Синтез и свойства моно- и бисфотохромных систем на основе стирилового хромофора тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ им. А. Н. НЕСМЕЯНОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Бердникова Дарья Владимировна

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА MOHO- И БИСФОТОХРОМНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СТИРИЛОВОГО ХРОМОФОРА

02.00.03 - органическая химия 02.00.04 — физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ 005055899

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 9 НОЯ 2012

Москва-2012

005055899

Работа выполнена в Лаборатории фотоактивных супрамолекулярных систем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН)

Научные руководители: доктор химических наук

Федорова Ольга Анатольевна ИНЭОС РАН, г. Москва

кандидат химических наук Федоров Юрий Викторович ИНЭОС РАН, г. Москва

Официальные оппоненты: доктор химических наук, заведующий

Лабораторией молекулярной спектроскопии Локшин Борис Вениаминович ИНЭОС РАН, г. Москва

доктор химических наук Васильев Андрей Александрович Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им Н.Д. Зелинского Российской академии наук, г. Москва

Ведущая организация: Химический факультет

Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова"

Защита состоится 13 декабря 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.250.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при ИНЭОС РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, В-334, ул. Вавилова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН Автореферат диссертации разослан « ¡0 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.250.01 кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время фотоактивные соединения широко востребованы для создания фотонных и оптоэлектронных устройств, оптических сенсоров и маркеров, светочувствительных материалов. При этом все большее внимание исследователей привлекают системы, состоящие из двух фоточувствительных фрагментов, ковалентно связанных друг с другом в составе одной молекулы. Повышенный интерес к таким соединениям продиктован тем, что молекулярная димеризация часто позволяет значительно улучшить желаемые фотофнзические характеристики, а также приводит к проявлению таких важных с практической точки зрения явлений, как фотоиндуцированный перенос энергии и электрона, агрегационно-индуцированная флуоресценция и др. Основной массив изученных к данному времени бисфотохромных систем составляют молекулы, содержащие два одинаковых хромофора. Тем не менее, многие практические цели, например, создание элементов оптической памяти, часто базируются на использовании более сложных фотоактивных соединений, содержащих два или несколько различных по своей природе хромофоров. Однако область гибридных систем по-прежнему остается малоразработанной из-за сложности синтеза и исследования таких молекул.

В данной работе в качестве основного структурного элемента исследованных моно-и бисхромофорных соединений был выбран мотив стирилового красителя, который определяет их фотофизические свойства. Необходимо отметить, что стириловые красители являются одним из известных классов органических фоточувствительных соединений, которые находят широкое применение благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Небольшие вариации в структуре раскрывают целый спектр фотофизических и фотохимических процессов в стириловых производных, а детальное исследование взаимосвязи строения молекулы с ее свойствами дает возможность тонкой настройки и управления необходимыми характеристиками.

Одним из направлений исследований в области стириловых красителей является получение соединений, способных к направленному связыванию с ДНК. В настоящей работе данной проблеме также уделено внимание, поскольку разработка ДНК-связывающих лигандов для создания новых химиотерапевтических средств является одной из приоритетных целей в биохимических исследованиях. Привлекательными объектами для осуществления контролируемого взаимодействия лиганд-ДНК являются фоточувствительные соединения, которые изначально проявляют слабое сродство к ДНК, но могут быть превращены в связывающуюся с ДНК форму под действием света. Однако, несмотря на очевидные преимущества фотохимического подхода, известно очень мало соединений, для которых связывание с ДНК можно контролировать с помощью света.

Цели работы. Синтез моно- и бисфотохромных молекул на основе стирилового хромофора, а также синтез гибридной бисфотохромной системы, содержащей одновременно фрагмент нафтопирана (хромена) и стириловый остаток. Исследование фотофизических свойств полученных соединений, изучение влияния среды на их оптические характеристики. Исследование комплексообразования стириловых производных с катионами металлов и ДНК.

Научная новизна. Разработаны методы синтеза неописанных ранее несимметричных бисстириловых красителей, содержащих остатки различных краун-эфиров, а также гибридной бисфотохромной системы на основе фрагмента нафтопирана (хромена) и стирилового хромофора.

Найден и количественно охарактеризован фотоиндуцированный перенос энергии в несимметричных бисстириловых красителях и их комплексах. Впервые продемонстрирована возможность обращения направления процесса переноса энергии относительно молекулярной структуры путем изменения характеристик среды.

Обнаружен и охарактеризован переход гибридной бисфотохромной системы из нефотохромного состояния с переносом энергии в форму, проявляющую двойной фотохромизм, при изменении кислотности среды.

На основе реакции фотоциклизации производного стирилбензотиазола создана новая система для реализации фотоуправляемой интеркаляции с ДНК.

Практическая ценность. 1) разработаны подходы к получению соединений, содержащих два различных хромофора, а именно, несимметричных краун-содержащих бисстириловых красителей и стирилзамещенных нафтопиранов; 2) продемонстрирована возможность использования краун-содержащих бисстириловых красителей для одновременного оптического распознавания двух различных катионов металлов; 3) обнаруженный катион-управляемый перенос энергии в несимметричных красителях может быть использован для построения сенсоров для биохимического катионного анализа; 4) фотоуправление процессом интеркаляции производного стирилбензотиазола с молекулами ДНК может служить основой для разработки практически важных фотоуправляемых биохимических процессов.

Личный вклад автора. Автор диссертации участвовал в анализе литературных данных, обсуждении задач, решаемых в диссертационной работе, подготовке и проведении экспериментов, интерпретации полученных результатов и их обобщении, формулировке основных научных выводов, а также в написании научных публикаций и представлении докладов по теме диссертации на конференциях различного уровня.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 09-0300283, № 09-03-00241а, №12-03-00778, 12-03-31251 мол_а, № 09-03-93116 НЦНИЛ_а, №10-03-93106 НЦНИЛ_а, ГК Министерства образования и науки РФ № 02.740.11.5221, Международной программы Европейского научного объединения (ЕНО) «Супрамолекулярные системы в химии и биологии» (CNRS-RAS), а также стипендиальной программы для молодых ученых Германской службы академических обменов (DAAD).

Автор выражает глубокую благодарность к.х.н. E.H. Гулаковой, к.х.н. С. В. Парамонову (ИНЭОС РАН), к.х.н. Е. В. Туляковой (Université Lille Nord de France), Dr. G. Jonuäauskas (Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine, Université Bordeaux 1, France), Prof. Dr. H. Ihmels (Universität Siegen, Germany) за участие в постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов на разных этапах работы.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, из них 3 -в журналах из списка ВАК. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: Riga Technical University 50th Students research conference (RTU, Rîga, Latvia, 2009 г.); XLV, XLVI Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии (РУДН, Москва, Россия, 2009 и 2010 гг.); Международные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009», «Ломоносов-2010» и «Ломоносов-2011» (МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия, 2009, 2010 и 2011 гг.); Vth International Symposium «Design and synthesis of supramolecular architectures» (Kazan, Russia, 2009 г.); VI Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2010-MKXT» (РХТУ, Москва, Россия, 2010 г.); II

Международная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе, Россия, 2010 г.); IV Молодежная конференция ИОХ РАН (Москва, Россия, 2010 г.); Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов «Инновации в химии: достижения и перспективы» (Москва, Россия, 2010 г.); 3rd International Summer School «Supramolecular systems in chemistry and biology» (Lviv, Ukraine, 2010 г.); XXIII and XXIV IUPAC Symposium on Photochemistry (Ferrara, Italy, 2010 г.; Coimbra, Portugal, 2012 г.); XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии (Суздаль, Россия, 2011 г.); 19th International Symposium on the Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds (Strasbourg, France, 2011 г.); Russian-French Joined symposium on organic photochromes «PHENICS in Russia» (Chernogolovka, Russia, 2011 г.).

