Влияние структуры флавонов и свойств растворителя на процессы с участием синглетного молекулярного кислорода тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

« ' ' * и . ИНСТИТУТ ХИМИИ НЕВОДНЫХ РАСТВОРОВ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

На правах рукописи

ТОКАРЕВА Ольга Геннадьевна

УДК 541.14

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ФЛАВОНОВ И СВОЙСТВ РАСТВОРИТЕЛЯ НА ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ СИНГЛЕТНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА

02.00.04—физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново 1997 г.

Работа выполнена в Институте химии неводных растворов РАН.

Научный руководитель —

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Е. А. Венедиктов.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор А. И. Максимов, кандидат химических паук, доцент В. В. Рыбкин.

Ведущая организация —

Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН.

Защита состоится « » февраля 1997 г. в 10 часоз на заседании диссертационного ученого совета по химии (Д 003.46.01) при Институте химии неводных растворов РАН.

Адрес: 153049, г. Иваново, ул. Академическая, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии неводных растворов РАН.

Автореферат разослан « ¿Р. » января 1997 г.

Ученый секретарь дисссртацинного совета доктор химических наук,

старший научный сотрудник Т. Н. ЛОМОВА

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Реакции с участием молекулярного кислорода относятся к числу основополагающих процессов и занимают среди них центральное место. Они являются составной частью фотохимических и фотобиологических деструктивных процессов, механизм которых до сих пор является пред-мегом интенсивных исследований. Многие из этих реакций связывают с образованием синглетного молекулярного кислорода (Теренин, 1967; Краснов-ский, 1974-1985: Крнчевский, 1986).

Интерес к этим процессам обусловлен также их большой практической значимостью. Достаточно привести пример использования этих реакций в медицине, п частности, для лечения раковых заболеваний (Dougherty, 1975). В связи с этим возникает ряд задач, связанных с поиском новых сенсибилизаторов Юг . не вызывающих остаточной светочувствительности (Берне, 1991).

Флавоны принадлежат к большой группе природных фенолъных соединений, важнейшую биологическую функцию которых связывают с окиспи-тепыю-восстановительными процессами (Кретовнч. 1980). Вместе с тем, они обладают более широким спектром физиологической активности (Havsteen, 1983). Полагают, что флавоны могут действовать как фотояшгамические агенты, катализирующие специфические биохимические превращения, механизм которых не ясен ( Waiss et. а!.. 1967-68). В качестве сенсибилизаторов Юг онн практически не рассматривались. Единственная работа, выполненная на примере 3,5,7,3',4'- пентагняроксифлавона , продемонстрировала, что при относительно ннзкой эффективности дезактивации генерация Юг не обнаруживается (Дарманян, 1987).

Цель работы. Изучить взаимосвязь между молекулярной структурой флавонов и процессами фотообразования и дезактивации Юг.

Задачи. Исследовать фотохимическое поведение флавонов в насыщенных кислородом воздуха растворах; определить квантовый выход фотообра-

- 2 -

зовання и константы скорости дезактивации 'О2. Изучить факторы активации этих процессов.

Научная новизна. В результате целенаправленного поиска обнаружены флавоны, способные к фотообразовашио 'Оз. Установлено, что эффект достигается благодаря замещению атомов водорода гидроксильных групп при С-3 и С-5 углеродных атомах молекул на мепшьные радикалы, либо за счет ком-плексообразования с ионами металлов. Показано, что донорно-акцепторные взаимодействия активируют флавоны в процессах дезактивации Юг.

Оеновн&е положения, выносимые иа защиту. 1. Гидрокснльиые группы при С-3 н С-5 углеродных атомах в равной степени ограничивают фотохими-' ческую активность флавонов в реакции образования 'Oí. 2. Донорно-акцепторные взаимодействия являются фактором, регулирующим скорость дезактивации '0> фпавонопами. 3. Необходимым условием, определяющим устойчивость флавонов к окислению с участием 'Оо. является наличие свободной гияроксильной группы при С-3 углеродном атоме. 4. Комплексные соединения флавонолов с ионами металлов в устойчивых степенях окисления являются типичными сенсибилизаторами 'Oí. 5. Светоиндуцированное окислительное превращение металлофлавонов протекает, главным образом, с участием '0>.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют представления о фотохимических свойствах флавонов, роли донорно-акцепторных взаимодействий в реакциях с участием 'Oí. Они представляют интерес для фотобиологов и химиков, а также специалистов, работающих в области медицины и химической технологии.

Публикация и апробаиия работы. Основные результаты работы докладывались на Í Между народной конференции по биокоордннацноннон химии (Иваново. 1994). VI Международной конференции по проблемам сольватации и коишк-ксоооразования < Иваново, 1995) и II Международном конгрессе хи-микоо-текстилыциков и колористов ( Иваново, lí>96). По теме диссертационной работы опубликовано трое тезисов докладов и статья.

