Научная статья на тему 'Фотостабильность ряда замещенных кумаринов при действии излучения газоразрядной эксилампы'

Фотостабильность ряда замещенных кумаринов при действии излучения газоразрядной эксилампы Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
482
92
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
замещенные кумаринов / фотостабильность / квантовый выход / substituted coumarins / photostability / quantum yield

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Брянцева Наталья Геннадьевна, Соколова Ирина Владимировна, Самсонова Любовь Гавриловна, Хиля Владимир Петрович, Гаразд Яна Леонидовна

Исследована фотостабильность пяти новых замещенных кумаринов. Определены квантовые выходы фотораспада соединений в их этанольных и водно-этанольных растворах. Наиболее стабильными соединениями в водно-этанольных растворах являются 4"-метил-3,4-циклогептилпсорален и 8-метоксипсорален. В этанольных растворах все исследуемые соединения достаточно фотостабильны.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Брянцева Наталья Геннадьевна, Соколова Ирина Владимировна, Самсонова Любовь Гавриловна, Хиля Владимир Петрович, Гаразд Яна Леонидовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Photostability of five new substituted coumarins has been studied. Quantum yields of compound photodecay in their ethanol and aqueous-ethanol solutions were determined. The most stable compounds in aqueous-ethanol solutions are the 4"-methyl-3,4cycloheptyl-psoralen and 8-methoxypsoralen. All the studied compounds in ethanol solutions are rather photostable.

Текст научной работы на тему «Фотостабильность ряда замещенных кумаринов при действии излучения газоразрядной эксилампы»

УДК 535.37:535.34:535.21:544.52

ФОТОСТАБИЛЬНОСТЬ РЯДА ЗАМЕЩЕННЫХ КУМАРИНОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЭКСИЛАМПЫ

Н.Г. Брянцева, И.В. Соколова, Л.Г. Самсонова, В.П. Хиля*, Я.Л. Гаразд**

Томский государственный университет E-mail: brjantseva@rambler.ru *Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, г. Киев, Украина **Институт биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, г. Киев, Украина

Исследована фотостабильность пяти новых замещенных кумаринов. Определены квантовые выходы фотораспада соединений в их этанольных и водноэтанольных растворах. Наиболее стабильными соединениями в водноэтанольных растворах являются 4'-метил-3,4-циклогептилпсорален и 8-метоксипсорален. В этанольных растворах все исследуемые соединения достаточно фотостабильны.

Ключевые слова:

Замещенные кумаринов, фотостабильность, квантовый выход.

Key words:

Substituted coumarins, photostability, quantum yield.

Введение

Кумарины, в частности, псоралены (фурокума-рины) находят широкое применение в различных областях. Так, например, многие кумарины обладают интенсивной флуоресценцией, что используется для создания флуоресцентных меток [1-3] оптических отбеливателей [3], лазерно-активных сред [1,3] и органических светодиодов [1-4]. Также распространенно применение псораленов в качестве основы для приготовления лекарственных препаратов в медицине, например, как антиоксидантов [4], обнаружена их биологическая активность, позволяющая их использовать как антикоагулянты [1] и при фотохимиотерапии ряда заболеваний (псориаз, микоз) [5]. Наиболее распространена ПУФА-тера-пия [6, 7] (Псорален (П) + Ультрафиолет (УФ) А-диапазона (320...400 нм)) дерматозов [8] и фото-динамическая терапия опухолей [9-11]. Фотоста-

бильность является важным свойством для таких применений. Нами были исследованы на фотостабильность пять новых замещенных кумаринов (рис. 1): 2-гидразо-3,4-циклопентил-14,14-диме-тилпиранокумарин (КС1); 2-гидразо-3,4-циклогек-сил-7-метоксикумарин (КС2); 3,4-фенил-4 ',5 '-ци-клогексилпсорален (КС3); 4 '-метил-3,4-циклогеп-тилпсорален (КС4); 4 ',5 '-диметил-3,4-циклогек-силпсорален (КС5); 8-метоксипсорален (8-МОП).

