Doktori (PhD) értekezés. Huszánk Róbert. okleveles vegyész. Témavezető: Dr. Horváth Ottó. Pannon Egyetem Kémia Doktori Iskola

VÍZBEN OLDÓDÓ, HEM TÍPUSÚ VAS(II)- ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, KÉPZŐDÉSI KINETIKÁJUK VALAMINT FOTOFIZIKAI ÉS FOTOKÉMIAI TULAJDONSÁGAIK VIZSGÁLATA

Doktori (PhD) értekezés

Huszánk Róbert okleveles vegyész

Témavezető: Dr. Horváth Ottó

Pannon Egyetem Kémia Doktori Iskola Általános és Szervetlen Kémia Intézeti Tanszék

Veszprém, 2007

VÍZBEN OLDÓDÓ, HEM TÍPUSÚ VAS(II)- ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, KÉPZŐDÉSI KINETIKÁJUK VALAMINT FOTOFIZIKAI ÉS FOTOKÉMIAI TULAJDONSÁGAIK VIZSGÁLATA Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta:

Huszánk Róbert

Készült a Pannon Egyetem Kémia Doktori iskolája keretében Témavezető:

Dr. Horváth Ottó

Elfogadásra javaslom (igen / nem) ….................................. (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton …......... % -ot ért el,

Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: Dr. Fábián István

igen /nem ………………………. (aláírás)

Bíráló neve: Dr. Vidóczy Tamás

igen /nem ………………………. (aláírás)

A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …..........% - ot ért el Veszprém,

…………………………. a Bíráló Bizottság elnöke

A doktori (PhD) oklevél minősítése…................................. ………………………… Az EDT elnöke

TARTALOMJEGYZÉK Ábrajegyzék.............................................................................................................................v Táblázatjegyzék.....................................................................................................................vii Kivonat.................................................................................................................................viii Abstract...................................................................................................................................x Resumen.................................................................................................................................xi 1. Bevezetés.............................................................................................................................1 2. Célkitűzés............................................................................................................................2 3. Irodalmi áttekintés.............................................................................................................3 3.1 A porfirinek és metalloporfirinek jellemzése................................................................3 3.1.1 A porfirin ligandum általános jellemzése............................................................3 3.1.2 A metalloporfirinek általános jellemzése............................................................7 3.1.3 A porfirinek és metalloporfirinek elektronszerkezete.......................................12 3.1.4 A porfirinek és metalloporfirinek fotofizikai jellegzetességei..........................15 3.1.4.1 A porfirinek és metalloporfirinek elnyelési sajátosságai.......................16 3.1.4.2 A porfirinek és metalloporfirinek emissziós sajátosságai......................20 3.1.5 A porfirinek és metalloporfirinek fotokémiai jellegzetességei.........................24 3.1.5.1 Gerjesztett állapotú porfirinek energiatranszfer reakciói......................25 3.1.5.2 Gerjesztett állapotú porfirinek elektrontranszfer reakciói.....................26 3.2 Mesterséges oxigénhordozók......................................................................................30 4. Kísérleti eszközök és módszerek.....................................................................................33 4.1 Felhasznált anyagok....................................................................................................33 4.2 Preparatív eljárások.....................................................................................................33 4.3 Műszerek.....................................................................................................................34 4.4 A mérési adatok kiértékelése.......................................................................................36 4.5 Kvantumkémiai számítások.........................................................................................36 5. Kísérleti vizsgálatok és eredmények...............................................................................38 5.1 A vas(II)-porfirin komplex előállítása.........................................................................38 5.1.1 A vas(III)-porfirin komplex képződése vas(II)ionok jelenlétében....................38

5.1.2 A vas(II)-porfirin komplex képződése acetátionok jelenlétében......................41 5.1.3 A vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandójának meghatározása...............50 5.1.4 A vas(II)-porfirin komplex képződése reduktív közegben................................53 5.1.5 A vas(II)-porfirin komplex képződése egyéb ligandumot tartalmazó közegben ....................................................................................................................................57 5.2 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének reakciókinetikai vizsgálata.59 5.2.1 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa.........60 5.2.2 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződési kinetikája........................63 5.3 A vizsgált metalloporfirin komplexek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai...........69 5.3.1 A vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői..............................................69 5.3.2 A vas(III)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői.............................................79 5.3.3 A vas(II)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői..............................................81 5.4 A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell................................85 6. Összefoglalás.....................................................................................................................89 Tézisek...................................................................................................................................91 Theses ....................................................................................................................................94 Köszönetnyilvánítás.............................................................................................................97 Irodalomjegyzék...................................................................................................................98 Függelék..............................................................................................................................106

Ábrajegyzék

Ábrajegyzék 1. ábra

A porfirinváz triviális (a) és szisztematikus (b) nomenklatúrája.

