Роль полярных и молекулярно-динамических факторов в процессах фотопереноса электрона в вязких средах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

■ АКАДЕМИЯ НАУК СССР . ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТА ХИМИЧЕСКОЙ 2ШКИ

. На правах рукописи г ШСТШ Семё^ Михайлович

• УДК 541.124/128

РОЛЬ' ПОЛЯРНЫХ И НОЛШУ1ЯШО-ДИНА1МЕСКИХ ФАКТОРОВ В ПРОЦЕССАХ ФОТОПЕРШОСА ЭЛЕКТРОНА В ВЯЗКИХ СРЕДАХ

02.00,04 - Физическая

Автореферат диссертации на соискание уче. стопе;ш -кандидата химических нарт

;Черноголовка 19Э0

» .

'/»•'. / /

; ■.' / г. /

Работавшолнена в Отдалении ордена Ленина Института . зшшчэской финка АН СССР

Научные руководителя:

доктор химических наук, 1фофвосор Г.И. ^Ь^вшетёШ,-,^' ; " " кандидат ^азтсп-математических наук Д.И. Котельников % V

Официадьнш оппоненты: , : .•• ... . -

доктор хик-здскшс ^аук Х.С. Дкайивв» : кандвдат ^зико-чютематичвоках наук«, ••■'•. , л: ч *. старший научный <»тв5ятак В,И. (^рдав : : .

Ведущая организация;. . . • .

НИИ химии Леншпрадского государствеЙного . \ • . университета ■ . ' -

.' Защита состойтса п/У п ■. 1990г. в•■ чао,

на. заседании специализированного совету Д^002.26,03. при йнг . статуте химической физики АН (ХХ^ ЗД ад^оуг 142432, п. Черноголовка» Ыосковской области. Ноханского района, Институтский пр., д. 14, .корпус ойдего назначения Отделения ШЕФ ДН 'СССР.. :.г..;;'..';*:■■ .ч-;'^, ч : ':/

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке Отделения ■■. Ш Ш СССР.. V.-; ,

■."' Автореферат разослан \ ., 1990г. "

Ученый секрерарь \ .¿/ /•' •

> : _ специализированного совета. '^^¿^¡/^ В.Р. ФЙСЕПЬ ,:*

Г; ^са

OHiiAH ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

,1 ;:.П«И тд ел

;cœpTfo»tfy игьность темы. Проблеме влпяиия полярных и динамических

свойств среды на скорость химических процессов посвящено большое , числа работ. В настоящее время под полярностью средн лонш.таот совокупность взаимодействий мезду реагента?,m и продуктами химичес-есой реакции с одной стороны и молекулами среды с другой. Определенная таким образом полярность не может быть охарактеризована отдельны.!!! макропаршлетрами среды, такими как диэлектрическая • проницаемость, диполышй момент и т. д. Поэтому в последнее зреет предпринимались nommai охарактертОвать полярность средн с помощью эмпирических параметров, основанных па измерении максиму-глов спектров поглощения и флуоресценции сольватохрошого вещества, скоро'сти нлп равновесия химической реакции. Однако Есе эшш- • рические параметры полярности, введенные в практику до настоящего времени, характоризутэт полярность сроды только в условиях равновесной сольватации реагентов. Tait как многие реакции, в частности, фотохимические, протекают в' твердых матрицах-полимерах, белках, застеклованных растворителях, то представляется целесообразны?,! разработать подходы к характеристике полярности окружения в чсрав-новеснкх условиях сольватации.

Реакции переноса электрона летлт в основе разнообразных ' дамеиталькых биологических п химических процессов. Во многих случаях сти реакции проходят в условиях неравновесной сольватация реагентов (в частности,в белках). Поэтому выяснение ролл молеку--лярпо-дпнамических и полярных.факторов з процессах переноса заряда является актуальной задачей. Первоочередной задачей представляет- • ся установить конкретике мехашзю-: влияния динамики среди на скорость переноса электрона п, в частности,, выявить роль различных Областей дисперсии релаксационных процессов в округ.сшт донорио- . акцепторной пары.

Цель работы. В иастоящой работе, бнли постазленц слсдущие. задачи. I. Изучить полярные п дштсмичоские свойства различных рас-. 'ГЕорптелйй в спрском гшторвало. температур люютхесцеитнш методом, 2. Разработать способ оценки полярности среды арп неравновесных условиях сольватации роагзнтог.. 3. Изучить д1пр'Лчесг.::Ь и' полярные ссоПства с-п-пшого центра йзрмэнта ( Са~*+ М<р )~ДТФаг?;. 4;-Выявить •

' механизм влияния молекулярной динамики среды на процессы электрон-нога переноса в ряде донорно-акцепторных пар.

Научная новизна. I. Изучено влияниетемпературы на стационар- • пне спектры флуоресценции,а также на стационарные и глгаовенные . спектры (фосфоресценции октадецилэсзшащца в шести растворителях различной полярности. Показано, что наряду о основным процессом переориентации диполей в окружении возбужденного хромофора реалкзу тся такие процессы, как быстрое образование водородных и донорно-акцепторннх свявей,временная а акергетическая полихроматичность. 2. Разработан метод определения параметров распределения по свободным энергиям активаций из темпратлчных зависимостей мгновенных спектров люминесценции. Были проанализированы экспериментальные данные по температурным 'зависимостям стационарных и мгновенных: спектров лишне сценвди различных т.сраситадей. Псказшю, что параметры распределения по свободным энерг:;ям активации, полученные днуш независкыыы! способами из стационарных и мгновенных спектров лю!.ашесценцк!г, близки, о. Предложен под;ход д.и оценки полярности среды в условиях неравновесной сольватации реагентов ¡(ото-хиьмческой реакции, оснозаикой на использовании эмпирического параметра Р. 4. Проведено Коучение физических свойств активного центра (Са2++/^г*)-АТ$азн с помощью краситела-эозннизот..оциаката . (Е'ГЩ), ко валентно прксоедЕненного к активному центру. На основе . 'измеренных, значений максиыулюв спектров (¿яуоресценции н фосфорес-

