Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Концептуальные основы химии билирубина, дипирринов и их бис-производных. Введение в проблематику исследований 22
1.1. Пиррол – главный структурный фрагмент и генетический предшественник 22
1.2. Основы систематики и номенклатуры дипирринов и их бис-производных 27
1.3. Структура молекул 29
1.3.1. Дипиррины, бис(дипиррины), их комплексы и супрамолекулярные ансамбли 30
1.3.2. Билирубин 41
1.4. Ключевые аспекты биохимии билирубина 53
1.5. Обоснование направлений собственных исследований 62
Глава 2 Закономерности образования в растворах, изменений термодинамической устойчивости, спектральных и фотофизических характеристик комплексов алкилированных дипирринов с d- и f-элементами 69
2.1. Эффекты влияния структуры на основность координационных центров дипирринов 69
2.2. Образование и устойчивость бис-дипирриновых комплексов d-металлов в растворах 79
2.2.1. Спектральные эффекты 79
2.2.2. Анализ констант образования комплексов 81
2.2.3. Влияние бромида тетраэтиламмония на реакцию образования и устойчивость бис-дипиррината цинка в диметилформамиде 83
2.3. Образование гетеролигандных комплексов дипирринов 88
2.3.1. Кинетика образования гетеролигандного комплекса никеля(II) 89
2.3.2. Образование гетеролигандных комплексов с анионами аминокислот
2.4. Закономерности образования и устойчивости трис-дипирриновых комплексов с лантанидами, Ga(III) и In(III) 96
2.5. Анализ термодинамических характеристик реакций комплексообразования 101
2.6. Спектральные и фотофизические свойства растворов комплексов дипирринов с d- и f-элементами
Глава 3 Борфторидные комплексы дипирринов: механизм образования, спектральные и фотофизические свойства, направления функционализации 114
3.1. Обзор направлений исследования и применения Bodipy 114
3.2. Механизм образования Bodipy
3.2.1. Основные подходы к синтезу Bodipy и комплексов дипирринов 118
3.2.2. Донорно-акцепторные комплексы дипирринов с BF3 и другими кислотами Льюиса 119
3.2.3. Кинетика трансформации донорно-акцепторного комплекса дипиррина с трифторидом бора в Bodipy 129
3.3. Эффекты сольватации в спектроскопии и фотофизике растворов Bodipy 130
3.3.1. Процессы возбуждения и дезактивации молекул Bodipy 131
3.3.2. Корреляции спектральных и фотофизических характеристик растворов Bodipy с параметрами растворителей 134
3.3.3. Мезо-замещенные Bodipy как люминисцентные сенсоры вязкости 143
3.3.4. Потенциал использования Bodipy в диагностике процессов свертывания крови 155
3.3.5. Другие развиваемые направления химии Bodipy 161
Глава 4 Закономерности кинетической устойчивости комплексов дипирринов к действию кислот 164
4.1. Протолитическая диссоциация комплексов цинка(II) с алкилированными дипирринами 167
4.2. Протолитическая диссоциация комплексов палладия(II) с дипиррином и его бис-производным 173
4.3. Протолитическая диссоциация бис-дипирриновых комплексов меди(II) и никеля(II) в бензольных растворах уксусной кислоты 177
4.4. Закономерности кинетической устойчивости Bodipy к действию кислот и оснований 181
4.4.1. Кинетическая устойчивость Bodipy к действию кислот 181
4.4.2. Начальные стадии протолитической диссоциации Bodipy: квантовохимическое моделирование 187
4.4.3. Гидролиз и деструкция Bodipy в щелочных растворах 191
4.5. Заключительные положения 193
Глава 5 Супрамолекулярные эффекты в проявлении антирадикальной, регулирующей и активирующей функций билирубина 195
5.1. Супрамолекулярные эффекты в кинетике окислительных реакций билирубина 197
5.1.1. Билирубин как естественный антирадикал и антиоксидант 197
5.1.2. Реакции индивидуального окисления билирубина и его альбуминового комплекса в водных растворах 203
5.1.3. Кинетика реакций совместного окисления билирубина с аскорбиновой кислотой в водных растворах 210
5.1.4. Реакции окисления билирубина и его альбуминового комплекса под действием органических инициаторов 213
5.1.5. Квантовохимический анализ наиболее вероятных маршрутов окисления 218
5.2. Эффект «присутствия» билирубина в составе альбуминового комплекса на термодинамические и кинетические параметры супрамолекулярных взаимодействий ряда биомолекул с альбумином 223
5.2.1. Параметры супрамолекулярных взаимодействий альбумина с низкомолекулярными лигандами 223
5.2.2. Супрамолекулярное комплексообразование ряда лигандов с бычьим сывороточным альбумином и его билирубиновым комплексом 227
5.3. Использование супрамолекулярного эффекта активации флуоресценции у белка UnaG для создания многофункциональных наночастиц 240
Глава 6 Использование подходов супрамолекулярной и золь-гель химии для создания эффективных адсорбентов билирубина 243
6.1. Влияние привитой функциональной группы на структурно-морфологические и поверхностные характеристики модифицированных кремнеземов 246
6.2. Структурно-морфологические и поверхностные характеристики сорбентов с включением природных и синтетических полимеров 254
6.2.1. Кремнеземы, модифицированные полигуанидинами 254
6.2.2. Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном и альбумином 258
6.3. Сравнительный анализ адсорбционной способности полученных материалов к билирубину из водных растворов 264
6.3.1. Органо-модифицированные кремнеземы 264
6.3.2. Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном и альбумином 267
6.3.3. Кремнеземы, модифицированные полигуанидинами 269
Заключение 272
Список сокращений и условных обозначений 277
Список цитируемой литературы
- Дипиррины, бис(дипиррины), их комплексы и супрамолекулярные ансамбли
- Влияние бромида тетраэтиламмония на реакцию образования и устойчивость бис-дипиррината цинка в диметилформамиде
- Кинетика трансформации донорно-акцепторного комплекса дипиррина с трифторидом бора в Bodipy
- Протолитическая диссоциация бис-дипирриновых комплексов меди(II) и никеля(II) в бензольных растворах уксусной кислоты
- Кинетика реакций совместного окисления билирубина с аскорбиновой кислотой в водных растворах
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Желчные пигменты, их производные и синтетические аналоги составляют семейство чрезвычайно интересных муль-тифункциональных гетероциклических соединений. Наиболее ярким их представителем является билирубин – основной метаболит гема крови, общий маркер и ключевой показатель функции печени. Если ранее билирубин рассматривался, в основном, как токсический продукт метаболизма, то в настоящее время его физиологические концентрации относят к жизненно необходимым [1, 2]. Согласно результатам исследований химиков, биологов и медиков, проведенных в последние три десятилетия, билирубин является высокоэффективным эндогенным антиоксидантом, и количество доказательств его защитной роли при различных патологиях стремительно растет. Таким образом, развитие химии билирубина и его аналогов имеет ключевое значение для повышения качества жизни и сохранения здоровья человека.
Уникальность билирубина предопределена, прежде всего, стабильностью его пространственной «ridge tile»-структуры (рис. 1а), сформированной шестью водородными связями и имеющей на периферии тетрапиррольного остова несколько центров донорно-акцепторного взаимодействия. Этим обусловлена яркая палитра изменений физико-химических свойств пигмента в зависимости от условий и вызваны проявления ряда биологических эффектов. К наиболее важным из них следует отнести низкую растворимость и способность к спонтанной кристаллизации при физиологическом значении рН крови, переход в водорастворимые формы при освещении УФ светом, высокую структурно-пространственную комплементарность при взаимодействии с сайтами связывания белков и возможности реализации различных механизмов антиоксидантного действия. Удивительным фактом является то, что билирубин – типичный представитель животного мира, в 2009 году был впервые найден у растений (рис. 1б,в); механизм его образования в которых до конца не выяснен [3, 4].
