных мембранах и других микрогетврогенных системах и сформулированы основные цели работы, ее научная новизна и практическая значимость.

Глава 1.Обзор литературы. В обзоре с единых позиций проанализированы экспериментальные данные и теоретические представления о протонном транспорте через бислойные липидные мембраны, переносе протона на границе раздела фаз липид-вода и фотоиндуцированных протолитических реакциях в липосомах и других модельных системах (черных липидных мембранах, монослоях, мицеллах и др.). В заключении к обзору на основе проведенного анализа состояния исследований в данной области сформулированы задачи настоящей работы.

Глава 2.Экспериментальная часть. Описаны экспериментальные методы, используемые в работе для изучения реакций возбужденных молекул: люминесцентная и абсорбционная спектроскопия, импульсная флуорометрия и др. Приведены методики приготовления лшхосом и других микрогетерогенных систем, методики очистки реагентов. Кратко описаны использованные в работе для характеристики образцов методы гель-хроматографии и динамического светорассеяния. Подробно описана численная обработка кинетических кривых флуоресценции с учетом аппаратной функции.

В третьей главе с позиций формальной кинетики рассмотрено описание фотопротолитических реакций в микрогетврогенных системах. Детально проанализирован случай, когда реагенты в возбужденном состоянии полностью локализованы в органической микрофазе, а взаимодействующие с ними вещества распределены между фазами. На основе современных представлений о механизме фотопереноса протона в гомогенных растворах предложен ряд кинетических моделей реакции в организованных системах. Для случвя фотопротолитической диссоциации возбужденной кислоты АН подробно рассмотрены два вида кинетических моделей. Модели первого типа учитывают многостадийный характер суммарного процесса, включающего диффузионные стадии образования комплексов с водородной связью и элементарную стадию переноса Н4":

ка , ^ к1<1.

*АН + Н20 *АН- • -Н20 *А"~- • -Н30+ *А~ + Н30+ (1)

где кр и к_г - константы скорости переноса протона в комплексе и ионной паре, к^.к^ и к^,к!^ - константы скорости диффузионного образования и распада комплекса с водородной связью и ионной пары, соответственно. Для простоты в схеме опущены реагенты в основном состоянии. Рассмотрены условия, при которых можно не учитывать многостадийность процесса диссоциации АН и характеризовать скорость прямой и обратной реакций эффективными константами скорости к1 и .

Модели другого вида базируются на предположении о кинетической неэквивалентности молекул донора протона в микрогетерогенной системе. Причиной этого может служить наличие в растворе ассоцпотои молекул вода различного состава, обладающих различной способностью акцептировать протон, или же, в более общем случае, неоднородность локального окружения молекул АН в микрогетерогенной системе. В простейшем случае существования двух типов молекул возбужденной кислоты, сильно отличающихся по скорости фотопереноса протона, процесс описывается схемой:

*АНП *АНГ + Н20 + Н30+

к1

-1

ЧИ17^ (2)

АНц , > АН л + Н20 -- А^ + Н30+

где индексы "I" и "IIя соответствуют двум областям локализации г.:,/ лекул АН в мембране //К= (1 -а)/а - константа распределения АН между областями, а - доля молекул АБр к1 и константы скорости диссоциации *АН и рекомбинации *А~ с Н30+, т*1 г* и т^1 - времена затухания флуоресценции АН^, АН^- и А^ в отсутствие реакции. Для моделей обоих видов получены выражения, описывающие кинетические кривые флуоресценции реагентов, и соотношения, связывающие квантовые выхода флуоресценции с кинетическими параметрами системы.

Проведен численный анализ кинетической модели, учитывающей ассоциацию молекул воды в растворе и возможность переноса протона на агрегаты только определенного состава. Проанализирована применимость данной модели для описания зависимости константы скорости фотопротолитической диссоциации от температуры.

Четвертая глава посвящена изучению фотопротолитической диссо-

циации ряда ароматических гвдроксисоединений в суспензиях липосом и сравнительному анализу кинетики реакции в различных микрогетерогенных системах. Исследование кинетики реакции выполнено в условиях практически полной солюбилизации нафтолов в мицеллах и других системах. Для доказательства локализации гидроксисоединений в мембранах липосом была изучена зависимость спектров флуоресценции от концентрации липида и исследовано тушение флуоресценции гидрофильными ионами.