4

2. ábra

A különböző redukált porfirinszármazékok szerkezete

4

3. ábra

A leggyakrabban alkalmazott ionos szubsztituensek valamint az ezen csoportokkal szubsztituált porfirinszármazékok pK értékei

5

4. ábra

Az elöl- és oldalnézeti képei egy normál és egy SAT típusú porfirin komplexnek.

9

5. ábra

Az átmenetileg képződő SAT komplex valamint az abból képződő normál porfirin komplex egyszerűsített modellje.

10

6 ábra

Szabad porfirinek és metalloporfirinek lehetséges delokalizált elektronszerkezetei.

12

7. ábra

Szabad porfirin és metalloporfirin között fennálló szimmetria különbség.

12

8. ábra

Egy metalloporfirin és egy szabad porfirin molekula gerjesztett állapotainak egyszerűsített energiadiagramja

13

9. ábra

A5,10,15,20-meso-tetrakis-(4-sulfonatophenyl)porphyrin (H2TPPS4-) elnyelési színképe vizes oldatban. A H2TPPS4- (szürke szaggatott vonal), ZnTPPS4- (piros vonal) valamint FeIIITPPS3(kék vonal) elnyelési színképe vizes oldatban.

16

11. ábra

A porfin vázas molekulák lehetséges fotofizikai folyamatai.

21

12. ábra

A H2TPPS4- (fekete vonal) valamint a ZnTPPS4- (kék vonal) sugárzási színképe vizes oldatban.

21

13. ábra

Porfirinek és metalloporfirinek általános fotoredoxi reakciói.

26

14. ábra

A cink-porfirin komplex (ZnTMPyP) alap-, valamint gerjesztett állapotainak redoxipotenciáljai közötti energiaviszonyok, vizes oldatban.

28

15. ábra

A lézervillanófény fotolízis rendszer vázlatos felépítése.

35

16. ábra

A szabad porfirint (H2TPPS4-) és vas(II)-szulfátot tartalmazó oldat elnyelési színképének változása a 12 órás reakcióidő alatt.

39

17. ábra

Szabad porfirint (H2TPPS4-) és vas(II)-szulfátot tartalmazó oldat elnyelési színképének változása, Schlenck technikával oxigénmentesített rendszerben, 12 órás reakcióidő alatt.

40

18. ábra

A vas(II)-porfirin elnyelési színképe (piros vonal), valamint összehasonlítás végett a H2TPPS4- (fekete vonal) elnyelési színképei 0,3 M acetátpuffert tartalmazó vizes oldatban.

41

19. ábra

A vas(III)-porfirin képződés mechanizmusának egyszerűsített vázlata.

42

20. ábra

A vas(II)-porfirin komplex képződésének mértéke az acetátpuffer koncentrációjának függvényében.

45

21. ábra

A vas(II)-porfirin komplex képződésének mértéke az acetátpuffer és a vas(II)-oldat reakcióidejének függvényében.

45

22. ábra

Az 1,5×10-6 M H2TPPS4--t, 0,3 M acetátpuffert (pH=6) és 1 M NaCl-ot tartalmazó oldat abszorpciós színképe különböző idők elteltével.

48

23. ábra

Az 1,5×10-6 M H2TPPS4--t, 0,3 M acetátpuffert (pH=6) és különböző koncentrációjú Fe2+ ionokat tartalmazó oldatsorozat abszorpciós színképe.

51

10. ábra

18

v

Ábrajegyzék

24. ábra

A számított 1/α0 a számított [Fe2+] koncentráció függvényében. Az egyenes meredeksége adja meg a K' értékét

52

25. ábra

Az 3×10-6 M szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,1 M aszkorbinsavat tartalmazó oldatok abszorpciós színképe különböző idők után.

53

26. ábra

Az 3×10-6 M szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,1 M formaldehidet tartalmazó oldat abszorpciós színképe.

