Prof. dr hab. Bogusława Czarnik-Matusewicz Wrocław, 26 sierpnia

Prof. dr hab. Bogusława Czarnik-Matusewicz
Wydział Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego
Wrocław, 26 sierpnia 2014roku
Recenzja pracy doktorskiej
Pani mgr Justyny Krupy zatytułowanej
Konformacje i fotochemia fenoli roślinnych i ich pochodnych.
Badania spektroskopowe i teoretyczne.
wykonanej pod promotorstwem Pani dr hab. Marii Wierzejewskiej, prof. UWr.,
w Zespole Spektroskopii Asocjatów, Stanów Przejściowych Reakcji i Strukturalnych
Przejść Fazowych na Wydziale Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego.
Zgodnie ze specjalizacją Zespołu Pani Profesor Marii Wierzejewskiej Doktorantka
wykorzystywała techniki pomiarów widm oscylacyjnych w zestalonych matrycach gazów
obojętnych do określenia struktury substancji niskocząsteczkowych zamrożonych w tych
matrycach. Badania te dotyczą określenia równowag konformacyjnych, ich modyfikacji
pod wpływem naświetlania promieniowaniem z zakresu nadfioletu oraz fotochemicznych
reakcji zachodzących pod wpływem tego naświetlania.
Trzeba też podkreślić wagę obliczeń teoretycznych na zaawansowanym poziomie w
interpretacji wyników eksperymentalnych. Połączenie tych zaawansowanych technik w
jednej pracy doktorskiej było zadaniem trudnym. W tym przypadku należy podkreślić
rolę promotora – Pani Profesor Marii Wierzejewskiej, która dysponuje bardzo obszerną
wiedzą w zakresie technologii matrycowej i posiada doskonałe przygotowanie z zakresu
chemii teoretycznej.
Przedmiotem zainteresowania Doktorantki stały się roślinne fenole i ich pochodne.
Fenole roślinne mają duże znaczenie lecznicze jako silne antyutleniacze, zapobiegające
stresowi oksydacyjnemu. Przebadano trzy pochodne fenoli roślinnych (gwajakol,
1
izoeugenol, eugenol) i dwie pochodne eterów fenylowo-metylowych (anizol, anetol) oraz
jeden z grupy cyklicznych eterów (safrol).
Praca liczy 164 strony „czystego” tekstu, zawiera 179 cytowań, a materiał został
podzielony na osiem rozdziałów.
W pierwsze części Wstępu Autorka omawia specyfikę metody izolacji matrycowej
oraz zalety jej wykorzystania polegające głównie na możliwości badania
monomerycznych związków, izolowanych w chemicznie obojętnych gazach szlachetnych
w bardzo niskich temperaturach. Autorka zwraca jednak uwagę, że w przypadku widm
oscylacyjnych matryca może dać własne efekty widmowe, które kolejno charakteryzuje.
Analizując wpływ temperatury na widma, pokazuje, jak można opisać efekty związane z
przejściami przez bariery rotacyjne. Wyjaśnia, że przez naświetlanie falami w zakresie
widm nadfioletowych również można uzyskać zmiany konformacyjne, jak i
przeprowadzić fotolizę związków.
W ten sposób Autorka przygotowuje do zrozumienia prezentowanych w dalszej
części rozprawy uzyskanych wyników.
Dalej Autorka omawia teorię funkcjonału gęstości elektronowej (DFT) która jest
wykorzystywana w pracy do obliczeń struktury i widm. W pracy wykorzystywano
funkcjonał gęstości B3LYP oraz B2LYPD, z funkcjami (6-311++G(2d,2p). Pokazano, że
funkcjonał B2LYPD lepiej odtwarza wyniki eksperymentu, co Autorka przypisuje
lepszemu opisowi efektów dyspersyjnych.
Kolejny fragment Wstępu omawia funkcje biologiczne fenoli występujących w
roślinach. Fakt ten jest wyjaśnieniem dlaczego Doktorantka podjęła się badania
wymienionych wyżej związków. Badając wyizolowane związki w matrycach argonowych
i ksenonowych Autorka była wstanie lepiej opisać ich właściwości, w porównaniu z
materiałem biologicznym gdzie mamy do czynienia ze skomplikowaną mieszaniną
substancji.
