Procesy fotoizomeryzacji indukowane w cząsteczkach izolowanych przez wzbudzenie monochromatycznym światłem laserowym mgr Anna Luchowska

INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK

Procesy fotoizomeryzacji indukowane w cząsteczkach izolowanych przez wzbudzenie

monochromatycznym światłem laserowym mgr Anna Luchowska

Rozprawa doktorska

wykonana w Oddziale Fizyki Promieniowania i Spektroskopii

pod kierownictwem dr. hab. Leszka Łapińskiego

Warszawa 2018

Składam serdeczne podziękowania – dr. hab. Leszkowi Łapińskiemu, mojemu promotorowi, za opiekę naukową, poświęcony czas, motywację do realizacji badań i liczne wskazówki, udzielone podczas pisania niniejszej rozprawy.

prof. dr. hab. Maciejowi J. Nowakowi dziękuję za czas spędzony przy wspólnie prowadzonych badaniach, nieocenione rady oraz za chęci i gotowość do udzielenia pomocy w trakcie realizacji badań.

dr Hannie Rostkowskiej – Kowalczyk dziękuję za wspólną pracę i wsparcie w realizacji badań do przedłożonej pracy.

Dziękuję moim Rodzicom oraz Mężowi, którzy udzielili mi wszelkiej pomocy, zawsze gdy tego potrzebowałam.

Niniejszą pracę dedykuję mojemu Synkowi – Dominikowi

i

Streszczenie

Autor: mgr Anna Luchowska (z domu Hałasa) Promotor: dr hab. Leszek Łapiński

Tytuł rozprawy: "Badanie procesów fotoizomeryzacji indukowanych w cząsteczkach izolowanych przez wzbudzenie monochromatycznym światłem laserowym"

W niniejszej pracy badano równowagi konformacyjne oraz przemiany konformacyjne, indukowane w cząsteczkach 2-tiocytozyny (TC) oraz kwasów oksamowego (OA), 2-furanokarboksylowego (FA), 2-tiazolokarboksylowego (TA), glikolowego (GA) i kojowego (KA) poprzez wzbudzanie promieniowaniem z zakresu bliskiej podczerwieni (near-IR).

W badaniach wykorzystano technikę izolacji w matrycach niskotemperaturowych, a jako metodę detekcji i identyfikacji struktur konformacyjnych zastosowano spektroskopię oscylacyjną.

Dla badanych cząsteczek wyznaczono struktury, które mają najmniejszą energię wewnętrzną.

Skorzystano z tego, że dla większości tych cząsteczek stosunek populacji konformerów w fazie gazowej zostaje zachowany w matrycach niskotemperaturowych. Szczególną uwagę poświęcono ustaleniu najbardziej stabilnych form cząsteczek (FA, TA), w których grupa kwasowa (COOH) przyłączona jest w pozycji α do pierścienia heterocyklicznego. Stwierdzono, że siła oddziaływania grupy OH z heteroatomem w pierścieniu zależy nie tylko od geometrii cząsteczki, określającej wzajemne położenie tych fragmentów, lecz także od heteroatomu znajdującego się w pierścieniu (O lub N). Oddziaływanie to jest silniejsze, gdy heteroatomem w pierścieniu jest azot, zaś słabsze, gdy tym heteroatomem jest tlen.

W przeprowadzonych badaniach wykazano, że pod wpływem wzbudzenia rozpatrywanych cząsteczek światłem near-IR indukowane są przemiany konformacyjne, których produktami często są dotychczas nieobserwowane, wyższe energetycznie konformery. Dowiedziono, że wiele z tych przemian to procesy fotoodwracalne. Pokazano, że cykle przemiany danego konformeru w inny oraz przemiany zachodzącej w kierunku odwrotnym można indukować dowolną liczbę razy poprzez selektywne wzbudzanie tych form monochromatycznym światłem near-IR. Na przykładzie cząsteczki GA zademonstrowano możliwość wygenerowania więcej niż jednego fotoproduktu.

Zbadano też indukowane światłem near-IR przemiany następcze, dotyczące wyłącznie przekształcania jednego z tych fotoproduktów w drugi.

Obserwowane przemiany konformacyjne indukowano monochromatycznym światłem near-IR generowanym przy użyciu lasera półprzewodnikowego oraz lasera z OPO. Wykazano, że przemiany indukowane wiązką pochodzącą z lasera diodowego są tożsame z tymi, indukowanymi promieniowaniem generowanym w laserze z OPO. W pracy udowodniono nie tylko przydatność laserów półprzewodnikowych do indukowania przemian konformacyjnych, lecz także ich przewagę z uwagi na m.in. bardzo małą szerokość spektralną generowanej przez nie wiązki.

Zaobserwowano, że w wieloatomowych cząsteczkach (TC, KA) może zachodzić dalekozasięgowy transport energii wzbudzenia oscylacyjnego. Przemiana obserwowana w cząsteczce TC jest wynikiem przeniesienia energii z pierwotnie wzbudzonej grupy NH

do oddalonej o kilka wiązań chemicznych grupy SH. Natomiast w cząsteczce KA wykazano, że przemianę konformacyjną generuje zarówno wzbudzenie drgań grupy OH wchodzącej w skład fragmentu ulegającego obrotowi, jak też wzbudzenie drgań drugiej grupy OH, odległej o kilka wiązań chemicznych od zmieniającego orientację fragmentu CH

OH.

Dla kilku z badanych cząsteczek zaobserwowano samorzutną przemianę konformacyjną, zachodzącą na drodze tunelowania atomu wodoru. Zbadano zależność szybkości tego procesu od temperatury, rodzaju środowiska matrycowego oraz budowy fragmentu cząsteczki, w skład którego wchodzi tunelujący atom wodoru.

Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych zostały opublikowane w Journal of

Physical Chemistry A.

ii

Abstract

Author: mgr Anna Luchowska, nee Hałasa Supervisor: dr hab. Leszek Łapiński

Investigation of photoisomerization processes induced in molecules by excitations with monochromatic laser light

The investigations presented in current dissertation concern conformational equilibria and near- IR-induced conformational transformations observed for molecules of oxamic (OA), furoic (FA), thiazole-2-carboxylic (TA), glycolic (GA) and kojic (KA) acids as well as for 2-thiocytosine (TC). Matrix-isolation technique is used to trap monomeric molecules from the gas phase and infrared spectroscopy is applied for identification of the conformational structures.

As a result of the studies, carried out within the current work, the most stable conformers of the compounds listed above have been identified. This identification relies on the fact that for most of the molecules the gas-phase conformational ratio is preserved in a low-temperature environment.

Special attention is devoted to the search of the lowest-energy conformational forms of heterocyclic compounds (FA, TA) containing an acid moiety in the alpha position with respect to the heteroatom of the ring. The dependence of OH group configuration and the strength of the intramolecular hydrogen-bond-like interaction on heteroatom (O or N) in the ring has been investigated.

In particular, the interaction of the N atom of the heterocyclic ring with the OH moiety appeared to be stronger than the interaction of analogous OH group with the O heteroatom.

Current studies demonstrate that excitation of molecules with near-IR light often results in conformational transformations. In such near-IR-induced transformations, higher-energy conformational structures are generated. It was observed that many of these conformational conversions are photoreversible and can be repeatedly induced by selective excitation of each conformer with monochromatic near-IR light. In the studies on GA molecule, photogeneration of two higher-energy conformational structures has been observed. These studies revealed also a photoreversible conformational transformation involving exclusively two photogenerated structures.

In the studies presented in this dissertation, conformational conversions were induced by excitation of molecules with narrowband near-IR light emitted by a Nd:YAG laser equipped with OPO or by a tunable diode laser. The latter type of near-IR laser was used for this purpose for the first time. The same conformational transformations were observed independently of the kind of laser used as a source of monochromatic near-IR light. Hence, full applicability of tunable diode lasers for studies of conformational conversions has been successfully tested.

One of the main achievements of the studies, carried out in the current work, is the first observation of long-distance intramolecular transfer of vibrational excitation energy. Evidence of such an occurrence has been found by the studies on near-IR-induced conformational changes in molecules of TC and KA. In TC molecule, excitation of NH

group with near-IR light leads to the conformational changes within the remote SH moiety. Similarly, it has been experimentally proven that conformational change within the CH

OH fragment of the KA molecule occurs not only upon near-IR excitation of OH group belonging to this fragment, but also upon near-IR excitation of another, remote OH group.

