Сравнительное исследование фотоизомеризации провитамина Д в гомогенных и гетерогенных средах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.18 ВАК РФ

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ ХИМИИ ПОВЕРХНОСТИ

на правах рукописи

УДК 541.183. В: 643. 422: 641.143

ПЕРМШЮВА Ольга Геннадиевна СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ «ОГОИЗОЫЕРИЗАЦИИ ПРОВИТАМИНА Д В ГОМОГЕННЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕДАХ. 02.00.18 - химия, физика и технология поверхности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук

КИЕВ-1990

Работа выполнена в Институте химии поверхности АН УССР

Научные руководители - кандидат физико-математических наук,

И. Е Теренецкая

доктор химических наук, А. М. Еременко

Научный консультант - академик АН УССР, доктор химических наук, профессор А. А. Чуйко

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

П. А. Кондратенко

кандидат химических наук Й А. Богословский

Ведущая организация - Московский государственный университет

Защита состоится " • " 1990 г. в часов мин

на заседании Специализированного Ученого Совета Д 016.62.01 при Институте химии поверхности АН УССР ( 252028, г.Киев, пр.Науки,31).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института физической химий АН УССР

Автореферат разослан " 1090 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических наук

Л. Г. Гречко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Имея разветвленую цепь фотореакций структурной изомеризации и богатый набор фотопродуктов, стероидный диен - провитамин Л ( Pro ) привлекает постоянный интерес исследователей фотохимии сложных органических соединений . Однако, несмотря на это, полное понимание внутримолекулярных механизмов этой фотореакции отсутствует. В связи с этим не решена задача оптимизации промышленного синтеза витамина Д и существует ряд проблем биологического и медицинского характера. Это обуславливает необходимость всестороннего исследования фо-тоизомериэации Pro и актуальность поиска физико-химических факторов, целенаправленно воздействующих на фотореакцию. В этом смысле особый интерес представляет проведение фотоизомеризации Pro на поверхности SiOj (не токсичном, биологически инертном носителе ), где (информационно гибкие фотоизомеры Pro обладают ограниченной подвижностью. Последнее является предпосылкой к изменению их фотохимического поведения и, следовательно,к изменению хода фотолиза Pro.

Цель работы заключалась в-сравнительном исследовании фотоизомеризации провитамина Д в растворенном и адсорбированном состоянии (в гомогенных и гетерогенных средах; и выяснении механизма влияния поверхности на кинетику и пути фотореакций.

Для достижения поставленной цели необходимо было экспериментально исследовать фотоизомеризацию Pro в растворах и на поверхности Si02 при облучении различными источниками УФ-света.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые исследована реакция структурной фотоизомеризации Pro на поверхности Si0г ; проведен анализ экспериментальных результатов с привлечением математической модели изучаемой фотореакции.

На основе предложенной модели модели адсорбции изомеров Pro и концепции конформационного контроля фоторешсций показана определяющая роль конформационных изменений в фотопроцессах адсорбированных стероидных триенов - превитамина и тахистерина (Р и Т).

В ходе работы предложена методика спектрофотометрическо-го исследования фотохимических реакций органических молекул на поверхности дисперсных твердых тел, обратимо связанных с адсорбционными центрами, а также метод количественного опреде-

ления концентраций Р и Т в любых реакционных смесях.

Практическая значимость работы. Представляется целесообразной возможность непосредственного использования кремнеземов в промышленном синтезе витамина Д для снижения выхода токсичного продукта - тахистерина и разработки новой технологии. При этом, однако, необходимо учитывать возрастание эффективности необратимых реакций, приводящих к утечке исходного сырья в биологически не активные продукты.