54

27. ábra

Az 3×10-6 M szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,1 M d-glükózt, illetve 0,1 M imidazolt tartalmazó oldat abszorpciós színképe.

55

28. ábra

Az 3×10-6 M szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és NO-ot tartalmazó rendszer abszorpciós színképe.

56

29. ábra

Az 3×10-6 M szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,1 M KSCN-ot (piros vonal), valamint 0,001 M NaF-ot (kék vonal) tartalmazó rendszer abszorpciós színképe.

57

30. ábra

A vas(II)-porfirin komplex képződése a 3×10-6 M H2TPPS4-, 1,5×10-4 M FeSO4 és 0,3 M acetátpuffert tartalmazó oldatban, 30 percenként, 40 °C-on.

59

31. ábra

A vas(III)-porfirin komplex képződése a 3×10-6 M H2TPPS4- és 1,5×10-4 M FeSO4-ot tartalmazó oldatban acetátpuffer nélkül, 10 percenként, 40 °C-on.

60

32. ábra

A vas(III)-porfirin képződésének javasolt mechanizmusa.

60

33. ábra

A vas(III)-porfirin komplex képződésének 40. percében felvett abszorpciós színképe és a H2TPPS4-, Fe(II)TPPS4-, H4TPPS2- valamint Fe(III)TPPS3- molekulák moláris abszorpciói, továbbá Lorentz függvények alapján számolt és illesztett görbe.

62

34. ábra

A 32. ábrán látható reakció mechanizmus Zita programmal történt illesztése az acetátpuffer nélküli (a) valamint a 0,3 M acetátpuffert tartalmazó, időben (spektrofotometriásan) követett színképsorozatára.

67

35. ábra

A H2TPPS4-, Fe(II)TPPS4-, H4TPPS2- és Fe(III)TPPS3- részecskék (a) valamint a H2TPPS4- és Fe(II)TPPS4- részecskék (b) koncentrációjának változása az idő függvényében, acetátpuffer nélkül (a) és 0,3 M acetátpuffer jelenlétében.

68

36. ábra

Az 3×10-6 M szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,3 M nátrium-acetát puffert (piros vonal) tartalmazó oldat abszorpciós színképe, 48 órás állás után.

70

37. ábra

A Fe(II)TPPS4- komplex abszorpciós színképe, valamint annak sávjaira illesztett Lorentz függvények.

71

38. ábra

A Fe(II)TPPS4- komplex, valamint összehasonlítás képpen a H2TPPS4- ligandum korrigált emissziós színképe 0,3 M acetátpufferben (pH=6).

72

39. ábra

A Fe(II)TPPS4- komplex fluoreszcencia állapotának idő spektruma 0,3 M acetátpufferben (pH=6), különböző lézerrendszeren.

75

40. ábra

A Fe(II)TPPS4- komplex Jablonski jellegű energiaszint diagramja.

77

41. ábra

A Fe(III)TPPS3- komplex, valamint a H2TPPS4- ligandum abszorpciós színképe.

79

42. ábra

A Fe(III)TPPS3- komplex Jablonski jellegű energiaszint diagramja.

80

43. ábra

A Fe(II)TPPS4- komplex (3×10-6 M) fotobomlása 0,3 M acetátpufferben, 40 (a), valamint 90 (b) perces besugárzási idők alatt.

81

44. ábra

A vas(II)-porfirin komplex fotoindukált bomlásának egyszerűsített vázlata (az ionos szubsztituenseket szaggatott vonal jelzi).

83

45. ábra

A vas(II)-porfirin actetát és víz ligandummal képzett terner komplexének DFT módszerrel számolt szerkezetei, különböző nézetből.

87

vi

Táblázatjegyzék

Táblázatjegyzék

1. táblázat

Néhány elem leggyakrabban előforduló oxidációs állapotának ionrádiusza valamint a porfirin ligandummal képzett komplex típusa vizes közegben.

8

2. táblázat

metalloporfirinek lumineszcencia sajátságai a központi fématomtól függően, szobahőmérsékleten.

20

3. táblázat

A vas(III)- ás vas(II)-acetáto-komplexek ionerősségek mellett.

különböző

44

4. táblázat

Az illesztett paraméterek valamint a kiértékelés során kapott illesztett értékek és azok hibái.

66

5. táblázat

A Fe(II)TPPS4- elnyelési- és sugárzási színképeinek jellemző értékei, valamint a gerjesztett állapotú komplex és összehasonlításképp a H2TPPS4- ligandum fotofizikai állandói.