Finally, for several investigated molecules spontaneous structural changes, occurring by tunneling of hydrogen atom, were observed. Since in these conformational conversions only one light hydrogen atom significantly changes its position, tunneling effects must play an important role. Investigations on these processes concerned their dependence on temperature, matrix environment and the configuration of moiety in which the rotating hydrogen is built in.

The results presented in this dissertation have been published in the form of articles in the

Journal of Physical Chemistry A.

iii

Struktury badanych cząsteczek.

1. Kwas oksamowy (OA)

2. Kwas 2-furanokarboksylowy (FA) 3. Kwas 2-tiazolokarboksylowy (TA)

4. Kwas glikolowy (GA)

5. 2-Tiocytozyna (TC) 6. Kwas kojowy (KA)

O O

N H

H O H

H

O

O O

S N

O H O

O O O

H

H H H

N N N

S H

H H

O O H

O

O H

iv

Lista publikacji autorki.

(Researcher ID: F-8733-2018)

1. L. Lapinski, I. Reva, H. Rostkowska, A. Halasa, R. Fausto, and M. J. Nowak

"Conformational Transformation in Squaric Acid Induced by Near-IR Laser Light"

J. Phys. Chem. A, 2013, 117 (25), 5251–5259.

2. A. Halasa, L. Lapinski, I. Reva, H. Rostkowska, R. Fausto, and M. J. Nowak

"Near-Infrared Laser-Induced Generation of Three Rare Conformers of Glycolic Acid"

J. Phys. Chem. A, 2014, 118 (30), 5626–5635.

3. A. Halasa, L. Lapinski, I. Reva, H. Rostkowska, R. Fausto, and M. J. Nowak

"Three Conformers of 2-Furoic Acid: Structure Changes Induced with Near-IR Laser Light"

J. Phys. Chem. A, 2015, 119 (6), 1037–1047.

4. A. Halasa, L. Lapinski, H. Rostkowska, I. Reva, and M. J. Nowak

"Tunable Diode Lasers as a Tool for Conformational Control: The Case of Matrix-Isolated Oxamic Acid"

J. Phys. Chem. A, 2015, 119 (11), 2203–2210.

5. A. Halasa, L. Lapinski, H. Rostkowska, and M. J. Nowak

"Intramolecular Vibrational Energy Redistribution in 2-Thiocytosine: SH Rotamerization Induced by Near-IR Selective Excitation of NH

Stretching Overtone"

J. Phys. Chem. A, 2015, 119 (35), 9262–9271.

6. A. Halasa, I. Reva, L. Lapinski, M. J. Nowak, and R. Fausto

"Conformational Changes in Thiazole-2-carboxylic Acid Selectively Induced by Excitation with Narrowband Near-IR and UV Light"

J. Phys. Chem. A, 2016, 120 (13), 2078–2088.

7. A. Halasa, I. Reva, L. Lapinski, H. Rostkowska, R. Fausto, and M. J. Nowak

"Conformers of Kojic Acid and Their Near-IR-Induced Conversions: Long-Range Intramolecular Vibrational Energy Transfer"

J. Phys. Chem. A, 2016, 120 (17), 2647–2656.

1

Spis treści.

Streszczenie ... i

Abstract……….………..ii

Struktury badanych cząsteczek..……….iii

Lista publikacji autorki………iv

Spis treści………1

1. Wstęp ... 3

1.1. Konformery i przemiany konformacyjne ... 3

1.2. Technika izolacji matrycowej ... 3

1.2.1. Spektroskopia IR ... 6

1.2.2. Efekty matrycowe w widmach IR ... 7

1.3. Przemiany konformacyjne w cząsteczkach izolowanych w matrycach niskotemperaturowych ... 8

1.3.1. Przemiany zachodzące bez dostępu światła do cząsteczek osadzonych w matrycy ... 9

1.3.2. Przemiany indukowane światłem ... 14

1.4. Wybrane przykłady indukowanych światłem near-IR zmian struktury konformacyjnej cząsteczek ... 16

1.5. Czy zawsze wzbudzenie światłem near-IR prowadzi do przemiany konformacyjnej? ... 21

2. Cele pracy doktorskiej ... 23

3. Metody eksperymentalne ... 27

3.1. Układ pomiarowy ... 27

3.1.1. Układ do osadzania matryc ... 27

3.1.2. Układ detekcyjny ... 30

3.1.3. Układ optyczno-laserowy... 31

3.2. Przebieg eksperymentu ... 32

3.3. Obliczenia teoretyczne zastosowane do interpretacji wyników doświadczalnych… ... 34

Wyniki Badań Własnych

4. Zastosowanie przestrajalnego lasera diodowego do indukowania przemian

konformacyjnych ... 36

2

4.1. Kwas oksamowy – Oxamic Acid (OA) ... 36

Podsumowanie Rozdziału 4………..45

5. Cząsteczki heterocykliczne ... 46

5.1. Kwas 2-furanokarboksylowy – Furoic Acid (FA) ... 46

5.2. Kwas 2-tiazolokarboksylowy –Thiazole-2-carboxylic Acid (TA)... 58

Podsumowanie Rozdziału 5………....66

6. Manipulowanie strukturą cząsteczki przy użyciu monochromatycznego światła z zakresu bliskiej podczerwieni ... 69

6.1. Kwas glikolowy – Glycolic Acid (GA)………..…….69

Podsumowanie Rozdziału 6……….83

7. Wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie energii wzbudzenia stanów oscylacyjnych na duże (w skali molekularnej) odległości, pomiędzy niesąsiadującymi ze sobą fragmentami cząsteczki. ... 85

7.1. 2-Tiocytozyna – 2-Thiocytosine (TC) ... 88

7.2. Kwas kojowy – Kojic Acid (KA) ... 104

Podsumowanie Rozdziału 7…………..………122

8. Samorzutne przemiany w cząsteczkach kwasu oksamowego (OA), 2-furanokarboksylowego (FA), 2-tiazolokarboksylowego (TA) oraz glikolowego (GA) ... 124

8.1. Kwas oksamowy (OA) ... 125

8.2. Kwas 2-furanokarboksylowy (FA). ... 128

8.3. Kwas 2-tiazolokarboksylowy (TA) ... 130

8.4. Kwas glikolowy (GA) ... 133

8.5. 2-Tiocytozyna (TC) ... 135

Podsumowanie Rozdziału 8………..137

Konkluzje ... 139

Materiały Uzupełniające Aneks A - Tabele dodatkowe ... 145

Aneks B - Rysunki dodatkowe ... 170

Literatura………....177

3

1. Wstęp

1.1. Konformery i przemiany konformacyjne

Konformacjami nazywamy takie konfiguracje atomów w cząsteczce chemicznej, które różnią się od siebie obrotem pojedynczych atomów lub wieloatomowych fragmentów wokół wiązania pojedynczego. Konformacje odpowiadające minimom na powierzchni energii potencjalnej cząsteczki nazywamy konformerami. Poprzez obrót atomu lub fragmentu cząsteczki wokół wiązania pojedynczego, konformery mogą ulegać wzajemnym przekształceniom zwanym przemianami konformacyjnymi. Przemiany te nie powodują zrywania ani tworzenia się wiązań chemicznych. Przy przemianach konformacyjnych nie ulega również zmianie charakter wiązań chemicznych: wiązanie pojedyncze nie zmienia się w podwójne, wiązanie podwójne nie zmienia się w pojedyncze. Przykłady prostych przemian konformacyjnych pokazano na Rys. 1.1.1.

a)

b)

Rysunek 1.1.1. Przemiany konformacyjne w cząsteczkach: kwasu kwadratowego [1] (a) oraz hydroksyacetonu [2](b).

Chemiczne i biologiczne własności wielu związków chemicznych zależą od ich struktury konformacyjnej [3-5]. Z tego względu badania podstawowe dotyczące konformacji cząsteczek i przemian konformacyjnych cieszą się szerokim zainteresowaniem [6-8].

1.2. Technika izolacji matrycowej

Jedną z metod wykorzystywanych do badania struktury konformacyjnej cząsteczek oraz przemian konformacyjnych jest technika izolacji matrycowej [9-18]. Pionierami współcześnie stosowanej metody byli Pimentel oraz Porter [19,20], którzy w 1954 r.

