Исследование вакантных электронных состояний активаторов хемилюминесценции на примере молекул 2-кумаранона

DOI:

просп. Октября, 151, 450075 г. Уфа, Российская Федерация

Каталитический цикл Р450, схема которого была впервые предложена в конце 1960-х годов, а в настоящее время принята в несколько модифицированном варианте [13; 17], осуществляет в основном три типа реакций (гидроксилирование, эпоксидирование и окисление), протекающих путем последовательного двухэлектронного восстановления с участием молекулярного кислорода и протонов [14; 24]. Однако, структура активированного вторым электроном кислородного комплекса, точный механизм расщепления кислорода, и даже механизм переноса электрона между компонентами системы Р450, до сих пор далеки от понимания [25]. Действительно, интермедиаты, образованные после вхождения второго электрона в цикл Р450, являются чрезвычайно активными, так что экспериментальное наблюдение этих процессов сопряжено со значительными трудностями [14; 29; 30]. В связи с этим, разумно предположить, что второй электрон может провзаимодействовать в активном центре не с молекулой O 2 , а с молекулой субстрата (слабо связанной водородными связями [30]), особенно, если сродство к электрону последней будет выше, чем у молекулярного кислорода, что должно привести к конкуренции за захват второго электрона. В таком случае, активные радикалы могут быть образованы благодаря «метаболической активации» [18; 27] субстрата вторым электроном по механизму диссоциативного захвата электронов (ДЗЭ). Вероятно, что в приложении к клеточной среде, было бы корректнее говорить о механизме диссоциативного переноса электронов (ДПЭ) [2; 10; 22], являющегося аналогом ДЗЭ в растворе, который, однако, трудно исследовать столь же подробно, как диссоциативный захват в вакууме.

Одним из самых популярных и точных методов анализа органических радикалов является метод электронного парамагнитного резонанса или ЭПР. Он позволяет не только обнаруживать, но и идентифицировать многие радикалы путем анализа сверхтонкой структуры сигналов ЭПР. Однако в биологических системах он часто оказывается недостаточно чувствительным из за крайне низкой стационарной концентрации радикалов в клетках и тканях, поэтому этот метод все чаще и чаще вытесняется методом хемилюминесцентного анализа. Этот метод обладает тем преимуществом, что, во-первых, он обычно не связан с изменением хода процессов в растворах, клетках или даже целых тканях, где регистрируется свечение, а во-вторых, весьма чувствителен при обнаружении именно высокореакционных радикалов [26].

Химические активаторы хемилюминесценции, называемые также ХЛ-зондами, — это соединения, вступающие в реакции с активными формами кислорода или органическими свободными радикалами, в ходе которых образуются молекулы продуктов в возбужденном электронном состоянии. Наблюдаемое при этом свечение связано с переходом молекул в основное состояние, что приводит к высвечиванию фотонов [1]. С недавних пор, наиболее популярной платформой на основе которой синтезируются ХЛ-зонды, стали молекулы 2-кумаранона [3; 4; 7; 9; 23; 28]. Также существуют работы, где эти молекулы использовались в качестве силовых датчиков в механоиндуцированной хемилюминесценции [6].

Целью данной работы является исследование методом масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов молекулами 2-кумаранона, определение электронных свойств данного соединения для дальнейшего поиска корреляций с его хемилюминесцентными свойствами. Таким образом, задачи данной работы можно сформулировать следующим образом:

• 1)    С помощью стандартного метода DFT B3LYP/6–31G(d) вычислить энергии вакантных МО нейтральной молекулы и применить масштабирующий коэффициент для определения энергий вертикального захвата электрона по механизму резонанса формы. Сделать выводы о применимости данного коэффициента для этого класса веществ.

• 2)    Проанализировать спектры ДЗЭ 2-кумаранона. Определить наиболее вероятные структуры осколочных ионов. Сделать выводы о характере наблюдаемых на КЭВ резонансов.

2.    Результаты и обсуждение

1.    Методика эксперимента и расчетов

Измерения проводились на статическом масс-спектрометре МИ-1201, переоборудованном для регистрации ОИ в режиме резонансного захвата электронов (РЗЭ). Схема экспериментальной установки, ее подробное описание и методика эксперимента приведены в работах [5; 12]. Вкратце, сфокусированный пучок квазимонохроматических электронов пропускался через ячейку столкновений, заполненную газом исследуемого вещества при давлениях, отвечающих парным столкновениям. Токи образующихся отрицательных ионов регистрировались масс-спектрометрически (секторное магнитное поле) в зависимости от энергии налетающих электронов в диапазоне энергий 0–15 эВ. Полуширина распределения электронов по энергии составляла 0,4–0,5 эВ на полувысоте, ток электронов ~ 1рЛ, ускоряющее напряжение — 4 кВ. Калибровку шкалы энергии электронов проводили по максимумам кривых эффективного выхода (КЭВ — зависи- мость тока ОИ от энергии налетающих электронов) ионов SF-, образованных захватом тепловых электронов молекулами SF6. Исследованные образцы вещества были приобретены в компании Сигма-Алдрич, продукт с номером 124591 (2-кумаранон, степень чистоты 97 %). Вещество было исследовано без дополнительной очистки и испарялось в ячейку столкновений при температуре 50∘С. Молекулы исследуемых веществ достигали теплового равновесия путем многократных столкновений со стенками ячейки.