В 2013 году открытие способности билирубина выступать в роли хромофора в лиганд-активируемых флуоресцентных белках UnaG (семейство мышечных белков японского угря), сделанное японскими учеными [5], произвело
(а) (б) (в)
Рис. 1. «Ridge tile»-структура билирубина IX с нумерацией атомов тетрапиррольного остова (а), внешний вид желчных камней, окраску которым, в основном, придает билирубин (б) и фотография семян растения «Райская птица» (Strelitzia reginae), оранжевый цвет которых обусловлен билирубином IX.
революцию в экспериментальной биохимии и значительно усилило интерес исследователей к химии линейных олигопирролов.
Базовой структурной единицей билирубина, предопределяющей, по сути, структурные и физико-химические особенности всех его родственных соединений, является молекула дипиррина. Ее способность к формированию устойчивых хелатных узлов с различными металлами, а также ковалентных борфторидных (Bodipy) и фосфорильных (Podipy) комплексов предопределила стремительное развитие координационной химии линейных олигопирролов. Сочетание легко поляризуемой -электронной системы лиганда и атома-комплексообразователя приводит к появлению внутримолекулярного переноса заряда, обусловливающего хромофорную активность и фотофизику у комплексов, которые удовлетворяют потребности современной лазерной техники, молекулярной сенсорики и фотовольтаики [2, 6]. Широкое разнообразие типов металлокомплексных структур дипирринов, их бис- и трис-производных (гомо- и гетеролигандные, гомо- и полиядерные комплексы, двух- и многодоменные геликаты) обеспечивают легкость самосборки таких молекул в супрамолекулярные трехмерные ансамбли (спирали, решетки, сетки), в полимерные пленки и наночастицы регулярного строения. В этой связи диапазон исследовательских возможностей для развития новых направлений в области супрамолекулярной химии и дизайна новых функциональных материалов на основе комплексов дипирринов и их производных существенно расширяется.
Резюмируя изложенное выше, химию билирубина и его аналогов в настоящее время можно отнести к высококонкурентной области современной науки. В последние десятилетия количество публикаций по билирубину, его синтетическим аналогам – дипирринам, бис(дипирринам), их борфторидным и металло-комплексам, супрамолекулярным ансамблям и гибридным материалам с их включением растет стремительными темпами (рис. 2).
Десятки лабораторий и ведущих университетов по всему миру работают в данном направлении. Число российских научных групп, занятых в области синтеза, координационной и физической химии, спектроскопии и фотофизики, биомедицины билирубина и его аналогов с каждым годом прибавляется. В результате исследователям все труднее становится найти новые идеи, и борьба за приоритет становится более жесткой.
Рис. 2. Гистограмма распре
деления числа публикаций,
посвященных билирубину и
борфторидным комплексам
дипирринов (Bodipy) со-
гласно библиографической и реферативной базе «Scopus» по состоянию на 07 ноября 2016 г.
В настоящей работе основные усилия сосредоточены на двух важнейших и взаимосвязанных аспектах химии билирубина и его аналогов. Первый охватывает исследования в области координационной химии дипирринов, которые, прежде всего, направлены на выявление закономерностей, имеющих прогностическое значение для управления устойчивостью и физико-химическими свойствами комплексов дипирринов различных типов. Направленное регулирование свойств комплексов дипирринов можно осуществить путем варьирования «внутренних», в основном, структурных факторов, и «внешних» условий (природа сольватного окружения в растворах или полимерных матриц в гибридных материалах). Таким образом, систематизация данных о механизмах образования и распада комплексов дипирринов, закономерностях их устойчивости и изменений спектральных и фотофизических характеристик при вариациях структурных и сольватационных факторов, результатах разработки методов направленной функционализации комплексов как за счет изменения их структуры, так и включения в разнообразные по природе гибридные материалы различной структуры и морфологии на основе полимерных матриц неорганической и органической природы, является актуальной междисциплинарной задачей современной химической науки, находящейся, преимущественно, на стыке неорганической и физической химии.
Второе направление, развиваемое в работе, связано с детализацией окислительных реакций билирубина и его супрамолекулярного комплекса с альбумином как основной транспортной его биоформы, выяснением его роли в процессах нековалентного взаимодействия ряда биомолекул с белковыми носителями и созданием научно-обоснованной стратегии дизайна гибридных материалов на основе органо-модифицированных кремнеземов для высокоэффективной адсорбции билирубина и других токсинов из биологических жидкостей. Выявление физико-химических принципов супрамолекулярного комплексообразования и, соответственно, высокоэффективных взаимодействий билирубина, составляет базисное начало для дальнейшего совершенствования теории и практики супрамо-лекулярной химии, биохимии, сенсорики и медицины.
Таким образом, настоящая работа объединяет развитые автором методологические подходы к установлению закономерностей образования, устойчивости, распада, проявлений спектральных эффектов и направлений функционализации как индивидуальных соединений – дипирринов, их классических комплексов, билирубина и его супрамолекулярных комплексов, так и гибридных материалов различной природы на их основе, в единую стратегию. Это, в свою очередь, позволяет расширить имеющиеся представления о билирубине, его природных и синтетических эквивалентах как уникальных объектах современной химии, а также найти новые направления исследований.
Степень разработанности темы. Интерес к изучению дипирринов, их синтетических и природных производных нашел свое отражение в многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов (см. рис. 2). В настоящей работе были использованы и развиты существующие идеи относительно физико-
химической интерпретации зависимостей устойчивости комплексов от электронной структуры атома-комплексообразователя, электронных эффектов заместителей в ароматических гетероциклических лигандах, природы растворителя, хелат-ного и полихелатного эффектов, принципа структурно-пространственной компле-ментарности при образовании супрамолекулярных комплексов, влияния «внешних» межмолекулярных взаимодействий на устойчивость и реакционную способность молекул и др. на примере объектов настоящего исследования. В диссертации проведена дискуссия с российскими и зарубежными учеными, исследовавшим реакции разрушения Bodipy в кислых растворах или материалах с повышенной концентрацией протонсодержащих частиц и механизмов антирадикальной активности билирубина. Изучение таких явлений, как эффект «присутствия» билирубина в реакциях нековалентного взаимодействия ряда биомолекул, в том числе лекарственных препаратов с белками, существенное понижение скоростей реакций окисления билирубина в составе альбуминового комплекса, влияние слабых межмолекулярных взаимодействий на спектральные и фотофизические характеристики комплексов дипи-рринов, потенциал использования красителей семейства Bodipy в диагностике процессов свертывания крови и их коллосальная устойчивость к протолитическим и сольвопротолитическим процессам не получила до наших работ подробного освещения ни в российской, ни в зарубежной литературе.
Изложенные выше позиции позволили обосновать направления исследований, представленных в диссертации.
