Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 10
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
УДК 541.64
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ГЕТЕРОЛИГАНДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
ЕВРОПИЯ
© Т. Н. Некрасова1, Н. А. Нестерова1, И. И. Гаврилова1,
В. Д. Паутов
, Е. Ф. Панарин1,2
1 Институт высокомолекулярных соединений РАН,
199004, г. Санкт-Петербург, Большой пр., д. 31
2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29
E-mail: polar@imc.macro.ru
Поступила в Редакцию 12 декабря 2018 г.
После доработки 4 июля 2019 г.
Принята к публикации 4 июля 2019 г.
Синтезированы водорастворимые полимерные комплексоны — сополимеры N-винилпирролидона с
N-аллил-п-аминосалициловой кислотой с низким содержанием хелатных звеньев. Исследовано фор-
мирование на их основе гетеролигандных комплексов с Eu3+. Установлено, что комплексообразование
Eu3+ с полимерным комплексоном и низкомолекулярным органическим солигандом теноилтрифтор-
ацетоном (ТТА) обеспечивает эффективный перенос энергии с молекулярных орбиталей полимерного
лиганда на Eu3+, что позволяет увеличить интенсивность люминесценции Eu3+ в водных растворах
более чем на 1-1.5 порядка. Максимальная интенсивность люминесценции Eu3+ в гетеролигандном
комплексе наблюдается при соотношении [Eu3+]:[COO-] = ~1 и [Eu3+]/[ТТА] = 1.2-1.5. В присутствии
солей одновалентных металлов интенсивность люминесценции ионов Eu3+ практически не изменяется
вплоть до концентрации 0.4 моль·л-1. Добавление солей Ca2+ или Mg2+ приводит к резкому падению
интенсивности люминесценции ионов Eu3+ в растворе.
Ключевые слова: люминесцирующие полимерные комплексы европия; соли; стабильность комплексов
DOI: 10.1134/S0044461819100025
В последние десятилетия интенсивно ведутся ра-
ческих растворителях в зависимости от решаемой
боты по получению и исследованию полимерных
задачи. При использовании ионов лантанидов, напри-
комплексов лантанидов, а также композитов, содер-
мер, Eu3+ как индикаторов в биологии и медицинской
жащих ионы лантанидов [1-4], в которых сочетаются
диагностике всегда нужно иметь в виду, что каждое
уникальные фотофизические свойства лантанидов и
приложение предъявляет особые требования к струк-
полимера (пленкообразование, пролонгирование при
туре лиганда [5]. В качестве макромолекулярных
использовании в медицине, стабильность).
лигандов, образующих карбоксилатные комплексы
Среди различных способов получения полимер-
с ионами лантанидов, часто используют (со)полиме-
ных материалов, содержащих лантанидные комплек-
ры карбоновых кислот (акриловой, метакриловой,
сы, большое внимание уделяется синтезу полимеров
реже салициловой, аминобензойной, малеиновой) с
с хелатными звеньями с последующим их взаимо-
нейтральными сомономерами, такими как метилме-
действием с ионом Ln3+ как в водных, так и органи-
такрилат, стирол [1, 6-8].
1238
Водорастворимые полимерные гетеролигандные комплексы европия
1239
Установление взаимосвязи между строением,
живали 15 мин. Для формирования азометиновых
конформационными характеристиками полимерных
связей между альдегидными группами сополимера
лигандов и люминесцентными свойствами их ком-
и ПАСК рН реакционной среды доводили 1 М ги-
плексов с ионами лантанидов в воде и в растворах,
дроксидом натрия до 11.0. Указанное значение рН
моделирующих биологические жидкости; изучение
поддерживали в течение 3 ч. Окончание реакции
условий формирования полимерных комплексов ио-
контролировали по отсутствию снижения рН от ис-
нов лантанидов, влияния включения в полимерную
ходного в течение 30 мин. Для гидрирования образо-
цепь хелатирущего фрагмента (лиганда), с одной
вавшегося основания Шиффа в реакционную среду
стороны, и иона лантанида, с другой — на конфор-
вносили рассчитанное количество борогидрида на-
мационные характеристики макромолекулярных ме-
трия и выдерживали при перемешивании в течение
таллокомплексов (ММК) представляет как фундамен-
16 ч. Модифицированный сополимер выделяли ко-
тальный, так и практический интерес [9].