Структура работы. Диссертационная работа общим объемом 156 страниц состоит из введения, обзора литературы, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части, выводов и приложений и содержит 28 схем, 4 таблицы и 83 рисунка. Список литературы включает 177 наименований.

1. Синтез моно- и бисстириловых соединений 1.1. Синтез моностириловых производных

Моностириловые производные 1-3, 6-8 были синтезированы по реакции конденсации метилзамещенных гетероциклов с соответствующими бензальдегидами в условиях основного или кислотного катализа. Стириловые красители 4, 5 получены кватернизацией оснований 1 и 2 (схема 1).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Схема 1

нею*, EtDH

+ о

2(63X1

J

s m xi

3 (S4 X|

N

-CH, +

rQ-

1.2. Синтез краун-содержащих бисстириловых красителей

Симметричные бисстириловые красители 10а-с, содержащие два фрагмента азадитиакраун-эфира, были получены в результате конденсации бисгетероциклических солей 9а-с с формильным производным азадитиакраун-эфира (схема 2).

Схема 2

' Vi"0"1

MeCN, 80°С

Для синтеза несимметричных бисстириловых красителей 12а-с была применена аналогичная схема превращений (метод 1, схема 3). Однако при выделении и исследовании продуктов конденсации, начиная с предпоследней стадии синтеза, обнаружились следующие проблемы. Во-первых, сигналы протонов в 'Н ЯМР спектрах ila-c и 12а-с оказались сильно уширенными (рис. 1). Во-вторых, согласно оптическим и электрохимическим исследованиям, отсутствовало комплексообразование 12а-с с катионом магния по бензокраун-эфирному фрагменту, хотя для аналогичных красителей 15а-с такое комплексообразование идет легко. При этом комплексообразование по азадитиакраун-эфиру полностью сохранялось. Кроме того, в масс-спектрах с ионизацией электрораспылением (ИЭР) не были найдены пики двухзарядных катионов с соответствующими для соединений 12а-с значениями m/z. С другой стороны, результаты элементного анализа 11а-с и 12а-с находились в полном соответствии с расчетным составом полученных соединений.

Схема 3

Метод 1

110~cH> MeCN, 80°С

2) НСЮ4, EtOH

пиперидин н-BuOH, 80°С

Схема 4

Супрамолекулярная димеризация несимметричного бисстирилового красителя

о г <Г и

Возможные варианты "продевания" молекул

Димер

Олигомер

Для объяснения такого поведения мы предположили, что на предпоследней стадии синтеза моностириловое производное 11 а-с координируется по бензокраун-эфирному фрагменту соседней молекулы за счет активированной метильной группы пиридиниевого ядра (схема 4). Далее происходит продевание метильной группы в макроцикл с координацией пиридиниевого ядра в полости краун-эфира.

Схема 5

1) б

МеСЫ. 80°С

13а,с : смесь, преобладают

побочные продукты 15а,с 13Ь (71%)

2) N30104, ЕЮН

1) 2

МеСЫ, 80°С

14а (59%) 14Ь (48%)

14с : смесь, преобладает побочный продукт 10с

и с-с5-

Последующая конденсация супрамолекулярных ассоциатов моностириловых производных 11а-с с формильным производным азадитиакраун-эфира приводит к образованию специфических ротаксанов, в которых молекулы 12а-с оказываются взаимно продетыми через бензокраун-эфирные фрагменты. Возможно предположить несколько вариантов супрамолекулярной сборки, однако, судя по практически полной неспособности бензокраун-эфира к комплексообразованию с катионом М§2+, наиболее вероятной является структура димера I (схема 4).

4.2 4.1 4.0 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7

СЬ.ст^а ЗЬ1!( (ррт)

Рисунок 1. 'Н ЯМР спектры образцов красителя 12а, синтезированных а) по методу 2 и б) по методу 1 в СВ3СЫ при 273 К: (А) хромофорные фрагменты, (Б) краун-эфирные остатки. Звездочкой помечен сигнал примеси бензола.

Для проверки высказанного предположения об образовании супрамолекулярных структур, была предложена альтернативная схема синтеза красителей 12а-с. которая позволила избежать образования промежуточных продуктов Ла-с с активированной метильной группой (метод 2. схема 5). Оптимальная последовательность введения хромофорных фрагментов была определена экспериментально. Так, в случае пара-изомера 12а путь синтеза через стадию получения моностирилового красителя 14а. содержащего остаток азадитиакраун-эфира. оказался единственно возможным.

Для лето-изомера 12Ь были опробованы оба возможных пути синтеза (схема 5). Выяснилось, что в данном случае предпочтительнее начинать с введения хромофора, содержащего бензокраун-эфирный фрагмент, поскольку так достигается более высокий выход промежуточного продукта 13b. а целевой краситель 12Ь легче подвергается очистке. К сожалению, ни один из предложенных подходов не позволил синтезировать o/jflío-изомер несимметричного красителя 12с. поскольку в обоих случаях промежуточные моностириловые красители 13с и 14с образовывались в минорных количествах.

Синтезированные по методу 2 красители 12а,Ь имели прекрасно разрешенные 'Н ЯИР спектры (рис. 1). Сопоставление 'Н ЯМР спектров образцов красителя 12а, полученных по методу 1 (уширенный спектр) и методу 2 (разрешенный спектр), подтверждает структуру ассоциата, в котором принимают участие только хромофоры с бензокраун-эфирным фрагментом (схема 4, рис. 1). Для вновь полученных образцов соединений 12а,Ь комплексообразование по бензокраун-эфиру реализовывалось в полной мере и было количественно охарактеризовано с помощью оптической спектроскопии. В ИЭР масс-спектрах данных образцов соединений 12а,b были найдены пики двухзарядных катионов с соответствующими значениями m/z. Все дальнейшие исследования проводились с красителями 12а,Ь. синтезированными по методу 2.

1.3. Синтез гибридной системы на основе нафтопирана и стирилового хромофора

В данной работе был разработан подход к синтезу гибридной бисфотохромной молекулы 20, содержащей остаток хромена и стирил(пиридиниевый) хромофор с диметиаминогруппой в фенильном ядре (схема 6).

