Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
МАТВЕЕВА АННА ГЕННАДЬЕВНА
ПЕРВичные процессы С УЧАСТИЕМ СПИН-МЕЧЕНЫХ ЛЮМИНОФОРов В облучаемых АЛКАНОВЫХ РАСТВОРАХ
01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремального состояния вещества
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Новосибирск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук
Научные руководители: | кандидат физико-математических наук Стась Дмитрий Владимирович |
доктор химических наук Резников Владимир Анатольевич | |
Официальные оппоненты: | доктор физико-математических наук, Поляков Николай Эдуардович |
кандидат химических наук Метелица Анатолий Викторович | |
Ведущая организация: | Учреждение Российской академии наук Институт международный томографический центр СО РАН, г. Новосибирск |
Защита диссертации состоится 24 октября 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 003.014. в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Институтская 3, ИХКГ СО РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук
Автореферат разослан л июля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор химических наук А.А. Онищук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время в разных областях науки обнаружены многочисленные экспериментальные проявления спинового катализа - феномена влияния внешней парамагнитной частицы на пару реагирующих частиц, обладающих спином. Это открывает потенциальную возможность спинового контроля процессов, проходящих через стадию радикальной пары. Поэтому изучение трехспиновых систем с целью выяснения закономерностей спинового катализа является важной задачей современной спиновой химии.
Ключевую роль в этих исследованиях играет выбор удобной модельной системы. Потенциально перспективой представляется спиновая триада ион-радикал / ион-бирадикал, состоящая из радиационно-генерируемой ион-радикальной пары и химически связанного с одним из партнеров пары стабильного радикала, по следующим причинам. Во-первых, все взаимодействия третьего спина с парой локализуются внутри ион-бирадикала, т.е. минимизировано их количество. Во-вторых, существует принципиальная возможность контролировать глубину взаимодействия путем варьирования структуры спин-меченого люминофора - молекулы-предшественника ион-бирадикала в последовательности радиационно-химических превращений.
Интерес к изучению таких систем дополнительно стимулирован теоретическими исследованиями, показавшими, что важнейший параметр спинового катализа, обменный интеграл с третьим спином, должен напрямую извлекаться из спектра МАРИ, дающего селективную информацию о процессах в спиновой подсистеме геминальной ион-радикальной пары. Хотя имеются отдельные примеры наблюдения трехспиновых систем методом МАРИ, общие закономерности радиационно-химических процессов при переходе от ион-радикальной пары к спиновой триаде находятся на уровне предположений и представляют интерес для детального изучения.
Основные цели работы:
- Синтезировать представительный ряд парамагнитных производных ароматических люминофоров, различающихся между собой набором структурных особенностей, а также их диамагнитных аналогов.
- Исследовать на примере полученных соединений поведение спин-меченых люминофоров на различных стадиях элементарного радиационно-химического процесса, а именно на стадиях:
захвата сольватированного электрона на люминофорный фрагмент;
обратного переноса заряда в ион-радикальной паре (рекомбинации);
флюоресценции возбужденного состояния после рекомбинации.
Научная новизна работы. Впервые проведено систематическое исследование процессов, происходящих со спин-мечеными люминофорами в облучаемых алкановых растворах. Рассматривались различные стадии радиационно-химических превращений, хорошо изученных для люминофоров, не имеющих спиновой метки. В ряде случаев применялось независимое, не радиационно-химическое инициирование этих стадий.
Все изученные спин-меченые производные люминофоров нафталина, карбазола, 2-фенилиндола, в которых в качестве спиновой метки использовались 3-имидазолидиновые, 2- и 3-имидазолиновые радикалы, связанные с люминофором различными мостиками и в различных комбинациях, а также их диамагнитные аналоги, в представляемой работе синтезированы и описаны впервые.