W rozdziale Część Eksperymentalna Autorka przedstawia opis podstaw analizy
konformacyjnej opartej na wynikach obliczeń kwantowych, oraz opis stosowanych w Jej
badaniach układów pomiarowych. Wykraczają one daleko poza standardowe pomiary
spektroskopowe. Prowadzone badania wymagają skomplikowanej aparatury, w tym
zaopatrzonej w lasery i wysokociśnieniową lampę ksenonową dla prowadzenia badań
efektów fotoizomeryzacji i fotolizy. Do tego należy dodać wykorzystanie
zaawansowanych technik obliczeniowych. Z uzyskanych, opisanych dalej wyników
widać, że Doktoranta bardzo dobrze opanowała te techniki i zastosowała je precyzyjnie.
2
Pierwszym etapem badań Doktorantki była analiza konformacyjna badanych
związków w oparciu o obliczenia kwantowo mechaniczne. Dla wszystkich związków
przeprowadzono obliczenia struktury i energii stabilnych konformerów i izomerów, oraz
wyznaczono geometrię i energię stanów przejściowych łączących minima. W badaniach
tych uwzględniono wartości względnych energii swobodnych Gibbsa, względnych
energii, oraz obliczono względne populacje poszczególnych form w fazie gazowej,
zakładając, że populacje te zostaną zachowane w spułąpkowanych w matrycach
cząsteczkach. Ponadto obliczono różnice energii pomiędzy minimami z uwzględnieniem
poprawki na energię zerowych oscylacji. Obliczono widma oscylacyjne poszczególnych
form, dokonano przypisań pasm w oparciu o analizę drgań normalnych za pomocą
programów rozkładu energii potencjalnej (PED).
W przypadku gwajakolu - najprostszego z badanych pochodnych fenolu wykazano
istnienie formy z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym i dwóch form
„otwartych”. W analizie struktury konformerów za mało uwagi poświęcono
strukturalnym skutkom utworzenia wewnątrzcząsteczkowego wiązania wodorowego.
Na stronie 39 wymienia się wiązanie C1O13, które w istocie nie jest wiązaniem, ogólnie
nie mam pewności czy chodziło tu rzeczywiście o tę odległość. Obliczono geometrię i
energię stanów przejściowych w rotacji grupy metoksylowej i hydroksylowej. Obrót
wiązania OH, stowarzyszony z zerwaniem wiązania wodorowego wymaga 26 kJ/mol, gdy
czysty obrót grupy metoksylowej 7 kJ/mol. Przez porównanie z widmami
eksperymentalnymi w matrycach argonowej i ksenonowej wykazano, że występuje tam
jedynie najstabilniejsza forma z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym. W
tabeli porównującej częstości eksperymentalne z obliczonymi używa się częstości
„skalowanych”, nie podano jednak sposobu tego skalowania.
Dla kolejnego z pochodnych fenolu, izoeuganolu, który zawiera dodatkowo grupę
propylenową, która może przyjąć konformację trans i cis względem pierścienia,
wyznaczono teoretycznie struktury i energie 12 stabilnych form (w schemacie jest błąd –
występują dwie formy IZ7). Analiza populacyjna przewiduje, że w równowadze powinny
wystąpić tylko cztery stany z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym.
Symulowane na podstawie tej analizy widmo teoretyczne nieźle opisuje widmo
eksperymentalne w argonie. W tabeli częstości nie podano metody skalowania i
obliczenia częstości harmonicznych. Określono aż dziewięć stanów przejściowych
między formami trans i dwanaście między formami cis. Pokazano, że podwyższenie
temperatury do 32K nie zmienia widma – równowaga konformacyjna nie ulega zmianom,
co wyjaśniają obliczone bariery rotacyjne.
3
Anetol nie posiada grupy OH, stąd zmiany konformacyjne dotyczą obrotów grupy
propylenowej i metoksylowej. Obliczenia sugerują występowanie w równowadze jedynie
form z grupami propylenowymi w konformacji trans. Ich energia jest podobna, stąd ich
populacja jest praktycznie identyczna co potwierdza symulacja widma
eksperymentalnego. Jest to również przyczyną braku zmian widm wraz z temperaturą, a
nie wysokość bariery jak sugeruje Doktorantka.
Kolejny związek safrol charakteryzuje się obecnością grupy allilowej, oraz pierścienia
1,3-dioksolanu. Teoretycznie znaleziono sześć stabilnych izomerów. Wyliczono energie
stanów przejściowych i barier na rotację. Pewne zmiany widm obserwuje się po
podniesieniu temperatury do 50K.
