Photophysical processes in the kum arinsensitizers.pdf Введение Кумарин - представитель группы полифенольных соединений, выделенных впервые в 1820 г. Фогелем [1] из бобов тонка (Dipteryx odoranta Wild; семейство Fabaceae), называемого также Coumarou. С тех пор неоднократно сообщалось об изоляции кумариновых соединений из растений, бактерий, грибов [2-4], структурной характеристике и биологической активности тысяч природных кумаринов, а также химическом синтезе [5-7]. Кумарины являются соединениями вторичных метаболитов растений, биологическая активность которых варьируется в зависимости от характера их замещения. В современном научном сообществе изучению фотофизических свойств данного соединения и его производных уделяется особое внимание, потому что соединения данного класса с различными фотофизическими и фотохимическими свойствами находят свое применение в оптике, зеленой химии, радиационной химии, фотобиологии, медицине, квантовой электронике и других областях науки и техники [8-10]. К примеру, многие кумарины обладают интенсивной флуоресценцией, что используется для создания флуоресцентных меток, сенсоров, оптических отбеливателей и лазерно-активных сред [11]. Кумарины со слабой флуоресценцией применяются для очистки воды или как антиоксиданты [12]. Фурокумарины (или псоралены) нашли применение в медицине для фотохимиотерапии ряда заболеваний (псориаза, витилиго, микоза и др.). Наиболее изучена ПУВА-терапия при лечении дерматозов [13-17], которая позволяет постепенно снижать частоту сеансов до еженедельных, а затем до менее одного сеанса в месяц, сохраняя, таким образом, эффективность при хорошо переносимой дозе облучения [18]. 8-метоксипсорален (8-МОП), имеющий высокую фотосенсибилизирующую активность, не оказывает непосредственного влияния на пораженную псориазом кожу, а становится активным только после УФ-облучения организма. 8-МОП вступает в реакцию с клетками эпидермиса и подавляет избыточный синтез ДНК без угнетения клеточных функций [13]. Однако высокая фотосенсибилизирующая активность 8-МОП может затруднять его применение у больных с нежной кожей и витилиго вследствие риска ожога. На сегодняшний день применение фотосенсибилизаторов в медицине требует, чтобы они обладали следующими характеристиками: а) преимущественной локализацией в пораженной области органов; б) быстрым клиренсом из здоровой ткани; в) эффективным поглощением в так называемом «терапевтическом окне» (600-1000 нм), при котором рассеивание света в тканях является низким; г) отсутствием или низкой токсичностью вещества. Поиск новых фотосенсибилизаторов с улучшенными свойствами требует знания их фотофизических и фотохимических характеристик. Значения констант скоростей фотофизических процессов, протекающих в молекулах после поглощения кванта света, определяют дальнейший ход фотохимических реакций с участием электронно-возбужденных состояний, преимущественно триплетных, а затем определяют и фотобиологические процессы. Установление фундаментальных закономерностей изменения свойств от строения молекул позволит проводить целенаправленный поиск и уменьшит риск осложнений при лечении различных заболеваний. Цель работы - изучение процессов дезактивации энергии электронного возбуждения молекул фурокумарина 8-МОП методами электронной спектроскопии и квантовой химии. Объекты и методы исследования Объектами исследования были выбраны незамещенный кумарин, псорален (фурокумарин) и 8-метоксипсорален (8-МОП). Структурные формулы соединений приведены на рис. 1. а б в Рис. 1. Структурные формулы исследуемых молекул: а - незамещенный кумарин; б - псорален; в - 8-метоксипсорален В работе использовали 8-МОП фирмы «Aldrich». В качестве растворителя была использована дважды дистиллированная вода и этанол фирмы «Merck». Полученные характеристики 8-МОП были интерпретированы в сравнении с данными для молекул псоралена и кумарина. Исследуемые соединения хорошо растворимы в органических растворителях и слабо в воде. Легко растворяются