O O

O O

H H

O O

O O H

H

O H

O CH

H H H O

O

CH

H H

4

zaproponowali podobne koncepcje izolowania niestabilnych cząsteczek w bardzo słabo oddziałującym z nimi środowisku (stałego argonu lub stałego azotu), utrzymywanym w temperaturze kriogenicznej (Rys. 1.2.1).

Rysunek 1.2.1. Matryca utworzona z cząsteczek 2-tiocytozyny, izolowanych w środowisku zestalonego gazu szlachetnego, osadzona na podłożu spektroskopowym utrzymywanym w temperaturze 4 K. Źródło: dzięki uprzejmości Prof. dr. hab. Macieja J. Nowaka z IF PAN w Warszawie.

W początkowym okresie metodę izolacji matrycowej w badaniach spektroskopowych stosowano w niewielu grupach badawczych [19,22]. Istotnym ograniczeniem były wówczas trudności związane z osiąganiem niskiej temperatury, niezbędnej do zestalenia gazów szlachetnych lub azotu. Na rozwój metody izolacji matrycowej wpływ miało upowszechnienie dostępu do ciekłego helu. Początkowo powszechnie stosowane były urządzenia chłodzące (kriostaty), w których podłoże matrycy chłodzone było ciekłym helem wypełniającym kilkulitrowy zbiornik. W takich zalewanych ciekłym helem kriostatach (helium bath cryostats) podłoże matrycowe schładzane było do 4,2 K, a w przypadku odpompowywania gazu znad ciekłego helu do temperatury jeszcze niższej.

Następnie stosowano również kriostaty z ciągłym przepływem ciekłego helu (continuous

flow cryostats). Były to wygodne dla użytkownika, niewielkie urządzenia niezawierające

5

ruchomych części. Obecnie najczęściej używane są chłodziarki z zamkniętym obiegiem helu (closed cycle cryocoolers). Przy pomocy standardowych urządzeń tego typu można schładzać próbkę do około 8 K. Dostępne są także chłodziarki z zamkniętym obiegiem helu, które pozwalają na uzyskanie temperatury 3 - 4 K.

Najczęściej stosowana metoda przygotowania matryc niskotemperaturowych polega na powolnej kondensacji, na zimnym podłożu spektroskopowym znajdującym się w kriostacie, warstewki stałego gazu obojętnego (gospodarz), współosadzanej wraz z niewielką domieszką cząsteczek substancji badanej (gość). W trakcie eksperymentu wewnątrz kriostatu utrzymywane są warunki wysokiej próżni (10

Pa). Zestalone cząsteczki gazu wraz z izolowanymi pomiędzy nimi cząsteczkami substancji badanej tworzą matrycę, której przeciętna grubość [23-25] jest rzędu kilkuset mikrometrów [26,27].

Warunek izolacji monomerów w matrycy jest dobrze spełniony, jeśli stosunek liczby cząsteczek badanej próbki do liczby cząsteczek gospodarza jest mniejszy od 1:1000.

Ze względu na niską aktywność argonu, neonu, kryptonu czy ksenonu, gazy szlachetne stosowane są najczęściej jako obojętne środowisko matrycowe. W niektórych przypadkach użycie nieco bardziej oddziałującego środowiska stałego azotu umożliwia dokonywanie interesujących obserwacji [28]. W ostatnich latach coraz częściej zastosowanie znajdują matryce utworzone z H

[29,30], podczas gdy gazy cząsteczkowe takie jak CH

czy CO stosowane są obecnie stosunkowo rzadko.

Warunkiem zapewniającym sztywność osadzonej matrycy, niezbędną by „zatrzymać”

w niej cząsteczki gościa i nie dopuścić np. do ich agregacji, jest dobór odpowiedniej temperatury, w jakiej na zimnym podłożu wymrażane są cząsteczki gościa wraz z gazem matrycowym. Wymagana temperatura, poniżej której cząsteczki gościa nie dyfundują w środowisku matrycowym, wynosi ok. 0,3 wartości temperatury topnienia danego zestalonego gazu matrycowego. Stąd najwyższa temperatura osadzania matryc argonowych i azotowych wynosi ok. 25 K, podczas gdy temperatura napylania neonu nie powinna być wyższa niż 9 K [17]. Najczęściej jednak matryce Ar i N

napylane są na podłożu utrzymywanym w temperaturze 8 – 15 K, zaś matryce Ne osadzane są na podłożu o temperaturze 3,5 – 5,5 K.

Cząsteczki izolowane w matrycy, znajdujące się w tzw. wnęce matrycowej, nie ulegają

dyfuzji, a niska temperatura znacznie hamuje przemiany chemiczne lub wręcz całkowicie

je wstrzymuje. Umożliwia to m.in.: badanie niestabilnych cząsteczek, reakcji

fotochemicznych oraz oddziaływań między cząsteczkami znajdującymi się w tej samej

wnęce matrycy.

6 1.2.1. Spektroskopia IR

Wśród metod detekcji indywiduów chemicznych, które izolowane są w matrycach niskotemperaturowych [31-35], najczęściej stosowana jest absorpcyjna spektroskopia w podczerwieni (FTIR) [33]. Rejestracja i analiza widm IR jest powszechnie używaną metodą badania struktury konformerów i przemian konformacyjnych, zachodzących w cząsteczkach schwytanych w matrycach.

Bardzo niska temperatura próbki, typowa dla metody izolacji matrycowej, gwarantuje obsadzenie jedynie najniższych stanów oscylacyjnych podstawowego stanu elektronowego cząsteczki. Z kolei stany oscylacyjne cząsteczek, które utrzymywane są w sztywnym środowisku matrycowym, pozbawione są struktury rotacyjnej

. Pasma absorpcyjne w otrzymanych widmach IR mają więc małą szerokość połówkową (FWHM rzędu 1 – 2 cm

). Stąd rejestrowane widma izolowanych w matrycach cząsteczek są na ogół dobrze odtworzone przez widma teoretyczne przewidziane dla monomerów tych cząsteczek w fazie gazowej [21].

Spektroskopia IR dostarcza informacji o strukturze cząsteczek, a mała szerokość pasm, rejestrowanych z wysoką zdolnością rozdzielczą, pozwala zidentyfikować niemal nierozróżnialne spektralnie struktury konformacyjne. Aby spektroskopia IR mogła być stosowana, niezbędna jest przepuszczalność środowiska matrycowego dla promieniowania z zakresu podczerwieni. Gazy szlachetne nie mają drgań molekularnych, a tym samym nie absorbują promieniowania w szerokim zakresie IR - podobnie jak gazy składające się z dwuatomowych cząsteczek homojądrowych (H

, N

). Materiał, z którego wykonane jest zimne podłoże (okienko) spektroskopowe, powinien odznaczać się dobrym przewodnictwem ciepła oraz przepuszczalnością optyczną w zakresie IR. Warunki te dobrze spełniają monokryształy halogenków metali (np. jodek cezu CsI) [16] oraz rzadziej stosowany diament [48]. W niektórych układach pomiarowych matryce osadzane są na powierzchni schłodzonego bloku metalowego, wykonanego najczęściej z pokrytej złotem miedzi [32,49,50]. W takim przypadku widma IR muszą być rejestrowane metodą odbiciową.

*

Obserwowano rotacje jedynie względnie małych cząsteczek [36] jak np. H

[39-42], SH

[43] czy NH

przynajmniej częściowo, jeżeli znajdą się one w odpowiednim środowisku matrycowym [36,46,47]

(na przykład w matrycy N

).

7 1.2.2. Efekty matrycowe w widmach IR

W widmach IR cząsteczek izolowanych w środowisku zestalonych gazów ujawniają się dodatkowe efekty matrycowe. Są one spowodowane niewielkim oddziaływaniem osadzonych cząsteczek ze środowiskiem matrycowym. Stąd efekty te są charakterystyczne dla danego gazu matrycowego i mogą nieznacznie wpływać zarówno na kształt, pozycje spektralne jak i intensywność pasm absorpcyjnych. Są to:

i.) matrix shift - przesunięcie położenia pasm absorpcyjnych w widmie IR izolowanej cząsteczki, w większości przypadków w kierunku niższych liczb falowych, w stosunku do widma cząsteczki w fazie gazowej [51,52]. Jest to przejaw niewielkiego zaburzenia poziomów oscylacyjnych (początkowego i końcowego) izolowanej cząsteczki przez środowisko matrycowe. Zaburzenie stanów oscylacyjnych zależy od aktywności chemicznej gazu matrycowego.