Предложенный метод аналитиченского определения концентраций превитамина и тахистерина на установке флеш-фотолиза может оказаться удобным и относительно простым Методом контроля фотохимической стадии производства витамина Д.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XX Всесозном сьезде по спектроскопии, Киев,1988; на Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии, Дрезден, ГДР, 1989; на VI Всесоюзном совещании по фотохимии, Новосибирск, 1989; на Международной конференции "Лазеры и медицина", Ташкент, 1989; на VI Международной конференции по переносу заряда и энергии, Гфага, ЧССР, 1989; на III Конгрессе Европейского общества фотобиологии, Будапешт, Венгрия, 1989; на VII Всеоюз-ном координационном совещании по фотохимии лазерных сред на красителях, Луцк, 1990; на общегородском семинаре физического факультета МГУ, 1990; на семинарах отдела оптической квантовой электроники ИФ АН УССР; на конференции молодых ученых ИХП АН УССР, 1988,1990.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения, списка цитируемой литературы; содержит 44 рис. и библиографию из 132 названий.

Во введении обоснована актуальность изучаемой проблемы, ее научная новизна, сформирована цель исследований.

В первой главе даны общие сведения о структуре поверхности кремнеземов и ее функциональных группах. Значительное внимание уделяется имеющимся «о изучению влияния адсорбции На

спектральные свойства и фотохимию органических молекул.

Вторая глава содержит аналитический обзор спектроскопии и фотохимии соединений серии витамина Д.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию

адсорбции провитаминов Дг (эргостерина) и Д, (7-дегидрохояэсте-рина) на растворителей разной полярности на поверхности пористых (силикатель) и непористых (аэрос-ид) кремнеземов, влияния адсорбции на Уф-спектры поглощения изомеров витамина Д и кинетику фотоизомеризации провитаминов Д , а тага® теоретическому анализу обнаруженных эффектов на основе математической модели изучаемых фотореакций.

В четвертой главе описаны экспериментальные результаты, касающиеся изучения фотсизомеризации провитамина Д в практически важных случаях: облучение эритемнсЯ лампой ( применяется в промышленном синтезе витамина Д ); двухступенчатое облучение, позволяющее накопленный токсичный тахистерин изомеризо-вать в целевой продукт превитамин; сенсибилизация реакции транс-цис изомеризации.

В приложении проведена аналогия между фотоизомеризацией провитамина Д в коже млекопитающих и фотореакциями в гетерогенных средах; приведены предварительные результаты облучения провитамина Д в мицеллярной системе,содержащей синтетический липид.

Основные положения выносимые на защиту:

- влияние адсорбции на фотохимическое поведение Pro;

- изменение в результате адсорбции квантовых выходов отдельных фотореакций,стартующих от стероидных триенов Р и Т.

- определяющая роль изменений конформационного состояния

Р и Т в их фотохимическом поведении на гидроксилированной поверхности твердого тела.

- возможность аналитического определения концентраций Р и Т в реакционной смеси путем введения в нее сенсибилизаторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Прямое УФ-облучение провитамина Д (Pro) приводит к электроциклическому раскрытию гексадиенового кольца с образованием превитамина (Р), который при поглощении УФ света с наибольшей вероятностью цис-транс изомеризуется в тахистерин (Т), или путем злектроциклического закрытия изомеризуется в

лдаистерин (L) и Pro ( рис.1 ). L отличается от Pro ориентацией одной метилыюй группы и одного водорода в циклогексади-еновом кольце. Кроме указанных обратимых реакций, существуют необратимые фотопревращения в токсйстерины (Тох), объединяющие под этим названием 13 фотоизомеров ( Н. J. С. Jacobs,1979) и в конкретных случаях, несмотря на малый квантовый выход, играющие определяющую роль.

Особое внимание в обзорной второй главе уделено принципу конформационного контроля, действие которого показано на примере модельного соединения - /Z/-1,3,5-гексатриена (рис.2). Этот принцип устанавливает зависимость между выходом конкретных фотопродуктов и конформационным составом гексатриенов в основном состоянии. На основе этого принципа обсуждаются результаты данной работы.

Рис. 2. Схема образования фотопродуктов из конформеров Z-гек-сатриена. Каядому канфорыеру соответствует свой специфический набор фотопродуктов.