Схема 6

Ph

TI(OEt)4, толуол

MeCN. p-TSA

Ph

Л*

он

Ph

17 (36 %)

19 (89 %)

На первой стадии получения хромена использовали два способа. Способ I, заключающийся во взаимодействии 3-(гидроксиметил)-р-нафтола 16 с

дифенилпропаргнловым спиртом в присутствии и-толуолсульфокислоты. был описан ранее для синтеза 17 Для полумения соединения 17 с более высоким выходом была предпринята попытка адаптировать реакцию II взаимодействия фенолов с Р-фенилкоричным альдегидом в присутствии этилата титана (IV), однако, она окончилась неудачей- Предположительно, в данном случае решающую роль играет образование комплекса с участием гидроксиметильной группы, что блокирует координацию Р-фенилкоричного альдегида по атому Тг Стириловый фрагмент гибридной молекулы достраивался с помощью последовательных реакций кватернизации и конденсации с образованием двойной связи,

2. Комплексообразование с катионами металлов

Введение краун-эфирных остатков в сопряжение с различными хромофорами является удобным способом создания молекулярных сенсоров, в которых связывание субстрата краун-эфиром инициирует изменение оптических характеристик хромофорной части. При модификации бисхромофорного красителя с помощью двух различных по свойствам краун-эфиров образуется несимметричная молекула, состоящая из двух различных хромофоров, оптические характеристики каждого их которых могут модулироваться независимо друг от друга путем введения соответствующих катионов.

2.1. Комплексообразование симметричных бисстириловых красителей 10а-с

Спектры поглощения симметричных бисстириловых красителей 10а-с, содержащих остатки азадитиа-15-краун-5-эфира, характеризуются наличием интенсивной длинноволновой полосы поглощения (ДПП) с максимумом в области 490 нм, обусловленной процессом внутримолекулярного переноса заряда с донорной краун-эфирной части на акцепторный пиридиниевый фрагмент (рис. 3). Связывание катионов металлов по краун-эфирным фрагментам красителей Юа-с приводит к гипсохромному сдвигу в спектрах поглощения и флуоресценции за счет взаимодействия катиона с неподеленной электронной парой краун-эфирного атома азота, вовлеченного в хромофорную систему. Величина гипсохромного сдвига зависит от природы катиона металла. Для оценки сенсорных свойств соединений 10а-с был проведен скрининг с использованием перхлоратов семи металлов (¿п2+, №2+, Ag+. С.с12+. РЬ2+. Н?2*, Сн2+).

Схема 7

Ag+, Н§2+

Уы

Оказалось, что красители 10а-с дают селективный оптический отклик при добавлении Ag+, и Си"+ (рис. 2), поэтому дальнейшие исследования комплексообразования

проводились с данными катионами.

Важно отметить, что после образования комплексов с Си2+ в спектрах поглощения

красителей 10а-с происходили медленные изменения, наиболее вероятно связанные с восстановлением Си~+ до Си+, поэтому определение констант устойчивости комплексов 10а-с с катионом Си2+ оказалось невозможным.

Комплексообразование 10а-с с А§СЮ4 и Н§(С104)2 в ацетонитриле было исследовано с помощью метода спектрофотометрического титрования.

Поскольку в молекулах 10а-с присутствуют два центра координации, возможно образование комплексов со

стехиометрическим соотношением

металл/лиганд 1:1 и 2:1.

Нд(1!) Си{11) Ад(1) РЬ{|[) Со.;;!) N({(1) 2п(н)

Рисунок 2. Изменение интенсивности поглощения (в %) раствора 10а в ацетонитриле при добавлении 10 экв. перхлоратов соответствующих металлов (Я, = 490 нм, С10а = 10"5 М).

Длина волны / нм Длина волны / нм

Рисунок 3. Спектры поглощения лиганда 10а и его моно- и биметаллических комплексов с Ag+ (а) и Hg2+ (б) в ацетонитриле при 20°С.

В случае комплексов 10а-с с Ag+ использовался метод прямого спектрофотометрического титрования. Для комплексов с Hg2+ применялось конкурентное титрование, поскольку значения lgК оказались слишком велики (lg/C > 7). В качестве лиганда-конкурента было выбрано соединение 8 (Lc), для которого известна константа устойчивости комплекса с Hg2+ (lgATc = 16.5). Полученный набор спектров поглощения обрабатывался с помощью программы SpecFit/32, предназначенной для расчета констант равновесия по данным спектрофотометрического титрования. Спектры поглощения свободного красителя 10а, его моно- и биметаллических комплексов с серебром (I) и ртутью (II) приведены на рисунке 3. Рассчитанные значения констант устойчивости комплексов 10а-с с Ag+ и Hg2+ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Оптические характеристики и константы устойчивости 10а-с и их комплексов в ацетонитриле при 293 К.

Соединение С1гапз Х.110 '-1 Кот, нм 12 ХфЛ, нм юфл х Ю2

л моль см

10а 9.31 491

10а Ag+ —

10а ■ (Ая+)2 455

10а —

10а ■ (Н§2+)2 359

633 2.2

2.79 ± 0.01 — —

5.30 ±0.03 609 12.0

16.0 ± 0.2 — —

32.4 ±0.2 579 9.8

юь 10Ь Ag+ ЮЬ • (Ая+Ъ юь ■ ЮЬ • (Н82+)2 9.32 489 454 358 3.29 ±0.03 5.82 ±0.06 16.4 ± 0.1 32.4 ±0.2 633 610 579 1.9 10.0 9.4

Юс 9.32 486 637 1.1

Юс Ag+ — 3.23 ±0.01 — —

Юс • (Аё+)2 457 5.47 ±0.04 613 6.6

Юс • — 16.35 ±0.1 — —

Юс • (НВ2+32 362 31.5± 0.2 582 9.1

8 8 Аё+ 8 Нё2+ 3.48 474 440 350 3.91 ±0.02 16.5 ±0.1 618 598 567 3.0 17.0 9.0

Ад* Нд2* Ад* Нд2'

10а 10а • •

ЮЬ ЮЬ • •

Юс Юс • •

Поглощение Флуоресценция

С точки зрения практического применения важно, чтобы сенсорные молекулы сохраняли способность давать аналитический отклик не только в растворах, но и на твердых носителях. В связи с этим нами было оценено комплексообразование красителей 10а-с на поверхности силикагеля. На основе литературных данных мы предположили, что соединения 10а-с будут прочно удерживаться на поверхности силикагеля за счет заряженных фрагментов, тогда как краун-эфирные фрагменты останутся доступными для взаимодействия с катионами металлов. Для проверки нашего предположения на силикагель были нанесены растворы исследованных красителей 10а-с в ацетонитриле. После испарения растворителя на полученный образец наносились водные растворы А§С104 и ^(СЛСЭДг (рис. 4). Изменение цвета прп образовании соответствующих комплексов на твердой поверхности хорошо согласуется с данными оптической спектроскопии (таблица I): связывание Ag+ и приводит к гипсохромному сдвигу максимумов поглощения и

флуоресценции, а также к разгоранию флуоресценции комплексов по отношению к флуоресценции свободного лиганда. Таким образом, при адсорбции на твердой поверхности 10а-с сохраняют свои сенсорные свойства. Более того, в данном эксперименте была продемонстрирована способность исследованных красителей

Рисунок 4. Поглощение и флуоресценция бисстириловых красителей 10а-с и их комплексов с Ag+ и на поверхности

силикагеля.

связывать катионы не только из органической среды (ацетонитрил), но и из водных растворов, что важно для практического применения.

Исследование комплексообразования методами спектроскопии ЯМР. Помимо оптических исследований, комплексообразование красителей 10а,с было изучено с помощью спектроскопии ЯМР в СЭзСЫ. Сравнение спектров 'Н ЯМР лигандов 10а,с в свободном виде и в присутствии 10 экв. AgC104 (рис. 5) свидетельствует о связывании катионов серебра краун-эфирными остатками молекул красителя.