Методы

Облучение растворов замещенных кумаринов проводили в кварцевых кюветах с толщиной оптического слоя 1 см. В качестве источника УФ-излу-чения для фотохимических исследований использовали импульсную эксиплексную лампу барьерного разряда и-типа на рабочих молекулах ХеС1* (Аизл=308 нм) с параметрами АЯ=5...10 нм, плот-

ность мощности освещенности 18 мВт/см2, объемная доза энергии 8,1 Дж/см3, частота следования импульса 200 кГц, длительность импульса 1 мкс. Интенсивность источника света 1=4-1015 фотон/с определена методом [12, 13].

Время облучения варьировалось от 2 до 396 мин. Изменение характеристик замещенных кумаринов контролировали одновременно спектрофотометрическим и флуоресцентным методами на спектрофлуориметре СМ-2203 (Прибор позволяет регистрировать как спектры флуоресценции, так и спектры поглощения). Для экспериментальных исследований были приготовлены этанольные и водно-этанольные (1:1) растворы исследуемых соединений с концентрацией 10-4 моль/л.

Результаты

Для исследуемых соединений в этанольных растворах получены спектры поглощения (рис. 2) в зависимости от времени облучения.

На рис. 2, а, показано уменьшение оптической плотности коротковолновой полосы при увеличении длительности облучения, а также уменьшение оптической плотности длинноволновой полосы, сопровождающееся изменением ее положения. Одновременно с этим формируется полоса в области 282 нм. Для соединения КС2 (рис. 2, б) наблюдается подобная с КС1 картина, с образованием полосы в области 274 нм. Для соединения КС3 (рис. 2, в) образование продукта фотораспада можно наблюдать по появлению полосы в области 380...420 нм. Для КС4 (рис. 2, г) наблюдается падение оптической плотности коротковолновой полосы и изменение ее максимума с 248 на 236 нм; также происходит образование продуктов, поглощающих в области

270...280 и 370...400 нм. Для КС5 (рис. 2, д) можно отметить формирование полосы поглощения продукта в области 380...420 нм. Для 8-МОП (рис. 2, е) с увеличением времени облучения наблюдается уменьшение оптической плотности для полос, лежащих на 246 и 302 нм, и рост оптической плотности в области 330...420 нм.

Были зарегистрированы спектры флуоресценции (рис. 3) растворов исследуемых соединений в этаноле в зависимости от времени облучения. Длина волны возбуждения 320, 320, 250, 340, 320, 300 нм для растворов КС1 (а), КС2 (б), КС3 (в), КС4 (г), КС5 (д) и 8-МОП (е) соответственно.

На рис. 3 показано изменение спектров флуоресценции исследуемых соединений в этаноле в зависимости от времени облучения. Облучение эта-нольного раствора соединения КС1 (рис. 3, а), вероятно, проводит к образованию продукта интенсивно излучающего практически в той же области что и необлученный раствор (смещение максимума конечного продукта составляет ~2 нм в длинноволновую область). При облучении КС2 (рис. 3, б) также происходит образование продукта интенсив-

но излучающего практически в той же области что и необлученный раствор (смещение максимума конечного продукта составляет ~4 нм в длинноволновую область) Для соединения КС3 (рис. 3, в) наблюдается падение интенсивности спектров флуоресценции при длине волны возбуждения 250 нм, а при длине волны возбуждения 320 нм соединения практически не флуоресцировали. При облучении соединения КС4 (рис. 3, г) наблюдаем следующую картину: происходит образование продукта излучающего в более длинноволновой области (485 нм) по сравнению с необлученным раствором (425 нм), причем спектры испускания проходят через изобе-стическую точку. Для соединения КС5 (рис. 3, д) при увеличении длительности облучения сначала происходит образование продукта, излучающего в коротковолновой области (385 нм; 2,11 отн. ед.), сопровождающееся увеличением интенсивности флуоресценции по сравнению с необлученным веществом (440 нм; 1,11 отн. ед.). Наконец, при облучении соединения 8-МОП (рис. 3, е) происходит увеличение интенсивности и смещение спектров флуоресценции в коротковолновую область (455 нм) по сравнению с исходным раствором (470 нм).

