Features of photonics of halogen-dipyrrometenates with pand d-elements depending on the ligand structure and type of com.pdf Введение В последние годы возрос интерес к ковалентным комплексам дипиррометенов (dpm) с p- и d- элементами (дипиррометенатами). В конце прошлого столетия они были синтезированы как лазерные красители с повышенной фотостабильностью и интенсивно изучались именно с этой точки зрения [1-3]. Известно, что в зависимости от структуры лиганда, типа комплексообразователя и среды, в которую они помещаются, значительно изменяются их спектрально-люминесцентные свойства [4-6]. Это формирует различные пути применения соединений данного класса в оптических устройствах. На основе дипиррометенатов возможно создание активных сред перестраиваемых лазеров, флуоресцентных зондов, люминесцентных сенсоров, фотосенсибилизаторов для генерации синглетного кислорода, используемого в фотодинамической терапии (ФДТ) [7, 8]. В связи с этим изучение взаимосвязи фотофизических и фотохимических характеристик со строением дипиррометеновых комплексов является актуальным и способствует не только углублению фундаментальных знаний о фотонике сложных органических соединений, но и расширению способов их применения, созданию более эффективных и менее дорогостоящих активных сред для видимой и ближней ИК-области. Следует отметить, что изучение констант скоростей дезактивации энергии возбуждения в сложных органических молекулах (излучательной, внутренней и интеркомбинационной конверсий) в зависимости от структуры и введенных гетерозаместителей активно проводилось в теоретических работах В.Г. Плотникова, еще в 70 годах прошлого столетия [9]. Именно В.Г. Плотниковым было показано, что интеркомбинационная конверсия возрастает не только при наличии «тяжелых» атомов в структуре, действуя на матричный оператор спин-орбитального взаимодействия, но и при наличии гетероатомов, когда наряду с ππ*-энегетическими состояниями существуют nπ*-состояния, в результате взаимодействия которых интеркомбинационная конверсия возрастает на 2-3 порядка по сравнению с соединениями, где гетероатомы (а значит, nπ*-состояния) отсутствуют. В связи с этим развитие и применение этой методологии для изучения фотоники дипиррометенатов и объяснение ее особенностей на данном этапе весьма актуальны. Объекты и методы исследования В качестве объектов исследования был выбран ряд производных борфторидных (BODIPY) и цинковых [Zn(dpm)2] комплексов дипиррометенов. Структурные формулы комплексов и их обозначения приведены на рис. 1. Синтез данных соединений проведен в Институте химии растворов им. Г.А. Крестова РАН и ИГХТУ (г. Иваново) [10, 11]. Состав и структура комплексов подтверждены данными ИК-спектроскопии, ПМР и элементного анализа. Выбранные для исследования дипиррометенаты различаются строением и природой заместителей, что позволяет проследить их влияние на проявляемые физико-химические свойства. В качестве растворителей использовались этанол, циклогексан, этилацетат, толуол, ацетон (все марки х.ч.). Спектрально-люминесцентные характеристики (поглощение, излучение и возбуждение излучения) растворов изученных комплексов измерялись с помощью спектрометра СМ2203 («Solar»). Спектры люминесценции при комнатной температуре и температуре жидкого азота (77 К) регистрировались на спектрофлуориметре Cary Eclipse («Varian») с криостатом Optistat DN («Oxford Instrument»). Квантовые выходы люминесценции определялись относительным методом путем сравнения спектров люминесценции соединения-эталона (стандарта) и образца с погрешностью 10 %. Рис. 1. Структурные формулы и обозначения изученных соединений: 1 - Br2(CH3)4BODIPY; 2 - Br2(СH3)2(C5H11)2)BODIPY; 3 - I2(CH3)4)BODIPY; 4 - I(C2H5)(CH3)4BODIPY; 5 - Cl2Ph4-аза-BODIPY; 6 - Br2Ph4-аза-BODIPY; 7 - I2Ph4-аза-BODIPY; 8 - [Zn(Br2(CH3)4dpm)2]; 9 - [Zn(Br2(CH3)2(C5H11)2dpm)2] Эффективность генерации синглетного кислорода исследовалась косвенным методом с помощью «ловушек» синглетного кислорода. В качестве «ловушки» 1О2 использовалось хорошо известное для этих целей соединение 1.3-дифенилбензофуран (1.3-DPBF) (Sigma-Aldrich). Метод определения квантового выхода генерации синглетного кислорода основан на химическом взаимодействии 1.3-DPBF в основном