Изучение флуоресцентных свойств производных акридина с ионами переходных металлов

Цель работы – изучение возможности применения новых органических реагентов 9-метилакридина, 12-метилбензо-α-акридина, а также фармацевтических препаратов на основе 7-этокси-3,9-акридиндиамина и флавакридина гидрохлорида в качестве комплексообразователей для флуориметрического определения микроколичеств переходных металлов, выбор оптимальных параметров флуориметрического определения Ag(I) в анализе природной воды.
Методы исследования – флуориметрический анализ, спектрофотометрический анализ, атомно-абсорбционный анализ.
Полученные результаты – изучено комплексообразование производных акридина с ионами переходных металлов; разработаны методики флуориметрического определения ионов серебра(I) в природной воде методом «введено-найдено».
Степень внедрения – поисковые исследования (частичная) ...

1 Аналитический обзор
1.1 Флуориметрические методы анализа
1.2 Применение флуориметрического метода для анализа фармацевтических препаратов
1.3 Акридин и его производные
1.3.1 Получение, химические и физические свойства акридина и его производных
1.3.2 Комплексообразование акридина и его производных с ионами металлов

Несмотря на многообразие классов органических аналитических реагентов, актуальна проблема получения и исследования новых комплексообразователей и разработки на их основе новых методик анализа. В настоящее время широко исследуются производные акридина, что связано с высокой избирательностью и эффективностью при количественном определении элементов в результате комплексообразования.
Производные акридина широко используются в качестве лекарственных препаратов. В настоящее время большое внимание уделяется изучению комплексов, образованных лекарственными веществами с ионами металлов. Соответствующие флуоресцентные реакции позволяют существенно повысить селективность определения лекарственных веществ, не требуют применения сложных и дорогих органических реагентов, экстракции. Методики такого ти па, как правило, являются экспрессными и простыми.

Растворы меньшей концентрации готовили разбавлением исходного раствора в мерной колбе на 50 мл. Раствор серебра(I) готовили растворением навески 0,034 г AgNO3 «ч.д.а» в небольшом количестве дистиллированной воды. Растворы меньшей концентрации готовили разбавлением исходного раствора в мерной колбе на 50 мл. Раствор никеля(II) готовили растворением навески 0,013 NiCl2 «ч.д.а.» в небольшом количестве дистиллированной воды. Растворы меньшей концентрации готовили разбавлением исходного раствора в мерной колбе на 50 мл. Буферные растворы (pH 2 – 10) готовили прибавлением к 250 мл 1 М уксусной кислоты по каплям концентрированного аммиака до соответствующего изменения окраски индикаторной бумаги. Кислотность буферных растворов измеряли на рН-метре pH-340 с комбинированным электродом.Оптическую плотность растворов измеряли на спектрофотометре ПЭ – 5300 В.Флуоресценцию растворов снимали на спектрофлуориметре RF 5301 PC Shimadzu. Атомно-абсорбционный анализ ионов серебра проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-7000 Shimadzu.В качестве реагентов использовали органические вещества: 9-метилакридин 9-метилакридин является производным акридина. Представляет собой тёмно-жёлтые кристаллы с раздражающим запахом, способные возгоняться. Хорошо растворяется во многих органических растворителях, мало растворим в воде. Разбавленные растворы обладают зеленой флуоресценцией. 9-метилакридин синтезировали на кафедре органической химии МГУ им. Н. П. Огарева [30].12-метилбензо-α-акридин 12-метилбензо-α-акридин – производное акридина. Светло-жёлтые кристаллы, без запаха. Плохо растворяется в воде, хорошо в спирте. Растворы обладают сине-зелёной флуоресценцией. Был так же синтезирован на кафедре органической химии МГУ им. Н. П. Огарева [21, 22].7-этокси-3,9-акридиндиамин в виде лактата (далее этакридина лактат)Желтый кристаллический порошок горького вкуса, без запаха. Мало растворим в холодной воде (1:50), легче — в горячей, мало растворим в спирте (1:100), практически не растворим в эфире. Водные растворы нестойки, особенно на свету (становятся бурыми). Обладает антисептическим действием.