В связи с тем, что исследуемые соединения интересны с точки зрения фотобиологического и фо-томедицинского применения для лечения различных кожных заболеваний, нами были получены спектры поглощения и флуоресценции (рис. 4) в зависимости от времени облучения исследуемых соединений в водно-этанольных растворах.

При увеличении времени облучения водно-эта-нольного раствора 8-МОП (рис. 4, а) наблюдается уменьшение оптической плотности для максимумов полос (246 и 304 нм) и рост оптической плотности для полосы в области 335...420 нм. На рис. 4, б, показано падение интенсивности спектров флуоресценции 8-МОП с увеличением времени облучения. Для КС5 (рис. 4, в) происходит образование продукта, поглощающего в области

300...343 нм и исчезновение полосы в области

345...400 нм. На рис. 4, г, наблюдается сдвиг максимума полосы с 405 нм на 390 нм и образование плеча на 450 нм. Для соединения КС4 (рис. 4, д) происходит падение оптической плотности максимумов полос как на 250 нм, так и на 310 нм, и образуется полоса в области 253...290 нм.

Квантовые выходы фотораспада (таблица) рассчитаны по формуле [13]:

Б - Б

у=-

Б,

С-10-3 N

И

где Бн и Бо - оптические плотности необлученного и облученного растворов, отн. ед.; С - концентрация раствора, моль/л; ИА - число Авогадро, 6,022-1023 моль-1; I - интенсивность облучения, фо-тон/(л.с); / - время облучения, с.

Данные таблицы показывают, что все соединения обладают высокой стабильностью. Однако наибольше значение квантового выхода фотораспада (а, следовательно, меньшая фотостабильность) в этанольном растворе соответствует соединениям КС4 и КС5. Самым фотостабильным

соединением оказалось КС1. При добавлении воды в пропорции 1:1 (спирт:вода) получилось следующее: соединения КС1, КС2 и КС5 выпали в осадок, следует отметить, что при добавлении воды в меньших пропорциях (3:2, 7:3, 9:1) так же наблюдалось выпадение осадка. Вероятно, что вы-

а

Э 2,25-1

250 300 350 400

Длина волны, нм

-----1

-----2

.....3

-----4

-----5

.....6

..7

250 300 350 400

Длина волны, нм

330 360 390 420 450 480 Длина волны, нм

450 500

д е

Рис. 2. Спектры поглощения соединений КС1 (а), КС2 (б), КС3 (в), КС4 (г), КС5 (д) и 8-МОП (е) в этаноле. Время облучения: а -

1) 0; 2) 2; 3) 8; 4) 16; 5) 32; 6) 64; 7) 96; 7) 396 мин; б - 1) 0; 2) 2; 3) 8; 4) 16; 5) 64; 6) 128; 7) 180; 8) 360 мин; в - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 8; 5) 16; 6) 32 мин; г, е - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 8; 5) 16; 6) 32; 7) 64 мин; д - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 8; 5) 16; 6) 32; 7) 96 мин

падение осадка связано с замещением гидразо-группы карбонильной группой, что согласуется с механизмом гидролиза иминокумаринов в работе [14]. Квантовый выход фотостабильности соединения КС3 в водно-этанольном растворе увеличился по сравнению с квантовым выходом в эта-нольном растворе. При добавлении воды в эта-нольный раствор соединений КС4 и 8-МОП происходит увеличение их фотостабильности, но незначительно по сравнению с КС3. Из таблицы видно, что КС3 в водно-этанольном растворе разру-

шается более эффективно, чем КС4 и 8-МОП. Такое поведение согласуется с механизмом фото-сольволиза, согласно которому первичной стадией является нуклеофильная атака молекулы растворителя на 4 или 5 углеродные атомы псорале-на в возбуждённом состоянии [15, 16]. В случае с КС4 и 8-МОП метильная- и метокси- группы оказывают стерические препятствия присоединению растворителя (особенно в случае КС4), а также, по-видимому, снижают реакционноспособность субстрата из-за увеличения электронной плотно-

ч:

а 2.