лоночной хроматографией в режиме гель-фильтра-
Цель данной работы — синтез новых водораство-
ции. Использовали колонку, упакованную сефадексом
римых полимерных комплексонов с малым содер-
G-25 до объема 140 мл, элюент — вода, скорость
жанием хелатных групп, в которых звенья, несущие
потока элюента 3 мл·мин-1. В хроматографических
N-аллил-п-аминосалициловую кислоту (АСК), для ис-
фракциях контролировали ковалентно связанную с
ключения эффекта соседа отделены друг от друга бло-
полимерной цепью ПАСК по наличию полосы по-
ками, состоящими из звеньев N-винилпирролидона
глощения при 310 нм в УФ-спектре, несвязанная
(ВП); исследование в водных растворах условий
ПАСК поглощает при 299 нм. Обобщенная фракция
формирования и фотолюминесценции их комплек-
модифицированного сополимера выходит первым
сов с ионами европия и низкомолекулярным соли-
пиком, ее выделяли методом лиофильной сушки.
гандом — теноилтрифторацетоном (ТТА); оценка
Содержание звеньев N-аллил-п-аминосалициловой
стабильности комплексов в присутствии неорганиче-
кислоты в конечном сополимере определяли метода-
ских солей. Eu3+ люминесцирует в красной области
ми кондуктометрии и потенциометрии. Результаты
макс = 613 нм), благодаря чему его комплексы на-
обоих методов практически совпадают, содержание
ходят применение в качестве сенсоров в биологии и
звеньев АСК составляет 4.2 мол%.
медицине для визуализации и диагностики опухолей
Спектры поглощения растворов сополимеров
в биологических тканях [5].
регистрировали на спектрофотометре Shimadzu
UV-1280 (Япония) и СФ-256 УВИ (ООО ЛОМО
Фототоника, Россия). Спектры возбуждения и лю-
Экспериментальная часть
минесценции растворов записывали на спектрофлу-
Исходный сополимер ВП с диэтилацеталем акро-
ориметре LS-100 (фирма PTI, Канада).
леина (ДААК) был синтезирован по ранее разрабо-
танному методу [10] и содержал 22 мол% звеньев
Обсуждение результатов
диэтилацеталя акролеина, имел молекулярную массу
30·103. Состав сополимера определяли по элемент-
Исходный водорастворимый сополимер ВП с
ному анализу на азот и дополнительно гидроксил-
акролеином был синтезирован путем радикальной
аминным методом. Характеристическую вязкость
сополимеризации ВП с диэтилацеталем акролена с
[η] определяли в вискозиметре Уббелоде при 25°С
последующим удалением защитных групп по ранее
в 0.1 М растворе ацетата натрия. Молекулярную
разработанному авторами методу [10] взаимодей-
массу рассчитывали, используя зависимость
ствием с ПАСК и гидрированием образовавшегося
[η] = 8.86·10-5М0.74 [11].
основания Шиффа борогидридом натрия, что приво-
В работе использовали: 4-аминосалициловую
дило к получению конечного тройного сополимера
кислоту, 99% (фирмы Acros Organics, Бельгия),
N-винилпирролидона с N-аллил-п-аминосалициловой
Тпл = 122°С; борогидрид натрия, 95% (фирмы Вектон,
кислотой и аллиловым спиртом (см. схему).
Россия), Тпл = 505°C.
В спектрах поглощения раствора сополимера с
В исходном сополимере проводили удаление за-
полностью ионизованными группами (рН 8.5) на-
щитных групп 0.1 М раствором соляной кислоты
блюдается смещение полос в коротковолновую об-
при 50°С в течение 3 ч. Затем раствор охлаждали до
ласть по сравнению со спектрами раствора сополи-
комнатной температуры, добавляли рассчитанное
мера с неионизованными звеньями АСК (рН 3). При
количество п-аминосалициловой кислоты (ПАСК)
этом полоса с λмакс = 317 нм расщепляется на две с
при перемешивании на магнитной мешалке, выдер-
λмакс = 282 и 310 нм. На рис. 1 приведены спектры
1240
Некрасова. Т. Н. и др.