Научная и практическая значимость работы состоит в обнаружении специфических путей радиационно-химических превращений спин-меченых люминофоров по сравнению с немечеными аналогами, а также в систематическом исследовании ряда соединений с близкой химической структурой, что позволяет связать структуру соединений с их свойствами в изучаемых процессах.
Полученные результаты имеют значения для дальнейшей работы по построению трехспиновых систем в облучаемых алкановых растворах.
ичный вклад соискателя. Все приведенные в работе результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. Изложенные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: III Международная конференция Высокоспиновые молекулы и молекулярные магнетики (Иваново, 13-16 июня 2006 г); 5th Asia-Pacific EPR/ESR Symposium (APES 2006, Novosibirsk, Russia, August 24-27, 2006); Sendai-Berlin-Novosibirsk Seminar on Advanced EPR (SBN 2006, Novosibirsk, Russia, August 28-31, 2006); XVIII симпозиум Современная химическая физика (Туапсе, 22 сентября - 3 октября 2006 г); XI научная школа-конференция по органической химии (Москва, 11-15 декабря 2006 г); VII Voevodsky Conference УPhysics and Chemistry of Elementary ProcessesФ (June 25-28, 2007, Chernogolovka); XIX симпозиум Современная химическая физика (Туапсе, 22 сентября - 3 октября 2007 г); VIIth International Workshop on EPR (ESR) in Biology and Medicine (October 3-6, 2007, Krakow, Poland); Международная конференция по органической химии Химия соединений с кратными углерод-углеродными связями (Санкт-Петербург, 16-19 июня 2008); IX Всероссийская научно-праутическая конференция студентов и аспирантов Химия и химическая технология вXXI веке (Томск, 14-16 мая 2008); 6th Asia Pacific EPR/ESR Symposium (APES 2008, Cairns, Australia, July 13-18, 2008).
Публикации. Материалы диссертации представлены в 4 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах из списка ВАК, и 12 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, постановки задачи, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 121 страницах, содержит х схем, х рисунков, х таблиц, а также х схем, х рисунков, х таблиц приложения. Список цитируемой литературы включает 153 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы.
Первая глава представляет собой литературный обзор. В первой части главы определено понятие электронного спинового катализа. Во второй части кратко изложены его теоретические механизмы (обменный и диполь-дипольный). В третьей части описаны основные разработанные на сегодняшний день экспериментальные системы для наблюдения электронного спинового катализа - химическая реакция в жидкости, проходящая через стадию радикальной пары, в присутствии внешней парамагнитной частицы; фотогенерируемое триплетно-возбужденное состояние ароматического люминофора при наличии в системе нитроксильного радикала, а также фотогенерируемые химически связанные трехспиновые системы типа лион-радикальная пара - стабильный радикал / триплетно-возбужденное состояние - стабильный радикал. Обсуждаются особенности, преимущества и недостатки каждой системы.
В четвертой части литературного обзора обсуждаются общие вопросы, касающиеся спин-меченых люминофоров, важные в контексте диссертации. Рассмотрен вопрос тушения люминофоров радикалами, приведены основные обсуждаемые в литературе механизмы внутри- и межмолекулярного тушения стабильными радикалами люминесценции различных люминофоров в синглетном и триплетном электронно-возбужденном состоянии. Описана связанная с этим свойством область практического применения рассматриваемых соединений в качестве сенсоров на различные активные частицы - оксид азота, ОН, супероксид радикал и т.д. Там же кратко изложены используемые в литературе подходы к синтезу спин-меченых люминофоров.
В пятой части обсуждается тема спинового катализа в трехспиновых системах, построенных на основе радиационно-генерированных ион-радикальных пар. Описан процесс формирования геминальных ион-радикальных пар в облучаемых алкановых растворах, кратко охарактеризована используемая методика наблюдения таких систем - МАРИ-спектроскопия. Приведены результаты теоретических исследований спиновой эволюции трехспиновых систем на основе радиационно-генерируемых ион-радикальных пар в алкановых растворах, а также экспериментальные результаты, полученные до начала данной работы. Глава заканчивается описанием проблем, возникающих при построении трехспиновых систем и формулировкой общих целей диссертации.