■ ценцки ЭЙТЦ при различных теыпреатурах п областей их температур- • них переходов -было показано, что диэлектрическая проницаемость при равновесных условиях сольватации активного центра.(Сг'+А!^'*)-ЛТФйзы равняется примерно 4, а значение вязкоатп близко"к значению вязкости глицерина. 5. Предложен способ определения механизма протекания реакций переноса заряда, основанный на рассмотрении ■

■ корреляционных зависимостей мевду хганетическими параметрами систем с переносом заряда и параметрами молекулярной динамики среды. Проведен' аналпз такого рода .корреляций для модельных и биологических систем с переносом заряда. В частности, показано, что.

• для-таких донорно-акцепторных пар -(ДАЛ) как ДЛПСил-нитроксильный радикал, 2,7-дибро;,шт)од1лашн-мет>мвиологен, 2л -замещенная гемо- • -вая группа, и метгемовап труппа внутри шоглобина а бкаитрила • в глицерине осуществляется механизм," при котором электронно;.^ переносу предшествует (^¿укруацшшои даэлектрнческая "подстройка''

среды. Для докорно-ахг^кторгиу яар в р$-жгй>нвом центра фс?6овд- , тетичесггас сакгарпй и биантрдла в этаноле высказываются предло-яения о вероятных механизмах переноса злоктрона.

Практическая ценность работы заключается в том, что полу- ' чошше в ней научные результаты могут быть использованы при создании высокоэффективных устройств, использующих системы с переносом заряда. Разработанный метод оценки параметров распределения по свободным энергия!.! активацп процесса диэлектрической ре-- . даксащш из тлпювенных спектров люминесценции может быть использован в практике научно-исследовательских лабораторий при язуче-mm джашческих процессов в полимерах, белках, мембранах. Способ определения полярности среды в услозиях неравновесной • сольватации реагентов мокет помочь исследователям глубже понять ' механизм "влияния полярных свойств среды на различные фиоико-хиш- • ческие процессы. Данные по физическим-свойствам активного центра .' { Сх **Л(д *)-АТФазы необходимы для понимания действия одного из ' важнейших ферментов, катализирующего гидролиз АТФ. Выявление роли, полярных и молекулярно-динашчесдас факторов в процессе фотопереноса электрона необходимо для создания систем с эффективном протеканием процесса разделения заряда. Возможно, полярные и динамические свойства среды сыграют ключевую роль для стабилизации раз-де генных зарядов з система:;, где осуществляется фотоперенос зле:;-' трона. Разработанный в данной работе метод определения механизма процесса переноса заряда мокэт быть.применен для анализа влияния.' различного рода окружения на широком кругу систем с перекосом Заряда. _

Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные части обсуждались на научных семинарах лабораторий ферментативного 'катализа и фотохлпш-i в 0ИХ£> All СССР, на У1 Всесоюзной конференции "Спектроскопия биополимеров" (I960 г. - Харьков), на Втором международном симпозиуме: молекулярная электроника и . био- ■ компьютеры (1989 г. - Москва), конкурсах.молсдю: ученых и научных работ (1990 г. - Москва) ИХФ АН СССР. • .

Публикации. Материал диссертации изложен в пяти печатных'' работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы; Ко- . -личество рисунков - 29, литературных ссылок - 159, o6niee числе страниц таблиц -2.

QQJSJSTÍ ^ÍL ЪШГ&

Во введении обоснована постановка задачи, ее актуальность,, ^степень новизны научных результатов, кратко охарактеризовано оо- . дерзание четырех глав диссертации.

.. Главя I. Литературный обзор.'.

... Литературный обзор разбит на три части, В первой рассмотрен ; вопрос о влиянии полярности среды на скорость химических реакций.

• Подробно анализируется применение этнических параметров поляр- . Кости для характеристики сольватирупцей способности среды, их применение и недостатки. Во второй части рассмотрено современное состояние вопроса о роли динамика среды в процессах переноса электрона. При этом основное внимание уделено современным теоретическим; и' экспериментальным работам, учитывающий дйнашчеокие свойства ' среда н прсшщеннйм этому вопросу. В третьей части рассмотрены людшесцентные. методы изучения динамики среды. Показано, что современное развитие , этого ыетода позволяет определять вреж дшлёк-трической релаксации в непосредственной близости от хромофора. 'Отмечается иеобходншсть развития метода для^получення параметров рабпределения по энергии /активации процесса диэлектрической ре-

• лаксации окружения хромофора. , . • . ■ ' :

■' Глава Ну Материалы к экспериментальные методы.

. .' В первом разделе главы приведены способы очистки и синтёза материалов. Описана оригинальная методика синтеза производного , эозшга-октацецплэозинашда СО^Э), а также метод синтеза бпантрклг Получение препарата" (Саг*+ Л/а *)-АТ$азы, меченного эозинизотиоцпа-натом.(ЭИТЦ); было проведено инкубацией везшсул саркоплазматического ретшсулуума в фосфатном буфере с зондом в стехнометркческом соотношении белок:зонд = 1:1,с последующим центрифугированием для отшвки непрореащровавшего зонда. Все кспользоваишюся растворители очищались и обезвогсквалксь по стандартным методшсш.

Для регистрации кинетики. затухания (Хос;7ореоценщш возбузден . ньк молекул красителей била использована шпульсноя устоновна, , основными частями'которой являются импульсный источник свзто, .'