в водных растворах щелочей с разрывом лактонного кольца и образованием солей оксикоричной кислоты [19, 20]. Спектрально-люминесцентные характеристики растворов были зарегистрированы на спектрофлуориметре СМ2203 («SOLAR», Беларусь) [21], спектрофотометре Evolution-600 («Thermo Scientific») и спектрофлуориметре «Cary Eclipse» («Varian») с криостатом «Optistat DN». В качестве источника УФ-возбуждения использована XeCl эксилампа с длиной волны излучения λизл = 308 нм. Теоретические исследования выполнены при помощи пакета программ, основанного на полуэмпирическом методе ЧПДП/С. Для решения задач спектроскопии квантово-химические программы и методики оценки констант скоростей фотопроцессов разработаны профессорами Г.В. Майером и В.Я. Артюховым, доцентами А.И. Галеевой и В.А. Помогаевым [22-25]. Пакет программ позволяет определять следующие характеристики электронных состояний многоатомных молекул: энергию и природу молекулярных орбиталей, энергию и волновые функции синглетных и триплетных электронно-возбужденных состояний, силы осциллятора и поляризацию электронных переходов, распределение электронной плотности на атомах и связях молекулы, дипольные моменты в основном и возбужденных состояниях, а также спектры поглощения и флуоресценции. Оптимизация геометрии проводилась квантово-химическими методами АМ1 и PM3 [26]: АМ1 - Austin Model 1 (остиновская модель № 1); PM3 - Parameter Model 3 (параметрическая модель № 3). В методе АМ1 по сравнению с методом MNDO устранена некоторая переоценка дальнего взаимодействия между атомами, приводящая к переоценке барьеров внутреннего вращения в молекулах. В результате стал возможен корректный расчет водородных связей, который в методе MNDO проводился только в рамках специальных модификаций. Метод РМ3 является лишь некоторым усовершенствованием набора параметров метода АМ1 и в целом обладает теми же достоинствами и недостатками. Рассмотренные в работе методы позволили рассчитывать большой спектр молекулярных характеристик [27-29]. Для исследования спектров наведенного поглощения использовалась экспериментальная установка, предназначенная для регистрации спектров нестационарного дифференциального поглощения методом накачка-зонд с флуоресцентным зондом. Установка обеспечивала наносекундное временное разрешение. Ее оптическая схема, принцип действия и обработки сигнала приведены в работе [30]. Установка позволяет разделять спектры поглощения короткоживущих состояний и продуктов, например, синглет-синглетного (S1→Sn) поглощения и долгоживущих (больше длительности импульса накачки), например, триплет-триплетного (T1→Tm) поглощения молекул. Накачка осуществлялась 3-й (355 нм) гармоникой импульсного Nd:YAG-лазера с модуляцией добротности, τ1/2 = 7 нс, Еимп = 20-40 мДж. В качестве зондирующего излучения использовалась флуоресценция смеси растворов красителя (диапазон 350-750 нм, длительность свечения 9 нс), возбуждаемая этим же лазером накачки. Линия задержки составляла 10 м, что соответствует времени задержки около 30 нс. Результаты и их обсуждение Для анализа спектрально-люминесцентных свойств кумариновых красителей необходимо, прежде всего, изучить свойства каркасной структуры - молекулы незамещенного кумарина (рис. 1, а). Для этой молекулы в литературе существует много статей, в которых рассмотрено относительное расположение энергетических уровней, определяющих специфику структуры молекулы кумарина. Незамещенный кумарин при комнатной температуре не флуоресцирует и не фосфоресцирует. Галливан [31], проводя тщательный анализ спектральных свойств молекулы незамещенного кумарина, показал, что понижение температуры приводит к активации люминесценции кумарина как в полярных, так и неполярных растворителях, причем излучение носит различный характер в зависимости от полярности растворителя. В неполярном растворителе при 77 К доминирует флуоресценция (λфл = 390 нм, отношение квантовых выходов фосфоресценции и флуоресценции фос/фл = 0.02). В полярных растворителях