Oddziaływanie gazów szlachetnych z izolowanymi w nich cząsteczkami, a zatem i przesunięcie spektralne, zwiększa się wraz z rozmiarem atomów danego gazu (Ne

< Ar < Kr < Xe). Z tego względu widma IR cząsteczek izolowanych w środowisku zestalonego neonu uznawane są za najlepiej odpowiadające widmom izolowanych, nieoddziałujących cząsteczek.

Rozmiar przesunięcia matrycowego zależy także od charakteru drgania, odpowiadającego danemu pasmu absorpcyjnemu IR. Mniejsze przesunięcia obserwuje się dla pasm absorpcyjnych, odpowiadających drganiom fragmentów szkieletowych oraz drganiom pierścieni w cząsteczkach cyklicznych [53,54];

przesunięcia większe są charakterystyczne dla pasm odpowiadających drganiom rozciągającym, zginającym i torsyjnym takich grup jak OH, NH czy NH

. Jednak przesunięcia spektralne pasm w widmach IR cząsteczek izolowanych w matrycach, na ogół nie przekraczają 2% wartości liczby falowej, przy której obserwowane jest dane pasmo.

ii.) matrix sites – oddziaływania ze środowiskiem matrycowym zależne są od struktury mikrootoczeń, w których ulokowane są izolowane cząsteczki. W przypadku, gdy cząsteczki „gościa” schwytane są w istotnie różniących się od siebie wnękach matrycy, obserwowane jest rozszczepienie pasma absorpcyjnego [55,56].

Zastosowanie innego gazu matrycowego pozwala wyeliminować lub zmienić

położenie tych dodatkowych pasm absorpcyjnych [57,58]. W tym celu stosuje się

8

również podniesienie temperatury matrycy o kilka stopni (tzw. przetopienie matrycy), które eliminuje mniej stabilne wnęki matrycy [57].

iii.) agregacja - cząsteczki w matrycy mogą ulegać oddziaływaniom gość-gość tworząc agregaty cząsteczkowe. Ich przejawem spektralnym jest często poszerzenie pasm przypisanych drganiom fragmentów zaangażowanych w oddziaływanie międzycząsteczkowe. Mogą się także pojawić dodatkowe pasma absorpcyjne. Jeśli celem jest otrzymanie matrycy, w której izolowane są jedynie monomery badanego związku, agregację można eliminować poprzez zmniejszenie stosunku molowego gościa i gospodarza przy osadzaniu matrycy na zimnym podłożu.

W widmach IR często obserwuje się pasma pochodzące od drgań cząsteczek H

O i CO

, które są powszechnymi i trudnymi do całkowitego wyeliminowania zanieczyszczeniami matryc niskotemperaturowych. Pasma zanieczyszczających matryce cząsteczek H

O i CO

utrudniać mogą interpretację widm badanych cząsteczek. Należy zatem dążyć do minimalizacji efektów związanych z zanieczyszczeniami matrycy. Osiąga się to przez długotrwałe odpompowywanie kriostatu przed eksperymentem oraz przez staranne przygotowanie gazu matrycowego i próbki substancji badanej.

1.3. Przemiany konformacyjne w cząsteczkach izolowanych w matrycach niskotemperaturowych

Podczas przemiany konformacyjnej geometria cząsteczki zmienia się poprzez rotację pojedynczych atomów lub wieloatomowych fragmentów wokół wiązań pojedynczych.

Pomiędzy konformerem początkowym i końcowym cząsteczka przechodzi przez

konformacje przejściowe, spośród których ta o największej energii wewnętrznej wyznacza

wysokość bariery energetycznej na przemianę konformacyjną. Aby przemiana taka zaszła

pod wpływem wzbudzenia cząsteczki światłem, niezbędne jest dostarczenie do cząsteczki

energii równej co najmniej różnicy między energią struktury odpowiadającej szczytowi

bariery a energią prekursora przemiany (Rys. 1.3.1).

9

Rysunek 1.3.1. Bariera na przemianę strukturalną przekształcającą w siebie konformery A i B.

Fotoindukowana przemiana A → B wymaga dostarczenia energii niemniejszej niż ΔE

, natomiast przemiana B → A wymaga energii równej co najmniej ΔE

.

Dla cząsteczek izolowanych w matrycach niskotemperaturowych obserwowane są przemiany konformacyjne indukowane wzbudzeniem osadzonych cząsteczek światłem w szerokim zakresie spektralnym (UV, IR). Obserwowane są również przemiany konformacyjne, które mogą zachodzić bez dostępu promieniowania do matrycy.

1.3.1. Przemiany zachodzące bez dostępu światła do cząsteczek osadzonych w matrycy

W cząsteczkach izolowanych w matrycach niskotemperaturowych przemiany konformacyjne mogą zachodzić nie tylko pod wpływem wzbudzenia światłem (IR lub UV), lecz również w warunkach, w których matryca utrzymywana jest w ciemności. Takie zmiany struktury, zachodzące w cząsteczkach odizolowanych od promieniowania ze źródła spektrometru FTIR oraz od promieniowania pochodzącego z innych źródeł, mogą być wynikiem wzbudzenia termicznego (Rys. 1.3.1.I) lub też samorzutnej przemiany konformacyjnej (Rys. 1.3.1.II), w której zasadniczą rolę odgrywa efekt tunelowania.

a) Przemiany termiczne

Jeśli możliwe jest osiąganie stanu konformacyjnej równowagi termodynamicznej,

to stosunek populacji konformerów cząsteczki, odpowiadający temperaturom

kriogenicznym, bardzo różni się od równowagowego stosunku populacji konformerów

w fazie gazowej o temperaturze pokojowej (lub wyższej). W temperaturze kriogenicznej

populacja konformeru o najmniejszej energii wewnętrznej powinna silnie dominować nad

populacjami innych, mniej stabilnych struktur. Na ogół jednak, dla cząsteczek osadzonych

10

w matrycach niskotemperaturowych (5 – 15 K), zachowany jest stosunek populacji konformerów, który odpowiada równowadze konformacyjnej w fazie gazowej

(o temperaturze pokojowej lub wyższej). Dotyczy to struktur konformacyjnych, które oddzielone są od siebie wysokimi barierami energetycznymi.

Podczas osadzania w matrycy cząsteczek, których rotamery oddzielone są stosunkowo niskimi barierami energetycznymi (rzędu kilku kJ mol

), możliwe jest zajście indukowanej termicznie przemiany konformacyjnej – tzw. „conformational cooling” [59-65]. W efekcie takiego procesu obserwowane jest przesunięcie stosunku populacji konformerów, izolowanych w matrycach niskotemperaturowych, od wartości odpowiadających równowadze w fazie gazowej (np. o temperaturze 370 K) w stronę wartości zbliżonych do równowagowego stosunku populacji konformerów w temperaturach kriogenicznych.

Z reguły podczas procesu „conformational cooling” konformery o wyższej energii ulegają przemianie w konformery o energii niższej (Rys. 1.3.1.I). Stopień zmiany stosunku populacji rotamerów zależny jest od temperatury podłoża, na którym osadzana jest matryca. Stąd przy bardzo niskiej temperaturze podłoża (np. 5 K) prawdopodobne jest zamrożenie w matrycy konformerów w stosunku populacji takim, w jakim konformery te były populowane w fazie gazowej. Gdy matryca osadzana jest na podłożu o temperaturze wyższej (np. 15 K), to wzrasta prawdopodobieństwo zmiany struktury mniej stabilnych konformerów na rzecz formy najkorzystniejszej energetycznie. Procesy typu

„conformational cooling” [59,60,62,64] obserwowano np. dla cząsteczek 1,2 butanodiolu [61], alkoholu furfurylowego [63] oraz kwasów: cyjanooctowego i metylocyjanooctowego [65].

Wykazano eksperymentalnie [61,66-71], że przemiany konformacyjne można także wywołać poprzez podniesienie temperatury już utworzonej matrycy. Z reguły w efekcie takiego procesu, nazywanego przetopieniem matrycy („annealing”), konformery o wyższej energii ulegają przemianie w konformery o energii niższej, których populacja powinna silnie dominować w temperaturze kriogenicznej (Rys. 1.3.1.I). Badania tego typu

*

Równowagowy stosunek populacji konformerów w fazie gazowej o temperaturze T określony jest rozkładem Boltzmanna:

𝑁𝑖

𝑁𝑗

= 𝑒𝑥𝑝 (−

𝑘𝑇

) , 𝑔𝑑𝑧𝑖𝑒 𝑁𝑖, 𝑁𝑗 − 𝑜𝑧𝑛𝑎𝑐𝑧𝑎 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎𝑐𝑗𝑒 𝑘𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒𝑟ó𝑤 "i" 𝑜𝑟𝑎𝑧 "j"; 𝛥𝐸𝑖𝑗 = 𝐸𝑖 −

𝐸𝑗 𝑜𝑧𝑛𝑎𝑐𝑧𝑎 𝑟óż𝑛𝑖𝑐ę 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑖 𝑘𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒𝑟ó𝑤 "i" 𝑜𝑟𝑎𝑧 "j"; 𝑘 − 𝑜𝑧𝑛𝑎𝑐𝑧𝑎 𝑠𝑡𝑎łą 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛𝑎; 𝑇 −

𝑜𝑧𝑛𝑎𝑐𝑧𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟ę.

11

procesów [58,72,73] umożliwiają wyznaczenie najbardziej stabilnej struktury konformacyjnej cząsteczki.

a) b)

Rysunek 1.3.1.I. Przemiany konformacyjne indukowane termicznie w cząsteczkach izolowanych w matrycach niskotemperaturowych: (a) przemiana w jednym kierunku B → A; (b) przemiana w dwóch kierunkach A ↔ B.

Dla większości gazów matrycowych (Ar, Ne, N

), przy standardowej temperaturze podłoża niższej niż 20 K, termicznie indukowane przemiany konformacyjne („conformational cooling”, „annealing”) zachodzą, gdy bariery energetyczne są stosunkowo niskie i wynoszą nie więcej niż kilka kJ mol

[61,65,74,75]. Stąd, w temperaturze poniżej 20 K, wysokie bariery energetyczne chronią osadzaną, a następnie zamrożoną w matrycy cząsteczkę przed wszelkimi, indukowanymi termicznie przemianami konformacyjnymi.

b.) Przemiany samorzutne

Przemiany konformacyjne dokonujące się w cząsteczkach, które izolowane są w matrycach niskotemperaturowych utrzymywanych w ciemności, mogą zachodzić również poprzez tunelowanie lekkiego atomu [76]. W większości tego typu przemian, w których konformery oddzielone są od siebie barierami energetycznymi wyższymi niż 10 kJ mol

, istotnej zmianie położenia ulega jedynie lekki atom wodoru z grupy OH [27,77- 88]. Rolę tunelowania w takich przemianach potwierdzono w badaniach przeprowadzonych dla cząsteczek kwasu mrówkowego [89] i 2-chloro-6-fluorofenolu [82].

W eksperymentach tych wykazano, że przemiana konformacyjna (polegająca na zmianie

położenia atomu wodoru) zachodzi znacznie wolniej (lub nie zachodzi w ogóle), gdy

w miejsce tunelującego atomu

H podstawiony zostanie dwukrotnie cięższy izotop

H [90].

12

Spontaniczne przemiany konformacyjne, w których dominującą rolę odgrywa tunelowanie atomu wodoru przez barierę energetyczną, mogą prowadzić do zmiany stosunku populacji konformerów dokonującej się: (i) przy osadzaniu matryc, kiedy to schładzaniu ulegają cząsteczki docierające z fazy gazowej do powierzchni matrycy; (ii) w już osadzonej matrycy. By efekt przemian typu (i) był zauważalny, muszą to być przemiany zachodzące szybko. Dotyczą one zatem konformerów rozdzielonych niskimi barierami energetycznymi

. Przemiany typu (ii) są znacznie wolniejsze i zachodzą dla konformerów rozdzielonych wyższymi barierami. Wariantem przemian typu (ii) są zmiany struktury (iii) przekształcające wysokoenergetyczny konformer, fotowygenerowany in situ w matrycy, w formę o energii niższej.

(i) Przykładu przemiany konformacyjnej, zachodzącej poprzez tunelowanie atomu wodoru i dokonującej się już w trakcie osadzania matrycy, dostarczają badania nad cząsteczką hydrochinonu, przeprowadzone przez grupę Nakaty [78].

W badaniach tych zaobserwowano, że w matrycy napylonej na podłoże o temperaturze 16 K populowany jest tylko jeden, najkorzystniejszy energetycznie rotamer hydrochinonu. Tymczasem w fazie gazowej populowane powinny być dwa konformery tego związku, oddzielone od siebie barierą o wysokości 10,8 lub 19,1 kJ mol

- w zależności od kierunku przemiany. Przy temperaturze 16 K przemiany termiczne, wiążące się z pokonywaniem (nad barierą) bariery wyższej niż 10 kJ mol

, powinny być mało prawdopodobne.

Stąd szybka przemiana konformacyjna, zachodząca przy schładzaniu cząsteczek hydrochinonu na powierzchni tworzącej się matrycy, musiała być umożliwiona przez tunelowanie przekraczającego barierę atomu wodoru.

(ii) W przypadku konformerów rozdzielonych wyższymi barierami, stosunek populacji może być (w dobrym przybliżeniu) zachowany podczas osadzania matrycy. Następnie, w już wytworzonej matrycy, powolne tunelowanie atomu wodoru (Rys. 1.3.1.II) może powodować przekształcanie się konformeru o energii wyższej w formę o energii niższej. Taki proces zaobserwowano dla cząsteczki cytozyny [85], której rotamery oddzielone są od siebie barierą

*

W przypadku przemiany konformacyjnej zachodzącej przy temperaturze kriogenicznej niższej niż 20 K, gdzie zmianie ulega położenie atomu wodoru a bariera na przemianę jest stosunkowo niska, procesy tunelowania i procesy termiczne typu „conformational cooling” mogą zachodzić jednocześnie. Proces typu

„conformational cooling” może być w takim przypadku wspomagany tunelowaniem lekkiego atomu H.

13

energetyczną o wysokości 30 kJ mol

. Wysoka bariera energetyczna na rotację grupy OH powoduje, że w cząsteczce cytozyny proces tunelowania zachodzi bardzo wolno; populacja konformeru o energii wyższej zanika przez wiele dni.

Stąd oba rotamery cytozyny zaobserwowano w świeżo napylonej matrycy, podczas gdy w cząsteczce hydrochinonu (z uwagi na niską barierę) przemiana zaszła relatywnie szybko już podczas tworzenia się matrycy.

Rysunek 1.3.1.II. Przemiana samorzutna polegająca na tunelowaniu lekkiej cząstki, atomu wodoru, przez wysoką barierę energetyczną.

(iii) Spontanicznej przemianie, zachodzącej poprzez tunelowanie atomu wodoru, mogą ulegać także konformery o wysokiej energii wygenerowane w matrycy poprzez wzbudzenie prekursora o energii niższej promieniowaniem IR lub UV [84,85]. Im mniejsza jest wysokość i szerokość bariery energetycznej oddzielającej te dwie struktury, tym szybciej zachodzi przemiana samorzutna przekształcająca fotowygenerowany konformer o energii wyższej w formę o energii niższej. W przypadku bardzo niskich barier samorzutna przemiana może zachodzić tak szybko, że przy użyciu stacjonarnych metod spektroskopowych nie udaje się zaobserwować konformeru wytworzonego pod wpływem wzbudzenia światłem IR lub UV.

Prawdopodobieństwo tunelowania maleje wykładniczo wraz z pierwiastkiem kwadratowym z masy cząstki ulegającej tunelowaniu [88,90,91]. Z tego powodu tunelowanie cząstek cięższych niż dwa atomy wodoru [92] lub atom deuteru jest zjawiskiem, które zaobserwowano dotychczas zaledwie dla kilku cząsteczek [90,93,94].

Każda z obserwowanych dotąd przemian, zachodzących poprzez tunelowanie atomu

węgla, dotyczyła struktur rozdzielonych bardzo niską barierą. We wszystkich przypadkach

struktury te różniły się od siebie jedynie niewielką zmianą położenia tunelującego atomu

węgla.

14 1.3.2. Przemiany indukowane światłem

Jedną z metod indukowania przemian konformacyjnych jest wzbudzanie cząsteczek (Rys. 1.3.2.I) promieniowaniem UV lub promieniowaniem w zakresie średniej i bliskiej podczerwoni (mid-IR, near-IR).

Rysunek 1.3.2.I. Przemiana konformacyjna indukowana promieniowaniem o energii wyższej niż bariera oddzielająca od siebie konformery.

a) Przemiany indukowane światłem UV

Wzbudzanie cząsteczek promieniowaniem UV często wywołuje zmianę struktury konformacyjnej [95-101]. Energia dostarczona do cząsteczek poprzez absorpcję kwantu promieniowania UV pozwala również na inne (niż konformacyjne) zmiany struktury cząsteczek [102]. Wzbudzenie cząsteczki światłem UV wywołuje m.in.:

 zrywanie lub tworzenie się wiązań w cząsteczce [103,104];

 przeniesienie atomu wodoru w reakcji fototautomerii typu okso-hydroksy [105,106]

czy tion-tiol [107,108];

 przeniesienie fragmentów cząsteczki (np. przeniesienie grupy OH) [109];

 obroty fragmentów cząsteczki wokół wiązań podwójnych [110,111];

 fragmentację cząsteczki [98,112].

b) Przemiany indukowane promieniowaniem IR

Promieniowanie podczerwone (IR) wzbudza cząsteczkę do wyższych niż podstawowy

poziomów oscylacyjnych. Po wzbudzeniu światłem IR cząsteczka (z nielicznymi

wyjątkami dotyczącymi układów otwartopowłokowych) pozostaje w podstawowym stanie

elektronowym. Wzbudzenie światłem IR stwarza możliwość przekroczenia progu bariery

15

energetycznej na rotację, nie powodując jednocześnie innych niż konformacyjne zmian struktury cząsteczki.

Począwszy od roku 1960 obserwowano przemiany konformacyjne indukowane naświetleniem cząsteczek szerokopasmową wiązką światła IR [70,113-115]. Pojawiające się w latach osiemdziesiątych XX wieku pierwsze wzmianki na temat możliwości wywołania przemian konformacyjnych poprzez naświetlenie cząsteczek pochodzącym ze źródła spektrometru promieniowaniem near-IR [116-119] również dotyczyły wiązki o szerokim zakresie spektralnym. Możliwości manipulowania strukturami konformacyjnymi, dostępne przy zastosowaniu takiej wiązki światła, były dość ograniczone [85,120]. Zdarzały się przypadki użycia laserów emitujących wiązkę IR w pewnych ograniczonych zakresach spektralnych [121-123], jednak brak ogólnie dostępnych laserów podczerwonych, przestrajalnych w szerokim zakresie spektralnym, hamował rozwój tych badań.

Dopiero zastosowanie przestrajalnych laserów emitujących monochromatyczne światło z zakresu near-IR, takich jak np. lasery z Optycznym Oscylatorem Parametrycznym (FWHM 1 - 4 cm

) [124-127], otworzyło nowe perspektywy badań przemian konformacyjnych. Użycie światła near-IR o wybranej długości fali umożliwia selektywne wzbudzenie tylko jednego z konformerów obecnych w matrycy. Pozwala to na manipulowanie strukturą konformacyjną cząsteczki oraz na zmienianie stosunku populacji konformerów w wybranym przez eksperymentatora kierunku. Możliwe staje się też selektywne wzbudzenie nadtonu określonego drgania w cząsteczce. Obserwacja rodzaju przemiany konformacyjnej, wywołanej przez selektywne dostarczenie energii do wybranego fragmentu cząsteczki, daje podstawę do wnioskowania na temat wewnątrzcząsteczkowej redystrybucji oscylacyjnej energii wzbudzenia.

W niniejszej pracy, w celu zmiany struktury cząsteczki, zastosowano po raz pierwszy

laser diodowy. Laser ten, przestrajalny w zakresie 7143 – 6536 cm

, emituje

promieniowanie near-IR o szerokości spektralnej 0,000033 cm

. Umożliwia to selektywne

wzbudzenie drgań poszczególnych konformerów, których pasma absorpcyjne mają bardzo

bliskie sobie pozycje spektralne. Zastosowanie lasera emitującego wąską spektralnie

wiązkę promieniowania near-IR pozwala również na selektywne wzbudzanie cząsteczek

ulokowanych w różnych mikrootoczeniach matrycowych (site selection).

16

1.4. Wybrane przykłady indukowanych światłem near-IR zmian struktury konformacyjnej cząsteczek

W przemianie konformacyjnej, indukowanej światłem near-IR, cząsteczka wzbudzana jest kwantem promieniowania o energii odpowiadającej przejściom 0 → 2 drgań rozciągających takich grup jak: OH, NH lub NH

. Również wzbudzenia drgań kombinacyjnych (np. ν

NH

+ν

NH

) wywoływać mogą przemiany konformacyjne.

Częstość wzbudzającego światła near-IR odpowiada położeniu pasma absorpcyjnego danego nadtonu (lub przejścia kombinacyjnego) w absorpcyjnym widmie w zakresie bliskiej podczerwieni (near-IR). Aby w rezultacie takiego wzbudzenia mogło dojść do przemiany konformacyjnej, energia oscylacyjna musi zostać przeniesiona od pierwotnie wzbudzonego drgania rozciągającego 2νOH, 2νNH, 2ν

NH

, 2ν

NH

lub ν

NH

+ν

NH

do drgania torsyjnego, czyli do rotacji atomu lub fragmentu cząsteczki wokół wiązania pojedynczego.

a) Obrót grupy hydroksylowej (OH)

Większość dotychczas obserwowanych przemian konformacyjnych, indukowanych przy użyciu światła near-IR, dotyczy rotacji grupy OH we fragmencie C-OH (Schemat 1.4.1). W takich przemianach pierwotnie wzbudzane jest przejście 0 → 2 dotyczące drgań rozciągających grupy OH. Energia dostarczona do cząsteczki wraz z tym wzbudzeniem pozwala na obrót grupy hydroksylowej (OH) wokół pojedynczego wiązania C–O(H).

2  ^OH

h  H O

A B

O H

A B

Schemat 1.4.1. Przemiana konformacyjna polegająca na obrocie grupy OH wokół pojedynczego wiązania C-O(H). Przemiana zachodzi pod wpływem wzbudzenia cząsteczki kwantem światła near- IR. Wzbudzane jest przejście 0 → 2 dotyczące drgań rozciągających grupy OH.

A, B są atomami należącymi do różniących się od siebie fragmentów cząsteczki.

Spośród przemian tego typu duża część dotyczy indukowanych światłem near-IR obrotów

grupy OH, wchodzącej w skład fragmentu karboksylowego (Schemat 1.4.2).

17

Schemat 1.4.2. Przemiana konformacyjna polegająca na obrocie grupy OH będącej częścią fragmentu karboksylowego. Przemiana zachodzi pod wpływem wzbudzenia cząsteczki kwantem światła near-IR. Wzbudzane jest przejście 0 → 2, dotyczące drgań rozciągających grupy OH.

R=H (kwas mrówkowy), R=CH

(kwas octowy), R=inna grupa (w różnych innych kwasach karboksylowych).

Przemiany tego typu obserwowane były dla najprostszych kwasów organicznych, takich jak kwas mrówkowy [126] i kwas octowy [87,128]. Gdy cząsteczki tych kwasów izolowane były w niskotemperaturowych matrycach argonowych, to wygenerowana pod wpływem wzbudzenia światłem near-IR forma trans przekształcała się bardzo szybko na powrót w bardziej stabilną formę cis. Użycie azotu jako gazu matrycowego powodowało stabilizację fotowytworzonego konformeru trans i znaczne wydłużenie czasu życia tej formy [129].

Podobne przemiany obserwowano także dla nieco bardziej złożonych kwasów organicznych, takich jak np. kwas glioksalowy, tetrazolooctowy czy malonowy [34, 130,131]. Jako przykłady można tu podać również indukowane światłem near- IR zmiany struktury konformacyjnej cząsteczek kwasu pirogronowego [132] i alaniny [133].

W przypadku kwasu pirogronowego dwa konformery (Tt i Tc) schwytane były w świeżo napylonej matrycy, a udział procentowy tych form w populacji całkowitej wynosił odpowiednio: 95% (Tt) oraz 5% (Tc). Konformery Tt i Tc różnią się od siebie obrotem grupy OH wokół wiązania pojedynczego C-O (Schemat 1.4.3), zaś bariera energetyczna pomiędzy odpowiadającymi im minimami na powierzchni energii potencjalnej wynosi 47/56 kJ mol

.

Schemat 1.4.3. Przemiana konformacyjna w cząsteczce kwasu pirogronowego [132].

O O H

R R

O O H h

2OH

cis trans

O O O H C H

O

O H C H

O

h

2OH

Tt (trans) Tc (cis)

18

Wzbudzenie nadtonu drgania νOH konformeru Tt spowodowało zerwanie wewnątrzcząsteczkowego oddziaływania typu wiązania wodorowego (zamykającego pierścień „pięcioczłonowy”) i rotację grupy hydroksylowej wokół wiązania C–O(H).

Selektywne wzbudzenie drgania 2νOH, przypisanego populowanemu w ten sposób rotamerowi Tc, spowodowało zmianę populacji w kierunku odwrotnym.

Analogiczną przemianę konformacyjną zaobserwowano dla cząsteczki alaniny [133]- jednego z najmniejszych α–aminokwasów (C

H

NO

). Cząsteczka ta w matrycy niskotemperaturowej przyjmuje strukturę konformeru Cc (Schemat 1.4.4). Przy pomocy światła near-IR wzbudzono drganie 2νOH, generując przemianę strukturalną w nowy, wyższy energetycznie konformer Ct. Rotamery biorące udział w tej reakcji różnią się obrotem grupy OH wokół wiązania C-O(H).

Schemat 1.4.4. Przemiana konformacyjna w cząsteczce alaniny [133].

Oprócz indukowanych światłem near-IR przemian, w których obrót grupy OH prowadzi do zmiany struktury konformacyjnej w obrębie grupy karboksylowej, zaobserwowano przemiany, w których fotoindukowany obrót grupy OH prowadzi do przekształceń konformacyjnych w cząsteczkach niezawierających grupy COOH.

Przemiany tego typu obserwowano dla cząsteczek cytozyny [134] i podobnych do niej 5- metylocytozyny oraz 5-fluorocytozyny [86] (Schemat 1.4.5).

N N O

NH

H

R

N N O

NH

R H

h 

h 

Schemat 1.4.5. Indukowane światłem near-IR przemiany konformacyjne zachodzące w cząsteczkach cytozyny (R=H), 5-metylocytozyny (R=CH

) i 5-fluorocytozyny (R=F). Przemiany zachodzą pod wpływem wzbudzenia 0 → 2 dotyczącego drgań rozciągających grupy OH.

O O N

H

C

H

H H O

O C

H

N H

H h H

2OH

Cc (cis) (trans)

Ct (trans)

(trans)

19

Podobnie dla kwasu kwadratowego [1], wzbudzenie nadtonu 2νOH powodowało przekształcenie najbardziej stabilnego konformeru o symetrii C

w wyższy energetycznie konformer o niższej symetrii C

(Schemat 1.4.6).

Schemat 1.4.6. Indukowana światłem near-IR przemiana konformacyjna zachodząca w cząsteczce kwasu kwadratowego.

Wszystkie opisane powyżej przemiany polegają na obrocie grupy OH, zachodzącym pod wpływem wzbudzenia światłem near-IR przejścia 0 → 2, dotyczącego drgań rozciągających tej samej grupy OH. W takich przemianach przekaz energii wzbudzenia oscylacyjnego zachodzić musi zatem od drgań rozciągających O-H do ruchu wzdłuż współrzędnej torsyjnej H-O-C-A (Schemat 1.4.1).

Dla kilku związków zaobserwowano, że przemiana konformacyjna polegająca na obrocie grupy OH może być indukowana nie tylko wzbudzeniem nadtonu 2νOH, lecz również wzbudzeniem światłem near-IR drgań kombinacyjnych [129,135,136].

b) Obrót wokół wiązania C-C łączącego rotujące względem siebie fragmenty cząsteczki

Niewiele jest udokumentowanych przypadków przemian konformacyjnych zachodzących w sposób inny, niż przedstawiony w Rozdziale 1.4 (a). Jednym z nich jest izomeryzacja cząsteczki hydroksyacetonu [2]. Monomery tego związku izolowane w matrycy kriogenicznej przyjmują konfigurację Cc. Wzbudzenie do nadtonu drgania νOH spowodowało przemianę tego konformeru (Schemat 1.4.7) w wyższą energetycznie strukturę Tt.

O O H

H O

O

O O H

H

O O

h

2 OH 

20

Schemat 1.4.7. Przemiana konformacyjna zachodząca w cząsteczce hydroksyacetonu [2] pod wpływem promieniowania near-IR.

W wyniku tej przemiany, oprócz rotacji pierwotnie wzbudzonej grupy OH, położenie zmieniła również grupa ciężkich atomów (CH

OH lub CH

CO) – ulegając obrotowi wokół wiązania centralnego C–C(OH). W cząsteczce hydroksyacetonu, pomimo bariery energetycznej na przemianę rzędu 5 kJ mol

, nie zaobserwowano zaniku fotowygenerowanego produktu w matrycy. Nie miały więc miejsca, w sposób zauważalny, przemiany termiczne ani samorzutne, które zachodzą powszechnie dla konformerów oddzielonych tak niską barierą energetyczną

. W hydroksyacetonie przemiana polega na zmianie położenia dużej grupy atomów (CH

OH lub CH

CO), stąd spontaniczna przemiana jest mało prawdopodobna. Co więcej, taka zmiana konfiguracji atomów wymaga dużej reorganizacji matrycy, co może prowadzić do zwiększenia bariery energetycznej na przemianę (w porównaniu z tą obliczoną dla konformerów w fazie gazowej) [135,139]. Stąd przemiany termiczne, wymagające niskiej bariery energetycznej, pomiędzy strukturami różniącymi się rotacją ciężkich fragmentów są utrudnione.

Podobną przemianę zaobserwowano w cząsteczce glicyny [140], dla której zarówno wzbudzenie światłem near-IR drgań grupy hydroksylowej 2νOH (w grupie COOH), jak i drgań grupy aminowej 2νNH

, powodowało rotameryzację ciężkiego fragmentu molekuły (COOH lub CH

NH

) wokół centralnego wiązania C–C(O) (Schemat 1.4.8).

*

Przemiany zachodzące w cząsteczkach izolowanych w matrycach utworzonych z gazów szlachetnych nie są tożsame z tymi, zachodzącymi w matrycach cząsteczkowych N

. W matrycach azotowych, w przypadku przemian polegających na obrocie grupy OH, zaobserwowano dłuższe czasy zaniku mniej stabilnych struktur [129]. Stąd możliwe jest zaobserwowanie niestabilnych konformerów [1] jak i niestabilnych fotogenerowanych rotamerów [1,124,133,137,138] izolowanych w środowisku stałego azotu. W matrycach N

hamowane są również rotacje małych cząsteczek jak woda czy amoniak. Brak jest również doniesień o zaobserwowaniu zachodzących w matrycach N

, indukowanych światłem near-IR przemian, w których przegrupowaniu ulegają większe fragmenty cząsteczek (np. COOH, CH

O H

O CH

H H H O

O CH

H H

h  2 OH 

Cc (cis) Tt (trans)

21

Schemat 1.4.8. Przemiana konformacyjna zachodząca w cząsteczce glicyny pod wpływem wzbudzenia promieniowaniem near-IR.

Przemiany konformacyjne, zachodzące wg. Schematów 1.4.7-1.4.8, są stosunkowo rzadko obserwowane [140-142]. Polegają na rotacji ciężkiego fragmentu cząsteczki (np.

hydroksymetylowego- CH

OH, aminometylowego- CH

NH

lub kwasowego- COOH) wokół wiązania C-C, znajdującego się w pozycji α w stosunku do wzbudzonej oscylacyjnie grupy

. Zatem w takich przemianach energia wzbudzenia oscylacji jest przenoszona na większą odległość w porównaniu z odległością, na jaką przenoszona jest energia w przemianach polegających na obrocie pierwotnie wzbudzonej grupy OH.