гаветное отделение, мопохроматор, фотоумнояитель с блоком лита-шя, осциллограф и многоканальный анализатор, управляемый ьшсро-®М. Термостатирование образцов проводилось в оптической кварце-. зой ячейке путем продувания парами азота, нагретыми до нужной -температуры. Мгновенные спектры фосфоресценции полагались с по- ' гащыэ описанной вше импульсной' установи! путем записи кинотичес-слх кривых излученля при разных значения:: длил волн, а затем по-яроешм спектров по интенсивное?-' фосфоресценции при разных (лигах воли для определенного времени после начала регистрации слотнки затухания фосфоресценции. Построение осуществлялось как i помощью шкро-ЗЕМ, так и вручную после вывода всех кннетичес-сих измореппй на самописец.

Стационарные спектры флуоресценции л дзосфоресценцни рогпстрп-ювались-ца спектрофлуориметро " Дпи'псо-Зоимап" (США), спектра • ' гогдоценш - на спектрофотометре '¡jjs&rог<-{ М-40". .

Глава III. Изучение полярпзацкопно-рэлаксашюнннх свсЧств лоляшых и пеполярннх растворителей люминесцентными методами

Для характеристика! диэлектрических свойств слопных объектов, гм1х кат: полторы, белка, с помоцьэ хромофоров целесообразно предварительно исследовать люминесцентные Свойства хромофоров з ■ полярных и неполяринх растворителя::. Эта глава посвящена изуче- .' пию релаксационных свойств различных растворителей с помощью ' . люминесцентного зонда,- обладающего интенсивной фгуоресценцией и йосфоресценцпей и растворяющегося как б полярных, тате и неполяр- . [щх растЕоритолях-октадецплэозннамэда (ОДЭ).

'I. Изучение надмолекулярных взаимодействий возбужденных г.то— лекул ОДЭ с молекулами среды в растворителях различной полярности.

IIa-рис. I представлены-зависимости лолозшшя максимумов ста- . ционарнкх спектров флуоресценции (Л^л ) и фосфоресценции (Яс-вор) ОДЭ от тсетературы. При повышении температура ориентацноннне вза-_ пмодействия увеличиваются, поэтому максимум спектра логяшесценцип " ■ сдвигается в длинноволновую область. В раясах модели Дебая .

V»=YU - ' < I •> •

'■л'-'«-,; ^ ' ■' .

где ^ - релакешц:::, г-л - пръг -•••'»••т?

люминесценции, fM

'Л« и V - положение максимума спектра лшинвс-.■ цендии при '4?(низкие температуры), (высокие темпе-

ратуры) и при данной температуре соответственно.

, Отметим ряд особенностей зависимостей,представленный на рис. I. При.77К положения максимумов спектров люминесценции в разных растворителяг значительно отличаются, хотй согласно теории, '..все стеклующиеся изотропные жидкости долины иметь динаковые макроскопические диэлектрические свойства. Для других классов ' хромофоров максимумы спектров люминесценции (Лл) при 77К действительно совпадают, Так как положение спектра поглощения ОДЭ во всех растворителях, кроме воды, тлеет одинаковое значениеД^=541мл, . то .различие значений /1Л прк77К можно, по-видимому, объяснить способностью Бозбузденных состояний Еступать в специфические взаимодействия с молекулами растворителя.

Величина шксимаяышх сдвигов ьшссимушп спектров флуоресценции и фосфоресценции Л = , качественно коррелирует с диэлектрической проницаемостью при комнатной температура. Параметр А является мерой сольватирунцей способности среды и поэтому может использоваться для оценки полярности окружения хромофора ■в условиях равновесной сольватации,здп'

■ а м 0 сз iio seo i<o •/;

Рис. I. Тешературные зависимости максимумов стационарных спектров флуоресценции.(а) и фосфоресценции ОДЭ в толуоле (I), отил-ацетате (2)', диметшфрмшлще (3), 4-метилцаклогексаволв (4); изобутаполе (5), глицерине (б).

.44К(5), 1бОК(6),164К(7), 17Э,5К(8), 262,5К(9), 290К(10).

Дополнительную информацшз о релаксационных свойствах указанных: ■ знша растворителей иоако получить ори анализе мгновенных спект- . :' , ?ов фоофорасцэтщ (pao. 2) .

Во всех взучзшшх шести растворителях наблюдается неэкспонен-шадьшш кинотика максимумов спектров фосфоресценции ОДЭ, хотя теория .' федсказываэт экспоненциальный•характер такого рода зависимое--. i сей. Причина этого отличия обоувдается яияе.

Прз исследозннот кинетика .затухания фосфоресценции ОДЭ не •"' ,'. 5нло сйнарулоно возгорания на длинноволновом кран- спектра нспуо-хания, предсказываемого теорией (Бахшег) . В теории использова- '. • таоь модель диэлектрической релаксации Дебая, из которой следует эксл ненцкальный характер кинетики мгновенного спектра. Из рио.2 . зле,дует, что существует очень быстрый релаксационной процесс, заканчива&цийся .за.время, мбньшее начального времени регпстра-□сяи фосфоресценции, а такке релаксационный процесс с характо-. ристическпм временем, сравнимым' с£„рИ отлпч&зцийся неэкейонвн- ,. циальностью. Возможно, это является причиной отсутствия разгорания :а 'красном" краю спектра испускания фосфоресцеисга у ОДЭ. .

.. Представленный в данном разделе экспершептальнпй материал свидетельствует о том, что' наряду о основам всоиессом переорц*,

оптации диполей, реализ^ыся такие процессы, как быстрое обра-/. &овайие специфических связей, кинетическая и энергетическая поли-' Ароматичность. . "':/'.

Оценка параметров распределения времен диэлектрической пелак-.оатита растворитетя лшинеопентишп методами.