Личный вклад автора. Основные результаты получены автором самостоятельно. Научному руководителю Е. А. Бенедиктову принадлежат постановка задачи, общее руководство работой, участие в экспериментах по измерению люминесценции Юз, обсуждение полученных результатов. Н.О. Константинова принимала участие в поисковых исследования на начальном этапе работы.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной част, заключения, выводов, списка цитируемой литературы.

Основной содержание ркботы Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и поставлены задачи диссертационной работы; отмечена новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов.

В литературном обзоре рассмотрены структурные, кислотно-основные, координационные, спектрально-люминесцентные и фотохимические свойства флавонов. '

В первой главе экспериментальной части описаны объекты исследования, способы их получения , очистки, идентификации, а также изложены методы исследования, описаны технические средства н их основные характеристики.

Исходным соединением служил 3,5,7,3\4'-

пентапшроксифлавон фирмы *Р1ика, АС , структурная формула которого приведена на рис.1. З-Гпдрокси-5,7,3',4'-тетраметокси-; 5-пшрокси-3,7,3',4'-тетраметокси- и

3.5,7,3',4'-пентаметоксифлавоны получали метилированием по пшроксильным группам

Беиюильный фрагмент

Цктапогаышй фрагмент

Рис.! Структурная формула 3,5,7,3',4'-пенгатдрокеифлавона.

- 4 -

3,5,7,3\4,-пентапщрохсн- и 3-0-рамноп1Ихозида-5>7,3',4'-

тетрагидроксифлавонов (НагЬогпе, 1975). Разделение и очистку осуществляли методом тонкослойной н колоночной хроматографии, используя в качестве адсорбентов' силикагеяь и АЬОз. Идентификацию соединений проводили, опираясь иа электронные спектры поглощения, люминесцентные свойства н качественные реакции (ЗшчЗ, 1962; Сетшап, 1962; НагЬогпе, 1975). В работе исследовали ряд комплексных соединений гидроксилсодержащих флавонов с . ионами металлов (Сс1:\ выбор которых был обусловлен их спо-

собность давать устойчивые в темноте соединения.

Электронные спектры поглощения записывали на спектрофотометрах СФ-18, Зресогс1-М40 и М400. Кинетические измерения проводили в ряде случаев с использованием спектрофотометра СФ-46. Этот же прибор использовали для возбуждения растворов монохроматическим светом (лампа накаливания ОП-0,3-33). В основных фотохимических экспериментах использовали осветитель ОВС-1 с галогенной лампой КГМ-9-70 или ртутную лампу ДРШ-250. Люминесценцию Юг измеряли с помощью лазерного импульсного флуо-риметра ЫГ'-200 (Венедиктов, 1987). Источником возбуждающего света служил импульсный азотный лазер с длиной волны генерации 337.! им, фотоприемником - германиевый фотодиод - ФД-10Г.

Во второй главе обсуждены координационные свойства флавонов.

Прежде чем перейти к рассмотрению вопроса о фотохимическом поведении флавонов необходимо ознакомиться с их способностью образовывать комплексные соединения с ионами металлов в ряде апротонных растворителей, выбранных в качестве модельных сред. Мы не преследовали цель изучить • кинетические закономерности этого процесса. Наша задача сводилась к установлению условий образования и существования, а также состава и спектральных свойств металлофлавонов, необходимых для количественного описания поведения отих соединений в элементарных реакциях с Ю >.

Вероятность образования металлофлавонов сильно зависит от природы растворителя. Наиболее успешно комплексообразование протекает в сильно донорных средах. В ацетоне наблюдается комплексообразование флавонояов

- 5 -

лишь с Znг*. Вместе с тем в пиридине хомплексообразование протекает легко со воем» вышеназванным!! нонами металлов. Этот факт связывается памп о изменением состояния 0-Н связи энольных гндроксильных групп, обусловленным образованием межмолекулярной водородной связи с молекулами растворителя.

Металлофлавоны являются соединениями относительно низкоЛ устойчивости, легко распадавшимися поя действием разбавленных кислот на холоду. Например. комплексное соединение 3.5.7.3',4'-пентапшрокснфлавопа с Zn2+ диссоциирует уже в присутствии 0.5 моль/л уксусной кислоты на холоду. Аналогичный эффект обнаруживается при разделении металлофлавоноз на адсорбентах. таких как АЬОз или силикат ель. Нагревание растворов с последующим упариванием растворителя сопровождается образованием более сложных структур. По этой причине, в тех случаях, когда специально не оговаривается, исследование свойств металлофлавонов проводил!! в присутствии непрореагировавшей соли, которая всегда находилась в избытке по отношению к флавоиолам.

