勞文劍 , 李 聰 , 臺(tái) 虹, 尤進(jìn)茂

(1.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2.云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650091;3.云南省第一人民醫(yī)院, 云南 昆明 650032; 4. 曲阜師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 曲阜 273165)

痂囊腔菌素A與咔唑化合物間的光致電子轉(zhuǎn)移

勞文劍1*, 李 聰2, 臺(tái) 虹3, 尤進(jìn)茂4

(1.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2.云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650091;
3.云南省第一人民醫(yī)院, 云南 昆明 650032; 4. 曲阜師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 曲阜 273165)

研究了咔唑、咔唑-9-乙酸、3-溴-咔唑-9-乙酸在缺氧條件下對(duì)天然苝醌化合物痂囊腔菌素A(簡(jiǎn)記為 EA)的熒光猝滅行為；由竹紅菌甲素(HA)和乙素(HB)的熒光壽命估算了EA在乙腈中的熒光壽命，并進(jìn)而計(jì)算了三個(gè)咔唑化合物的雙分子猝滅速度常數(shù). 結(jié)果表明，三個(gè)咔唑化合物在EA的可見(jiàn)光吸收區(qū)無(wú)光吸收，據(jù)此推測(cè)其對(duì)EA的熒光猝滅作用歸因于咔唑化合物作為電子給體而EA作為電子受體的光致電子轉(zhuǎn)移作用. 三個(gè)咔唑化合物的Stern-Volmer猝滅常數(shù)分別為698、704和1 063 L·mol-1；乙酸基對(duì)咔唑環(huán)的光致電子轉(zhuǎn)移速率幾乎沒(méi)有影響，而溴原子取代能夠增加咔唑化合物對(duì)EA的熒光猝滅程度和光致電子轉(zhuǎn)移速率. 此外，EA在乙腈中的熒光壽命為1.98 ns，而三個(gè)咔唑化合物的雙分子猝滅速率常數(shù)分別為3.52×1011，3.56×1011和5.37×1011L·mol-1·s-1.

痂囊腔菌素A；咔唑化合物；光致電子轉(zhuǎn)移；熒光猝滅

在天然苝醌化合物中，痂囊腔菌素A(EA)有著最高的單重態(tài)氧量子產(chǎn)率，是一種有應(yīng)用前景的光敏劑[2],但由于其來(lái)源有限,因此相關(guān)的研究較少. 1998年，中國(guó)的李聰和臺(tái)虹研究組掌握了實(shí)驗(yàn)室生物合成EA的方法，從而解決了其來(lái)源問(wèn)題. 他們還深入研究了EA的光物理和光化學(xué)性質(zhì)，測(cè)試了EA對(duì)人Hce8693盲腸癌細(xì)胞增殖周期的影響和細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)作用，合成一些EA衍生物并評(píng)價(jià)了光敏活性[3-5]. 此外，其他研究組也有一些新的發(fā)現(xiàn)，如EA對(duì)革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌具有光敏抑制作用[6],EA在光照下能殺死植物細(xì)胞[7],EA能靜態(tài)猝滅肌紅蛋白的內(nèi)源熒光[8], 甲酰胺在DMSO中能動(dòng)態(tài)猝滅EA的熒光[9].

咔唑化合物不僅是好的電子給體[10]，是有機(jī)光導(dǎo)材料的原料，而且有強(qiáng)的生理活性，已作為藥物使用. 咔唑化合物和EA在體外和體內(nèi)有可能并存，因此研究它們之間的光致電子轉(zhuǎn)移作用是有意義的. 本文中作者報(bào)道了EA與三個(gè)咔唑化合物(圖1)，即咔唑(carbazole)、9-咔唑乙酸(carbazol-9-yl-acetic-acid,CEA)和3-溴-9-咔唑乙酸(3-Br-carbazol-9-yl-acetic-acid,3-Br-CEA)之間的光致電子轉(zhuǎn)移作用，目的是為了進(jìn)一步了解EA的光物理性質(zhì)和評(píng)價(jià)取代基對(duì)咔唑化合物光致電子轉(zhuǎn)移速率的影響.

圖1 EA和咔唑化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structures of EA and the carbazole compounds

1 實(shí)驗(yàn)部分

EA由云南大學(xué)李聰研究組通過(guò)生物合成制得[3]. 咔唑(分析純)和乙腈購(gòu)自北京化學(xué)試劑公司. 9-咔唑乙酸和3-溴-9-咔唑乙酸采用微波輻照的方法合成[11]. 乙腈加入P2O5回流4 h后蒸出備用. 紫外-可見(jiàn)光光譜儀是SPECORDUVVis型(AnalytikJenaAG,Germany). 熒光光譜儀是島津RF-540型. 比色皿的規(guī)格為1 cm×1 cm×4 cm.