при низких температурах наблюдается интенсивная фосфоресценция (время жизни = 0.45 с) и более слабая флуоресценция (фос/фл = 5), которая лежит в области более длинных волн, чем в неполярных растворах (λmax = 417 нм) и не имеет колебательной структуры. Такое необычное поведение эмиссии незамещенного кумарина Галливан объяснял образованием флуоресцирующих агрегатов (эксимеров) в неполярных растворителях и излучением из франк-кондоновского состояния в полярных растворителях. Однако другими авторами [31] было показано, что флуоресцирующие эксимеры получаются только в присутствии сенсибилизатора бензофенона, а флуоресцирующие димеры - только в водных растворах и только при высоких концентрациях незамещенного кумарина. Поэтому было разумно искать разгадку в фотофизике самой молекулы незамещенного кумарина. Анализ спектров поглощения незамещенного кумарина показывает [31], что нет заметного изменения положения полосы поглощения в области λmax = 312 нм при смене растворителя. Экспериментальные данные позволяют предположить, что самая длинноволновая полоса поглощения в области λmax = 323 нм имеет природу nπ*-типа. А высокие значения молярного коэффициента поглощения () и силы осциллятора (f) дают основание полагать, что идет смешивание очень близких ππ*- и nπ*-электронных состояний. Наличие перегиба в длинноволновой полосе наблюдал и Галливан, но он совершенно не интерпретировал этот факт. Еще одним экспериментальным подтверждением наличия полосы поглощения nπ*-типа в области 320 нм является небольшое изменение направления кривой дихроизма в районе этой длины волны. Но Ц. Минегиси [32], так же как и Галливан, проигнорирует этот факт и считает, что первой полосой поглощения является ππ*-полоса (λ = 310 нм), что дало ему основание проводить квантово-химические расчеты в π-элект¬ронном приближении. На основании полученных данных положения синглетных и триплетных состояний построены схемы уровней энергии для исследованных соединений на рис. 2. Нижним синглетным уровнем в незамещенном кумарине является nπ*-уровень, а уже выше по энергии расположены два ππ*-уровня различной природы. Синглетный переход S0 → S1(nπ*) поляризован перпендикулярно плоскости молекулы и связан с переходом n-электронов атома карбонильного кислорода на π-орбитали атомов углерода, главным образом, в положениях 4, 3 и 7. Два нижних синглетных ππ*-перехода (S0 → S2(ππ*) и S0 → S3(ππ*)) поляризованы вдоль длинной оси молекулы, но в противоположные стороны, что соответствует экспериментальным данным [31]. Анализ расчетных данных показал, что первый разрешенный синглетный ππ*-переход (S0 → S2) связан, в отличие от предположения Хейдона [33], не с поглощением пироновой части молекулы, а в значительной степени с перераспределением электронной плотности между углеродами обоих колец: достаточно большое участие в переносе заряда принимает атом углерода в положении 7 (рис. 1), а именно происходит перенос электронной плотности с бензольного кольца на атом углерода в положении 7, при этом значительно увеличивается величина отрицательного заряда и заселенность π-орбитали. а б в Рис. 2. Энергетические схемы электронно-возбужденных состояний изолированных молекул: а - незамещенный кумарин и б - фурокумарин (псорален) [31], в - 8-метоксипсорален (8-МОП) При формировании ππ*-перехода (S0 → S3) незамещенного кумарина электронная плотность с атомов кислорода и почти всех (кроме С4) атомов углерода пиронового кольца перетекает на ароматическое кольцо и атом углерода в положении 4 (рис. 1). Наибольший вклад в формирование момента перехода вносит атом углерода в положении 7. Необходимо также отметить особую роль атома углерода в положении 7 и в формировании S0 → S3-перехода. При поглощении энергии происходит значительный перенос электронной плотности на ароматическое кольцо молекулы незамещенного кумарина, а на атоме углерода в положении 7 наблюдается обеднение электронного заряда π-орбитали, другими словами, уменьшение отрицательного заряда