Образование металлофлавонов сопровоиотается сильным батохромпьш сдвигом Первой полосы электронного спектра поглощения (рис.2). Этот факт был использован для спектрофотометрического определения состава соединений методом относительного выхода (Барбанель, 1963). Таким путем удалось установить, что в ацетоне 3.5.7,3'.4'-пе! ггашдроксп ф.'га л он дает с Ъп1* соединение состава 1:2 (рис.3) с максимумом поглощения при 445нм. В пиридине этот процесс носит более сложный характер: сначала образуется комплекс состава ! :1, а затем при увеличении содержания соли происходит формирование более сложных соединений. Вместе с те?.!, 3-П!Дроксм-5,7,3',4'-гетраметокс!1фпавон в этих условиях дает только соединение состава 1:1, Аналогичный результат был получен в пиридине для всех флавонолов с Мвг+ и Сс12+. Спектральные характеристики этих соединений представлены в таблипе1. Последние были использованы для определения концентрации мтллофлавонов в растворах.

ТаблицаЛ

Основные sajiaKTepncTHüH элегстрокных спектров поглощения флавонов и i:x комплексных соединении с ионами! металлое в различных растворителях.

(с, л /моль см)

Соединение Пиридин Спирт Ацетон Бензол

ЗД7,3\4^Петигшгроксггфлавон ^Ег<)-3,5,7,Зч4'-ПентахияроксифлаЕон (Znî+)j - 3.5,7,3",4'-Пентагидроксифлавон (Mg2"1 >3,5,7,3^4'-Г1ентагадроксифлазон (Cd2+ )-3,5^,3\4'-Пеитаг1ц;рокспфлгвон 379(21660) 434(19000) 473(21230) 445(18180) 374(20890) 424 441 371(21015) 445(19600) —

?»Г1Ш?окси—5,7,3', Д'-тетргмстоксифлавои (Zn?<} -3-Гцдроксн-5.7,3'.4'-тсграмгтоксифлаЕон (^^3+)-3-Гндрокси-5.7,3',4'-тетрамгток«;флгвон (С<3^)-3-Г1шрокси-5,7,3',4'-те-граметокс;]фллзок 360 (22270) • 425(21300) 430 (20530) 432(17924) 367(20320) 351 (19800) 410(13200) 356 (22000)

5-Гшзроксн-3,7,3', 4' -тетр а:.! етоксн ф л а» он 360(19050) 352(21880) 350(18900) 351 С J 9200)

?,5,7,3\4'-П«ггаметоксифлаЕои 339 (18220) 340(21900) 332(19000) 330(19560)

Длина волны, им ® 0.5

Рис. 2. Электронные спесгры поглощения 3.5.7.3\4'-пентапшроксифлавона (1) и его комплексного соединения с (2) г, шетонг.

Риг. 3. Кривая относительного выхода комплексного соединения 3,5,7,3',4'-пеитагндрокшфяавона с Хп2' в ацетопг. ( АО - изменение поглощения га длине волны 445нм: АОчр™ - изменение поглощения, соответствующее предельному значению концентрации комплекса: С<-'ф " относительные концентрации соли н флавона соотостстаенно.)

Сравнительный анализ координационных свойств всех перечисленных флавонов, а также литературных данных (НагЬоте, 1975) позволяет констатировать, что комплексообразовакие происходят с участием гидроксильных групп при С-3. С-3' и С-4' углеродных атомах. Их схематическое строение можно представить следующими формулами

ОН

л

НО. „о. .

той

ДОТ

он

(

он

т ?

'> - 7л

Ас"

.Чо^гг

О -а.

X °

но.

ОН О -ТА

ХО)

Кс

Во третьей глете рассмотрено фотохимическое поведение флавонов в насыщенных кислородом воздуха растворах, обсуждены Механизмы фотоокисления.

- 8 -

Среди исследованных флавоиов заметные фотолреиращения обнаруживают лишь комплексные соединения с ионами металлов (рнс.4.). Из сравнения электронных спектров поглощения исходных и облученных растворов можно заключить, что светоиндуцнрованные изменения связаны с превращением фяавонового лиганда. Зависимость скорости от концентрации кислорода воздуха в растворе является простым доказательством окислительного характера процесса.

Данные по ипгибироьаншо (рис.5,) не только подавержцают, но и дополняют этот вывод. Фотоокисление тормозится гидрохиноном. Кинетика ингиби^овання фотопроцесса в общем повторяет кинетику тушения люминесценции Юг. Этот результат указывает, что в окислении участвует Юг- Тем не менее, анализ кривой ингиблрования позволил установить вклад конкурентного процесса, связанного, по-видимому, с окислением электронно-возбужденных состояний металлофлавонов кислородом воздуха. Оценка показывает, что доля этого процесса определяется природой нона металла и со-

стапляет 20 и 35% для комплексов с Мд и Сс1 соответственно. Проявление эффекта тяжелого атома является отличительной чертой реакций, протекающих с изменением суммарного спина системы. Этот факт позволяет предполагать, что наблюдаемый процесс обусловлен окислением триплетно-возбужденных молекул металлофлавонов кислородом воздуха.