將EA配成1×10-5mol/L的乙腈溶液，將咔唑、9-咔唑乙酸和3-溴-9-咔唑乙酸分別配成5×10-3mol/L的乙腈溶液. 所有溶液均通氬氣除氧. 實(shí)驗(yàn)中，首先分別單獨(dú)測(cè)定這四個(gè)化合物的紫外-可見(jiàn)光譜和熒光光譜，然后分別測(cè)定EA和單個(gè)咔唑化合物的混合物的吸收光譜. 熒光猝滅實(shí)驗(yàn)測(cè)量單個(gè)咔唑化合物對(duì)EA熒光的猝滅. 測(cè)定時(shí)取EA溶液3 mL加入到比色皿中，依次取一定體積的單個(gè)咔唑化合物的乙腈溶液加入到比色皿中，測(cè)定熒光光譜.

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外-可見(jiàn)光譜

三個(gè)咔唑化合物的最長(zhǎng)紫外-可見(jiàn)光的吸收波長(zhǎng)比EA的短(表1). 咔唑化合物在這些特征吸收峰的長(zhǎng)波方向沒(méi)有可見(jiàn)光的吸收，而且這些特征吸收峰與EA的相距較遠(yuǎn)(> 100 nm) . 當(dāng)波長(zhǎng)> 400 nm時(shí)，EA與咔唑、咔唑-9-乙酸或3-溴-咔唑-9-乙酸混合物的吸收光譜只是EA本身的吸收光譜[8].

表1 四個(gè)化合物在乙腈中的紫外-可見(jiàn)光和熒光光譜特征峰Table 1 Characteristic peaks of the four compounds in acetonitrile

2.2 熒光光譜

圖2 3-溴-9-咔唑乙酸猝滅痂囊腔菌素A的熒光Fig.2 Fluorescence of Elsinochrome A quenched by 3-Br-Carbazol-9-yl-acetic acid

三個(gè)咔唑化合物的最長(zhǎng)熒光激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)都比EA(584 nm)的短(表1). 由于EA與咔唑化合物的紫外吸收峰和熒光發(fā)射峰波長(zhǎng)差異大，因此對(duì)EA和咔唑化合物的混合溶液，用470 nm激發(fā)波長(zhǎng)可以選擇性的激發(fā)EA. 咔唑、9-咔唑乙酸或3-溴-9-咔唑乙酸的加入，對(duì)EA的熒光有猝滅作用，但是沒(méi)有改變熒光光譜的形狀. EA的熒光強(qiáng)度隨咔唑化合物的濃度增大而降低(圖2). 咔唑化合物的紫外和熒光波長(zhǎng)都比EA的短，因而激發(fā)單重態(tài)能量比EA高，所以猝滅作用不可能發(fā)生從激發(fā)態(tài)EA到咔唑化合物的能量轉(zhuǎn)移. 張曼華等報(bào)道了在無(wú)氧條件下，竹紅菌甲素(HA)和乙素(HB)的熒光被胺類(lèi)化合物如N,N-二乙基苯胺猝滅，通過(guò)自由能(ΔG)的估算、吸收光譜、順磁共振波譜和激光閃光光解的研究，認(rèn)為是發(fā)生了從基態(tài)的胺類(lèi)分子向激發(fā)態(tài)的竹紅菌甲素光致電子轉(zhuǎn)移的作用[12]. 張宏等觀察到咔唑向熒光素的分子內(nèi)的光致電子轉(zhuǎn)移反應(yīng). 在這些研究的基礎(chǔ)上，我們推斷是發(fā)生了咔唑作為電子給體，EA作為電子受體的光致電子轉(zhuǎn)移作用[10].

2.3 討論

猝滅過(guò)程遵循Stern-Volmer方程:

其中F0為無(wú)猝滅劑時(shí)的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為加入給定濃度的猝滅劑時(shí)的熒光強(qiáng)度，KSV為Stern-Volmer猝滅常數(shù)，[Q]是猝滅劑的濃度，kq為雙分子猝滅速度常數(shù)，τ0為熒光壽命. 圖3是Stern-Volmer熒光猝滅曲線. 咔唑、9-咔唑乙酸和3溴-9-咔唑乙酸的KSV分別為：698 L·mol-1(R=0.984)，704 L·mol-1(R=0.961)和1 063 L·mol-1(R=0.981). 咔唑和9-咔唑乙酸的KSV差別不大，這說(shuō)明在乙腈溶液中乙酸基對(duì)咔唑環(huán)的給電子作用影響不大[13]. 3溴-9-咔唑乙酸的KSV較大，說(shuō)明咔唑環(huán)上的溴原子對(duì)咔唑環(huán)的給電子作用影響較大[14].

李聰?shù)葓?bào)道EA、竹紅菌甲素(HA)和乙素(HB)在環(huán)己烷中的三重態(tài)壽命分別為5.2、4.5和4.0 μs，與分子的平面性次序(EA>HA>HB)相符合[4]. 線性回歸表明三個(gè)值在一條直線上(Y=-0.60X+5.77，R2=0.991，圖4). HA和HB在乙腈中的τ0值分別為1.50和1.02 ns[12]，其直線方程是Y=-0.48X+2.46. 由于結(jié)構(gòu)的相似性，有可能可以用同一種構(gòu)效關(guān)系來(lái)描述，認(rèn)為EA的τ0值與HA和HB的也在這一條直線上(圖4)，那么EA的τ0值估計(jì)為1.98 ns. 由此可以估算出咔唑、9-咔唑乙酸和3溴-9-咔唑乙酸的kq值分別為3.52×1011，3.56×1011和5.37×1011L·mol-1·s-1.

