CC BY
36
УДК 547.642,814.1:541.14
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ АКРИДИНА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ*
© 2015 г. А.Т. Плиева, И.Н. Абаева, С.Е. Эмануилиди, А.А. Арутюнянц
Плиева Анастасия Таировна - научный сотрудник, химико-технологический факультет, Северо-Осетин-ский государственный университет, ул. Ватутина, 44-46, г. Владикавказ, РСО-А, 362025, е-mail: plie-va_nastya@mail. т
Абаева Индира Николаевна - кандидат химических наук, доцент, химико-технологический факультет, Северо-Осетинский государственный университет, ул. Ватутина, 44-46, г. Владикавказ, РСО-А, 362025, е-mail: [email protected]
Эмануилиди София Евстафиевна - научный сотрудник, химико-технологический факультет, СевероОсетинский государственный университет, ул. Ватутина, 44-46, г. Владикавказ, РСО-А, 362025, е-mail: sofiya [email protected]
Арутюнянц Анна Ашотовна - кандидат химических наук, доцент, химико-технологический факультет, Северо-Осетинский государственный университет, ул. Ватутина, 44-46, г. Владикавказ, РСО-А, 362025, е-mail: [email protected]
Plieva Anastasiya Tairovna - Researcher, Chemical Engineering Faculty, North Ossetian State University, Vatu-tin St., 44-46, Vladikavkaz, RNO-A, 362025, Russia, email: plieva_nastya@mail. ru
Abaeva Indira Nikolaevna - Candidate of Chemical Science, Associate Professor, Chemical Engineering Faculty, North-Ossetian State University, Vatutin St., 44-46, Vladikavkaz, RNO-A, 362025, Russia, e-mail: [email protected]
Emanuilidi Sofya Evstafievna - Researcher, Chemical Engineering Faculty, North-Ossetian State University, Vatutin St., 44-46, Vladikavkaz, RNO-A, 362025, Russia, e-mail: sofiya [email protected]
Arutyunyants Anna Ashotovna - Candidate of Chemical Science, Associate Professor, Chemical Engineering Faculty, North-Ossetian State University, Vatutin St., 44-46, Vladikavkaz, RNO-A, 362025, Russia, e-mail: [email protected]
Электрохимическое поведение акридина и его производных изучено методами циклической и дифференциальной импульсной вольтамперометрии. Показано, что процесс восстановления в ацетонитриле протекает ступенчато в две стадии с образованием на первой стадии анион-радикала, на второй - дианиона; восстановление 9-хлоракридина - в четыре частично обратимые стадии с образованием заряженного димера акридина. Окисление изучаемых соединений протекает необратимо в две стадии с образованием нестабильных катион-радикала и дикатиона.
Ключевые слова: электрохимические свойства производных акридина, циклическая и дифференциальная импульсная вольтамперометрия.
Electrochemical behavior of acridine and its derivatives has been studied by cyclic and differential pulse voltammetry. It is shown that the reduction process in acetonitrile proceeds stepwise in two stages with the consequent formation of the radical-anion and dianion. Reduction of 9-chloracridine proceeds in four partially reversible stages with the formation of charged acridine dimer. All studied compounds underwent irreversible oxidation into unstable radical-cation and dication.
Keywords: electrochemical properties of acridine derivatives, cyclic and differential pulse voltammetry.
В связи с рядом ценных свойств акридин и его производные остаются в центре внимания исследователей ещё со времени их выделения из каменноугольной смолы в XIX в. Присущие им интеркали-рующие свойства определили их применение в качестве антипротозойных, прежде всего противомалярийных, антибактериальных, антигрибковых и противоопухолевых средств [1-3]. Хотя акридиновые красители потеряли коммерческое значение из-за низкой светостойкости, они широко применяются в качестве люминесцентных и флуоресцентных меток в биологии [4]. Поэтому поиск среди производных акридина новых эффективных веществ, обладающих более выраженными полезными свойства-
ми, является актуальной задачей. В этой связи изучение окислительно-восстановительных свойств акридинов электрохимическими методами позволяет получить дополнительную информацию о механизмах их реакций и способствует предсказанию их спектральных характеристик.