1.0?

к к"

0.5"

(I)

о%

о о О о

о о

о о

о

['10'

-3

■ Концентрация гидрохинона, моль/л

Рлс.5. Влияние гидрохинона на скорость фотоокнеления Мв-3,5,7,3',4'-пентап!дроксп-флавона(Э ), тетрацена(О) и люминесценцию 'Ог(О) в пиридине. ( к° н к - константы скорости процессов в отсутствие и присутствии гидрохинона; длина волны возбуждающего света в ■экспериментах по окислению ^420нм.)

В четвертой главе обсуждается влияние струкгурпых факторов на элементарные реакции флавеноз с 'СЬ.

С целью объяснения различий в фотохимическом поведении флавоноа проведено количественное изучение элементарных реакций 1Ог п растворах этих соединений. При этом акцент в работе был сделан на люминесцентный метод, который является наиболее плодотворным в исследовании Юг.

Фотосенснбнлизированназ люминесценция в растворе 3.5,7,3'.4'-пентаметокенфлапояа и ее природа. Дояго;кивущая люминесценция в ближней МК-области спектра, кривая затухания которой приведена на рис.б., обнаруживается лишь в растворах 3,5,7,3\4'-пе!Ггаметоксифлавона. Кривая затуха-

0

С?

- ю -

Ш1Я люминесценции имеет моноокспоненцнальный характер и описывается уравнением

I = 1.о-ыр(-к-0

где 1-ой Ь -Начальная и текущая интенсивности люминесценции; к = Их - константа скорости затухания;- % - время жизни люминесценции; I- время затухания. К фактам, доказывающим ее природу, относятся следующие. 1. Люминесценция имеет место только в насыщенных кислородом воздуха растворах. 2. Время ее жизни в бензоле равно (28±2) • (О-^с и возрастает в дентернрованных средах. 3. Тушение люминесценции бензолом обусловлено динамическим процессом и характеризуется константой скорости (2,6±0,4)10} л/моль с.

340+24VKс

Рис.6. Кинетика фотосенснби-пизированной люминесценции Юг в растворе 3,5,7,3',4'-пентаметоксифлавона в бен-золе-dü. (Концентрация сенсибилизатора - 5- 10-3моль/л)

Время

Полученные результаты находятся в соответствии с теоретическими представлениями о механизме дезактивации Юг растворителями (Merkel and Keams,

• 1972; Красновский, 1982;) и позволяют отнести наблюдаемую фотолюминесценцию к !Дг <r- излучательному переходу в молекуле Oj.

Тушение люминесценции еннгпетного кислорода 3.5.7.3'.4'-пентаметоксифлавоном. Дезактивация Юг, обнаруживаемая по увеличению константы скорости затухания люминесценции, наблюдается лишь в дзедах, в которых время жизни Юг аномально велико (рис.7). Этот результат указывает на относительно низкую вероятность процесса. Присущие дейтерированным

- II -

растворителям преимущества открывают возможность измерения констант скорости в интервале низких концентраций тушителя. Константу скорости находили из концентрационной зависимости константы скорости затухания люминесценции. Величина к связана с концентрацией соотношением

к = ко+ кт.ф (Ф1 (1)

Полученное значение кт.ф (табл.2) на три порядка величины ниже диффузи-оино-контролируемого предела.

Концентрация тушителя, моль/л

Таблица.2

Константы скорости дезактивации Юг флавонзмн в бензольных растворах.

Флавон кг.Ф-10-6*, ксх.Ф • Ю-4,

л- моль-1 • с -1 л- моль-'-с-1

3,5,7,3\4'-Пентаметоксифлавон 3.5 б

3-Гидрокси-5,7,3\4'-тетраметоксифлавон 2.5 6

5-Гидрокси-5,7,3',4'-тетраметоксифлавон 2 5

Растворители: бензол-<!б (*), бензол (**).

Полная хонстанта скорости тушения люминесценции определяется суммой вкладов "физического" и "химического" процессов. Последний сопро-

- 12 -

вождается окислительным распадом молекул тушителя. С целью установления соотношения между ними изучена устойчивость 3,5,7,3\4'-пентаметоксифлавона в реакции окисления с участием 'Оз.

Окисление 3.5.7.3'.4'-пентаметокснфлавона. Фотоокисление флавона сенсибилизировали Рс12*-тетр:1(г-бу/иил|фталйцнаннном. Константу скорости находили относительным методом, сравнивая скорость окисления флавона со скоростью окисления эталонного акцептора Юг - тетрацена. При этом нехо-дипи из следующей схемы элементарных реакций (Красновский и Венедиктов, 1980-82):' Ьу

(Сенс)о -» '(Сенс) -> »(Сенс)

-'(Сенс) + 02(3ГГ) :—> (Сенс)о + ЮгОЛв) к.

