სპიროპირანი

სპიროპირანი – ორგანული ქიმიური ნაერთი, რომელიც ცნობილია ფოტოქრომული თვისებებით, რაც უზრუნველყოფს მის გამოყენებას სამედიცინო და ტექნოლოგიურ სფეროებში. სპიროპირანი აღმოაჩინეს მეოცე საუკუნის დასაწყისში.  ოციანი წლების შუა ხანებში ფიშერმა და ჰირშბერგინმა დააფიქსირეს მათი ფოტოქრომული მახასიათებლები და შექცევადი რეაქცია . 1952 წელს ფიშერმა და თანამშრომლებმა პირველად დააანონსეს ფოტოქრომია სპიროპირანებში. მას შემდეგ მრავალი კვლევა ჩატარდა ფოტოქრომული ნაერთების შესახებ, რომლებიც გაგრძელდა დღემდე.    

სპიროპირანის წარმოების ორი მეთოდი არსებობს. პირველი შეიძლება იყოს მეთილენის ფუძეების კონდენსაცია ორთო-ჰიდროქსი არომატული ალდეჰიდებით (ან მეთილენის ფუძეების წინამორბედის კონდენსაცია). სპიროპირანი შეიძლება სინთეზირდეს ალდეჰიდის და შესაბამისი ბენზაზოლის მარილების დუღილით პირიდინის ან პიპერიდინის თანაობისას. სპიროპირანის სინთეზის ზოგადი ფორმულა ნაჩვენებია სურათზე 1.
ცენტრი|მინი|798x798პქ|სურათი 1: სპიროპირანის წარმოქმნა მათი ძირითადი სამშენებლო ბლოკებიდან
მეორე გზა არის ორთო-ჰიდროქსი არომატული ალდეჰიდების კონდენსაცია ჰეტეროციკლური კათიონების მარილებთან, რომლებიც შეიცავს აქტიურ მეთილენის ჯგუფებს და იზოლირებული შუალედური სტირილის მარილებს. ამ პროცედურრას მოჰყვება მჟავის ელემენტების მოცილება მიღებული სტირილის მარილისგან, როგორიცაა პერქლორის მჟავა, ორგანული ფუძეებთან ერთად (აირადი ამიაკი ან ამინები).

სპიროპირანი არის 2H-პირანის იზომერი, რომელსაც   მეორე პოზიციის წყალბადის ატომი ჩანაცვლებული აქვს ციკლური ბირთვით, რომელიც მიბმულია პირანის მოლეკულის მეორე პოზიციის ნახშირბადის ატომზე სპირო ბმით. არსებობს ნახშირბადის ატომი, რომელიც საერთოა ორივე ბირთვისთვის, პირანის ციკლისა და ჩანაცვლებული ციკლისთვის. მეორე ბირთვი, ანუ ჩანაცვლებული, ჩვეულებრივ ჰეტეროციკლურია, მაგრამ არსებობს გამონაკლისებიც.

როდესაც სპიროპირანი გახსნილია პოლარულ გამხსნელში ან როდესაც ის იღებს სითბოს ( თერმოქრომიზმი ) ან გამოსხივებას ( ფოტოქრომიზმი ), იგი ხდება ფერადი, რადგან მისი სტრუქტურა იცვლება და იგი გარდაიქმნება მეროციანინის ფორმაში.

სტრუქტურული განსხვავება სპიროპირანისა და მეროციანინის ფორმას შორის არის ის, რომ პირველში რგოლი დახურულ ფორმაშია, მეორეში კი -  გახსნილია. ფოტოქრომია გამოწვეულია C-სპირო-O ბმის ელექტროციკლური რღვევით ფოტოაგზნების ზემოქმედებისას.