-СН,- Н-у.У

Chemical Shifl (ppm)

Рисунок 5 'Н ЯМР спектры 10а (С = 10"1 М) в присутствии а) 0; б) 10 эквивалентов AgClOj в ацетонитриле при 293К.

Так, при добавлении AgClC>4 сигналы всех протонов, принадлежащих сопряженной хромофорной системе, а также протонов метиленовых групп мостика и краун-эфиров, претерпевают слабопольный сдвиг, поскольку комплексообразование приводит к понижению электронной плотности на молекуле лиганда. При увеличении соотношения металл/лиганд можно было бы ожидать образования двух наборов сигналов, соответствующих свободной и закомплексованной частям молекулы. Однако расщепление сигналов в спектрах отсутствует, что указывает на высокую скорость катионного обмена между лигандом и средой.

'Н ЯМР исследования комплексообразования 10а,с с Hg(C104)2 проводились при пониженной температуре (233 К), чтобы исключить уширение спектров в результате конформационных переходов при комнатной температуре В случае пара-изомера 10а в спектрах наблюдалось расщепление сигналов, свидетельствующее о присутствии в растворе смеси свободного красителя и его комплексов (рис. 6А). Так, при соотношении металл/лиганд 0.5:1 и 1:1 очевидно наличие трех групп сигналов, которые можно отнести к свободному 10а, а также его моно- и биметаллическому комплексу с катионом ртути (II)

Характер изменений в спектрах 'Н ЯМР при добавлении Hg(C104)i к раствору орто-изомера Юс резко отличается от изменений в спектрах иара-изомера 10а, рассмотренных выше. Так, в случае 10с при соотношении металл/лиганд 0.5:1 и 1:1 спектры сильно уширены и соотнесение сигналов протонов провести невозможно (рис. 6Б). Однако при достижении соотношения металл/лиганд 2:1 спектр снова становится разрешенным, причем большинство сигналов протонов оказываются

сдвинутыми в область слабых полей, подтверждая факт образования комплекса. Такое спектральное поведение 10с при комплексообразовании с ионом можно объяснить исходя из предположения, что комплекс [10с^2+] существует в виде внутримолекулярного "сэндвича", в котором ароматические кольца, принадлежащие обоим хромофорам, расположены в непосредственной близости друг от друга и проявляют взаимный анизотропный эффект, приводящий к уширению спектров (Схема 8).

1

и

г1Х—ЦЦА..............и 1/1.1...............................................ДА>/У~ЛА

СЬетюа! вЫН (ррт)

Рисунок 6. 'н ЯМР спектры А) 10а (С = 10"4 М) и Б) 10с (С = 10"3 М) в присутствии а) 0; б) 0.5; в) 1; г) 2 эквивалентов Н^СЮ^ в ацетонитриле при 233К.

Для красителя 10а с шра-ксилиленовым мостиком образование "сэндвичевой" структуры стерически затруднено, поэтому в ЯМР спектре ясно детектируется расщепление сигналов (рис. 6А). Наши предположения о структуре комплексов подтверждаются величинами констант устойчивости, полученными из данных оптической спектроскопии (табл. 1). Так, константы устойчивости моно-ионных комплексов 10а с Ац+

и ниже соответствующих констант для ЮЬ,с. Возможной причиной этого может быть взаимодействие краун-эфирных остатков, приводящее к образованию упомянутой выше "сэндвичевой" структуры, в которой катион металла координируется обоими макроциклическими фрагментами одновременно.

Схема 8

Эффекты кооперативности при комплексообразовании. При анализе комплексообразования молекул, содержащих два или несколько центров связывания, важно знать, являются ли эти центры независимыми или их взаимодействие с субстратом характеризуется кооперативностыо, т.е. влиянием центров связывания друг на друга, приводящем к усилению или ослаблению их сродства к субстрату. Для молекул 10а-с, имеющих два центра связывания, кооперативность а может быть вычислена по следующей формуле:

а = 4К2/К,2

Если кооперативность отсутствует, а = 1, однако любое отклонение от 1 свидетельствует о том, что центры связывания не являются идентичными и проявляют кооперативное взаимодействие. Так, кооперативность положительна при а > 1 (связывание первой молекулы субстрата облегчает связывание следующей молекулы), кооперативность отрицательна при а < 1 (связывание первой молекулы субстрата затрудняет связывание следующей молекулы).

Комплексы 10Ь и Юс катионом серебра (I) проявляют отрицательную кооперативность (а= 0.7 и а= 0.4, соответственно). Это означает, что связывание первого катиона Ag+ понижает сродство лиганда ко второму катиону, и в промежуточном диапазоне концентраций в растворе преобладает моно-ионный комплекс. В случае красителя 10а кооперативность оказалась положительной (а = 2). Отрицательная кооперативность была выявлена для комплекса орто-изомера Юс с Hg2+ (а = 0.25), что согласуется с предположением о том, что комплекс [10cHg2+] существует в виде внутримолекулярного "сэндвича".

Образование смешанного комплекса с катионами Ag* и Hg2+. Поскольку константы устойчивости комплексов с катионами серебра (I) и ртути (II) значительно отличаются, интересно получить смешанный комплекс, в котором два различных катиона связываются одной молекулой лиганда. Для данного исследования был выбран краситель 10а с пара-ксилиленовым мостиком. Используя значения констант устойчивости комплексов 10а с

(табл. I). можно вычислить состав раствора при любом исходном содержании красителя 10а и соли ртути. Было найдено, что в растворе, содержащем 10а и Н§2+ в эквимолярном соотношении, 28% от общего количества лиганда существуют в виде монокомплекса [10аН§2+], 36% образуют биметаллический комплекс [10а(Р^2+)2] и оставшиеся 36% находятся в свободном состоянии. При добавлении А§С1С>4 к данной смеси монометаллический комплекс [10а-^2+] может взаимодействовать с Ag+, образуя смешанный комплекс [Н^2+-10а^+]. Было проведено спектрофотометрическое титрование эквимолярной смеси 10а и Ь^(С1С>4)2 раствором перхлората серебра (рис. 7). Показано, что для описания наблюдаемых спектральных изменений необходимо учитывать образование в процессе титрования смешанного комплекса 10а А§+]. Из-за сложного состава исследуемой системы, в которой присутствует по меньшей мере 6 окрашенных компонентов, нам не удалось определить значение константы устойчивости смешанного комплекса. Тем не менее, благодаря выраженным спектральным изменениям, красители 10а-с могут быть использованы для одновременного детектирования катионов Ag+и Щ1*.

Длина волны,нм

Рисунок 7. Спектрофотометрическое титрование красителя 10а (С= 10"5 М) раствором AgC104 (0 2 < 1832) в присутствии 1 экв. ^(СЮ4)2 в ацетонитриле при20°С.

2.2. Комплексообразование несимметричных бисстириловых красителей 12а,Ь

Спектры поглощения исследованных в данной работе несимметричных бисстириловых красителей 12а,Ь характеризуются наличием двух длинноволновых полос поглощения (ДПП). Максимум ДПП, соответствующей хромофорному фрагменту, содержащему бензокраун-эфир, расположен в области 420 нм, тогда как максимум ДПП, отвечающей поглощению хромофорного фрагмента с азадитиакраун-эфиром, находится в области 480 нм (рис. 8).