Электрохимические свойства производных акридина изучены крайне недостаточно. Так, Кайе и соавторами [5] было найдено, что полярографическое восстановление акридина в сильнокислой среде протекает в одну одноэлектронную волну с образованием 9,9'-димера. В менее кислых и щелочных растворах обнаружены две одноэлектрон-ные волны.
* Результаты были получены в рамках государственного задания Минобрнауки России (проект № 2754).
66
Позже А.И. Русаковым и сотрудниками исследовался процесс электровосстановления акридина в диметилформамиде (ДМФА) на фоне 0,02 М тетра-бутиламмония перхлората [6]. Значения рассчитанные по величинам предельного тока полярографических волн и высотам пиков на кривых вольтам-перометрии, согласуются между собой и незначительно отличаются от единицы. Это дает основание полагать, что первичным продуктом первой стадии электровосстановления акридина является соответствующий анион-радикал. В работе на основании расчетов дана количественная оценка влияния «размеров» ароматической системы и природы заместителей на скорость димеризации.
В данной работе изучены электрохимические свойства акридина и его 9-Я-производных в ацетонитриле на фоне 0,1 М перхлората тетрабутиламмония.
Схема 1
I Ia
I, mkA
100 -
50-
1 V -50"
I /у -100-
Ц I -150-
4 3 2 1 0 -1 -2 -3
E, V
а б
Рис. 1. Циклические вольтамперограммы окисления (а) и восстановления (б) соединения I
Результаты циклической вольтамперометрии находятся в полном соответствии с данными дифференциальной импульсной вольтамперометрии (рис. 2).
Восстановление 9-метилакридина II протекает также в две стадии аналогично восстановлению акридина I (схема 1). На первой стадии образуется устойчивый анион-радикал IIa (коэффициент обратимости Jna/JnK = 1,0), на второй, судя по форме циклической вольтамперограммы и отношению Jna/JnK неустойчивый дианион IIb.
Из данных электрохимического анализа и формы циклической вольтамперограммы на стеклографито-вом дисковом электроде акридин I восстанавливается в две одноэлектронные стадии, первая из которых частично обратима, вторая обратима полностью. Восстановление протекает с образованием анион-
радикала 1а на первой стадии и дианиона 1Ь - на второй (рис. 1) по схеме 1, что согласуется с литературными данными [7].
Ib
I, mkA
Рис. 2. Импульсные вольтамперограммы окисления (а) и восстановления (б) соединения I
В отличие от акридина I восстановление соединений II, III, IV, V протекает при более отрицательных потенциалах восстановления. Этот сдвиг связан с введением в положение 9 донорных групп. Разница в потенциалах второй волны восстановления составляет от 0,15 до 0,25 В (табл. 1).
Данные циклической вольтамперометрии подтверждены методом импульсной вольтамперометрии (табл. 2). Для соединения III электрохимическое восстановление протекает в четыре стадии по схеме 2.
Таблица 1
Характеристики циклических вольтамперограмм восстановления и окисления акридина и его производных
Соединение Восстановление Окисление
F В Епю В InK, мкА Еna, В Ina, мкА Еna, В Ina, мкА F В Епю В I™, мкА
I -1,35 95 -0,45 50 +1,75 87,5 - -
-2,25 17,5 -1,38 22,5 +2,4 97,5 - -
II -0,95 10 -0,35 32,5 +1,6 42,5 - -
-1,7 92,5 -1,55 17,5 +2,35 40 - -
-0,45 22,5 -0,43 10
III -1,28 10 -0,95 2,5 +1,6 27,5 - -
-1,95 -2,4 12,5 37,5 -1,4 -2,3 7,5 7,5 +2,5 50 - -
IV -1,45 32,5 -0,45 17,5 +1,45 27,5 - -
-2,5 25 -1,3 10 +2,2 72,5 - -
V -1,45 7,5 -0,5 5 +2,4 55
-2,5 12,5 -1,35 5
(Ферроцен, Fc) 0,7 85 0,64 80
Примечание. Епа, Епк - потенциалы окисления и восстановления соответственно, В; !ш- - высота пика волны при окислении и восстановлении соответственно, мкА.
