Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методичка_Громов

.pdf
Скачиваний:
202
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
4.1 Mб
Скачать

Для значительного разгорания флуоресценции бисазакраунсодержащего антрацена 25 необходимо, чтобы субстрат блокировал неподеленные электронные пары на обоих атомах азота. Это условие выполняется в случае дикатионов алкандиаммония, образующих с 25 комплексы псевдоциклического строения. При взаимодействии 25 с дикатионом 1,4- бутандиаммония квантовый выход флуоресценции возрастает почти на два порядка.

Люминесценция бисазакраунсодержащего бинафтила 26 тоже тушится вследствие внутримолекулярного фотоиндуцированного переноса электрона.

O N N O

O O O O

O O

26

Соединение 26 селективно связывает Ba2+ в смесях ацетонитрил/метанол благодаря образованию комплекса типа внутримолекулярный сэндвич. Комплексообразование сопровождается разгоранием люминесценции бинафтила.

За тушение люминесценции производного диазакраун-эфира 27, содержащего два фрагмента 5-хлоро-8-гидроксихинолина, ответственны две фотоиндуцированные внутримолекулярные реакции – перенос протона и перенос электрона.

Cl

Cl

O

O

N

N

N

N

OH O O OH

27

В смесях вода/метанол диазакраун-эфир 27 селективно связывает Mg2+; комплексообразование сопровождается значительным увеличением выхода люминесценции.

Антраценокриптанд 28 в метаноле характеризуется слабой флуоресценцией, исходящей из локально-возбужденного состояния антраценового ядра, а также более длинноволновой люминесценцией, которая приписана эксиплексу с участием ароматического фрагмента и атомов азота макроцикла. При комплексообразовании 28 с K+ люминесценция эксиплекса тушится, а флуоресценция из локально-возбужденного состояния антраценового ядра разгорается. Общий выход люминесценции существенно возрастает.

111

(CH2)3

(CH2)3

N

N

O

O

O

O

| 28

Оригинальный подход к созданию высокоэффективных «включающихся» ЛМС был продемонстрирован на примере супрамолекулярных комплексов с переносом заряда (КПЗ) (супрамолекулярные PЕТ-сенсоры) между бис(18-краун-6)стильбеном и бисаммонийными производными π-акцепторных гетероциклических соединений (схема 15). Супрамолекулярные КПЗ типа 29 в отличие от обычных органических КПЗ обладают очень высокой термодинамической устойчивостью. Фотовозбуждение комплекса 29 сопровождается переносом электрона со стильбена на π-акцепторный компонент. Комплекс 29 не люминесцирует и не подвергается фотохимическим превращениям по причине сверхбыстрой дезактивации электронно-возбужденного состояния путем обратной реакции переноса электрона.

Схема 15

112

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

 

+

+H3N

+N

N+

NH +

 

3

lg K = 9.08 (MeCN)

 

O

 

+N

 

N+

 

 

 

H

O

δe

 

 

 

 

 

 

 

 

O

H

N+ H

O

 

 

 

 

O

 

O

 

O

 

O

 

 

 

 

 

O H N+

H O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

O

H

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Ca2+

 

 

 

 

O

O

 

O

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

Ca2+

O

Ca2+

O

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

O

 

O

O

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+H3N

 

N+

+N

 

 

 

 

 

 

 

NH3+

 

Оптические свойства раствора практически не изменяются при добавлении Mg(ClO4)2 в четырехкратном избытке по отношению к КПЗ. В то же время добавление малых количеств Са(ClO4)2 или Ba(ClO4)2 приводит к сильному разгоранию люминесценции, причиной которого является замещение акцептора в супрамолекулярном КПЗ ионами металла. Комплексы бис(18-краун-6)стильбена с Ca2+ и Ba2+ характеризуются высокими квантовыми выходами флуоресценции (³ 0.3).

В последние годы были достигнуты заметные успехи в разработке «включающихся» ЛМС на основе краун-эфиров, содержащих металлорганический люминофор

113

(металлоорганические PET-сенсоры). В качестве последнего использовали комплексы азотсодержащих лигандов с редкоземельными или переходными металлами.

Известно, что электронное возбуждение комплексов редкоземельных металлов с азотсодержащими лигандами может приводить к долгоживущей люминесценции из локально-возбужденного состояния катиона металла. В системе 30 люминесценция Eu(III) тушится вследствие переноса электрона с атома азота азакраун-эфирного фрагмента к иону европия.