флавакридина гидрохлорид – 3,6-диамино-10-метилакридиний хлорида гидрохлорида (далее акрифлавин) Оранжево – красный или буровато – красный кристаллический порошок без запаха. Легко растворим в воде, мало растворим в 95% спирте, трудно растворим в эфире, хлор бензоле, растворим в глицерине. Раствор 0,5 г препарата в 50 мл воды имеет темно – красную окраску. При разбавлении 0,1 мл этого раствора 20 мл воды возникает зеленая флюоресценция, которая при прибавлении разведенной соляной кислоты исчезает, а при разбавлении водой появляется вновь. Является антисептическим и антипротозойным средством, применяется преимущественно в ветеринарии. 2.2 Спектральные характеристики производных акридина и их комплексов с ионами переходных металловДля изучения возможности использования производных акридина в качестве органических реагентов-комплексообразователей на ионы металлов были подобраны ионы Ag(I), Zn(II), Ni(II). Выбор металлов обусловлен тем, что они присоединяются к лигандам с донорными атомами азота гораздо прочнее, чем к лигандам с кислородом. Это элементы с заполненной или почти заполненной d-оболочкой. Их высокая склонность к деформации, а также повышенная поляризуемость атома азота объясняет большое сродство этих ионов к азоту. Поляризующее действие лиганда на центральный ион металла возрастает с уменьшением заряда и увеличением радиуса иона металла [7].Изучены спектральные характеристики производных акридина и их комплексов с ионами переходных металлов. Установлено, что комплексообразование по спектрам поглощения наблюдается только для ионов серебра с 9-метилакридином. Спектры поглощения комплекса Ag(I) с 9-метилакридином.Предварительно получены спектры поглощения чистого реагента. Установлено, что спектр поглощения 9-метилакридина имеет два максимума поглщения при λ = 301 нм и λ = 978 нм.Изучено поведение 9-метилакридина при изменении рН раствора, которое представлено на рисунках 1,2. Установлено, что в кислой среде интенсивность поглощения резко увеличивается, что видимо, связано с координацией кислотного остатка у пиридинового азота (рисунок 1). При присоединении протона к молекуле акридина в его спектре поглощения появляется новая полоса в длинноволновой области, спектр поглощения значительно возрастает по интенсивности и смещается в область низких частот.Рисунок 1 – Спектры поглощения 9-метилакридина в зависимости от pH в коротковолновой области спектра (1– pH 2, 2 – pH 3, 3 – pH 4, 4 – pH 8, 5 – pH 5, 6 – pH 6, 7 – pH 9, 8 – pH 7)Установлено, что максимум спектра поглощения комплекса Ag-9-метилакридин сдвинут в более длинноволновую область спектра по сравнению с максимумом чистого реагента (рисунок 2). Спектр комплекса представляет собой широкую линию с λ = 323 нм. Рисунок 2 – Спектр поглощения комплекса Ag-9-метилакридин (СAg= 10-7 моль/л, C9-метилакридин = 10-7 моль/л; pH 8)Изучено влияние рН на положение максимума поглощения комплекса. Представленная зависимость оптической плотности от рН (рисунок 3) показывает, что комплекс образуется в щелочной среде при рН 8.Рисунок 3 – Зависимость оптической плотности от рН раствора комплекса Ag-9-метилакридин (СAg= 10-7 моль/л, C9-метилакридин= 10-7 моль/л)Изучены спектры поглощения ионов Zn(II) и Ni(II) c 9-метилакридином, положения максимумов которых свидетельствую об отсутствии комплексообразования. Варьирование рН в системе металл-реагент также не изменило положение максимума поглощения чистого реагента.Спектры поглощения раствора 12-метилбензо-α-акридина и его комплексов с ионами переходных металлов Изучены спектр поглощения чистого реагента и его поведение при различных значениях pH раствора. Было установлено, что спектр поглощения 12-метилбензо-α-акридина обладает максимумом при λ = 299 нм. Спектры поглощения представлены на рисунке 4. Установлено, что в кислой среде интенсивность поглощения резко увеличивается.Рисунок 4 – Спектры поглощения 12-метилбензо-α-акридина с концентрацией С = 10-5 моль/л в зависимости от pH (1 – pH 1,0; 2 – pH 3,0; 3 – pH 4,0; 4 – pH; 5 – pH 8,0; 6 – pH 10,0) Спектр поглощения раствора системы Ag–12-метилбензо-α-акридин при различных концентрациях раствора металла и реагента представлен на рисунке 5. По положению спектра поглощения можно сделать вывод, что появление новых максимумов, свидетельствующих об образовании, на спектре не обнаружено. Наблюдается только увеличение оптической плотности в области 350-500 нм. Были изучены спектры поглощения раствора для системы Ag–12-метилбензо-α-акридин при концентрации раствора металла и реагента С = 10-5 моль/л при различных соотношениях (рисунок 5). Установлено, что вид спектра при различных