ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΑΓΩΓΙΜΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΩΝ ΚΟΥΜΑΡΙΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΙΑΚΗ ΔΟΜΗ

Transcript

1 ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΑΓΩΓΙΜΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΩΝ ΚΟΥΜΑΡΙΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΙΑΚΗ ΔΟΜΗ Μ. Ρουσσάκη 2, Χ. Μιτζήθρα 1, Μ. Μ. Δαρδαβίλα 1, Σ. Χαμηλάκης 2, Κ. Κόλλια 1, Ζ. Λοΐζος 1 1 Εργαστήριο Γενικής Χημείας, 2 Εργαστήριο Οργανικής Χημείας, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα Α. Ραπτοπούλου, Β. Ψυχάρης Ινστιτούτο Προηγμένων Υλικών, Φυσικοχημικών Διεργασιών, Νανοτεχνολογίας και Μικροσυστημάτων, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος ΠΕΡΙΛΗΨΗ Πραγματοποιήθηκε η σύνθεση κουμαρινικών αναλόγων, τα οποία φέρουν στη θέση 3 μεθόξυ φαινυλικό δακτύλιο και μελετήθηκε η φωτοαγώγιμη συμπεριφορά τους. Ακολούθως, έγινε προσπάθεια κρυσταλλογραφικής ανάλυσης σε μονοκρυστάλλους των ενώσεων καθώς και σε πολυκρυσταλλικές τους δομές. Η φωτοηλεκτροχημική συμπεριφορά των ενώσεων μελετήθηκε με χρήση φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας (PEC), ενώ η κρυσταλλική δομή εξετάστηκε με την τεχνική της περίθλασης των ακτίνων Χ (XRD). Διαπιστώθηκε ότι τα επιλεγμένα κουμαρινικά παράγωγα παρουσιάζουν όλως διαφορετική φωτοηλεκτροχημική συμπεριφορά, η οποία αποδίδεται στη θέση της μεθοξυ-ομάδας πάνω στον αρωματικό δακτύλιο. Συγκεκριμένα, το παράγωγο με τη μεθoξυ-ομάδα σε θέση p- σε σχέση με το κουμαρινικό δακτύλιο (1-βενζοφουραν-2-όνη) παρουσιάζει σαφώς μεγαλύτερη φωτοευαισθησία. Από τα αποτελέσματα της κρυσταλλογραφικής ανάλυσης μπορεί να συναχθεί ότι η διαφορετική αυτή συμπεριφορά εδράζεται στη διαφορετική διάταξη των μορίων των δύο αυτών ενώσεων στο χώρο, όπου καθοριστικό ρόλο διαδραματίζουν οι στερεοχημικές παρεμποδίσεις. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η επιλογή κατάλληλων υποκαταστατών στις διάφορες θέσεις του αρωματικού δακτυλίου μπορεί όχι μόνο να επηρεάζει τις φυσικοχημικές ιδιότητες (π.χ. ημιαγώγιμη συμπεριφορά) αλλά και να μεταβάλλει τη δομή τους στο χώρο. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κουμαρίνες είναι βενζοπυρονικά ανάλογα, που συνιστούν φυσικά προϊόντα ευρείας διάδοσης [1]. Ο συμπυκνωμένος ετεροκυκλικός κουμαρινικός δακτύλιος αποτελεί τη βάση για τη σύνθεση μιας ποικιλίας ενώσεων με βιολογικό ενδιαφέρον. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι οι κουμαρίνες κατέχουν μεταξύ άλλων αντιοξειδωτικές [2], αντικαρκινικές [3], αγγειοδιασταλτικές [4], αντιιικές [5] και αντιφλεγμονώδεις [6,7] ιδιότητες. Έχει ακόμη αναφερθεί ότι ορισμένες συνθετικές κουμαρίνες παρουσιάζουν σημαντική φαρμακολογική δυναμική ως αποτελεσματικοί αναστολείς πολλών ενζύμων, όπως είναι η 5-λιποξυγενάση [8], η αρωματάση [9] κ.ά. [10-12]. Αναφέρεται επίσης η χρήση τους ως λειαντικών/στιλβωτικών προσθέτων στα ηλεκτρολυτικά λουτρά επιμεταλλώσεων βιομηχανικής κλίμακας [13]. Σε προηγούμενη εργασία [14] είχε αναφερθεί η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου ενός σταδίου για τη σύνθεση κουμαρινικών αναλόγων και η παρασκευή μιας σειράς νέων προϊόντων. Ακολούθως, προσδιορίστηκαν ορισμένα βιολογικά χαρακτηριστικά των ενώσεων αυτών, μεταξύ των οποίων και η αντιοξειδωτική τους συμπεριφορά.