• Согласно теории, изменения стационарных спектров флуоресценции и фосфоресценции и соответствующих мгновенных спектров во ; Бремени в растворах красителей обусловлены ориентационной релаксацией растворителя, которая в первом приближении описывается в рамках модели Дебая. Однако дальнейшие исследования выявили болеб сложную картину релаксационных эффектов В вязких жидкостях п.белках, для описания которой оказалось необходимым предположить наличие распределения по временам релаксации» В данном разделе рассматриваются и сравниваются два независимых метода оценки параметров распределения по свободным энергиям активации*1?0" цесса диэлектрической релаксации. • •;

,.; Способ X* В рамках модели Дебая значение времени релаксации гложет быть вычислено из формулы (1). Ёсли исследуемая система характеризуется Гауссовым распределением по свободным энергиям активации (дР) , то как цоказано ранее (Лихтенштейн) , величина ' определяемой,-на опыте эффективной энергии активации :; ч '

~ £0 - , - • (2) >..;..

; где Ее г максимально вероятное■значение энергии активации,• ¡Т > д/ь - второй момент распределения. Оценка £е может быть осу-/ цествлена'по, формуле . - - •.'-

где величины, соответствующие точкам перегиба на крй-

, вых температурных зависимостей У^л(т) соответственно,

' ' определяется по формулэ (2)., . . , г 7-у-''"

. Способ 2. Для мгновенных спектров дебаееский релаксационный .„процесс описывается формулой ' ^ о .-л . 7- "

Ус . •

: где \Х --полояений максимума спектра люминесценции в. данный мом©1 ' ' , - 8 - у '

ременн, K= F-f1 При наличии распределения по энергия?.! а:,тива-im п при условии ыокно записать

e*fT №M£ = S%T)p<iT , (5)

£17 Emin Erni'n

MiuH l-T - минимальная и максимальная энергия активации оответствегаю ), где К0 - предэкспоненциальный шгошт-

ель в уравнении Лррениуса. Как показано в этом разделе, акс-:еримеитальные данные в ряде случалз можно описать в рамках экс-? :оненциальной функции распределения:

т-

2й£ о

(6)

'де В0- наиболее вероятное значение энергии активации, лЕ0~ ши*. , >ина распределения* В данной работе показано, что .

л£0 &Е лч 'троя зависимость в координатах "Рп 0 - $11 " мсшга определить •, шачения лЕ0 и а из наклона зависимости "/п^Г*- Т",

:дас£г - значение на "ступеньке", то есть при кинетической эстановке процесса (см. рис. 2.)., отношение /?йг (Ко/1{)/(а.Е0) . 3 результате описанной выше процедуры оказывается возможным вычислить из экспериментальных данных значения параметров раопре- ' целения Е0 и лЕ0 . Корректность апроксимаций распределения экс-.; поненцпальной функцией демонстрирует рио. 3 (выполняется хорошая линейная зависимость между ¿¡г& п

» (7)

"г ~'<)

.'л r; г

PiKu 3» {!эг.ггяп:;.остк"rMс:- - fit для ОДЭ в яаобуга;;олв пр.-: различных Tetoiöpai'ypr-:: lülKd), 13üK (2), 144К(3), 150KU).

. : Таблица!

■Значения параметров ■ распределения по энергиям'-и свободным энергиям активации диэлектрической релаксации -растворителей Чв вдяушль). • ' • . .'•"•..•-'.'■-.. • .

Раствоштелъ

! Хромофор ! Стационарные спектры

! Мгновенные спектры

сшгуоресц. тосфоресц. флуоресц. фосфоресцев. аУ ТЖ а£ Т.К Е^аЕ, Т,К Ее ТК

Д ИМС ТЕЛфО рМЭМЯД 4-мзтилциклогекса-нол - •

ОДЭ ОДЭ

150 13,0 143 14,0 182

15,0 227 13,5 225

17.0 300

18.0 350

100 11,5 205,5

180 14,0 205

145 12.0 210

145. II - 214 .

йзобутано

I

и

О

Глицерин

К-ЦРОПЭКОЛ

48.0

28.1

143 250

ОДЭ

43

6,5 5,5

125 240

7,0 144 8,0 200

3-ацетил~ 43,5 6,0* 138 шшю-Л'- 6,5 208

метилйЬталивдд ■

5,0

4:5

97 114

95,7 250 ОДЭ

ТЕГД Ш

3,6-диаце- • тиламиноме- . тилфталимвд 4-ацетилама-но—неташ&талимид

4-ашнос|таГдплэд__

4-аминофталимвд

'99,5 11,5 243 10,0 151 М2,5 300 9,5 200 . 14,0 384 П.О 277

50 .5,5 131

40 5,0 138

47 4,0 144

49 4,0 150

46 4,0 116

43 4,0 124,5

45 4.0 131

70 5,5 220 72 6.0 247 37 6 0"173

77 81

85 70

6,0 205,5 6,0 210 6,0 216

7,5 198 7,0 198

В таблице 1 сведаны данные по величинам максимально веро*Н . ятных энергий активации Е0 и вторых моментов Гауссового распределения, рассчитанных по уравнениям (2-3), а таюке результаты, вычисления параметров распределения по способу 2 из экспериментальных данных для ОДЭ предыдущего раздела данной работы. В j таблице 1 предотаняены также результаты расчетов параметров ' распределения по энергиям активации для различных систем, полученные из экспериментальных данных по спектрам люминесценции производных фталямзда, опубликованных ранее. Как видно из табли- -да, для всех систем, ^фоме глицерина, величины максимально веро- , ятных энергия активации £0 и Е0 , полученные соответственно по . способу 1 и 2, близки между собой и к значении £л, определенной экспериментально диэлэктрическим методом. Можно считать, что наблюдается удовлетворительное соглашение мезду .значениями параметров ширины распределений А ^Ь и л £в. для глицерина to несколько ниао Ео • Это гложет, быть вызвано не совсем корректным выбором. экспоненциальной функции распределения.