 

O

 

O

O

N

N

O

O

O

N

O

O

 

N

N

O

 

O

Eu(III)

CO2Me CO2Me

30

При добавлении соли калия в метанольный раствор 30 квантовый выход люминесценции Eu(III) возрастает более чем на порядок.

Доннорно-акцепторные люминоионофоры

К другой группе следует отнести ЛМС на основе краун-соединений, имеющих электронно-сопряженную систему донор–акцептор, в состав которой входит один из гетероатомов макроцикла. Такие сенсоры называют PСT-сенсоры (PCT – photoinduced charge transfer, фотоиндуцированный перенос заряда).

Люминесцентные свойства сопряженных донорно-акцепторных систем не всегда удается однозначно интерпретировать.

Производное N-фенилазакраун-эфира 31 подобно своему немакроциклическому аналогу – 4-диметиламинобензонитрилу (DMABN) – в полярных растворителях характеризуется двухполосной флуоресценцией. Наибольшую известность получила гипотеза, согласно которой DMABN в возбужденном состоянии с переносом заряда испытывает конформационные изменения, связанные с вращением диметиламиногруппы, в результате чего образуется скрученное состояние с более высокой степенью разделения зарядов (TICT-состояние). Коротковолновую полосу в спектре люминесценции относят к исходному возбужденному состоянию, а длинноволновую – к TICT-состоянию. При комплексообразовании 31 с Ca2+ в ацетонитриле интенсивность длинноволновой полосы флуоресценции снижается, так как катион препятствует образованию полярного TICT-

114

состояния. Одновременно возрастает интенсивность коротковолновой флуоресценции. Однако изменение общего выхода люминесценции для этой системы невелико.

 

O

 

O

NC

N

O

O

31

Вазакраун-соединении 32 плоскости акридинового ядра и бензольного цикла находятся под значительным углом по стерическим причинам, т.е. электронное сопряжение между донорным и акцепторным фрагментами хромофора в значительной мере нарушено. В нейтральной среде соединение 32 почти не люминесцирует, что объясняется быстрым переходом возбужденных молекул в неизлучающее TICT-состояние. При комплексообразовании с Ag+ «включается» флуоресценция из локально-возбужденного состояния акридинового ядра.

ClO4

Me

O

 

 

 

O

Me N+

 

N

 

 

O

 

 

O

32

Позже было опубликовано несколько люминоионофоров, дизайн которых аналогичен дизайну соединения 32. Среди них следует выделить бензоазакраун-эфиры 33 и 34 (R = OCH2OCOMe), которые могут работать как «включающиеся» ЛМС для катионов металлов не только в органических, но и в водных средах.

 

 

 

 

 

R

F

 

 

 

N

COOMe

 

COOMe

 

F

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

F

 

N

O

O

 

 

 

N

N

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

O

 

O

 

 

 

 

O

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

 

 

O

 

 

 

 

 

 

O

F 34

 

Заключение

В области колориметрических сенсоров наиболее разработанной является концепция донорно-акцепторных хромоионофоров. В настоящее время возможен целенаправленный дизайн колориметрических индикаторов, действующих в заданном спектральном диапазоне (от ближнего УФ до ближнего ИК). В области люминесцентных сенсоров основной является

115

идея «включения» люминесценции при связывании субстрата за счет подавления внутримолекулярных процессов, отвечающих за тушение люминесценции. Наибольшие эффекты достигаются для систем с фотоиндуцированным переносом электрона или электронно-сопряженных систем с внутренним переносом заряда при электронном возбуждении. Преимуществом последних является то, что они могут одновременно действовать как люминесцентные и колориметрические сенсоры. Проблемой прикладного характера является низкая термодинамическая устойчивость комплексов краун-эфиров с катионами щелочноземельных металлов в водной среде. Одно из возможных решений – целенаправленное введение в краун-эфирный фрагмент дополнительных лигандных групп. Недостаточно изученными в настоящее время остаются проблемы, связанные с иммобилизацией оптических молекулярных сенсоров в различных материалах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Ушаков Е.Н., Алфимов М.В., Громов С.П. Принципы дизайна оптических молекулярных сенсоров и фотоуправляемых рецепторов на основе краун-эфиров // Успехи химии. – 2008. – Т. 77, № 1. – С. 39-59

2.Valeur B., Leray I. Design principles of fluorescent molecular sensors for cation recognition // Coord. Chem. Rev. –2000. – V. 205. – P. 3-40.

3.De Silva AP., Gunaratne H.Q.N., Gunnlaugsson T., Huxley A.J.M., McCoy C.P., Rademacher J.T., Rice T.E. Signaling Recognition Events with Fluorescent Sensors and Switches // Chem. Rev. – 1197. – V. 97. – P. 1515-1566.

