Помощь студентам в учебе
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМЕЩЕННЫХ КУМАРИНА
|
ВВЕДЕНИЕ 3
Используемые сокращения 5
1 Литературный обзор
1.1 Основные понятия 6
1.1.1 Фотосенсибилизация и фотоокислительные реакции 7
1.2 Применение кумариновых сенсибилизаторов 10
1.3 Спектры поглощения и флуоресценции. Квантовый выход
флуоресценции.
1.4 Применение квантово-химических методов расчета для исследования
органических молекул.
1.4.1 Метод Хартри-Фока-Рутана 14
2 Методика и техника эксперимента
2.1 Приборная база 17
2.2 Объекты исследования 20
2.3 Методы исследования 21
2.3.1 Проверка закона Бугера-Ламбера-Бера 22
2.4 Общая схема фотофизических процессов. 23
2.4 Методика исследования физико-химических свойств исследуемых
соединений методом ЧПДП/С
3 Спектрально-люминесцентные свойства 8-метоксипсоралена и 4,9-
диметокси-7-метилфуро [3,2-g][1] бензофурана-5-1
3.1 Спектрально-люминесцентные свойства 8-МОП и хеллина методами
электронной спектроскопии и флуоресценции
3.1.1 Исследование концентрационной зависимости 8-МОП и хеллина в
этаноле по спектрам поглощения и флуоресценции
3.1.2 Спектральные характеристики 8-МОП и хеллина в этаноле
3.2 Квантово-химическое исследование спектрально-люминесцентных
свойств изолированных молекул 8-МОП и хеллина
3.2.1 Выбор геометрии для основного и возбужденного состояния
исследуемых молекул
3.2.2 Интерпретация спектров поглощения и флуоресценции
изолированных молекул
3.2.3 Расчет констант скоростей фотофизических процессов,
протекающих в исследуемых изолированных молекулах
3.2.4 Квантовый выход флуоресценции изолированных молекул
3.2.5 Схемы фотофизических процессов для изолированных молекул
3.3 Сольватация
3.3.1 Расчет констант скоростей и квантовых выходов фотофизических
процессов, протекающих в исследуемых молекулах
3.3.2 Схемы фотофизических процессов для исследуемых молекул
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 55
Приложение 1. Структура файла moco.rez изолированной молекулы 8-МОП 58
Приложение 2. Структура файла indo.rez изолированной молекулы 8-МОП 59
Приложение 3. Структура файла Revue.rez изолированной молекулы 8-МОП 62
Приложение 4. Структура файла mesp.rez изолированной молекулы 8-МОП
Используемые сокращения 5
1 Литературный обзор
1.1 Основные понятия 6
1.1.1 Фотосенсибилизация и фотоокислительные реакции 7
1.2 Применение кумариновых сенсибилизаторов 10
1.3 Спектры поглощения и флуоресценции. Квантовый выход
флуоресценции.
1.4 Применение квантово-химических методов расчета для исследования
органических молекул.
1.4.1 Метод Хартри-Фока-Рутана 14
2 Методика и техника эксперимента
2.1 Приборная база 17
2.2 Объекты исследования 20
2.3 Методы исследования 21
2.3.1 Проверка закона Бугера-Ламбера-Бера 22
2.4 Общая схема фотофизических процессов. 23
2.4 Методика исследования физико-химических свойств исследуемых
соединений методом ЧПДП/С
3 Спектрально-люминесцентные свойства 8-метоксипсоралена и 4,9-
диметокси-7-метилфуро [3,2-g][1] бензофурана-5-1
3.1 Спектрально-люминесцентные свойства 8-МОП и хеллина методами
электронной спектроскопии и флуоресценции
3.1.1 Исследование концентрационной зависимости 8-МОП и хеллина в
этаноле по спектрам поглощения и флуоресценции
3.1.2 Спектральные характеристики 8-МОП и хеллина в этаноле
3.2 Квантово-химическое исследование спектрально-люминесцентных
свойств изолированных молекул 8-МОП и хеллина
3.2.1 Выбор геометрии для основного и возбужденного состояния
исследуемых молекул
3.2.2 Интерпретация спектров поглощения и флуоресценции
изолированных молекул
3.2.3 Расчет констант скоростей фотофизических процессов,
протекающих в исследуемых изолированных молекулах
3.2.4 Квантовый выход флуоресценции изолированных молекул
3.2.5 Схемы фотофизических процессов для изолированных молекул
3.3 Сольватация
3.3.1 Расчет констант скоростей и квантовых выходов фотофизических
процессов, протекающих в исследуемых молекулах
3.3.2 Схемы фотофизических процессов для исследуемых молекул
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 55
Приложение 1. Структура файла moco.rez изолированной молекулы 8-МОП 58
Приложение 2. Структура файла indo.rez изолированной молекулы 8-МОП 59
Приложение 3. Структура файла Revue.rez изолированной молекулы 8-МОП 62
Приложение 4. Структура файла mesp.rez изолированной молекулы 8-МОП
Актуальность темы. На протяжении нескольких десятилетий научное сообщество изучает свойства такого класса веществ, как фурокумарины. Фурокумарины - это фотосенсибилизаторы растительного происхождения, повышающие чувствительность биологических объектов к ближнему ультрафиолетовому излучению. Фотосенсибилизатор - природное или искусственно синтезированное вещество, способное к фотосенсибилизации биологических тканей, то есть увеличению их чувствительности к воздействию света.
