Synteza i właściwości optyczne amido-kumaryn

INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK

Synteza i właściwości optyczne amido-kumaryn

mgr Łukasz Kielesiński

Monotematyczny cykl publikacji z komentarzem przedstawiony Radzie Naukowej Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w celu uzyskania stopnia naukowego doktora

nauk fizycznych

Promotor: Prof. dr hab. Daniel Tomasz Gryko Promotor pomocniczy: Dr Olaf Morawski

Warszawa 2020

Praca doktorska została wykonana w ramach projektu:

„Ferroelektryki organiczne oparte na wysoce spolaryzowanych układach kumarynowych”

realizowanego w ramach programu PRELUDIUM 13

finansowanego przez

Narodowe Centrum Nauki

Nr UMO-2017/25/N/ST5/00227

Pragnę złożyć serdeczne podziękowania mojemu Promotorowi, Profesorowi dr hab.

Danielowi Gryko za cenne uwagi przekazywane w trakcie przygotowywania niniejszej pracy, nieocenioną pomoc oraz okazaną życzliwość i wyrozumiałość.

Serdeczne podziękowania składam także mojemu Promotorowi Pomocniczemu, Dr Olafowi Morawskiemu za wprowadzenie mnie w świat spektroskopii, bezcenną pomoc podczas wykonywania pomiarów oraz opracowywania wyników, a także wyciągania właściwych wniosków.

Dziękuję również Profesorowi dr hab. Andrzejowi Sobolewskiemu za cenne wskazówki udzielane podczas przygotowywania pracy, pomoc w rozwiązywaniu różnych trudności oraz za wykonanie obliczeń teoretycznych dla badanych związków.

Chciałbym też podziękować Dr Mariuszowi Tasiorowi za opiekę naukową od mojego pierwszego dnia w Instytucie. Za wprowadzenie mnie w fascynujący świat syntezy organicznej oraz za przekazaną wiedzę. Za możliwość prowadzenia interesujących rozmów nie tylko na tematy naukowe.

Dziękuję również wszystkim koleżankom i kolegom z Zespołu X w Instytucie Chemii

Organicznej PAN oraz z Oddziału Naukowego ON 2.1 w Instytucie Fizyki PAN, którzy

często służyli mi pomocą i dobrą radą. Dziękuję za przyjazną atmosferę i mile

spędzony czas.

Pracę tę dedykuję moim Rodzicom,

Żonie Ewelinie i Córeczce Zuzi

Spis treści

1. Spis publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej 2. Spis wystąpień konferencyjnych

3. Spis publikacji nie wchodzących w skład rozprawy doktorskiej 4. Wykaz skrótów i symboli stosowanych w przewodniku

5. Streszczenie w języku polskim 6. Streszczenie w języku angielskim 7. Przewodnik po rozprawie doktorskiej

7.1. Wstęp i cel pracy 7.2. Część literaturowa

7.2.1. Charakterystyka procesów fotofizycznych zachodzących w cząsteczce

7.2.1.1. Procesy absorpcyjne i emisyjne

7.2.1.2. Wpływ rozpuszczalnika na widma absorpcyjne i emisyjne 7.2.1.3. Właściwości układów multichromoforowych

7.2.2. Synteza i właściwości kumaryn

7.2.2.1. Właściwości fotofizyczne 7- i 6-aminokumaryn 7.2.2.2. Kumaryny o π-rozszerzonym chromoforze 7.2.3. Wielochromoforowe układy poliamidowe 7.3. Wyniki własne

7.3.1. Synteza i właściwości fotofizyczne bis(kumaryno)amidów 7.3.1.1. Bis(kumaryno)amid z zawadą steryczną

7.3.1.2. Bis(kumaryno)amidy z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym oraz bis(kumaryno)ester

7.3.2. Synteza i właściwości fotofizyczne układów amido-kumarynowych składających się z większej liczby jednostek

7.3.3. Synteza i właściwości fotofizyczne π-rozszerzonego bis(benzo[g]kumaryno)amidu

8. Publikacje oryginalne

9. Oświadczenia autorów publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej 6 7 8 9 11 13 14 14 16

16 16 19 23 25 29 32 36 39 39 39

44

48

53

58

255

6

1. Spis publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej

1. Ł. Kielesiński, O. Morawski, Ł. Dobrzycki, A. L. Sobolewski, D. T. Gryko, „The coumarin-dimer spring - the struggle between charge transfer and steric interactions”

Chem. Eur. J., 2017, 23, 9174-9184. IF

=5.160

2. Ł. Kielesiński, D. T. Gryko, A. L. Sobolewski, O. W. Morawski, „Effect of conformational flexibility on photophysics of bis-coumarins” Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 14491-14503. IF

=3.567

3. Ł. Kielesiński, O. W. Morawski, A. L. Sobolewski, D. T. Gryko, „The synthesis and photophysical properties of tris-coumarins” Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 8314- 8325. IF

=3.567

4. Ł. Kielesiński, D. T. Gryko, A. L. Sobolewski, O. Morawski, „The interplay between

solvation and stacking of aromatic rings governs bright and dark sites of

benzo[g]coumarins” Chem. Eur. J., 2019, 25, 15305-15314. IF

=5.160

7

2. Spis wystąpień konferencyjnych

Wyniki opisane w niniejszej pracy zostały przedstawione w postaci prezentacji ustnych oraz posterów na następujących konferencjach oraz sympozjach:

1. XIX International Krutyń Summer School, 15-21.05.2016, Krutyń, Polska, „The synthesis and optical properties of new coumarin dimer” (poster).

2. IX PhD Symposium, 29-31.05.2017, Kazimierz Dolny, Polska, „Coumarines photophysics - still challenge in XXI century” (prezentacja ustna).

3. XVII Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry, 30.08-02.09.2017, Linz, Austria, „The coumarin-dimer spring - the struggle between chargé transfer and steric interactions” (poster).

4. X PhD Symposium, 04-06.06.2018, Białobrzegi, Polska, „Non-obvious synthesis of amido-coumarins and their photophysical properties” (prezentacja ustna).

5. XXII International Conference on Organic Synthesis, 16-21.09.2018, Florencja, Włochy, „Effect of conformational flexibility on photophysics of bis-coumarins”

(poster).

8

3. Spis publikacji nie wchodzących w skład rozprawy doktorskiej

1. Ł. Kielesiński, M. Tasior, D. T. Gryko, „Polycyclic imidazo[1,2-α]pyridine analogs - synthesis via oxidative intramolecular C-H amination and optical properties” Org.

Chem. Front., 2015, 2, 21-28. IF

=4.693

2. O. W. Morawski, Ł. Kielesiński, D. T. Gryko, A. L. Sobolewski, „Highly polarized coumarin derivatives revisited: solvent-controlled competition between proton coupled electron transfer and twisted intramolecular electron transfer” Chem. Eur. J., 2020, DOI:

10.1002/chem.20201079. IF

=5.160

9

4. Wykaz skrótów i symboli stosowanych w przewodniku

ACN AcOEt AcOH CT D-A 1,2-DCB DCE DCM DIPEA DMABN DMAP DMF EDC EDG EEDQ ESIPT Et Et

N EtOH EWG godz.

HBTU IC ICT ISC LE Me MeOH n-BuOH NMR n-PrOH

acetonitryl octan etylu kwas octowy

stan z przeniesieniem ładunku układ donorowo-akceptorowy 1,2-dichlorobenzen

1,2-dichloroetan dichlorometan

N’,N’-diizopropyloetyloamina 4-(N’,N’-dimetyloamino)benzonitryl 4-dimetyloaminopirydyna

N’,N’-dimetyloformamid

chlorowodorek N’-(3-dimetyloaminopropylo)-N’-etylokarbodiimidu podstawnik elektrono-donorowy

N-etoksykarbonylo-2-etoksy-1,2-dihydrochinolina przeniesienie protonu w stanie wzbudzonym etyl

trietyloamina etanol

podstawnik elektrono-akceptorowy godzina

heksafluorofosforan O-(benzotriazolo-1-yl)-N,N,N’,N’-tetrametylouroniowy konwersja wewnętrzna

wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie ładunku przejście interkombinacyjne

stan lokalnie wzbudzony metyl

metanol n-butanol

magnetyczny rezonans jądrowy

n-propanol

10 OLED

PhMe PyClU t-Bu temp. pok.

temp. wrz.