Благодаря наличию двух полос в спектрах поглощения, несимметричные красители 12а,Ь могут быть рассмотрены как оптические сенсоры, потенциально способные к распознаванию двух различных катионов. Так, при добавлении к раствору 12а катиона Мё + происходит гипсохромный сдвиг полосы поглощения хромофора, сопряженного с фрагментом бензо-15-краун-5-эфира (рис. 8, 9). При этом положение полосы поглощения, соответствующей хромофору, содержащему азадитиа-15-краун-5-эфир, остается неизменным, что свидетельствует об отсутствии взаимодействия данного макроцикла с катионом Мё2+. С другой стороны, при введении в раствор 12а катионов Ag+наблюдается

гипсохромное смещение полосы поглощения хромофора, сопряженного с азадитиакраун-эфиром, а поглощение второго хромофора остается неизменным (рис. 8, 9). Величины констант устойчивости, а также оптические характеристики соединений 12а,Ь и их комплексов с М%2+ и Ag+ приведены в таблице 2.

Длина волны / нм Длина волны / нм

Рисунок 8. Спектрофотометрическое титрование красителя 12а 1^(СЮ4)2 (а) и AgC104 (б) в ацетонитриле при 20°С. Вставки: зависимость концентрации свободного красителя (Ь) и образующегося комплекса (Ъ Мс1) от концентрации соответствующего катиона металла.

Таблица 2. Оптические характеристики и константы устойчивости 12а,Ь и их комплексов в ацетонитриле при 293 К.

Соединение ^■погл, НМ ех Ю4, л моль"'см"' кх

12а 420, 486 3.31, 3.72 _

12а *367. 486 *3.40, 3.79 3.27 ±0.03

12а ■ *415, 470 (плечо) *4.01 2.70 ±0.01

12Ь 416,488 2.57,2.67 _

12Ь ■ *369, 487 *2.63, 2.61 4.03 ± 0.02

12Ь ■ »411,470 (плечо) *3.22 2.68 ± 0.02

* приведены характеристики спектров, полученных в программе 8ресРй/32

3. Фотоиндуцированный перенос энергии в несимметричных бисфотохромных системах

3.1. Перенос энергии в несимметричных бисстириловых красителях

Наиболее интересным свойством несимметричных бисстириловых красителей 12а,Ь, а также их комплексов с и Н+, является наблюдаемый в них

внутримолекулярный фотоиндуцированный процесс переноса энергии. Исследование данного процесса было проведено с помощью разрешенной во времени флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии поглощения возбужденных состояний молекул. При возбуждении хромофорного фрагмента, поглощение которого лежит в более коротковолновой области, энергия электронного возбуждения переносится на соседний хромофор, поглощающий в более длинноволновой области, который затем релаксирует в соответствии с особенностями своего фотофизического поведения. В свободных

несимметричных красителях 12а,Ь донором энергии электронного возбуждения является хромофор, содержащий фрагмент бензо-15-краун-5-эфира (О-хромофор), максимум ДПП которого располагается в области 420 нм. В качестве акцептора энергии выступает хромофор, сопряженный с азадитиа-15-краун-5-эфиром (Ы-хромофор), максимум ДПП которого находится в области 480 нм.

300 400 500

Длина волны / нм

6)

300 400 500

Длина волны / нм

Схема 9. Схема переноса энергии в несимметричных бисстириловых красителях 12а и их комплексах с и Н+.

Рисунок 9. Спектры поглощения свободного красителя 12а (а) и его комплексов с (а) и Н+ (б) в

ацетонитриле.

Изменение характеристик среды, например, введение катионов или подкисление, позволяет варьировать положение максимумов поглощения и флуоресценции хромофорных фрагментов и, таким образом, изменять параметры переноса энергии в исследуемых системах (схема 9, рис. 9). Так, при образовании комплексов 12а,Ь с катионом М§2+ происходит гипсохромный сдвиг полосы поглощения О-хромофора (рис. 9а), что ускоряет перенос энергии за счет более полного перекрывания спектров флуоресценции закомплексованного О-хромофора (донор) и поглощения И-хромофора (акцептор). С другой стороны, связывание 12а,Ь с Н+ вызывает значительный гипсохромный сдвиг максимума ДПП Ы-хромофора (рис. 96), поэтому в протонированных красителях полосы поглощения хромофоров меняются местами: теперь в более коротковолновой области поглощает Ы-хромофор.

Таблица 3. Времена жизни флуоресценции т. времена Гркнт и эффективности // переноса энергии в 12а.Ь и их комплексах

Данный факт позволяет обратить направление переноса энергии относительно молекулярной

структуры, а именно, в протежированных системах

донором энергии становится Ы-хромофор. а акцептором -О-хромофор (схема 9). Эффективность переноса энергии в несимметричных бисстириловых красителях 12а,Ь очень высока и в большинстве случаев превышает 99% (табл. 3). Важно отметить, что данные соединения являются первым примером систем, в которых возможно обращение направления процесса переноса энергии относительно молекулярной структуры с помощью изменения параметров внешней среды, а именно, повышения кислотности.

3.2. Перенос энергии в гибридной бисфотохромной системе

Соединение г, пс гшет, пс >п %

12а 120, 480 0.150 99.98

12а 127, 520 0.150 99.79

12а Н+ 220, 520 0.220 97.80

12Ь 107, 440 0.110 99.98

12Ь Мя2+ 114, 490 0.100 99.86

12Ь Н+ 147, 423 0.140 98.60

1,1

¡5 0,9

о

о 0,7

[=

ГГ

0,6

О)

0,3

о

0,1

7/ \ 20

ч \\

// \\

// А

1 я \ \ / \\

Д\\ 19 г/ V

400

500

Длина волны / нм

Рисунок 10. Спектры поглощения монохромофорных предшественников 7 и 19 и гибридной молекулы 20 в ацетонитриле (С = 2.5 10° М).

В настоящей работе исследована гибридная система 20, состоящая из фрагмента нафтопирана (хромена), соединенного с фрагментом 4-(4-диметиаминостирил)-пиридиния с

помощью метиленовой группы. Спектр поглощения гибридной системы 20 представляет собой суперпозицию спектров индивидуальных фрагментов, т.е. два хромофора в составе молекулы практически независимы (рис. 10). Ожидалось, что при облучении гибридной системы 20 будет происходить раскрытие пиранового цикла хромена, тогда как структура стирилового фрагмента

останется неизменной. Однако эксперименты показали, что молекула 20 не проявляет ожидаемого фотохромизма.

В случае если гибридная молекула возбуждается светом с длиной волны X = 350 нм, фрагмент хромена переходит в возбужденное состояние, в то время как стириловый хромофор остается в основном состоянии, поскольку его поглощение в рассматриваемой области отсутствует. Время жизни возбужденного состояния хромена составляет 2 пс, после чего начинается релаксация молекулы, которая протекает по двум основным направлениям: 1) фотохромное раскрытие пиранового цикла хромена (изомеризация) и 2) перенос энергии с хромена на стириловый хромофор и релаксация последнего с испусканием флуоресценции (схема 10). Характеристики упомянутых процессов, определенные с помощью спектроскопии поглощения возбужденных состояний, показали, что скорость переноса энергии намного выше скорости изомеризации (табл. 4).