ფოტოქრომია არის მოვლენა, რომელიც იწვევს ნივთიერების ფერის ცვლილებას გამოსხივების მეშვეობით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ფოტოქრომია ქიმიური ნივთიერების  შუქით გამოწვეული  ფერის ცვლილებაა. სპიროპირანები ერთ-ერთი ფოტოქრომული მოლეკულებია, რომლებმაც ბოლო დროს უფრო მეტი ინტერესი გამოიწვია. ეს მოლეკულები შედგება ორი ჰეტეროციკლური ფუნქციური ჯგუფისგან, რომლებიც განლაგებულია ორთოგონალურ სიბრტყეებში, რომლებიც დაკავშირებულია ნახშირბადის ატომით. სპიროპირანები ფოტოქრომიის ერთ-ერთი უძველესი წარმომადგენლებია. მყარ მდგომარეობაში სპიროპირანს არ ახასიათებს ფოტოქრომია.  ხსნარში და მშრალ მდგომარეობაში  250ნმ-დან 380ნმ-მდე (დაახლოებით) გამოსხივებას შეუძლია CO-ს ბმის დარღვევით გარდაქმნას სპიროპირანი მის ფერად გასხივებულ მეროციანინის ფორმაში. უფერო მოლეკულების სტრუქტურა, რეაქციის სუბსტრატი (N), უფრო თერმოდინამიკურად სტაბილურია, ვიდრე პროდუქტი - დამოკიდებულია გამხსნელზე, რომელშიც ის ინახება. მაგალითად, NMP- ში (N-მეთილ-2-პიროლიდონი) წონასწორობა შეიძლება უფრო მეტად გადაიხაროს მეროციანინის ფორმაზე (სოლვატოქრომული ეფექტები). სპიროპირანის ფოტოიზომერებს აქვთ ციანინების მსგავსი სტრუქტურა, მიუხედავად იმისა, რომ ის არ არის სიმეტრიული პოლიმეთინის ჯაჭვის ცენტრის მიმართ, კლასიფიცირებულია როგორც მეროციანინი (სურათი 2).
ცენტრი|მინი|450x450პქ| სურათი 2: სპიროპირანი ( 1 ) მეროციანინამდე ( 2 )
დასხივების შეწყვეტის შემდეგ, ხსნარში მყოფი მეროციანინი იწყებს გაუფერულებას და უბრუნდება თავდაპირველ ფორმას, სპიროპირანს (N). Პროცედურა:

 სპიროპირანის დასხივება 250-380 ნმ ტალღის სიგრძის ულტრაიისფერი შუქით ხსნარში არღვევს CO ბმებს.
 შესაბამისად, იცვლება საწყისი მოლეკულის სტრუქტურა, რის შედეგადაც ხდება მეროციანინი (MC). ულტრაიისფერი განათების შემდეგ აშკარა კონიუგირებული სისტემის გამო, MC-ფორმის შთანთქმის კოეფიციენტი მნიშვნელოვნად აღემატება დახურულ სპიროპირანის ფორმას.
 საწყისი ხსნარისგან განსხვავებით, ფოტოქრომიის რეაქციის პროდუქტი არ არის უფერო.
 არომატული სისტემის ჩამნაცვლებიდან გამომდინარე, წარმოებულების გადართვის ქცევა შეიძლება შეიცვალოს მათი გადართვის სიჩქარით და ფოტოდაღლილობის წინააღმდეგობით.

 აპლიკაციები 
სპიროპირანის ფოტოქრომული, თერმოქრომული, სოლვატოქრომული და ელექტროქრომული მახასიათებლები ტექნოლოგიის სფეროში მათ განსაკუთრებულ მნიშვნელოვანს ხდის. მათი აპლიკაციების უმეტესობა ეფუძნება მათ ფოტოქრომიულ თვისებებს.