TFA THF TICT T

P TPM VR ε η f k

k

λ λ

λ

λ

μ μ

μ

n ν

π π*

σ σ*

S T τ

organiczne diody elektroluminescencyjne toluen

heksafluorofosforan chlorodipirolidynokarbenowy tert-butyl

temperatura pokojowa temperatura wrzenia kwas trifluorooctowy tetrahydrofuran

wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie ładunku ze skręceniem bezwodnik propylofosfonowy

mikroskopia dwufotonowa relaksacja wibracyjna

molowy współczynnik absorpcji/stała dielektryczna lepkość

siła oscylatora

stała szybkości procesów bezpromienistych stała szybkości procesów promienistych długość fali

długość fali absorpcji długość fali emisji długość fali wzbudzenia moment dipolowy

moment dipolowy w stanie wzbudzonym moment dipolowy w stanie podstawowym orbital niewiążący

zerowy stan oscylacyjny orbital wiążący pi orbital antywiążący pi orbital wiążący sigma orbital antywiążący sigma stan singletowy

stan trypletowy

czas życia fluorescencji

11

5. Streszczenie w języku polskim

Synteza i właściwości optyczne amido-kumaryn

Intensywny rozwój nowoczesnych technologii zainicjowany pod koniec XX wieku i trwający do chwili obecnej przyczynił się do znacznego wzrostu zainteresowania nowymi materiałami. Uwagę wielu badaczy przyciągają m.in. oligomery amidowe składające się z wielu jednostek chromoforów. Wynika to z możliwości formowania różnorodnych struktur odznaczających się dużym uporządkowaniem, co odgrywa istotną rolę w konstruowaniu urządzeń optoelektronicznych. Kluczowe jest również zrozumienie zależności pomiędzy budową, a właściwościami danych związków, uwzględniając przy tym oddziaływania pochodzące z otaczającego środowiska. Znajomość wspomnianych mechanizmów umożliwiłaby wytwarzanie nowych materiałów w sposób bardziej precyzyjny.

Biorąc pod uwagę powyższe zagadnienia, głównym celem mojej pracy było otrzymanie oligomerów amido-kumarynowych, a następnie zbadanie ich właściwości optycznych.

Na początku skupiłem się na otrzymaniu bis(kumaryno)amidu z zawadą steryczną wokół wiązania amidowego, której rolą było zapewnienie liniowej orientacji cząsteczki. Wykonane pomiary spektroskopowe oraz obliczenia teoretyczne jednoznacznie wskazały, że dominującą konformacją była ta, w której jednostki kumarynowe były ustawione względem siebie pod kątem blisko 74

. Otrzymane wyniki potwierdziła dodatkowo analiza rentgenostrukturalna monokryształu. Następnie otrzymałem bis(kumaryno)amidy z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym. Przeprowadzane badania wykazały, że zastosowanie wiązania wodorowego jako dodatkowego elementu usztywniającego wpływało na konformacje otrzymanych związków wymuszając ich liniowe ułożenie. Równie interesujące rezultaty uzyskałem syntezując bis(kumaryno)ester. Okazało się, że zastąpienie łącznika amidowego łącznikiem estrowym wpływało na większą labilność cząsteczki. W oparciu o zdobytą podczas syntezy powyższych cząsteczek wiedzę, przystąpiłem do otrzymania tris-amido-kumaryn.

Zarówno związek z zawadą steryczną, jak i posiadający wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe, wykazywały więcej możliwych konformacji, co było bezpośrednio związane z większą liczbą jednostek, z których zostały zbudowane. Niemniej jednak analizując wyniki eksperymentalne oraz obliczenia kwantowo-mechaniczne można stwierdzić, że w pewnym stopniu przejawiały one podobne właściwości, jak otrzymane wcześniej bis-kumaryny.

Ostatnim zadaniem, które zrealizowałem, była synteza bis(benzo[g]kumaryno)amidu.

Strukturalnie związek ten różnił się od pozostałych obecnością rozszerzonego układu

12

π-elektronowego, co wpływało na możliwe konformacje oraz właściwości optyczne. Wszystkie

zsyntezowane związki były pierwszymi przykładami układów, w których połączono ze sobą

silnie spolaryzowane jednostki kumarynowe w orientacji „głowa-do-ogona”. Przeprowadzenie

zaawansowanych pomiarów spektroskopowych oraz obliczeń teoretycznych pozwoliło na

lepsze zrozumienie zachodzących w nich procesów fotofizycznych, co w przyszłości może

zostać wykorzystane przy konstruowaniu układów elektronicznych nowej generacji.

13

6. Streszczenie w języku angielskim

Synthesis and optical properties of amido-coumarins

The intense development of modern technologies initiated at the end of 20th century and continuing today has contributed to a significant increase of interest in new materials.

Among them, amide oligomers consisting of many chromophore units attract the attention of

many researchers. This is due to the possibility of forming a variety of structures characterized

by high level of orderliness, which plays an important role in the construction of optoelectronic

devices. It is also crucial to understand the relationship between the structure and properties of

given compounds, taking into account interactions from the surrounding environment. Deeper

understanding of relationship between the structure and properties of such systems will allow

preparation of a new materials in a more conscious and precise manner. Given the above issues,

the main goal of my PhD thesis was the synthesis of amido-coumarins and studying their optical

properties. At the beginning I focused on the synthesis of bis-coumarin with steric hindrance

around the amide bond, which was to secure a linear orientation of molecule. The spectroscopic

measurements and theoretical calculations unambiguously showed, that the molecule adopts

wedge shape with the angle value around 74 degrees. The X-ray analysis confirmed these

results. Subsequently, I obtained bis-coumarins with intramolecular hydrogen bond as an

additional rigidifying element. Further studies showed that hydrogen bond between amide

hydrogen atom and oxygen atom provided a linear conformation. I obtained equally interesting

results when I synthesized bis-coumarin with ester bond. It turned out, that molecule with ester

linker possess more degrees of freedom. Using the previously developed methodology,

I synthesized a tris-amido-coumarins. Both compound with steric hindrance and compound

with intramolecular hydrogen bond adopted more conformations than previous examples, what

is related to larger number of units. Nevertheless, these molecules exhibited similar

photophysical properties like bis-coumarins. The last task was the synthesis of bis-coumarin

based on benzo[g]coumarin core. This compound possessed π-expanded electrons system,

which affected the optical properties. All synthesized compounds were the first examples, in

which highly polarized coumarin units were connected in the head-to-tail orientation. The

advanced spectroscopic measurements and theoretical calculations allowed to better understand

the photophysical processes within these systems, which can be used for the design of new

generation of electronic systems.

14

7. Przewodnik po rozprawie doktorskiej 7.1. Wstęp i cel pracy

Intensywny rozwój cywilizacyjny zapoczątkowany pod koniec XX wieku i trwający do dzisiaj, jest nieodzownie związany z wykorzystywaniem coraz to nowszych, bardziej zaawansowanych technologii. Idący za tym wzrost znaczenia nowoczesnych dziedzin, do jakich można z pewnością zaliczyć fotonikę czy szeroko rozumianą elektronikę organiczną, przyczynił się do zwiększenia zapotrzebowania na nowe materiały. Szczególne znaczenie odgrywają tu związki organiczne, a wśród nich barwniki funkcjonalne, układy multichromoforowe lub złożone układy oligomeryczne. Wysokie wartości wydajności kwantowych fluorescencji, duża termo- i fotostabilność oraz odpowiednie właściwości elektronowe, to tylko niektóre z pożądanych cech w obecnie wytwarzanych materiałach. Dzięki nim znajdują one wiele praktycznych zastosowań, począwszy od rozjaśniaczy optycznych czy barwników laserowych, poprzez sondy fluorescencyjne, barwniki stosowane w mikroskopii fluorescencyjnej, na ogniwach fotowoltaicznych kończąc. W ostatnim dwudziestoleciu nastąpił również dynamiczny wzrost zapotrzebowania na związki wykazujące zdolności do przenoszenia elektronów czy rekombinacji ładunków. Szczególną uwagę zwrócono na układy złożone z wielu jednostek chromoforów, a wśród nich na oligomery amidowe. Było to spowodowane możliwością tworzenia unikalnych struktur, pozwalających na łatwą modyfikację szkieletu poprzez wprowadzanie szerokiej gamy podstawników. Ponadto w wielu przypadkach układy te charakteryzowały się wysokim stopniem uporządkowania, mającym szczególne znaczenie podczas wytwarzania urządzeń elektronicznych.