Связь темы с плановыми исследованиями и финансовая поддержка работы. Работа выполнена в соответствии с планом НИР кафедры неорганической химии Ивановского государственного химико-технологического университета по теме «Разработка и оптимизация физико-химических параметров супрамолекулярных и наноразмерных систем и материалов на основе неорганических и координационных соединений». Разделы работы и отдельные ее этапы выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 12-03-31309, 13-03-90743, 14-03-31888, 15-43-03214, 15-33-20002, 16-03-01028), грантов Президента Российской Федерации для молодых российских ученых (проекты МК-313.2009.3, МК-401.2011.3 и МК-287.2014.3), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты № 14.740.11.0617, 02.740.11.0253, соглашение № 14.132.21.1448), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы) (проект № 2.1.1/827) и программы Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания для выполнения научно-исследовательских работ на 2014-2016 гг. (грант № 4.106.2014/К).
Цели и задачи работы. Цель исследования - выявление эффектов ком-плексообразования и межмолекулярных взаимодействий в химии родственных дипирринов и билирубина, включающего установление физико-химических принципов образования, распада, изменений устойчивости, спектральных и фотофизических свойств, межмолекулярных взаимодействий комплексов дипирринов с p-, d- и f-элементами, а также окислительных реакций, межмолекулярных и адсорбционных взаимодействий билирубина и его альбуминового комплекса. В ходе исследований решались следующие основные задачи экспериментального и теоретического характера:
анализ спектроскопических, квантовохимических и термодинамических
параметров оснвности координационных центров дипирринов и их биспроизводных;
термодинамическое и кинетическое исследование процессов комплексо-образования алкилированных дипирринов с солями d- и^элементов в растворах, в том числе с изучением возможностей образования гетеролигандных комплексов;
выявление механизма образования борфторидных комплексов дипирринов и их биспроизводных через промежуточные донорно-акцепторные комплексы и установление факторов, оказывающих наибольшее влияние на их стабилизацию;
установление закономерностей кинетической устойчивости и обоснование главных факторов стабилизации комплексов дипирринов в реакциях диссоциации под действием кислот;
определение структурных и сольватационных факторов, оказывающих наиболее сильное влияние на спектральные и фотофизические характеристики комплексов дипирринов с p-, d- и f-элементами в различных по природе растворителях, в том числе выявление перспективных соединений для практических нужд;
сравнительное экспериментальное и теоретическое исследование окислительных реакций билирубина и его супрамолекулярного комплекса с альбумином в растворах;
изучение влияния присутствия «связанного» билирубина в молекуле альбумина на кинетические и термодинамические параметры супрамолекуляр-ных взаимодействий важнейших биоактивных и практически значимых лиган-дов (аскорбиновой кислоты, урацила, 5-гидрокси-6-метилурацила, гидрохинона, водорастворимых порфиринов, Bodipy и др.) с белками;
разработка методов получения органо-модифицированных кремнеземов различной структуры и морфологии для высокоэффективной адсорбции билирубина и других токсинов из биологических жидкостей, а также поиск вариантов их направленной функционализации с использованием белка UnaG и ряда био-цидных полимеров.
Научная новизна состоит в развитии координационной и супрамолеку-лярной химии дипирринов и их биологического производного - билирубина через выявление новых эффектов, сопровождающих фундаментальные процессы с их участием: кислотно-основные равновесия и комплексообразование, диссоциация комплексов, поглощение и испускание лучистой энергии, формированиие и разрушение межмолекулярных связей с растворителем и функциональными группами супрамолекулярного окружения, окисление и др. Впервые, путем сравнительного анализа данных разных видов спектроскопии с привлечением термодинамических характеристик, установлены взаимные корреляции параметров оснвности координационных центров дипирринов, что позволило обосновать представления о закономерностях устойчивости их ниевых солей и изменения
оснвности их реакционных центров. На основании данных по спектральным, термодинамическим и кинетическим (последние впервые) характеристикам реакций образования комплексов дипирринов с солями d- и f-элементов установлены ключевые закономерности влияния природы металлов и лигандов на стабилизацию комплексов и обнаружена взаимосвязь между их устойчивостью и силой поляризующего действия иона комплексообразователя на -систему ли-ганда, что позволяет отнести дипиррины к своеобразным маркерам, указывающим на преобладание ионного или ковалентного вкладов в координационную связь. Впервые изучена кинетика образования гетеролигандного комплекса ни-келя(II) с дипиррином и показано, что скорость его образования лимитируется, главным образом, замещением молекул растворителя в сольватированном ионе металла на входящий хелатный лиганд. Установлен эффект кинетического торможения реакции комплексообразования дипирринов с солями цинка(II) в присутствии добавок бромида тетраэтиламмония, вызванный взаимодействием электроноизбыточного третичного атома азота дипиррина с катионом тетраэти-ламмония. Обнаружено образование устойчивого донорно-акцепторного комплекса как промежуточного продукта в синтезе борфторидных комплексов ди-пирринов, что позволило предложить и теоретически обосновать механизм реакции образования Bodipy. Показано, что изменения спектральных свойств комплексов дипирринов в растворах в значительной степени определяются природой сольватирующей среды с проявлением отрицательного сольватохромного эффекта и доминирующим влиянием специфических взаимодействий. Результаты спектральных исследований и квантовохимических расчетов позволили установить, что основное влияние на кинетическую устойчивость комплексов дипирринов с d-металлами к действию кислот оказывает способность координированных атомов азота лиганда к взаимодействию с молекулами кислоты, в то время как первая стадия протолитической диссоциации Вodipy – протонирова-ние атомов ацидолигандов фтора. Показано, что иммобилизация комплексов ди-пирринов в неорганические и органические полимерные матрицы позволяет, при сохранении присущих индивидуальным соединениям спектральных характеристик, значительно увеличить их термическую и фотохимическую устойчивость. По результатам кинетических исследований окислительных реакций билирубина в водных и неводных растворах под действием различных инициаторов установлено влияние белкового окружения – эффект «белковой стабилизации», а также показано, что при совместном окислении билирубин ингибирует окисление аскорбиновой кислоты, что подтвердило результаты клинических исследований. Установлена регулирующая роль билирубина (эффект «присутствия») в составе альбуминового комплекса в процессах нековалентного взаимодействия биомолекул с белковыми носителями, проявляющаяся во влиянии на кинетические и термодинамические параметры супрамолекулярных взаимодействий со всеми изученными лигандами, за исключением урацилов. С использованием золь-гель технологии получены новые гибридные материалы на основе неорганической матрицы кремнезема с включением различных типов полимеров природного и синтетического происхождения: бычьего сывороточного альбумина, поливинилпирролидона и гуанидинсодержащих полимеров. Установлено, что
поверхностные свойства и морфология конечного материала в значительной степени определяется типом закрепленного («включенного») полимера или органо-силана. Полученные кремнеземы были применены в качестве сорбентов для адсорбции билирубина.