Первую главу завершает постановка задачи, где указаны конкретные задачи, сформулированные исходя из общей цели.
Вторая глава посвящена экспериментальным методам. Описаны использованные в работе подходы к синтезу спин-меченых люминофоров, приведены разработанные методики синтеза. Далее описаны методики радиационно-химической генерации ион-радикальных пар, стационарные и времяразрешенные, а также описаны использованные в работе многочисленные не радиационно-химические методы, позволяющие смоделировать ту или иную стадию радиационно-химического процесса, или каким-либо другим способом получить информацию о механизмах происходящих превращений. В отдельный блок сгруппированы фотохимические методы, которым посвящена большая часть диссертации, и отдельным блоком перечислены дополнительные методы, использованные в порядке необходимости - циклическая вольтамперометрия, хроматомасс-спектроскопический анализ, ЭПР-спектроскопия.
Третья глава, посвященная результатам работы, состоит из четырех разделов. Первый раздел содержит обоснование выбора конкретных химических структур спин-меченых люминофоров. Выбор был сделан на основании результатов экспериментов, предшествующих этой работе, в которых удалось построить трехспиновую систему на основе соединения из ряда парамагнитных 2-имидазолиновых производных паратерфенила. В использованном ряду авторами варьировалась структура двухуглеродного мостика между люминофором и радикалом (тройная, двойная и одинарная связи между мостиковыми атомами углерода) и было показано, что магнитный эффект наблюдается только при отсутствии сопряжения между этими двумя функциональными фрагментами (Схема 1).
Схема 1. Стабильный радикал 2-имидазолинового ряда, связанный с люминофором - паратерфенилом, для которого ранее в литературе был получен магнитный эффект.
Эту структуру в представляемой работе решено было систематически варьировать в трех возможных направлениях - менять люминофор, мостик и радикал. Были синтезированы 2-имидазолиновые (с тем же радикалом, что исходно) производные нафталина с насыщенным двухуглеродным мостиком и без мостика. Но в первом варианте они оказались химически неустойчивы, а во втором варианте изначально присутствовал риск слишком сильного сопряжения. Поэтому дополнительно были синтезированы производные нафталина, связанные двухуглеродным мостиком с более устойчивым стабильным радикалом 3-имидазолинового ряда (Схема 2). В 3-имидазолиновых радикалах, в отличие от 2-имидазолиновых, несущая неспаренный электрон нитроксильная группа изолирована от сопряжения с люминофором независимо от кратности связи в мостике, поэтому были синтезированы соединения и с двойной, и с одинарной связью в нем. Кроме того, синтезированы диамагнитные аналоги всех радикалов. Для обозначения 3-имидазолиновых производных использованы сокращения вида л1=Naph(NO)D, которое означает 1-нафтильное производное (л1) с двойной связью в мостике (л=), нитронной группой (л(NO)), диамагнитный аналог (лD). Для упомянутых выше 2-имидазолиновых производных нафталина без мостика, в зависимости от наличия в имидазолиновом кольце нитронной группы, использованы обозначения 1-Naph-NN (нитронилнитроксильный) и 1-Naph-IN (иминонитроксильный).
Использование нафталина в качестве люминофора связано с его удобством с синтетической точки зрения. Как люминофор он уступает паратерфенилу, поэтому далее синтезированы 3-имидазолидиновые производные люминофоров карбазола и 2-фенилиндола (Схема 3). Эти люминофоры по выходу люминесценции близки к паратерфенилу, но остаются приемлемыми с точки зрения синтеза.
Для них в тексте диссертации использованы обозначения CBZ-HMI и 2-Ph-Ind-HMI. Далее следуют разделы, посвященные первичным радиационно -химическим процессам, происходящим с перечисленными соединениями.