Nie bez znaczenia pozostaje także dokładne określenie zależności pomiędzy strukturą

wytwarzanych materiałów, a ich właściwościami. Kluczową rolę odgrywa przy tym poznanie

oraz zrozumienie mechanizmów procesów fotochemicznych i fotofizycznych. Badanie

skutków oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z prostymi układami

modelowymi umożliwia pozyskiwanie wielu informacji dotyczących wielorakich efektów

spektralnych. Znajomość wspomnianych procesów skorelowana z budową danego związku

z pewnością pozwoliłaby w sposób bardziej precyzyjny i przemyślany projektować, a następnie

wytwarzać nowe materiały o ściśle określonych właściwościach, dostosowanych do danych

potrzeb. Od wielu lat chemicy regulują właściwości fotofizyczne cząsteczek aromatycznych

poprzez umieszczanie różnych podstawników. Ostatnio rozwinął się też trend polegający

na badaniu barwników bardziej złożonych, składających się z wielu chromoforów połączonych

15

„głowa-do-głowy”. Obserwuje się ogromny wpływ wzajemnej orientacji przestrzennej chromoforów na absorpcję i emisję. Praktycznie nie opisano jednak przypadków gdy dwa silnie spolaryzowane chromofory połączone są „głowa-do-ogona”. Można się spodziewać, że inna orientacja przestrzenna dipoli molekularnych doprowadzi do odmiennych oddziaływań w przestrzeni, a tym samym nowych właściwości.

W kontekście powyższych rozważań głównym celem mojej pracy była synteza oligomerów amido-kumarynowych oraz dokładne zbadanie wpływu ich struktury na właściwości optyczne. Kumaryny zostały przeze mnie wybrane jako podstawowy blok budulcowy ponieważ:

1. Są silnie spolaryzowane, a ich właściwości fotofizyczne dla różnych układów podstawników są dobrze zbadane.

2. Ich synteza jest modularna i bardzo dobrze poznana, co stwarzało nadzieję na uzyskanie odpowiednich substratów w kilku etapach.

Oczywiście pierwszym krokiem do realizacji tego celu było zaprojektowanie samych jednostek kumarynowych oraz łącznika. Kolejnym etapem była synteza. Chociaż synteza amidów, które wybrałem jako łącznik, jest dobrze opracowana, specyficzna budowa substratów mogła spowodować znaczące kłopoty preparatywne (co później okazało się prawdą).

W tego typu projekcie bardzo istotne jest zbadanie właściwości fotofizycznych.

Zamierzałem to zrobić, poprzez wykonanie odpowiednich pomiarów spektroskopowych, uwzględniając przy tym oddziaływania pomiędzy badaną cząsteczką, a stosowanym rozpuszczalnikiem, wynikające np. z różnej polarności czy lepkości. Jednak dopiero porównanie wyników uzyskanych na drodze eksperymentu z rezultatami otrzymanymi w wyniku obliczeń teoretycznych stwarzało nadzieję na pełne zrozumienie fotofizyki nowych cząsteczek. Dlatego też planowane było wykonanie obliczeń kwantowo-chemicznych zarówno w stanie podstawowym jak i wzbudzonym dla badanych związków.

Warto wspomnieć, że w literaturze nie było do tej pory opisanych przykładów, w których

bloki kumarynowe byłyby połączone w wyżej wymieniony sposób, co świadczy o unikalności

struktury zaprojektowanych związków oraz daje nadzieję, że otrzymane cząsteczki mogą

przejawiać interesujące cechy, co w przyszłości może spowodować, że zostaną wykorzystane

do konstruowania nowych układów elektronicznych.

16

7.2. Część literaturowa

7.2.1. Charakterystyka procesów fotofizycznych zachodzących w cząsteczce

Zrozumienie procesów fotofizycznych zachodzących w otaczającym nas świecie, odgrywa kluczową rolę w projektowaniu nowoczesnych materiałów. Poznanie właściwości badanych układów, wnioskowanie o ich budowie, rozmiarach czy rozmieszczeniu poszczególnych atomów, umożliwia zrozumienie mechanizmów zachodzących przemian, będących wynikiem oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z ośrodkami materialnymi. Przemiany te przejawiają charakter zarówno natury fizycznej jak i chemicznej, prowadząc często do znaczących zmian w strukturze elektronowej badanych molekuł.

7.2.1.1. Procesy absorpcyjne i emisyjne

Cząsteczki oddziałują z promieniowaniem elektromagnetycznym najczęściej w dwojaki sposób: promienisty, określany również jako radiacyjny, związany z absorpcją i emisją promieniowania, oraz bezpromienisty (bezradiacyjny). Ponadto, mogą przekształcać zaabsorbowaną energię w ciepło, wymieniać ją z innymi molekułami w wyniku zderzeń lub przekazywać cząsteczkom rozpuszczalnika. Uproszczony schemat rozmieszczenia poziomów energetycznych w cząsteczce, a także rodzaj zachodzących procesów wewnątrzcząsteczkowych, następujących po akcie absorpcji promieniowania, opisuje diagram Jabłońskiego.

Wyróżnia się w nim przejścia elektronowe między stanami o tej samej multipletowości, do których zalicza się przejścia singlet-singlet (S→S) oraz tryplet-tryplet (T→T), a także przejścia między stanami o różnej mutipletowości, a wśród nich przejścia singlet-tryplet (S→T) oraz tryplet-singlet (T→S) (Rysunek 1). Ze względu na reguły kwantowo-chemiczne przejścia S→S oraz T→T są zaliczane do przejść dozwolonych natomiast przejścia S→T i T→S są wzbronione ze względu na spin. Cząsteczka absorbując promieniowanie o określonej wartości energii ulega wzbudzeniu, przechodząc tym samym z podstawowego stanu singletowego S

do wzbudzonego stanu singletowego S

lub stanu singletowego o wyższej energii np.: S

, S

itp. Następnie może powrócić do stanu podstawowego na kilka możliwych sposobów. Znajdując się na wyższym poziomie energetycznym (S

lub S

), zgodnie z regułą Kashy,

na drodze konwersji wewnętrznej (IC,

1

A. Jabłoński, Nature, 1933, 131, 839-840.

2

M. Kasha, Discuss. Faraday Soc., 1950, 9, 14-19.

17

ang. internal conversion) będącej rodzajem przejścia bezpromienistego, może przejść na zerowy stan oscylacyjny (ν

) stanu S

. Następnie w wyniku ponownego procesu IC i następującej po nim relaksacji wibracyjnej (VR, ang. vibrational relaxation), może powrócić do stanu podstawowego S

(ν

). W przypadku realizacji tej ścieżki, nadmiar wytworzonej energii jest przekazywany do otoczenia, które mogą stanowić np. cząsteczki rozpuszczalnika.

Rysunek 1. Diagram Jabłońskiego opisujący możliwe procesy zachodzące w cząsteczce po wzbudzeniu na wyższe poziomy energetyczne. Strzałkami prostymi oznaczono przejścia promieniste,

strzałami wężykowatymi przejścia bezpromieniste.

W innym przypadku, cząsteczka znajdując się w stanie wzbudzonym (S

) może powrócić do stanu podstawowego (S

) emitując zaabsorbowaną energię w postaci fotonów.

Zjawisko to określone zostało jako fluorescencja. Zaliczane jest ono do procesów promienistych, któremu towarzyszy emisja promieniowania (Rysunek 1). Miarą intensywności fluorescencji jest wydajność kwantowa fluorescencji (Φ

) wyrażająca stosunek ilości fotonów wyemitowanych do ilości fotonów zaabsorbowanych. Jeżeli w przejściu ze stanu S

do S

uczestniczą wszystkie cząsteczki, które uprzednio zaabsorbowały promieniowanie, to wydajność procesu wynosi 100%. Należy zwrócić uwagę, że energia, która jest emitowana w postaci fluorescencji jest mniejsza niż wartość energii początkowo absorbowanej. Przekłada się

Rysunek 2. Zależności pomiędzy widmami absorpcji, fluorescencji oraz fosforescencji.

18

to bezpośrednio na położenie pasma fluorescencji na widmie, które jest przesunięte batochromowo względem pasma absorpcji (Rysunek 2). Podobny rozkład energii poziomów oscylacyjnych (S

i S

) sprawia, że widmo emisyjne stanowi niemal dokładne odbicie lustrzane widma absorpcyjnego (Rysunek 2). Różnica wynikająca z przesunięcia maksimów obu pasm dla tego samego stanu wzbudzonego stanowi tzw. przesunięcie Stokesa.