Теоретическая и практическая значимость. Выявленные закономерности влияния природы комплексообразователя, лиганда и сольватирующей среды на кислотно-основные и координационные свойства дипирринов имеют важное практическое значение для целенаправленного создания металлокомплексных структур с заданными характеристиками. Установленные корреляции между устойчивостью координационных соединений дипирринов и силой поляризующего действия иона металла на хромофорную систему дипиррольного лиганда позволяют прогнозировать устойчивость комплексов в рядах структурно родственных соединений. Понимание механизмов образования координационных соединений дипирринов, способов эффективной их иммобилизации в полимерные матрицы, а также факторов, регулирующих спектральные и фотофизические свойства, позволяет определить оптимальные методы получения необходимых для практики соединений и материалов на их основе. Выявленные физико-химические закономерности взаимовлияния структурных и сольватационных факторов вносят значительный вклад в формирование теоретической базы, необходимой для создания на основе металлокомплексов дипирринов соединений и материалов для оптики и молекулярной сенсорики. Обнаруженное повышение термической и фотохимической устойчивости комплексов дипирринов в составе полимерных матриц позволяет рекомендовать гибридные материалы в качестве эффективной замены жидкофазных систем в практических целях. Понимание механизмов антиоксидантного и антирадикального дйствия билирубина позволит развить существующие и создать новые представления о биохимических функциях соединений на основе тетрапиррольной структуры. Полученные данные по окислению билирубина с активными формами кислорода в водных и неводных растворах смогут найти применение при моделировании мембранных структур клетки, в особенности при условиях окислительного стресса, позволяя глубже понять процессы старения. Выявленные закономерности в области влияния билирубина на физико-химические параметры связывания низкомолекулярных веществ с белками вносят вклад в формирование базы, необходимой для развития медицинской и супрамолекулярной химии. Разработанные технологии иммобилизации белковых молекул и синтетических полимеров в золь-гель синтезе открывают перспективу создания новых биосовместимых материалов на основе неорганических матриц в качестве перспективных сорбентов и носителей лекарственных препаратов, обладающих высокой связывающей способностью к билирубину и другим гетероциклическим биообъектам. Проведенные исследования по адсорбции билирубина из его водных растворов позволяют рекомендовать используемые подходы для производства новых высокоэффективных гемосорбен-тов и их применение в системах очистки плазмы крови.
Полученные результаты использованы при разработке учебных программ, лабораторных практикумов, курсов лекций и фондов оценочных средств по дисциплинам «Неорганическая химия», «Координационная химия», «Современные
проблемы координационной и супрамолекулярной химии», «Актуальные задачи современной химии» для обучающихся по образовательной программе 04.00.00 Химия (уровни бакалавриата, магистратуры и аспирантуры), реализуемой в Ивановском государственном химико-технологическом университете.
Основные положения, выносимые на защиту: линейные корреляции между различными параметрами оснвности донорных атомов азота алкилиро-ванных дипирринов и их бис-производных и представления об изменениях устойчивости протонированных форм лигандов и, соответственно, их координирующей способности в зависимости от структуры; анализ констант образования гомо- и гетеролигандных комплексов дипирринов с Cu(II), Ni(II), Co(II), Zn(II), Cd(II), Hg(II), In(III), La(III), Pr(III), Sm(III), Dy(III), Ho(III), Er(III) и Yb(III) вместе с данными электронной спектроскопии растворов комплексов и реакционных смесей, позволивший установить, что образование и устойчивость гетеролиганд-ных комплексов дипирринов определяется электронным сродством атома-ком-плексообразователя к донорным атомам лиганда, а формированию гомолиганд-ных комплексов препятствуют стерические факторы; корреляции устойчивости трис(дипирринатных) комплексов лантанидов и энтальпий образования с ионными радиусами, взаимосвязь между устойчивостью комплексов дипирринов с p-, d- и f-элементами и силой поляризующего действия атома-комплексообразо-вателя на хромофорную -систему дипиррина, что позволило отнести последние к своеобразным зондам, высокочувствительным к изменениям соотношения между ионным и ковалентным вкладами в координационные взаимодействия; результаты регрессионного анализа спектральных и фотофизических характеристик растворов комплексов дипирринов с p- (Bodipy), d- и f-элементами в растворителях различной природы; возможности использования мезо-замещенных Bodipy в качестве диагностических сенсоров и агентов визуализации в системах свертывания крови; результаты, показывающие, что формирование донорно-акцепторного комплекса дипирринов с BF3, стабилизированного водородной связью N–HF–B, является первой стадией образования Bodipy, а фактором, определяющим различия в энтальпиях образования донорно-акцепторных комплексов дипирринов с галогенидами B(III), Al(III), Ga(III), In(III), As(III) и Sb(III), является взаимная компенсация энергий образования донорно-акцепторных связей NЭ и N–HHal–Э, причем последняя вносит существенный вклад в стабилизацию комплексов с фторидами р-элементов; результаты спектральных, кинетических исследований устойчивости комплексов дипирринов к действию кислот с использованием квантовохимических расчетов; вероятный механизм первой стадии протолитической диссоциации Вodipy, объясняющий коллосальную устойчивость комплексов к протолитическим процессам; модель антирадикального действия билирубина через механизм обменного взаимодействия водородных атомов NH-группы с пероксильным и гидроксильными радикалами в воде и полярных электронодонорных растворителях; наблюдаемый супрамолекуляр-ный эффект «белковой защиты», проявляющегося в двух- и трехкратном уменьшении реакционной способности (для гидроксильных и пероксильных радикалов соответственно) комплекса билирубина с альбумином по сравнению с индивидуальным пигментом, что наблюдается для всех типов реакционных систем;
наличие эффективного торможения реакции окисления аскорбиновой кислоты в присутствии билирубина, что связано с конкуренцией субстратов за активные формы кислорода и позволило объяснить с химической точки зрения данные клинических исследований; супрамолекулярный эффект «присутствия» билирубина, т. е. различия устойчивости комплексов ряда молекул с альбумином и его коньюгатом с тетрапиррольным пигментом; методики получения высокочувствительных наночастиц-сенсоров на билирубин с использованием супрамоле-кулярного эффекта активации флуоресценции белка UnaG, закрепленного на внешней оболочке частиц, а также модифицированных кремнеземов – сорбентов билирубина – с привитыми октильными, фенильными, уринопропильными группами, а также содержащие полигуанидины, поливинилпирролидон и бычий сывороточный альбумин и др.