Липосомы получали впрыскиванием в водный раствор нафтола спиртового раствора яичного лецитина (ЯЛ) или дипальмитоилфосфа- . тидилхолина (ДПФХ), при атом концентрация спирта в конечном растворе не превышала 5%. При концентрации липида в растворе больше 2 г/л и концентрации нафтола около 10-4моль/л исследованные гидроксисоединения практически полностью находятся в мембране.

В суспензиях липосом при рН«6 кинетические кривые флуоресценции, измеренные в полосе испускания АН, хорошо описываются суммой двух экспонент. Кривые флуоресценции нафтолят-аниона удовлетворительно описываются разностью двух экспонент. Параметры кинетических кривых для ряда соединений приведены в табл.1. Значения т1, определенные из кривых флуоресценции АН и А" совпадают в пределах точности эксперимента. Параметры т^, найденные из кривых флуоресценции нафтола и его аниона, различаются в несколько раз и близки по величине к т0 в случае АН и к ^ в случае А- (табл.1). Соотношение предэкспоненциальных множителей, найденных из кривых затухания флуоресценции АН, оказалось примерно постоянным для всех изученных соединений.

Кинетика фотопротолитической диссоциации большинства ароматических гидроксисоединений в воде определяется быстро устанавливающимся равновесием в клетке растворителя с последующим диффузионным разделением продуктов реакции и при рН раствора близких к нейтральному описывается схемой:

*АН- • -Н20 * *А~ + Н30+

№ <3)

АН - • -Н20 <- А- + Н30+

Отклонение кинетических кривых затухания флуоресценции АН от моноэкспоненциальной зависимости, обычно наблюдаемой в водном растворе, мокно было бы интерпретировать на основе рассмотренной выше

Таблица 1. Параметры кинетических кривых флуоресценции ароматических гидроксисоединений в различных микрогетерогенных системах при рН<»6.

Соединение Система Недиссоциированная форма,АН Диссоциированная форма,А"

т1 ,нс * не А2/А1 х2 ,нс Т«^ 9 НС А2/А1 х2

Липосомы

1-нафтол ял,н2о 1,34 4,31 0,70 1,11 1,15 12,3 -1,78 1 ,44

1-нафтол ял,ю2о 2,62 5,56 0,74 1,12 2,42 16,1 -0,5 1 ,45

1-нафтол ДПФХ,Н20(40°С) 1,56 4,22 0,65 1,18 0,56 13,1 -0,81 1,63

4-хлор-1-нафтол ял,н2о 0,85 3,29 0,75 1 ,07 0,7 11,8 -0,88 1,17

4-хлор-1-нафтол ЯЛ,В20 1,31 3,79 0,61 1 ,44 1,11 13,2 -1,98 1 ,44

4-хлор-1-нафтол ДПФХ,1^0(40оС) 1,13 3,58 0,66 1,15 0,86 12,5 -1,14 1,63

1,4-дихлор-2-нафтол ЯЛ,Н20 1,45 4,12 0,54 1,12 1,21 9,15 -0,87 1 ,75

Мицеллы

2-нафтол ДТАБ, 11,0 3,75 - - 1 ,47 3,52 9,43 -1,03 1,08

2-нафтол дтаб,б2о 4,24 15,1 0,007 1,32 4,08 10,6 -1,09 1,36

1-нафтол дцсн,н2о 1,57 5,99 0,01 1,20 1,30 7,69 -1,0 1,61

1-нафтол ДДСН,Б20 3,97 17,3 0,007 1,02 2,0 23,3 -1,17 1,20

1-нафтол Бриж 35,1^0 2,16 12,8 0,01 1,23 2,31 16,1 -0,92 1,25

4-хлор-1-нафтол ДЦСН,Н20 1,24 7,19 0,02 1 ,32 0,65 9,71 -0,94 1,39

4-хлор-1-нафтол ДЦСН,В20 2,24 9,9 0,02 1,30 0,60 17,2 -0,65 1,60

1-нафтол МЭ м/в,н20 2,62 6,6 0,02 1,15 2,56 14,4 -1,42 1,23

Примечание: Кинетические кривые флуоресценции АН и А~ обрабатывались с учетом аппаратной функции как зависимости общего вида: 1(г)=А1ехр(-1/т1 )+А2ехр(-1;/т:2). Обозначения: Х2=2№1(1р°сч-1®ксп)2/(п-р), п - число точек, р -число параметров, ДТАБ - бромид