4.Егоров АА., Егоров МА., Царева Ю.И. Химические сенсоры: классификация, принципы работы, области применения // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – 2008.

– № 6. – С. 1-17. – www.chemphys.edu.ru/pdf/2008-01-14-001.pdf

Г Л А В А 8. ФОТОУПРАВЛЯЕМЫЕ РЕЦЕПТОРЫ НА ОСНОВЕ КРАУН-

ЭФИРОВ

Введение

В настоящее время большую актуальность приобрели работы по изучению свойств краун-соединений, которые способны под воздействием света подвергаться обратимым структурным изменениям, влияющим на селективность и эффективность связывания субстрата. Возможные сферы применения таких соединений включают фотоуправляемый ионный транспорт, фоторегулируемую экстракцию и разделение ионов, создание

116

ионопроводящих светочувствительных материалов для преобразования солнечной энергии и новых информационных технологий, фотопереключаемые молекулярные устройства для наноэлектроники.

Основная концепция дизайна фотоуправляемых рецепторов состоит в следующем.

Соединение ковалентной связью фотохрома, способного под действием света подвергаться значительным структурным изменениям, и макроцикла, селективно связывающего катионы металлов или другие частицы.

Фотохромизм (от фото и греческого chroma – цвет, краска) – способность вещества обратимо менять окраску (спектр поглощения) под действием света (УФ, видимый, ИК):

hv1

A B

hv2

Построение молекулярной системы таким образом, чтобы структурные изменения, возникающие в фотохромном фрагменте, оказывали существенное влияние на рецепторные свойства макроцикла.

Фотохромная реакция должна быть термически или фотохимически обратимой.

Рассмотрим следующие фотохимические превращения фотоуправляемых краунсоединений (в скобках тип фотохромной реакции, согласно их классификации):

1)Геометрическая транс-цис-фотоизомеризация (ФОТОПЕРЕГРУППИРОВКИ: изомеризация)

2)Фотодимеризация полиэфирных систем, содержащих фрагменты антрацена. (ФОТОПЕРЕГРУППИРОВКИ: ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, циклоприсоединение)

3)Валентная фотоизомеризация спиросоединений и хроменов:

а) Фотоиндуцированное замыкание пиранового цикла в мероцианинах с образованием спиросоединений (ФОТОДИССОЦИАЦИЯ, гетеролитическая (обратный процесс рекомбинации ионов)) б) Фотоиндуцированное раскрытие пиранового цикла в бензохроменах (ФОТОПЕРЕГРУППИРОВКИ: ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, электроциклическая реакция (обратный процесс раскрытия цикла))

--в пунктах (a) и (б) явно что-то неправильно – E.U.

4)Фотоциклизация диарилэтиленов (ФОТОПЕРЕГРУППИРОВКИ: ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, электроциклическая реакция)

5)Фотодиссоциация (ФОТОДИССОЦИАЦИЯ, гетеролитическая)

Фотоуправляемые рецепторы

117

Геометрическая транс-цис-фотоизомеризация

Фотоуправляемые краун-соединения на основе фотохромов, подвергающихся геометрической транс-цис-фотоизомеризации, наиболее широко представлены в литературе.

Синкай и др. синтезировали диазакраун-эфиры, накрытые фрагментом азобензола 1, 2,2'-азопиридина 2 или стильбена 3 (схема 1). Методом экстракции установлено, что способность диазакраун-эфиров 1-3 связывать катионы щелочных металлов изменяется при транс-цис-фотоизомеризации фотохромной крышки. В случае 1 фотогенерированный цис- изомер в сравнении с исходным транс-изомером лучше связывает катионы большого диаметра (K+, Rb+) и, наоборот, хуже связывает катионы малого диаметра (Li+, Na+).

Схема 1

 

Y

 

 

 

Y

Y

 

 

 

 

 

 

 

X

Y

X

hν

X

X

 

 

 

 

O

 

 

 

O

O

O

O

O

N

 

 

N

 

 

O

O

 

 

 

 

N

N

 

O

O

 

 

 

 

 

O

O

 

 

 

 

 

1:X = CH, Y = N

2:X = N, Y = N

3:X = CH, Y = CH

Предполагается, что транс-цис-изомеризация азобензольной крышки в 1 приводит к расширению диазакраун-эфирной полости. Обратная цис-транс-изомеризация соединений 1 и 2 протекает термически. Для стильбена 2 данные относительно обратимости транс-цис- фотоизомеризации отсутствуют. Следует отметить, что цис-изомеры стильбенов могут подвергаться реакции окислительной фотоциклизации с образованием соответствующих производных фенантрена. То есть, в случае стильбенсодержащих краун-эфиров могут возникать проблемы с обратимостью транс-цис-фотоизомеризации.

