Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 500, № 1, стр. 26-33

ВВЕДЕНИЕ

Наличие в структуре молекулы полиеновой цепи объединяет, казалось бы, абсолютно разные вещества: природные соединения каротиноиды и синтетический полимер поливинилхлорид (ПВХ), подвергнутый деградации (например, УФ-облучению или нагреванию).

Каротиноиды жизненно необходимы человеку, так как эти вещества выполняют защитные функции антиоксидантов и нейтрализуют свободные радикалы в организме человека, обладают провитаминными, иммуностимулирующими и лечебно-профилактическими свойствами [1, 2]. Каротиноиды не синтезируются в организме человека и поступают в него только с пищей (в основном, с овощами и фруктами), а также в составе биодобавок, лечебных и косметических средств для наружного применения.

Свойства каротиноидов (провитаминная активность, биодоступность, антиоксидантные свойства) зависят как от химической структуры молекулы, так и от изомерного состава молекул каждого каротиноида [1, 3, 4]. Изомерный состав каротиноидов может меняться под воздействием внешних факторов, например, УФ-облучения или нагревания. Ввиду этого очень важно определять не только содержание и химический состав, но и изомерный состав каротиноидов в биотканях, продуктах питания, лекарственных препаратах.

ПВХ широко используется во многих сферах деятельности человека, в том числе для производства строительных материалов, изоляции кабелей, одноразовых медицинских изделий и искусственной кожи [5, 6]. Однако под воздействием УФ-излучения или повышенной температуры вследствие выделения хлористого водорода (HCl) в ПВХ образуются полиены [5–9]. Содержание и распределение по длинам полиенов в ПВХ зависит от способа деградации и значительно влияет на свойства (электрические, оптические, механические) этого полимера [5–9]. Признаком образования полиенов в ПВХ является изменение цвета (пожелтение) полимера, которое начинает наблюдаться, когда потери HCl достигают 0.1% [7]. Для изучения процессов деградации и улучшения эксплуатационных свойств ПВХ необходимы более точные методы определения содержания и распределения по длинам полиенов – при потерях HCl от 0.0001% [7].

Таким образом, актуальной задачей является структурный анализ природных и синтетических соединений, содержащих полиены. Такой анализ может быть эффективно проведен методом спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света, так как резонансное усиление интенсивности линий КР полиенов при возбуждении спектров излучением с длиной волны в видимой области позволяет детектировать полиены в очень малых концентрациях (при потерях HCl менее 0.0001% в случае ПВХ) [7]. При возбуждении спектров КР лазерным излучением с определенной длиной волны резонансные условия оптимальны для полиенов с конкретной длиной [9], и это дает возможность селективно исследовать полиены разной длины [5].

Спектроскопия КР света – это высокоинформативный и неразрушающий метод анализа молекулярных веществ [10]. В настоящее время спектроскопия КР все чаще используется для исследования биотканей, анализа состава и качества пищевых продуктов, лекарственных и косметических препаратов, структуры полимерных изделий и степени их деградации в процессе эксплуатации, во многих других практических применениях. Этот метод также применялся при исследовании каротиноидов в чистом виде, биотканей [11, 12] и ПВХ, подвергнутого термо- и фотодеградации [5, 9, 13]. Как для каротиноидов [14], так и для деградированного ПВХ [13] были предложены феноменологические формулы, связывающие частоту валентного колебания C=C- связей и длину полиена. Интересно, что традиционно для этих двух классов веществ для оценки длины полиенов используются разные зависимости: экспоненциальная для ПВХ и гиперболическая для каротиноидов [13, 14].

До настоящего времени остаются нерешенными многие задачи спектроскопии КР молекул, содержащих полиеновые цепи. В частности, мало исследована зависимость спектров КР каротиноидов от изомерного состава молекул, и практически нет данных о зависимости спектров КР каротиноидов от наличия боковых и концевых групп. Для ПВХ нет данных о влиянии на линии полиенов колебаний участков молекул ПВХ, которые расположены с двух сторон от полиеновой цепи и могут иметь как разную длину, так и разный конфигурационный состав.

Теоретическое исследование спектров КР каротиноидов является очень полезным вследствие крайне низкой фото-, термо- и окислительной стабильности этих соединений. Кроме того, получение изомеров каротиноидов в чистом виде для экспериментальных исследований является трудоемкой и дорогостоящей процедурой.