Методология и методы исследования. Методология решения поставленных в работе задач включает исследовательские приемы и подходы, основанные на опыте отечественных и зарубежных ученых в области неорганической и физической химии гетероциклических молекул, а также полученных результатах коллектива автора. Основу методологии составили синтез, эксперимент, анализ, сравнение, обобщение и математическое моделирование. Методы исследования – электронная спектроскопия поглощения, флуоресцентная спектроскопия, ЯМР, ИК-спектроскопия, масс-спектрометрия, элементный анализ, РСА, электронная микроскопия, лазерная дифракция, низкотемпературная адсорбция/десорбция азота, дифференциальный термический анализ, квантовохимические расчеты и др. позволяют сегодня решать большинство задач по исследованию химических веществ и реакций. В работе в качестве основной инструментальной базы использовано оборудование Центров коллективного пользования Ивановского государственного химико-технологического университета, Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН («Верхневолжский региональный центр физико-химических исследований»), Ивановского государственного университета, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Уфимского института химии УНЦ РАН, Физико-технологического института РАН и др.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов может быть подтверждена достаточно большим массивом экспериментальных данных и современными методами исследования, соответствующим поставленным целям и задачам. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в работе, надежно подтверждены в рамках исследуемого явления (реакции, проявления свойства или нескольких свойств в совокупности) для всего набора веществ, для которых данные явления являются типичными. Противоречия сформулированных положений с современными концепциями неорганической, физической химии и смежных с ними направлений отсутствуют. Подготовка, статистический анализ и интерпретация полученных результатов проведены с использованием современных методов обработки информации и статистического анализа. В работе применялись паспортизованные химические вещества, материалы и оборудование с лицензионным программным обеспече-
нием. Подтверждением достоверности могут также служить многократная научная экспертиза результатов в ходе рецензирования статей, экспертизы проектов на гранты и научных отчетов, представления результатов на конференциях и конкурсах различного уровня.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Региональных конференциях «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново 2007–2015); Международной школе «Супрамолекулярные системы в химии и биологии» (Туапсе 2008); V Международной конференции по порфиринам и фталоцианинам «ICPP-5» (Москва 2008); Международных конференциях «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Кисловодск 2009, Железноводск 2011); XXIV, XXV и XXVI Международных Чугаев-ских конференциях (Санкт-Петербург 2009, Суздаль 2011, Казань 2014); Международной конференции по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов (Иваново 2009); VIII Школе-конференции по химии порфиринов и родственных соединений (Гагра, Абхазия 2009); Международных конференциях «Наноструктуры в полимерах и полимерные нанокомпозиты» (Нальчик 2009, 2011, 2014); XII Молодежной конференции по органической химии (Суздаль 2009); VIII Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа 2010); II Международной конференции РХО «Инновационные химические технологии и биотехнологии материалов и продуктов» (Москва 2010); I, II, III и IV конференциях стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» (Санкт-Петербург 2010, Севастополь 2012, Суздаль 2014, Армения, Ереван 2016); XIX и XX Менделеевских съездах по общей и прикладной химии (Волгоград 2011, Екатеринбург 2016); XI Международной конференции «Проблемы сольватации и ком-плексообразования в растворах» (Иваново 2011); II Всероссийской научной конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва 2012); IV Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль 2012); XXX Всероссийском симпозиуме по химической кинетике (Москва 2012); Международной научной конференции «Физические методы в координационной и супрамолекулярной химии» (Молдова, Кишинев 2012); XV Международной конференции «Гетероциклы в биоорганической химии» (Рига 2013); Байкальском материаловедческом форуме (Улан-Удэ и оз. Байкал 2013); Международной конференции «Organometallic and Coordination Chemistry: Fundamental and Applied Aspects» (Нижний Новгород 2013); Конференциях Федерации европейских биохимических обществ и Европейской организации молекулярной биологии (FEBS EMBO) (Санкт-Петербург 2013, Париж, Франция 2014); Междисциплинарном симпозиуме по медицинской, органической и биологической химии (Крым, Новый Свет 2015); Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений» (Туапсе 2015, 2016); XII Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (Иваново 2016) и др.
Вклад автора. Основу диссертации составляют результаты экспериментальных исследований и теоретических обобщений, выполненных при непосред-
ственном участии автора в период с 2006 по 2016 гг. Выбор направлений, постановка и обоснование целей и задач исследования, разработка экспериментальных подходов, интерпретация, обсуждение, обобщение результатов и написание научных статей осуществлены непосредственно автором при участии сотрудников, аспирантов и студентов (Макарова С.П., Макаров Н.Н., Десоки А., Марфин Ю.С., Соломонов А.В., Алешин С.Н., Тимин А.С., Ксенофонтова К.В., Кочергин Б.А., Критский И.Л. и др.), у которых автор являлся или является научным руководителем при выполнении кандидатских диссертаций. Часть результатов получена в ходе сотрудничества научной группы автора с коллегами из Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, Ивановского государственного университета, Ивановской государственной медицинской академии, Института органической химии Уфимского научного центра РАН, Института проблем сверхпластичности металлов РАН, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова, Ариэльского университета (Израиль), Университета г. Росток и Института медицинской экологии г. Фрайбург (Германия), Университета г. Турин (Италия), Института теоретической физики Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария), Института мозга (Япония) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликованы монография и 65 статей в рецензируемых ведущих отечественных и зарубежных журналах, входящих, в подавляющем большинстве, в международные реферативные базы данных и системы цитирования, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. В данных публикациях нашли отражение основные положения, выносимые на защиту. Результаты диссертации включены в отчеты о НИР по проектам, грантам и контрактам, указанным в разделе «Связь темы с плановыми исследованиями и финансовая поддержка работы».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 608 источников. Диссертация изложена на 313 страницах, содержит 162 рисунка и 56 таблиц.
Дипиррины, бис(дипиррины), их комплексы и супрамолекулярные ансамбли
Влияние бромида тетраэтиламмония на реакцию образования и устойчивость бис-дипиррината цинка в диметилформамиде
Пятичленный гетероцикл пиррола, как и фурана, тиофена и селенофена, является -избыточным [22] из-за гетероатома, предоставляющего в ароматическую систему не один, а два электрона. Направление дипольного момента молекулы всегда постоянно – от атома азота внутрь кольца, тогда как у насыщенного аналога – пирро-лидина, дипольный момент направлен к атому азота [23]. Это подтверждает частичную делокализацию неподеленной электронной пары азота по кольцевой -системе молекулы пиррола. Вследствие делокализации свободной пары электронов пиррол проявляет свойства очень слабого основания. Способность протона NH-группы к быстрому обмену в щелочных, кислых, а также нейтральных средах подтверждена данными ЯМР и УФ спектроскопии [24–27]. Величина рКа сопряженной кислоты пиррола составляет 3.8, в то время как для насыщенного пирролидина – 11.3. Увеличение степени алкилирования приводит к росту оснвности пиррола [27]. Данная тенденция достаточно успешно использована, в том числе нами, для создания модельных аналогов билирубина – алкилированных дипирринов и бис(дипирринов) как устойчивых соединений и лигандов с высокой оснвностью координационных центров для исследования термодинамических и кинетических закономерностей комплексообразования в растворах и целенаправленного синтеза различных комплексов.
Пиррол – бесцветная жидкость с температурой кипения 129 С, немного гигроскопична и мало растворима в воде, но легко растворима в большинстве органических растворителей. На воздухе, особенно под действием света, пиррол окисляется до оксопирролинов, а также ди- и тримерных пигментов [28–30]. Общепринятый метод синтеза пиррольного кольца – термолиз аммонийных солей тетраокси-алкандикарбоновых кислот, используемый для синтеза N-алкил- и арилпирролов. Реакционная способность пиррола по отношению к электрофилам и кислороду похожа на таковую для фенола и анилина, тогда как с нуклеофилами он практически не взаимодействует [31, 32]. В УФ спектре пиррола имеется максимум при 208 нм (lg = 3.88) в циклогексане и при 207.5 нм (lg = 3.86) в 98 %-ном этаноле. Электроотрицательные заместители в С-положениях (ацильная, карбонильная и циано-группы) вызывают батохромный сдвиг максимума до 260–300 нм с одновременным гиперхромным эффектом. В ИК-спектре валентные колебания NH-связи пиррола в твердом состоянии проявляются в области 3500 см–1, в хлороформных растворах наблюдается расщепление на две компоненты (3400 и 3497 см–1), меняющих интенсивности при разбавлении и свидетельствующих о существовании ассоциативного равновесия [24, 25]. Пиррол дает в 1H ЯМР спектре два мультиплета с центрами при 6.62 мд–1 (шкала ) (-Н) и 6.05 мд–1 (-Н) и широкий около 7.25 мд–1 (протон NH-группы) [33]. Сдвиги сигналов циклических протонов в сторону слабых полей согласуются с наличием кольцевого тока, характерного для ароматической системы.