и

о

л'] н *• о о а

я 1.

8

о

а

?20.

к

К

о.

-----1

-----2

.....3

-----4

----- 5

.....6

'Л''"'-;.. V''.;

350 400 450 500 550 600 650 700

Длина волны, нм

а

Длина волны, нм б

Рис. 3. Спектры флуоресценции при фронтальном возбуждении соединений КС1 (а), КС2 (б), КС3 (в), КС4 (г), КС5 (д) и 8-МОП (е) в этаноле. Время облучения: а - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 8; 5) 16 мин; б - 1) 0; 2) 2; 3) 5; 4) 8; 5) 16 мин; в - 1) 0;

2) 2; 3) 4; 4) 8 мин; г - 1) 0; 2) 2; 3) 8; 4) 16; 5) 32; 6) 64 мин; д - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 8; 5) 16; 6) 32; 7) 70 мин; е - 1) 0; 2) 2;

3) 4; 4) 8; 5) 16; 6) 32 мин

-1

2

3

•4

5 • 6 7

250 300 350 400

Длина волны, нм

450

350 400 450 500 550 600 650

Длина волны, нм

а

Рис. 4. Спектрыы поглощения (а, в, д) и флуоресценции при фронтальном возбуждении (г, е) соединений 8-МОП (а, б), КС5 (в, г) и КС4 (д) в водно-этанольном растворе. Время облучения: а, б - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 8; 5) 16; 6) 32; 7) 96 мин; в, г -1) 0; 2) 2; 3) 8; 4) 16; 5) 32; 6) 64 мин; д - 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 10; 5) 30 мин

сти на реакционном центре. Что касается соединения КС3 то у него, вероятно, происходит разрыв 4 -5 'связи.

Из таблицы также следует, что при переходе к спирту фотохимическая устойчивость КС3 значительно увеличивается. Из литературных данных

[17] известно, что вода обладает высокой сольвати-рующей способностью, поэтому скорость темново-го нуклеофильного замещения в воде выше, чем в спирте. По-видимому, аналогичный механизм влияния растворителя реализуется и в случае фото-сольволиза исследуемых систем.

Таблица. Квантовые выходы фотораспада исследуемых молекул

Раствори- тель Соединение

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

КС1 КС2 КС3 КС4 КС5 8-МОП

Этанол 0,002± 0,0002 0,004± 0,0004 0,004± 0,0004 0,007± 0,0007 0,006± 0,0006 0,004± 0,0004

Эта- нол+вода Выпа- дение осадка Выпа- дение осадка 0,032± 0,0032 0,005± 0,0005 Выпа- дение осадка 0,003± 0,0003

Соединения КС4 и 8-МОП в водно-этанольном растворе являются весьма устойчивыми, превращаются с незначительными квантовыми выходами. В связи с этим получить достоверные данные о влиянии растворителя на эффективность их фотодеструкции не удалось.

Заключение

Для исследованного ряда замещенных кумари-нов были впервые определены значения квантовых

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tablet C., Jelea A., Hillebrand M. Experimental and theoretical study of 3-carboxy-5,6-benzocoumarin // J. of Photochem. and Pho-tobiol. A: Chem. - 2006. - V. 183. - № 1-2. - P 89-97.

2. Wagner B.D. The Use of Coumarins as Environmentally-Sensitive Fluorescent Probes of Heterogeneous Inclusion Systems // Molecules. - 2009. - V. 14. - № 1. - P. 210-237.

3. Turki H., Abid S., El Gharbi R., Fery-Forgues S. Optical Properties of New Fluorescent Iminocoumarins. Part 2. Solvatochromic Study and Comparison with the Corresponding Coumarin // Comptes Rendus. Chimie. - 2006. - V. 9. - № 10. - P 1252-1259.