Схема 10

6%

раскрытие пиранового цикла

94%

перенос энергии

Таблица 4. Времена изомеризации и переноса энергии г, константы скорости данных процессов к и их эффективности для гибридной молекулы 20.

В результате основная часть возбужденных молекул (94%) релаксирует путем переноса энергии с последующей флуоресценцией, и только 6% молекул расходует поглощенную энергию на раскрытие пиранового цикла. Таким образом. гибридная молекула 20 оказывается практически не фотохромной. При протонировании диметиламино-группы стирилового фрагмента нарушается главное условие переноса энергии - перекрывание спектра флуоресценции донора энергии и спектра поглощения акцептора энергии. Теперь процент молекул, претерпевающих раскрытие цикла, намного больше, и появление полосы поглощения открытой формы хромена при 450 нм фиксируется стационарными методами оптической спектроскопии (рис. 11).

Процесс т, ПС А, с1 Ц, %

Фотохромное 2,0 5.0 10" 6

раскрытие цикла

Перенос энергии 0,12 8.3 1012 94

Схема 11

Длина волны / им

Рисунок 11. Спектры поглощения гибридной молекулы 20 (зеленый) и ее протонированной формы [20 Н+] без облучения (красный) и в процессе облучения полным светом ртутной лампы (синий) в ацетонитриле (С = 2.5 10° М).

переносом энергии в форму, проявляющую двойной фотохромизм.

Интересно отметить, что при облучении протонированной формы гибридной молекулы 20 происходит уменьшение интенсивности полосы поглощения в области 340 нм (рис. 11). В то же время было показано, что переход хромена в открытую форму приводит к увеличению интенсивности поглощения в данной области. Такое несоответствие позволяет

предположить, что в протонированной системе 20, помимо фотохромного раскрытия хромена, имеет место также второй фотохромный процесс, а именно, тронс-^ис-изомеризация стирилового хромофора (схема 11). Таким образом, изменение кислотности среды вызывает переход гибридной молекулы из

нефотохромного состояния с

4. Фотоуправляемое связывание производного стирилбензотиазола с ДНК тимуса теленка

Одной из главных проблем разработки новых противораковых средств является обеспечение пространственного и временного контроля связывания терапевтического агента с ДНК. Привлекательными объектами для осуществления контролируемого взаимодействия лиганд-ДНК являются фоточувствительные соединения, которые изначально проявляют слабое сродство к ДНК, но могут быть превращены в связывающуюся с ДНК форму под действием света. В данной работе представлено развитие подхода к необратимому фотоиндуцированному связыванию двухцепочечной ДНК in situ на основе реакции фотоциклизации производного стирилбензотиазола 3 с образованием гетероароматического катиона бензотиазолохинолиния 22 (схема 12). Прекурсор 3 проявляет низкое сродство к ДНК, в то время как продукт фотоциклизации 22 является потенциальным интеркалятором, поскольку обладает развитой гетероароматической тс-системой и несет постоянный положительный заряд.

Схема 12

' X.......

£ У нет связывания с ДНК

ч/

интеркаляция

Спектрофотометрическое титрование производного стирилбензотиазола 3 двухцепочечной ДНК тимуса теленка (дц ДНК), а также исследования, проведенные с помощью спектроскопии кругового дихроизма, подтвердили наше предположение о том, что соединение 3 практически не взаимодействует с ДНК.

400 500 600

Длина волны / нм

Рисунок 12. Спектрофотометрическое титрование продукта фотоциклизации 22 (С" = 25 рМ) раствором дц ДНК в буфере ВРЕ (Сщш./С22 = 0-14.1). Вставка: график Скэтчарда лиганда 22.

450 500 550 600

Длина волны / нм

Рисунок 13. Флуориметрическое титрование продукта фотоциклизации 22 (С — 50 рМ} раствором дц ДНК в буфере ВРЕ = 410 нм, Сднк/С-ц = 0-7.9). Вставка: зависимость нормализованной интенсивности флуоресценции при 445 нм от концентрации ДНК.

В отличие от 3, титрование катиона бензотиазолохинолиния 22 дц ДНК приводит к значительным изменениям как в спектрах поглощения, так и в спектрах флуоресценции лиганда, что указывает на сильное взаимодействие 22 с дц ДНК (рис. 12, 13). Константа связывания лиганда 22 с дц ДНК была рассчитана из данных спектрофотометрического титрования в соответствии с нелинейной моделью McGhee и von Hippel и составила Кь= 1.7 х 105 М"'.

Поляриметрическое титрование показало, что при добавлении ДНК к раствору

ахирального соединения 22 в спектре кругового дихроизма начинает

проявляться отрицательный индуцированный сигнал (ИКД), сопряженный с длинноволновой полосой поглощения лиганда в области 400 нм (рис. 14), что также является признаком связывания органической молекулы с ДНК. Дальнейшие исследования по плавлению (денатурации) дц ДНК показали, что увеличение концентрации 22 в растворе приводит к повышению температуры плавления ДНК на 8 °С при соотношении лиганд/ДНК г = 0.5. Это свидетельствует о том, что продукт фотоциклизации 22 эффективно стабилизирует дуплекс ДНК по отношению к диссоциации на изолированные цепи. Для установления способа связывания лиганда 22 с дц ДНК было проведено вискозиметрическое титрование с использованием бромида этидия (типичный интеркалятор) в качестве стандарта. Так же, как и в случае бромида этидия, добавление изучаемого соединения 22 к раствору ДНК приводит к выраженному увеличению вязкости. Полученные данные позволили однозначно установить, что продукт фотоциклизации 22 является интеркалятором.

-5 -10

22

А -ДНК

г \ ----г-0.3

И -г = 0.5

| ИКД

Щ

250 300 350 400 450 500

Длина волны / нм

Рисунок 14. Спектры кругового дихроизма смесей дц ДНК (СдцК = 50 цМ) с лигандом 22 в буфере ВРЕ при различных соотношениях лиганд/ДНК г; серый: 22, красный: ДНК, зеленый: г = 0.3, синий: г = 0.5, черный: г ~ 1.0.

Осуществление фотоконтролируемой интеркаляции проводилось в буферном растворе, содержащем стириловый прекурсор 3 и дц ДНК, при облучении фильтрованным светом (Я. > 320 нм). Контроль над протеканием фотореакции осуществлялся с помощью электронной спектроскопии поглощения и спектроскопии кругового дихроизма (рис. 15). Соотнесение спектральных изменений в процессе фотореакции с данными спектрофотометрического и поляриметрического титрования соединения 22 однозначно подтверждает образование продукта фотоциклизации 22 in situ и его последующую интеркаляцию в ДНК. Важно отметить, что выбранные условия проведения фотореакции не приводят к разрушению ДНК.

250 350 450 250 350 450

Длина волны / нм Длина волны / нм

Рисунок 15. Фотохимическое превращение (X > 320 нм) соединения 3 в лиганд-интеркалятор 22 в присутствии ДНК тимуса теленка (С3 = 10 рМ; Сэ/Сднх = 1/6; фосфатный буфер, содержащий 10% ДМСО), контролируемое с помощью а) электронной спектроскопии поглощения и б) спектроскопии кругового дихроизма; синий: 3, красный: ДНК, от темно-зеленого к светло-зеленому: спектральные изменения в процессе фотореакции.