73

6. táblázat

A Fe(II)TPPS4- komplex és összehasonlításképp a H2TPPS4fluoreszcencia élettartamai különböző lézerrendszeren mérve.

ligandum

76

7. táblázat

A Fe(II)TPPS4- komplex és összehasonlításképp a fotodegradációjának bruttó kvantumhasznosítási tényezői.

ligandum

82

8. táblázat

A vas(II)-porfirin H2O-el, CH3COO--al (Ac) és 3O2-el alkotott biner komplexeinek DFT számolással kapott disszociációs energiái (kcal mol-1-ban), továbbá a FeP-Ac komplex H2O-el és 3O2 alkotott terner komplexeinek DFT számolással kapott disszociációs energiái (kcal mol-1-ban).

86

egyensúlyi

állandói

H2TPPS4-

vii

Kivonat

KIVONAT

Hem típusú vas(II)- és vas(III)-porfirinek előállítása, termikus, fotofizikai és -kémiai valamint reakciókinetikai tulajdonságainak vizsgálata

A szerző a vízoldható, kinetikailag labilis, nagy-spinszámú vas(II) tetrakis(4-szulfonátofenil)porfirin előállítását valósította meg semleges valamint gyengén savas oldatban, acetátpuffer, majd különböző reduktív és nitrogéntartalmú ligandumok jelenlétében. Az acetátpuffert tartalmazó rendszerben a puffernek kettős szerepe volt, a pHérték beállításán túl acetáto-komplex képződése révén maszkírozta a nyomnyi mennyiségben jelenlévő szabad vas(III)ionokat, mely nélkül a kialakult vas(II)-porfirin komplex a megfelelő vas(III) formává alakulna át. Az előállított vas(II)-porfirin komplex – az eddig megjelent közlemények alapján egyedüli módon – stabilnak bizonyult levegőn és tiszta oxigén jelenlétében is. A szerző bebizonyította, hogy acetátionok jelenléte nélkül viszont a vas(II)ionok – a vas(II)-porfirin képződésén keresztül – katalizálják a vas(III)porfirin komplex kialakulását. A szerző spektrofotometriás módon meghatározta az előállított vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandóját valamint a komplexképződés sebességi állandóit is. A kinetikai vizsgálatok eredményei megerősítették egyúttal a vas(III)-porfirin vas(II)ionok által katalizált képződésének feltételezett mechanizmusát is. Míg a kinetikailag inert, síkszerkezetű, vagyis normál típusú komplexnek számító vas(III)-porfirin esetében nem tapasztalható semmilyen lumineszcencia vagy fotokémiai aktivitás, addig az ionrádiuszaikból következően bizonyosan SAT jellegű komplexek abszorpciós és emissziós színképeivel való teljes mértékű egyezés miatt szintén SAT típusúnak tekinthető vas(II)-porfirin komplex erős fluoreszcenciát, valamint LMCT átmenet révén gyűrűnyíláshoz vezető fotokémiai reakciót mutat. A szerző időfelbontásos spektroszkópiai módszerrel meghatározta a vas(II)-porfirin komplex fluoreszcencia élettartamát, annak kvantumhasznosítási tényezőjét a jellemző Soret és Q sávokon gerjesztve, a moláris abszorpciós koefficiensét, továbbá folytonos megvilágításos technikával a fotokémiai reakció bruttó kvantumhasznosítási tényezőjét is.

viii

Kivonat

A szerző vizsgálta továbbá a vas(II)-porfirin szintetikus hemoglobin analógként történő alkalmazhatóságát is. DFT számítások segítségével kimutatták azonban, hogy egy olyan oldatban, melyben az acetátionok nagy koncentrációban vannak jelen, csekély valószínűséggel lesz képes a hemoglobinhoz hasonlóan reverzíbilis módon megkötni a molekuláris oxigént. Ezek alapján valószínűsíthető, hogy a vas(II)-porfirin alkalmas lehet a molekuláris oxigén szállítására egy olyan rendszerben, ahol a vas(III)ionok maszkírozása egy kevésbé erősen koordinálódó molekulával történik.