2 Εξάλλου, η κουμαρίνη και τα παράγωγά της παρουσιάζει ενδιαφέρουσες φυσικοχημικές ιδιότητες, οι οποίες, σε πολλές περιπτώσεις, είναι δυνατό να αποδοθούν στην ανάπτυξη ενός εκτεταμένου συζυγιακού συστήματος π-ηλεκτρονίων. Οι ενώσεις αυτές, που παρουσιάζουν συχνά αξιοσημείωτη φωτοαγωγιμότητα, κατατάσσονται στην κατηγορία των μικρομοριακών ημιαγωγών (small-molecule semiconductors). Ειδικότερα, είναι γνωστό ότι οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των μικρομοριακών ημιαγωγών επηρεάζονται από την έκθεσή τους στο φως και άλλες ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες. Έτσι, η ηλεκτρική αγωγιμότητά τους, η οποία είναι παραπλήσια αυτής των μονωτών υπό συνθήκες σκότους, αυξάνεται σημαντικά υπό φωτισμό. Με τροποποίηση της δομής τους, δηλαδή με την εισαγωγή κατάλληλων χαρακτηριστικών ομάδων, όπως υδροξυ- (ΟΗ-), μεθοξυ- (CΗ 3 Ο-), νιτρο- (-ΝΟ 2 ), μεθυλο- (-CΗ 3 ) ομάδων, ατόμων αλογόνων (-Cl, -Br) είναι δυνατή η ευκολότερη μεταφορά φορτίου. Όλες αυτές οι ομάδες φαίνεται να επιδρούν στον χαρακτήρα των μορίων ως δότες ή δέκτες ηλεκτρονίων, ενώ μερικές συμβάλλουν στη βελτίωση της διαλυτότητας των προϊόντων σε οργανικούς διαλύτες, διευκολύνοντας τη διαμόρφωσή τους σε λεπτά υμένια μέσω της τεχνικής spin coating. Σε προηγούμενες εργασίες [15-19] έχει αναφερθεί η σύνθεση και η μελέτη της φωτοαγωγιμότητας ορισμένων μικρομοριακών ημιαγωγών, χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη την ακεναφθενοκινόνη-1, η οποία είναι χαμηλού κόστους και χαρακτηρίζεται από αμελητέα φωτοαγωγιμότητα. Στην παρούσα εργασία επελέγη η μελέτη της φωτοαγώγιμης συμπεριφοράς δύο κουμαρινικών παραγώγων, τα οποία, ενώ εμφανίζουν και τα δύο αντιοξειδωτική δράση [14], έχουν τελείως διαφορετική φωτοηλεκτροχημική απόκριση, η οποία αποδίδεται στη διαφορετική διάταξη των μορίων τους στο χώρο. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Παρασκευάστηκαν τα κουμαρινικά παράγωγα 3-(4-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2- όνη και 3-(2-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2-όνη μέσω μιας νέας μεθόδου, που έχει περιγραφεί σε προηγούμενη εργασία και πιστοποιήθηκε η δομή τους μέσω φασματοσκοπικών τεχνικών [14]. Οι ενώσεις αυτές αποτέθηκαν με τη μορφή λεπτών υμενίων με την τεχνική spin coating από διάλυμά τους σε διχλωρομεθάνιο πάνω σε υποστρώματα τιτανίου. Τα υμένια χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια εργασίας για τη μέτρηση της φωτοευαισθησίας τους σε φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα (PEC) από οξειδοαναγωγικό λουτρό S x 2-1M NaOH, 1M Na 2 S, 1M S. Οι μετρήσεις PEC πραγματοποιήθηκαν υπό συνθήκες σκότους και φωτισμού έντασης 1000 και W/m 2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Στο Σχήμα 1 απεικονίζεται η μοριακή δομή της 