Пара слов о родаминах. Часть 2
Добрый день, уважаемые читатели!
В предыдущей части статьи мы с вами подробно рассмотрели что такое родамины, где они используются и какими физико-химическими свойствами обладают. Сегодня мы продолжим наши эксперименты - попробуем модифицировать родамины и посмотрим как это повлияет на их свойства.
Кратко напомним, что основными широко распространёнными представителями родаминов являются родамин С и родамин Ж. Именно с ними мы и будем экспериментировать. Вообще в научной литературе описано достаточно много способов модификации родаминов, но мы начнём с одного из достаточно простых способов - бромирования.
1. Итак, для проведения первого опыта необходимо взять 1г родамина Ж и растворить в 50 мл 70% уксусной кислоты. Получится зеленовато-красный раствор с выраженной флуоресценцией.
Далее в полученный раствор необходимо добавить 2.5г пиридиния бромида пербромида и оставить перемешиваться раствор ещё на 1-2 часа для завершения процесса бромирования.
При растворении в реакционной среде пиридиний бромид пербромид диссоциирует с высвобождением молекулярного брома.
Образующийся бром является электрофильной частицей и атакует ксантеновое ядро родамина Ж.
При бромировании дополнительно в раствор можно добавить 0.5 мл 30% раствора перекиси водорода для повышения использования брома т.к. в процессе бромирования выделяется бромоводород. Перекись водорода вновь окисляет образующийся бромоводород до молекулярного брома.
Но при указанных в рецептуре пропорциях в этом нет особой необходимости - пиридиний бромид пербромид взят изначально с избытком.
Через 1-2 часа раствор необходимо в 2-3 раза разбавить холодной дистиллированной водой, отфильтровать на бумажном фильтре и обильно промыть осадок 2-3 раза холодной водой. После этого осадок сушится в темном месте при температуре 30-40 градусов Цельсия. По итогу получается порошок красно-коричневого цвета, показанный в подборке фото ниже.
А вживую процесс бромирования выглядит вот так:
Наиболее вероятный продукт бромирования согласно литературным данным - 4,5-дибромродамин Ж.
Прежде чем переходить к исследованию полученного 4,5-дибромродамина Ж рассмотрим кратко процесс бромирования родамина С. По своей сути процесс полностью идентичен предыдущему случаю.
2. Для проведения второго опыта необходимо взять 1г родамина С и растворить в 50 мл 70% уксусной кислоты. Получится оранжево-розовый раствор с выраженной флуоресценцией.
Далее в полученный раствор необходимо добавить 2.5г пиридиния бромида пербромида и оставить перемешиваться раствор ещё на 1-2 часа для завершения процесса бромирования. Аналогично первому опыту в раствор можно добавить 0.5 мл 30% раствора перекиси водорода для повышения использования брома, но и в данном опыте в этом также нет особой необходимости из-за изначального избытка бромирующего агента.
Через 1-2 часа раствор необходимо в 2-3 раза разбавить холодной дистиллированной водой, отфильтровать на бумажном фильтре и обильно промыть осадок 2-3 раза холодной водой. После этого осадок сушится в темном месте при температуре 30-40 градусов Цельсия. По итогу получается порошок вишнёвого цвета, показанный в подборке фото ниже.
А в живую процесс бромирования выглядит вот так:
А что же насчёт образующихся продуктов бромирования?
В отличие от родамина Ж, где положения 2 и 7 уже заняты, в родамине С они свободны. Соответственно в качестве продуктов реакции теоретически может образовываться как 2,7-дибромродамин С так и 4,5-дибромродамин С. Это связано в том числе и с тем, что аминогруппы в ксантеновом ядре являются сильными ориентантами первого рода и направляют электрофильную атаку брома в орто- и пара- положения.
Атака в орто-положения 4 и 5 является предпочтительной ввиду наличия стерических затруднений для атаки в положения 2 и 7. Для осуществления бромирования в положения 2 и 7 необходимы более жёсткие условия. Приводимые в литературе данные также подтверждают, что в мягких условиях образуется преимущественно 4,5-дибромродамин С.
Ну что же, бромированные родамины нами были получены и теперь можно провести с ними несколько экспериментов и сравнить с исходными (небромированными) родаминами.
Для начала попробуем растворить полученный 4,5-дибромродамин Ж в диметилформамиде (ДМФА). В подборке фото ниже показан внешний и флуоресценция 4,5-дибромродамина Ж и исходного родамина Ж при различных концентрациях.
Если смотреть слева на право, то первые 3 образца - это 4,5-дибромродамин Ж в ДМФА при концентрациях 5, 50 и 2000 мкМ. Вторые 3 образца - это исходный родамин Ж в ДМФА при концентрациях 5, 50 и 2000 мкМ.
По представленным фото хорошо видно, что цвет раствора и цвет флуоресценции бромированного родамина Ж значительно отличается от исходного родамина Ж при одинаковых концентрациях.
При этом интенсивность флуоресценции бромированного родамина Ж значительно ниже и наблюдается достаточно сильный батохромный (красный) сдвиг как во всем диапазоне концентраций, так и относительно исходного родамина Ж. В общем и целом такое поведение неплохо согласуется с литературными данными и является в том числе проявлением эффекта тяжёлого атома.
А что насчёт реальных спектров флуоресценции бромированного родамина Ж? Данные спектры представлены в подборке фото ниже: на первом фото - при концентрации 5 мкМ, на втором фото - при концентрации 50 мкМ, на третьем фото - при концентрации 2000 мкМ.
По представленным спектрам хорошо видно, что пик флуоресценции при низкой концентрации лежит на длине волны 580 нм, при средней концентрации — на длине волны 598 нм, а при высокой концентрации — на длине волны 620 нм. Таким образом, с повышением концентрации наблюдается тот самый батохромный (красный) сдвиг о котором мы упоминали чуть ранее. В первом случае 18 нм, а во-втором — ещё 22 нм т.е.суммарно 40 нм.
Напомним, что для исходного родамина Ж пик флуоресценции при низкой концентрации лежит на длине волны 568 нм, при средней концентрации — на длине волны 577 нм, а при высокой концентрации — на длине волны 601 нм. При этом суммарный сдвиг пика составляет 33 нм.
И в случае бромированного родамина Ж и в случае исходного родамина Ж при низкой концентрации мы наблюдаем флуоресценцию практически чистого мономера. При средней же концентрации наблюдается начало димеризации и пик флуоресценции смещается в область более длинных волн. А при высокой концентрации помимо димеризации протекает ещё и ощутимая агрегация — пик флуоресценции ещё сильнее смещается в область более длинных волн.
А что насчет 4,5-дибромродамина С? А вот с ним ситуация немного интереснее…
В подборке фото ниже представлен внешний вид и флуоресценция бромированного родамина С в ДМФА при концентрации 5 мкМ, 50 мкМ и 2000 мкМ.
По представленным фото хорошо видно, что при низкой и средней концентрации раствор бромированного родамина С в ДМФА прозрачен и не обладает флуоресценцией… И только при высокой концентрации раствор окрашен в оранжево-красный цвет с желтовато-оранжевой флуоресценцией.
Причина такого поведения бромированного родамина С полностью идентична исходному родамину С - в своей структуре они оба имеют свободную карбоксильную группу орто-положении относительно связи, соединяющей фенильное кольцо с ксантеновым ядром. В определённых условиях данная группа может обратимо замыкаться, образуя спироциклический лактон. При этом разрушается единая π-электронная система хромофора, и окраска вместе с флуоресценцией исчезает.
Равновесие между окрашенной (открытой) и бесцветной (лактонной) формами бромированного родамина С, точно так же как и у исходного родамина С, зависит от полярности растворителя, протон-донорной способности растворителя и концентрации самого бромированного родамина С. В апротонном ДМФА равновесие сдвинуто в сторону образования лактона, хотя и не на 100%. А введение в ксантеновое ядро тяжёлых атомов брома дополнительно сдвигает равновесие именно в сторону образования лактона.
При низкой и средней концентрациях бромированного родамина С доля открытой формы настолько мала, что мы не видим окраску раствора, не регистрируем флуоресценцию глазом и использованным спектрометром. Она ниже порога обнаружения. Раствор кажется бесцветным.
При высокой же концентрации бромированного родамина С абсолютное количество открытой формы возрастает — у раствора появляется окраска и флуоресценция.
В связи с этим спектры флуоресценции при низкой и средней концентрации снимем в водном растворе, подкисленном бромоводородной (либо соляной) кислотой до pH около 2. Это позволит сдвинуть равновесие в сторону образования открытой формы бромированного родамина С. А спектр флуоресценции при высокой концентрации снимем в ДМФА.
Полученные спектры представлены в подборке фото ниже: на первом фото - при концентрации 2000 мкМ, на втором фото - при концентрации 50 мкМ, на третьем фото… А нет третьего фото… Флуоресценция бромированного родамина С при концентрации 5 мкМ настолько низка, что чувствительности использованного спектрометра недостаточно для достоверного измерения спектра…
Немного выше мы отмечали, что введение тяжёлых атомов брома дополнительно смещает равновесие в сторону образования лактона. Именно по этой причине нам и не удалось снять спектр флуоресценции при низкой концентрации бромированного родамина С. Даже в подкисленном до pH ≈ 2 растворе практически весь бромированный родамин С остаётся в лактонной форме.
По представленным спектрам хорошо видно, что пик флуоресценции при высокой концентрации лежит на длине волны 594 нм, а при средней концентрации — на длине волны 578 нм. Таким образом, с повышением концентрации также наблюдается батохромный (красный) сдвиг, равный 16 нм. Аналогично предыдущим случаям, данный сдвиг также вызван образованием димеров и агрегатов родамина в растворе.
А теперь снова немного вспомним данные из предыдущей части статьи: для исходного родамина С пик флуоресценции при высокой концентрации лежит на длине волны 623 нм, а при средней концентрации — на длине волны 598 нм. При этом суммарный батохромный сдвиг пика составляет 25 нм при росте концентрации.
Ничего не кажется странным, если сравнить исходный родамин С и бромированный родамин С? А если попарно сопоставить данные результаты с предыдущими измерениями?
В случае родамина Ж бромированное производное излучает в более длинноволновой области, чем исходный родамин Ж. И для каждого из них по отдельности также наблюдается батохромный сдвиг при росте концентрации.
Бромированный же родамин С излучает в области более коротких волн, чем исходный родамин С, при попарном сравнении одних и тех же концентраций в идентичных растворителях. То есть наблюдается гипсохромный (синий) сдвиг у бромированного родамина С относительно исходного красителя.
Но почему же так происходит? Почему в случае бромированного производного не проявляется эффект тяжёлого атома?
Скорее всего причина ровно та же самая, по которой мы не смогли измерить спектр флуоресценции при низкой концентрации бромированного родамина С - равновесие тотально сдвинуто в сторону лактонной формы. Практически все молекулы бромированного родамина С не излучают в видимом спектре. Всё что мы наблюдаем - это флуоресценцию очень небольшого количества мономеров. В данном случае вклад концентрационных эффектов оказался намного выше, чем влияние эффекта тяжелого атома.
Ну и в заключении нашей статьи осталось только разобраться где же используются или могут использоваться подобные бромированные родамины. Вообще область их применения достаточно широка. Так, например, 4,5-дибромродамин С и его близкие аналоги используются при фотодинамической терапии рака. 4,5-дибромродамин Ж и его близкие аналоги используются в качестве инициатора фотополимеризации; используются в качестве хемосенсоров, фотокатализаторов и пр. Возможно о некоторых интересных применениях данных соединений мы еще поговорим в будущем отдельно, но это будет уже совсем другая история…
А на этом на сегодня всё! Спасибо, что дочитали до конца!