- б -

Экспериментальное исследование фотоизомеризации Pro в растворах и гетерогенных матрицах кремнезем-растворитель ( глава 3 ).

Изучение адсорбции провитамина Д и его изомеров из гек-сановых и зтанольных растворов показало,что этот процесс эффективен в случае неполярного растворителя - гексана и имеет линейную изотерму адсорбции (изотерма Генри); в случае полярного растворителя - этанола адсорбция имеет динамический характер с непрерывной сменой адсорбционного слоя.

УФ-спектры гетерогенных систем в слой толщиной 1 мм не. обнаруживают типичных для ароматических полиаценов изменений (описанных в I главе). Наблюдается неоднородное уширение спектра, которое свидетельствует о неднородности центров адсорбции. Особенно существенно оно в случае использования гетерогенной системы силикагеЛь-гексан, где молекула провитамина Д находится преимущественно В адсорбированной состоянии. Отсутствие смешений и появления дополнительных полос свидетельствует о том, что электроны диенового хромофора не принимают участия во взаимодействии с поверхностью. Анализ данных по теплота» адсорбции различных функциональных rpynh органических молекул , отсутствие различий УФ спектров поглощения адсорбированных провитаминов Д2 и Д3 на поверхности пористых и непористЫх кремнеземов свидетельству*» о том, что адсорбция на гидроксилированной поверхности дисперсного SiO? вероятнее всего обусловлена специфическим взаимодействием полярной ОН-группы молекулы провитамина Д с гидроКсилами поверхности.

В работе применены две независимые методики изучения фотохимических процессов на поверхности дисперсных твердых тел. Тонкие слои (1 мм) гетерогенных светорассеивающих сред были использованы для оценки влияния адсорбции на УФ-спектры провитамина Д, а таил® для получения качественных выводов об изменении его фотохимии в адсорбированном состоянии. Для количественных оценок изменения квантовых выходов фотореакций

использовалась предложенная и разработанная методика дозированного облучения серии тождественных образцов с последующим спектральным анализом прозрачных растворов злюированных фотопродуктов. В качестве элюента использовался этанол, заведомо инертный по отношению к изомерам Pro.

При этом наблюдение за трансформацией исходного спектра в течение фотореагащи позволяло делать определенные выводы о формировании фотопродуктов на основе знания их индивидуальных спектров поглощения (рис. 3).

Для интерпретации всей совокупности полученных результатов в работе использовалось сопоставление экспериментальных зависимостей с расчетными данными, полученными путем численного решения системы дифференциальных уравнений первого порядка, описывающей модельную схему фотореакций провитамина Д (рис. 4)

0г82 (О/D3sa(o) -^^С.т/е^ш d Cjjc/t = J I {fS £3 c2 -faetc,);

-(fK'fn+fv+fefab h Ul Jc, ¡c/U fl[f32c2 - (fS5 +&3)еаЪ

/г, 6 С - & 4

dc,/c/t - Л (fSs ££ 'fs-з^з)

где - W^J/^^.C)

Рис. 3 УФ-спектры основных фотоизомеров Рго.

- В -

Рис. 4 Модельная схема фотореакций Рго.

- 10 -

C¿, Ее -концентрация и зкетинкция i-ro компонента реакционной смеси; fji -квантовый выход реакции

I-Pro, 2-Р, 3-Т, 4-L,5-Tox Jg -мощнось возбуадащзго излучения;

V. ¿ -обьем и толщина слоя.

Облучение на А -254 нм растворов Pro приводит к росту оптической плотности в основной областц поглощения, поскольку при этом наиболее эффективной является реакция цис-транс изомеризации с образованием Т, имекш/зго интенсивную полосу поглощения ( си. рис. 3 ). Такой фотолиз характеризуерся немонотонной зависимостью Dy5(t) / Ож( 0), Имеющей максимум ( квази-фотостационарное состояние). Величина этого максимума отражает содержание транс-изомера Т в квазифотостациоцарной реакционной смеси.