W dalszym ciągu pracy Doktorantka badała jak naświetlanie zmienia widmo IR
spowodowane zmianami konformacyjnymi, a więc proces fotoizomeryzacji. Dla
izoeugenolu stwierdzono, że progowa długość fali wynosi 311 nm. Dopiero obniżenie
długości fali poniżej tej wielkości daje zmiany mierzonego widma w matrycy. Na
podstawie zmian w widmie można stwierdzić, że forma trans ugrupowania
propylenowego przechodzi w formę cis. Wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe nie
ulega modyfikacjom. Okazało się, że zmiany są bardzo wrażliwe na małe zmiany
długości fali. Gdy promieniowanie o długości fali 311 nm tylko częściowo przekształca
formy trans w cis, to fala o długości 309 nm prowadzi do całkowitego zaniku form trans.
Z kolei podgrzanie tej próbki do 32K powoduje dezaktywację stanu cis. Fotoizomeryzacja
anetolu zachodzi pod wpływem promieniowania o długości fali poniżej 308 nm, ale
proces zachodzi w ograniczonym zakresie, gdy już fala o długości 307 nm powoduje
bardzo szybką i kompletną fotoizomeryzację do stanu cis ugrupowania propenylowego.
Jak widać procesy są bardzo wrażliwe na zmianę długości fali i dopiero zastosowanie
układu przestrajalnego lasera pozwala na precyzyjną analizę procesów fotoizomeryzacji
związków badanego typu. Prowadzone przez Autorkę badania są niezwykle cenne z tego
punktu widzenia.
Dla matrycy ksenonowej safrolu obserwowano przejścia grupy allilowej pod
wpływem promieniowania UV. Zaobserwowano silną modyfikację tych procesów pod
wpływem zmian długości fali o 1- 2 nm. Wyniki pracy doktorskiej mgr Justyny Krupy są
pierwszymi tego typu doniesieniami o rotacji grupy CH2-CH=CH2 w matrycy
ksenonowej. Zastosowano metodę TD DFT do oceny energii wzbudzenia elektronowego
sugerując, że fotoizomeryzacja zachodzi z udziałem stanów wzbudzonych. Podanie w
tabeli energii wzbudzenia poprzez określenie długości fali promieniowania jest nieco
niekonwencjonalne.
4
Naświetlanie badanych związków promieniowaniem w zakresie nadfioletu prowadzi
również do zjawiska fotolizy, które Autorka przebadała dla wszystkich analizowanych
związków.
Dla zbadania charakteru produktów fotolizy obliczano widma oscylacyjne
spodziewanych form, oraz energie wzbudzenia elektronowego. Stabilność
poszczególnych produktów analizowano również metodami teoretycznymi. W analizie
eksperymentalnych produktów fotolizy wykorzystywano również eksperymentalne
widma literaturowe dla określonych związków w matrycach, jak na przykład metanu czy
CO. W oparciu o ten schemat postępowania analizowano spodziewane schematy reakcji
fotolitycznych. Wiele z nich wydaje się potwierdzać na podstawie widm oscylacyjnych
produktów fotolizy, ale pozostają one w znacznym stopniu hipotetyczne. Pewną
niejasność budzi wiarygodność obliczonych widm oscylacyjnych, w znacznym stopniu w
odniesieniu do metod skalowania widma. W analizie produktów bardzo ważne były
pasma ugrupowania ketenowego, grupy CO i C=O, czy CH4. Jednym z obserwowanych
procesów była dekarbonylacja.
Podkreślić jednak trzeba wysoki stopień specjalizacji Doktorantki i zastosowanie
zaawansowanych metod eksperymentalnych jak i teoretycznych w tworzeniu schematów
reakcji fotolizy. Jest Ona bardzo dobrze przygotowana do prowadzenia badań naukowych
z dziedziny spektroskopii, mechanizmów reakcji i obliczeń teoretycznych.
Wysoka jakość prowadzonych badań teoretycznych i eksperymentalnych, logika w
opracowaniu wyników, uzyskanie wielu oryginalnych rezultatów nieznanych do tej pory
w literaturze, bardzo precyzyjne, również graficzne, opracowanie wyników powodują, że
przedłożony tekst pracy doktorskiej oceniam bardzo wysoko.
Pomimo kilku nieistotnych uwag, uważam, że rozprawa doktorska Pani mgr Justyny
Krupy spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim w wymiarze przekraczającym
standardowe oczekiwania.
Stawiam wniosek o dopuszczenie Pani mgr Justyny Krupy do dalszych etapów przewodu
doktorskiego zgodnie z warunkami określonymi w Ustawie „O stopniach i tytule
naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. Nr 65, poz. 595 z dnia 14
marca 2003 roku).
5