додецилтриметиламмония, ДЦСН - додецилсульфат натрия, МЭ м/в - микроэмульсия масло/вода состава Твин 60 (48,2%вес), н-пентанол (25,2%), гекеадекан (26,6%)

схемы (1), как проявление многостадийного характера фотопротолити ческой диссоциации в мембране. Однако, в соответствии с кинетическим анализом полученных данных это означало бы уменьшение к!^ в мембране примерно на два порядка величины по сравнению с водой и смещение равновесия в клетке в сторону продуктов для всех исследованиих соединений с существенно различающимися кислотно-основными свойствами, что представляется маловероятным. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о существовании по крайней мере двух областей локализации нафтола в мембране, причем скорость фотопереноса протона в одной из областей очень мала (схема 2). Кинетические кривые флуоресценции АН (Р) и А- (Г' ) удовлетворительно описывается выражениями, полученными на основе схемы (2):

Р(1)=Р0[ а ехр^/т) + (1-а)ехр(-г/т^1)] (4)

Р' (^¿[ехр^/т^1) - ехр(-ит)] (5)

где 1/т=1/Тд + к, (6)

Таблица 2. Константы скорости фотопротолитических реакций

ароматических гидроксисоединений в микрогетерогенных системах в Н20 и к_1) и Вг0 (к^).

Соединение Система ^ -10" "8, к_1 • 10-8, к?-10"? к^/к

с"1 дм3моль-1 с" с"1

Липосомы

1-нафтол ЯЛ 5,5 - 1,8 3,1

1-нафтол ДПФХ(40'С) 4,0 - - -

4-хлор-1-нафтол ЯЛ 8,1 - 3,9 2,1

4-хлор-1-нафтол ДПФХ(40аС) 6,1 - - -

1-хлор-2-нафтол ЯЛ 2,1 16,7 - -

1,4-дихлор-2-нафтол ЯЛ 3,5 4,4 - -

Мицеллы

2-нафтол ДТАБ 0,91 - 0,41 2,3

2-нафтол Бриж 35 0,11 - - -

1-нафтол Бриж 35 3,6 - - -

1-нафтол ДЦСН 3,5 - 0,57 6,1

1-нафтол Тритон Х-305 4,0 - 0,46 8,8

4-хлор-1-нафтол ДЦСН 4,4 - 0,76 5,8

1-нафтол МЭ М/В 2,0 - 0,37 5,4

Рис.1 Зависимости отношения квантовых выходов флуоресценции АН и А- от концентрации ионов водорода в суспензии липосом ШГ для 1 -хлор-2-нафтола (1) и 1,4-дихлор-2-нафто-ла (2).

Константы скорости фотопротолитической диссоциации в бислое, определенные по ур. (6) приведены в табл.2. Из соотношения пред-экспоненциальных множителей в кинетике флуоресценции АН (А2/А1=(1-а)/а) была определена доля молекул, участвующих в фотопереносе протона: а = 0,57-0,65.

Для изучения кинетики реакции фотопереноса протона в липидной мембране в широком диапазоне рН нами были выбраны хлорзамещенные производные 2-нафтола. Согласно схеме (2) отношение квантовых выходов флуоресценции АН (<р) и А~(ср' ) имеет вид: Ф Ф; 1-а 1 к_1г;ш30+1

---= -+ - + -2--^--(7)

ФСФ' а а^т, а^т, где Фо и фс - квантовые выходы флуоресценции А- и АН в отсутствие реакции. На рис.1 приведены зависимости фф^/ф0ф' от концентрации ионов водорода в суспензии липосом. Для определения к1 и (табл.2) была использована величина а=0,6. Фотопротолитическая диссоциация ароматических гидроксисоединений протекает в бислойных липидных мембранах с существенно меньшей скоростью чем в воде. В реакцию вступает только часть молекул нафтола в мембране, тогда как другая часть при температуре около 20°С практически не диссоциирует.

Параметры кинетических кривых флуоресценции ряда нафтолов в мицеллярных растворах ПАВ различной природы, а также в микроэмульсии масло/вода указывают на применимость в данных системах трэда-

ционной схемы (3) для описания кинетики процесса. Некоторое отклонение от моноэкспоненциальности (вклад долгоживущей компоненты не превышает нескольких процентов, табл.1) можно объяснить наличием небольшого количества недиссоциированного нафтола в гидрофобном ядре мицеллы или же незначительного количества флуоресцирующих примесей. Однако следует отметить, что в данном случае выделение из кинетики компоненты со столь малым вкладом находится на грани точности используемого метода обработки кинетических кривых.