электронном состоянии с синглетно-возбужденным кислородом (чем выше концентрация 1О2 , тем быстрее уменьшается концентрация 1.3-DPBF). В качестве стандарта при измерении выхода 1О2 (ФΔ) использовался краситель метиленовый синий (MethyleneBlue, MB) (ФΔ = 0.52). Фотохимические (абсолютный квантовый выход фотопревращений) характеристики определялись при возбуждении второй (λ = 532 нм, τимп = 15 нс) и третьей (λ = 355 нм, τимп = 12 нс) гармониками Nd:YAG-лазера (LQ129 и LQ529 («Solar»). Квантовый выход фотопревращений оценивался с погрешностью 5 % по изменениям стационарных спектров поглощения до и после облу- чения. Результаты и их обсуждение Анализ результатов показал, что введение различного количества и типа «тяжелых» атомов (Cl, Br, I) в тетрафенилгалоген-мезо-аза-BODIPY вызывает изменения в фотонике [6-8]: чем тяжелее галоген, тем больше величина матричного элемента спин-орбитального взаимодействия и тем выше константа интеркомбинационной конверсии. Однако эксперимент показал, что зависимость выходов флуоресценции и выходов синглетного кислорода нарушена в ряду по «тяжести» галогена в замещенных Ph4-аза-BODIPY-комплексах. В дибромзамещенном тетрафенилдипиррометенате квантовый выход флуоресценции на порядок меньше по сравнению с дихлор- и дийодзамещен¬ными. Аналогичный результат наблюдается и для эффективности генерации синглетного кислорода для этого ряда в одинаковых растворителях: выход 1О2 выше в дибромзамещенных, чем в ди- йодзамещенных. Это означает, что заселение триплетных состояний в дийодтетрафенилзамещенных мезо-аза-BODIPY происходит менее эффективно, чем в дибромтетрафенилзамещенных этого лиганда, что и приводит к нарушению последовательности характеристик по «тяжести» галогена. К сожалению, на данном этапе эту ситуацию нельзя подтвердить экспериментально, поскольку фосфоресценция в дигалогензамещенных тетрафенил-мезо-аза-BODIPY, свидетельствующая однозначно о положении и выходе Т-состояний, отсутствует: долгоживущее излучение в области 700-800 нм (фосфоресценция) не обнаружено, возможно, из-за уменьшения времени жизни Т-состояния за счет преобладания безызлучательных Т-Т-процессов, особенно при изменении энергетической S-T-щели в BODIPY-красителях при галогензамещении. В настоящее время проводятся квантово-химические исследования для поиска причин, объясняющих эти особенности. В таблице приведены экспериментальные результаты по фотонике и спектральным характеристикам, подтверждающие изменение физико-химических свойств в зависимости от места и числа заместителей, «тяжести» введенных атомов галогенов и типа комплексообразователя. Уменьшение числа атомов йода в структуре тетраметил-дипиррометенатов до одного увеличивает выход флуоресценции в 5 раз и незначительно уменьшает выход фосфоресценции, т.е. галогензамещение в этих соединениях «работает» без нарушений. При изменении положения галогензаместителя (с β на α) выход флуоресценции не меняется, а фосфоресценции увеличивается в 3 раза. Спектрально-люминесцентные, фотофизические и фотохимические характеристики изученных комплексов Соединение Растворитель λпогл, нм λфл, нм γфл λфосф, нм/γфосф (77 К) ФΔ φфот105 (λвозб, нм) Br2(CH3)4BODIPY Этанол 526 545 0.4 795/0.006 Br2(СH3)2(C5H11)2)BODIPY Этанол 537 551 0.4 802/0.2 18 (532) 210 (355) I2(CH3)4)BODIPY Этанол 535 550 0.04 792/0.6 1 35 (532) I(C2H5)(CH3)4BODIPY Этанол 528 547 0.2 787/0.5 Cl2Ph4-аза-BODIPY Этанол 645 679 0.3 Нет 0.02 1.3 (532) Этилацетат 645 677 0.25 0.3 Br2Ph4-аза-BODIPY Циклогексан 647 677 0.04 Нет 0.5 0.1 (532) Толуол 651 685 0.03 0.8 Ацетон 641 672 0.02 0.9 I2Ph4-аза-BODIPY Этанол 647 674 0.3 Нет 0.03 0.2 (532) Этилацетат 646 672 0.3 0.5 [Zn(Br2(CH3)4dpm)2] Этанол 503 512 0.007 741/1 640 (355) [Zn(Br2(CH3)2(C5H11)2dpm)2] Этанол 511 517 0.005 745 275 (355) Предварительные квантово-химические расчеты показали, что матричный элемент спин-орбиального взаимодействия, который определяется «тяжестью» галогензаместителя (он наибольший для йода в этом ряду) и на основании которого устанавливается наибольшая вероятность интеркомбинационной конверсии (т.