Ультрабыстрые процессы в фотофизике и фотохимии производных салициловой кислоты.

И.П. Поздняков, В.Ф. Плюснин, В.П. Гривин, Ю.А. Соседова, Н.М. Бажин
(ИХКГ СО РАН, Новосибирск, Россия),
Э. Вотэ, А. Пиглучи (Университет г. Женевы, Женева, Швейцария),
Н. Ткаченко, Х. Лемметяйнен (Институт химии материалов, Тампере, Финляндия).

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Салициловая кислота (СК) и ее производные (ПСК) широко используются в медицине, в косметической промышленности и являются представителями функциональных групп природных гуминовых веществ. Кроме того, эти соединения являются простейшими системами для изучения процессов переноса протона в возбужденном состоянии. Эти факторы обуславливает повышенный интерес к изучению фотофизики и фотохимии ПСК.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Цикл работ посвящен исследованию фотохимии и фотофизики водных растворов катионных, анионных и нейтральных форм ряда производных салициловой кислоты (салициловой, 2-аминобензойной, 2-метоксибензойной, 5-сульфо- и 5-аминосалициловых кислот) в широком диапазоне рН. Полученные данные позволяют сделать вывод о механизме переноса протона в возбужденном состоянии и о связи строения ПСК с проявляемой фотохимической активностью.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

В работах использован широкий набор методов исследований – оптическая спектроскопия, наносекундный лазерный импульсный фотолиз, стационарная, пико- и фемтосекундная (up-conversion) люминесценция, которые позволяет получать информацию о ультабыстрых фотофизических процессах.

4. Полученные результаты и их значимость.

Флуоресцентными методами было показано, что возбужденные состояния индивидуальных форм ПСК исчезают моноэкспоненциально и демонстрируют большой Стоксов сдвиг полосы флуоресценции даже в случае полностью депротонированных форм. Квантовые выходы и времена жизни флуоресценции анионных форм ПСК в 10-100 раз выше, чем соответствующие параметры для нейтральных и катионных форм, что связано с падением скорости безизлучательных процессов. Константы кислотно-основного равновесия в возбужденном состоянии близки к величинам констант в основном состоянии. Фотофизика нейтральной формы СК в полярных протонных растворителях слабо отличается от фотофизики в неполярных апротонных растворителях. Характерные времена ESIPT много меньше 300 фс (константы скорости релаксации возбужденных состояний ПСК находятся в пределах 0.4–2.3 пс). Процесс тушения синглетных S1 состояний ПСК протоном среды протекает с высокими константами скорости ((1-10)×1010 М-1с-1).

Метоксибензойная кислота демонстрирует отличную от других ПСК фотофизику. Квантовый выход и время жизни флуоресценции нейтральной формы этой кислоты на порядок больше, чем для моноаниона. Введение заместителей в 5-е положение бензольного кольца слабо влияет на фотофизические свойства СК. Полученная совокупность экспериментальных данных позволяет исключить два ранее обсуждаемых механизма ESIPT (локальный перенос протона, таутомеризация) и предположить, что фотофизика ПСК лучше всего описывается в рамках модели реорганизации Н-хелатного кольца

С помощью лазерного импульсного фотолиза зарегистрированы полосы и определены коэффициенты триплетного-триплетного поглощения анионов 2-амино и 2-гидроксибензойных кислот в водных растворах. Показано, что при больших интенсивностях лазерного импульса происходит фотоионизация анионных форм с образованием пары гидратированный электрон – феноксильный радикал. Определены константы скорости релаксации возбужденного S1 состояния анионов, квантовые выходы триплетного состояния и электрона. В нейтральной среде основными каналами исчезновения триплетных состояний, феноксильных радикалов и гидратированного электрона являются Т-Т аннигиляция, рекомбинация и захват исходным анионом, соответственно. Показано, что рН раствора является важным фактором, контролирующим фотофизику и фотохимию ПСК.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Результаты были получены в рамках выполнения институтской программы, молодежного гранта ИНТАС (№ 03-55-1472), гранта Федерального агентства по науке и инновациям (№ 02.444.11.7231), грантов РФФИ (№ 05-03-32474, 06-03-32110, 08-03-00313, 09-03-00330, 08-03-92205GFEN, 08-03-90102Mol) и программы комплексных интеграционных проектов СО РАН-2006 (№ 4.16), неоднократно докладывались на международных научных конференциях и соответствуют мировому уровню.

Устные доклады:
1. I.P. Pozdnyakov, Application of up-conversion and SPC techniques to investigation of photophysics of salicylic acid derivatives in aqueous solution. 19th IUPAC Conference on Physical Organic Chemistry, Santiago de Compostela, Spain, 13-18 July 2008.
2. И.П. Поздняков, Фотохимия и фотофизика 2-аминобензойной кислоты в водных растворах. XXVI Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике, г. Москва, Россия, 12-16 октября 2008
3. I.P. Pozdnyakov, Photophysics and photochemistry of salicylic acid derivatives in aqueous solution. XXIV international conference on photochemistry, Toledo, Spain, 19-24 July 2009.
4. I.P. Pozdnyakov, Photophysics of salicylic acid derivatives in aqueous solution. 9th international conference on fundamental ultrafast processes in chemistry, biology and physics (Femto IX), Beijing, China, 8-13 August 2009.
5. И.П. Поздняков, Возбужденные состояния и интермедиаты в фотохимии 2-аминобензойной кислоты. XXI Симпозиум "Современная химическая физика", г. Туапсе, Россия, 25 сентября – 6 октября 2009.

6. Вклад авторского коллектива.

Экспериментальные результаты по фотохимии ПСК, представленные в работах [1, 3], получены методом лазерного импульсного фотолиза на установке ИХКГ СО РАН и вклад авторского коллектива ИХКГ в эти работы является определяющим. Экспериментальные результаты по времяразрешенной флуоресценции ПСК [2] были получены Поздняковым И.П. во время стажировок в университете г. Женевы и ИХМ г. Тампере. Вклад авторского коллектива ИХКГ в работу [2] заключается в получении и обработке кинетических данных, написании и публикации статьи.

Список прилагаемых статей.
  1. И.П. Поздняков, Ю.А. Соседова, В.Ф. Плюснин, В.П. Гривин, Н.М. Бажин , Фотохимия аниона салициловой кислоты в водном растворе,Известия Академии наук. Серия химическая, 2007, N 7, 1270-1276.
  2. I.P. Pozdnyakov, A. Pigliucci, N.V. Tkachenko, V.F. Plyusnin, E. Vauthey, H. Lemmetyinen, The photophysics of salicylic acid derivatives in aqueous solution,J. Phys. Org. Chem. 2009, V.22, N5, 449-454.
  3. I.P. Pozdnyakov, V.F. Plyusnin, V.P. Grivin, Photophysics and Photochemistry of 2-Aminobenzoic Acid Anion in Aqueous Solution ,J. Phys. Chem. A. 2009, V.113, N51, 14109–14114.