Существенное различие времен затухания флуоресценции А" (т2) для 1-нафтола и его хлорзамещенного в липосомах, неионных мицеллах, микроэмульсии (табл.1) и воде (7,5 не) указывает на протекание фотопротолитической диссоциации и образование продукта реакции внутри мембраны, мицеллы или МЭ. Следует отметить, что время затухания флуоресценции нафтолят-аниона, измеренное в суспензии шло-сом при рН«12, когда А~ существует уже в основном состоянии, совпадает с соответствующим временем в водном растворе. По-видимому, в основном состоянии А~ находится в водной фазе, но продукт фотопереноса протона не успевает за время жизни покинуть мембрану.

Для рёакций фотопротолитической диссоциации в различных микро-гетерорфпшх системах обнаружен кинетический изотопный эффект, наблюдающийся при замене Ь^О на Б20 (табл.2). Наличие кинетического изотопного эффекта близкого по величине к типичным для гомогенного раствора значениям доказывает, что скорость реакции лимитируется процессом переноса протона в мембране, а не выходом возбужденной молекулы в воду с последувдей быстрой диссоциацией.

В пятой главе представлены данные по исследованию влияния температуры на скорость фотопротолитической диссоциации нафтолов в мицеллярных растворах и суспензиях липосом. Для реакций в гомогенном водном и мицеллярных растворах константы скорости диссоциации, определенные по отношению квантовых выходов флуоресценции А~ (ф') и АН (ф) и по временам затухания флуоресценции АН, совпадали в пределах точности эксперимента. Из приведенных на рис.2 данных видно, что в гомогенном водном растворе и мицеллах зависимости констант скорости от температуры хорошо описываются уравнением Аррениуса к,= Аехр(-Е^/йТ). Найденные величины энергий активации и предэкспоненциальных множителей приведены в табл.3.

В соответствии со схемами (1) и (3) для большинства гидрокси-соединений справедливо соотношение и константа скорости

фототореноса протона имеет вид:

к,«. к^к^-г (8)

Наблюдаемая энергия активации определяется суммой энтальпии реакции и эффективной энергии активации диффузии, а предэкспонент содержит в качестве сомножителя ехрСЛБ/Я), где ДБ - энтропия реакции. Поэтому увеличение Е& и (табл.3) при переходе от водного раствора к катионным мицеллам ДТАБ и незаряженным мицеллам Бриж 35 может быть обусловлено в первую очередь характерным для переноса протона увеличением энтальпии и энтропии реакции при переходе к менее полярной среде. В целом наблюдается корреляция между пред-экспоненциальным множителем и энергией активации реакции, что свидетельствует о доминирующей роли среда в кинетике реакции как в воде, так и в микрогетерогенных системах.

В суспензиях липосом из ДПФХ зависимость от температуры отношения квантовых выходов флуоресценции А" и АН' для всех изученных гидроксисоединений (1- и 2-нафтолов, 1,7-диоксинафталина и хлор-замещенных нафтолов) имеет минимум вблизи температуры фазового перехода в бислое гель - жидкий кристалл (Гт=41°С). В случае липосом из ЯЛ, находящегося в жидкокристаллическом состоянии при всех доступных температурах, зависимость ф' /<р от температуры имеет монотонный характер и незначительно отклоняется от аррениусовской.

Таблица 3. Предэкспоненциальные множители и энергии активации фотопротолитической диссоциации 1- и 2-нафтола в микрогетерогенных системах

Соединение Система 18 А ЕА,кДж/моль

2-нафтол н2о . мицеллы 9.93 11.3

ДТАБ 10.6 14.9

Бриж 35 11.3 24.3

1-нафтол н2о 10.4* 0*

мицеллы Бриж 35 11.0 14.8

липосомы

ЯЛ 11.0 12.8

ДПФХ,гель 10.4 9.2

ДПФХ.жидк.кр. 12.1 20.7

Примечание. Звездочкой отмечены литературные данные, приведенные для сравнения.

о ^

с

17

Рис.2 Зависимости от температуры констант скорости фотопротолитической диссоциации 1-нафтола в липосомах ДОХ (*), Я1 (А) и 2-нафтола в воде (□ ), мицеллах ДТАБ (•), Брик 35 (ф ).