Таблица 2
Электрохимическое восстановление и окисление акридина и его производных методом дифференциальной импульсной вольтамперометрии
Соединение Восстановление Окисление
H, мкА F В W1/2, мВ H, мкА Еna, В W1/2, мВ
I 20 - 1,48 125 61 +1,73 175
2 -2,05 200 12 +2,2 250
II 1,2 24,8 - 0,9 - 1,63 225 125 3,4 +1,7 375
8,9 1,3 20,0 - 0,4 - 1,18 - 2,23 125 250 175 3,6 + 1,3 300
III 3,0 2,6 + 1,6 + 1,85 100 200
18,4 - 2,5 175
IV 1,5 - 1,25 125 0,2 + 1,35 150
2,2 - 2,3 225 1,8 + 2,025 125
V 1,5 12,5 -1,3 -2,4 100 125 55 2,25 200
(Ферроцен, Fc) - - - 79 0,68 120
Примечание. H - высота пика волны при окислении и восстановлении, мкА; Е - потенциал при окислении и восстановлении, В; W1/2 - потенциал полуволны при окислении и восстановлении, мВ.
Схема 2
IIIc
IIIc
Третья и четвертая стадии приводят к образованию заряженного димера акридина IIIc.
Значение коэффициента обратимости, рассчитанного для первой стадии восстановления соединений I, III, IV, V, указывает на относительную устойчивость образующихся анион-радикалов. Для соединения IV восстановление слабо выражено за счет донорной метокси-группы. На второй стадии образуется дианион (схема 1). Дианионы соединений II, III, IV, V менее устойчивы, коэффициенты обратимости Jna /JHk равны 0,2, 0,25, 0,55, 0,4 (табл. 1). На вторичной ветви циклических вольтамперограмм после полного восстановления акридина и его производных (соединения I-V) до дианиона наблюдаются анодные пики, соответствующие окислению нестабильных продуктов в области потенциалов от -0,95 до -1,55 В.
На примере соединения IV показано, что величины максимальных токов прямо пропорциональны концентрации вещества в растворе. Зависимость логарифмов максимальных токов первой и второй стадий восстановления соединения IV от логарифмов скорости имеет тангенс наклона 0,44. Это позволяет заключить, что процессы ограничены скоростью диффузии вещества из объема раствора.
I, mkA
I
Потенциалы пиков восстановления сдвинуты в положительную, окисления — в отрицательную области потенциалов, что соответствует теоретической разнице для циклической и дифференциальной импульсной вольтамперометрии (потенциал пика в дифференциальной импульсной вольтампе-рометрии практически равен потенциалу полупика в циклической вольтамперометрии) [8].
Как видно из табл. 1, 2, акридин и его производные способны не только восстанавливаться, но и окисляться. Окисление соединения I в органических средах протекает необратимо в две стадии (табл. 1, 2), первая из которых приводит к образованию нестабильного катион-радикала 1с (Епа= +1,75 В), вторая - к ещё более неустойчивому дикатиону Ы (Епа = =+2,4 В) по схеме 3 (рис. 1а). Аналогично протекает окисление для соединений II-IV (рис. 3). Электроокисление для этих соединений протекает легче за счет присутствия электронодонорных групп в 9-м положении молекулы акридина.
Схема 3
Ic
Id
Епа = + 1,7 В (табл. 2). Полуширина пика окисления (375 мВ) указывает на полностью необратимый процесс с учетом искажения его недостаточной компенсацией омического сопротивления фонового электролита (полуширина пика ферроцена в тех же условиях — 120 мВ, теоретическая величина полуширины обратимого одноэлектронного обратимого процесса — 90 мВ).
Окисление соединения V протекает в одну необратимую двухэлектронную волну при Епа = +2,4 В с образованием нестабильного дикатиона Vc по схеме 4.
Схема 4
Рис. 3. Циклическая вольтамперограмма окисления соединения III
Данные циклической вольтамперо-метрии для соединений III, IV подтверждены методом импульсной вольт-амперометрии (рис. 4).