на этом атоме. Поэтому спектральные свойства для незамещенного кумарина обусловлены, главным образом, перераспределением электронной плотности между атомами углерода в положениях 3, 4 и 7. Замещение именно в эти положения и дает наиболее эффективно флуоресцирующие соединения. Более того, экспериментально авторами [34] были исследованы 45 различных соединений замещенных кумарина и установлено, что введение ОН-группы в положение 7 важно для наличия у молекулы антибактериальной активности в отношении штаммов Bacillus cereus MIP 96016, Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853 и Staphylococcus aureus ATCC 25923 [34]. Необходимо также отметить хорошее совпадение экспериментальных и расчетных полос поглощения незамещенного кумарина S0 → S7 (217 нм) и S0 → S10 (200 нм), что дает нам основание полагаться на данные квантово-химического расчета и при рассмотрении высоковозбужденных состояний производных кумарина, для которых нет эксперимента. Из квантово-химического расчета установлено, что 8-МОП (рис. 2, в) в спектральной области до 240 нм имеют несколько электронных переходов. Стоит отметить, что по сравнению с молекулами кумарина и псоралена у 8-МОП происходит инверсия синглетных возбужденных состояний *- и n*-типа [35]. В табл. 1 приведены значения энергий и сил осциллятора для 8-МОП. Природа первого синглетного возбужденного уровня становится *-типа. Квантовый выход флуоресценции молекул в этаноле оценивали по спектрам флуоресценции с помощью относительного метода. Из экспериментальных и расчетных данных можно увидеть, что 8-МОП обладает слабой флуоресцентной способностью. Для исследованных соединений экспериментальные значения квантовых выходов флуоресценции хорошо согласуются с данными для соединений с родственной структурой (для псоралена - 0.01-0.025, для 8-МОП - при T = 298 К 0.0013 [35, 36]). В связи с тем, что 8-МОП слабо флуоресцируют, представляет интерес исследование основных каналов дезактивации энергии возбуждения. У исследуемого соединения 8-МОП канал деградации энергии возбуждения имеет один основной канал через систему триплетных состояний: S3 → T8 →…→ T1. Установлено, что для всех исследуемых молекул имеет место эффективная интеркомбинационная конверсия с константами скоростей ~ 1013-1010 с-1 из-за близкого расположения уровней, имеющих различную орбитальную природу ππ*- и nπ*-типов, что приводит к низким значениям квантовых выходов флуоресценции и к значительному заселению триплетного состояния Т1. Введение фуранового кольца в структуру молекулы кумарина приводит к увеличению эффективности интерсистемной конверсии в исследуемых соединениях. Таблица 1 Значения сил осциллятора (f) и энергий 8-МОП для используемых методов расчета АМ1 и РМ3 Состояние Еi, см-1 f АМ1 РМ3 АМ1 РМ3 S1(ππ*) 31673 32239 0.080 0.109 S2(nπ*) 33637 33845 0.0001 0.0001 S3(ππ*) 34066 35070 0.188 0.143 T1(ππ*) 15731 16116 0.150 0.146 T2(ππ*) 21222 21379 0.645 0.664 T3(ππ*) 23280 23750 0.031 0.041 T4(ππ*) 26207 27047 0.269 0.308 T5(πσ*) 30312 31187 0.521 0.462 Триплетные состояния, будучи долгоживущими, играют важную роль во многих фотохимических процессах. Из анализа спектров флуоресценции и фосфоресценции при температуре 77 К сделаны выводы, что изученные соединения при комнатной температуре флуоресцируют слабо. Спектр флуоресценции 8-МОП лежит в более коротковолновой области по сравнению с фурокумарином и незамещенным кумарином. Наиболее слабо флуоресцирующим как при температуре 77 К, так и при 298 К является 8-МОП. Проведенный эксперимент по исследованию флуоресцентных свойств 8-МОП при комнатной температуре согласуется с литературными данными [36, 37]. При понижении температуры максимумы полос в спектрах флуоресценции для всех соединений претерпевают коротковолновый сдвиг, происходит увеличение квантовых выходов флуоресценции. Это связано с тем, что молекула становится более жесткой, уменьшаются вероятности безызлучательных процессов. Спектр фосфоресценции 8-МОП расположен в более