соотношениях не изменяется. Отсутствие комплексообразования ионов серебра с 12-метилбензо-α-акридином, видимо, связано с введением в молекулу реагента дополнительного бензольного кольца, за счет чего оказалось невозможной координация иона металла у донорного атома азота. В молекуле акрифлавина гетероциклический азот экранирован метильной группой, что затрудняет комплексообразование. Рисунок 5 – Спектр поглощения раствора Ag – 12-метилбензо-α-акридин при различных концентрациях раствора металла и реагента в соотношении 1:1 (1 – С = 10-3 моль/л, 2 – С = 10-4 моль/л, 3 – С = 10-5 моль/л)Изучена возможность комплексообразования ионов Zn (II) и Ni (II) c 12-метилбензо-α-акридином. Установлено, что спектры поглощения для растворов металл-реагент идентичны спектру поглощения чистого реагента, что свидетельствует о невозможности комплексообразования с данными ионами. Можно сделать вывод о том, что введение дополнительного бензольного кольца в структуру реагента препятствует процессу комплексообразования. Спектры поглощения этакридина лактата с ионами металлов.Предварительно получены спектры поглощения чистого реагента. Установлено, что спектр поглощения этакридина лактата имеет два максимума поглощения: λ1 = 363 нм, λ2 = 411 нм. Спектры поглощения раствора для системы Аg – этакридина лактат при различных концентрациях Ag и реагента в соотношении 1:1 показали, что положение максимума поглощения не изменилось, но произошло уменьшение величины оптической плотности (рисунок 6). Рисунок 6 – Спектры поглощения чистого этакридина лактата и комплекса Аg – этакридина лактат при различных концентрациях Ag и реагента в соотношении 1:1 (1 – чистый этакридина лактат, 2 - комплекс Аg – этакридина лактат при С = 10-5 моль/л, 3 – комплекс Аg – этакридина лактат при С = 5·10-5 моль/л)Изучение влияния рН на положение максимумов поглощения для системы металл-реагент показало, что при увеличении рН интенсивность поглощения увеличивается, достигая максимума при рН 10. Сдвига спектров поглощения относительно чистого реагента также не наблюдается (рисунок 7).Рисунок 7 – Спектры поглощения комплекса Аg – этакридина лактат с концентрацией металла и реагента С = 10-5 моль/л (1 – pH 10,0; 2 – pH 8,0; 3 – pH 7,0; 4 – pH 4,0; 5 – pH 3,0; 6 – pH 1,0)Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что комплексообразование этакридина лактата с изученными ионами отсутствует.2.3 Спектрально – флуоресцентные характеристики производных акридина и их комплексов с ионами металлов2.3.1 Влияние кислотности среды на интенсивность флуоресценции в растворе металл - реагентДля разработки флуориметрической методики определения металла необходимо предварительно провести исследование установленной флуоресцентной реакции. Были изучены спектры поглощения и эмиссии флуоресценции в интервале длин волн 220-800 нм, а также оптимальные условия образования флуоресцирующих комплексов.Спектр эмиссии флуоресценции чистого 9-метилакридина представлен на рисунке 8. Как видно из зависимости интенсивности флуоресценции от длины волны спектр имеет максимум флуоресценции 445 нм.Рисунок 8 – Спектр флуоресценции раствора 9-метилакридина (С = 10-3 моль/л, λвозб= 265 нм) Установлено, что ионы серебра образуют флуоресцирующий комплекс с 9-метилакридином. Спектр эмиссии флуоресценции представляет собой полосу с максимумом излучения 595 нм.При комплексообразовании ионов серебра с 9-метилакридином происходит смещение значения длины волны относительно значения максимальной длины волны флуоресценции чистого реагента в сторону больших длин волн, что свидетельствует об образовании комплекса. Рассчитан квантовый выход флуоресценции для комплекса, который составляет 0,94. Cпектр флуоресценции комплекса Ag – 9-метилакридин в зависимости от рН раствора представлен на рисунке 9.Рисунок 9 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag – 9-метилакридин от рН раствора (1 - рН 8; 2 – рН 9; 3 – рН 3; 4 – рН 6; 5 – рН 7; 6 – рН 2; 7 – pH 4, СAg=10-7 моль/л, C9-метилакридин=10-7 моль/л, соотношение металл-реагент 1:1, время контакта 10 мин, λвозб= 295нм)При изучении зависимости величины интенсивности флуоресценции от рН раствора для системы Ag – 9-метилакридин установлено, что наибольшее свечение флуоресцирующего комплекса наблюдается в щелочной среде при рН 8.