151_I_I_I .. I.... I_I_I_I..

2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 1/Т.10 К

Зависимость от температуры константы скорости фотопротолитической диссоциации АН^ для 1-нафтола в липосомах ЯЛ линейна в аррениусов-ских координатах (рис.2). Изучение кинетики флуоресценции 1-нафтола в липосомах ДПФХ позволило установить, что при "плавлении" Сислоя происходит скачкообразное уменьшение константы скорости фотопротолитической диссоциации АН1, при этом энергия активации увеличивается, а предэкспоненциальный множитель возрастает почти на два порядка. В качестве возможных причин этого явления обсуждается резкое изменение полярности микроокружения нафтола в бислое при фазовом переходе, падение скорости диффузии протона вследствие изменения структуры воды и др.

В шестой главе изложены результаты исследования влияния разности электрических потенциалов на микроскопической границе раздела фаз на кинетику фотопротолитических реакций в мицеллах и микроэмульсиях. В настоящей работе изучена фотопротолитическая диссоциация 1-нафтола в микроэмульсиях (МЭ) масло/вода, состоящих из неионогенного ПАВ - Твин 60 (48,2%вес.), коПАВ - н-пентанола (25,2%) и гексадекана (26,6%). Объемная доля органической фазы составляла ?»о=0,005-0,1. Для изменения потенциала МЭ в раствор вводились сорбирующиеся каплями эмульсии гидрофобные ионы, не обладающие поверхностно-активными свойствами (тетрафенилборат

а

а

D Д

а

ч

«о

Рис.3 Зависимости констант скорости фотопрото-литической диссоциации 1-нафтола в микроэмульсии от концентрации гидрофобных ионов: ДТАБ (Д); ТФБ (•); ТФБ, 0.1 моль/л NaCl (0 ) при wo=0.01 и ДТАБ (□ ) при w0 =0.067.

_1_

о 1 2 _з

[I] .10 иота/п

(ТФБ) и тетрафенилфосфоний (ТФФ)), что позволяет исключить возможность образования смеси эмульсии и заряженных мицелл (метод разработан В.Л.Шаповаловым), а также ионные ПАВ (ДТАБ и ДДСН). Методом динамического светорассеяния показано, что в присутствии ТФФ (2*10-3моль/л) диаметр капель МЭ практически не изменяется, а при добавлении ДТАБ (5-10~3моль/л) уменьшается примерно на 15%. Константы скорости фотопереноса протона, определенные по ур. k1 =ф'к^/ф k^ т^ и по временам затухания флуоресценции АН, оказались близки между собой. Зависимости k1 от концентрации гидрофобного иона в растворе приведены на рис.3.

Изменение электрического потенциала МЭ при увеличении концентрации ТФБ было определено по изменению эффективной величины рКа Ы-додецил-4-(4'-метоксифенилазо)анилина. Для соединения, протони-рованная и непротонированная формы которого находятся полностью в органической фазе МЭ, наблюдаемая величина рК°Ьз зависит от потенциала следующим образом:

PC - *

= Рк! -

2.3RT

О)

где рКа - значения рКа для незаряженной микроэмульсии, ф - потенциал МЭ. Отношение концентраций ТФБ и индикатора составляло примерно 10-100 и влияние индикатора на заряд эмульсии было пренебрежимо мало. Для незаряженной МЭ нам не удалось определить величину рК°, так как кислотно-основной переход наблюдался при очень высоких концентрациях ионов водорода (рН<0). Поэтому были определены

изменения ф при нескольких концентрациях ТФБ (табл.4).

Таблица 4. Влияние электростатического потенциала микроэмульсии на фотопротолитическую диссоциации 1-нафтола

[ТФБ]•104,моль/л РК?3 Дф,мВ к, -10 8,с~1

5,1 0,7 0 1 ,33

8,5 1.7 -58 1,01

16,7 3,2 -145 0,76

Диапазон изменения электрического потенциала одного знака при используемых концентрациях гидрофобных ионов составлял более 150 мВ, при этом константа скорости изменялась в ту или иную сторону примерно в 3 раза. В соответствии с ур. (8) зависимость скорости фотопереноса протона от потенциала определяется влиянием его на равновесие в клетке и диффузионное разделение продуктов реакции, которое в случае МЭ может включать межфазный переход одного или обоих заряженных продуктов реакции. На основе представлений о диффузионной кинетике в гомогенном растворе можно ожидать особенно сильного влияния на эту стадию, при этом изменению потенциала от О до -150 мВ должно соответствовать уменьшение kld более чем в 100 раз. Слабая зависимость величины k1 от потенциала свидетельствует о существенной роли в кинетике реакции диффузии внутри капли МЭ, скорость которой не зависит от разности потенциалов на границе раздела фаз.