Cząsteczka znajdująca się w stanie wzbudzonym, oprócz powrotu do stanu podstawowego na drodze konwersji wewnętrznej lub fluorescencji, może również przejść do stanu trypletowego. Odbywa się to w wyniku bezpromienistego przejścia interkombinacyjnego (ISC, ang. intersystem crossing). Pomimo że przejścia S

→T

są formalnie zabronione, dla niektórych chromoforów zachodzą z bardzo wysokimi wydajnościami. Jest to zależne od różnicy energii pomiędzy poziomami wzbudzonych stanów singletowego i trypletowego. W sytuacji, kiedy różnica jest niewielka, dochodzi do nakładania się stanów energetycznych i wydajność przejścia S

→T

jest duża. Gdy różnica energii jest większa, wydajność przejścia ISC maleje. W momencie, kiedy wzbudzona cząsteczka znajduje się w stanie trypletowym, może powrócić do stanu S

w wyniku przejścia promienistego tryplet- singlet (T

→S

), wypromieniowując część nagromadzonej energii. Przejście to określa się mianem fosforescencji (Rysunek 1). Chociaż zgodnie z regułami kwantowo-chemicznymi jest ono teoretycznie zabronione, może zachodzić dzięki sprzężeniu spin-orbita. Niemniej jednak prawdopodobieństwo wystąpienia tego zjawiska jest znacznie niższe niż w przypadku przejść o tej samej multipletowości. Na uwagę zasługuje również fakt, że czas życia fosforescencji jest zdecydowanie dłuższy w porównaniu z innymi procesami (Tabela 1).

Tabela 1. Szybkości wybranych procesów fotofizycznych.

Rodzaj procesu fotofizycznego Szybkość procesu fotofizycznego [s]

absorpcja 10

relaksacja wibracyjna (VR) 10

- 10

fluorescencja 10

- 10

konwersja wewnętrzna (IC) 10

- 10

przejście interkombinacyjne (ISC) 10

- 10

fosforescencja 10

3

J. R. Albani, Structure and dynamics of macromolecules: absorption and fluorescence studies, Elsevier,

Amsterdam, 2004, 58.

19

Potwierdza to tezę, że cząsteczki długo żyjące w stanie trypletowym mogą szybciej ulegać innym procesom i w następstwie utracić swoją energię, aniżeli wykazywać fosforescencję.

Proces ten charakteryzuje się też niższą energią w porównaniu do absorpcji i fluorescencji, co przekłada się na położenie pasma fosforescencyjnego, które jest przesunięte batochromowo w stosunku do widma absorpcyjnego i emisyjnego (Rysunek 2).

7.2.1.2. Wpływ rozpuszczalnika na widma absorpcyjne i emisyjne

Wykonywanie pomiarów widm absorpcyjnych i emisyjnych w rozpuszczalnikach różniących się polarnością znacząco wpływa na położenie, kształt oraz intensywności poszczególnych pasm w widmie.

Zmiany te są wynikiem oddziaływań występujących pomiędzy cząsteczkami badanej substancji, a cząsteczkami rozpuszczalnika. Najczęściej są one związane z oddziaływaniami takimi jak jon-dipol, dipol-dipol czy dipol-dipol indukowany.

W wielu przypadkach znaczącą rolę odgrywa także możliwość tworzenia w badanym układzie wiązań wodorowych. Wymienione interakcje wpływają przede wszystkim na różnicę w energiach pomiędzy stanem podstawowym, a stanem wzbudzonym absorbujących cząsteczek.

Wpływ rozpuszczalnika na widmo danego chromoforu jest również nierozerwalnie związany z przejściami elektronowymi. Wzbudzenie elektronowe następuje w momencie, kiedy cząsteczka absorbuje promieniowanie. Dochodzi do przeniesienia elektronu z jednego orbitalu molekularnego na inny o wyższej energii. Przejściom elektronowym ulegają zarówno elektrony walencyjne (σ i π) jak i elektrony wolnych par elektronowych (n).

Rysunek 3. Rozmieszczenie poziomów energetycznych poszczególnych orbitali oraz możliwe przejścia elektronowe zachodzące w cząsteczce.

4

a) A. E. Lutskii, V. V. Prezhdo, L. I. Degtereva, V. G. Gordienko, Russ. Chem. Rev., 1982, 51, 802-817; b) C.

N. R. Rao, S. Singh, V. P. Senthilanathan, Chem. Soc. Rev., 1976, 5, 297-316.

20

Zachodzą one w cząsteczkach w obrębie orbitali wiążących (σ i π) i niewiążących (n) oraz orbitali antywiążących (σ* i π*). Wyróżnia się przejścia pomiędzy następującymi orbitalami σ→σ*, n→σ*, π→π* oraz n→π* (Rysunek 3). Wzbudzenie elektronowe występujące pomiędzy orbitalami znacząco oddalonymi od siebie np. σ→σ* wymaga zdecydowanie większego nakładu energii aniżeli przejście w obrębie sąsiadujących orbitali np. n→π*.

Z punktu widzenia badań fotofizycznych i fotochemicznych, najbardziej interesujące są przejścia π→π* oraz n→π*. Energia wymagana do wzbudzenia pokrywa się z zakresem widzialnym i nadfioletowym widma promieniowania elektromagnetycznego, co sprawia, że są one stosunkowo łatwo dostępne. Ponadto, większość związków organicznych, stanowiących główny przedmiot badań, posiada orbitale warunkujące występowanie wspomnianych wyżej przejść. Interesującym przykładem są również przejścia związane z przeniesieniem ładunku (CT, ang. charge transfer), występujące powszechnie w chromoforach z układem donorowo-akceptorowym (D-A).

W większości chromoforów organicznych najniżej leżącymi są przejścia typu π→π*.

Cząsteczki, w których te przejścia występują charakteryzują się wysokimi wartościami współczynników absorpcji, wydajności kwantowych oraz stosunkowo krótkimi czasami życia fluorescencji. Gdy w cząsteczce występuje heteroatom, wnosi on dodatkowy wkład do układu π-elektronów powodując tym samym, że przejście n→π* jest niżej położone. Znajduje to swoje odzwierciedlenie w niższych wartościach współczynników absorpcji, wydajności kwantowych czy dłuższych czasach życia fluorescencji. Opisaną powyżej sytuację można zaobserwować w przypadku chromoforów posiadających grupę karbonylową. W momencie, kiedy wzrasta polarność rozpuszczalnika, a także dochodzi do tworzenia się wiązań wodorowych (rozpuszczalnik-badana cząsteczka), energia przejścia π→π* wzrasta natomiast energia przejścia n→π* obniża się. Fluorescencja staje się intensywniejsza w rozpuszczalnikach polarnych, zaś zdecydowanie słabsza w środowisku niepolarnym.

Zwiększenie liczby π-elektronów w strukturze chromoforu prowadzi zwykle do przesunięcia pasm obecnych zarówno w widmach absorpcyjnych jak i emisyjnych.

Przesunięcie pasma w kierunku wyższych wartości energii stanowi tzw. przesunięcie hipsochromowe (określane również mianem niebieskiego). Jeżeli pasma przesuwają się w stronę niższych wartości energii, mamy do czynienia z przesunięciem batochromowym (czerwonym). W obu przypadkach zależności te są skorelowane z polarnością rozpuszczalnika.

Gdy przejście elektronowe zachodzi w chromoforze z ugrupowaniem donorowo-

akceptorowym i jest związane z przeniesieniem ładunku, powoduje to, że moment dipolowy

21

cząsteczki w stanie wzbudzonym (µ

) jest znacznie większy od momentu dipolowego w stanie podstawowym (µ

). Eksperymentalnie ustalono, że cząsteczka wykazująca znaczącą różnicę w wartości momentów dipolowych stanu podstawowego i wzbudzonego charakteryzuje się wyraźnym efektem solwatochromowym. Kiedy wartość momentu dipolowego w stanie wzbudzonym jest większa niż wartość momentu dipolowego w stanie podstawowym, to zarówno pasma absorpcyjne jak i emisyjne przesuwają się batochromowo wraz ze wzrostem polarności rozpuszczalnika. W sytuacji, kiedy µ

>µ

, obserwuje się odwrotny efekt, pasma w widmie przesunięte są hipsochromowo. Sugeruje to, że przejścia CT mogą wykazywać znaczny solwatochromizm.