На рис.5 представлены картины трансформации спектров Pro в гомогенных (этанол,гексан) и гетерогенных (матрицы силика-гель-эт£ШОД/гексан/) средах по мере облучения резонансной линией ртути А-254 нм. В случае гетерогенной системы силикагель-гексан, где молекула Pro находится преимущественно в адсорбированном состоянии, влияние поверхности проявляется особенно заметно - не наблюдается роста оптической плотности, связанного с накоплением тахистерина и его преобладанием б реакционных смесях. Это свидетельствует об ингибировании образования транс-изомера. Причинами снижения содержанияiT в реакционных смесях могут быть как изменение квантового выхода реакции цис-транс изомеризации так и увеличение суммарного квантового выхода необратимых рекций.

Для выяснения возможности влияния поверхности на эффективность необратимых процессов ( в т.ч. реакций образования токсиетеринов ) было проведено исследование фотоиэомериэации Pro в адсорбированном состоянии при облучении эксимерным лазером (Л «308 нм ). Обнаружено увеличение скорости снижения

Рис. 5 Трансформация УФ спектра Pro при облучении на Л =254 нм

а) в этаноле в течение 0 (1),3 (2),4 (3),. 5(4) Мин;

б) в матрице силикатель-этанол - 0 (1), 3 (2),5 (3) МИН;

в) в гексане - О (1),3 (2),4 (3),5 (4) мин;

г) в матрице силикатель-гексан - О (1), 3 (2),5 (3) Мин.

оптической плотности в максимуме поглощения Pro по сравнении с раствором, что характеризует повышенную эффективность необратимых реакций.

С помощью варьирования определенных квантовых выходов ( t'2i , Г}г, TSj , )в системе уравнений Шпри заданных исходных дан-данных было показано:

1)снижение максимального прироста оптической плотности при коротковолновом ламповом облучении ( Л -254 нм ), а также его отсутствие наблюдаемое экспериментально в системе силикагель-гексан, может являться как следствием уменьшения f52 , так и следствием увеличения и Tsi .

Z)Экспериментально наблюдаемое при лазерном облучении на

•Д -308 нм увеличение скорости снижения оптической плотности в максимуме поглощения Pro связано с суммарным увеличением квантовых выходов необратимых фотопревращений Р и Т ( fj2, f4-3) ~ в Б+7 раа.

Интерпретация экспериментальных результатов и обсуждение механизма влияния адсорбции на фотопревращения конформационно подвижных р и Т базируется на основе предложенной модели взаимодействия изомеров витамина Д с поверхностью кремнезема. ГОскольку предполагается,что адсорбция происходит за счет водородных связей периферийной ОН-группы молекулы с гидроксилами кремнезема, а ее гидрофобная часть испытывает "отталкивание" от поверхности за счет электростатических и гидрофобных взаимодействий, существенно ограничивается конформационная подвижность Р и Т в адсорбированном состоянии. Это приводит к изменению их конформационного равновесия по сравнению с раствором. С учетом принципа конформационного контроля фотореакций такой сдвиг конформационного равновесия превитамина в сторону скрученной cZc конформации (рис. 6) неизбежно приводит к уменьшению квантового выхода цис-транс иэомериэции. Поскольку состав фотопродуктов необратимых реакций также зависит от конформационного состояния Р , изменение при адсорбции константы конформационного равновесия превитамина также отразится на квантовых выходах его необратимых фотопревращений.

vft.D

Рис.6

Схема фотоизомеризации Pro с учетом двух конформаций превитамина ( Qielen J.W.J. ,1981 ).

Изучение фотоизомеризации Pro в практически важных случаях ( глава 4 ).

Задачей промышленного синтеза витамина Д на стадии фотохимических реакций Pro является повышение выхода превитамина. Существует несколько эффективных методов увеличения содержания превитамина в реакционных смесях при определенной степени конверсии исходного продукта. Эти методы предполагают исполь- • аование либо определенных немонохроматических источников излучения, либо селективное возбуждение транс-иаомера с целью его эффективной изомеризации в превитамин.