Рассмотрение в этой главе данные свидетельствуют о возмож-. . ности получения качественной информации о свойствах распределения . по свободным энергиям активации процессов диэлектрической релаксации среды методом люминесценции. . . , '

•Глава 4. Люминесцентная динамическая ипсала полярности. .

. В даньтй главе рассматривается способ оценки полярности . среды в условиях неравновесной сольватации и хара^таристика фи- • •. зическта свойств активного центра (З^уМ^-АТФазы. ,;

Как видно из формулы (1) , величина 0 зависит не только от . ! диэлектрических свойств растворителя, но и от соотношения и Ха . Так как величина \) .отражает взаимодействие хромофора и-' сольвата, то она должна характеризовать полярность микроокрухения, если понимать полярность ш сольватирующуга способность средн. Необходимо отметить, что величина У зависит не только от значения полярнэационтк п. ориентащтонных взаимодействий, • но и от' волнчшл уаакгошх специфических взаимодействий, не учитываемых £оркуло?. (1) , то есть является отражением всей совокупности меж-мололсулярньк взаимодействий. Поэтому логично в качестве эмпирического парклетра, полярности среды при любых соотношениях Т/\ и Т^ евости параметр, вмючзгод'.й величину . В данной работе.

предлагается использовать параметр

M^Mw г (8) : ;

гдеАп«^°"^1|ахв наи00лее полярном растворителе или растворителе, параметр Р в котором при равновесных условиях сольватации принят за единицу. На рис. 4 представлены зависимости параметра Р, полученного по формуле (8 ) из спектров флуоресценции и фосфоресцен-« ции ОДЭ от температуры. Вследствие того, что время жизни тршлет-ногосостояния ОДЭ на шесть порядков превышает время жизни синглет-ноги состояния, область температурного перехода параметра Рфас<р . полученного из спектров фосфоресценции, сдвинута в низкотемпера- , -турнув сторону по сравнению с параметром , полученным из спектров флуоресценции. Kaie видно из рис, 4, в промежуточной области ; температур последователыюсть рядов, расположенных по возрастанию параметров ^ооьр и для одной температуры ( например, для 240К) . не совпадают. Из представленных на рис. 4 данных для. каедой темпе; ратуры можно построить свою шкалу полярности для наносекундных и миллцеекундных времен процесса сольватации. Для других красителей- вклад специфических взаимодействий может быть другим и,' .еле-'довательно, может измениться ход кривых Р от Т. Поэтому создать универсальную динамическую шкалу полярности не представляется возможным. Однако можно воспользоваться представленными данными . на рис. .4 для оценки полярности в нано- и миллисекуцдных областях • релаксации. При этом необходимо для каждой реакции построить соответствующую адекватно-модельную систему.

. ' 'ЙЬйЬлЫование различных шкал полярности весьмазфЗзектквно Щэй йоЬ^йёнйк коррелЩЬйнкх соотношений мезду константами ско-рЦстй хЖШескоЙ рёакцйй й ЭИирйчёсййм Параметром полярности. Однако йрймёняе?лые до настЬще^о йрёМёнй э'мпирическиё параметры , полярности не учитывают зависимостй М&яаШвзсулйрных взаимодействий от соотношения Тц и временем жийнй ШЭЙрЩёнйЫ'о состоян.ш, й по-> этому не отражают процесса сольватации; ' >

_ При низких температурах Аррениусойы äaBifSibiöÖTii ",

. полученные из спектров люминесценции, леаат значительно нгаё >. чем • та же зависимость, полученная методом диэлектрических потерьКак показано ранее и в главе 3, это обусловлено наличием распределения по временам релаксации вследствие сильного лощильного поля хромофора в возбузденном состоянии.

. Поэтому имеет 'смысл наделать два паракотга но№>йсота, отражающие сольватирувдув способность среди вблизи хрт^-гра Р к в

т по по гбо зоо зуо^к'. - ^о цо ¿20 мук :

Рис; 4. Зависимости параметров (а) и /р,^, (<5)от температуры, вычисленные,из.стационарных спектро ОДЭ. .-.■ ' ; .,

объеме Р^.. Параметр ^ вычисляется следугациц образом: в формулу (1) подставляются значения , полученные методом диэлектрических потерь, а если нет таких данных, то из продолжения высокотемпера-' турпой части Аррониусовых зависимостей,' получегашх из спектров лю-* шшесценщш, в низкотемпературную, так как высокотемпературна^, часть примерно совпадает с аналогичной зависикостьй, 'определяемой. . методой диэлектрических потерь. Использование параметров Р, и. Р^. , рассматривается шке. : '/ ' •''■".* •/ •

■ . Вакшш применением лкмшебцентного метода оценки полярности .. среды можс: быть изучение локальной Полярности в сложных .

.таких как поликерн, бэлки, мембраны. В Данной главе в качестве- \ примера представлено изучение активного центра '•Сь**^*) -А1Фазь?. \ ';■' саркошгазматического ротикулуума с помощью производного эозина-?:, эозинизотпоциалата (ГИТЦ). ' ■

Известно, что родственные, с.ЭЙ'ГЦ соединения флуоресцетш^б^ тксцианат и эритрозинизотйоционат.являются ингибиторами )-

АТФазы н специфически саязываются с активным центром фермента... В данной работе использовался ЭИТЦ вследствие того, что он йуеет . сходные с ОДЭ параметры люминесценцтт - времена 'казни возбузденёых';' состояний и макеймальше (отвита: лхкйинесЦвйвдш • й.'оргаиитеских • рас^у. _ творителях; Поэтому калибровка, тлеющаяся для ОДЭ, вполне прием-*. ^ лома для оцонки свойств окруяегпш ЗИ'ГЦ.