Установлено, что, не смотря на отсутствие комплексообразования по спектрам поглощения серебра с этакридином лактата, на спектре эмиссии флуоресценции при введении серебра появляется новая полоса, смещенная относительно спектра флуоресценции чистого реагента в более длинноволновую область спектра (у чистого этакридина лактата λмах= 505 нм, у комплекса Ag–этакридина лактат λмах= 583 нм), что свидетельствует об образовании комплекса. Рассчитан квантовый выход флуоресценции для комплекса Ag–этакридина лактат, который составляет 0,87. Это может быть связано с тем, что в возбужденном состоянии возрастает способность молекул органических реагентов к комплексообразованию. Возбужденные комплексы могут переходить в устойчивые в основном состоянии продукты, и весь процесс выглядит как процесс присоединения. Особенно это проявляется в случае комплексообразования по донорно-акцепторной связи, обусловленной переносом заряда между компонентами комплекса. Волновая функция такого комплекса, который называется эксиплексом, является комбинацией волновых функций состояния с локализованным возбуждением и переносом заряда. Образование эксиплексов проявляется в том, что в спектрах флуоресценции ароматических соединений в присутствии доноров или акцепторов электрона появляется новая полоса, смещенная в длинноволновую область, что и проявилось в случае ионов серебра с этакридином лактатом. При этом никаких изменений в спектре поглощения не наблюдается [28].Изучено поведение комплекса Ag-этакридина лактат в растворе при различных значениях рН (рисунок 10). Исходя из полученных данных, представленных на рисунке, можно сделать вывод, что комплекс Ag-этакридина лактат образуется в щелочной среде.Рисунок 10 – График зависимости интенсивности комплекса Ag-этакридина лактат от рН раствора 2.3.2 Изучение зависимости флуоресценции комплексов от времени контакта в системе металл-реагентВажным фактором для подбора оптимальных условий проведения флуоресцентной реакции является время контакта реагента с ионами металлов, т.е. оптимальный промежуток времени, в течение которого растворы комплекса сохраняют постоянными люминесцентные свойства. Для этого брали оптимально подобранные концентрации металла, реагента и буферного раствора. После добавления всех реактивов сразу измеряли интенсивность флуоресценции раствора и затем продолжали измерение через определенные промежутки времени. В ходе исследования необходим тщательный контроль рН раствора.Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag-9-метилакридин (везде по-разному обозначаешь название: где тире, где дефис) от времени контакта представлена на рисунке 11.Рисунок 11 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag-9-метилакридин от времени контакта (1 –10 мин, 2 – 15 мин, 3 – 20 мин,4 – 25 мин,5 – 30 мин,6 – 35 мин,7 – 40 мин,8 – 45 мин,9 – 50 мин,10 – 5 мин, соотношение металл-реагент 1:1, рНопт = 8, λвозб = 295 нм)Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag-9-метилакридин от времени контакта представлена на рисунке 12.Рисунок 12 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag-9-метилакридин от времени контакта (соотношение металл-реагент 1:1, рНопт = 8).Показано, что для достижения максимальной степени комплексообразования при оптимальном значении pH необходимо 10 минут. При дальнейшем выдерживании растворов интенсивность флуоресценции заметно снижается, что видимо, связано с разрушением комплекса.Изучение кинетики образования флуоресцирующего комплекса Ag –этакридина лактат.Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag-этакридина лактат показала, что увеличение времени контакта не влияет на интенсивность спектров эмиссии флуоресценции. 2.3.3 Зависимость интенсивности флуоресценции комплексов металл-регент от соотношения металл-реагентДля полной характеристики флуоресцирующего комплексного соединения с органическими реагентами необходимо установить состав комплекса, т.е. стехиометрическое соотношение компонентов в комплексном соединении.Для определения состава комплекса готовили серию растворов обоих компонентов одинаковой молярной концентрации и смешивали в различных соотношениях металл-реагент.На рисунке 13 изображен спектр флуоресценции комплекса металла с 9-метилакридином в разных количественных соотношениях при оптимальном pH. Из представленной зависимости видно, что комплекс образуется при соотношении 1:1, что отвечает составу Ag- 9-метилакридин.