სპიროპირანებზე, სპიროქსაზინებზე და [2H]ქრომენებზე დაფუძნებული ფოტოქრომული ნაერთები გამოკვლეულია მათი ვერცხლისგან თავისუფალი სინათლისადმი მგრძნობიარე თვისებების გამო, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ოპტიკური ჩაწერის მონაცემებისთვის, მათ შორის თხელი ფირები, ფოტოგამრთველები (სენსორები, რომლებიც არჩევენ გარკვეული ტალღის სიგრძის შუქს), მსუბუქი ფილტრები მოდულირებული ტრანსმისიით და მინიატურული ჰიბრიდული მრავალფუნქციური მასალებით.

იწ გამოსხივებისადმი მგრძნობიარე ახალი მედიის შექმნისა და სპიროპირანის პოტენციალის წყალობით ოპტიკური ჩაწერის მონაცემებისთვის, შესაძლებელია ნახევარგამტარული ლაზერები, როგორც გამოსხივების გამააქტიურებელი წყარო. სპიროპირანი იონური კომპლექსებით და სპიროპირანის კოპოლიმერებით, რომლებიც ფხვნილისა და ფირის მასალების ნაწილია, ასევე გამოიყენება ოპტიკური მონაცემების ჩასაწერად და მისი შენახვის ხანგრძლივობის გაზრდისთვის.

სპიროპირანის სხვა ჯგუფმა, რომელიც შეიცავს ინდოლინს ან აზოტის ჰეტეროციკლებს და ინდოლინსპიროთიაპირანებს, იპოვეს მათი გამოყენება ფოტოქრომული მასალების ფირის ფორმებში პოლიესტერის ფისების გამოყენებით. ფისები მაღალი რეფრაქციული ინდექსით გამოიყენებოდა ფოტოქრომული ლინზების დასამზადებლად. გარდა ამისა, სპიროპირანი გამოიყენება კოსმეტიკაში.

ფოტოქრომულ ნაერთებში შემავალი მოდიფიცირებული სპიროპირანის პოლიმერების ახალმა ტიპებმა გამოყენება ჰპოვეს ფოტორეცეპტორების შესაქმნელად.  როდოპსინთან ერთად, როგორც ნაერთი, მიიღება ფოტოსიგნალის დონის ასამაღლებლად.

სპიროპირანის კიდევ ერთი კოლექცია, რომელიც ხასიათდება ულტრაიისფერი გამოსხივების მიმართ მათი მგრძნობელობით, არის დეტექტორები ორგანოების დასაცავად, სინათლის ფილტრების წარმოებისთვის მოდულირებული გადაცემით ან ფოტოქრომული ლინზებით.

ატმოსფეროში პეროქსიდაზას აქტივობის და  NO2-ის დონის განსაზღვრა კარბოქსილირებული სპიროპირანის აპლიკაციებია.

დღეს სპიროპირანი ყველაზე მეტად გამოიყენება როგორც მოლეკულური ლოგიკური მოწყობილობები, ფოტოქრომული და ელექტროოპტიკური მოწყობილობები, მოლეკულური და სუპრამოლეკულური ლოგიკური ჩამრთველები, ფოტოგადამრთველები და მრავალფუნქციური ხელოვნური რეცეპტორები.

სპიროპირანი შეიძლება გამოყენებულ იქნას დნმ-ის კონფორმაციული მდგომარეობის შესამოწმებლად, რადგან გარკვეული წარმოებულები შეიძლება შევიდეს დნმ-ში ღია ფორმით. 

სპიროპირანი გამოიყენება ამინომჟავების ფოტო კონტროლირებადი გადაცემისთვის ორ ფენებსა და მემბრანებში, ცვიტერიონულ მეროციანინსა და პოლარულ ამინომჟავებს შორის ნუკლეოფილური ურთიერთქმედების გამო. სპიროპირანის გარკვეული ტიპები აჩვენებს რგოლის გახსნას ანალიზის ამოცნობისას, მაგალითად თუთიის იონები. 

 ცნობები 

კატეგორია:ფოტოქრომია
კატეგორია:სპირო კომპონენტები
კატეგორია:პირანები
კატეგორია:სპიროპირანები