Схема синтеза П(ВП-АСК)
возбуждения и люминесценции водных растворов
область на 5 нм, при этом интенсивность люминес-
исследуемого сополимера при разных рН. При воз-
ценции уменьшается почти в 2.5 раза.
буждении в полосе поглощения водные растворы
Образование комплексов между карбоксильны-
сополимеров люминесцируют в области 350-500 нм.
ми группами и ионами лантанидов происходит при
Как и в спектрах поглощения, при понижении рН до 3
нейтральных и слабощелочных рН. Исследование
положение максимума смещается в длинноволновую
взаимодействия сополимера с ионами Eu3+ проводили
при рН ~ 8.5 (при полной ионизации карбоксиль-
ных групп добавлением рассчитанного количества
0.01 М NaOH). При добавлении к водному раствору
сополимера раствора Eu(NO)3 спектры поглощения
в области 250-550 нм не изменяются. Одновременно
в спектрах люминесценции раствора интенсивность
полосы люминесценции АСК падает в 3 раза, но лю-
минесценция европия не наблюдается. Полученный
результат свидетельствует о том, что поглощенная
АСК энергия электронного возбуждения (ЭЭВ) пере-
дается иону европия, но переданная энергия расходу-
ется на внутрисистемные безызлучательные процес-
сы [12]. Для уменьшения вкладов безызлучательных
процессов и усиления люминесценции (антенного
эффекта) полимерных комплексов Eu3+ используются
Рис. 1. Спектры возбуждения (1, 1′) П(ВП-АСК) и
люминесценции (2, 2′) водных растворов сополимера
те же подходы, что и для низкомолекулярных коор-
П(ВП-АСК), pH 8.5 (1, 2) и 3 (1′, 2′).
динационных соединений Eu3+, т. е. формирование
Водорастворимые полимерные гетеролигандные комплексы европия
1241
до 16.6 (0.06) по мере увеличения концентрации ТТА
свидетельствуют о перестройке лигандов во внутрен-
ней сфере комплекса.
На рис. 3 приведены зависимости I613 свободных
ионов Eu3+ в воде (1) и ионов Eu3+ в комплексе с
П(ВП-АСК) (2) в растворе при добавлении ТТА при
[Eu3+]:[COO-] = 0.3 и 1.
Из рис. 3 видно, что включение ионов Eu3+ в по-
лимерный комплекс приводит к повышению интен-
сивности его люминесценции более чем на порядок.
Полимерный эффект, наблюдаемый для (со)полиме-
ров с высоким содержанием координирующих групп
[1], в данном случае проявляется и в сополимерах с
Рис. 2. Спектры возбуждения (1, 1′) и фотолюминес-
их низким содержанием. Связывание поливалент-
ценции (2, 2′) комплекса [Eu3+]:[СОО-] = 1 в воде
при сТТА = 0.9·10-6 (1′, 2′) и 3.5·10-6 (1, 2).
ных ионов карбоксилсодержащими (со)полимерами
при нейтральных и слабощелочных рН происходит,
как правило, одновременно за счет донорно-акцеп-
гетеролигандных комплексов добавлением органи-
торных и ионных взаимодействий и сопровожда-
ческого лиганда, способного переносить энергию,
ется компактизацией макромолекулярного клубка
поглощенную хромофорами, на ион лантанида. В ка-
[13, 14] в результате формирования связей не толь-
честве солигандов для получения люминесцирующих
ко между соседними, но и удаленными вдоль цепи
комплексов Eu3+ часто используют теноилтрифтор-
COO--группами. Свободные ионы редкоземельных
ацетон (ТТА) или фенантролин.
элементов координируют, как правило, 8-9 молекул
На рис. 2 приведены спектры возбуждения и фо-
воды. Следствием образования ионных связей между
толюминесценции водных растворов [П(ВП-АСК) +
COO--группами и ионом Eu3+ является уменьшение
+ Eu3+] при разном соотношении [ТТА]:[Eu3+].