Теоретический анализ вакантных орбиталей молекулы проводили с использованием квантово-химических расчетов энергий орбиталей исследованных методами DFT с помощью гибридного функционала B3LYP [9] в базисе 6–31G(d), реализованными в программном пакете Gaussian 09 [31]. На основе изображений пространственного распределения орбиталей определяли их π*- и σ*-характер, так как σ*-орбиталь симметрична относительно линии связи, а π*–орбиталь симметрична относительно плоскости, проходящей через линию связи. Для уточнения рассчитанных значений энергий орбиталей (virtual orbital energies, VOE) использовали подход, предложенный в работе [20], состоящий в корректировке — масштабировании согласно результатам исследований вакантных состояний для малых сопряженных органических молекул [15; 20; 21]. Для дальнейшего анализа использовали отмасштабированные значения энергий орбиталей (scaled virtual orbital energies, SVOE). Для масштабирования π*–молекулярных орбиталей использовали выражение SVOE = (VOE + 1,14)/1,24, а для σ*–орбиталей — выражение SVOE = (VOE + 0,97)/0,79 [19–21]. Для оценок сродства молекул к электрону по разности полных энергий молекулы и аниона, а также оценки термодинамических порогов образования фрагментов при ДЗЭ, использовался базисный набор 6–31+G(d) с минимальным добавлением диффузных функций.

Токи масс-сепарированных ОИ, образованных при взаимодействии электронов с молекулами 2-кумаранона приведены в зависимости от энергии электронов на рисунке 2 (в порядке убывания интенсивности). Энергии максимумов, относительные интенсивности образования анионов, а также наиболее вероятные структуры отрицательно заряженных фрагментов указаны в таблице 1 (в порядке убывания массового числа). Результаты расчетов методом B3LYP/6-31+G(d) термодинамических порогов появления для наиболее интенсивных распадов, ассоциируемых с отрывом одного и двух атомов водорода (для различных положений в молекуле), так же представлены в таблице 1.

Как показывают КЭВ, самым интенсивным каналом распада является канал, связанный с образованием фрагмента [M – СО] ^- в двух пиках — 1,08 и 1,45 эВ. В следствии отрыва нейтрального СО, образуется стабильная конформация с раскрытым кольцом, имеющая достаточное сечение захвата электронов, чтобы наблюдаться в спектре. Ток отрицательных ионов [M – H] ^- , имеющий один более интенсивный пик при энергии 1,08, и один менее интенсивный при 4,64 эВ, является характерным для сходных соединений, имеющих в своем составе структурный элемент фталида [16] . Согласно квантово-химические расчетам, базис B3LYP/6–31+G(d) очень хорошо согласуется с данными, полученными из КЭВ. Так для [M – СО] ^- рассчитанный порог образования находится при энергии 0,29 эВ, а для [M – H] ^- при энергиях 1,04 эВ (описывает первый пик) и 3,23 (описывает второй пик).

Рис. 1. Структура молекул 2-кумаранона (C 8 H 6 O 2 )

Рис. 2. Спектр ДЗЭ для 2-кумаранона

Таблица 1

Структуры анионов, наблюдаемых в масс-спектре 2-кумаранона.

Энергии максимумов (эВ) и относительные интенсивности

Anion	Neutral	Relative intensity, %	Peak energy, eV	Total Energy, eV
C 7 H 6 O 1	C 4 O 2	100	1,08 1,45	0,29
C 8 H 5 O 2	H 1	5,88	1,08 4,64	1,04
C 8 H 5 O 2	H 2			1,04
C 8 H 5 O 2	H 3			2,98
C 8 H 5 O 2	H 4			2,87
C 8 H 5 O 2	H 5			3,23
C 8 H 5 O 2	H 6			3,17
C 8 H 4 O 2	H 1 H 2	0,14	0,8 5,3	1,24
C 8 H 4 O 2	H 3 H 5			2,54
C 8 H 4 O 2	H 4 H 6			2,42
C 8 H 4 O 2	H 5 H 6			2,64

Примечание. Нумерация атомов указана на рисунке 1.