Jak wspomniano na początku, wzbudzenie elektronowe danego chromoforu indukuje promocję elektronu z orbitalu o niższej energii na niezajęty orbital o energii wyższej. Gdy orbitale, w obrębie których zachodzi przejście znajdują się w pewnej odległości od siebie, towarzyszy temu natychmiastowa zmiana wartości momentu dipolowego. Jeżeli cząsteczka w swojej strukturze posiada podstawniki elektrono-donorowe (EDG, ang. electron donating group) np. grupy -NH

, -NMe

czy -OCH

, a także podstawniki elektrono-akceptorowe (EWG, ang. electron withdrawing group) jak np. -CO, -CN czy -CO

Me, wzrost wartości momentu dipolowego może być bardzo znaczący. Molekuła znajdująca się w stanie wzbudzonym, określanym również jako stan lokalnie wzbudzony (LE, ang. locally excited), po pewnym czasie osiąga stan równowagi termodynamicznej z będącymi w ciągłym ruchu cząsteczkami rozpuszczalnika. Mogą temu towarzyszyć także dodatkowe ruchy podstawników obecnych w chromoforze. Wewnętrzna rotacja takiego podstawnika może powodować skręcenie danej grupy funkcyjnej pod kątem prostym względem płaszczyzny chromoforu. Prowadzi to do stanu określanego jako skręcone wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie ładunku (TICT, ang. twisted intramolecular charge transfer). Zjawisko to zostało zaobserwowane po raz pierwszy przez Lipperta

w cząsteczce 4-(N’N’-dimetyloamino)benzonitrylu (DMABN). Badania nad tym

5

a) P. Chen, T. J. Meyer, Chem. Rev., 1998, 98, 1439-1478; b) N. S. Hush, J. R. Reimers, Chem. Rev., 2000, 100, 775-786; c) R. Foster, Organic charge-transfer complexes, Academic Press, London, New York, 1969, 62; d) S.

Dupire, J. M. Mulindabyuma, J. B. Nagy, O. B. Nagy, Tetrahedron, 1975, 31, 135-141.

6

a) B. Valeur, Molecular fluorescence - Principles and applications, Wiley-VCH, Weinheim, 2002, Chapter 7, 200; b) J. R. Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, Springer, Berlin, New York, 2006, Chapter 6; c) O. S. Wolfbeis, Fluorescence spectroscopy - New methods and applications, Springer, Berlin, 1993; d) W. Rettig, Top. Curr. Chem., 1994, 169, 253-299; e) G. van der Zwan, J. T. Hynes, J. Phys. Chem., 1985, 89, 4181-4188; f) E. M. Kosower, J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 1114-1118.

7

a) E. Lippert, W. Lüder, H. Boos, Advances in molecular spectroscopy, Pergamon Press, Oxford, 1962, 443; b)

E. Lippert, W. Rettig, V. Bonačič-Koutecký, F. Heisel, J. A. Miehé, Adv. Chem. Phys., 1987, 68, 1-174.

22

zagadnieniem były prowadzone również przez Grabowskiego i współpracowników.

Cząsteczka DMABN w stanie podstawowym jest niemal płaska, co odpowiada prawie równoległemu ułożeniu podstawników usytuowanych na obu końcach pierścienia fenylowego.

Prowadzi to do całkowitego sprzężenia pomiędzy grupą dimetyloaminową, a pozostałym fragmentem cząsteczki. Zgodnie z zasadą Francka-Condona,

cząsteczka w stanie LE jest płaska, jednak rotacja grupy -NMe

sprawia, że ustawia się ona prostopadle w efekcie czego osiągnięty zostaje stan TICT (Rysunek 4).

Rysunek 4. Model obrazujący konformacje cząsteczki z układem donorowo-akceptorowym w stanie LE oraz stanie TICT z pełną separacją ładunków.

W środowisku polarnym jest on dodatkowo stabilizowany, co skutkuje całkowitym rozdziałem ładunku pomiędzy grupą dimetyloaminową, a fragmentem cyjanofenylowym (Rysunek 4).

Interesujący efekt można również zaobserwować w widmie emisyjnym DMABN.

W rozpuszczalnikach niepolarnych obecne jest pojedyncze pasmo (Rysunek 5b). Emisja następuje z lokalnie wzbudzonego stanu S

(Rysunek 5a). W rozpuszczalnikach polarnych, oprócz pasma odpowiadającego emisji ze stanu LE, pojawia się również drugie pasmo.

Rysunek 5. a) Wykres energii potencjalnej oraz b) widma fluorescencji w heksanie (linia ciągła) i THF (linia przerywana) cząsteczki DMABN.

8

a) K. Rotkiewicz, K. H. Grellmann, Z. R. Grabowski, Chem. Phys. Lett., 1973, 19, 315-318; b) Z. R. Grabowski, K. Rotkiewicz, W. Rettig, Chem. Rev., 2003, 103, 3899-4032.

9

a) J. Franck, E. G. Dymond, Trans. Faraday Soc., 1926, 21, 536-542; b) E. Condon, Phys. Rev., 1926, 27, 640.

10

a) L. Serrano-Andrés, M. Merchán, B. O. Roos, R. Lindh, J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 3189-3204; b) A. B. J.

Parusel, W. Rettig, W. Sudholt, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 804-815.

23

Jego obecność związana jest z występowaniem stanu TICT, z którego następuje emisja promieniowania (Rysunek 5b). Pasmo to charakteryzuje się dużą intensywnością oraz znacznym przesunięciem batochromowym, wzrastającym wraz z polarnością rozpuszczalnika.

Zjawisko TICT-u jest obserwowane w wielu cząsteczkach z ugrupowaniem donorowo- akceptorowym, w których grupy donorowe mają możliwość swobodnej rotacji.

7.2.1.3. Właściwości układów multichromoforowych

Chromoforami mogą być atomy, jony, grupy funkcyjne, a nawet cząsteczki związków organicznych, w których zachodzą przejścia elektronowe warunkujące powstawanie pasm widmowych. Interakcje występujące pomiędzy wieloma chromoforami, obecnymi np. w obrębie pojedynczej cząsteczki, mogą prowadzić do różnych zjawisk, jak choćby zmiany charakteru widm czy intensywności poszczególnych pasm.

W większości przypadków są uzależnione od geometrii oraz konformacji samych chromoforów, a także od struktury poszczególnych poziomów energetycznych. Opierają się głównie na ruchach elektronów będących wynikiem absorpcji promieniowania elektromagnetycznego. Energia, która ulega zaabsorbowaniu umożliwia przeniesienie elektronów ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Wzajemne oddziaływanie chromoforów powoduje separację orbitali charakteryzujących się początkowo tą samą wartością energii. Dodatkowo, proces ten jest sprzężony z przemieszczaniem się elektronów. Teoretyczne podstawy zjawiska zostały zaproponowane przez Kuhna,

a następnie rozwinięte przez Förstera.

Rozdzielenie dwóch przejść elektronowych o identycznej wartości energii powoduje powstanie dwóch nowych:

przejścia przy krótszej długości fali, charakteryzującego się większą wartością energii (przejście β), oraz przejścia przy większej długości fali, charakteryzującego się mniejszą wartością energii (przejście α) (Rysunek 6a). W większości przypadków dozwolone jest tylko jedno z przejść elektronowych, które odpowiada niezerowej wartości momentu przejścia.

Na tej podstawie można rozróżnić dwa przypadki. Pierwszy, w którym momenty przejścia są zorientowane jeden nad drugim (Rysunek 6b-część dolna), do którego można zaliczyć przejście β, oraz drugi, w którym momenty przejścia są przesunięte względem siebie, co sprawia, że elektrony są bardziej oddalone (Rysunek 6b-część górna). Drugiej sytuacji

11

H. Langhals, Adv. Color Sci. Technol., 2002, 5, 122-124.

12

a) M. R. Philpott, Adv. Chem. Phys., 1973, 23, 227-341; b) E. G. McRae, Aust. J. Chem., 1961, 14, 354-371; c) M. R. Philpott, J. W. Lee, J. Chem. Phys., 1972, 57, 2026-2033.

13

W. Kuhn, Trans. Faraday Soc., 1930, 26, 293-308.

14

M. Kasha, H. R. Rawls, M. A. El-Bayoumi, Pure Appl. Chem., 1965, 11, 371-392.

24

odpowiada przejście α charakteryzujące się niższą wartością energii. Zmienne położenie chromoforów względem siebie wpływa na wartości kąta θ będącego wynikiem zmiany orientacji momentów przejścia.

Rysunek 6. a) Schemat obrazujący możliwe przejścia elektronowe oraz b) możliwe orientacje momentów przejścia.

Wartość kąta θ zawierająca się w przedziale od 0 do 90° sprawia, że uprzywilejowane staje się przejście β. W widmie spektroskopowym pasmo absorpcyjne jest przesunięte hipsochromowo.

W sytuacji, kiedy kąt θ mieści się w zakresie 90°-180° sprzyja to przejściu α, co powoduje batochromowe przesunięcie pasma absorpcyjnego.

Chromofory mogą wykazywać tendencję do tworzenia agregatów.