Во втором разделе обсуждается стадия захвата сольватированного электрона. Для диамагнитных 3-имидазолиновых производных нафталина с одинарной связью в мостике получены сигналы МАРИ и ОД ЭПР (Рис.1), что означает присутствие всех трех необходимых стадий: захвата электрона; рекомбинации с противоионом; люминесценции возбужденного состояния. Из сравнения спектров МАРИ и ОД ЭПР 1-Naph-D и 1-Naph(NO)D со спектрами свободного нафталина сделано заключение, что захваченный электрон локализуется в пи-системе нафталина. Обсуждается альтернативный вариант локализации на нитронной группе имидазолинового кольца.
Рис. 1 а-МАРИ и б-ОД ЭПР спектры с участием анион-радикала нафталина (кривые 1) и анион-радикала его диамагнитного производного 1-Naph(NO)D (кривые 2) в паре с катион-радикалом сквалана.
Для диамагнитных 3-имидазолиновых производных нафталина с двойной связью в мостике, ввиду отсутствия сигналов МАРИ и ОД ЭПР, стадия захвата электрона изучалась с помощью циклической вольтамперометрии (эксперимент проведен к.х.н. Л.А. Шундриным, НИОХ СО РАН).
При отрицательных потенциалах, т.е. при потенциалах восстановления, и скоростях развертки 5 В/с (Рис.2) обнаружена обратимая волна, что позволяет оценить время жизни анион-радикала 2=Naph(NO)D в ацетонитриле по крайней мере в единицы миллисекунд, что на несколько порядков длиннее характерного времени рекомбинации ион-радикальных пар в изучаемых системах (наносекунды).
Сделан вывод о способности таких соединений захватывать электрон и образовывать при этом устойчивые анион-радикалы.
Далее рассмотрен захват электрона на парамагнитные соединения в облучаемых алкановых растворах. В совместной работе с д.ф.-м.н. В.И. Боровковым и к.х.н. И.С. Иванишко методом дорекомбинационного тушения показано, что спин-меченые люминофоры 1-Naph-NN, 1-Naph-IN и CBZ-R способны к захвату сольватированного электрона в алканах, впрочем, как и входящие в их структуру спиновые метки (в качестве самостоятельных соединений). Указывается на неоднозначность исходного предположения о локализации захваченного электрона на люминофорном фрагменте.
В следующем, третьем, разделе главы обсуждается стадия рекомбинации анион-радикалов исследуемых соединений с противоионом, в классическом варианте заключающаяся в обратном переносе электрона и образовании двух нейтральных частиц.
Рис.3 Масс-спектр а) соединения 2=Naph(NO)D и б) продукта его радиолиза.
Обнаружено, что радиолиз раствора 2=Naph(NO)D в циклогексане приводит к накоплению (с характерным временем полупревращения 12 часов) в образце аддукта исследованного соединения с растворителем (Рис.3). Вывод был сделан на основе хроматомасс-спектроскопического анализа (эксперимент проведен совместно с к.ф.-м.н. Л.В. Куйбидой).
Далее, из сравнения спектров оптического поглощения образцов до и после радиолиза (Рис.4) сделано заключение, что присоединение циклогексана происходит по двойной связи в мостике, т.к. в образце после радиолиза падает поглощение расширенной пи-системы нафталин-мостик-нитронная группа и появляется поглощение изолировнной пи-системы нафталина.
Предложен механизм образования такого аддукта. Согласно нему, вместо переноса электрона от аниона к катиону на стадии рекомбинации происходит перенос протона в противоположном направлении - от катион-радикала циклогексана к анион-радикалу 2=Naph(NO)D. Предложенный механизм косвенно подтверждается отсутствием аддуктов указанного типа при замене катионного партнера с циклогексана на бензол, заведомо менее склонный отдавать протоны.