числа координационно связанных молекул воды до
Изменение соотношения интенсивностей полос в
3.9 [10]. Компактизация макромолекулярного клуб-
спектрах возбуждения Eu3+ в растворе сополиме-
ка приводит также к повышению заторможенности
ра, содержащем ТТА, и изменение люминесценции
внутримолекулярных движений в цепи макромолеку-
сверхчувствительного электродипольного (615 нм) и
лы [13]. Введение нейтрального лиганда в комплекс
магнитно-дипольного переходов (591 нм) от 9.2 (0.1)
обеспечивает дополнительную ступень передачи ЭЭВ
с триплетных уровней лигандов (ароматического
карбоксилат-иона и ТТА) на резонансный уровень
иона европия. Совокупность этих факторов способ-
ствует многократному увеличению интенсивности
люминесценции полимерного комплекса по сравне-
нию с низкомолекулярным. Кроме того, полимерный
эффект обусловлен тем фактом, что в (со)полимерах
СОО--группы находятся в менее полярном окруже-
нии по сравнению с низкомолекулярными лигандами,
что обеспечивает более высокие константы связыва-
ния поливалентных ионов по сравнению с низкомо-
лекулярными моделями [15].
Как отмечалось выше, в (со)полимерах с высо-
ким содержанием СОО--групп высока вероятность
формирования координационно несовершенных ком-
плексов, т. е. образование комплекса, в котором один
ион Eu3+ будет координировать три COO--группы,
затруднен в силу стерических ограничений. В слу-
Рис. 3. Зависимость I613 свободных ионов Eu3+ (1) и в
комплексе с П(ВП-АСК) (2, 3) от концентрации ТТА
чае, когда одна COO--группа приходится на 20-25
при значениях [Eu3+]:[COO-] = 0.3 (2) и 1 (3).
нейтральных мономерных звеньев, т. е. среднее рас-
Значения I613 на кривой 3 следует умножить на 2.8.
стояние между ними составляет ~60 Å, предпочти-
1242
Некрасова. Т. Н. и др.
тельными являются структуры, в которых на один
интенсивность полосы люминесценции сополимера
ионов Eu3+ приходится одна или две СОО--группы.
возрастает, а люминесценция ионов европия I613 па-
При исследовании зависимости I613 от соотношения
дает, что свидетельствует об уменьшении эффектив-
[Eu3+]:[COO-] в комплексе с ТТА было обнаружено,
ности передачи ЭЭВ на ион европия в результате
что рост I613 происходит в интервале отношений
замены связи Eu3+-СОО- на Са2+-СОО-.
[Eu3+]:[COO-] = 0.6-1, т. е. оптимальным является
Замена аниона Cl- на SO42- при одновалент-
связывание одной СОО--группой 1-2 ионов Eu3+.
ном катионе приводит к тушению люминесценции.
На рис. 3 приведены зависимости I613 ионов ев-
При концентрации Na2SO4 0.66 моль·л-1 полимер
ропия в растворе комплекса [Eu3+]:[COO-] от кон-
выпадает из раствора. Na2SO4 в отличие от NaCl
центрации ТТА при отношении [Eu]:[COO-] = 0.3 и
является более «жестким» осадителем, кроме того,
1 (кривые 2 и 3 соответственно). Концентрация, при
замена в комплексе с европием Cl- аниона на SO42-
которой интенсивность люминесценции перестает
приводит к образованию менее растворимого ком-
возрастать, соответствует насыщению всех мест свя-
плекса.
зывания. При отношении [Eu]:[COO-] = 0.3 или 1 это
соответствует составу [ТТА]/[Eu3+] = 1.2.