Wyróżnia się ich dwa podstawowe typy: układ z przesuniętymi względem siebie chromoforami oraz batochromowo przesuniętym pasmem absorpcyjnym, określany mianem agregatów J,

oraz układ z chromoforami ułożonymi w postaci stosów, wykazującymi hipsochromowe pasmo absorpcyjne, określany jako agregaty H. Dla obu układów (J i H) obserwuje się wyraźne różnice w widmach emisyjnych. W przypadku agregatów H brak jest fluorescencji ze względu na zerową wartość momentu przejścia. Fluorescencja chromoforów tworzących agregaty J jest dozwolona.

Na szczególną uwagę zasługują π-rozszerzone układy multichromoforowe.

Rozbudowanie chromoforu sprawia, że zwiększają się jego zdolności absorpcyjne, co przekłada się na właściwości optyczne danego związku. Dzięki możliwości zmiany struktury cząsteczki możliwe jest kontrolowanie ilości absorbowanego światła. Można to zaobserwować w przypadku obecności podstawników alifatycznych lub aromatycznych.

Chromofory z grupami arylowymi charakteryzują się większymi wartościami molowego

15

G. Scheibe, Angew. Chem., 1936, 49, 563.

16

E. Jelley, Nature, 1936, 138, 1009-1010.

25

współczynnika absorpcji (ε), będącego miarą ilości pochłanianego promieniowania, w porównaniu z chromoforami z podstawnikami alifatycznymi, co związane jest z obecnością dodatkowego układu π-elektronowego.

Rozszerzenie chromoforu wpływa również na wartości siły oscylatora (f). Ponadto, zmiana geometrii danej molekuły powoduje, że chromofory występujące w postaci agregatów typu H wykazują mniejszą wartość ε, a niżeli agregaty typu J. Wymienione cechy sprawiają, że układy wielochromoforowe z π- rozszerzonymi podstawnikami są coraz częściej wykorzystywane jako systemy antenowe. Poza obiecującymi właściwościami optycznymi, wynika to z ich trwałości, a także występowania pojedynczych przejść elektronowych, co przekłada się na otrzymywanie prostszych w interpretacji widm spektroskopowych.

Wiele barwników organicznych, przy odpowiednio wysokich stężeniach roztworu, może również występować w postaci złożonych agregatów. Umożliwiają to oddziaływania o charakterze niekowalencyjnym, występujące pomiędzy poszczególnymi molekułami.

Cząsteczki barwników o płaskich strukturach na ogół nakładają się na siebie tworząc charakterystyczne stosy. W większości przypadków nie jest to jednak dokładnie równoległe ułożenie. Poszczególne jednostki często są względem siebie przesunięte, a nawet skręcone.

W zależności od wielkości przesunięcia mogą przejawiać cechy charakterystyczne dla opisanych powyżej agregatów H lub J, wykazywać odpowiednio hipsochromowo przesuniętą absorpcję oraz brak lub bardzo słabą fluorescencję, lub dozwoloną emisję i batochromowo przesunięte pasmo absorpcyjne.

W niektórych przypadkach można wpływać na tworzenie agregatów poprzez rodzaj stosowanego rozpuszczalnika oraz kontrolowanie stężenia roztworu.

7.2.2. Synteza i właściwości kumaryn

Kumaryny stanowią bardzo liczną oraz szeroko rozpowszechnioną w królestwie roślin

grupę naturalnych związków organicznych. Zbudowane są z dwóch skondensowanych ze sobą pierścieni, benzenowego oraz piranowego, posiadającego w pozycji 2 funkcję karbonylową (Rysunek 7). Obecność dodatkowego wiązania podwójnego C=C w pozycji 3-4 wpływa na ich zwiększoną fotostabilność, a także przyczynia się do wzmocnienia fluorescencji. Struktura

17

H. Langhals, Chem. Phys. Lett., 1988, 150, 321-324.

18

W. E. Ford, J. Photochem., 1987, 37, 189-204.

19

a) A. Eisfeld, J. S. Briggs, Chem. Phys., 2002, 281, 61-70; b) E. W. Knapp, Chem. Phys., 1984, 85, 73-82.

20

J. B. Harborne, Plant, Cell Environ., 1982, 5, 435-436.

26

kumaryn sprawia, że mogą być one dość łatwo modyfikowane poprzez wprowadzanie dodatkowych ugrupowań, co czyni je znacznie bardziej atrakcyjnymi z punktu widzenia ich potencjalnych zastosowań. W większości przypadków wprowadzenie grup funkcyjnych następuje w pozycjach 3 i 4 oraz 6 i 7 (Rysunek 7).

Rysunek 7. Struktura kumaryny i schemat numeracji atomów.

Interesujące jest, że prawie wszystkie naturalnie występujące kumaryny nie posiadają żadnego podstawnika w pozycji 7,

zaś w przypadku związków otrzymanych na drodze syntetycznej, pożądana jest obecność dodatkowych ugrupowań w tej pozycji np. w postaci funkcji aminowych lub hydroksylowych.

Olbrzymia powszechność kumaryn w połączeniu ze stosunkowo prostą budową sprawiła, że zainteresowanie tymi związkami w ciągu ostatnich dekad znacząco wzrosło.

Przyczyniło się do tego opracowanie wielu wydajnych metod syntezy, w wyniku których stały się one łatwiej dostępne. Kumaryny dzięki swojej aktywności biologicznej są ważnym elementem strukturalnym wielu leków o szerokim spektrum działania, wykazujących m.in.

właściwości przeciwzapalne,

przeciwzakrzepowe,

przeciwgrzybicze,

przeciwnowotworowe

czy przeciwwirusowe.

Ponadto udowodniono, że aminokumaryny obecne w wielu antybiotykach mogą być stosowane w leczeniu zakażeń spowodowanych bakteriami,

w tym wielopostaciowymi bakteriami Gram-dodatnimi.

Oprócz obecności w środkach o działaniu farmakologicznym, pochodne kumaryn zastosowano również jako

21

F. M. Dean, Naturally occurring coumarins. Progress in the chemistry of organic natural products, Springer, Vienna, 1952, 226-286.

22

a) A. Sharma, Chapter 6 - Anti-inflammatory agents. Advances in structure and activity relationship of coumarin derivatives, Academic Press, Boston, 2016, 119-136; b) J. Grover, S. M. Jachak, RSC Adv., 2015, 5, 38892-38905.

23

G. Satish, Chapter 8 - Anticoagulant agents. Advances in structure and activity relationship of coumarin derivatives, Academic Press, Boston, 2016, 151-159.

24

M. K. Kathiravan, A. B. Salake, A. S. Chothe, P. B. Dudhe, R. P. Watode, M. S. Mukta, S. Gadhwe, Bioorg.

Med. Chem., 2012, 20, 5678-5698.

25

S. Emami, S. Dadashpour, Eur. J. Med. Chem., 2015, 102, 611-630.

26

a) M. Z. Hassan, H. Osman, M. A. Ali, M. J. Ahsan, Eur. J. Med. Chem., 2016, 123, 236-255; b) D. Yu, M.

Suzuki, L. Xie, S. L. Morris-Natschke, K.-H. Lee, Med. Res. Rev., 2003, 23, 322-345; c) I. Kostova, Curr. HIV Res., 2006, 4, 347-363; d) P. Wadhwa, J. Priti, R. Santosh, R. A. J. Hemant, Curr. Drug Discovery Technol., 2018, 15, 2-19.

27

X.-M. Peng, G. L. V. Damu, C.-H. Zhou, Curr. Pharm. Design, 2013, 19, 3884-3930.

28

R. H. Flatman, A. Eustaquio, S.-M. Li, L. Heide, A. Maxwell, Antimicrob. Agents Chemother., 2006, 50, 1136-

1142.

27

dodatki do żywności

i kosmetyków,

a także jako stabilizatory zapachu

oraz składniki aktywne w pestycydach.

Rozwój metodologii syntetycznej umożliwił otrzymanie nowych chromoforów wykorzystujących szkielet kumarynowy. Związki te dzięki ulepszonym właściwościom optoelektronicznym znalazły szerokie zastosowanie m.in. jako nowe dwufotonowe materiały fluorescencyjne,

organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED, ang. organic light-emitting diode)

czy organiczne ogniwa słoneczne (ang. organic solar cells).

W ostatnich latach kumaryny zaczęto także coraz częściej wykorzystywać w roli chemosensorów fluorescencyjnych.

Historia kumaryn sięga początków XIX wieku. Związek ten po raz pierwszy został wyizolowany z nasion fasoli należącej do rodziny bobowatych. Dokonali tego niezależnie od siebie Vogel

i Guibourt

w 1820 roku. Synteza pochodnych kumaryny w wielu przypadkach wykorzystuje związki należące do grupy fenoli oraz salicyloaldehydów.

Większość szlaków syntetycznych opiera się na bezpośrednim podstawieniu elektrofilowym fenolu lub kondensacji aldehydu z odpowiednio podstawionym estrem. Pierwszą syntetyczną kumarynę otrzymał w 1868 roku Perkin.

Przeprowadził on reakcję aldehydu salicylowego (1) z bezwodnikiem octowym (2) w obecności bezwodnego octanu sodu (Schemat 1).

Schemat 1. Synteza kumaryny (4) z aldehydu salicylowego (1) i bezwodnika octowego (2) metodą Perkina.

29

Y.-H Wang, B. Avula, N. P. D. Nanayakkara, J. Zhao, I. A. Khan, J. Agric. Food Chem., 2013, 61, 4470-4476.

30

C. Stiefel, T. Schubert, G. E. Morlock, ACS Omega, 2017, 2, 5242-5250.

31

a) W. M. N. H. W. Salleh, F. Ahmad, J. Appl. Pharm. Sci., 2017, 7, 204-218; b) V. Decottignies, G. Filippi, A.

Bruchet, Water Sci. Technol., 2007, 55, 359-364.

32

L. Crombie, In rotenoid and coumarin insectides, Gordon and Breach, 1972, 101-118.

33

A. Fischer, C. Cremer, E. H. K. Stelzer, Appl. Opt., 1995, 34, 1989-2003.

34

a) S. A. Swanson, G. M. Wallraff, J. P. Chen, W. Zhang, L. D. Bozano, K. R. Carter, J. R. Salem, R. Villa, J. C.

Scott, Chem. Mater., 2003, 15, 2305-2312; b) J.-X. Chen, W. Liu, C.-J. Zheng, K. Wang, K. Liang, Y.-Z. Shi, X.- M. Ou, X.-H. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 8848-8854; c) A. Genco, A. Ridolfo, S. Savasta, S.

Patané, G. Gigli, M. Mazzeo, Adv. Opt. Mater., 2018, 6, 1800364.

35

a) Z. S. Wang, Y. Cui, K. Hara, Y. Dan-oh, C. Kasada, A. Shinpo, Adv. Mater., 2007, 19, 1138-1141; b) K.

Hara, T. Sato R. Katoh, A. Furube, Y. Ohga, A. Shinpo, S. Suga, K. Sayama, H. Sugihara, H. Arakawa, J. Phys.

Chem., B, 2003, 107, 597-606.

36

D. Cao, Z. Liu, P. Verwilst, S. Koo, P. Jangjili, J. S. Kim, W. Lin, Chem. Rev., 2019, 119, 10403-10519.

37

A. Vogel, Ann. Phys., 1820, 64, 161-166.

38

N. J. B. G. Guibourt, In histoire abrégée des drogues simples, Méquignon-Mavis, Paris, 1820, 160-161.

39

W. H. Perkin, J. Chem. Soc., 1868, 21, 53-63.

28

Reakcja przebiegała z wytworzeniem produktu pośredniego w postaci soli kwasu o-hydroksycynamonowego (3), który następnie ulegał spontanicznej cyklizacji do pierścienia

laktonowego kumaryny (4). Metoda ta posiadała jednak pewne ograniczenia, do których należy zaliczyć stosunkowo niską wydajność oraz brak możliwości otrzymywania kumaryn podstawionych w pierścieniu piranowym. Kilka lat później inną metodę zaprezentował Pechmann.

Przeprowadził on reakcję, w której mieszaninę rezorcyny (5) i kwasu hydroksybursztynowego (jabłkowego) (6) ogrzewał w obecności stężonego kwasu siarkowego (VI), jako produkt otrzymując 7-hydroksykumarynę (7) (Schemat 2).

Schemat 2. Otrzymywanie 7-hydroksykumaryny (7) według procedury Pechmanna.

Podobnie jak w przypadku kondensacji Perkina, metoda ta pozwalała na syntezę kumaryn nie posiadających podstawników w pierścieniu piranowym. Ponadto ograniczała się do użycia jako substratów wyłącznie kilku pochodnych fenolu. Na otrzymywanie zdecydowanie lepszych rezultatów pozwalała reakcja opracowana wspólnie przez Pechmanna i Duisberga.

Dowiedli oni, że fenole 8 mogą ulegać kondensacji z acetylooctanem etylu (9) w środowisku kwasu siarkowego (VI), prowadząc do uzyskania odpowiednio podstawionej kumaryny 10 (Schemat 3).

Schemat 3. Synteza kumaryny 10 poprzez kondensację fenoli (8) z acetylooctanem etylu (9).

Z mechanistycznego punktu widzenia reakcja tworzenia pierścienia piranowego obejmowała transestryfikację, następnie substytucję elektrofilową, oraz proces dehydratacji prowadzący do produktu końcowego. Kilkanaście lat po zaprezentowaniu reakcji syntezy kumaryn przez Pechmanna i Duisberga, niezwykle użyteczną metodę opisał Knoevenagel.

Na początku

40

H. Pechmann, Ber., 1884, 17, 929-936.

41

H. Pechmann, C. Duisberg, Ber., 1883, 16, 2119-2128.

42

E. Knoevenagel, Ber., 1898, 31, 2585-2596.

29

przeprowadził reakcję aldehydu salicylowego (1) z kwasem malonowym (11) otrzymując kumarynę 12 z grupą karboksylową w pozycji 3 (Schemat 4). W odróżnieniu od swoich poprzedników jako katalizator potrzebny do wygenerowania karboanionu zastosował pirydynę.

Schemat 4. Synteza kumaryny 12 poprzez kondensację Knoevenagela.

Reakcja przebiegała poprzez wewnątrzcząsteczkową cyklizację w środowisku zasadowym, w której brała udział aktywna grupa metylenowa pochodzącą z kwasu malonowego.

Kondensacja zaproponowana przez Knoevenagela pozwalała na wykorzystywanie szerokiej gamy substratów. Możliwość stosowania orto-hydroksyaldehydów z dowolnymi grupami funkcyjnymi, jak również wielu pochodnych malonianu dietylu czy acetylooctanu etylu, umożliwiała otrzymywanie kumaryn podstawionych zarówno w pierścieniu benzenowym jak i piranowym, których synteza była wcześniej praktycznie nieosiągalna. W roli katalizatorów świetnie sprawdzały się również takie zasady jak piperydyna czy pirolidyna. Szeroki zakres stosowalności powyższej metody sprawił, że stała się ona znacznie bardziej popularna niż wspomniane wcześniej reakcje i jest do dzisiaj powszechnie wykorzystywana w syntezie.

Pomimo tego, że synteza większości pochodnych kumaryn przebiega klasycznymi szlakami, w tym poprzez kondensację Knoevenagela,

ciągle rosnące zainteresowanie tymi związkami spowodowało opracowanie zupełnie nowych ścieżek syntetycznych. Można do nich zaliczyć reakcje cyklizacji katalizowane metalami,

czy reakcje prowadzone z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego.

7.2.2.1. Właściwości fotofizyczne 7- i 6-aminokumaryn

Rozwój metod syntetycznych prowadzących do otrzymywania nowych, coraz bardziej złożonych pochodnych kumaryn wynika z ich interesujących właściwości fotofizycznych.

Pomimo, że niepodstawiona kumaryna charakteryzuje się bardzo słabą lub wręcz niemierzalną

43

M. A. Salem, M. H. Helal, M. A. Gouda, Y. A Ammar, M. S. A. El-Gaby, S. Y. Abbas, Synth. Commun., 2018, 48, 1534-1550.

44

a) Priyanka, R. K. Sharma, D. Katiyar, Synthesis 2016, 48, 2303-2322; b) J.-W. Jung, N.-J. Kim, H. Yun, Y. T.

Han, Molecules 2018, 23, 2417.

45

K. Bahittin, M. Emre, Curr. Microwave Chem., 2019, 5, 162-178.

30

fluorescencją, wbudowanie w jej strukturę odpowiednich podstawników sprawia, że zaczyna wykazywać emisję w zakresie światła widzialnego. Dzieje się tak, ponieważ zmienia się charakter najniższego wzbudzonego stanu singletowego S

z nπ* na ππ*.

Ponadto, związane jest to również z rozmieszczeniem momentów przejścia w szkielecie kumaryny (Rysunek 8).