Далее в том же разделе обсуждаются другие возможные роли спин-меченых люминофоров в радиационно-химическом процессе, не связанные с участием в геминальной ион-радикальной паре, - в качестве ловушки для радиационного мусора и в качестве источника дополнительной парамагнитной релаксации для спин-коррелированных пар.
Относительно первой возможности исследовались растворы радикалов 1-Naph(NO)R, 1-Naph-R, 2=Naph(NO)R, 2=Naph-R ([R]=10-4М, циклогексан) до и после радиолиза. В спектрах оптического поглощения образцов каких-либо изменений после облучения не обнаружено, независимо от структуры радикала, в то время как интенсивность сигнала ЭПР за четыре часа облучения уменьшается в полтора - два раза. Это говорит о принципиально ином пути радиационно-химической деградации радикалов по сравнению с диамагнитными аналогами - они действительно выступают в качестве ловушки активных частиц, образующихся в процессе радиолиза, предположительно алкильных радикалов. Отмечается, что скорость выгорания радикала снижается при замене растворителя с додекана на циклогексан.
Наблюдаемая разница, обусловленная, по-видимому, стерическими затруднениями, указывает на возможный путь увеличения радиационно-химической стойкости нитроксильных радикалов, используемых в качестве спин-меченых люминофоров - замена соседних с нитроксильной группой метильных заместителей на этильные. Известно, что этот подход приводит к снижению скорости деградации нитроксильной группы в агрессивных средах, что активно применяется в биохимических исследованиях.
Далее исследована вторая возможность - парамагнитная релаксация спин-коррелированных пар в присутствие стабильного радикала. Сравнивались МАРИ-спектры паратерфенила в декане в присутствии спин-меченого карбазола CBZ-HMI и спиновой метки - 3-имидазолидинового радикала HMI (Рис.5).
Рис. 5. Изменение МАРИ спектров раствора 10-3аМ PTP-d14 в н-декане при введении в раствор стабильных радикалов HMI (а) и CBZ-HMI (б).
При постепенном увеличении концентрации радикала обнаружена трансформация МАРИ-спектра, аналогичная ранее известным характерным изменениям, происходящим в этой же системе при снижении концентрации паратерфенила. Показано, что происходящие изменения совпадают для CBZ-HMI и HMI. Из трех вероятных путей воздействия радикалов на спин-коррелированную пару, таких как перехват электрона, захват катион-радикала, парамагнитная релаксация пары, исключен перехват электрона. Отмечается, что при концентрациях радикала порядка 10-4 М он не оказывает критического влияния как объемный тушитель и позволяет наблюдать присутствующие в растворе спин-коррелированные пары или, в перспективе, спиновые триады.
Последний, третий раздел третьей главы посвящен третьей стадии радиационно-химического процесса - люминесценции возбужденного состояния, которое генерировалось и исследовалось фотохимически. Описанные в этой главе эксперименты проводились совместно с к.ф.-м.н. Е.М. Глебовым, к.ф.-м.н. В.В. Королевым, к.х.н. И.П. Поздняковым. Раздел состоит из четырех подразделов. В первом подразделе рассмотрены люминесцентные свойства спин-меченых производных нафталина. Ввиду низких квантовых выходов для достоверного их измерения использована времяразрешенная люминесценция.
Таблица 1. Наблюдаемый квантовый выход и характерные времена люминесценции исследованных спин-меченых производных нафталина и их диамагнитных аналогов. При отсутствии специальных указаний приведены параметры кинетических кривых, снятых в ацетонитриле на длине волны em = 336 нм при возбуждении eх = 280 нм. В скобках указаны интегральные / мольные доли отдельных компонент люминесценции.