4. Антропова И.Г., Фенин А.А., РевинаА.А. Радиационно-химические превращения кумаринов в органических растворителях // Химия высоких энергий. - 2007. - T. 41. - № 1. - С. 1-5.

5. Gambari R., Lampronti I., Bianchi N., Zuccato C., Viola G., Vedal-

di D., Dall’Acqua F. Structure and Biological Activity of Furocou-marins [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.springerlink.com/content/e5r184ml92836431/. -

19.11.2009.

6. Tatchen J., Marian Ch.M. Vibronic absorption, fluorescence, and phosphorescence spectra of psoralen: a quantum chemical investigation // Physical Chemistry. Chemical Physics. - 2006. - V. 8. -№ 18. - P. 2133-2144.

7. Parsad D., Kanwar A.J., Kumar B. Psoralen-ultraviolet A vs. nar-row-band ultraviolet B phototherapy for the treatment of vitiligo // Journal of the European Academy of Dermatology and Venereology

- 2006. - V. 20. - № 2. - P. 175-177.

8. Honigsmann H., Fitzpatrick T.B., Pathak M.A., Wolff K. Oral photochemotherapy with psoralens and UVA (PUVA): principles and

выходов фотораспада в их этанольных и водно-эта-нольных растворах. Отмечены наиболее стабильные к действию ультрафиолетового излучения соединения. В водно-этанольных растворах это 4'-ме-тил-3,4-циклогептилпсорален и 8-метоксипсора-лен; в этанольных растворах все соединения устойчивы к излучению ХеС1* лампы.

Экспериментально показано, что 4'-метил-3,4-циклогептилпсорален, как и ранее изученный аналог 8-метоксипсорален, имеет низкое значение квантового выхода фотораспада, что позволяет использовать его в качестве фотосенсибилизатора.

Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований № 06-08-01380-а, № 08-08-16002_моб_з_рос и Федеральным агентством по образованию на проведение научно-исследовательской работы в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие 1.2.1; ГК от 27.08.2009 г. № П1128 и мероприятие 1.3.1; ГК от 09.09.2009 г. № П1542.

practice. Dermatology in General Medicine. - N.Y.: McGraw-Hill.

- 1993. - V. 1. - P. 1728-1754.

9. Потапенко А.Я., Кягова А.А. Медико-биологическая значимость процессов фотодеградации сенсибилизаторов // Материалы IV съезда фотобиологов России. - Саратов, 2005. -С. 161-164.

10. Menezes P.F.C., Bernal C., Imasato H., Bagnato V.S., Perussi J.R. Photodynamic Activity of Different Dyes // Laser Physics. - 2007.

- V. 17. - № 4. - P 468-471.

11. O’Connor A.E., Gallagher W.M., Byrne A.T. Porphyrin and Nonporphyrin Photosensitizers in Oncology: Preclinical and Clinical Advances in Photodynamic Therapy // Photochem. and Photobiol.

- 2009. - V. 85. - № 5. - P 1053-1074.

12. Калверт Дж., Питтс Дж. Фотохимия. - М.: Мир, 1968. - 625 c.

13. Беккер Г.О. Введение в фотохимию органических соединений. Пер. с нем. - Л.: Химия, 1976. - 380 с.

14. Горобец Н.Ю. 2-Иминокумарины в реакциях с нуклеофилами и электрофилами: Дис.... канд. хим. наук. - Харьков, 2004. -199 с.

15. Caffieri S. Furocoumarin photolysis: chemical and biological aspects // Photochem. Photobiol. Sci. - 2002. - V. 1. - № 3. - P 149-157.

16. Ковальская Н.Е., Кузнецова Н.А., Соколова И.В. Cпектраль-ное определение квантовых выходов фотодеструкции псорале-нов в водных и спиртовых средах // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17. - № 2-3. - C. 221-224.

17. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. - М.: Химия, 2000. - 172 с.

Поступила 18.11.2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.