HA和HB在乙腈中與電子給體BNAH間的光致電子轉(zhuǎn)移的kq分別為1.84×1011和1.86×1011L·mol-1·s-1[15]，則HA和HB的KSV應(yīng)分別為276和190 L·mol-1，是EA與三個(gè)咔唑化合物間KSV值的18%～40%. HA、HB與電子給體N,N二乙基苯胺(DEA)之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移作用的kq分別為0.228×1011和0.234×1011L·mol-1·s-1[12]，HA和HB的KSV應(yīng)分別為34和24 L·mol-1，僅是EA與三個(gè)咔唑化合物間KSV的2.2%～4.9%. 這說(shuō)明EA與三個(gè)咔唑化合物之間的光致電子轉(zhuǎn)移速率是比較大的,但是小于甲酰胺在DMSO中動(dòng)態(tài)猝滅EA熒光的KSV(1 545 L·mol-1)[9].

EA與三個(gè)咔唑化合物之間的光致電子轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)是在缺氧的情況下進(jìn)行的. 根據(jù)HA和HB的光致電子轉(zhuǎn)移的研究結(jié)果[1]我們推斷，在光照條件下EA被激發(fā)到激發(fā)單重態(tài)(1EA)，然后部分可以通過(guò)系間竄躍(isc)過(guò)渡到相對(duì)長(zhǎng)壽命的三重態(tài)(3EA)，它們與電子給體咔唑化合物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，EA生成單電子還原產(chǎn)物半醌負(fù)離子自由基，咔唑化合物則生成氧化產(chǎn)物正離子自由基. 以EA與咔唑間的光致電子轉(zhuǎn)移為例，反應(yīng)式如圖5所示.

圖3 三個(gè)咔唑化合物的熒光猝滅曲線Fig.3 Fluorescence quenching curves of the three carbazole compounds

圖4 痂囊腔菌素A、竹紅菌甲素和乙素實(shí)測(cè)的三重態(tài)壽命和熒光壽命Fig.4 Triplet state and fluorescence lifetimes of elsinochrome A, hypocrellin A and B

圖5 痂囊腔菌素A與咔唑之間的光致電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)Fig.5 Photoinduced electrontransfer between elsinochrome A and carbazole

3 結(jié)論

在光照缺氧的條件下，三個(gè)咔唑化合物對(duì)EA的熒光猝滅作用是由EA與咔唑化合物間的光致電子轉(zhuǎn)移作用引起的. EA是電子受體，咔唑化合物是電子給體. 乙酸基對(duì)咔唑環(huán)的光致電子轉(zhuǎn)移速率幾乎沒(méi)有影響,但是咔唑環(huán)上的溴原子增加了EA的熒光猝滅程度和光致電子轉(zhuǎn)移速率. 與HA和HB比較，EA與咔唑化合物之間的光致電子轉(zhuǎn)移速率較大，這對(duì)光動(dòng)力作用是有利的.

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Photoinducedelectron-transferbetweenelsinochrome
Aandcarbazolechemicals

LAO Wenjian1*, LI Cong2, TAI Hong3, YOU Jinmao4

(1.LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,Gansu,China;
2.SchoolofChemicalScienceandTechnology,YunnanUniversity,Kunming650091,Yunnan,China;
3.TheFirstPeople'sHospitalofYunnanProvince,Kunming650032,Yunnan,China;
4.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,QufuNormalUniversity,Qufu273165,Shandong,China)

The fluorescence quenching of elsinochrome A (denoted as EA), a natural perylenequinone, by carbazole, carbazol-9-yl-acetic acid, and 3-Br-carbazol-9-yl-acetic acid under anaerobic condition was studied. The fluorescence lifetime of EA in acetonitrile was estimated from the lifetimes of hypocrellin A and hypocrellin B; and the bimolecular quenching rate constants of the three carbazole compounds were calculated accordingly. Results indicate that the three carbazole compounds exhibit no absorbance in the visible light absorbance area of EA. Hence it can be inferred that they quench the fluorescence of EA by photoinduced electron transfer with carbazole compounds as the donors and EA as the acceptor. In the meantime, the quenching constants of the three carbazole compounds are 698, 704 and 1 063 L·mol-1, respectively. Besides, the acetic acid group has almost no effect on photoinduced electron transfer rate, while the substitution of bromine atom on carbazole ring increases the photoinduced electron transfer rate. Moreover, EA in acetonitrile has a fluorescence lifetime of 1.98 ns, and the bimolecular quenching rate constants of the three carbazole compounds are 3.52×1011, 3.56×1011and 5.37×1011L·mol-1·s-1, respectively.

elsinochrome A; carbazole compound; photoinduced electron transfer; fluorescence quenching

2013-12-21．

勞文劍(1968-)，男，研究方向?yàn)榉蛛x分析科學(xué).*

, E-mail: laowjbj@hotmail.com.

O 644.12

A

1008-1011(2014)03-0260-04