3-(4-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν- 2-όνη (α) και της 3-(2-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2-όνη (β), όπως ελήφθησαν από την αντίστοιχη κρυσταλλική ανάλυσή τους με ακτίνες Χ. Η διαφορετική θέση στο χώρο της μεθόξυ ομάδας οδηγεί και σε διαφορετικό τρόπο διάταξης των μορίων των δύο αυτών ενώσεων στο χώρο, πιθανώς επειδή αλλάζουν οι στερεοχημικές παρεμποδίσεις. Το γεγονός αυτό φαίνεται ότι έχει σημαντική επίπτωση στην φωτοηλεκτροχημική συμπεριφορά των δύο ενώσεων κάτω από συνθήκες φωτισμού, όπως προκύπτει από τα Σχήματα 2 και 3. Συγκεκριμένα, η ένωση (α) παρουσιάζει πολλαπλάσια πυκνότητα ρεύματος υπό συνθήκες φωτισμού τόσο 1000 όσο και W/m 2 σε σύγκριση με την ένωση (β), ιδιαίτερα στην περιοχή των θετικών δυναμικών.

3 (α) (β) Σχήμα 1. Μοριακή δομή 3-(4-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2-όνης (α) και 3-(2- μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2η-χρωμεν-2-όνης (β), όπως αποδίδεται από την κρυσταλλική ανάλυση με ακτίνες Χ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρασκευάστηκαν τα κουμαρινικά παράγωγα 3-(4-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2- όνη και 3-(4-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2-όνη, διερευνήθηκε η δομή τους και μελετήθηκε η φωτοευαισθησία τους με φωτοηλεκτροχημική τεχνική, οποία αποδίδεται στην ύπαρξη ενός εκτεταμένου συστήματος π-ηλεκτρονίων στα μόριά τους. Ωστόσο, η πρώτη από τις παραπάνω ενώσεις παρουσιάζει υπό συνθήκες φωτισμού κατά πολύ μεγαλύτερη φωτοευαισθησία. Η διαφορετική αυτή συμπεριφορά φαίνεται, όπως προκύπτει και από την αντίστοιχη κρυσταλλογραφική μελέτη της δομής τους, ότι συνδέεται με τον τρόπο διάταξης των μορίων το ένα σε σχέση με το άλλο στο χώρο. Κατά συνέπεια, καθοριστικό ρόλο στον τρόπο, σύμφωνα με τον οποίο τα μόρια τελικά θα διαταχθούν, διαδραματίζουν οι στερεοχημικές παρεμποδίζεις. Το φαινόμενο αυτό πιθανό να ενισχύεται επιπλέον και από την άπωση των ηλεκτρονικών νεφών του καρβονυλίου και της μεθόξυ ομάδας. Έτσι, η επιλογή κατάλληλων υποκαταστατών στις διάφορες θέσεις του αρωματικού δακτυλίου μπορεί όχι μόνο να επηρεάζει τις φυσικοχημικές ιδιότητες (π.χ. ημιαγώγιμη συμπεριφορά) αλλά και να μεταβάλλει τη δομή τους στο χώρο.

4 Σχήμα 2. Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος ως προς το ηλεκτροχημικό δυναμικό σε φωτοηλεκτρολυτική κυψελίδα PEC υμενίων 3-(4-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2- όνης, σε συνθήκες σκότους (καμπύλη 1) και φωτισμού 1000 W/m 2 (καμπύλη 2 ) και W/m 2 (καμπύλη 3 ). Σχήμα 3. Μεταβολή της πυκνότητας ρεύματος ως προς το ηλεκτροχημικό δυναμικό σε φωτοηλεκτρολυτική κυψελίδα PEC υμενίων 3-(2-μεθοξυφαινυλο)-4-μεθυλο-2Η-χρωμεν-2- όνης, σε συνθήκες σκότους (καμπύλη 1) και φωτισμού 1000 W/m 2 (καμπύλη 2 ) και W/m 2 (καμπύλη 3 ).