ix

Abstract

ABSTRACT

A water-soluble, kinetically labile, high-spin iron(II) tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin (Fe(II)TPPS4-) has been prepared in neutral and weakly acidic solutions containing acetate buffer. The buffer played a double role in these systems: it was used for both adjusting pH, and, via formation of acetato complex, trapping trace amounts of iron(III) ions, which would convert the iron(II) porphyrins to the corresponding iron(III) species. Fe(II)TPPS4- proved to be stable in these solutions even after saturation with air or oxygen. In the absence of acetate ions, however, iron(II) ions plays a catalytic role in the formation of iron(III) porphyrins. While the kinetically inert iron(III) porphyrin (Fe(III)TPPS3-) is a regular one with no emission and photoredox properties, the corresponding iron(II) porphyrin displays photoinduced features which are typical of sitting-atop (SAT) complexes. In the photolysis of Fe(II)TPPS4- the LMCT process is followed by detachment of the reduced metal center and an irreversible ring-opening of the porphyrin ligand, resulting in the degradation of the complex. Possible oxygen-binding ability of Fe(II)TPPS4- (as a heme model) has been studied as well. DFT calculations revealed that in solutions with large acetate concentration there is very little chance for iron(II) porpyrin to bind and release O2, to the contrary of heme in a hydrophobic microenvironment in hemoglobin. In the presence of an iron(III)-trapping additive that is much less strongly coordinated to the iron(II) center than the acetate ion, Fe(II)TPPS4- may function as a heme model.

x

Resumen

RESUMEN

La preparación de hierro(II)-porfirina (Fe(II)TPPS4-) soluble en agua, grande-spino, cinéticamente inestable ha sido realizado en soluciones neutrales o moderadamente acidas que contienen buffer acetato. El buffer jugaba un papel doble en estos sistemas: era usado para ajustar pH y por la formación del complejo acetato fijando los contaminaciones de iones hierro(III). Fe(II)TPPS4- se ha probado estable en estas soluciones también después de la saturáción con aire u oxígeno. En el caso de falta de iones acetatos, iones hierro(II) han catalitado la formación de la hierro(III)-porfirina. La hierro(III)-porfirina cinéticamente inerte es de tipo normal y no tiene emisión y cualidades fotoredoxes, pero hierro(II)-porfirina muestra propiedades fotoinducidas que son típicas a complejos de tipo „sitting-atop” (SAT). En la fotólisis de Fe(II)TPPS 4-, el proceso LMCT es seguido por la separación del ion central reducido y por el abrirse irreversible del ligando porfirina que tiene como resultado la degradación del complejo. La cualidad de llevar oxígeno del Fe(II)TPPS4- (como un modelo hemoglobina) también ha sido estudiado. Las calculaciones DFT han revelado que en las soluciones con una concentración grande de acetato hay pocas probabilidades para hierro(II)-porfirina a fijar y relevar oxígeno, como hace hemoglobina. En la presencia de una contribución que se fija menos fuerte coordinadamente a central hierro(II) que iones acetatos, Fe(II)TPPS4puede funcionar como un modelo hemoglobina.

xi

Bevezetés

1. BEVEZETÉS

A porfirinvegyületek és azok fémionokkal alkotott komplexei alapvető fontosságú szerepet játszanak számos kutatási területen, mint pl. a biokémia, az orvostudomány és a katalízis. A gerjesztett állapotú fém-porfirinek olyan tulajdonságait, mint a lumineszcencia és a fotokémiai aktivitás felhasználják többek közt optikai érzékelők1,2,3 és fényenergia hasznosítást megvalósító rendszerek (fénygyűjtő dendrimerek4) előállítására, továbbá a tumor sejtek pusztítására képes fotodinamikus terápiához is5,6,7. E vegyületek alkotják néhány, az élő szervezet számára nélkülözhetetlen funkciókat ellátó molekulákat is mint például a növényi sejtekben megtalálható klorofill vagy akár az emberi szervezetben is jelenlévő hemoglobin és citokrómok8,9. A porfirin vegyületek rendkívüliségét tükrözi az a tény, hogy a természet mind a fényenergia átalakítására (fotoszintézis), mind az oxigén hordozására és aktiválására, valamint a szervezetekben lejátszódó redox folyamatok lebonyolítására egyaránt hatékonynak „találta” e molekulát. A biológiai rendszerekben szintén jelenlévő mono-oxigenáz enzim funkciós csoportja vas(III)-porfirinből áll, mely egy oxigén molekulát olyan aktív állapotba juttat, ami képes szobahőmérsékleten egy szénhidrogén C-H kötésének szakítására vagy beékelődni abba. E funkció mesterséges utánzásának megvalósítása szintén intenzíven kutatott terület, mely iránt az ipar is érdeklődik. A lejátszódó folyamatok mechanizmusának megértéséhez, hatékonyságának javításához a vas(III) központi atomot tartalmazó porfirin komplexek további vizsgálata szükséges. A vas-porfirinek mint biológiai funkciókat utánzó rendszerek megvalósításához mindenekelőtt szervetlen kémiai szempontból történő vizsgálatuk szükséges. Ugyanis e molekulák koordinációs kémiai, fotokémiai és fotofizikai, reakciókinetikai valamint egyensúlyi tulajdonságainak pontos ismerete nélkül e rendszerek megértése, tervezése és megvalósítása aligha járhat teljes sikerrel.