Выводы
Использование гетеролигандных комплексов ев-
1. На основе п-аминосалициловой кислоты и со-
ропия в качестве люминесцирующих зондов в ме-
полимера N-винилпирролидона с акролеином син-
дицине и биологии с целью визуализации биоткани
тезированы новые водорастворимые полимерные
требует исследования их люминесцентных свойств и
лиганды для связывания ионов европия. Показано,
устойчивости в условиях, приближающихся к физи-
что формирование гетеролигандных комплексов Eu3+
ологическим, по крайней мере в присутствии ионов
с синтезированными сополимерами и низкомолеку-
Na+, K+, Mg2+, Ca2+ (рис. 4). При добавлении NaCl
лярным лигандом теноилтрифторацетоном (ТТА)
отношение I613/I0613 остается практически постоян-
позволяет увеличить интенсивность люминесценции
ным до сNaCl ~ 0.4 моль·л-1, а затем резко возрастает
ионов Eu3+ в водных растворах более чем на порядок
примерно в 1.5 раза; при добавлении CaCl2 величина
по сравнению с индивидуальным комплексом.
I613/I0613 не изменяется лишь до сCaCl2 ≤ 0.04 моль·л-1,
2. Максимальная интенсивность люминесцен-
а при сCaCl2 ~ 0.8 моль·л-1 падает до нуля. Замена
ции Eu3+ в гетеролигандном комплексе наблюдается
CaCl2 на MgSO4 вызывает полное тушение люминес-
при отношении [Eu3+]:[COO-] = ~1 и [Eu3+]/[ТТА] =
ценции при сMgSO4 = 0.1 моль·л-1. Уменьшение I613
= 1.2-1.5. Однозарядные ионы неорганических со-
при добавлении ионов Ca2+ или Mg2+ обусловлено,
лей практически не влияют на I613 водных растворов
по-видимому, вытеснением ионов европия из ком-
комплексов [Eu3+]:[СОО-]:[ТТА]. Добавление двухва-
плекса с сополимером и ТТА. Это предположение
лентных катионов Mg2+ или Ca2+ приводит к резкому
следует из анализа спектров люминесценции раство-
падению I613, обусловленному вытеснением ионов
ров сополимера. При добавлении СаCl2 или MgSO4
Eu3+ из комплекса.
Финансирование работы
Работа выполнена при финансовой поддержке
Российского научного фонда, грант № 18-13-00324.
Конфликт интересов
Панарин Е. Ф. заявляет, что он является заме-
стителем главного редактора «Журнала прикладной
химии», у остальных соавторов конфликт интересов,
требующий раскрытия в данной статье, отсутствует.
Информация об авторах
Панарин Евгений Федорович, проф., член-корр.
Рис. 4. Зависимость I613/I0613 комплекса [Eu3+]:[СОО-]:
РАН, д.х.н., научный руководитель ИВС РАН, ORCID:
:[ТТА] = 1:1.4:1.8 в воде от концентрации добавленной
https://orcid.org/0000-0002-7005-5838
соли NaCl (1), CaCl2 (2), MgSO4 (3), Na2SO4 (4).
Водорастворимые полимерные гетеролигандные комплексы европия
1243
Некрасова Татьяна Николаевна, к.х.н., старший
J. 1998. V. 34. N 1. P. 23-29. https://doi.org/10.1016/
научный сотрудник ИВС РАН, ORCID: https://orcid.
S0014-3057(97)00080-3
org/0000-0001-8395-4843
[8] Gao B., Zhang W., Zhang Z., Lei Q. Preparation of
Гаврилова Ирина Иосифовна, научный сотрудник
polymer-rare earth complex using salicylic ac-
ИВС РАН, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1900-
id-containing polystyrene and its fluorescence emis-
125X
sion property // J. Lumin. 2012. V. 132. N 8. P. 2005-
Нестерова Наталья Александровна, младший на-
2011. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.01.055
учный сотрудник ИВС РАН, ORCID: https://orcid.
[9] Помогайло А. Д., Уфлянд И. Е. Макромолекулярные
org/0000-0002-5459-3513
металлохелаты. М.: Химия, 1991. С. 33-70.
Паутов Владимир Дмитриевич (1947-2019),
[10] Панарин Е. Ф., Гаврилова И. И., Нестеров В. В.
д.ф.-м.н., ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1861-
Синтез и свойства сополимеров винилпирро-
5866
лидона с диэтилацеталем акролеина // Высоко-
молекуляр. соединения. 1978. Т. 20Б. № 1. С. 66-69.