Моделирование спектров КР полиенов, встроенных в молекулу ПВХ, является очень важной задачей, так как на практике невозможно приготовить образец ПВХ, в котором содержались бы полиены одной длины или с заданным распределением полиенов по длинам.

Целью данной работы являлось изучение влияния длины сопряжения, структуры боковых и концевых групп, а также типа изомера полиена на спектр КР молекул, содержащих полиеновые цепи.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Были зарегистрированы экспериментальные спектры КР β-каротина и биотканей, содержащих каротиноиды: моркови, листа растения Crassula ovata и рогового слоя кожи ладони человека. Кроме того, был записан спектр КР ПВХ, подвергнутого УФ-облучению и содержащего вследствие фотодеструкции полиены различной длины.

Спектры КР коммерческого кристаллического порошка β-каротина и кожи были записаны при использовании конфокальных микроскопов [15] при длинах волн возбуждающего излучения соответственно 473 и 514 нм. Для регистрации спектров КР деградированного ПВХ, листа и моркови использовался двойной монохроматор U1000 (Jobin Yvon, France) [16] и возбуждающее излучение с длиной волны 532 нм. Спектральное разрешение составляло 4–5 см^–1.

Для моделирования структуры и спектров КР всех исследуемых молекул использовалась теория функционала плотности (ТФП). Расчеты проводились в некоммерческой программе “Природа” с использованием функционала OLYP и расширенного базиса гауссова типа (4z.bas) [16, 17]. Для учета конечной ширины линий в экспериментальных спектрах к рассчитанным спектрам применялась процедура уширения [16]. Для исключения из теоретического анализа зависимости интенсивностей линий КР от длины волны возбуждающего излучения, рассчитывались значения Raman Scattering Activity (R.S.A., формула (4) из работы [16]).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 показаны экспериментальные спектры КР кристаллического β-каротина, моркови, листа Crassula ovata, кожи человека и деградированного ПВХ. Все эти спектры объединяет наличие двух интенсивных линий КР, соответствующих валентным колебаниям С–С- и С=С-связей в полиенах и наблюдающихся около 1150 и 1520 см^–1 соответственно. Малоинтенсивная линия около 1000 см^–1 отвечает деформационным колебаниям боковых СН₃-групп в каротиноидах.

Рис. 1.

Экспериментальные спектры КР деградированного ПВХ (длина волны возбуждения 532 нм), рогового слоя кожи человека in vivo (длина волны возбуждения 514 нм), листа растения Crassula ovata и моркови (длина волны возбуждения 532 нм) и кристаллического β-каротина (длина волны возбуждения 473 нм). На спектрах обозначены положения максимумов линий КР.

С целью определения зависимости спектров КР молекул, содержащих полиеновые цепи, от длины сопряжения и от структуры боковых и концевых групп на основе ТФП были рассчитаны структуры и спектры КР транс-изомеров ряда соединений: полиенов CH₃(–CH=CH–)_nCH₃ различной длины n; молекулы β-каротина, содержащей полиен с 9 С=С-связями; модифицированных молекул β-каротина, в которых боковые или концевые группы замещались соответственно атомами H и CH₃-группами; ликопина, α- и γ-каротинов. Кроме того, расчеты также проводились для полиенов с 9 С=С-связями, в которых концевые CH₃-группы были заменены на группы (–CH₂–CHCl–)_kH, k = 3–6, т.е. последовательностями мономеров винилхлорида различной длины. Такая полиеновая цепь, встроенная в олигомер винилхлорида, представляет собой модель молекулы деградированного ПВХ.

При моделировании структуры и спектров КР молекулы ПВХ следует учитывать ее конфигурационный состав, т.е. расположение атомов хлора относительно углеродного скелета. Промышленный ПВХ является атактическим полимером, в котором атомы хлора расположены беспорядочно по одну и по другую сторону от углеродного скелета. С применением генератора случайных чисел была построена и оптимизирована структура атактического олигомера винилхлорида. Затем из этого олигомера удалили по 9 атомов H и Cl из центральной части каждого олигомера, моделируя таким способом образование полиенов в деградированном ПВХ. В качестве примера, рис. 2 демонстрирует рассчитанные структуры транс-изомеров полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃, β-каротина и полиенов с 9 С=С-связями, встроенных в олигомеры винилхлорида различной длины.