е. выход триплетных состояний для йодзамещенных лигандов), не всегда правильно учитывает энергетическую щель между S1- и Тn-состояниями [6, 12]. Так как в этом ряду изменяется еще и положение энергетических уровней (в том числе и энергетические Sm- и Tn-состояния), это может приводить к их инверсии и радикальному изменению фотоники, т.е. суммарному изменению констант скоростей энергетических переходов и, как следствие, к изменению квантового выхода синглетного кислорода. Данные предположения необходимо подтвердить экспериментальными исследованиями и литературными данными о связи структуры дипиррометеновых комплексов с их фотофизическими и фотохимическими характеристиками. Особенно важно проследить такую связь в дипиррометенатах с многочисленными замещениями различными тяжелыми атомами, фенильными циклами (как в ядре дипиррометената, так и в мезоположении) и гетероатомами при разном числе и различных положениях их в лиганде. Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что изменение энергетической щели S1-Tn, полученное экспериментально, позволяет провести качественную оценку kST по формуле, приведенной в [9]: kST = 1012/βST/2 exp(-0.25ΔEST), где βST - матричный элемент спин-орбитального взаимодействия, а ΔEST - энергетическая S1-Tn-щель. Из анализа следует, что при одинаковой структуре лиганда константа kST для [Zn(dpm)2] должна быть меньше, чем для аналогичного BODIPY, так как энергетическая щель S1-Tn, которая стоит в экспоненциальном члене, для соединения цинка больше (ΔЕST = 6036 см-1), чем для BODIPY (ΔЕST = 5620 см-1). Согласно оценке, интеркомбинационная конверсия для BODIPY должна быть больше, чем для комплекса цинка, что не согласуетя с экспериментом, так как квантовый выход флуоресценции для аналогичного [Zn(dpm)2]-комплекса на 2 порядка меньше, чем для аналогичного BODIPY-комплекса. Следует отметить, что качественно похожая картина получена для других пар соединений (см. таблицу). Такая ситуация может быть обусловлена тем, что в этих комплексах ответственной за выход флуоресценции является не только интеркомбинационная, но и конкурирующая внутренняя конверсия, величина которой может быть обусловлена конверсией электронной энергии в колебательную с участием активных колебаний. Необходимо продолжить исследования с этой методологией для понимания изменений фотоники в зависимости от структуры. Далее планировалось проследить такие изменения при анализе литературных результатов с родственными соединениями. К сожалению, ценный материал, приведенный в [13], не очень удачно размещен, так как не позволяет cравнивать зависимость фотоники от cтруктуры, количества и качества заместителей. Но нами были проанализированы характеристики поглощения, а также проведена сравнительная оценка выходов фотофизических и фотохимических процессов. Из приведенных в [13] данных следует, что изменения фотоники наблюдаются не только при введении различных галогенов, но и при введении гетероатомов на периферии дипиррометеновых циклов, что согласуется с нашими результатами, обсужденными выше. Введение фенильных заместителей в мезоположение также изменяет как спектральные (сдвиг в коротковолновую область), так и фотофизические характеристики, т.е. выход синглетного кислорода, что согласуется с предположениями, высказанными в [6, 7, 12]. Самым коротковолновым поглощением из изученных галогензамещенных BODIPY обладает соединение с двумя бромами, что качественно согласуется с нашими результатами. Авторы [13] показали, что для оценки влияния на выход синглетного кислорода одинакового числа атомов брома и йода желательно их сравнивать в одинаковых положениях. Кроме того, в данной работе показано, что замещение на три и более атома йода практически не влияет на фотонику соединения, вызывая лишь длинноволновый сдвиг. Основной вывод авторов анализируемой работы [13] сосоит в том, что ключевое влияние на выход синглетного кислорода оказывает положение дигалогензаместителя, а не увеличение общего числа галогенов в лиганде. Введение объемных заместителей с гетероатомами повышает квантовый выход синглетного кислорода до 0.8 из-за увеличения интеркомбинационной конверсии (выхода триплетов, как показано В.