Соединение | фл | 1, нс (%) | 2, нс (%) | 3, нс (%) | (нс) |
нафталин | 0.23 | 98.2 | - | - | |
1-Naph(NO)-D | 0.042, додекан | 14 (100) | - | - | |
1-Naph-D | 0.088, додекан | 35 (100) | - | - | |
1-Naph(NO)-D | 0.017 | 4 (95) | 40 (5) | - | |
1-Naph-D | 0.054 | 0,7 (5) | 60 (95) | - | |
1-Naph(NO)-R | 0.003 | 1 (10 / 52) | 6 (45 / 27) | 25 (45 / 9) | 2.5 |
1-Naph-R | 0.004 | 0.2 (20 / 96) | 5 (10 / 2) | 40 (70 / 2) | 1.8 |
2-Naph(NO)-R | 0.005 | 0.4 (40 / 97) | 15 (20 / 1) | 20 (40 / 2) | 1.9 |
1-Naph-NN | 0.002 суммарный | 1.4 (15) | 7.5 (20) | 60 (65) | |
0.0008 em = 410 нм | 1.4 (20) | 7.5 (75) | 60 (5) | ||
1-Naph-IN | 0.0016 суммарный | - | 7.2 (35) | 44 (65) | |
0.0007 em = 410 нм | - | 7.2 (93) | 44 (7) |
Проведенные измерения выявили определяющее влияние типа мостика на люминесцентные свойства спин-меченых нафталинов (Табл.1). Соединения с одинарной связью в мостике по свойствам близки к нафталину, при отсутствии мостика удается зарегистрировать слабую люминесценцию объединенной -системы нафталина и радикала, а наличие в мостике двойной связи на стадии люминесценции приводит к увеличению реакционной способности молекулы настолько, что вместо флюоресценции возбужденного состояния происходит фотохимическая деградация молекулы (квантовый выход фотолиза 2=Naph(NO)D составляет = 0.210.04 для первой стадии процесса).
Наличие трех характерных времен в кинетиках спада люминесценции объяснено следующим образом. Известно, что отношение квантовых выходов люминесценции спин-меченого производного p и нафталина d равно отношению соответствующих времен люминесценции (1).
(1)
При параметрах d = 0.23 и d = 98.2анс для незамещенного нафталина и квантовом выходе люминесценции спин-меченого люминофора pа≈а0.004 время люминесценции последнего должно составлять pа~а2анс. Поэтому третье длинное время заведомо относится к диамагнитной примеси. Отмечается, что мольная доля этой примеси ~ 1 %, но ввиду ее высокого квантового выхода она может существенно завышать наблюдаемое значение p. Два коротких времени отнесены к разным конформациям молекулы. Если их усреднить в соответствии с интегральными долями, то среднее значение действительно приближается к 2 нс.
Гипотеза наличия двух конформаций, свернутой и развернутой, существующих благодаря гибкости мостика, подкрепляется данными ЯМР-измерений диамагнитных производных 1-Naph(NO)D и 1-Naph-D, а также сравнением данных времяразрешенной люминесценции этих соединений в растворителях разной полярности - ацетонитриле и додекане.
В конце подраздела рассчитана константа скорости тушения люминесценции нафталинового фрагмента ковалентно связанным с ним имидазолиновым радикалом.
(2)
Она оказалась равной kq 3108 c-1. Теоретически такая константа позволяет при замене нафталинового люминофорного фрагмента паратерфенильным (для которого flа=а1 и flа=а1анс) получить квантовый выход люминесценции спин-меченого люминофора pа~а0.01, что открывает возможность использования структур данного типа как спин-меченых люминофоров в радиационно-химических исследованиях.
Во втором подразделе обсуждаются изменения в спектрах оптического поглощения и спектрах ЭПР, происходящие при фотолизе 3-имидазолиновых производных нафталина. Изменение интегральной интенсивности сигнала ЭПР в ходе фотолиза исследованных радикалов приведены в Табл.2.
Таблица 2. Относительно изменение вторых интегралов спектров ЭПР от времени при фотолизе исследованных радикалов.