Рис. 2.

Рассчитанные структуры транс-изомеров полиена (n = 9), β-каротина, полиена (n = 9) с 3 и 4 мономерами винилхлорида на концах и полиена (n = 9) с 5 и 6 мономерами винилхлорида на концах.

На рис. 3 приведены рассчитанные зависимости частот валентных колебаний С–С- и С=С-связей в спектрах транс-изомеров полиенов от длины полиена n. Были проанализированы полиены с числом С=С-связей от 7 до 12, так как в этот диапазон попадают наиболее важные для жизнедеятельности человека каротиноиды. Из рис. 3 видно, что частоты валентных колебаний С–С- и С=С-связей уменьшаются с увеличением длины сопряжения в полиене. Полученная на основе ТФП зависимость для полиенов с n = 7–12 находится в согласии с экспериментальными данными из работ [14, 18].

Рис. 3.

Зависимость частот валентных колебаний C–C- и C=C-связей в рассчитанных спектрах КР от количества сопряженных C=C-связей для транс-изомеров следующих молекул: полиенов CH₃(–CH=CH–)_nCH₃ (n = 7–12), α-, β-, γ-каротинов, ликопина, полиена (n = 9) с 3 и 4 мономерами винилхлорида на концах и полиена (n = 9) с 5 и 6 мономерами винилхлорида на концах. Для γ-каротина и ликопина наблюдается расщепление линии, отвечающей валентным колебаниям С–С-связи.

Частоты валентных колебаний С=С связей для полиенов, встроенных в олигомеры винилхлорида разной длины, и для ликопина совпадают с частотами для полиенов CH₃(–CH=CH–)_nCH₃ (рис. 3). Этот результат подтверждает, что частота валентных колебаний С=С связей для транс-изомеров полиенов определяется, в основном, числом этих связей. В случае α-, β- и γ-каротинов частоты валентных колебаний С=С-связей меньше, чем частоты для полиенов. Этот результат объясняется тем, что С=С-связь в концевых группах (иононовых кольцах) этих каротиноидов находится в частичном сопряжении с полиеновой цепью, и, как следствие, длина сопряжения для этих каротиноидов больше, чем длина полиеновой цепи [14].

В области валентного колебания С–С-связей в спектрах полиенов, встроенных в олигомеры винилхлорида, и α- и β-каротинов наблюдается только одна интенсивная линия, в то время как для γ-каротина и ликопина – дублет интенсивных линий. Из рис. 3 видно, что частота валентного колебания С–С-связей сложным образом зависит от длины полиена, структуры концевых и боковых групп.

На рис. 4 приведены рассчитанные спектры КР полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃, полиенов с 9 С=С-связями, встроенных в олигомеры винилхлорида, β-каротина, модифицированных молекул β-каротина, в которых все боковые или все концевые группы замещались атомами H и CH₃-группами соответственно.

Рис. 4.

Рассчитанные спектры КР транс-изомеров следующих молекул: полиена (n = 9) с различными концевыми группами (СН₃-группами или последовательностями мономеров винилхлорида), β-каротина и модифицированных молекул β-каротина: 2e0s – концевые группы (иононовые кольца) заменены на CH₃-группы; 0e4s – боковые CH₃-группы заменены атомами водорода.

Из рис. 3 и 4 видно, что в спектрах полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃ и полиенов с 9 С=С-связями, встроенных в олигомеры винилхлорида, т.е. имеющих одинаковую длину сопряжения, частота и форма линии валентного колебания С=С-связей одинаковые.

Как уже было сказано выше, длина сопряжения для β-каротина больше, чем для полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃. При сравнении спектров этих соединений видно, что интенсивность линий, соответствующих валентным колебаниям С–С- и С=С-связей, увеличивается при увеличении длины сопряжения. Этот результат также подтверждается расчетами, приведенными в работе [16].

