CC BY
83
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: [email protected] *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:
<и
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
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.