Таким образом, фотоиндуцированное превращение стирилового прекурсора 3 в интеркалирующий катион бензотиазолохинолиния 22 представляет собой новый пример системы для in situ генерирования ДНК-связывающего агента. Важно, что лиганд 22 образуется непосредственно в присутствии нуклеиновой кислоты, что позволяет осуществлять пространственный и временной контроль взаимодействия лиганд-ДНК. Полученные результаты являются перспективными для дальнейшей разработки фотоконтролируемых ДНК-интеркаляторов на основе стириловых производных.

Основные результаты и выводы:

1. Разработаны методы синтеза неизвестных ранее симметричных и несимметричных бисстириловых красителей, содержащих фрагменты краун-эфиров с различной комбинацией гетероатомов. Разработан метод получения гибридной бисфотохромной системы, содержащей фрагмент нафтопирана и стириловый хромофор.

2. Обнаружена селективность комплексообразования азатиакраун-содержащих бисстириловых красителей по отношению к катионам Ag+ и Hg2+ как в растворе, так и на твердой поверхности, а также способность несимметричных бисстириловых красителей к распознаванию катионов Mg2+ и Ag+.

3. Определены параметры фотоиндуцированного переноса энергии в несимметричных краун-содержащих бисстириловых красителях и их комплексах с Mg2+ и Н+. Впервые

показано, что изменение кислотности среды позволяет обращать направление процесса переноса энергии между фрагментами молекулы.

4. Количественно охарактеризован процесс переноса энергии в гибридной бисфотохромной системе. Показано, что для гибридной молекулы изменение кислотности среды позволяет осуществить переход от нефотохромного состояния с переносом энергии к форме, проявляющей двойной фотохромизм.

5. Продемонстрирована возможность применения реакции фотоциклизации производного стирилбензотиазола для фотоуправляемого генерирования интеркалирующего агента in situ в присутствии ДНК.

Содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Berdnikova D., Fedorova О., Gulakova Е., Ihmels Н. Photoinduced in situ generation of a DNA-binding benzothiazoloquinolinium derivative // Chem. Commun. - 2012. - V. 48. - P. 4603-4605.

2. Chernikova E., Berdnikova D., Fedorov Yu., Fedorova O., Peregudov A., Isaacs L. Self-assembly of a ternary architecture driven by cooperative Hg2+ ion binding between cucurbit[7]uril and crown ether macrocyclic hosts // Chem. Commun. - 2012. - V. 48. - P. 7256-7258.

3. Berdnikova D. V., Fedorov Yu. V., Fedorova O. A. Azadithiacrown ether based ditopic receptors capable of simultaneous multi-ionic recognition of Ag+ and Hg2+ // Dyes Pigm. -2013.-V. 96.-P. 287-295.

4. Бердникова Д. В., Федоров Ю. В., Федорова О. А. Новые бисстириловые красители, содержащие фрагменты фенилазадитиа-15-краун-5-эфира: синтез и комплексообразование // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. -2010.-Т. XXIV.-№6(Ш).-С. 19-23. ISSN: 1506-2017.

5. Алиев Т. М., Гулакова Е. Н., Бердникова Д. В., Шепель Н. Э., Федоров Ю. В., Федорова О. А. Синтез и фотохимические трансформации стириловых производных азинов // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. - 2012. - Т. XXVI. -№1(130).-С. 101-105. ISSN: 1506-2017.

6. Berdnikova D., Fjodorova О., Tujakova J. KraunsaturoSie bisstirila savienojumi: sinteze un pielietoSana vides fcimija un biolimija // Riga Technical University 50th Students research conference. - Riga, Latvia. - 2009. - P. 157.

7. Бердникова Д. В. Разработка методов синтеза несимметричных краунсодержащих бисстириловых красителей // Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009» [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

8. Бердникова Д. В. Новые краунсодержащие бисстириловые соединения: методы синтеза // XLV Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии. - Москва, Россия. - 2009. - С. 107.

9. Berdnikova D.V., Fedorova О.А., Fedorov Yu. V. Novel ditopic receptors based on crown-containing unsymmetrical bis(styryl) compounds // Vth International symposium «Design and synthesis of supramolecular architectures». - Kazan, Russia. - 2009. - P. 97.

10. Бердникова Д. В. Краунсодержащие бисстириловые красители - новые дитопные сенсоры на катионы металлов // Материалы международного научного форума «Ломоносов-2010» [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

11. Бердникова Д. В. Сенсорные свойства краун-содержащих бисстириловых красителей // XLVI Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии. - Москва, Россия. - 2010.-С.95.

12. Бердникова Д.В. Краунсодержащие бисстириловые краагтели - новые дитопные сенсоры на катионы металлов // Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов «Инновации в химии: достижения и перспективы». - Москва, Россия. -2010. - С. 113.

13. Berdnikova D.V., Fedorova О.А., Fedorov Yu.V. Unsymmetrical crown-containing bis(styryl) dyes: novel perspective units for metal cation sensor materials // XXIII IUPAC Symposium on Photochemistry. - Ferrara, Italy. - 2010. - P. 468.

14. Chernikova E.Yu., Berdnikova D.V., Fedorov Yu.V., Isaacs L., Fedorova O.A. Control of the reversible trans-cis isomerization reaction of stilbene derivative via complexation with cucurbit[7]uril materials // XXIII IUPAC Symposium on Photochemistry. - Ferrara, Italy. -2010.-P. 483.

15. Berdnikova D.V., Fedorova O.A., Fedorov Yu.V. Crown-containing bis(styryl) dyes: novel signaling units for sensor devices // 3rd International summer school «Supramolecular systems in chemistry and biology». - Lviv, Ukraine. -2010. - P. 57.

16. Chernikova E.Yu., Berdnikova D.V., Fedorov Yu.V., Tulyakova E.V., Fedorova O.A. Stabilization of cw-izomer of crown-containing styryl dyes encapsulated in cucurbit[7]uril // 3rd International summer school «Supramolecular systems in chemistry and biology». -Lviv, Ukraine.-2010.-P. 61.

17. Бердникова Д.В., Федорова O.A., Федоров Ю.В. Новые дитопные рецепторы на основе краун-содержащих бисстириловых красителей // II Международная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. - Туапсе, Россия. - 2010.-С.25.

18. Черникова Е.Ю., Федоров Ю.В., Федорова О.А., Перегудов А.С., Бердникова Д.В., Лиль И. Кооперативное взаимодействие краун-содержащих стириловых красителей, кукурбит[7]урила и катионов ртути в воде // II Международная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. - Туапсе, Россия.-2010.-С. 80.

19. Бердникова Д.В., Федорова О.А., Федоров Ю.В. Краунсодержащие бисстириловые красители: молекулярные сенсоры на катионы металлов // IV Молодежная конференция ИОХ РАН. - Москва, Россия. - 2010. - С. 36-37.

20. Бердникова Д.В. Синтез и свойства гибридных бисфотохромных систем // Материалы международного научного форума «Ломоносов-2011» [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

21. Бердникова Д.В., Федорова О.А., Федоров Ю.В. Дитопные молекулярные сенсоры для селективного распознавания Hg2+ и Ag+ // XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии. - Суздаль, Россия. - 2011. - С. 210-211.

22. Berdnikova D.V., Tulyakova E.V., Fedorova О.А., Fedorov Yu.V., Jonusauskas G. Optical characteristics of the chromogenic crown ether multi-ionic complexes // 19th International Symposium on the Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds. -Strasbourg, France. - 2011. - P. P-005.