Ю2 -> Ог + Ьу (1270нм)

кр ' * Ю2 + (Р)-> Ог + (Г) +• д

кт,сепс

Юг +• (Сенс)о -> Ог + (СенсЬ(или продукты окисления) + Р

Ог + (Акц) + р

. продукты окисления

где (СеисХ,, '(Сенс), 3(Сенс) - основное к возбужденные состояния сенсибилизатора; (Акц) - акцептор Юг (тетрацен или флавон); <3 - теплота, выделяющаяся в результате физической диссипации энергии электронного возбуждения; к«, кр, кт^ено, к.,,аиЬ 1««,аи1 - константы скорости соответствующих процессов. (Р)'- растворитель, в данном случае бензол.

Для скорости окисления акцептора можно записать выражение вида

<1[Акц] к*.*™ • [Акц] ■ уд • хд • Ь • (1 - 10-°)

- -= --- (2)

<11 I + (кТ|мю • (Сенс) + (к^.аЮ! + ки.ащ)' [Акц|) -Тл

Здесь = 1 / (ки + кр[Р{) - время жизни Юг в растворителе; уд - квантовый выход генерации Юг ; 1о - интенсивность возбуждающего света; О - оптическая плотность раствора на длине волны возбуждающего

С£СТ«1{ ЬьТ^оас ~ константа

- тз -

скорости дезактивации Юг сенсибилизатором, равная 2/3107 л • моль-1 - с (Ь),акц + кот.ша) - константа скорости дезактивации Ю: флавоном (таблица2) или тетраценом (1.2 • 10' л • моль -1 • с -1). Легко убедится , что при [Сенс] <2 • 10--5 моль/л н [Лки1<1 ■ 1(Н моль/л справедливо неравенство

(кг,сею • [Сенс] + (кз.ак! + ко1,»кц) • [Акц]) • гЛ « I (3)

Из этих условий вытекает, что выражение (2) может быть записано как с1[Акц]

--= ^ . [Дкц|-у& ■ гд • I» • (1 - 10-Ь) (.4)

бг

Если интенсивность поглощенного света в обоих экспериментах является величиной постоянной, справедливо соотношение

к*{ф,Ф

ксо = к«,,т • --(5)

к*м>,т

Значение ко»,т для тетрацена в бензоле известно я равно 6 • 106 л ■ моль-1 • с

(Шляпинто.х и Иванов, 1976) н 6.7 • Ю8 л • моль-1 • с -1 в ССЬ (Красновскнй,

Венедиктов, 1982). Таким образом, задача сводится к определению отношения

аффективных констант скорости окисления флавоиз и тетрацена.

Оо 1п-

03

Рис.8. Кинетика фотосснсиби-лизиросанного Р<12+-тетра(г-£тги7)-фталоцпашшом окисления 3,5,7,3',4'-пе1гошстокси-флавона(о) и тетрацена(о) в бензоле (концентрации тетрацена, флавона и сенснбилиза-

_ тора составляли 1.3 • 1<Н,

1500 $000 4500 4 • Ю-5 и 2 • Ю-6 моль/л соот-

Время, с истстъешю)

Последние находили из угла наклона зависимостей в координатах !п(Оо/Г>0

I, гас Бо и Сь начальное н текущее значения оптической плотности на длине

- 14 -

волны измерения (рнс.8). Результат расчета в бензоле представлен в таблице 2. Как видно, кохЛ' на два порядка величины ниже кт.Ф. Это означает, что дезактивация Юг 3.5.7,3\4'-пентаметокснфлавоном обусловлена преимущественно физическим процессом.

Дезактивация Юг в растворах птроксипсоцержяшил флавонов. Фотолюминесценция 'С>2 в растворах 3-гидроксн-5,7,3',4'-тетраметоксн- и 5-гидроксн-3,7,3\4'-тетраметокснфлавонов не обнаруживается. Возникает вопрос. в какой мере этот факт связан с дезактивацией Юг. С этой целью было исследовано тушение люминесценции Юг, сенсибилизированной антраценом. Констангы скорости тушения, рассчитанные по уравнению (1), приведены в таблице. Там же даны константы скорости фотосенсибилнзированного окисления. Результаты показывают, что кинетические характеристики флавонов близки. Следовательно, генерационные параметры определяются фотофизи-ческнми свойствами этих соединений.