Как видно из рио»5, максимальные значения параметров Р^,^ и , то есть полярность микроокрукеншг ЭШЦ "в .активном центре АТФазы при равновесных условиях сольватации находятся между соответствующими параметрами толуола и этилацетата/ Так как толуола - 2,4, а этилацотата -6,0 ,то £> активного центра фермента-примерно равняется 4. Полярность при неравновесных условиях сольватации следует оценивать по значениям параметров Р, которые при . одной и той же температуре различны для разных возбужденных состояний ЭИТЦ. .

> р ~~ Рио.5. Температур-

ные зависимости параметров^!)^) ЭИТЦ в акт: »ном центре (СД/УрАТФазы.

260 Т

О вязкостных свойствах активного центра фермента можно судить по областям температурных переходов параметров и Ррл . сравнивая их с соответствующими переходами в других растворителях. Области переходов и /|ал ЭИТЦ .в ферменте блиис всего нахо-

• дятся к соответствуют™ переходам для ОДЭ в глицерине. Поэтому вязкость активного центра фермента лкшю примерно принять за вязкость глицерина. Некоторое несовпадение температурных переходов

. параметров Р ¡ШЦ в ферменте глицерино можно объяснить возможными конформадаоннымя переходам ферлента при измеионии температуры, а таюке специфическими взаимодействиями с 5ИТЦ.Ранео уценивались вязкостные свойства активного центра по тушению триплетного состояния эозина паршагнмтнвми ионами. В ней получены сходные результаты. Таким образом, активный

. АТФазы представляет собой малололярнуго область с $>»4 и вязкостью близкой к вязкости' глицерина. .

Итак, в данной главе был предложен подход для оценки полярноо~ •га среды в неравновесных условиях сольватацга, блодон аш;грпчэс-кий параметр полярности,, что позволило охарактеризовать й^э-'.час-

• кие 'свойства актявпого центра йюрмента <&Ч£ФгАТ>г:>с:.ч

- 14 - 0

' Глава 5. Роль молотгаяярной динамики ср&ды в процессах 'элзктвой го переноса в вязкта спадах..

. Согласно соврс:.:ашшм представлениям, молекулярная динамика еды является вашшм фактором, определяющим эффективность протбкй1 и многих химических и физических .процессов. Для выяснения колк-тных механизмов эффектов среды удобными объектами являются сие-:.и фотопсрансса олпк.рона в донорно-акцепторпнх парах в средах,; лв1сулярио-д1!ис:личес1:о9 состояняо которых контролируется неза-

СШЙШ СГДЗКЧЗСК^гН мотодсмл < И, л частиостя» ЛШИНРСЦеНТИШИ).

До иедшзаего времени вяияняо дппсигаш среды не учитывалось я процессов электронного порзкоса, то ость предполагалась бнет-' ' я п раЕНОЕОсипп переориентация диполей окружения вокруг реагент в з продуктов гсггпсстаИ рзоглцп. Однако, в реальных реакции • гут реализоваться yerosm , при которых перестройка растворила ют другой сроди'{(Золок, полугор) будет осу^ествдд ся достаточно "гадлепно", то соть исорость реорганизации среды : дот сравнила со сгяроствгх Еонхэдшругздх процессов, например,, ратной рзаадя.

Процесса бюктропного nopsnoca в доиорно-акщшторной паре АП £дл}с образованием продукта £jf л]двадрат;иэ. и фигурные скобки : лопно обозначат? конфигурации молекул окруяащей среди, равно-cirib соотгэх'сгвущзй паре) могут протекать, в пршщипе по нес-» лькпм глзхшшзмач (рпс.6).

Рис-сЗ. Энергетичэс- '. кий профшп вероятных механизмой электронного переноса в, вязких средах.

V

В механизме. I1 первой макроскопической стадной является реор- 1 шмащот частиц дапотен ерчди в конфигурацию, соответствующую •, •пчлоиу сосггояния • |д ÁJ. ii рэз/льтате формируется своеобразная " аготська" для роа/лзацж- стации переноса электрона. Во. втором ханрзме/ II ст&ччи перестройки среды предшествует'электронный' • ' . V - 15 - '

; перенос .с образованием состояния £д+А~] . Затем следует .медленная релаксационная стадия в конечное состояние . 13 этом послед-» .

нем случае значение константы скорости релаксации вблизи реакционного центра Кд будьг больше, чем для скорости релаксации в Объеме Кк , поскольку диполи окрукошш будут двигаться не только йод действием теплового хаоса, как в случае механизма -I, то есть спонтанно, но и под влиянием электростатического поля, соацавае-: мого пзренесошшм зарядом. Поэтому в случае-маршрута I следует . ожидать корреляции эффективной константы скорости процесса переноса заряда ^¡ррс параметрами перестройки среди в объеме и, в частности, с относительным релаксационным сдвигом или параметром полярности Р>х . Протекание процесса по маршруту ц предполагает, что •. следует ожидать корреляции К^р с общим релаксационным сдвигом Р. :

В данной главе был проведен анализ корреляционных зависимое- • . кинетических к ыолзкулярно-динашческшс параметров в накото-рцх системах.

1. Анализ данных по переносу электрона из'синглетно и триплет-но-возбтаденных состояний некоторых ЛАП.

. ..В этом разделе были.рассмотрены следующие биологические и модельные системы:

1. ДАЛ в составе одной молекулы1-0кси-1-2,2,6,6-тетра-

■ мотилпиперид-4-ил )-8-цилетилаглинонафтаЛ1Шсуль$юна\ед (ДАНС ил-НР).