23. Fedorova O., Berdnikova D., Lokshin V., Micheau J.-C., Tulyakova E., Delbaere S. Hybrid biphotochromic macrocyclic styryl naphthopyran: insights into structure and mechanism // Russian-French Joined symposium on organic photochromes «PHENICS in Russia». -Chernogolovka, Russia. - 2011. - P. 3 0.

24. Chernikova E.Yu., Berdnikova D.V., Fedorov Yu.V., Fedorova O.A., Tulyakova E. Cucurbit[7]uril-mediated effective photoisomerization of crown-containing styryl dyes in aqueous solution // Russian-French Joined symposium on organic photochromes «PHENICS in Russia». - Chernogolovka, Russia. - 2011. - P. 36.

25. Berdnikova D.V., Gulakova E.N., Ihmels H. Photocontrolled formation of an intercalating agent in the presence of DNA // XXIV IUPAC Symposium on Photochemistry. - Coimbra, Portugal.-2012.-P. 65.

Подписано в печать:

02.11.2012

Заказ № 7790 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

2.1. Свойства стирилового хромофора.

2.2. Бисстириловые производные в органических электролюминесцентных материалах.

2.3. Молекулярные сенсоры на основе бисстирнловых красителей.

2.4. Агрегация бисстириловых производных.

2.5. Образование радикалов бисстириловых производных и их применение

2.6. Биологические применения бисстириловых красителей.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Синтез моно- и бисстириловых соединений.

3.1.3. Синтез моностириловых соединений.

3.1.2. Синтез краун-содержащих бисстириловых красителей.

3.1.3. Синтез гибридных систем на основе нафтопирана и стирилового хромофора.

3.2. Комплексообразование краун-содержащих бисстириловых красителей с катионами металлов.

3.2.1. Оптические свойства и комплексообразование симметричных бисстириловых красителей 10а-с, содержащих фрагменты азадитиа-15-краун-5-эфира.

3.2.2. Оптические свойства и комплексообразование несимметричных бисстириловых красителей 12а,b с катионами металлов.

3.3. Фотоиндуцированный перенос энергии в несимметричных бисфотохромных системах.

3.2.1. Резонансный перенос энергии.

3.2.2. Перенос энергии в несимметричных краун-содержащих бисстириловых красителях.

3.2.3. Перенос энергии в гибридной бисфотохромной системе, содержащей остаток нафтопирана и стириловый хромофор.

3.4. Исследование фотоуправляемого связывания производного стирилбензотиазола с ДНК тимуса теленка

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Синтетическая часть

4.2. Проведение фотохимических реакций

4.3. Спектрофотометрическое определение констант устойчивости комплексов

4.4. Исследование взаимодействия лигандов 3 и 22 с ДНК тимуса теленка

4 4 1 Исследования взаимодействий ДНК-лиганд методами оптической спектроскопии

4 4 2 Эксперименты по плавлению двухцепочечной ДНК

4 4 3 Вискозиметрическое титрование

5. ВЫВОДЫ.

В настоящее время фотоактивные соединения широко востребованы для создания фотонных и оптоэлектронных устройств, оптических сенсоров и маркеров, светочувствительных материалов. При этом все большее внимание исследователей привлекают системы, состоящие из двух фоточувствительных фрагментов, ковалентно связанных друг с другом в составе одной молекулы. Повышенный интерес к таким соединениям продиктован тем, что молекулярная димеризация часто позволяет значительно улучшить желаемые фотофизические характеристики, а также приводит к проявлению таких важных с практической точки зрения явлений, как фотоиндуцированный перенос энергии и электрона, агрегационно-индуцированная флуоресценция и др. Основной массив изученных к данному времени бисфотохромных систем составляют молекулы, содержащие два одинаковых хромофора. Однако многие практические цели, например, создание элементов оптической памяти, часто базируются на использовании более сложных фотоактивных соединений, содержащих два или несколько различных по своей природе хромофоров. Тем не менее, область исследования гибридных систем по-прежнему остается малоразработанной из-за сложности синтеза и исследования таких молекул.

В данной работе в качестве основного структурного элемента исследованных моно-и бисхромофорных соединений был выбран мотив стирилового красителя, который определяет их фотофизические свойства. Необходимо отметить, что стирнловые красители являются одним из известных классов органических фоточувствительных соединений, которые находят широкое применение благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Небольшие вариации в структуре раскрывают целый спектр фотофизических и фотохимических процессов в стириловых производных, а детальное исследование взаимосвязи строения молекулы с ее свойствами дает возможность тонкой настройки и управления необходимыми характеристиками.

Одним из направлений исследований в области стириловых красителей является получение соединений, способных к направленному связыванию с ДНК. В настоящей работе данной проблеме также уделено внимание, поскольку разработка ДНК-связывающих лигандов для создания новых химиотерапевтических средств является одной из приоритетных целей в биохимических и медицинских исследованиях. Привлекательными объектами для осуществления контролируемого взаимодействия лиганд-ДНК являются фоточувствительные соединения, которые изначально проявляют слабое сродство к ДНК, но могут быть превращены в связывающуюся с ДНК форму под действием света. Однако, несмотря на очевидные преимущества фотохимического подхода, известно очень мало соединений, для которых связывание с ДНК можно контролировать с помощью света.

Целями данной диссертационной работы явились разработка методов синтеза моно- и бисфотохромных молекул на основе стирилового хромофора и гибридной бисфотохромной системы, содержащей одновременно фрагмент нафтопирана (хромена) и стириловый остаток, а также исследование фотофизических свойств полученных соединений, изучение влияния среды на их оптические характеристики и исследование комплексообразования стириловых производных с катионами металлов и ДНК.

Автор выражает глубокую благодарность к.х.н. E.H. Гулаковой, к.х.н. С. В. Парамонову (ИНЭОС РАН), к.х.н. Е. В. Туляковой (Université Lille Nord de France), Dr. G. Jonusauskas (Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine, Université Bordeaux 1, France), Prof. Dr. H. Ihmels (Universität Siegen, Germany) за участие в постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов на разных этапах работы.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 09-0300283, № 09-03-00241а, №12-03-00778, 12-03-31251 мола, № 09-03-93116 НЦНИЛа, №10-03-93106 НЦНИЛ а, ГК Министерства образования и науки РФ № 02.740.11.5221, Международной программы Европейского научного объединения (ЕНО) «Супрамолекулярные системы в химии и биологии» (CNRS-RAS), а также стипендиальной программы для молодых ученых Германской службы академических обменов (DAAD).

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Стириловые красители являются широко известным и хорошо исследованным классом органических фоточувствительных молекул. Благодаря своим уникальным оптическим свойствам данные соединения находят разнообразное применение в науке и технологии [1,2]. Интенсивные исследования стириловых красителей продолжаются и в настоящее время, что диктуется практическим интересом их применения в новых развивающихся областях, таких как органическая фотоника, электроника, фотовольтаика. Однако основной процент исследований посвящен монохромофорным стириловым производным. В данном литературном обзоре рассмотрены свойства соединений, содержащих два и более стириловых фрагмента, а также выделены наиболее важные области их применения. Особое внимание уделено сопоставлению свойств и практической ценности бисхромофорных соединений и их мономерных аналогов.