Влияние компяексообразования флавонопов с нонамн металлов на эффективность дезактивации Юг. Тушение фотосенсибилизированной люминесценции Юг металлофлавонами подчиняется рассмотренным выше закономерностям. Константа скорости процесса слабо зависит от природы металла и близка к диффузионно-контролируемому пределу. Из данных таблиц 2 и 3 видно, что комплексообразование приводит к повышению кт.Ф, хотя и другие эффекты, как то сольватация, могут играть определенную роль. Из полученных данных можно заключить, что отсутствие люминесценции в растворах ме-таллофлавонов обусловлено тушением Юг.

Таблица 3.

Константы скорости дезактивации Юг комплексными соединениями 3,5,7,3',4'-пентагндрокснфлавона с рядом ионов металлов в пиридине._

Ион металла Концентрация фоновой соли, моль/л кт,МФ-1(Н, моль-1 лс-1 кох.МФ' 10-8, моль-1 лс-1

5-1СН ( г 5.3

7мг+ 5-Ю--4 — 2.9*

С<Р+ З.Ю-з 1.0 ' 5.7

*- оценочные данные

- 15 ~

Была сделана попытка получить количественную картину влияния комгшек-сообразования на механизм тушения 'Оз. Сотой целью определены константы скорости окисления металлофлавонов. используя выше рассмотренный подход. При этом было учтено тушение !Сь субстратом окисления. Соответствующее уравнение для расчета константы скорости процесса имеет вид

ко1,м<ь = ко!,т • -- ( I + кт.мФ [МФ1 • тД (6)

где кт.[-(.,мФ определяли как отношение начальной скорости реакции к начальной концентрации субстрата окисления. Полученные результаты приведены в таблице.З. Как видно, для металлофлавонов

значения кзх.МФ возрастают на несколько порядков по сравнению с флавонами и приближаются по величине X кт,МФ, что указывает на существенный вклад химического процесса в дезактивацию Юг. Снмбатный рост кт.мФ

и предполагает, что дезактивация

обусловлена образованием состояния с переносом заряда.

Влияние растворителя. Сольватация во многих случаях является фактором, определяющим эффективность рассмотренных выше процессов (Венедиктов, 1987). Для проверки этого положения было исследовано влияние растворителя на дезактивацию Юг 3,5,7,3',4'- пентагидрокснфлавоном. Полную константу скорости определяли методом ингнбирования фотосенси-билизированного окисления тетрацена. Этот метод с одновременным контролем времени жизни Юг в растворе сенсибилизатора позволяет получать данные, согласующиеся с результатами прямых измерений.

На основании представлений о механизме фотосенслбилизированного окисления тетрацена (стр.12) и свойствах З.З^.З'Д'-пентагидроксифлавона (Дарманян,1987) легко показать, что изменение скорости окисления тетрацена (рИс.9) в присутствии флавона обусловлено дезактивацией Юг и описьыается уравнением

■ - = 1 + кт,® ■ т. • [Ф] . (7)'

к &ФФ

- 16 -

где к°>И' 11 Ь»» - эффективные константы скорости окисления тетрацена в отсутствие и в присутствии ингибитора. Зависимости к°эфф / к»ц> от [Ф| аппроксимируются прямыми (рис. 10) из угла наклона которых находили константы тушения, равные произведению кт,Ф на хд. Используя результаты прямых измерений т* рассчитывали кт,Ф, которые представлены в таблице 4.

InDo/Di

Время, с

Рис.9 Кинетики фотосенснбилизк-рованного РсР^-тетра^-бушил)-фталоцканином окисления тетрацена в пиридине в присутствии 3,5,7,3',4'-пентагидроксифлавона в различных концентрациях (С • 10\ моль/л: 1-0; 2 - 0.73; 3 - 1.47; 4 - 2.2; 5 - 2.9; б -3.6).

Концентрация флавона, моль/л

Рис.10 Влияние 3,5,7,3\4'-пснтагидроксифлавона иа скорость фотосенсибилизированного окисления тетрацена в пиридине (концентрация тетрацена - 2 ■ Ю-4,

фотосенснбилизатора - 2 • 10-5 моль/л).

Из приведенных данных следует, что кт,Ф зависит от растворителя. Прослеживается зависимость между кт,Ф и донорными свойствами молекул среды. Можно полагать, что наблюдаемые изменения связаны со специфической сольватацией, обусловленной образованием межмолскулярных водородных связей между гидрохеильными группами флавона и неподеленными парами электронов гетероатомов молекул растворителя, а ктд> отражает эффектов-

- 17 -

иость дезактивации Юг сольвагокомплексами 5,5,7,3',4'-пентагадрскснфлавоиа.

Таблица 4.

Константы скорости дезактивации Юг 3,5,7,3',4'-пентагидроксифлавоном в различных растворителях.

Растворитель кт.Ф ■ IO-ä, моль-'-л-с ксх.Ф • К)-3, моль -'-л-с -1

Ацетон (0.31**} 5А: (9**)

ДМФА 5.3 2(00

Пиридин 15.6 5600

( **) Литературные данные (Даршняи,¡987).

