научная статья по теме ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА, СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И ПРОТОНОАКЦЕПТОРНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ АМИНОФЕНОЛОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА, СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И ПРОТОНОАКЦЕПТОРНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ АМИНОФЕНОЛОВ»

СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^

КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

УДК 535.34+539.1.047+543.42

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА, СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И ПРОТОНОАКЦЕПТОРНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ АМИНОФЕНОЛОВ

© 2009 г. О. К. Базыль*, В. Я. Артюхов*, Г. В. Майер*, Т. Ф. Райченок**, И. В. Скорняков**, Г. Б. Толсторожев**, О. И. Шадыро***, В. Л. Сорокин***, Г. А. Ксендзова***

* Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия ** Институт физики НАНБелоруссии, 220072Минск, Белоруссия *** Химический факультет Белорусского государственного университета, 220050Минск, Белоруссия

Поступила в редакцию 22.04.2009 г.

Измерены спектры поглощения, флуоресценции и квантовые выходы флуоресценции ряда биологически активных производных о-аминофенола в инертном растворителе гексане. Изучен ИК спектр раствора 2-амино-4,6-ди-трет-бутилфенола в СС14 и найдены ИК полосы, свидетельствующие о присутствии в этом растворе двух конформеров с внутримолекулярными водородными связями типа О—Ы-К и К—Ы-О. На основе использования методов ИК фурье-спектроскопии рассмотрены структурные особенности ряда биологически активных о-аминофенолов с различающимися заместителями. Методом частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием со спектроскопической параметризацией рассчитаны и интерпретированы спектры поглощения и флуоресценции о-аминофенолов. Проведено сопоставление расчетных данных с результатами эксперимента. Протоноакцепторные свойства молекул о-аминофенолов теоретически оценены по методу молекулярного электростатического потенциала. Экспериментально изучена роль заместителей разного типа в формировании протоноакцепторных свойств о-аминофенолов.

РАСЯ: 33.20.-t, 78.30.-j

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что многие производные аминофе-нолов (АФ) являются эффективными антиокси-дантами и способны изменять направленность протекания свободнорадикальных процессов [1]. Эти соединения, которые ранее успешно применялись в качестве стабилизаторов промышленных органических материалов, проявили также высокую эффективность для профилактики и лечения патологий, обусловленных сбоями в антиокислительной системе организма человека. В настоящее время начато использование АФ в качестве противовирусных средств для лечения различных инфекций. На основе о-аминофенола разработан антивирусный препарат, эффективный при лечении герпетических поражений [2, 3].

Экспериментально установлено, что степень проявления антивирусных свойств АФ определяется их химическим строением. Например, наличие свободных амино- или гидроксильных групп, так же как замена атома водорода в гидроксиль-ной группе на метильную группу, приводит к потере антивирусной активности таких производных АФ [4].

Тем не менее в настоящее время остается открытым вопрос, какие производные АФ при добавлении в биосистемы могут изменять направ-

ленность протекания свободнорадикальных реакций, чтобы обеспечить эффективное и устойчивое формирование антивирусного эффекта. В этой связи принципиально важно выбрать и разработать такие методы анализа, которые способствовали бы получению адекватной информации о структуре АФ и их биологических свойствах.

Установление особенностей электронной структуры и спектроскопических свойств АФ может оказаться чрезвычайно продуктивным для выяснения детальных механизмов влияния этих соединений на свободнорадикальные процессы, в том числе для создания реальных условий их широкого применения в биомедицине.

С целью выявления структурных особенностей и геометрии молекул биологически активных АФ, установления природы внутримолекулярных взаимодействий и типа водородной связи в данной работе методами квантовой химии исследованы электронные спектры поглощения и флуоресценции этих соединений. Для сопоставления результатов квантово-химических расчетов с данными эксперимента детально проанализированы спектрально-люминесцентные и протоноакцепторные свойства АФ, которые обладают различной противовирусной активностью.

Таблица 1. Исследованные производные о-аминофенола

Шифр молекулы

Структурная формула и название

АФ1

(H3Q3C

АФ 2

(H3Q3C

АФ 3

(H3Q3C

АФ 4

(H3C)3C

АФ 5

(H3Q3C

C(CH3)3 OH

NH

C(CH3)3 O.

2

H ^H

90° N

Ph

C(CH3)3

O—H >

N—C / \ H CH

C(CH3)3 O^

CH3 ^H

N

45° |

Ph

C(CH3)3 O.

3

H3C

N I

OCH3 H

O

2-амино-4,6-ди-трет-бутилфенол

2-анилино-4,6-ди-трет-бутилфенол

^(3,5-ди-трет-бутил-2-гидроксифенил)ацетамид

3, 5 -ди - трет -бутил-2-метокси^-фениланилин

^(3,5-ди-трет-бутил-2-метоксифенил)ацетамид

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В табл. 1 представлены структурные формулы и названия основных объектов исследования: трет--бутилзамещенные АФ1, АФ2, АФ3, АФ4, АФ5. Синтез соединений АФ производился по разработанным и модифицированным впоследствии методикам [3, 4]. Достоверность химического строения синтезированных производных АФ подтверждена экспериментальными данными масс-спектрометрии, ЯМР и элементного анализа.

ИК спектры растворов АФ регистрировались ИК фурье-спектрометром NEXUS с программным обеспечением OMNIC при спектральном разрешении 2 см-1 с усреднением 256 сканирований. Для точного определения частот максимумов (vmax) полос поглощения в ИК спектрах и разделения контура уширенных и асимметричных полос на составляющие с помощью программно-

го обеспечения проводилась фурье-деконволю-ция спектральных кривых.