Для выяснения влияния потенциала на скорость протонирования *А~ изучены фотопротолитические реакции 2-нафтол-3,5-дисульфоната и 2-антрола в катионных мицеллах бромида цетилтриметиламмония (ЦТАБ) в присутствии добавок гексанола. Алифатические спирты значительно увеличивают степень диссоциации катионных ПАВ, что приводит к увеличению потенциала мицелл. В присутствии гексанола (мольное соотношение ПАВ/гексанол=1:1) величины k1 изменяются слабо, а константы скорости обратной реакции , измеренные при фиксированной ионной силе раствора, увеличиваются в 1,5-2 раза. Это указывает на то, что скорость протонирования *А~ определяется диффузией протонов в мицеллярную фазу, замедляющейся при увеличении положительного заряда мицелл ЦТАБ.

Седьмая глава посвящена изучению кинетики бимолекулярных реакций фотопереноса протона в мицеллярных растворах и суспензиях

липосом. Исследован широкий круг реакций с участием возбужденных молекул ароматических амино- и гидроксисоединений, а также азотистых гетероциклов в мицеллярных растворах ПАВ различного типа и суспензиях липосом. Исследуемые системы подбирались таким образом, чтобы обеспечить полную солюбилизацию кислой и основной форм реагентов в возбужденном состоянии. В условиях, когда реакция протекает в мицеллярной фазе, кинетика описывается схемой:

к1

*АН 4 В" ^р^ *А~ +- ВН

^ Ш1/То (10)

АН + В- <- А- + ВН

В рамках псевдофазной модели распределения В- и ВН между мицеллярной и водной фазами зависимость квантовых выходов флуоресценции АН (<р) и А- (ф') от суммарной концентрации акцептора протона [В~] имеет вид:

ф Ф: _ и[4]/кГг + 1<] (11)

где индексы "ш" и "я" обозначают концентрации веществ в мицеллярной и водной фазах. Эффективные параметры в ур. (11) связаны с

истинными параметрами соотношениями:

41Г=к1Кв/(1 + (Кв-1 )!„,) (12)

к!?г=к_1Кви/(1 + (КшГ1)хш) (13)

к|ГГ=К^(1 + (Кв-1)хт)/(1 + (Кш-1)хт) (14)

где хт - объемная доля мицеллярной фазы, Кв и Квн - константы распределения В" и ВН между фазами, К™ - константа диссоциации АН в воде. Зависимости интенсивностей флуоресценции АН №) и А~" (Р') от

времени имеют вид:

Р(г)=Р0С 0 ехр^Ю + ехр(--е2г)) (15)

Р' (Ъ)=Р^£ехр(--в2г) - ехр(-'б1г)3 (16) Для определения констант скорости использовались соотношения:

3 к®ГГ(10-г;)[В:] (17)

т„ («1 +-в2 )_т<>*®1 Vе»= (1 -б (г, -1; ) [В; ] (18)

где 6=К|ГГ/(К|ГГ+[Н^1). По зависимостям квантовых выходов флуорес-

Таблица 5. Эффективные кинетические и термодинамические параметры реакций фотопереноса протона в мицеллярных растворах и суспензии липосом.