Для соединения II на дифференциальной импульсной вольтамперограм-ме наблюдается один пик при
V
Vc
3
2
0
Экспериментальная часть
Исследуемые соединения синтезировали по методикам [9-13]. Для изучения анализируемых соединений использовали электрохимическую систему, состоящую из потенциостата РА-2 и двухкоординатно-го самописца ЛКД-4. Рабочая скорость развертки в экспериментах составляла 510 2 ^ 510 1 В/с. Электрохимическая ячейка представляла собой стеклянную пробирку на шлифе с тефлоновой пробкой. Электроды: рабочий - стеклографитовый, сравнения - хлоросеребряный, вспомогательный - платиновый дисковый ультрамикроэлектрод. Поверхность рабочего электрода зачищали фильтровальной бумагой перед каждым регистрированием вольтамперограммы.
Обратимость процесса в методе циклической вольтамперометрии определяли по отношению тока катодного и анодного пиков (при полной обратимости это соотношение равно единице), а также по разности потенциалов катодного и анодного пиков (для обратимого процесса Е = 58 мВ).
Ацетонитрил очищали по стандартной методике [14], перхлорат тетрабутиламмония (Bu4N+ClO"4) получали путем нейтрализации гидроксида тетра-бутиламмония, очищали его перекристаллизацией из этанола и сушили перед использованием при 70 °С в вакууме в течение суток [15].
В качестве эталона для уточнения величин потенциалов применялся ферроцен (Fc).
Литература
1. Denny W.A. Acridine Derivatives as chemothera-peutic agents // Cur. Med. Chem. 2002. № 9. Р. 1655-1665.
2. Jeremy N. Burrows, Kelly Chibale, Wells T.N.C. // The state of the art in anti-malarial drug discovery and development // Current Topics in Medicinal Chemistry. 2011. № 11. Р. 1226-1254.
3. Карцев В.Г., Толстиков Г.А. Азотистые гетеро-циклы и алкалоиды. Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов. М., 2001. С. 13-15.
4. Самсонова Л.Г., Селиванов Н.И., Копылова Т.Н., Артюхов В.Я., Майер Г.В., Плотников В.Г., Сажни-ков В.А., Хлебунов А.А., Алфимов М.В. Экспериментальное и теоретическое исследование спектрально-люминесцентных свойств ряда акридиновых соединений // ХВЭ. 2009. Т. 43, № 2. С. 1-11.
5. Kaye R.C., Stonehill H.I. A polarographic study of the electroreduction of acridine // J. Chem. Soc. 1951. Р. 27-38.
6. Русаков А.И., Мендкович А.С., Гультяй В.П. Исследование димеризации анион-радикала акридина электрохимическими методами.// Изв. АН СССР. Сер. Хим. 1990. Вып. 6. С. 1284-1286.
7. Манн Ч., Барнес К. Электрохимические реакции в неводных системах. М., 1970. 480 с.
8. Галюс З. Теоретические основы электрохимического анализа. М., 1974. 552 с.
9. Jensen H., Friedrich M. The synthesis of 1(9)-nitro- and 3(7)-nitroacridine and 1(9)-methyl- and 3(7)-methylacridine // J. Amer. Chem. Soc. 1927. № 49. Р. 1049-1052.
10. Shamsi M., Baradarani M.M., Afghan A., Joule J.A. Synthesis of acridan-fused quinoxalines // ARIVOC, 2011. № 9. Р. 252-260.
11. Möller U., Cech D., Schubert F. P(III)-Acridin-derivate als synthesebausteine fur die festphasensynthese nichtradioaktiv markierter oligonucleotide // Liebigs Ann. Chem. 1990. № 12. Р. 1221-1225.
12. Wang С., Rakshit S., Glorius F. Palladium-catalyzed intermolecular decarboxylative coupling of 2-phenylbenzoic acids with alkynes via C-H and C-C bond activation // J. Amer. Chem. Soc. 2010. № 132. Р. 14006-14008.
13. Kucherenko A.P., Potashnikova S.G., Radkova S.S., Baranov S.N., Sheinkman A.K., Volbushko N.V. Synnthe-sis of vinyl derivatives of acridine and phenanthridine // Chem. Heterocyclic Comp. 1974. № 10. Р. 1093-1095.