С целью углубления представлений о механизме этого процесса было изучено фотосенсибшшзйрованное окисление 3,5,7,3',4'-пентагндрокси-флавона в этих средах и определены константы скорости. Расчет kci.ii проводили по уравнению (5). При этом использовали значения ко*,т для соответствующих растворителей (таблица.5), которые были получены путем сравнения скоростей окисления тетрацена в бензоле и искомом растворителе, используя уравнение

(Гд)6 (к*н> Г** (koi.T)"CK р - (JCOI.T)®--- --(8)

(Тд)»«Г (fc^jS

Kai: н в случае кт,Ф, ко*,Ф зависит от свойств растворителя и растет с ростом его донорной способности (таблица-) и 6). На основании этих данных был сделан вывод, что наблюдаемые изменения ксхд. обусловлены ростом электро-нодонорнон активности сольватокомплексов флавона. Этот факт подтверждает вывод об определяющей роли состояния с переносом заряда в тушении Юг З.ЗЛ.З'^'-пгнтагидрокснфлаЕСНом (Дарманян, 1987).

Таблица .5

Константы скорости окисления тетрацена с участием Юг в различных раство-

Растворитель Г 10« ,с (Ьфф^Р (ЬнО6 и,т ■ 10-«, моль л с -1

Бензол 30+2 1 б

Ацетон 5214 1.25 4.5

ДМФА 17+ 1 3.1 33.0

Пиридин 16 ± 1 2.25 25.0

Чувстрчгсльносгь константы скорости окисления к растворителю определяется структурными особенностями флавонов. Для 3-лшрокси-5.7,3',4'-тетраметоксифлавона обнаружена зависимость, аналогичная ранее рассмотренной для 3.5.7.3'.4'-пентагидроксифлавона. Вместе с тем установлено, что 3,5,7,3',4'-пснтаметоксн- и 5-гндрокси-3.7,3\4'-тетраметоксифлавоны не чувствительны к растворителю. Последнее позволяет сделать вывод, что роль растворителя сводится к сольватации пшрокснльных групп инннамонльнои части молекул. По-видимому, этот же фрагмент определяет активность флавонов в физическом процессе дезактивации Юг.

Таблица 6.

Константы скорости окисления флавонов в различных растворителях

—„^^Растворитель Флавон 1—-— Бензол Ацетон ДМФА Пиридин

З-Гидрокси-5,7,3',4'-тстраметокифлавон 6 • 104 3- 105 5.1 • 10« 1.2 Ю7

5-Гидрокси-3,7,3',4'-тетраметокснфлавон 5-10* —' 4 - 10*

3,5,7,3',4'-Пентаметокси- флавон 6- 10" -- — ' 2-10<

В пятой главе рассмотрена взаимосвязь мвкду молехулярной структурой фиавонов н квантовым выходом Юг.

Фотообразовднне 'О; фпавонамн. Квантовый выход Юг (уд) находила относительным методом, сравнивая начальные интенсивности люминесцен-П11П в растворах флаконов и эталонного соединения Рс!1+-мезопорфирина-1Х днметнловогоофира либо РсРМетрафенилпорфина, для которых удэт равен I (Джагаров с соавг., 1987). Расчет уд проводили, используя соотношение

Ь- [тдР- !о ■ (1 - Ю-^эт Уд = уйэт- --(9)

и-т• у-Ь ■ (I - |<К')

Здесь индекс "зт" относится к параметрам эталонного раствора; Ь0 - начальная интенсивность люмпнесцсицни, определяемая зхстрлполяцией экспоненциальной зависимости интенсивности затухания люминесценции к нулевому значению времени; тд|> - реальное время жизни люминесценции. Измеряя параметры люмпнесценцнн при условии постоянства интенсивности поглощенного света, а также соблюдая условия раиенства Тд, получили уд равный 0.49+0.05 для 3,5,7,3\4'-пентаметокснфлавона. Квантовый выход Юг в растворах гнд-роксилсодержащнх флавонов оценен как < 10-2. Приведенные результаты называют, что около 50% возбужденных молекул 3,5,7,3',4'-пентаметоксифлавона генерируют Юг. Отсутствие генерации Юг в растворах гидроксилсодержащих флавонов объясняется особенностями фотофнзнческнх свойств этих соединений, которые определяются наличием пщрокенльных групп при С-3 и С-5 углеродных атомах.