1

Célkitűzés

2. CÉLKITŰZÉS

Ezen értekezés elsődleges célja a vízoldható vas(II)- és vas(III)-porfirinek előállítása majd ezek fotokémiai, fotofizikai, képődésikinetikai és egyensúlyi tulajdonságainak feltérképezése, majd ezt követően a vas(II)-porfirin mint egyszerű hemoglobin modell vizsgálata. A hemoglobin modellezése olyan szintetikusan előállított vas(II)-porfirint tartalmazó vegyülettel, mely képes az oxigénszállításra vagy raktározásra, fiziológiás körülmények között, évtizedek óta megoldatlan probléma, mert már az egyszerű vas(II)-porfirin előállítása is komoly nehézségekbe ütközik. A szerves közegben történt vizsgálatok szerint ugyanis a képződő vas(II)-porfirin már nyomnyi mennyiségű, molekulárisan oldott oxigénnel is hatékonyan reagál (peroxo-hídon keresztül dimerizálódva), miközben biológiailag inaktív vas(III)-porfirin képződik. Miután e komplex előállítását és reakcióit gyakorlatilag csak hidrofób oldószerben vizsgálták (valószínűleg azon okból kifolyólag, hogy a hemoglobinban található hem csoport is apoláros jellegű), kutatásaimat elsősorban a vizes közegben történő előállítására, valamint termikus, fotofizikai és kémiai reakcióinak tanulmányozására fókuszáltam. Célom volt továbbá a komplexképződés kinetikájának vizsgálata, valamint az előállított komplex molekuláris oxigént megkötő hatásának felderítése is.

2

Irodalmi áttekintés

3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS

3.1 A porfirinek és metalloporfirinek jellemzése

A porfirinvázat tartalmazó molekulák általános jellemzése és csoportosítása elsősorban a fém központi atomot nem tartalmazó (szabad bázisú) porfirinváz fizikai, kémia valamint fotofizikai és fotokémiai tulajdonságainak bemutatásával, majd a fém központi atomot tartalmazó (metalloporfirin) komplexek hasonló elven történő jellemzésével történik. A metalloporfirinek alapvetően további két csoportba sorolhatók az alapján, hogy (méretüktől és koordinációs jellemzőiktől függően) normál azaz koplanáris vagy sitting-atop (SAT) szerkezetűek. Mivel a porfirinvázat tartalmazó molekulák fényelnyelése rendkívül nagy moláris abszorbanciával jellemezhető, az egyszerűen kivitelezhető elektrongerjesztési spektroszkópiával igen sok információt nyerhetünk róluk. Ezen okból kifolyólag (és tekintettel a tanszéken rendelkezésre álló technikai háttérre), e molekulák karakterisztikus valamint egyedi fotofizikai tulajdonságaiknak ismerete nélkülözhetetlen a porfirinek további vizsgálatához. Mindezek mellett összehasonlításra kerülnek a szabad porfirin és a különböző típusú metalloporfirinek elektrongerjesztési színképei, melyek alapján közvetett információ nyerhető a molekulák szerkezeti, továbbá elektronszerkezeti sajátságairól.

3.1.1 A porfirin ligandum általános jellemzése

A porfirinek alkotják valószínűleg az egyik legfontosabb vegyületcsoportot a különböző biológiai rendszerekben játszott központi szerepük révén, mint például fotoszintézis, elektrontranszfer vagy oxigénszállítás. Az alap porfirinváz négy pirrol gyűrűt tartalmaz, ezeket négy szénatom köti össze, melyeken keresztül az egész molekulára kiterjedő elektronkonjugáció jön létre. Ha az összes szubsztituálható pozíción (1-től 8-ig és α-tól δ-ig) hidrogén valamint a gyűrű belsejében két hidrogén található, a molekulát

3


(a)

(b)

1. ábra. A porfirin váz triviális (a) és sz isz tematikus (b) nomenklatúrája.

szabad porfirinnek*, míg külső hidrogének valamilyen csoporttal való helyettesítése után a megfelelő porfirinszármazéknak nevezzük. A klasszikus elnevezés szempontjából a gyűrűn megkülönböztették a pirrol gyűrűhöz tartozó valamint a pirrolközi szénatomokat (1a ábra). A pirrol gyűrűhöz tartozó szénatomokat 1-től 8-ig terjedő számozással, míg a pirrolközi pozíciókat α, β, γ és δ görög betűkkel, vagy egyszerűen csak α és meso előtaggal jelölhetjük. Így például a szabad porfirinnek azt a származékát, melyben a ligandum négy pirrolközi szénatomján a hidrogénatomok helyett egy-egy fenil-csoport található, meso-tetrafenil-

2. ábra. A különböz ő redukált porfirin sz ármaz ékok sz erkez ete.

* Az angol terminológiában − a magyarral ellentétben − a porfirin elnevezést gyűjtő névként használják, melybe beletartozik minden olyan molekula, melyben megtalálható az 1a. ábrán látható szén-nitrogén váz, vagy annak valamilyen származéka. Így e vegyületcsalád legismertebb képviselőit porfin-nek és porfin származékoknak nevezik.

4


porfirinnek nevezhetjük. Ám a porfirin vegyületcsalád származékainak rendkívül gyors ütemű bővülése szükségessé tett egy olyan nevezéktant, melyben az atomokat csak számozás alapján különböztetik meg (1b ábra)10. Ebben az esetben az előbb említett porfirin vegyület 5,10,15,20-tetrafenil-21H,23H-porfirin (H2TPP). Napjainkban mindkét elnevezési forma használatos, az egyszerűséget és egyértelműséget szem előtt tartva. A porfirinvázas vegyületek másik nagy csoportját alkotják azok a származékok, melyekben egy vagy több külső kettős kötés telítődik (hidrogéneződik). A redukált porfirinek stabilitása igen változatos, valamint fontos különbségek mutatkoznak spektrális, redoxi kémiai és fotokémiai tulajdonságaikban is. Egy telített kötés megszűnésekor képződhetnek klorinok vagy florinok attól függően, hogy az egyik pirrol gyűrűn lévő vagy pirrol közi szénatom redukálódik (2. ábra). Két kettős kötés redukálódásakor képződő molekulákat bakterioklorinnak (cisz vagy transz helyzetű) vagy tetrahidro-porfirinnek nevezzük (2. ábra). A klorinok a növényi sejtekben megtalálható klorofill rendszerek, míg a bakterioklorinok a bakterioklorofill rendszerek funkciós egysége. A szabad porfirin és annak komplexei vagy redukált származékai lipofil karakterűek, így poláros oldószerekben, mint például vízben, nem oldódnak. Ám a vizes oldószerben lezajló fotoredoxi folyamatok, valamint a víz molekulák hidrogénre és oxigénre történő fotodisszociációjának megvalósítása iránti érdeklődés rohamos növekedésével előállították a porfirin vegyületcsalád vízoldható származékait is. Ehhez a ligandum adott − többnyire a négy meso helyzetű − szénatomjaira anionos vagy kationos funkciós csoportokat kapcsoltak. A leggyakrabban használatos ionos szubsztituenseket a 3. ábra szemlélteti.

3. ábra. A leggyakrabban alkalmaz ott ionos sz ubsz tituensek valamint az ez en csoportokkal sz ubsz tituált porfirinsz ármaz ékok pK értékei.