Dozwolone przejście, oznaczone jako

L

, pokrywa się z kierunkiem osi przecinającej wiązania pomiędzy atomami węgla C

-C

oraz C

-C

cząsteczki. Dzięki temu obecność podstawników elektrono-akceptorowych oraz elektrono-donorowych, odpowiednio w pozycjach 3 i 7, zwiększa wydajność fluorescencji oraz wpływa na położenie pasm w widmie.

Rysunek 8. Dozwolone kierunki momentów przejścia występujące w cząsteczce kumaryny.

Wykazał to już pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku Wheelock,

który zauważył batochromowe przesunięcie absorpcji, a także emisji. Jones wraz ze współpracownikami badał z kolei wpływ polarności rozpuszczalników na charakter widm spektroskopowych kumaryn.

Zaobserwował m.in., że zwiększenie polarności rozpuszczalnika powodowało przesunięcie widma absorpcyjnego oraz emisyjnego ku niższym wartościom energii, prowadząc często do poszerzenia pasma fluorescencyjnego, co mogło być wynikiem tworzenia się wiązań wodorowych.

Przekładało się to również na wartość momentu dipolowego badanej cząsteczki, który był większy w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym.

Interesującą grupą kumaryn, ze względu na swoją przydatność w wielu dziedzinach, są aminokumaryny. Stanowią one przykład klasycznego układu donorowo-akceptorowego, którego właściwości fotofizyczne zależą bezpośrednio od położenia grupy aminowej w cząsteczce, sposobu jej podstawienia (podstawienie dwoma atomami wodoru lub jedną bądź dwoma grupami alifatycznymi) oraz usytuowania grupy karbonylowej. W większości przypadków, kumaryny posiadające grupę aminową w pozycji 7 w środowisku niepolarnym lub o umiarkowanej polarności charakteryzują się niewielkimi wartościami przesunięcia

46

J. S. Séixas de Melo, R. S. Becker, A. L. Maꞔanita, J. Phys. Chem., 1994, 98, 6054-6058.

47

C. E. Wheelock, J. Am. Chem. Soc., 1959, 81, 1348-1352.

48

G. Jones II, W. R. Jackson, Ch. Y. Choi, W. R. Bergmark, J. Phys. Chem., 1985, 89, 294-300.

49

V. K. Sharma, P. D. Saharo, N. Sharma, R. C. Rastogi, S. K. Ghoshal, D. Mohan, Spectrochim. Acta, Part A:

Mol. Biomol. Spectrosc., 2003, 59, 1161-1170.

31

Stokesa, wysokimi wartościami wydajności kwantowych oraz czasów życia fluorescencji (Tabela 2). Odwrotną sytuację obserwuje się w rozpuszczalnikach polarnych, gdzie dochodzi do spadku wartości wydajności kwantowych. Takie zachowanie jest spowodowane powstaniem nieemisyjnego skręconego wewnątrzcząsteczkowego stanu związanego z przeniesieniem ładunku.

Tabela 2. Podstawowe właściwości fotofizyczne estru etylowego 7-dietyloaminokumaryny.

Rozpuszczalnik λ

[nm] λ

[nm] Φ

n-heksan 402 411 0.46

AcOEt 408 447 0.72

MeOH 418 465 0.019

H

O 429 476 0.0072

Stan TICT, dominujący w wysoce polarnym środowisku, w przypadku związków z grupami EDG i EWG, a do takich zalicza się aminokumaryny, powoduje, że cząsteczka powraca do swojego stanu podstawowego na drodze szybkiego procesu bezpromienistego.

Strukturalnie nieznacznie różniącą się grupą, w porównaniu z 7-aminokumarynami, są 6-aminokumaryny. Niewielka różnica wynikająca z innego położenia grupy funkcyjnej powoduje jednak istotne zmiany we właściwościach fotofizycznych.

Obecność podstawnika aminowego w pozycji 6 zmienia rozkład gęstości elektronowej w obrębie pierścienia benzenowego. Ponadto sprawia, że grupy elektrono-donorowe oraz elektrono-akceptorowe są rozmieszczone wzdłuż tej samej osi molekularnej. 6-Aminokumaryny posiadają pomarańczową fluorescencję, która jest znacznie bardziej przesunięta batochromowo względem pochodnych z grupą aminową w pozycji 7. Sprawia to, że charakteryzują się one większymi wartościami przesunięcia Stokesa. Wydajności kwantowe fluorescencji są zdecydowanie niższe, co znajduje swoje odzwierciedlenie w wartościach stałych szybkości

50

K. Azuma, S. Suzuki, S. Uchiyama, T. Kajiro, T. Santa, K. Imai, Photochem. Photobiol. Sci., 2003, 2, 443-449.

51

a) S. Nad, H. Pal, J. Phys. Chem. A, 2003, 107, 501-507; b) H. Pal, S. Nad, M. Kumbhakar, J. Chem. Phys., 2003, 119, 443-452; c) A. Satpati, S. Senthilkumar, M. Kumbhakar, S. Nath, D. K. Maity, H. Pal, Photochem.

Photobiol., 2005, 81, 270-278; d) A. K. Satpati, M. Kumbhakar, S. Nath, H. Pal, Photochem. Photobiol., 2009, 85, 119-129; e) K. Das, B. Jain, H. S. Patel, J. Phys. Chem. A, 2006, 110, 1698-1704.

52

a) E. Krystkowiak, K. Dobek, A. Maciejewski, Photochem. Photobiol. Sci., 2013, 12, 446-455; b) E.

Krystkowiak, K. Dobek, G. Burdziński, A. Maciejewski, Photochem. Photobiol. Sci., 2012, 11, 1322-1330.

32

procesów promienistych jak również czasach życia fluorescencji. Porównanie podstawowych właściwości fotofizycznych 7- i 6-aminokumaryn przedstawia Tabela 3.

Tabela 3. Porównanie wybranych właściwości fotofizycznych 7-amino-4-metylokumaryny oraz 6-aminokumaryny.

Rozpuszczalnik

7-amino-4-metylokumaryna 6-aminokumaryna λ

[nm]

λ

[nm]

τ [ns]

k

[ns

]

λ

[nm]

λ

[nm]

τ [ns]

k

[ns

]

MeOH 350 435 b.d. b.d. 368 580 b.d. b.d.

EtOH 352 433 4.3 0.16 370 580 2.3 0.017

n-BuOH 355 433 b.d. b.d. 370 570 b.d. b.d.

n-dekanol 355 439 b.d. b.d. 375 559 b.d. b.d.

7.2.2.2. Kumaryny o π-rozszerzonym chromoforze

Pomimo, że kumaryny o π-rozszerzonym chromoforze zostały zsyntezowane po raz pierwszy w 1884 roku przez Pechmanna,

dopiero w ciągu ostatnich lat zaobserwowano wzrost zainteresowania tą grupą związków. Wynikał on w szczególności z ich unikalnych właściwości optoelektronicznych oraz możliwości zastosowania w intensywnie rozwijającej się dziedzinie nauki jaką jest fotonika.

Wśród chromoforów z rozbudowanym układem π-elektronowym szczególną grupę stanowią benzokumaryny.

Można je podzielić na cztery podstawowe typy w zależności od położenia dodatkowego pierścienia benzenowego. Rozróżnia się benzo[c]kumaryny, benzo[f]kumaryny, benzo[g]kumaryny oraz benzo[h]kumaryny (Rysunek 9). Synteza większości z nich, z wyjątkiem benzo[c]kumaryn, przebiega tradycyjnymi szlakami syntetycznymi, powszechnie stosowanymi w otrzymywaniu prostych kumaryn oraz ich pochodnych.

Podstawowymi substratami są związki zaliczane go grupy

hydroksynaftalenokarboksyaldehydów oraz naftoli. Reakcje z udziałem orto-hydroksynaftalenokarboksyaldehydów przebiegają poprzez kondensację z odpowiednimi

estrami, a następnie wewnątrzcząsteczkową cyklizację, prowadzącą do utworzenia pierścienia piranowego. Można na tej podstawie stwierdzić, że synteza różnych pochodnych

53

W. Rettig, A. Klock, Can. J. Chem., 1985, 63, 1649-1653.

54

H. Pechmann, W. Welsh, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1884, 17, 1646-1652.

55

M. Tasior, D. Kim, S. Singha, M. Krzeszewski, K. H. Ahn, D. T. Gryko, J. Mat. Chem. C, 2015, 3, 1421-1446.

56

C. Murata, T. Masuda, Y. Kamochi, K. Todoroki, H. Yoshida, H. Nohta, M. Yamaguchi, A. Takadate, Chem.

Pharm. Bull., 2005, 53, 750-758.