Значение частоты валентных С–С-колебаний для β-каротина, превышающее частоту этих колебаний для полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃, можно объяснить только влиянием боковых групп. Этот вывод подтверждают рассчитанные спектры КР модифицированных молекул β-каротина, в которых все боковые или все концевые группы замещались атомами H- и CH₃-группами соответственно. При удалении концевых групп в молекуле β-каротина длина сопряжения становится меньше, и линии валентных колебаний С–С- и С=С-связей смещаются в высокочастотную область спектра. Этот результат также подтверждается приведенной на рис. 3 зависимостью для полиенов. При удалении всех боковых групп в молекуле β-каротина частота валентного колебания С=С-связей не меняется, так как не меняется длина сопряжения, а линия валентного колебания С–С-связей значительно смещается в низкочастотную область спектра. При удалении всех боковых групп также исчезает расщепление линий, отвечающих валентным колебаниям С–С- и С=С-связей, и пропадает линия КР около 1000 см^–1, соответствующая деформационным колебаниям боковых СН₃-групп. При этом интенсивности линий КР значительно возрастают, что мы объясняем выпрямлением полиеновой цепи и исчезновением расщепления линий.

Таким образом, можно сделать вывод, что частота валентного колебания С=С-связей в основном определяется длиной сопряжения, а частота валентного колебания С–С-связей зависит как от длины сопряжения, так и от структуры боковых и концевых групп. На интенсивность линий, отвечающих валентным колебаниям С–С- и С=С-связей, влияют длина сопряжения, масса концевых групп, наличие заместителей в полиеновой цепи, приводящее к изгибу цепи и расщеплению линий в спектре.

Для демонстрации зависимости спектров КР полиенов и каротиноидов от типа изомера на рис. 5 приведены спектры КР изомеров полиенов с n = 9 и 11, β-каротина и ликопина. Изомеры 3-цис- и 7‑цис-полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃ соответствуют 9-цис- и 13-цис-изомерам β-каротина, а изомер 9-цис-полиена CH₃(–CH=CH–)₁₁CH₃ соответствует 13-цис-изомеру ликопина.

Рис. 5.

Рассчитанные спектры КР: а – транс- и 9-цис-изомеров β-каротина, транс- и 3-цис-изомеров полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃; б – транс- и 13-цис-изомеров β-каротина, транс- и 7-цис-изомеров полиена CH₃(–CH=CH–)₉CH₃; в – транс- и 13-цис-изомеров ликопина, транс- и 9-цис-изомеров полиена CH₃(–CH=CH–)₁₁CH₃.

Из рис. 5 видно, что спектры КР изомеров каротиноидов заметно отличаются, и это потенциально позволяет различать изомеры этих соединений по спектрам КР. В спектрах 13-цис-изомеров β-каротина и ликопина возникает заметное расщепление обеих линий. Из сравнения спектров, приведенных на рис. 5, следует, что полиены с n = 9 и 11 не могут быть использованы в качестве модели для описания спектров КР цис-изомеров каротиноидов, так как такая модель только частично отражает различия в спектрах КР транс- и цис-изомеров молекул каротиноидов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приведены теоретические спектры КР ряда веществ, содержащих полиеновые цепи. Расчет был выполнен с использованием теории функционала плотности. Показано, что для транс-изомеров полиенов частота валентного колебания С=С-связей определяется числом С=С-связей в полиене и уменьшается с увеличением длины сопряжения.

Частота валентного колебания С–С-связей для транс-изомеров полиенов зависит сложным образом от длины сопряжения, а также от структуры боковых и концевых групп. При увеличении длины сопряжения частота валентного колебания С–С-связей уменьшается. При увеличении массы концевых групп эта линия смещается в низкочастотную область, а при наличии боковых СН₃-групп значительно смещается в высокочастотную область.

Интенсивность линий, отвечающих валентным колебаниям С–С- и С=С-связей, возрастает с увеличением длины сопряжения и массы концевых групп. Наличие боковых СН₃-групп приводит к изгибу полиеновой цепи в каротиноидах, уменьшению интенсивности и расщеплению линий, соответствующих валентным колебаниям С–С- и С=С-связей.

Наличие атактических последовательностей мономеров винилхлорида (–CH₂–CHCl–)_kH, k = 3–6 не влияет на частоту валентного колебания С=С-связей полиенов в деградированном ПВХ. В связи с этим при изучении связи частоты этого колебания с длиной полиена в деградированном промышленном ПВХ можно заменить расчеты макромолекулы рассмотрением полиена подходящей длины.

Спектры КР цис-изомеров β-каротина и ликопина отличаются от спектров транс-изомеров этих молекул, что потенциально позволяет различать эти вещества по спектрам КР. Показано, что использование полиенов в качестве модельных объектов не подходит для описания спектров КР цис-изомеров каротиноидов.