Таблица 2

Распределение вакантных орбиталей в молекуле 2-кумаранона

Орбиталь	36	37	38	39	40	41	42	43	44
Тип	n HOMO	n LUMO	π 3	σ 1	σ 2	σ 3	π 4	σ 4	σ 5
E	-0,68	-0,30	0,33	2,27	2,75	3,68	3,79	4,03	4,55
scaled,	0,37	0,68	1,19	4,10	4,71	5,88	3,97	6,32	6,98

Как показали расчеты, отдельный друг от друга, отрыв нейтральных атомов водорода, требует больших энергий, чем отрыв с образованием стабильного Н 2 . Причем, первому случаю на КЭВ соответствует пик с максимумом при 10 эВ, а второму пик при 5 эВ. Самым же вероятным сценарием является разрыв связей и образование нейтрального H ₂ , водородами в положениях Н1 и Н2. Согласно расчетам, это происходит уже при энергии 1,24 эВ. Что же касается пика при энергии около 0,9 эВ, то его можно связать с примесными модами от одного из изомеров 2-кумаранона-2-бензофуранол. Как показало моделирование, процесс образования [M – 2H] ^- в данном соединении может происходить уже при —0 , 07 эВ. В связи с тем, что данный ион неустойчив при диссоциации. В следствии того что, исследуемое вещество было использовано при 97 %-ной степени очистки, а 2-бензофуранол является одним из побочных продуктов синтеза 2-кумаранона, такой вариант объяснения является наиболее вероятным и правдоподобным.

Energy (eV)

Рис. 3. Схематическое изображение и энергии первых пяти вакантных МО π -типа для 2-кумаранона по данным расчета методом B3LYP/6-31G(d) и масштабирования

Рассчитанное пространственное распределение орбиталей можно было визуализировать с помощью используемого программного пакета, что позволило установить их п*- или ст*-характер. Так, для диапазона эксперимента 0-15 эВ (см. табл. 2) было установлено, что при энергиях менее 0,33 эВ расположены преимущественно п*-орбитали, в диапазоне энергий от 0,33 до 4,02 эВ располагается переходная область, в которой присутствуют как п*-, так и а*-орбитали. После масштабирования же энергий этих орбиталей, данная смешанная область пропала, и выделилось два диапазона- с преимущественно п*-орбиталями от 0,37 до 3,97 эВ, и с а*-орбиталями выше этой энергии.

Как правило, резонансные состояния отрицательных ионов, определяющие положения максимумов спектра ДЗЭ при энергиях меньше 3–4 эВ, образуются по меха- низму резонанса формы [8; 11], то есть путем захвата электрона на одну из вакантных МО π–типа, поскольку такие состояния являются более долгоживущими, нежели σ–состояния, следовательно, дают более заметный вклад в измеряемые спектры ДЗЭ. Согласно расчетам, молекулы исследованных соединений имеют по четыре вакантных МО π–типа, причем первые четыре из них находятся в диапазоне энергий до 4 эВ. Схематическое представление этих МО, а также их расчетные энергии с учетом масштабирования представлены на рисунке 3. Предсказанные положения резонансов формы с захватом электронов на π2 * МО хорошо согласуются с экспериментальными пиками, наблюдаемыми около 0,8 эВ. Орбиталь π3* так же соответствует пикам при 1,08 эВ. Резонансы с захватом e- на орбитали π4*, скорее всего, являются смешанными с электронно-возбужденными состояниями ОИ и могут объяснить максимумы экспериментальных токов, наблюдаемых около 3,9—4,5 эВ и выше. Поэтому же, в целом можно говорить, о том что базис B3LYP/6-31G(d) и масштабирующие коэффициенты [20] могут хорошо описывать π*-состояния в области низких энергий. Что же касается масштабирующих коэффициентов [19] для σ*-состояний, то они не могут адекватно описывать данную область и работают только при энергиях выше, чем 7 эВ.

Заключение

В работе исследован резонансный захват медленных (0–15 эВ) электронов молекулами 2-кумаранона в газовой фазе. Образованные фрагментные отрицательные ионы были проанализированы масс-спектрометрически. Механизмы захвата электронов в области низких энергий электронов интерпретированы с помощью DFT-расчетов. Было показано, что вакантные электронные состояния π*–типа в данной области можно хорошо описать с помощью квантово-химических расчетов методом DFT B3LYP/6–31G(d) и ранее выведенного масштабирующего коэффициента [20; 21]. В ходе вычислений было доказано, что коэффициент применяемый для интерпретации σ*–состояний в методе спектроскопии полного тока при энергиях выше 5–7 эВ [19], при энергиях ниже данных значений, не позволяет адекватно описывать энергию и расположение данных вакантных орбиталей.