Фурокумарины образуют группу лекарственных препаратов, обладающих свойствами фотосенсибилизаторов в диапазоне ультрафиолетового излучения 320-400 нм (УФ-А- диапазон). Они в сочетании с УФ-А-излучением успешно применяются для лечения многих кожных (витилиго, микоз и, в особенности, псориаз) и аутоиммунных заболеваний с помощью фототерапии и фотофереза. ПУФА-терапия или фототерапия - это способ лечения, основанный на облучении больного дозированным ультрафиолетом (расшифровывается по буквам: П - псорален, УФ - ультрафиолетовый поток, А - длинноволновые электромагнитные лучи [1]).С помощью фототерапии проводят лечение различных раковых заболеваний. До сих пор для такого лечения чаще всего применяют 8-метоксипсорален (8-МОП), реже используют 5-метоксипсорален (5-МОП), 4,5',8-триметилпсорален (ТМП) и хеллин (Хл) [1, 2]. Псоралены - природные или синтезированные вещества - фотосенсибилизаторы, не оказывающие непосредственного влияния на пораженную псориазом кожу. Они становятся активными после длинноволнового облучения организма ультрафиолетом. Вещества вступают в реакцию с клетками эпидермиса и подавляют избыточный синтез ДНК без угнетения клеточных функций. Они усваиваются в течение 1,5 часов [3]. Следует отметить, что эти лекарственные препараты не лечат заболевание, а лишь снимают симптомы на определенный срок. 8-МОП имеет более высокую фотосенсибилизирующую активностью по сравнению с его аналогами, однако по сравнению с 5-МОП обладает более выраженным побочным действием. Высокая фотосенсибилизирующая активность 8-МОП может затруднять его применение у больных с нежной кожей и витилиго вследствие риска ожога [3].
Поиск соединений, обладающих антиоксидантными и протекторными свойствами, - основная задача исследователей. Среди многообразия научно-исследовательских работ часть публикаций посвящена изучению свойств самого кумарина или соединений на его основе. По имеющимся данным [1] кумарин обладает антикоагулянтным, противовоспалительным и иммунокоррегирующим действием. Существуют работы, в которых кумарины применяются не только в медицинских целях, но и в качестве флуоресцентных меток, красителей сине-зеленого диапазона [4]. Замечено, что изменение структуры приводит к совершенно другим фотофизическим эффектам, так, например, соединения из хорошо флуоресцирующих могут превратиться в слабо флуоресцирующие путем незначительного изменения структуры.
С помощью электронной спектроскопии и квантово-химических расчетов можно изучать зависимость свойств химических соединений и их реакционной способности от строения, а также предсказать поведение исследуемых молекул в биологических системах и понять возможность дальнейшего их использования.
Цель работы: Сравнительное экспериментальное и теоретическое исследование фотофизических процессов, протекающих в 8-метоксипсоралене и 4,9-диметокси-7- метилфуро [3,2-g][1] бензофуране-5-1.
Задачи работы:
1. зарегистрировать спектры поглощения и флуоресценции исследуемых молекул в этаноле;
2. построить зависимость интенсивности поглощения и флуоресценции исследуемых соединений от их концентрации в этаноле;
3. провести оптимизацию геометрии в основном и возбужденном состояниях;
4. провести оценку констант скоростей фотофизических процессов, протекающих в молекулах;
5. построить схемы фотофизических процессов, протекающих в молекулах;
6. вычислить квантовые выходы флуоресценции исследуемых соединений;
7. выполнить процесс образования водородной связи с исследуемыми молекулами;
8. провести сравнительный анализ экспериментальных данных с данными, полученными в результате квантово-химических расчетов.