1-Naph(NO)-R | 1-Naph-R | 2=Naph(NO)-R | 2=Naph-R | ||||
Т, мин | доля, % | Т, мин | доля, % | Т, мин | доля, % | Т, мин | доля, % |
0 | 100 | 0 | 100 | 0 | 100 | 0 | 100 |
10 | 103 | 10 | 61 | 3 | 81 | 1.2 | 87 |
20 | 81 | 20 | 37 | 8 | 36 | 4.7 | 17 |
50 | 51 (2 раза) | 50 | 17 (6 раз) | 11 | 14 (7 раз) | 14 | 0 (весь) |
На уровне гипотез обсуждаются возможные механизмы фотопревращений. Обнаружена корреляция между стабильностью соединений и наличием в их структуре таких функциональных фрагментов, как двойная связь в мостике и нитронная группа в имидазолиновом кольце.
В третьем подразделе проводится сравнение люминесцентных характеристик спин-меченых производных карбазола и 2-фенилиндола. Показано, что при сокращении собственного времени люминесценции с 15 нс для карбазола до 5 нс для фенилиндола квантовый выход люминесценции их 3-имидазолидиновых производных увеличивается в соответствующее число раз ((CBZ-R) = 0.1 %; (2-Ph-Ind-R) = 0.26 %). Таким образом, демонстрируется принципиальная возможность увеличения квантового выхода путем сокращения собственного времени люминесценции.
В четвертом подразделе приведены результаты исследования механизма внутри- и межмолекулярного тушения синглетно- и триплетно-возбужденного состояния карбазола 3-имидазолидиновым радикалом HMI.
Измерены константы межмолекулярного тушения флуоресценции карбазола радикалом методом Штерна-Фольмера ((1.4а±а0,1)аа1010аM-1c-1), и константы межмолекулярного тушения радикалом триплетно-возбжденного карбазола методом лазерного импульсного фотолиза ((1.5а±а0.2)аа109аM-1c-1).
В качестве возможных вариантов обсуждаются следующие механизмы: перенос энергии по диполь-дипольному (ферстеровскому) и обменному (декстеровскому) механизмам, а также процессы переноса электрона, ускорения внутренней и интеркомбинационной конверсии посредством электронного обмена. Методом исключения сделан вывод о том, что наиболее вероятными механизмами тушения люминесценции карбазола нитроксильным радикалом являются обменный перенос энергии и ускорение внутренней конверсии посредством электронного обмена.
Глава заканчивается осуждением наиболее перспективных с точки зрения возможности увеличения квантового выхода химических структур. Приводятся следующие рассуждения. Рассчитанная по формуле (2) константа скорости внутримолекулярного тушения люминесценции люминофорного фрагмента радикальным фрагментом в структуре гетероароматический люминофор (карбазол, 2-фенилиндол) - одноуглеродный мостик - 3-имидазолидиновый радикал составляет kq 2.51010 c-1, т.е. на два порядка больше, чем в структуре полиароматический люминофор (нафталин, паратерфенил) - насыщенный двухуглеродный мостик - 3-имидазолиновый радикал, что говорит о большей потенциальной привлекательности структур второго типа.
Далее следуют выводы, список литературы и три приложения.
Приложение 1 содержит решение задачи о спиновой эволюции трехспиновой системы, состоящей из трех радикалов со спином 1/2, связанных попарно обменным взаимодействием. При условии, что два из них (первый и второй) находятся в начальный момент времени в триплетном парном состоянии, рассчитывается вероятность найти их в синглетном парном состоянии в произвольный момент времени.
Получено выражение
, где ,
в котором a, b, c представляют собой величины обменных интегралов:
(J12= a, J13= b, J23= c).
Приложение 2 посвящено подбору условий импульсного фотолиза карбазола. Определена мощность лазера, при которой наблюдаемый спектр промежуточного поглощения принадлежит триплетно-возбужденному состоянию, а возможность двухквантового фотолиза с образованием карбазолильного радикала исключена.