* Донор протона Акцептор протона ПАВ к®».ю-9 к!Р-10~8 К|ГГ-10б К*-10б

-1 -1 дм моль 'с Ч -1 -1 дм моль с о моль/дм моль/дмс

1. 1 -гидроксишрен нсосг ЦТАБ 1.8 4,8 213 790

2. — « — сн3соо~ 6,6 2,5 30 790

3. — » — с2н5соо~ 3,1 0,43 11 790

4. - 11 - с4н9соо" 15,7 1,2 5,9 790

5. - « - (СН3)СС00~ 7,0 0,87 9,8 790

6. - 11 - Н2Ж® 0,07 0,08 3,5 790

7. - « - с1 ^дСОО- ДТАБ 33 30 21 200

8. - « - — II — Тритон Х-305 25 140 0,05 0,086

9. - и - - Я - дцсн 2,1 96 0,012 0,003

10.2-нафтол - « - 9,2 21 0,021 0,2

11. - » — с1КнЯ1соо- 11 8,6 0,018 0,16

12.валин 1-азафенантрен 0,18 0,12 0,0002 0,0006

13.метилянтарная к-та — и — ЦТАБ 0,15 <0,1 - -

14.2-нафтиламин ОН" 24 <0,02 - -

15.1-аминопирен ОН" 15 <0,02 - С

16.4-хлор-1-нафтиламин ОН" 11 - <0,007 - 10~б

17.2-нафтол СН3СОО~ липосомы ЯЛ >0,36 >0,26 - -

ценции и параметров кинетических кривых (см. ур. (11), (17), (18)) от суммарной концентрации акцептора при различных рН раствора были определены эффективные кинетические параметры реакции, константы диссоциации ВН (К®гг) и *АН (К*) в мицеллярном растворе. Полученные данные представлены в таблице 5.

В схеме (10) не рассматриваются процессы индуцированной безыз-лучательной дезактивации в реакциях переноса протона, что справедливо для всех изученных гидроксисоединений. Для реакций азотистых гетероциклов и ароматических аминов при расчете констант скорости учитывался вклад безызлучательной дезактивации. В случае реакции 4-хлор-1~нафтиламина с гидроксил-ионом было обнаружено значительное понижение скорости индуцированной дезактивации аниона амина водой при переходе от гомогенного раствора к мицеллам ЦГАБ. Это объясняется существенным снижением активности воды в мицеллярной фазе.

Изложенный выше подход был применен также для описания кинетики бимолекулярных реакций фотопереноса протона в суспензиях липосом. При этом учитывалась возможность кинетической неэквивалентности молекул АН при протолитических реакциях в липидных б^рлоях. Зависимость квантовых выходов флуоресценции от концентрации акцептора имеет вид:

т = ^ + + :^ (19)

ф0ф' а ацегг^в-з ^е«,,.^«

где а - доля молекул *АН, участвующих в фотопереносе протона. Были изучены реакции 1- и 2-нафтолов с ацетат-ионом в суспензиях липосом из ЯЛ. При оценке эффективных констант скорости предполагалось, что доля участвующих в реакции молекул АН примерно равна доле диссоциирующих в возбужденном состоянии молекул гидроксисоединений (а=0.6).

Установлено, что введение в микрогетерогенную систему более сильного чем вода акцептора (донора) протона позволяет существенно повысить эффективность фотопереноса протона и в ряде случаев (1-гидроксипирен-гидроксиламин, 1-азафенантрен-валин) замедлить рекомбинацию продуктов реакции более чем на два порядка по сравнению с водным раствором.

Полученные данные по кинетике фотопротолитических реакций в микрогетерогенных системах проанализированы с точки зрения разви-

10

01

СП

о о

>

ож

о4

о7

О8,

оо°**

**1

о

1о/о И'

г о

* *

л12

о6

ей-

о

*5'

,о

с*>

15 1ЙЧ

о

ООО **>

-30

-20

-10

10

20

30

.кДж/мОЛЬ

Рис.4 Зависимость эффективных констант скорости фотопереноса протона в мицеллярных (о ) и водных растворах (*) от эффективной свободной энергии реакции. Номера точек соответствуют нумерации систем в табл.4 (штрих обозначает соответствующую обратную реакцию)

тия представлений о закономерностях и механизме реакции. Обсуждены проблемы установления взаимосвязи кинетических и термодинамических параметров фотопереноса протона в организованных системах. Значительные трудности построения такого рода зависимостей обусловлены сложностями корректного определения истинных констант скорости реакции и тем более кинетических параметров элементарного акта фотопереноса протона в микрофазе организованной системы. В настоящей работе на основе эффективных характеристик фотопереноса протона, включающих константы межфазного рапределения реагентов в мицеллярных растворах, получена зависимость констант скорости реакции от эффективной величины свободной энергии реакции дсеГ* (рис.4). При построении зависимости на рис.4 были использованы собственные экспериментальные данные, а также некоторые обработанные литературные данные. Несмотря на значительный разброс точек

2'