[11] Павлов Г.М., Панарин Е.Ф., Корнеева Е.Ф., Ку-
Список литературы
рочкин К. В., Байков В. Е., Ушакова В. Н.
Гидродинамические свойства молекул поливи-
[1] Карасев В. Е., Петроченкова Н. В. Лантанид-
нилпирролидона по данным седиментацион-
содержащие полимеры. Владивосток: Дальнаука,
но-диффузионного анализа и вискозиметрии //
2005. С. 62-89.
Высокомолекуляр. соединения. 1990. Т. 32А. № 6.
[2] Bochkarev M. N., Pushkarev A. P. Synthesis and lumi-
С. 1190-1196.
nescence of some rare earth metal complexes // Org.
[12] Уточникова В. В., Кузьмина Н. П. Фотолюми-
Photonics Photovolt. 2016. V. 4. P. 60-67. https://doi.
несценция ароматических карбоксилатов лан-
org/10.1515/oph-2016-0007
танидов // Координац. химия. 2016. Т. 42. № 10.
[3] Bünzli J.-C. G. Review: Lanthanide coordination
C. 640-656. DOI: 10.78868/S0132344X16090073
chemistry: from old concepts to coordination poly-
[Utochnikova V. V., Kuzmina N. P. Photoluminescence
mers // Rev. J. Coord. Chem. 2014. V. 67. N 23-24.
of lanthanide aromatic carboxylates // Russ. J. Coord.
P. 3706-3733. https://doi.org/10.1080/00958972.201
Chem. 2016. V. 42. N 10. P. 679-694. https://doi.
4.957201
org/10.1134/S1070328416090074].
[4] Каткова М. А., Витухновский А. Г., Бочкарев М. Н.
[13] Ануфриева Е. В., Громова Р. А., Кондратьева Е. В.,
Координационные соединения редкоземельных
Паутов В. Д., Шевелева Т. В. Взаимодействие ио-
металлов с органическими лигандами для элек-
нов редкоземельных элементов с макромолекула-
тролюминесцентных диодов // Успехи химии.
ми карбоновых поликислот // Высокомолекуляр.
2005. T. 74. № 12. С. 1193-1215 [Katkova M. A.,
соединения. 1976. Т. 18Б. № 12. С. 915-918.
Vitukhnovskii A. G., Bochkarev M. N. Coordination
[14] Okamoto S., Vyprachticky D., Furuya H., Abe A.,
compounds of rare-earth metals with organic ligands
Okamoto Y. Ion Binding Properties of Polycarbo-
for electroluminescent diodes // Russ. Chem. Rev. 2005.
xylates Using Terbium(III) as a Fluorescent Probe:
V. 74. N 12. P. 1089-1109. https://doi.org/10.1070/
Viscosities and Coordinated Water Molecules in
RC2005v074n12ABEH002481].
Polycarboxylate-Terbium(III) Complexes in
[5] Bünzli J.-C. G. Lanthanide light for biology
Aqueous Solutions // Macromolecules. 1996. V. 29.
and medical diagnosis // J. Lumin. 2016. V. 170.
P. 3511-3514. https://doi.org/10.1021/ma960251l
P.
866-878. https://doi.org/10.1016/j.jlu-
[15] Паутов В. Д., Ананьева Т. Д., Некрасова Т. Н. //
min.2015.07.033
ЖПХ. 2018. Т. 91. № 3. С. 402-408 [Pautov V. D.,
[6] Qi X., Wang Z., Ma S., Wu L., Yang S., Xu J. Comple-
Anan′eva T. D., Nekrasova T. N. Люминесцентный
xation behavior of poly(acrylic acid) and lanthanide
метод исследования формирования и устойчи-
ions // Polymer. 2014. V. 55. P. 1183-1189. https://doi.
вости макромолекулярных металлокомплексов
org/10.1016/j.polymer.2014.01.051
переходных металлов с карбоксилсодержащими
[7] Du C., Ma L., Xu Y., Zha Y.O, Jiang C. Synthesis and
полимерами в органических растворителях //
photophysical characterization of terbium-polymer
Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. N 3. P. 440-446.
complexes containing salicylate ligand // Eur. Polym.
https://doi.org/10.1134/S1070427218030163].