Производные азобензола 4–6, в которых положения 4 и 4' связаны полиэфирной цепочкой, включающей 7–9 атомов кислорода, легко подвергаются фотохимически и термически обратимой транс-цис-фотоизомеризации (схема 2).

Схема 2

118

 

O

n O

 

 

O

O

 

O

O

 

 

O

hν1

O

O

 

 

n

 

 

 

 

N

O

hν2,

 

O

O

 

O

 

N

N

 

 

 

 

 

 

 

4 (n = 1), 5 (n = 2), 6 (n = 3)

N

 

O

 

 

 

Установлено, что транс-изомеры 4-6 не способны экстрагировать катионы из воды в органическую фазу, тогда как фотогенерированные цис-изомеры 4-6 хорошо экстрагируют катионы щелочных металлов. Селективность экстракции зависит от длины полиэфирной цепочки: цис-4 проявляет селективность к иону Na+, цис-5 к K+, а цис-6 к Rb+. Полученные результаты объясняются тем, что в транс-изомере полиэфирная цепь вытянута вдоль азобензольного фрагмента, а в цис-изомере принимает форму краун-эфирного цикла.

Аналогичная идея просматривается в дизайне производного тиоиндиго 7. При облучении видимым светом это соединение подвергается транс-цис-фотоизомеризации вокруг центральной С=С связи (схема 3). Реакция обратима как фотохимически, так и термически.

Схема 3

 

 

 

 

S

S

O

O

O

 

O

O

 

O

hν1

 

 

 

S S

 

O

O

 

 

 

O

 

O

 

S

S

hν2,

S

S

 

O

O

 

 

 

 

 

 

7

O O

 

 

 

 

 

 

O

O

 

 

 

 

В результате транс-цис-фотоизомеризации тиоиндиго 7 приобретает способность

экстрагировать

катионы

щелочных

металлов и Ca2+

из воды

в органическую фазу

(селективность изменяется в ряду Cs+ > K+ > Na+ > Ca2+ > Li+).

Другой способ фотоиндуцированной модификации полости макроцикла был продемонстрирован на примере краун-соединения 8. Азобензольный фрагмент молекулы 8 располагается вблизи полости макроцикла, что создает определенные стерические препятствия для образования комплекса между катионом металла и макроциклом. Показано, что в смеси о-дихлорбензол/метанол (5:1) транс-изомер 8 практически не способен связывать Na+, тогда как фотогенерированный цис-изомер образует с этим катионом комплекс, характеризующийся большой константой устойчивости (lgK = 4.81). Авторы

119

цитируемой работы считают, что при транс-цис-фотоизомеризации азобензольного фрагмента частично устраняются стерические препятствия, мешающие образованию комплекса (схема 4). Кроме того, они предполагают, что в комплексе цис-8 с Na+ катион металла координирован с одним из атомов азота фотохромной группы.

Схема 4

 

 

 

 

 

OMe

O N N

O

hν, M+

N

N

O

 

 

 

O

 

 

 

 

 

O

OMe

O

 

M+

 

 

 

 

O

 

 

O

 

O

 

 

 

O

8

При транс-цис-фотоизомеризации бискраунсодержащего азобензола 9 два макроциклических фрагмента сближаются настолько, что могут кооперативно захватывать катионы большого диаметра (схемам 5). В результате изомеризации изменяется ионная селективность этого дитопного рецептора: в транс-форме он лучше связывает Na+, чем K+, а в цис-форме показывает высокую селективность к K+.

Схема 5

 

 

 

 

O

O

 

O O

 

 

 

 

 

O

 

 

O

 

 

 

 

 

 

hν

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

O

O

 

O

O

 

O

 

 

 

N

 

 

 

 

O

 

O

 

O

 

 

 

 

O

O

 

 

 

 

 

N

 

O

9

 

 

 

O

O

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

Бисдиазакраун-эфир 10 способен экстрагировать дикатионы NH3+(CH2)nNH3+ (n = 4, 6, 8, 10, 12) из воды в органическую фазу. Эффективность экстракции растет с ростом длины полиметиленовой цепи в дикатионе. При транс-цис-фотоизомеризации азобензольных спейсеров уменьшается расстояние между двумя диазакраун-эфирными фрагментами (схема 6), в результате селективность дитопного рецептора 10 смещается в сторону более коротких дикатионов.

Схема 6

120