5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Coumarins: Biology, Applications and Mode of Action; O Kennedy R., Thornes R.D., Eds., John Wiley & Sons: Chichester (1997). [2] Kontogiorgis C. A., Savvoglou K. and Hadjipavlou-Litina D.J., J. Enzyme Inhib. Med. Chem. 21:21 (2006). [3] Kamal A., Adil S. F., Tamboli J. R., Siddardha B. and Murthy U. S., N. Lett. Drug Des. Discovery 6:201 (2009). [4] Vilar S., Quezada E., Santana L., Uriarte E.,Yanez M., Fraiz N., Alcaide C., Cano E. and Orallo F. Bioorg. Med. Chem. Lett. 16:257 (2006). [5] Yeh J.-Y., Coumar M. S., Horng J. T., Shiao H.-Y., Kuo F.-M., Lee H.-L., Chen I.-C., Chang C.-W., Tang W.-F., Tseng S.-N., Chen C.-J., Shih S.-R., Hsu J. T. A., Liao C.-C., Chao Y.-C. and Hsieh H.-P., J. Med. Chem. 53:1519 (2010). [6] Cuzzocrea S., Mazzon E., Bevilaqua C., Constantino G., Britti D., Mazzullo G., De Sarro A. and Caputi A. P., Br. J. Pharmacol. 131:1399 (2000). [7] Kontogiorgis C. A. and Hadjipavlou-Litina D. J., J. Med. Chem. 48:6400 (2005). [8] Grimm E. L., Brideau C., Chauret N., Chan C.-C., Delorme D., Ducharme Y., Ethier D., Falgueyret J.-P., Friesen R. W., Guay J., Hamel P., Riendeau D., Soucy-Breau C., Tagari P. and Girard Y., Bioorg. Med. Chem. Lett. 16:2528 (2006). [9] Leonetti F., Favia A., Rao A., Aliano R., Paluszcak A., Hartmann R. W. and Carotti A., J. Med. Chem. 47:6792 (2004). [10] Kabeya L. M., de Marchi A. A., Kanashiro A., Lopes N. P., da Silva C. H. T. P., Pupo M. T. and Lucisano-Valima Y. M., Bioorg. Med. Chem. 15:1516 (2007). [11] Piazzi L., Cavalli A., Colizzi F., Belluti F., Bartolini M., Mancini F., Recanatini M., Andrisano V. and Rampa A., Bioorg. Med. Chem. Lett. 18:423 (2008). [12] Harada K., Kubo H., Tomigahara Y., Nishioka K., Takahashi J., Momose M., Inoue S. and Kojima A., Bioorg. Med. Chem. Lett. 20:272 (2010). [13] Macheras J., Vouros D., Kollia C. and Spyrellis N., Trans. Inst. Met. Finish. 74(2):55 (1996). [14] Roussaki M., Kontogiorgis C. A., Hadjipavlou-Litina D., Hamilakis S. and Detsi A., 20:3889 (2010). [15] Mhaidat I., Hamilakis S., Kollia C., Tsolomitis A. and Loizos Z., Mater. Lett. 60(2):147 (2005). [16] Mhaidat I., Hamilakis S., Kollia C., Tsolomitis A. and Loizos Z., Mater. Lett. 61:321 (2007). [17] Mhaidat I., Hamilakis S., Kollia C., Tsolomitis A. and Loizos Z., Mater. Lett. 62(26):4201 (2008). [18] Mhaidat I., Hamilakis S., Kollia C., Tsolomitis A. and Loizos Z., Mater. Lett. 62(26):4198 (2008). [19] Mhaidat I., Mergos J.A., Hamilakis S., Kollia C., Loizos Z., Tsolomitis A. and Dervos C.T., Materials Letters 63:2587 (2009).