Поляризация молекулы пиррола за счет сдвига -электронной плотности из цикла к атому азота и -электронной плотности от атома азота в цикл приводит к появлению у пиррола слабых кислотных свойств (рКа = 17.5). Натриевые и калиевые соли пиррола получают при обработке пиррола металлом или амидом металла в жидком аммиаке, а также прямой реакцией с металлом в инертном растворителе [34–36]. Пирролы очень легко реагируют с реактивом Гриньяра в эфирном растворе, образуя N-пирролмагниевые производные, в которых магний связан с азотом. Получены и другие N-металлические производные пиррола, например, с кадмием и цинком. Пиррол и его алкильные производные образуют окрашенные комплексы с хинонами, пикриновой кислотой, тетрацианоэтиленом, иодом и т. д., многие из которых выделены в кристаллическом виде. Комплексы образуются за счет --взаимодействий между -избыточным пиррольным ядром и -дефицитными молекулами акцепторов.
Пирролы дают классическую цветную реакцию Эрлиха с п-диметиламино-бензальдегидом в слабокислой среде за счет образования красно-фиолетовых продуктов. Аналогичная реакция пирролальдегидов с -незамещенными пирролами дает оранжево-красные дипиррины. В случае пирролов с электроноакцепторными группами возможно получение симметричных дипиррометенов. В кислой среде формальдегид и другие алифатические альдегиды конденсируются с пирролом, об разуя полимеры, благодаря чему, зачастую, продукты отщепления воды – метилен-пирроленины – вступают далее в реакцию конденсации, иногда при этом в реакционной смеси фиксируется небольшое количество порфирина [37, 38]. Катализированная кислотой реакция конденсации ацетона [39] с пирролом приводит к образованию устойчивого циклического тетрамера – порфириногена. Другим примером образования макроциклов из пиррола и его 3,4-алкилпроизводных является синтез мезо-тетраарилпорфиринов в кислых растворах на воздухе [40].
В оригинальных работах, выполненных М.Б. Березиным и др. [41–43] с использованием калориметрии растворения и модельного подхода, использующего функцию «переноса» из инертного растворителя для получения сравнительной характеристики сольватации, изучена энергетика сольватации ряда замещенных пир-ролов. Показано, что центрами сольватации в пирроле являются ароматическая система гетероцикла и поляризованная группа NH. N-алкильное замещение приводит к усилению сольватации протонодонорными и резкому уменьшению сольватации протоноакцепторными растворителями, а последовательное С-метилирование и наращивание длины алкильного заместителя вызывает монотонное увеличение эндотермичности процесса растворения.
Кинетика трансформации донорно-акцепторного комплекса дипиррина с трифторидом бора в Bodipy
В работе [223] предложены методики экстракционно-фотометрического определения билирубина в плазме и сыворотке крови. Они основаны на экстракции пигмента раствором первичного, вторичного или третичного амина, с последующим фотометрическим контролем экстракта. Адсорбционная инверсионная вольт-амперометрия [224] оказалась также эффективной для количественного анализа билирубина.
После обнаружения белка UnaG [5], флуоресцирующего в присутствии билирубина, заманчивой является идея использования такой реакции для аналитического определения пигмента. Использование флуоресцентной микроскопии позволяет значительно увеличить чувствительность метода. Кроме того, эта реакция была использована нами при получении многофункциональных наночастиц – высокочувствительных флуоресцентных сенсоров на билирубин (см. главу 5).
Поскольку в подавляющем большинстве случаев гипербилирубинемия – это набор симптомов, обусловленный нарушениями в работе организма, и поэтому, как такового лечения ее на текущий момент не существует. Основная опасность повышенного содержания билирубина в сыворотке состоит в том, что билирубин, будучи по своей природе липофильным соединением, способен, минуя гематоэнце-фалический барьер, проникать в мозг и связываться с фосфолипидами клеточных мембран (билирубиновая энцефалопатия). В случае наследственных гипербилиру-бинемий (синдромы Жильбера, Дабина-Джонсона, Криглера-Найяра, Ротора), а также желтухи новорожденных, вызванной заменой фетального гемоглобина F (HbF) на гемоглобин А (HbA) стабильно высокая концентрация способна привести к необратимым изменениям в работе нервной системы. Вследствие накопления билирубина в базальных ганглиях и ядрах ствола мозга развивается заболевание, называемое «ядерной желтухой». Механизм токсического действия пигмента в этом случае проявляется в виде ингибирования ферментных систем фосфорилиро-вания пептидов, опосредованно или напрямую через связывание с лизином [225]. Увеличению содержания билирубина в мозге способствует вытеснение его из альбуминового комплекса вследствие снижения его связывающей способности, усиление кровотока мозга, повышение проницаемости гематоэнцефалического барьера и других факторов [226]. На текущий момент времени лечению поддаются исключительно ненаследственные виды гипербилирубинемий. В мировой практике не зафиксировано ни одного случая несимптоматического снятия нежелательных эффектов повышенного содержания билирубина в крови. Доступные генно-инженерные методы пока находятся на достаточно низком уровне развития, чтобы избавить человека от проявлений гипербилирубинемий.
В клинической практике для уменьшения содержания билирубина часто прибегают к альбуминотерапии и лечению фенобарбиталом. Как уже было отмечено, особенности молекулярной структуры билирубина таковы, что под действием ряда внешних факторов терминальные пиррольные кольца способны осуществлять вращение относительно двойной связи и при этом образуются геометрические изомеры и диастереомеры, которые из-за отсутствия внутримолекулярных водородных связей гораздо более растворимы при физиологическом значении рН. Этот эффект лежит в основе фотодинамической терапии гипербилирубинемий, а также c успехом применяется в органическом синтезе. Диастерео- и фотоизомеры молекулы билирубина показаны на рис. 1.32 [138, 227].
Тем не менее, несмотря на то, что фотоокисление билирубина приводит к увеличению растворимости за счет образования фотоизомеров, сопутствующим негативным фактором является фотосенсибилизирующий эффект. Установлено [228–230], что фотоокисление билирубина сопровождается образованием синглет-ного кислорода. При этом нельзя исключить, что синглетный кислород, генерируемый триплетно возбужденным изомером IX, не будет вызывать фотодинамические повреждения других жизненно важных молекулярных структур и органелл клетки. Роль фотоиндуцированного окисления была также показана нами в работах [231–233] при изучении окислительных реакций билирубина в растворах (см. главу 5). Помимо изомеризации, облучение светом инициирует множество паралелльных реакций, продуктами которых являются бесцветные моно- и дипирролы, а также биливердин, образующийся в результате окисления метиленового мостика и характеризующегося протяженной полосой поглощения с максимумом около = 660– 750 нм (в зависимости от природы растворителя).
Фотосенсибилизация билирубина вызывает образование не только синглет-ного кислорода, но и гидроксильного и супероксид-радикалов, оказывающих серьезное цитотоксическое действие. В работе [234] показана возможность фотодеструкции аминокислотных остатков альбумина человека при воздействии излучения на его комплексы с билирубином, а авторы [235] отмечают сенсибилизированное билирубином повреждение липопротеинов плазмы крови. Рис. 1.32. Фотоизомеры и диастереомеры билирубина [138, 227].
Высокая токсичность билирубина вызвала потребность поиска путей для безопасного и эффективного удаления его из плазмы крови. В настоящее время, наряду с фотодинамической терапией, используются гемосорбция, плазмаферез, гемодиализ и др. [236]. В частности, проведенные нами исследования по адсорбции билирубина из его водных растворов позволяют рекомендовать используемые подходы для производства новых высокоэффективных гемосорбентов и их применения в системах очистки плазмы крови (см. главу 6).