Рисунок 13 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag -9-метилакридин в разных соотношениях металл-реагент (1 – 1:1, 2 – 3:1, 3 – 1:2, 4 – 1:3, 5 – 2:1, СAg=10-7 моль/л, C9-метилакридин=10-7 моль/л, pHопт=8, время контакта 10 мин, λвозб= 295нм).На рисунке 14 изображен спектр флуоресценции комплекса металла с этакридином лактата в разных количественных соотношениях. Из анализа которого можно сделать вывод о том, что комплекс образуется также при соотношении металл-реагент 1:1. Рисунок 14 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag – этакридина лактат в разных соотношениях металл-реагент (1 – 1:1, 2 – 3:1, 3 – 2:1, 4 – 4:1, 5 – 1:2, 6 – 1:3, 7 – 1:4, СAg=10-5 моль/л, Cэтакридина лактата =10-5 моль/л, λвозб = 262 нм)2.3.4 Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации ионов металловС использованием подобранных оптимальных условий образования флуоресцирующих комплексов необходимо определить интервал концентраций металла в растворе комплекса, в котором наблюдается пропорциональная зависимость интенсивности флуоресценции раствора от концентрации металла. Для этого готовят серию растворов с возрастающей концентрацией металла при постоянной концентрации раствора реагента и постоянном количестве буферного раствора с оптимальным значением рН.Спектр флуоресценции в зависимости от концентрации ионов серебра в растворе для системы Ag-9-метилакридин представлен на рисунке 15.Рисунок 15 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag-9-метилакридин от концентрации ионов серебра (1 – 5∙10-7 моль/л, 2 – 10-6 моль/л, 3 – 5∙10-8 моль/л, 4 – 10-7 моль/л, 5 – 5∙10-9 моль/л, 6 – 10-8 моль/л, соотношение металл-реагент 1:1, pHопт=8, время контакта 10 мин, λвозб = 295нм)С использованием полученных данных были построены графики зависимости интенсивности флуоресценции и площади пика от концентрации, которые изображены на рисунках 16, 17.Рисунок 16 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag – 9-метилакридин от концентрации (соотношение металл-реагент 1:1, рНопт = 8, время контакта 10 мин)Рисунок 17 – Зависимость площади пика флуоресценции комплекса Ag – 9-метилакридин от концентрации (соотношение металл-реагент 1:1, рНопт = 8, время контакта 10 мин)Установлено, что градуировочный график для комплекса Ag-9-метилакридин линеен в диапазоне 10-6 – 10-7 моль/л. Уравнение градуировочного графика для зависимости интенсивности флуоресценции от концентрации y = -94,12х + 698,9, а для зависимости площади пика от концентрации ионов серебра y = -1059х - 7869.Получены спектры флуоресценции в зависимости от концентрации ионов серебра в растворе для системы Ag-этакридина лактат, представлены на рисунке 18.Рисунок 18 – Зависимость интенсивности флуоресценции комплекса Ag- этакридина лактат от концентрации ионов серебра (1 – С = 10-5 моль/л, 2 – С = 10-6 моль/л, 3 – С = 10-7 моль/л, 4 – С = 10-8 моль/л, 5 – С = 10-9 моль/л, соотношение металл-реагент 1:1, λвозб = 262 нм) Установлено, что градуировочный график для комплекса Ag- этакридина лактат линеен в широком диапазоне концентраций 10-5 – 10-9 моль/л. С использованием полученных данных строят графики зависимости интенсивности флуоресценции и площади пика от концентрации, которые изображены на рисунках 19, 20. Рисунок 19 – График зависимости интенсивности флуоресценции комплекса Ag-этакридина лактат от концентрации ионов серебраРисунок 20 – График зависимости площади пика флуоресцирующего комплекса Ag-этакридина лактат от концентрации ионов серебраНа основании изучения зависимости интенсивности флуоресценции раствора акрифлафина от концентрации ионов серебра можно сделать вывод, что при увеличении концентрации металла происходит уменьшение интенсивности флуоресценции акрифлавина (рисунок 21). Это может быть вызвано явлением концентрационного тушения люминесценции. Рисунок 21 – Зависимость флуоресценции раствора Ag-акрифлавин от концентрации ионов серебра (1 – 10-6 моль/л, 2 – 5·10-7 моль/л, 3 ― 10-5 моль/л, 4 – 5·10-6 моль/л, 5 – 10-4 моль/л, 6 – 5·10-5 моль/л, 7 – 10-3 моль/л, 8 – 5·10-4 моль/л, λ = 440 нм)Известно, что к тушению люминесценции может приводить множество процессов, в том числе реакции в возбужденном состоянии, перенос энергии, образование комплексов и тушение при столкновениях [5]. Можно предположить, что обнаруженный эффект тушения люминесценции акрифлавина в комплексе с ионами серебра обусловлен процессами переноса энергии.На рисунках 22, 23 представлены графики зависимостей интенсивности флуоресценции и площади пика от концентрации ионов серебра.