Г. Плотниковым, и данными по ФΔ). Отсутствие корреляции квантовых выходов синглетного кислорода и эффективности фотопревращений позволяет предположить, что процесс фотодеградации галоген-BODIPY больше связан с внутримолекулярными превращениями, в том числе с изменением выхода Т-состояний, а не с бимолекулярной реакцией фотосенсибилизатора и образовавшегося синглетного кислорода. Очень интересной для анализа фотоники является работа [14], где изучено десять структур BODIPY также с различным замещением галогенами в ядре BODIPY (дибром- и дийод-) и гетероатомами в мезозаместителях. Авторы установили, что при бромировании соединения демонстрируют двойную функциональность: поддерживают достаточно высокий выход флуоресценции (γфл = 0.3-0.4), что подходит как для использования во флуоресценных зондах и даже для активных сред перестраиваемых лазеров, так и для фотосенсибилизации синглетного кислорода (ФΔ = = 0.5-0.6), что качественно согласуется с нашими результатами и пригодно для использования в фотодинамической терапии. Это играет важную роль в дезактивации S1-состояния, приводя к конкуренции внутренней конверсии: IC - вращение фенильных заместителей с гетероатомами, ISC - интеркомбинационная конверсия из-за наличия галогенов в ядре и гетероатомов в фенильных мезозаместителях, а также процессов переноса заряда (ICT) вследствие высоких электронодонорных и электроноакцепторных свойств мезозаместителей. Последнее приводит к спектральным сдвигам и повышению квантового выхода синглетного кислорода до 0.96. Данный факт согласуется с результатами и подтверждает предложенную нами в [12] точку зрения. Кроме того, в публикации [14] предложен новый, независимый от растворителя стандарт для определения эффективности генерации синглетного кислорода: 2.6-дийод-мезо-тиометил (ФΔ = 0.85). Наконец, в [15] приведены результаты для галогензамещенных соединений (бром- и йод-заместителей). В мезоположении этих соединенй введен фенильный заместитель без гетероатомов, плоскость которого практически перпендикулярна плоскости ядра BODIPY. Анализ спектральных и фотосенсибилизационных характеристик показал, что они изменяются согласно эффекту «тяжелого атома»: больший квантовый выход синглетного кислорода получен для йодзамещенных (ФΔ = 0.62-0.66) по сравнению с бромпроизводными (ФΔ = 0.16-0.21). Кроме изучения фотоники для этих соединений проведены биологические in vitro исследования для определения возможности их применения в фотодинамической терапии. Молекулы фотосенсибилизаторов были локализованы внутри различных онкологических клеток. В темновых условиях их концентрация не менялась в течение 30 мин, т.е. BODIPY-соединения в темновых условиях нетоксичны для этих клеток. Далее, приготовленные клетки трех типов с разными фотосенсибилизаторами подвергались облучению видимым светом (λ > 475 нм) и затем в течение 24 ч определялась их концентрация каждые 30 мин до падения ее на 50 % (IC50). Было получено, что концентрация клеток с фотосенсибилизаторами уменьшалась в зависимости от структуры фотосенсибилизатора и типа онко-клеток в результате их гибели при взаимодействии с синглетным кислородом, образованным при возбуждении фотосенсибилизаторов. Это указывает на возможное применение галогензамещенных дипиррометеновых комплексов в фотодинамической терапии. Предварительные результаты показали, что при большем квантовом выходе (ФΔ = 0.62) в соединениях с йодзамещенными фотосенсибилизаторами время гибели клеток меньше (IC50 = 1.58), чем для бромированных соединений (IC50 = 8.26), что коррелирует с эффективностью генерации синглетного кислорода [15]. Для выяснения особенностей при различных галоген- и гетерозамещениях необходимы дальнейшие исследования. Заключение Проанализирована связь структуры борфторидных и цинковых дипиррометенатов со спектральными характеристиками поглощения и излучения, временами жизни люминесценции и квантовыми выходами наблюдаемых фотопроцессов. Обсуждается роль комплексообразователей (p- и d-элементы), заместителей (тип и местоположение в лиганде) и среды (растворителя) в изменении фотоники изучаемых комплексов. Показаны возможности использования борфторидных и цинковых дипиррометенатов для создания современных оптических устройств: лазерно-активных сред, флуоресцентных зондов, фотосенсибилизаторов синглетного кислорода для фотодинамической терапии и фотокатализа окислительных реакций.

Скачать электронную версию публикации