Являясь балластными продуктами распада гема крови, желчные пигменты и, в частности, билирубин, долгое время считались исключительно токсическими веществами. Интересной особенностью процесса ферментативного расщепления гема является то, что у птиц, рептилий и амфибий конечным продуктом распада гема является водорастворимый биливердин [237]. В организмах млекопитающих происходит его дальнейшее гидрирование с образованием токсичного и более гидрофобного билирубина со способностью к формированию «ridge tile»-структуры. Фактически, наблюдается противоречие между токсичностью образующихся со единений и энергозатратами организма на их синтез. Следовательно, должна существовать причина, по которой образование билирубина в организме млекопитающих является более выгодным процессом. Первыми работами [238–240] в середине XX в. было установлено, что билирубин способен защищать от перекисного окисления линолевую кислоту и витамин А. Переломным моментом в понимании функционала желчных пигментов стал 1965 г., когда Вишингрэд с коллегами установили, что гипербилирубинемия у недоношенных детей не так опасна, как считалось ранее [241, 242]. В это же время было обнаружено, что многие люди с синдромом Криглера-Наяра (врожденная наследственная злокачественная неконъюгированная гипербилирубинемия) ведут нормальный образ жизни без каких-либо вторичных патологий [243]. Высказывались предположения, что свободный билирубин может быть физиологически полезен, так как способен проникать через плаценту из зародыша в кровь матери [244–246]. Интересно, что изомеры билирубина у матери и ребёнка различаются, что исключает возможность использования билирубина матери в организме плода [247, 248]. В 1980-х годах Эймс с коллегами доказали, что билирубин, в ряде случаев, является более активным антиоксидантом, чем витамин Е [249, 250]. Тем не менее, несмотря значительные успехи, достигнутые в понимании действия антиоксидантов, до настоящего времени детальный механизм антирадикальной активности билирубина и желчных пигментов остается во многом невыясненным. Сравнительному экспериментальному и теоретическому исследованию окислительных реакций билирубина и его супрамолекулярного комплекса с альбумином в растворах посвящены наши работы, результаты которых обсуждаются в главе 5. Там же рассматриваются механизмы антиоксидантного действия пигмента.
Как уже было отмечено во Введении (раздел «Актуальность …»), обнаружение японскими учеными белка UnaG – мышечного белка японского угря, произвело революцию в экспериментальной биологии [5]. Ранее не было информации по флуоресцентным белкам позвоночных. Тем более удивительным фактом является то, что флуоресцению белка инициирует билирубин. Таким образом, границы нашего понимания биологической роли билирубина существенно расширяются и можно предположить, что человечество найдет еще немало интересного в механизмах использования тетрапиррольного пигмента Природой.
Протолитическая диссоциация бис-дипирриновых комплексов меди(II) и никеля(II) в бензольных растворах уксусной кислоты
Несмотря на достаточное количество оригинальных исследований и обзоров в области координационной и супрамолекулярной химии дипирринов и их производных, до недавнего времени в литературе отсутствовали сведения о кинетике и механизмах их образования. Затруднения, возникающие при использовании кинетических методов к изучению реакций комплексообразования дипирринов, связаны, главным образом, с высокой скоростью установления данных равновесий. Как было показано выше (см. раздел 2.2.2), образование комплексов дипирринов с Ni(II), в отличие от других d-металлов, протекает с измеримой скоростью, что позволяет изучить кинетику реакций в зависимости от концентрационных и температурных условий. Это вызвано высокой кинетической устойчивостью сольва-токомплексов никеля(II), по сравнению с другими d-металлами, к реакциям замещения и связано с максимумом стабилизации полем лигандов электронной конфигурации d8. Эта возможность была использована нами для изучения кинетики, и, соответственно, обоснования влияния электронных, стерических и сольватаци-онных факторов, приводящих к стабилизации комплексов дипирринов.
Изменения в ЭСП реакционных смесей, содержащих исходные лиганды – симметричный 3,3 ,5,5 -тетраметил-4,4 -диэтил-2,2 -дипиррин и несимметричный 3,3 ,4,5,5 -пентаметил-4 -этил-2,2 -дипиррин, и Ni(AcO)2, представлены на рис. 2.11. С течением времени ЭСП преобразуется в спектр гетеролигандного комплекса [Ni(AcO)L], имеющим интенсивный максимум поглощения при 500 нм. Из полулогарифмических кинетических зависимостей следует, что реакция протекает согласно первому порядку по концентрации лиганда, а варьирование концентрации Ni(AcO)2 показывает наличие прямолинейной зависимости наблюдаемых констант скорости (kobs) от cNi(AcO)2 (рис. 2.11б). Таким образом, наблюдаемая скорость реакции выражается уравнением второго порядка: (б)
Полученное уравнение позволяет предполагать бимолекулярный ассоциативный (SN2, А) или самосогласованный (SN2, /a,d) механизмы начальной стадии реакции замещения [314, 315]. Как уже отмечалось, в электронодонорном ДМФА в реакцию комплексообразования вступает катион [М(АсО)(ДМФА)5]+, образующийся в результате диссоциации электронейтрального сольватокомплекса [М(АсО)(ДМФА)5](АсО). Учитывая высокую степень деформации исходной координационной сферы сольватокомплекса никеля вступающим объемным лиган-дом дипиррина, протекание первой стадии реакции по «чистому» ассоциативному механизму маловероятно. В предположении о самосогласованном механизме первая, лимитирующая стадия исследуемой реакции включает растяжение и последующий разрыв связи Ni-ДМФА с одновременным образованием и упрочнением первой донорно-акцепторной связи Ni N:
Используя метод квазистационарных концентраций, а также допущение k –\ « k2, выражение для скорости образования металлокомплекса на второй стадии будет иметь вид: САсО- = НЬ ГАсО , (6) dr Lc АсСГ 1HbN (Ac) 2 АсСГ что соответствует экспериментально найденному уравнению (1).
Из предложенной модели следует, что вторая стадия, характеризующаяся константой скорости k2, должна вносить незначительный вклад в общую скорость реакции. Действительно, дополнительное введение ацетата натрия в реакционную смесь приводит к небольшому увеличению наблюдаемой константы скорости реакции (k0bs возрастает приблизительно в 24 раза), что свидетельствует в пользу участия ацетат-иона в депротонировании NH-группы лиганда с последующим образованием ковалентной связи M-N в стадии (5) обсуждаемого механизма.
Таким образом, полученные данные указывают на то, что скорость образования гетеролигандного комплекса Ni(II) определяется, главным образом, скоростью замещения молекул растворителя в исходном сольватокомплексе Ni(II) на входящий HL, т. е. созданием условий для эффективного донорно-акцепторного взаимодействия. Рост оснвности лиганда за счет усиления +I-эффекта при замене этильной группы на метильную, приводит к увеличению констант скорости ком-плексообразования в среднем в 1.31.5 раза, что также свидетельствует в пользу того, что образование первой донорно-акцепторной связи лимитирует исследуемый процесс. Следует отметить, что предложенный механизм и кинетическая модель процесса объясняет высокую скорость установления равновесий образования комплексов дипирринов с солями других d-металлов, в отличие от Ni(II), для которого, вследствие максимальной стабилизации кристаллическим полем, характерна самая низкая скорость обмена молекул растворителей в координационной сфере [288].
Из температурных зависимостей констант скорости были определены акти-вационные параметры исследуемой реакции (табл. 2.5). Высокие значения энтропии активации могут быть связаны, по-видимому, с десольватацией лиганда при взаимодействии с сольватокомплексом Ni(II). В свою очередь, десольватация способствует протеканию исследуемой реакции, характеризующейся достаточно высоким активационным барьером.
Наблюдаемые особенности процессов комплексообразования дипирринов с Ni(II) связаны с возможностями реализации альтернативных конфигураций координационных полиэдров. Можно предположить, что формирование переходных состояний, донорно-акцепторных интермедиатов, и, собственно, комплексов Ni(II) с дипирринами, осложняется перестройками геометрии координационных узлов. По данным РСА гомо- и гетеролигандные комплексы Ni(II) с дипирринами имеют искаженную тетраэдрическую конфигурацию, в то время как сольватоком-плексы Ni(II) в электронодонорных растворителях характеризуются октаэдриче-ским строением [288]. Поэтому высокие энтропии активации могут быть следствием потерь молекул ДМФА при формировании четырехкоординационного (тетраэдрического) из шестикоординированного, октаэдрического состояния Ni(II) и сильной десольватацией самого лиганда, как было отмечено выше.
Таким образом, представленные результаты показывают, что реакцию образования комплексов дипирринов лимитирует стадия замещения молекул растворителя в исходном сольватокомплексе металла с образованием первой донорно-акцепторной связи. Главное отличие комплексов Ni(II) от других d-металлов, проявляющееся в кинетике образования и протолитической диссоциации, состоит в существовании альтернативных конфигураций координационных полиэдров.
Протолитическая диссоциация бис-дипирриновых комплексов меди(II) и никеля(II) в бензольных растворах уксусной кислоты
До недавнего времени моделирование возбужденных состояний Bodipy ограничивалось лишь воспроизведением экспериментально полученных фотофизических характеристик (длины волн эмиссии, квантовые выходы), а используемые уровни теории не позволяли изучать динамику процессов, происходящих в возбужденной молекуле флуорофора [406]. Значительный прогресс в понимании динамики процессов, происходящих с дипирринами и их борфторидными комплексами был достигнут авторами недавней работы [407], которая позволила впервые с применением надежного теоретического базиса объяснить причины возникновения столь интенсивной и, в этой связи сильно интересующей экспериментаторов, флуоресценции Bodipy-молекул.
Практически полное тушение флуоресценции у свободного дипиррина связывают [408] с явлением миграции протона от одного атома азота лиганда к другому (см. также главу 1). В то же время в интенсивно флуоресцирующем Bodipy, имеющего высокие квантовые выходы, все безызлучательные механизмы рассеяния энергии возбужденного состояния становятся энергетически невыгодными. Возможный безызлучательный способ дезактивации возбужденного состояния возникает за счет так называемых «конических пересечений», т. е. пересечений ППЭ основного и возбужденного состояний молекулы. Результаты расчета сечений ППЭ для основного и первого возбужденного состояний, а также «конические пересечения» приведены на рис. 3.12. Для достижения точки «конического пересечения» в случае Bodipy необходимо затратить 2.9 эВ при геометрии, соответствующей основному состоянию молекулы (вертикальное возбуждение в соответствии с принципом Франка-Кондона) и 3.1 эВ при переходе из наиболее устойчивой геометрии в S1-состояние. Сканирование ППЭ не выявляет более близких точек пересечения основного и возбужденного состояний в энергетических допустимых диапазонах. Аналогичный результат наблюдается при изучении S2-возбужденного состояния Bodipy. В случае свободного дипиррина точка «конического пересечения» легко достижима, т. к. находится по энергии на 0.8 эВ
Значения относительных энергий перехода Si So СХ, рассчитанных методом CAS(12,ll)/6-31G(d). Промежуточные точки на диаграмме соответствуют последовательному изменению внутренних координат [407]. ниже, чем геометрия возбужденного состояния при вертикальном возбуждении. Переход в точку «конического пересечения» через равновесное геометрическое состояние дипиррина в возбужденном состоянии S\ также возможно, но менее вероятно. Таким образом, принципиальная разница между Bodipy и дипиррином состоит в возможности безызлучательной дезактивации за счет достижения точки «конического пересечения».
Геометрия молекул Bodipy и дипиррина в основном и возбужденном состояниях в точках «конического пересечения» существенно отличается (рис. 3.13). В сравнении с равновесной геометрией Bodipy в основном и первом возбужденном состоянии, в точке «конического пересечения» фрагмент [BF2] ассиметрично смещен к одному из атомов азота так, что расстояние N-B изменяется от 1.573 в S0 и 1.553 в состоянии S1 до 1.981 в точке «конического пересечения», что свидетельствует о практически полном разрыве данной связи (уменьшение порядка связи с 0.29 до 0.05). В случае же с дипиррином не наблюдается значительных изменений при переходе в точку «конического пересечения».
Была изучена возможность безызлучательной дезактивации дипиррина за счет таутомерного перехода атома водорода от одного атома азота к другому. Миграция протона маловероятна из-за высокого энергетического барьера и он не может являться причиной безызлучательной дезактивации, т. к. в данном случае поверхности потенциальной энергии S0 и S1-состояний находятся на значительном удалении друг от друга. Также к дезактивации не приводит вращение пиррольных колец друг относительно друга.
Таким образом, наиболее вероятным изменением геометрии при переходе в точку «конического пересечения» является увеличение угла между двумя пирроль-ными кольцами, которое без энергетического барьера достигается для дипиррина, но невозможно у Bodipy c борсодержащем циклом. Определенный интерес представляет также анализ первого возбужденного триплетного состояния. Рассчитанные относительные энергии основного, первого возбужденного синглетного и триплетного состояний Bodipy и дипиррина показаны на рис. 3.14. Векторы изменения геометрии при переходах S0S1 и S0T1 противоположны для Bodipy, но совпадают для дипиррина. Пока связать эти результаты с эффективностью проявления люминесцентных свойств не удается.
Актуальным направлением использования Bodipy в качестве сенсоров является анализ влияния природы растворителей на спектральные и фотофизические характеристики, которые весьма чувствительны даже к слабым межмолекулярным взаимодействиям [2, 116]. Поисковые исследования Bodipy-сенсоров развиваются стремительными темпами - синтезируются новые структуры, способные изменять флуоресцентные характеристики в присутствии новых групп анализируемых молекул. Отличительной особенностью Bodipy-сенсоров является реализация On/Off-механизма работы, когда сенсорная молекула полностью теряет флуоресценцию, или Off/On-механизма, с противоположным изменением характеристик. Наличие данных эффектов обусловлено интенсивным проявлением Ферстеровского резонансного переноса энергии, а также фотоиндуцированного переноса электрона. В рамках таких применений Bodipy рассматриваются как инертные молекулы, химически не взаимодействующие с исследуемыми системами, либо механизм взаимодействия не раскрыт [409]. Тем не менее, при изучении Bodipy следует учитывать различные механизмы тушения флуоресценции при их взаимодействии с низко- и высокомолекулярными соединениями, в том числе возможность образования молекулярных комплексов. Анализ сенсорных свойств Bodipy следует проводить на основе характеристик сольватации.
Для коммерчески доступных красителей семейства Bodipy к настоящему времени подробно изучены спектральные и фотофизические свойства в широком наборе различных растворителей. Например, для РМ546, РМ556, РМ567 и РМ596 (рис. 3.15) [410]. Значительное влияние на положение максимумов поглощения и флуоресценции оказывает природа заместителей в лиганде. Присутствие этильных (РМ567) или сульфо-групп (РМ556) в положениях 2 и 6 хромофора ведет к сдвигу уровня энергии в обоих спектрах в сравнении с незамещенным красителем РМ546 (рис. 3.16).