1.5. Czy zawsze wzbudzenie światłem near-IR prowadzi do przemiany konformacyjnej?

Jeśli w trakcie izomeryzacji rotacja nie wiąże się z rozerwaniem wiązania wodorowego, czy też z pokonaniem znaczącej przeszkody sterycznej, to wysokość bariery na przemianę konformacyjną nie przekracza 50 kJ mol

. Energia wzbudzenia światłem near-IR nadtonów drgania rozciągającego 2OH jest zdecydowanie wyższa - wynosi około 80 - 85 kJ mol

. Gdyby mogło zachodzić przeniesienie energii ze wzbudzonego pierwotnie

*

Epizodycznie obserwowano indukowane światłem near-IR przemiany konformacyjne, które zachodzą nie poprzez obrót wokół wiązań C-O ani C-C, ale poprzez obrót wokół wiązania N-C [143]. W przemianach tych wzbudzana grupa znajdowała się w niewielkiej odległości od tego wiązania (N-C). Pomimo długiego czasu ekspozycji cząsteczek w matrycy na wiązkę światłą wzbudzającego, rotamery ulegały bardzo powolnej przemianie w porównaniu z przemianami, polegającymi na obrotach wokół wiązań C-O i C-C.

O O H N

H H

H H

O O N

H H

H H

H

O O H N

H H

H H

h

h

22

nadtonu drgania rozciągającego 2OH do każdego innego modu, wówczas

obserwowalibyśmy wszelkie przemiany konformacyjne pomiędzy konformerami o nisko

leżących minimach energetycznych. Dotychczas przeprowadzone prace doświadczalne

jasno pokazują, że tak nie jest; niektóre zmiany konformacyjne nie zachodzą w ogóle,

chociaż energia dostarczana do cząsteczki wraz ze wzbudzeniem światłem near-IR jest

znacząco wyższa od wartości bariery energetycznej na zajście takiej fotoizomeryzacji

[139]. Mechanizmy przeniesienia energii, z nadtonu pierwotnie wzbudzanego drgania

rozciągającego do rotacji wokół jednego z wiązań pojedynczych w cząsteczce, są ciągle

słabo poznane. Choć podejmowane są próby teoretycznego opisu procesów redystrybucji

energii oscylacyjnej [144,145], obecnie dostępne metody nie pozwalają na przewidywanie

przemian strukturalnych, które zachodzić mają po selektywnym wzbudzeniu danego

nadtonu światłem near-IR.

23

2. Cele pracy doktorskiej

Eksperymentalne sprawdzenie przydatności przestrajalnego lasera diodowego do selektywnego indukowania przemian konformacyjnych.

Dotychczas badania nad przemianami konformacyjnymi, zachodzącymi pod wpływem wzbudzenia wąskopasmowym światłem near-IR, przeprowadzane były przy użyciu laserów z optycznym oscylatorem parametrycznym (OPO). Bardzo wysoki (sięgający milionów złotych) koszt takich zestawów laserowych powodował, że prowadzenie badań tego typu możliwe było jedynie w nielicznych laboratoriach. W niniejszej pracy zastosowano po raz pierwszy wielokrotnie mniej kosztowny, przestrajalny w szerokim zakresie spektralnym (1400-1500 nm), laser diodowy Toptica DL100 pro design (FWHM < 1 MHz, 40 mW). Istotną cechą tego lasera diodowego, w porównaniu do lasera z OPO, jest mała szerokość spektralna (około 0,000033 cm

) emitowanego światła near- IR. Pozwala to na selektywne wzbudzanie konformerów, których pasma absorpcyjne w zakresie near-IR położone są bardzo blisko siebie. Użycie takiego lasera diodowego otwiera drogę do prowadzenia na szeroką skalę szczegółowych badań konformacyjnych, bez angażowania dużych środków finansowych. Przydatność przestrajalnego lasera diodowego sprawdzono po raz pierwszy w niniejszej pracy, a jako modelową cząsteczkę wybrano kwas oksamowy (Rys. 2.1). Ponadto badania z użyciem tego lasera przeprowadzono także dla kwasu glikolowego, kwasu 2-furanokarboksylowego oraz 2-tiocytozyny.

Rysunek 2.1. Struktura cząsteczki kwasu oksamowego.

Ustalenie najbardziej stabilnych konformacji cząsteczek heterocyklicznych oraz wytwarzanie konformerów o większej energii wewnętrznej.

Jako jeden z celów badań prowadzonych w ramach niniejszej pracy wybrano wyznaczenie najbardziej stabilnych konformerów dwóch cząsteczek heterocyklicznych:

O N

H H

O O

H

24

kwasu 2-furanokarboksylowego i kwasu 2-tiazolokarboksylowego (Rys. 2.2), w których ugrupowanie COOH znajduje się w pozycji α względem hetoroatomu w pierścieniu.

a) b)

Rysunek 2.2. Struktura cząsteczek: (a) kwasu 2-furanokarboksylowego oraz (b) kwasu 2-tiazolokarboksylowego.

Wyznaczenie struktur o najmniejszej energii wewnętrznej umożliwić może wyciąganie wniosków na temat siły oddziaływania pomiędzy atomem wodoru H z grupy hydroksylowej a atomem O (FA) lub N (TA), znajdującym się w pierścieniu cyklicznym.

By poszerzyć wiedzę o strukturach jakie mogą przyjmować te cząsteczki, postanowiono podjąć badania nad selektywnym przetwarzaniem, przy użyciu światła near- IR, zaobserwowanych konformerów w inne formy. Celami stawianymi przed tymi działaniami eksperymentalnymi było zwiększenie populacji form o większych energiach wewnętrznych lub wręcz wytworzenie konformerów dotychczas nieobserwowanych.

Możliwości manipulowania względnymi populacjami konformerów.

Wzbudzenie światłem near-IR umożliwia indukowanie przemian konformacyjnych w cząsteczce. Poprzez wzbudzenie konformeru A światłem o częstości ν

możliwe jest przetworzenie go w konformer B. Następnie, selektywne wzbudzenie formy B światłem o częstości ν

prowadzić może do ponownego wygenerowania formy A (Schemat 2.1).

A B

h 

h 

Schemat 2.1. Zmiana populacji między dwoma izolowanymi w matrycy konformerami.

Takie odwracalne zmiany względnych populacji konformerów można przeprowadzić dowolną liczbę razy, bez spadku całkowitej populacji cząsteczki. Światło near-IR,

O O O

H

S

N

O O

H

25

w przeciwieństwie do UV, nie prowadzi bowiem do rozkładu cząsteczki. W niniejszej pracy badania tego typu przeprowadzono m.in. dla cząsteczki kwasu oksamowego (Schemat 2.2).

Schemat 2.2. Możliwe przemiany konformacyjne w cząsteczce kwasu oksamowego.

Oprócz prostego schematu, w którym wzbudzanie światłem near-IR o różnych liczbach falowych prowadzi do przetwarzania formy A w B lub do przetwarzania B w A, możliwe są bardziej złożone schematy manipulacji względnymi populacjami konformerów, dokonywanej przez selektywne wzbudzanie wąskopasmowym światłem near-IR.

Na przykład zmiany strukturalne cząsteczki mogą zachodzić według Schematu 2.3.

W takiej przemianie fotogenerowany rotamer B, po wzbudzeniu światłem o częstości ν

, może zostać przetworzony w kolejną strukturę konformacyjną C.

A ^{h }

B C

h 

h 

Schemat 2.3. Zmiana względnych populacji kilku konformerów cząsteczek izolowanych w matrycy niskotemperaturowej.

Następnie możliwe staje się manipulowanie względnymi populacjami fotowygenerowanych konformerów B i C (podobnie jak to jest przedstawione na Schemacie 2.2). W przedłożonej pracy postanowiono zbadać takie bardziej złożone, fotoindukowane przemiany konformacyjne na przykładzie cząsteczki kwasu glikolowego (Schemat 2.4).

Schemat 2.4. Przemiany konformacyjne w cząsteczce kwasu glikolowego.