Фурокумарины образуют группу лекарственных препаратов, обладающих свойствами фотосенсибилизаторов в диапазоне ультрафиолетового излучения 320-400 нм (УФ-А- диапазон). Они в сочетании с УФ-А-излучением успешно применяются для лечения многих кожных (витилиго, микоз и, в особенности, псориаз) и аутоиммунных заболеваний с помощью фототерапии и фотофереза. ПУФА-терапия или фототерапия - это способ лечения, основанный на облучении больного дозированным ультрафиолетом (расшифровывается по буквам: П - псорален, УФ - ультрафиолетовый поток, А - длинноволновые электромагнитные лучи [1]).С помощью фототерапии проводят лечение различных раковых заболеваний. До сих пор для такого лечения чаще всего применяют 8-метоксипсорален (8-МОП), реже используют 5-метоксипсорален (5-МОП), 4,5',8-триметилпсорален (ТМП) и хеллин (Хл) [1, 2]. Псоралены - природные или синтезированные вещества - фотосенсибилизаторы, не оказывающие непосредственного влияния на пораженную псориазом кожу. Они становятся активными после длинноволнового облучения организма ультрафиолетом. Вещества вступают в реакцию с клетками эпидермиса и подавляют избыточный синтез ДНК без угнетения клеточных функций. Они усваиваются в течение 1,5 часов [3]. Следует отметить, что эти лекарственные препараты не лечат заболевание, а лишь снимают симптомы на определенный срок. 8-МОП имеет более высокую фотосенсибилизирующую активностью по сравнению с его аналогами, однако по сравнению с 5-МОП обладает более выраженным побочным действием. Высокая фотосенсибилизирующая активность 8-МОП может затруднять его применение у больных с нежной кожей и витилиго вследствие риска ожога [3].
Поиск соединений, обладающих антиоксидантными и протекторными свойствами, - основная задача исследователей. Среди многообразия научно-исследовательских работ часть публикаций посвящена изучению свойств самого кумарина или соединений на его основе. По имеющимся данным [1] кумарин обладает антикоагулянтным, противовоспалительным и иммунокоррегирующим действием. Существуют работы, в которых кумарины применяются не только в медицинских целях, но и в качестве флуоресцентных меток, красителей сине-зеленого диапазона [4]. Замечено, что изменение структуры приводит к совершенно другим фотофизическим эффектам, так, например, соединения из хорошо флуоресцирующих могут превратиться в слабо флуоресцирующие путем незначительного изменения структуры.
С помощью электронной спектроскопии и квантово-химических расчетов можно изучать зависимость свойств химических соединений и их реакционной способности от строения, а также предсказать поведение исследуемых молекул в биологических системах и понять возможность дальнейшего их использования.
Цель работы: Сравнительное экспериментальное и теоретическое исследование фотофизических процессов, протекающих в 8-метоксипсоралене и 4,9-диметокси-7- метилфуро [3,2-g][1] бензофуране-5-1.
Задачи работы:
1. зарегистрировать спектры поглощения и флуоресценции исследуемых молекул в этаноле;
2. построить зависимость интенсивности поглощения и флуоресценции исследуемых соединений от их концентрации в этаноле;
3. провести оптимизацию геометрии в основном и возбужденном состояниях;
4. провести оценку констант скоростей фотофизических процессов, протекающих в молекулах;
5. построить схемы фотофизических процессов, протекающих в молекулах;
6. вычислить квантовые выходы флуоресценции исследуемых соединений;
7. выполнить процесс образования водородной связи с исследуемыми молекулами;
8. провести сравнительный анализ экспериментальных данных с данными, полученными в результате квантово-химических расчетов.
В результате проделанной работы экспериментально зарегистрированы спектры флуоресценции и поглощения 8-метоксипсоралена и 4,9-диметокси-7-метилфуро [3,2-д][1]бензофурана-5-1 в этаноле, построены графики зависимостей интенсивности поглощения и флуоресценции от концентрации веществ, а также были рассчитаны спектральные характеристики для этих молекул (AVCT0 кс, AT/J./2 , ^-тах , ^тах , ^тах, ^тах, Ф и г). Проведена оптимизация геометрии основного и возбужденного состояний с помощью методов АМ1 и РМ3, оценены константы скорости фотофизических процессов, протекающих в молекулах 8-МОП и хеллин. Геометрия молекул, рассчитанная методом АМ1 с большей вероятностью описывает экспериментальные спектральные свойства.