Приложение 3 представляет собой сводную таблицу сокращенных буквенных обозначений химических соединений, использованных в работе.
ВЫВОДЫ
- Синтезирован ряд спин-меченых люминофоров - нитроксильных радикалов ряда 2-(3)-имидазолина и имидазолидина, отличающихся природой люминесцентного фрагмента, длиной и жесткостью мостика, соединяющего люминофор и нитроксил-содержащий фрагмент, природой последнего, а также диамагнитные аналоги этих соединений.
- Установлено, что диамагнитные аналоги 3-имидазолиновых производных нафталина с насыщенным мостиком в условиях рентгеновского облучения в алкановых растворах захватывают электрон на нафталиновый фрагмент; локализация захваченного электрона в спин-меченых люминофорах зависит от спинового состояния образующегося анион-бирадикала.
- Показано, что наличие двойной связи в мостике у диамагнитных аналогов, а также нитроксильной группы у парамагнитных люминофоров, приводит к протеканию радиационно-химических трансформаций. Предложены способы стабилизации этих фрагментов. Показано, что трансформацией нитронной группы можно пренебречь.
- Исследована возможность парамагнитной релаксации спин-коррелированных пар в присутствие спин-меченых люминофоров и показано, что при концентрациях радикала в образце порядка 10-4аМ он позволяет наблюдать эти пары методом МАРИ.
- Измерены люминесцентные характеристики спин-меченых производных нафталина. Показано, что соединения с одинарной связью в мостике обладают люминесценцией нафталинового типа, интенсивностью примерно в 50 раз ниже, чем у нафталина. В случае прямого сопряжения нитроксильной группы с нафталиновым фрагментом наблюдается очень слабая люминесценция общей -системы. При наличии двойной связи в мостике люминесценция не обнаружена.
- Исследован стационарный фотолиз 3-имидазолиновых производных нафталина, предложены вероятные пути фотопревращений. Показано, что более высокой устойчивостью обладают соединения с одинарной связью в мостике (по сравнению с двойной) и, в меньшей степени - содержащие оксидный атом кислорода в имидазолиновом кольце.
- Для пары спин-меченых люминофоров - замещенных карбазола и 2-фенилиндола - продемонстрировано, что сокращение собственного времени флюоресценции люминофора приводит к увеличению квантового выхода флюоресценции.
- Для спин-меченого карбазола методом исключения показано, что тушение локального синглетно-возбужденного состояния люминофора радикальным фрагментом осуществляется по механизму ускорения внутренней конверсии.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
- A.G. Matveeva, F.B. Sviridenko, V.V. Korolev, L.V. Kuibida, D.V. Stass, L.A. Shundrin, V.A. Reznikov, and G.G. Grampp. Difficulties in Building Radiation-Generated Three-Spin Systems Using Spin-Labeled Luminophores // J. Phys. Chem. A. - 2008. - V. 112. - P. 183-193 .
- А.Г. Матвеева, Д.В. Стась, Е.М. Глебов, В.П. Гривин, В.В. Королев, В.Ф. Плюснин, В.А. Резников. Межмолекулярное и внутримолекулярное тушение фотолюминесценции карбазола имидазолидиновыми радикалами // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2010. - T. 4. - C.755-762
- А.Г. Матвеева, Е.М. Глебов, В.В. Королев, И.П. Поздняков, В.Ф. Плюснин, Д.В. Стась, В.А. Резников. Люминесцентные свойства новых нафтилнитроксильных радикалов // Химия высоких энергий. - 2011. - T. 45. - C. 450Ц456
- В. И. Боровков, А. Г. Матвеева, И. С. Иванишко, И. В. Береговая, В. А. Резников. Проявление статистического спинового фактора при захвате избыточных электронов стабильными нитроксильными радикалами. // ДАН. Физ. Хим. - 2011. - Т. 440. -№ 3. - С. 361Ц364
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике