Исследование фотохимической миграции тяжелых атомных групп в производных
9,10-антрахинона и реакционной способности фотоиндуцированных ана-хинонов.

Н.П. Грицан, З.В. Леоненко, Е.А. Притчина, ИХКиГ
Л.С. Клименко1, И. Майнагашев1, А. Кельман2, Ф. Тфибель2, Г.Т. Будзинский3, М.С. Плац4
1
Новосибирский институт органической химии СО РАН, Новосибирск 2Universite Paris-Sud, Orsay, France 3Adam Mickiewicz University, Poznan, Poland 4Ohio State University, Columbus, USA

Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность

Проблема поиска фотохромных материалов, перспективных для использования в устройствах записи и хранения информации, до сих пор остается актуальной. Особенно большое внимание этой проблеме уделялось в 90-е годы, когда и был начат данный цикл работ. Для хинонов известно 3 типа фотохромных процессов: изомеризация под светом неокрашенной пара-хиноидной структуры в окрашенную ана-хиноидную в результате миграции атома водорода, ацильной или фенильной группы.

Фотохромные материалы должны обладать рядом свойств: а) быстрое время образования фотопродукта (фемто- или пикосекундном диапазоне); б) большое количество циклов записи и стирания; с) достаточно длительное время жизни фотоиндуцированной формы. Для направленного поиска перспективных соединений необходимо знание механизма фотохромных превращений и влияния химической структуры на эффективность прямой и обратной стадии.

С целью получения всех этих данных для двух типов фотохромных соединений: 1-ацил- (1) и 1-арилантрахинонов (2) были предприняты исследования, вошедшие в данный цикл. Продукты фотолиза соединений 1 и 2 относятся к малоизученному классу ана-хинонов, поэтому исследование их свойств и реакционной способности представляло самостоятельный интерес.

Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Данный цикл работ направлен на решение следующих задач:

Полученные результаты позволяют, во-первых, вести направленный синтез наиболее перспективных фотохромов, во-вторых, дают количественную информацию о неизвестных ранее химических реакциях.

Используемый подход, его новизна и оригинальность.

Отличительной особенностью данного цикла является количественный подход к изучению фотохромизма исследуемых соединений, а именно: измерены квантовые выходы, константы скорости фотохимических и темновых реакций, изучено влияние на них химической структуры. Для объяснения влияния структуры на реакционную способность широко использовались квантовохимические методы. Такой подход был новым и оригинальным в 90-е годы, когда была выполнена значительная часть работ цикла. Использование квантовохимических расчетов в исследованиях сверхбыстрых фотофизических и фотохимических процессов позволило провести однозначное отнесение спектров поглощения интермедиатов. Такой подход пока практически не используется в фемтосекундной спектроскопии.

Полученные результаты и их значимость.

Цикл начинается с обзора [1], в котором рассмотрены все данные, включая работы авторов, по фотохромизму производных антрахинона и сформулированы задачи, решению которых посвящены дальнейшие работы цикла. Предложенный нами ранее адиабатический механизм фотохимической миграции ацильной группы был экспериментально подтвержден [2,5,10]. Методами лазерного импульсного фотолиза установлено, что миграция происходит на триплетной потенциальной поверхности. Показано, что введение донорных заместителей приводит к существенному падению констант скорости, как фотохимической миграции ацильной группы, так и обратной темновой стадии. Исследованы зависимости констант скорости фотохимической и термической миграции от среды и температуры [2,5,10].

Методом фемтосекундной абсорбционной спектроскопии детально установлены все первичные фотофизические и фотохимические стадии при возбуждении 1-ацетокси-2-метоксиантрахинона [10]. Внутренняя конверсия в нижнее 1np* состояние и перераспределение колебательной энергии проходят за ~110 фс. За время 11 пс происходит интеркомбинационная конверсия в нижнее триплетное состояние 3pp*, которое имеет избыток колебательной энергии (время охлаждения ~4 пс). Миграция ацетокси-группы в 3pp*-состоянии проходит за 220 пс. Для миграции ацильной группы проведены квантовохимические расчеты структуры и энергетики основных и возбужденных состояний реагента и продукта, переходных состояний. Расчетные данные количественно согласуются с полученными кинетическими данными, подтверждая предложенный механизм. К настоящему времени накоплено большое количество данных о быстрых фотохимических реакциях переноса протона и электрона. Однако такая информация отсутствовала для фотохимической миграции тяжелых атомных групп. В этом году такие данные были получены проф. Вирцем (Швейцария) для миграции фенильной группы и нами для миграции ацильной группы. Полученные результаты имеют фундаментальное значение и расширяют знания о механизмах и эффективности фотохимических реакций.