8

существует единая зависимость для широкого круга систем и мицеллярных растворов различных ПАВ близкая к аналогичной зависимости для гомогенного водного раствора. Это указывает на общность закономерностей и механизма фотопереноса протона в водных растворах и мицеллах. Наблюдаемые различия эффективных констант скорости в диффузионной области (ДСе <-10 кДж/моль) для мицеллярных растворов указывают на то, что неопределенность, вносимая в полученную зависимость константами распределения реагентов, не более 1.5 порядков величины, в то время как общий диапазон изменения констант скорости превышает пять порядков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ кинетических моделей фотопротолитических реакций, учитывающих многостадийный характер процессов переноса протона и кинетическую неэквивалентность молекул в микрогетерогенных системах. Получены соотношения, позволяющие вычислять константы скорости реакций из данных стационарной флуоресцентной спектроскопии и импульсной флуорометрии.

2. Экспериментально определены константы скорости и равновесия реакций фотопереноса протона с участием ароматических амино- и гидроксисоединений, а также азотистых гетероциклов в липосомах, микроэмульсиях и мицеллах. Установлен характер распределения гидроксисоединений в микрогетерогенных системах, получены доказательства протекания фотопереноса протона в микрофазе.

3. Обнаружен кинетический изотопный эффект для фотопротолитической диссоциации в липосомах и микроэмульсиях, имеющий значения типичные для гомогенного водного раствора. Сделан вывод о том, что лимитирующей стадией реакции в этих микрогетерогенных системах является элементарная стадия переноса протона.

4. Обнаружена кинетическая неэквивалентность молекул гидроксисоединений при фотопротолитических реакциях в бислойных липидных мембранах липосом и обоснована модель, учитывающая наличие в бислое двух областей локализации нафтолов , сильно различающихся по скорости фотопереноса протона. Определены величины констант распределения нафтолов между двумя областями.

5. Установлено, что в мицеллярных растворах изменение констант скорости фотопротолитической диссоциации при изменении температуры описывается типичными аррениусовскими зависимостями. Наблюдаемые отклонения от такого рода зависимостей в липосомах объяснены нали-

чием фазового перехода гель - жидкий кристалл в липидных бислоях.

6. Обнаружено снижение скорости фотопротолитической диссоциации ароматических гидроксисоединений при уменьшении электростатического потенциала микроэмульсий. Наблюдаемое относительно малое по сравнению с расчетным изменение константы скорости объяснено высокой скоростью диффузии в органической микрофазе. При увеличении потенциала катионных мицелл за счет добавок алифатического спирта скорость рекомбинации продуктов фотопротолитической диссоциации уменьшается.

7. Установлено наличие единой корреляции между эффективной константой скорости и свободной энергией фотопереноса протона для различных классов ароматических соединений в мицеллярных растворах различного типа.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Ильичев Ю.В., Двмяшкевич А.Б'., Кузьмин М.Г. Реакции фотопереноса протона в липидных везикулах. Химия выс. энергий, 1989, Г.23, J6 5, С.435-439.

2. Ильичев Ю.В., Демяшкевич А.Б., Кузьмин М.Г. Бимолекулярные реакции фотопереноса протона в катионных мицеллах. Фотопротолити-ческие реакции 4-хлор-1-нафтиламина. Химия выс. энергий, 1990, Т.24, Ji 1 , С.52-55.

3. Ильичев Ю.В., Зайцев А.К., Кузьмин М.Г. Бимолекулярные реакции фотопереноса протона в катионных мицеллах. Фотопротолитические реакции 1-гидроксипирена. Химия выс. энергий, 1990, Т.24, Ä 2, С.141-145.

4. Ильичев Ю.В., Демяшкевич А.Б., Кузьмин М.Г. Флуоресценция кислотно-основных систем и фазовые переходы в бислойных липидных мембранах. В кн. Тезисы докладов на Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции, Караганда, 1989, С.40.

5. Ильичев Ю.В., Демяшкевич А.Б. Реакции фотопереноса протона в мембранах липосом. Роль фазового перехода гель-жидкий кристалл. В кн. Тезисы докладов на б-ом Всесоюзном совещании по фотохимии, Новосибирск, 1989, С.305.

6. Ильичев Ю.В. Кинетика и термодинамика бимолекулярных фотопрото-литических реакций в мицеллярных растворах. В кн. Тезисы докладов на 6-ом Всесоюзном совещании по фотохимии, Новосибирск, 1989, С.330.