14. Вайсберг А., Проскауэр Э., Раддик Д.М. Органические растворители. М., 1985. 76 с.
15. House H.O., Peng E.N., Peet N.P. A comparison of varions tetraalkylammonium salts as supporting elektralytes in organic electrochemical reaction // J. Org. Chem. 1971. Vol. 366, № 16. P. 2372-2373.
References
1. Denny W.A. Acridine derivatives as chemo-therapeutic agents. Cur. Med. Chem., 2002, no 9, pp. 1655-1665.
2. Burrows J.N., Chibale K., Wells T.N.C. The state of the art in anti-malarial drug discovery and development. Current Topics in Medical Chemistry, 2011, no 11, pp. 1226-1254.
3. Kartsev V.G., Tolstikov G.A. Azotistye geterotsik-ly i alkaloidy. Khimiya i biologicheskaya aktivnost' azotis-tykh geterotsiklov i alkaloidov [Nitrogen heterocycles and alkaloids. Chemistry and biological activity of nitrogen heterocycles and alkaloids]. Moscow, 2001, pp. 13-15.
4. Samsonova L.G., Selivanov N.I., Kopylova T.N., Artyukhov V.Ya., Maier G.V., Plotnikov V.G., Sazhnikov V.A., Khlebunov A.A., Alfimov M.V. Eksperimental'nye i teoreticheskie issledovaniya spektral'no-lyuminestsent-nykh svoistv ryada akridinovykh soedinenii [Experimental and theoretical studies of spectral-luminescent proper-
ties of a number of acridine compounds]. KhVE, 2009, vol. 43, no 2, pp. 1-11.
5. Kaye R.C., Stonehill N.I. A polarographic study of the electroreduction of acridine. J. Chem. Soc., 1951, pp. 27-38.
6. Rusakov A.I, Mendkovich A.S., Gul'tyai V.P. Is-sledovanie dimerizatsii anion-radikalov akridina elektrok-himicheskimi metodami []. Izvestiya ANSSSR. Ser. khim., 1990, vol. 6, pp. 1284-1286.
7. Mann Ch., Barnes K. Elektrokhimicheskie reaktsii v nevodnykh sistemakh [Electrochemical reactions in nonaqueous systems]. Moscow, 1970, 480 p.
8. Galyus Z. Teoreticheskie osnovy elektrokhimi-cheskogo analiza [Theoretical foundations of electrochemical analysis]. Moscow, 1974, 552 p.
9. Jensen H., Friedrich M. The synthesis of 1(9)-nitro- and 3(7)-nitroacridine and 1(9)-methyl- and 3(7)-methylacridine. J. Amer. Chem. Soc., 1927, no 49, pp. 1049-1052.
10. Shamsi M., Baradarani M.M., Afghan A., Joule J.A. Synthesis of acridan-fused quinoxalines. ARIVOC, 2011, vol. 9, pp. 252-260.
Поступила в редакцию_
11. Möller U., Cech D., Schubert F. P(III)-acridinderivate als synthesebausteine für die festphasensynthese nichtradioaktiv markierter oligonucleotide. Lie-bigs Ann. Chem., 1990, no 12, pp. 1221-1225.
12. Wang C., Rakshit S., Glorius F. Palladium-catalyzed intermolecular decarboxylative coupling of 2-phenylbenzoic acids with alkynes via C-H and C-C bond activation. J. Amer. Chem. Soc., 2010, vol. 132, pp. 14006-14008.
13. Kucherenko A.P., Potashnikova S.G., Radkova S.S., Baranov S.N., Sheinkman A.K., Volbushko N.V. Synthesis of vinyl derivatives of acridine and phenanthri-dine. Chem. Heterocyclic Comp., 1974, no 10, pp. 10931095.
14. Vaisberg A., Proskauer E., Raddik D.M. Organi-cheskie rastvoriteli [The organic solvents]. Moscow, 1985, 76 p.
1. House H.O., Peng E.N., Peet N.P. A comparison of various tetra-alkylammonium salts as supporting electrolytes in organic electrochemical reaction. J. Org. Chem., 1971, vol. 366, no16, pp. 2372-2373.
29 января 2015 г.