Существенное внимание в данном цикле уделено фотохромизму и 1-арилоксиантрахинонов (2). Для 2 уже имелись работы по изучению механизма фотолиза, поэтому мы сосредоточили внимание на исследовании стабильности и реакционной способности фотоиндуцированных ана-хинонов [3,4,6]. Установлено, что ана-хиноны достаточно легко вступают в реакцию с нуклеофилами, первичной стадией является 1,4-нуклеофильное присоединение. В реакциях со спиртами был выделен первичный аддукт, в случае воды и аминов первичный аддукт нестабилен и быстро отщепляет молекулу фенола. Получающиеся в реакции с водой 9-окси-1,10-антрахиноны быстро изомеризуются в стабильные производные 1-оксиантрахинона. Проведено детальное изучение кинетики реакций и влияния на константу скорости природы реагентов. Показано [7-9], что при введении ряда заместителей во второе положение соединений 2 появляется дополнительный канал фотохимических реакций, который делает невозможным использование этих соединений в качестве фотохромов, но открывает возможности получения новых труднодоступных производных антрахинона. Предложены механизмы этих новых фотореакций.

Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Работы данного цикла выполнены на высоком уровне с использованием современных экспериментальных и теоретических методов, они хорошо известны за рубежом и детально рассмотрены в монографиях, посвященных органическим фотохромам. Полученные результаты неоднократно докладывались на международных конференциях в качестве приглашенных, устных и стендовых докладов. Например, устный и приглашенный доклады сделаны на 1-ом и 2-ом симпозиумах по органическим фотохромам (Франция, 1993 и США, 1996), в 2007 устный доклад представлен на 22-ой Международной конференции по фотохимии (Кельн, Германия). Работы цикла были поддержаны грантами CNRS (Франция, 1993), Министерства высшего образования РФ (1993-98 гг.), РФФИ (95-03-08920, 97-03-32890), программой ОХНМ РАН (2003-05 гг.), грантом национального научного фонда США.

Список прилагаемых статей

  1. N.P. Gritsan, L.S. Klimenko. Photochromism of quinoid compounds: properties of photo-induced ana-quinones. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1993, 70, 103-117. (review)
  2. N.P. Gritsan, A. Kellmann, F. Tfibel, L.S. Klimenko. Laser flash photolysis study of the primary processes in the photochromic reaction of 1-acyloxy-2-methoxyanthraquinones. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1994, 246, 259-262.
  3. N.P. Gritsan, L.S. Klimenko, Z.V. Leonenko, I.Ya. Mainagashev, V.I. Mamatyuk, V.P. Vetchinov. Experimental and quantum chemical study of the reactions of 1,10-anthraquinones with alcohols and amines. Tetrahedron, 1995, 51, 3061-3076.
  4. З.В. Леоненко, Н.П. Грицан, Л.С. Клименко. Кинетические исследования реакции 9-арилокси-1,10-антрахинонов с алкил- и ариламинами. Изв. АН, серия хим., 1995, №2, 255-260.
  5. N.P. Gritsan, A. Kellmann, F. Tfibel, L.S. Klimenko. Laser flash photolysis study of the reaction mechanism in the photochromism of 1-(acyloxy)-2-methoxyanthraquinones. J. Phys. Chem. A, 1997, 101, 794-801.
  6. L. Klimenko, Z. Leonenko, N. Gritsan. Reactions of photoinduced 9-aryloxy-1,10-anthraquinones. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1997, 297, 181-188.
  7. И.Я. Майнагашев, Л.С. Клименко, Н.П. Грицан. Фотохимические и термические перегруппировки 2-ариламино-1-(4-трет-бутилфенокси)-9,10-антрахинонов. Изв. АН, серия хим., 1998, №12, 2519-2522.
  8. Л.С. Клименко, Е.А. Притчина, Н.П. Грицан. Синтез 5H-нафто[2,3-c]фенотиазин-8,13-дионов из 2-азидо-1-арилтиоантрахинонов. Изв. АН, серия хим., 2001, №4, 652-654.
  9. L.S. Klimenko, E.A. Pritchina, N.P. Gritsan. Photochemical and thermal transformations of 1-aryloxy-2- and 4-azidoanthraquinones. Chem. Eur. J., 2003, 9, №7, 1639-1644.
  10. E.A. Pritchina, N.P. Gritsan, G.T. Burdzinski, M.S. Platz. Study of acyl group migration by femtosecond transient absorptionspectroscopy and computational chemistry. J. Phys. Chem. A, 2007, 111, 10483-10489.