The effect of pH on the electronic absorption, fluorescence and phosphorescence spectra of purines and pyrimidines. Determination of the lowest excited singlet and triplet state ionization constants

¹ Department of Chemistry, The University of Texas at El Paso, El Paso, Texas 79968, U.S.A..
² Département de Chimie, Faculté des Sciences, Université de Dakar, Dakar-Fann, Sénégal.
³ Laboratoire de Chimie Organique A, Faculté des Sciences et Techniques de Saint-Jérome, Université d'Aix-Marseille III, rue Henri Poincaré, F-13397 Marseille Cedex 13, France.
⁴ Department of Chemistry, The Ohio State University, 140 West 18th Avenue, Columbus, Ohio 43210, U.S.A..
⁵ School of Chemical Engineering, Royal Institute of Technology, Valhallavagen, Stockholm, Sweden.

Abstract

Room-temperature electronic absorption, fluorescence emission spectra, and low-temperature (77 K) phosphorescence spectra of sixteen purines and pyrimidines have been determined in aqueous solutions of different pH (range : — 7.6 — 14). Significant shifts of the long-wavelength absorption maxima and of the short-wavelength fluorescence maxima, respectively from 1,500 to 4,000 cm^-1 and from 400 to 21,000 cm^-1, occur upon protonation and deprotonation. pH-related shifts of the O-O band of phosphorescence range between 100 and 2,000 cm^-1, according to the compound. Lowest excited singlet (pK^S_a) and triplet-state ionization constants (pK^T_a), have been calculated from these spectral shifts. pK^S_a and pK^T_a values are found to be significantly different from the corresponding ground-state pK_a values, differences ranging respectively from 0.2 to 10 and from 0.2 to 4.5 log units. In the equilibria between cation and neutral species, the basicity of most of the purines and pyrimidines is increased in the excited singlet and triplet-state compared to the ground-state. In the equilibria between neutral and anion species, all purines and pyrimidines are more acidic in the excited singlet-state. The same behaviour is observed in the triplet-state, except for 6-mercaptopurine, uric acid, uracil and 5-fluorouracil which are significantly more basic, probably because of the increase of p-electron density at the NH group, in the triplet-state compared to the ground-state. The substituent effects upon the pK^S_a and pK^T_a are discussed.

Résumé

Les spectres électroniques d'absorption et de fluorescence à la température ambiante et de phosphorescence à basse température (77 K) ont été déterminés en solutions aqueuses de différents pH (— 7,6 — 14), pour seize purines et pyrimidines. Les déplacements — résultant de la protonation et de la déprotonation — des maxima d'absorption et de fluorescence sont compris respectivement entre 1 500 et 4 000 cm^-1 et entre 400 et 21 000 cm^-1. Les déplacements — dus aux changements de pH — des bandes O-O du spectre de phosphorescence s'échelonnent entre 100 et 2 000 cm^-1, selon les composés. Les constantes de dissociation dans l'état excité singulet (pK^S_a) et dans l'état excité triplet (pK^T_a) ont été évaluées à partir de ces déplacements spectraux. Par rapport aux pK^a dans l'état fondamental, les valeurs des pK^S_a et des pK^T_a présentent des différences notables, comprises respectivement entre 0,2 et 10, et 0,2 et 4,5 unités logarithmiques. Pour l'équilibre entre les espèces cationiques et neutres, la basicité de la plupart des purines et des pyrimidines est augmentée dans les états excités singulet et triplet par rapport à l'état fondamental. En ce qui concerne l'équilibre entre espèces neutres et anioniques, les purines et pyrimidines sont toutes plus acides dans l'état excité singulet. Un comportement analogue est observé dans l’état excité triplet, à l'exception de la mercapto-6 purine, de l'acide urique, de l'uracil et du fluoro-5 uracil qui s'avèrent plus basiques dans l'état triplet, probablement en raison de l'augmentation de la densité électronique p du groupe NH. Les effets des substituants sur les valeurs des pK^S_a et des pK^T_a sont discutés.