Выводы:
1. Показано, что для 8-МОП и хеллина - нижнее синглетное возбужденное состояние S1
имеет природу пп* типа, а состояние S2- пп*. Значение энергетической щели в случае изолированной молекулы между состояниями S1и S2для 8-МОП меньше на 729 см-1 по сравнению с хеллином. Однако в случае образования водородной связи по атому кислорода карбонильной группы между состоянием S1 и S2 энергетическая щель меньше для хеллина на 1498 см-1 по сравнению с 8-МОП.
2. Значение квантового выхода флуоресценции хеллина в этаноле ф = 3.6х 10-3. Низкое значение квантового выхода определяется высокими значениями констант скоростей безызлучательных процессов по сравнению с радиационным распадом.
3. Для изолированной молекулы 8-МОП определен основной канал деградации энергии возбуждения:
Этот канал определяется высоким значением константы скорости внутренней конверсии ~ 1010 с-1, который по сравнению с 8-МОП открывает эффективный канал деградации энергии возбуждения через систему электронных синглетных состояний.
4. В случае образования водородной связи по атому кислорода карбонильной группы эффективность интеркомбинационной конверсии у исследуемых молекул падает на три порядка, поэтому деградация энергии возбуждения возможна, как через систему синглетных, так и через систему триплетных состояний с равной вероятностью.
При выполнении научно-исследовательской работы была пройдена стажировка в Университете Мурсии (Universidad de Murcia), г. Мурсия, Испания, опубликована статья в журнал Proceedings of SPIE (The international society for optics and photonics) «Dependence of fluorescent ability on efficiency of intersystem conversion in 8-methoxypsoralen and khellin», подготовлен стендовый доклад на XIII Международной конференции по импульсным лазерам и применениям лазеров AMPL-2017, получен диплом 1 степени в Двадцать четвертой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-24», подготовлен устный доклад на Международную научную конференцию студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2018».
Результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России, проект № 4.6027.2017/8.9 - «Прогнозирование оптических, фотохимических и фотобиологических свойств органических молекулярных систем» 2017-2019 гг.
Выражаем благодарность заведующему лаборатории Фотофизики и Фотохимии молекул профессору В. Я. Артюхову за помощь в проведении квантово-химических расчетов.
Выводы:
1. Показано, что для 8-МОП и хеллина - нижнее синглетное возбужденное состояние S1
имеет природу пп* типа, а состояние S2- пп*. Значение энергетической щели в случае изолированной молекулы между состояниями S1и S2для 8-МОП меньше на 729 см-1 по сравнению с хеллином. Однако в случае образования водородной связи по атому кислорода карбонильной группы между состоянием S1 и S2 энергетическая щель меньше для хеллина на 1498 см-1 по сравнению с 8-МОП.
2. Значение квантового выхода флуоресценции хеллина в этаноле ф = 3.6х 10-3. Низкое значение квантового выхода определяется высокими значениями констант скоростей безызлучательных процессов по сравнению с радиационным распадом.
3. Для изолированной молекулы 8-МОП определен основной канал деградации энергии возбуждения:
Этот канал определяется высоким значением константы скорости внутренней конверсии ~ 1010 с-1, который по сравнению с 8-МОП открывает эффективный канал деградации энергии возбуждения через систему электронных синглетных состояний.
4. В случае образования водородной связи по атому кислорода карбонильной группы эффективность интеркомбинационной конверсии у исследуемых молекул падает на три порядка, поэтому деградация энергии возбуждения возможна, как через систему синглетных, так и через систему триплетных состояний с равной вероятностью.
При выполнении научно-исследовательской работы была пройдена стажировка в Университете Мурсии (Universidad de Murcia), г. Мурсия, Испания, опубликована статья в журнал Proceedings of SPIE (The international society for optics and photonics) «Dependence of fluorescent ability on efficiency of intersystem conversion in 8-methoxypsoralen and khellin», подготовлен стендовый доклад на XIII Международной конференции по импульсным лазерам и применениям лазеров AMPL-2017, получен диплом 1 степени в Двадцать четвертой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-24», подготовлен устный доклад на Международную научную конференцию студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2018».
Результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России, проект № 4.6027.2017/8.9 - «Прогнозирование оптических, фотохимических и фотобиологических свойств органических молекулярных систем» 2017-2019 гг.
Выражаем благодарность заведующему лаборатории Фотофизики и Фотохимии молекул профессору В. Я. Артюхову за помощь в проведении квантово-химических расчетов.