длинноволновой области спектра по сравнению с фосфоресценцией кумарина и фурокумарина. Информация по положению полос (фл и фос) и квантовым выходам флуоресценции (фл) и фосфоресценции (фос) 8-МОП в водно-этанольном растворе, полученная в работе, согласуется с литературными данными [38]: фл = 470 нм при T = 298 К, фл = 440 нм и фос = 0.0013 при T = 77 К, фос = 457 нм и фос = 0.17. Фотохимические реакции протекают с участием триплетного состояния молекул фотосенсибилизатора и кислорода. Поэтому было исследовано влияние наличия кислорода в растворах на фотофизические свойства замещенных кумарина. Для оценки влияния кислорода на люминесцентные свойства исследуемого ряда соединений определены квантовые выходы люминесценции и измерены времена жизни фосфоресценции как в кислородосодержащих, так и в обескислороженных растворах. Из табл. 2 видно, что для 8-МОП квантовый выход фосфоресценции увеличивается. С учетом экспериментально полученных величин квантовых выходов люминесценции и времен жизни фосфоресценции оценены величины констант скоростей T1→S0-конверсии. Для исследуемого ряда соединений эта величина находится в интервале от 0.2 до 1.4 с-1. Из данных, приведенных в табл. 2, можно сделать вывод, что наличие кислорода не влияет на время жизни фосфоресценции замороженных растворов исследованных соединений, однако оказывает существенное влияние на квантовые выходы флуоресценции и фосфоресценции. Сопоставляя времена жизни фосфоресценции со структурой исследованных молекул (рис. 1), сделаем вывод, что отсутствие фуранового кольца в структуре молекулы кумарина приводит к уменьшению времени жизни фосфоресценции по сравнению со временами жизни остальных исследованных объектов. Однако полученное нами время жизни фосфоресценции для 8-МОП (0.55 с) согласуется с литературными данными по кислородосодержащим растворам для 8-МОП в этаноле (0.65 с) [39]. Для фурокумарина максимум поглощения в бензоле совпадает с максимумом поглощения в воде. Согласно данным работ [40, 41], при переходе от метанола к бензолу спектр Т-Т-поглощения фурокумарина смещается на 10 нм в красную область. Таблица 2 Стоксов сдвиг (SТ), максимум полосы (λ), время жизни фосфоресценции (фос) и квантовый выход флуоресценции () 8-МОП при различных температурах Расчет* Эксперимент** Флуоресценция Фосфоресценция 298 К 77 К 77 К теор λ, нм SТ, см-1  λ, нм *** λ, нм *** фос, с 0.001 470 11000 0.001 0.0013 [34] 449 0.013 (0.012) 460 0.17 (0.19) 0.55 0.76 [35] Примечание. * Расчет выполнен для изолированной молекулы. ** Концентрация исследованных соединений в этаноле - 10-5 М. ***Квантовый выход для обескислороженных растворов. На основании полученных данных положения синглетных и триплетных состояний, констант скоростей фотофизических процессов, протекающих в электронно-возбужденных состояниях, построены каналы дезактивации энергии возбуждения. Можно сделать вывод, что исследованные соединения являются эффективными сенсибилизаторами, а наличие метокси-группы в структуре молекул оказывает наиболее сильное влияние на спектрально-люминесцентные характеристики исследованных молекул. В связи с тем, что фотостабильность является одним из важных свойств фотосенсибилизаторов, было исследовано влияние излучения XeCl*-эксилампы (λизл = 308 нм, частота - 200 кГц) на спектрально-люминесцентные свойства замещенных кумаринов и их фотостабильность в этанольных и водно-этанольных (1:1) растворах. Наблюдается зависимость интенсивности поглощения (рис. 3) и флуоресценции от времени облучения. Рис. 3. Спектры поглощения 8-МОП в этаноле. Время облучения, мин: кр. 1 - 0; кр. 2 - 2; кр. 3 - 4; кр. 4 - 8; кр. 5 - 16; кр. 6 - 32; кр. 7 - 64. Концентрация 8-МОП 0.1 мМ Для 8-МОП (рис. 3) 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. Эти изменения указывают на образование фотопродуктов. Значения квантового выхода фотораспада 8-МОП при возбуждении излучением XeCl*-эксилампы показывают, что соединение обладает высокой фотостабильностью. Более того, фотостабильность