Фотообразовднне Ю? метаплофлавонами. Выше было отмечено, что высокая вероятность дезактивации является основной причиной отсутствия люминесценции Юг в растворах металлофлавонов. По этой причине оценку значения; уд проводили путем сравнения скорости прямого фотоохнелення комплексного соединения 3,5,7,3',4'-пентагидроксифпавона с и тетрацена. Выбор этих соединений был обусловлен тем, что вклады конкурентного окисления в растворах этих соединений сопоставимы и нг превышают 20%. Следа-

- 20 -

ватслыю. окисление мтпх соединении может быть описано уравнением (2). А уЛ для (М£г1)-3.5.7.3".4'-пснтагиярокснфлавона может быть оценена в соот-Bciciwin с уравнением

ко*1 кгфф.м-î-

Y = Тдт .------_ .-------- . ( I + ктМФ [МФ) • Хд ) (10)

Принимая улт=0.61 (Дарманян, 1987). получили 1'лмф= 0.2610.13. lb приведенных данных следует, что комплексные соединения флавонов с металл-ионами являются типичными сенсибилизаторами lCh.

Заключение

Полученные в работе результаты позволяют заключить, что способность флаконов к фотохимическому образованию 'Ог определяется их молекулярной структурой и ограничивается пщроксильными группами при С-3 иС-5 углеродных атомах. Последнее объясняется влиянием этих групп на заселенность и время жизни тригшетных состояний флавонов. Метилированные производные флавонолов. а также их комплексные соединения с нонами металлов в устойчивых степенях окисления являются типичными сенсибилизаторами Юг, который образуется в результате переноса эиерпш от триплетно-возбужденных молекул к О;.

Фогообразование конкурирует с дезактивацией Юг. У разных флавонов эффективности дезактивации Юг существенно различаются. Важным фактором. оказывающим влияние на чтот процесс, являются донорно-акцепторные взаимодействия. При комплексообразовании с нонами металлов константа скорости дезактивации Юг возрастает и приближается к диффузионно-контролируемому предел}'. В меньшей степени пыражен эффект специфической сольватации. Тем не менее в сильнодонорных средах константа скорости на ива порядка величины превышает эффективность дезактивации Юг в слабокоорднннрующих раствортелях. Этот факт связывается с образованием

- 21 -

межмолекулярной водородной связи между атомами водорода гндроксильных групп цнннамоильнсго фрагмента молекул н неподеленными электронными парами гетероатомов молекул растворителя.

Физический процесс гибели Юг происходит значительно эффективнее химического, характеризующего окислительную устойчивость флавонов. Результаты показывают, что гидроксильная группа при С-3 углеродном атоме является необходимым, но не достаточным фактором окислительной дестабилизации этих молекул. Он проявляется лишь в силыюдонорных растворителях.

Фотоокнслительная деструкция металлофлавонов с участием Юг конкурирует с окислением трнгшетных молекул ■ кислородом воздуха, вклад которого зависит от природы металла.

Основные выводы по работа

1. Способность флавонов к фотохимическому образованию Юг ограничивается в равной степени пвдрокснльнымн группами при С-3 и С-5 углеродных атомах.

2. Ограничение по квантовому выходу Юг снимается в результате замещения атомов водорода гидрсксильнмх групп флавонолов на метальные радикалы пли комплексообразования с ионами металлов в устойчивых степенях окисления.

3. Флавоиы способны не только к эффективному фотохимическому образованию. но и к дезактивации Юг, которая происходит главным образом в результате физического процесса.

4. Донорно-акцепторнме взаимодействия являются фактором, позволяющим в широких пределах регулировать эффективность дезактивации Юг флавоиопами.

- 22 - .

5. Устойчивость флавонов к окислению с участием Юг определяется их молекулярной структурой. Присутствие гидроксильной группы при С-3 углеродном атоме является необходимым дестабилизирующим фактором, усиливающимся в результате специфической сольватации или ком-плексообразования с нонами металлов.

6. Фотодеструкция металлофлавонов с участием Юг конкурирует с окислением триплетно-возбужденных молекул кислородом воздуха.

Список публикаций по материалам диссертации 1. Токарева О.Г., Бенедиктов ЕЛ. Исследование фотохимически;: свойств металлокомплексных соединений кверцетина./ Тез. докл. I Международной конференции по биокоординацнонной химии. Иваново 1994. С.91.

2. Токарева О .Г. . Венедиктов БА. Влияние растворителя на окисление кверцетина синшетным молекулярным кислородом./ Тез. яокл. VI Международной конференции по проблемам сольватации и комплексообразоваиия в растворах. Иваново 1995., C.N-33.

3. Токарева О.Г., Венедиктов БА. Исследование факторов активации естественных красителей хлопка к окислению в условиях отбеливания хлопчатобумажных материалов./ Тез. докл. II Конгресса хнмиков-текстнлыциков и колористов. Иваново 1996. С, 26.

4. Влияние кймплексообразования на окисление кверцетина сингпетным кислородом. / Венедиктов Б.А., Токарева О.Г. Константинова И.О.// Журнал физической химии.- 1996.- T.70.N7.- С.1304-1306.