Известное двухступенчатое облученние (накопление тахистерина путем коротковолнового облучения и его фотоизомеризация в превитамин при длинноволновом) было проведено таким образом,что вторая ступень происходила в гетерогенных системах. Это позволило изучить влияние поверхности на фотореакции адсорбированного тахистерина. Если в растворе по мере облучения смесей с преобладающим содержанием транс-изомера наблюдалось снижение оптической плотности в основной области поглощения (260350 нм) и небольшой рост в коротковолновой, то в гетерогенной среде сшшкагель-гек-сан -возникала трехгорбая полоса поглощения в области 240260 нм, характерная для токсистеринов. Кроме того скорость конверсии тахистерина в гетерогенной среде силикагель-гексан в~1,5 раза превышала скорость в гетерогенной среде силикагель-этанол (где влияние адсорбции существенно меньше). Это свидетельствует о том, что адсорбция тахистерина также изменяет эффективность его фотореакций, а также открывает новый канал его необратимых фотопревращений.

Экспериментально наблюдаемое при лазерном облучении в матрице силикагель-гексан на Л =337 нм обогащенной тахистерином смеси фотоизомеров увеличение скорости снижения оптической плотности в максимуме поглощения тахистерина обусловлено либо возрастанием квантового выхода обратной транс-цис изомеризации ( Гг}), либо увеличением квантового выхода необратимых фотореакций тахистерина ( f5j).

Представляет интерес проведение фотолиза Pro в гетерогенных матрицах эритемной лампой, используемой в промышленном синтезе витамина Д.

В данной работе описаны предварительные результаты такого облучения, позволяющие считать возможным использование кремнезема в синтезе витамина Д при условии точного определения момента окончания облучения.

Изучение возможности селективной сенсибилизации реакции транс-цис изомеризации (используется в лабораторных условиях для максимального извлечения превитамина из смесей, обогащенных транс-изомером Т) привело к выводу о целесообразности использования метода флеш-фотолиза для определения эффективности того или иного сенсибилизатора Кроме того, здесь предлагается способ количественного определения концентраций цис- и транс- изомеров в любых реакционных смесях, основанный на решении системы уравнений Шгерна-Фольмера. Этот метод может оказаться весьма полезным для количественного анализа анализа фото-и термореакций изомеров витамина д, поскольку хроматография не всегда является эффективной из-за наличия в реакционных смесйх разнообразных токсистеринов (методика идентификаций и количественного определения токсистеринов окончательно еще не разработана) .

В приложении проведено сопоставление полученных результатов с данными по кинетике фотоизомеризации Pro в коже млекопитающих, характеризующейся низким выходом Т по сравнению с раствором. Анализ возможного закрепления молекул в липидных слоях клеточных мембран позволяет предположить аналогичную природу снижения эффективности реакции цис-транс изомеризации при УФ облучении кожи за счет изменения конформационного равновесия превитамина в Пользу скрученной cZc конформации.

вывода

1. Показано, что адсорбция провитамина Д на гидроксилирован-ной поверхности дисперсного Si02 не приводит к существенным изменениям УФ-спектра поглощения (за исключением незначительного неоднородного ушрения). Предложена модель адсорбции соединений серии витамина Д , основанная на образовании водородных связей полярной ОН-группы молекулы с активными центрами гидроксилированной поверхности.

2. Впервые обнаружено влияние адсорбции на кинетику сложных фотопревращений триеновых изомеров витамина Д, проявляющееся в ингибировании образования транс-изомера Т и увеличении эффективности необратимых фотопроцессов.

3. Расчетами кинетики фотоизомеризации Pro, основанными на решении систем дифференциальных уравнений с варьированием определенных параметров, и сопоставлением экспериментальных зависимостей с расчетными показано,что изменение фотохимического поведения Pro в адсорбированном состоянии является результатом снижения квантового выхода реакции цж-транс изомеризации Р и повышения квантовых выходов необратимых фотореакций Р и Т.