Электронные спектры поглощения растворов АФ измерялись на спектрофотометре СЛРУ-500, спектры и квантовые выходы (уэкс) флуоресценции — на спектрофлуориметрах 8Ь-1211 и НОШ-ВЛ Jobin УУОП.

Квантово-химические расчеты спектрально -люминесцентных свойств исследуемых молекул выполнены методом частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием (ЧПДП) со спектроскопической параметризацией [5]. Метод реализован в пакете программ [6]. Константы скорости безызлучательных процессов дезактивации электронно-возбужденных состояний, необходимые для расчета квантовых выходов флуоресценции, рассчитаны согласно [7]. Протоноак-цепторные свойства молекул АФ в основном и возбужденных состояниях оценивались методом молекулярного электростатического потенциала

D х 102 1.0

0

3800

3600

3400

3200

V, см

-1

Рис. 1. ИК спектр раствора 2-амино-4,6-ди-трет-бу-тилфенола в CCI4 (1) и результат разложения этого спектра на составляющие (2) в области валентных колебаний О-H и N-H.

(МЭСП) [8] с использованием волновых функций, полученных методом ЧПДП.

Выполнены расчеты незамещенного о-амино-фенола (АФ0), конформеров АФ с внутримолекулярными водородными связями типа К—Н -О (АФ0-1, АФ1-1, АФ2-1, отмечены дополнительным индексом 1) и типа О-Н-К (АФ0-2, АФ1-2, АФ2-2, отмечены дополнительным индексом 2). С целью выбора оптимальной равновесной конфигурации и геометрии молекул АФ при проведении расчетов, помимо рентгеноструктурных данных [9], использовались результаты экспериментов по исследованию внутримолекулярных Н-связей с помощью ИК фурье-спектров из работ [10-12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведен ИК спектр 3 х 10-3 М раствора АФ1 в СС14 в спектральном интервале 3800-3200 см-1. В этой области расположены полосы поглощения валентных колебаний групп ОН и КН, способных к внутримолекулярным взаимодействиям в АФ [10-12].

Из рис. 1 следует, что в спектре АФ1 (кривая 1) наблюдается полоса колебаний свободных ОН-групп с утах = 3648 см-1. Свободные аминогруппы в спектре этого соединения, как следует из результатов фурье-деконволюции спектральной кривой (кривая 2), характеризуются полосами

поглощения с vmax = 3483 и 3403 см-1. Полоса поглощения с vmax = 3483 см-1 обусловлена асимметричными, а полоса с vmax = 3403 см-1 симметричными колебаниями связей N-H [11-13]. Помимо полос поглощения свободных ОН- и N^-групп в спектре раствора АФ1 наблюдаются полосы колебаний ассоциированных ОН- и N^-групп. Связанным колебаниям О-Н в спектре АФ1 соответствует полоса с vmax = 3433 см-1 (кривая 2), связанным колебаниям N-H - полоса поглощения с vmax = 3329 см-1 (кривые 1 и 2).

Концентрация АФ1 в CCI4 не превышала 3 х 10-3 М. При таких концентрациях вещества межмолекулярные взаимодействия в растворах АФ1 в CCI4 практически не проявляются [10-12]. Следовательно, полосы поглощения связанных колебаний О-H и N-H обусловлены наличием в АФ1 внутримолекулярных водородных связей (ВВС) с участием ОН- и N^-групп. По данным [10-12] в о-аминофенолах могут образовываться ВВС типа О-H—N или N-H-О, что определяется двоякими свойствами группы ОН, т.е. быть донором протона или акцептором. Приведенные спектральные данные показывают, что в растворе АФ1 в CCI4 возможно образование водородных связей указанных двух типов, что предполагает существование в растворе двух конформеров с различной геометрией.

Из-за структурных особенностей АФ1 ВВС О-H-N или N-H-О не могут реализоваться одновременно в молекулярной структуре одной геометрии. Для каждого из типов ВВС должна существовать своя конформация молекулы. Так, например, образование ВВС типа N-Н -О возможно только в плоской молекуле. То есть в этом случае группы NH2, OH и бензольное кольцо (Ph1) АФ располагаются в одной плоскости (плоскость XY), а водород гидроксильной группы повернут к трет-бутильному заместителю.

Согласно расчетам заселенности атомных ор-биталей атома N молекулы АФ1 в основном состоянии равны: 2s АО - 1.227 e, 2px АО - 1.099 e, 2py - АО - 1.103 e, 2pz - АО - 1.835 e. При плоской геометрии молекулы водородная связь типа ОН -N не может образоваться, поскольку в этом случае участвующая в образовании ВВС неподе-ленная пара электронов атома азота находится на орбитали 2pz, т.е. вне молекулярной плоскости. Поэтому ВВС типа О-Н -N возможна только в структуре, когда плоскость аминогруппы перпендикулярна плоскости бензольного кольца.

Экспериментальные данные [10-12] позволяют конкретизировать геометрию других изучаемых биологически активных молекул АФ. Существование ненапряженной структуры молекулы АФ2 при таком объемном заместителе в аминогруппе, как фенильный, предполагает образова-

ние конформации, в которой фенил заместителя выведен из молекулярной плоскости. Фенильное кольцо можно вывести из молекулярной плоскости либо вращением вокруг связи N—

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»