2. ДАЛ в застеклованном твердом растворе: 2,7-дибромпрофяавин в трнплетно-возбузденном состоянии т и ме тилвиологен VI >.

3. ДАЛ внутри модифицированной макромолекулы гемоглобина: -замещенная гемовая групца в триплетно-возбу/дениом состоянии

Ф1) и метгемовая группа (/1).

4. Система донорно-акцепторных пигментов в реакционном центре ( РЦ)фотосинтетических бактерий.

5. Карбоксимиоглобин (фотодиссоциацяя и реассоциация) .

Наличие в системо 1 нитроксилыюго фрагмента и хромофорной

группы позволяет одновременно регистрировать кинетику необратимого . фотовосстановления, а такие изучать молекулярно-динамическое состояние среды волизи реакционного центра. Кшс в;;д::о из рпе. 7а, во всем диапазоне температур ( 200-270К \ набладао1«;;: црал*к аронор-• циональная зависимость МЗДУ ур^Цгдо »'»;.■,..; ;•■ ;:г.бла- . даемые- константы скорости необратимого порэносЬ-" /уи;:-;:*. соответственно при температура 'Г и 29ЗК, и В: (колма- ?.) . у со цпкля

я'вПЯ t

Ряс» 7, Зависимости ОТКОйПТЭЛГЫГЫХ констант скорости. обратимого(l)и не-. обрат!Шого( 2,3) переноса в системе . К в) и обратимого переноса (5,: системе 2 от параметров полярности

Р,, о),

как изменение параметра Р практически не влияет на величину Кегн Офпвая 3) . Исходя из вшзизлоаенного, в данном случае реализуется ьззхаапзх 1 , при котором стадии перёноса электрона прецшест- . зуот спонтанная переориентация диполей растворителя. . . <

В системе2 константаЙешопраделялась какЛм3^0/^}» ТОО п f(200K} - вреда туннельного переноса электрона мезду допорем ( 2,7-дп0роглирогТлавш1) и акцептором (^етилвиологен) на расстояние 10А соответственно при температуре Т: и 200К, Р и опре- • долллггсь из даигпп по смешения максимума спектров фосфоресценции дпбрстярофдавина от теглпературы. Корреляция Яст/t ~ (кривая .2* . • рис. 76) свцдотояьствуот о реализации механизма i itaic и в предыдущем случае. Отметшл, что корреляции Ксгн~Р' , где Z5' - параметр полярности, определенный из спектров флуоресценции дибромпрофла-впна, не наблвдается (на рис. 7 не показано). Из этого следует, что для переноса электрона из триплетно возбужденной молекулы необходима (Тиуктуацконная. подвижность среды со временем ^блаксации диполей окружения, близким ко времени яязни возбужденного триплет» _ него состояния дибромпрофлавина.

В данном разделе показано, что для систем з и S также реализуется механизм I переноса электрона. Для системы 4 корреляционные зависимости не являются линейными, возможно, потому, что для этой системы реализуется сметанный механизм. ..

2. Лл'^япие дишм-п'П cp-.ft'J на процесс,переноса гпектрона з молекуле бигштрила.

Дашша раздел посвящен изучению влияния динамических и поляр--17.- •■■'.•

ных свойств округения на внутримолекулярный порзазз '«гл-зитроиа в биангриле в растворителях различной полярности: толуоле, этаноле, глицерине,. Возбужденное синглетное состояние^ биантрила характв' ризуется двумя ввдами £дуорасцвпции: первый отражает высвечивание из локально возбузденного состояния^ H -состояния) , второй - из состояния с пререносом заряда ( СХ -состояния ) . В результате переноса электрона с одной антраценовой части молекулы на другую,, дипольный момент молекулы резко .возрастает. Поэтому флуоресценция из .СТ-состояния, характеризующаяся максимумом спектра флуоресценции ^ст .существенно зависит от полярности микроокружения, а следовательно, и от динамики среды.

Фотофизичесвие и фотохимические процессы при облучении биан-■ трила мсодю онисать следуяцей схемой:

; (9) -

где i"- LE -состояние, (а+~ А") - СТ-состояниР, и - соотвеа ственно константа прямого и обратного переноса, ^ , Нс - излуча-• тельные константы, К; ,!<! - безызлучательные константы скорости реакции. Исходя из метода стационарных состояний, мояно получить выражение для константы равновесия реакции

V (10)

где Ter .ïif - интенсивность флуоресценции CT и LЕ -состояний соответственно. Таким образом, измеряя"^V^g и определяяи Kg, можно получить значение ЛЦ,. В работе были определены значения констант равновесия реакци^ в трех растворителях в широком интер вале температур. Отметил, что при низких температурах К^Ке+К/ и ii^ см. формулу ( ici \ то ость Ке^ пропорциональна

константе скорости прямого переноса электрона ffa.. При вчеоких температурах >> Kg i'l и = • Молекулярно-динамическоа сос.тоянио среды характеризовалось с помощью параметров полярност Р к Pfr , определяемых из. значений и по методу, изложенному выше..• у

m lia рис. 8 представлены зависимости величин /(ел»" где

Kes * - максимальное значен-ie /leg, в глицерине, и параметров Р Р*г от температуры в изучаемых растворителях. Зависимости Р^ Р от темпратуры для глицерина практически совпадают. Коррелящ: онные зависимости Д^/"Р Д-®1 глицерина оплсыватстся прямой

- 18 -

0 ¡го КО 200 2Ю. 2&0 320 КО к

Рис. 8.' Температурные .зависимости !{сТН и параметров Р . »/¿.(а )в этанолеЯ(1) , /^(3) ,КеТц{ 1 ) и в глицерине: Р (2) ,К,п{2\ / ' а та1ке( б) в толуолп: К^р (4 ) .