4. С учетом концепции конформационного контроля фотореакции триеновых соединений предложен механизм влияния адсорбции на кинетику фотопревращений Р и Т заключающийся в изменении их конформационного состава в адсорбированном состоянии по сравнению с раствором.

Практически важными результатами настоящей работы являются:

1) показанная возможность использования в определенных случаях поверхности кремнеземов для осуществления конформационнно-го контроля фотореакций некоторых органических соединений (например, ряда биологически важных молекул с полярной периферийной группой и гидрофобной частью типа конформационно гибких липидов и белков);

2) математически обоснованная возможность использования низкоэнергетических сенсибилизаторов не только для селективной фото-сенсибилиаации реакции транс-цис изомеризации Т-*-Р, но и для количественного определения содержания цис- и транс-изомеров (Р и Т) в реакционных смесях по величинам констант тушения этими молекулами возбужденных, триплетов двух конкретных сенсибилизаторов.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Terenetskaya 1. Р., Permi nova O.G., Yeremanko A. M. Photoiso-merization of provitamin D in dispersive systems // J. Mol. Strukture. - 1990.-v. 219.-p. 359-364

2. Перминова о. Г., Теренецкая Й. Е , Еременко А. М. Изучение фотоизомеризации провитамина Д в различных средах методом УФ спектроскопии // Тезисы докладов XX Всесоюзного сьезда по Спектроскопии, Киев, 1988, ч. I, с. 463

3. Перминова О. Г., Теренецкая И. И , Еременко А. М. Сравнительное исследование фотоизомеризации эргостерина в растворах и гетерогенных системах // Тезисы докладов VI всесоюзного совещания по фотохимйи, Новосибирск, 1989, с. 291

4. Изучение фотоизомеризации провитамина Д в адсорбированном состоянии / О. Г. Перминова, И. П. Теренецкая,А. М. Еременко,

А. А. Чуйко // Рук. , деп. в ВИНИТИ 14.08. 89, N 5459-В89

5. Terenetskaya 1. Р., Permi nova 0. G., Yeremenko A.M. Photolsomerlzation of provitamin D in dispersive slstems / Abstracts XIX EUCM3S, Dresden, SDR, 1989, p. 246

6. Terehetskaya I. P., Per nil nova 0. G. The role of previtamln conformations oh the course of provitamin D photoisomen-' zat ion // Abstracts VI Internetional conference on energy and electron transfer, Prague, Chechoslovakia,B3-07

7.Terenetskaya I.P., Permlnova 0. G. Photoisomerlzatton of provitamin D in solutions and heterogeneous media // Book of abstracts of the 111 Congress of the European Society Гог Photobiology, Budapest, Hungary, 1989, p. 231

8. Теренецкая И. П., Гундоров С. И., Перминова О. Г. Лазерное инициироание фотоизомеризации провитамина Д в растворах и гетерогенных средах //Тезйсы докладов Международной конференции "Лазеры и медицина", Ташкент, 1989, Ч. I. -с. 44-45

9. Перминова о. Г., Теренецкая И. IL , Еременко А. М. Фотохимия эргостерина, адсорбированного на поверхности силикагеля, прилазерном и ламповом облучении // Тезисы докладов VII Всесоюзного координационного совещания по фотохимии лазерных сред на красителях, Луцк, 1990, с. 71-7 2

10. Terenetskaya I.P., Permlnova О.& Comparative study of provitamin D photoisomerizatioon klnetiks in solutions andheterogeneous media // Abstracts XIII IUPAC Symposium Photochemistry, London, 1990, P. 131

Подп. кпеч. J у ,0. 90 Формат,* < Гу/, Бумага Гц» МЛ.

Печ. офс. Усл. яеч. л. 9.i Уч.-изд. л. С, ¿6 Тираж НО Бесплатно.

Киевская киижная типография научпоЛ книги. Киев, Ренина, 4.