при смене этанольного раствора на водно-этанольный существенно не изменяется: квантовые выходы фотораспада составляют 0.004 и 0.003 для этанольного и водно-этанольного (1:1) растворов соответственно. По-видимому, для 8-МОП ОСН3-группа оказывает экранирующее действие в межмолекулярных взаимодействиях и в то же время меняет реакционную способность молекулы из-за увеличения электронной плотности за счет этой группы на реакционном центре - атомах кислорода. Очевидно, что свойства триплетных состояний 8-MOП в условиях, близких к физиологическим, то есть в воде, важны в клинических исследованиях и применениях. К сожалению, 8-МОП практически не растворяется в воде. Тем не менее исследователи пытаются установить триплет-триплетный спектр поглощения для 8-MOП в воде. Как только мы переходим к водным растворам, нам необходимо учитывать влияние образования сольватированного электрона после импульса фотовозбуждения, который приводит к образованию ион-радикалов [42]. Перейдем к интерпретации спектров наведенного поглощения. На рис. 4 приведены наблюдаемые спектры наведенного поглощения с задержкой 30 нс. Рис. 4. Спектры наведенного поглощения 8-МОП (концентрация 0.1 мМ) в этаноле (а) при добавлении воды (г, д, е) и перекиси водорода (б, в): 1 - без задержки; 2 - с задержкой; б - 0.14 мМ; в - 0.28 мМ; г - соотношение этанола и воды 1:1; д - соотношение этанола и воды 1:9; е - соотношение этанола и воды 1:1, концентрация перекиси водорода 0.14 мМ После импульса за это время синглет-синглетные процессы завершились. Фотовозбуждение растворов 8-МОП в этаноле приводит за время лазерной вспышки к образованию поглощения, характеризующегося полосой с максимумом в области λmax около 370-380 нм (рис. 4, а, кривая 1). Эта полоса имеет плечо с длинноволновой стороны в области 410 нм, интенсивность которого не меняется после задержки. В работе [43] авторы сообщают о наличии полосы с максимумом в области 375 нм в спектрах наведенного поглощения с временем жизни намного больше 10 пс. Помимо этой полосы наблюдается также слабая полоса в области 650 нм (рис. 4, а). Выход этого промежуточного фотопродукта зависит от сольватной оболочки молекулы 8-МОП. Присутствие перекиси водорода в этанольном растворе 8-МОП свидетельствует о том, что он образуется из синглетного электронно-возбужденного состояния. При добавлении перекиси водорода при концентрации 0.14 мМ (рис. 4, б) в этанольный раствор 8-МОП полоса в области 650 нм исчезает после задержки. При добавлении большей концентрации перекиси водорода полоса в области 650 нм не проявляется (рис. 4, в). Согласно литературным данным, поглощение в области 370-380 нм соответствует фотопродукту, который представляет собой ион-радикал 8-МОП [43, 44]. При фотолизе 8-МОП в водно-этанольных растворах с большей добавкой воды зафиксировано большое количество наведенного поглощения в области 650 нм (рис. 4, г и д), которое слабо меняется после задержки (рис. 4, д, кривая 2). Увеличение воды до 90 % увеличивает интенсивность поглощения полосы в области 650 нм. Добавление перекиси водорода приводит, практически, к исчезновению полосы в этой области после задержки (рис. 4, е, кривая 2). Заключение Замещение в молекуле кумарина приводит к инверсии в системе синглетных электронно-возбужденных уровней: S1(n) и S2() меняются местами. Это приводит к увеличению эффективности процессов интеркомбинационной конверсии и внутренней конверсии в системе триплетных уровней для 8-МОП при фотовозбуждении. В результате проделанной работы экспериментально и теоретически установлено, что 8-МОП подвергается фотопревращениям под действием излучения эксилампы с длиной волны 308 нм. 8-МОП имеет долгоживущий фотопродукт с временем жизни более 30 нс и фотопродукт с временем жизни менее 30 нс. Оба эти промежуточные соединения имеют радикальную природу. Авторы выражают благодарность В.А. Светличному за экспериментальное измерение спектров наведенного поглощения.

Скачать электронную версию публикации