линией ( выполняйся хорошая корреляция ) . Таким образов, в молекула (/ла1лу:-ла в гппцоряно, если исходить из выводов предыдущего раздела, выполняется моуанлзм I . переноса заряда.

Коррзляцпонные зависгилости для эта;юла представляют собой более сложные зависимости но сравнению с глицерином. Однако.вы-, вод о разлизации смешанного механизма реакции переноса электрона монет оказаться неверным по следующей Причине. В этаноле существует несколько областей диэлектрической релаксации в объеме, различающихся временем релаксации % . Высокочастотная область релаксации блпз!са. по значениям % ко времена:-.! релаксации , полу-ченныгл лшинесцоитным мэтодом. По-вздталому, в процессе перекоса заряда и излучения люминесценции баантряла в этаноле эта область диэлектрической рела"сацип играет 'определяющую роль. Корреляционная зависимость для толуола представляет собой небольшой отрезок на осп ординат, так как параметр Р • практически но изменяется с температурой и.равен нулю, хотя Кс^ немного меняется ( см» рис. 86).

'Гак-пл образом, а этой главе показано, что для количественной характеристик;! полярности среди возможно использованапарамоара Р , а так::е в'.-'.шеаз&к предпэло.т.окчя о возмог.: па: механизмах прохо;эдо- ■• ¡|'гя <Того].оа:дяй в ¡'.аз;щу. системах. , '

Выводы,

I

1. Изучено влияние температуры на стационарные спектры флу-

1 оросценщш и стационарные я мгновенные спектры фосфоресценции

октодец!:лэозииамэда в р?створителях различной полярности. Показало , что наряду с основным процессом переориентации диполей, ; реализуются- такие процессы как быстрое образование специфических СЕязей, к:шетичес1сая и энергетическая полихроматичность.

2. Экспериментальные данные по температурным зависимостям спегтров флуоресценции и фосфоресценции и по кинетике мгновенных

' спектров красителей в ряде растворителей 'проанализировашш в рамках различных моделей распределения по свободным энергиям активации . процесса диэлектрической релаксации (Гауссова и экспоненциальная). Показано, что основные параметры распределений, полученные двумя различными методами для одной и той ;ко системы, близки.

3.'Предложен эширический параметр полярности Р, с помощью которого мокно количественно оценивать полярность среды в неравновесных условиях сольватации реагентов и продуктов химической реакция.

• ' 4. Проведено изучение физически свойств активного центра фермента ЙгЧЛ^2')-ЛТФазц.с помощью лшииесцонтного зонда зозин-

. изотцоцианата. Показано, что диэлектрическая проницаемость в условиях равновесной сольватации равна примерно'4, а вязкость активног

■ центра примерно равна вязкости глицерина.

5. Предложен способ определения механизма протекания реакций переноса заряда,-основ, лный на рассмотрении корреляционных зависимостей мезду кинетическими параметрам;: систем и параметрами динамики среды (полярносш), отралаздими свойсва среды в объеме п

. В непосредственной близости\>т системы.

6. Проанализированы корреляцпонныо зависимости мйоду кинотп-. чеекпми параметрами биологических и модельных систем к параметрами полярности среды. При рассмотрении пяти донорно-акцепторннх Нар СДАЛ )бшю показано, что в системах 1-3 и 5 реализуется механизм, при котором фяукту.щиодаая дпэлектрлчоска-; "подстройка"

. .среди предшествует электронному переносу Механизм I),

7.'Изучено влияние динамики срадц на процесс пзренора элек-

■ трона в молекуле биаптрила в' толуоле, этаноле к глицерине, Лока-•• зано, что в глицерина реализуется механизм I зсрг»пзсг ив&зуь Л

этаноле в процессе переноса заряда глашу» роль ц^аат ^члкосас-

- 20 - ' .

тотнаяf область релаксации средн.

. Публикации.Основное содерзакиэ диссертации опубликовано . в следующих работах:. - У - • ' ^

. . 1«.' Котэтьников А.И., Еыстряк С.!,1.,' Лихтенштейн ГЛ. "Поляр-■ хюсть модельных".'я биологических матриц в условиях неравноззйиоП .. сольватация.- Тезисы доаяадоз Всесоюзной конференции '.'Спэктрос-' копия биоиолшлероз", Харьков,. Изд.'АН СССР, 1Э88, С.115.

: 2. KcMnlUov ,9.1., Рсче? V.R:\ Г. /4.f £. i f

[iUknthitt G.TSi^iuüe ^J г&па»гСс

: äAitt and fo^e»fltocnf,

3.. Быстряк C.M., Котолыпкоз А.И.» Лихтенштейн Г.И., Яику--77Л В.И. Изучение мегмолекулирных взаимодействуй возбунденкых . " "олскул октадецилзозиншидае молекулами среда в полярных п непо--.^шх растворителях лгглинесцзхггшлщ методатлп//Зурн. пргл. сиог.троскоиии. -1S90.- Т.52. Л2,- С. 249-255. Л ■ • 4.: Бвозряв;СЖ.Лшаеяамйн.Г.И., • Кйгел&апгаз А.И. Оцэпка . паршетров распределении времен,диэлектрической релаксация раствориталя. лщиЕзсцентшйп методами. // дуря, прнкл. спектроскопия.- 1990.- Т.52, «3.- С. 594-400. -

5. Лихтенштейн Г.И., Бйотряк С.!!. .Котельников А.И.. Роль молекулярной динамики среди в процессах электронного переноса .*, в вязких средах. // Химическая Физика.-1930.- Т.9, £5„~ С. 697' 705., - .V- "у. '...."■' : ' . •

t-02749. 0».Q5.I9SQr. Зак. 556 . Обаём 1,25п.л." Тир. ЮОэкэ. v -: : , . Типография 03X0 АН СССР