5


A porfirin ligandum rendszer két nitrogén atomján két gyengén kötött proton található, melyek vizes oldatban megfelelő körülmények között disszociálódhatnak, helyükre fémionok léphetnek be. A molekulában található másik két nitrogén atom viszont két proton megkötésére képes, mely során úgynevezett protonált porfirin képződik, vagyis a vegyület bázikus sajátságokat is mutat (értelem szerűen vagy metalloporfirin képződik adott körülmények között, vagy protontált porfirin). A porfirinek sav-bázis tulajdonságainak jellemzésére is a pK értéket használják. Vizes oldatban a szabad porfirin pK-ja 2,5 és 5,5 között van attól függően, hogy milyen szubsztituensek találhatók a gyűrűn. Ha a ligandum meso helyzetű szénatomjain valamilyen elektronküldő csoport, például alkil csoport található, a bázicitás növekszik, viszont a savas karakter csökken. Szintén növelik a molekula nitrogénjeinek bázikus jellegét a negatívan töltött funkciós csoportok, mint például a karboxil vagy szulfonáto csoportok. Az elektronszívó vagy pozitív töltésű szubsztituensek értelemszerűen ellentétes hatást fejtenek ki. Az adott funkciós csoportot tartalmazó szabad porfirinek pK értékeit a 3. ábra szemlélteti. A természetben előforduló porfirinek között is találhatunk vízoldható származékokat – például az uroporfirinek, melyeken nyolc karboxil csoport felelős a vízben való oldhatóságért – noha döntő többségben a lipofil jelleg a meghatározó (hem-csoport, klorofill). A vízoldható porfirinek egyik sajátossága, hogy megfelelő koncentráció felett dimerizálódnak

majd

aggregálódnak11,12.

E

folyamat

egyszerűen

követhető

spektrofotometriásan, mivel jelentősen megváltozik mind az abszorpciós, mind a sugárzási színkép is. Az aggregálódott molekulákat másodlagos kötőerőkön kívül (elektrosztatikus kölcsönhatás, hidrogén-híd kötés, van der Waals erők) elsősorban a gyűrűk között fellépő π– π kölcsönhatások stabilizálják. A dimerizálódás során a porfirin molekulák egymással szemben helyezkednek el, az egyik ligandum (A és B pirrol gyűrűkön lokalizált) magasabb energiájú betöltetlen π akceptor pályái átfednek egy másik porfirin molekula alacsonyabb energiájú betöltött π donor pályáival (C és D pirrol gyűrűk). A dimerizálódáshoz vagy aggregálódáshoz szükséges körülmények (megfelelő koncentráció vagy ionerősség) eléréséig viszont a szabad porfirin legtöbb származéka valamint azok metallo-komplexei könnyen, széles pH és koncentráció tartományban oldódnak vízben. A porfirinváz geometriája igen széles skálán változik a rajta lévő szubsztituensektől függően. Míg a szubsztituensek nélküli szabad porfin ligandum szinte szabályos sík geometriájú, addig a nyolc etil-csoportot tartalmazó (H2OEP) forma „csavart” szerkezetű. Általánosan igaz, hogy kevéssé perturbáló környezetben a váz inkább planáris, bár nem teljesen merev. A geometriát befolyásolhatják az oldószerben jelenlévő egyéb ligandumok is 6


(SAT - normál). A szabad porfirin esetében a protonálódás is hatással van a gyűrű planaritására: a protonált porfirin gyakorlatilag teljesen szabályos sík geometriájú. A porfirin ligandum egyik, koordinációs kémiai szempontból igen fontos jellemzője, hogy keláthatás révén képes stabilizálni magas oxidációs fokú fémionokat. E stabilizáló hatás erősen függ a porfin vázon található szubsztituensek minőségétől is. Elektronküldő (pl. alkil) vagy negatívan töltött funkciós csoportok jelenléte − a bázicitáson kívül − növeli a keláthatást is. Ha a porfin makrocikluson meso helyzetben fenil szubsztituensek találhatók, az azon jelenlévő csoportok helyzetétől és milyenségétől függően a keláthatás igen széles határok között befolyásolható.

3.1.2 A metalloporfirinek általános jellemzése

A porfirinváz koordinációs kémiai szempontból merev, − egyéb többfogú ligandumhoz, például az EDTA-hoz képest − kis mértékben deformálódni képes, meghatározott belső térrel rendelkező, sík gyűrűs négyfogú ligandumként írható le. Ha a porfirin mellett a rendszerben valamilyen fémion is megtalálható, az képes kötődni a ligandum gyűrűben található négy nitrogénhez, melynek eredményeként metalloporfirin-ek képződnek. A váz merev, zárt jellegéből adódik, hogy a stabil, koplanáris metalloporfirin komplex csak megfelelő méretű és koordinációs geometriával rendelkező fémion esetében jöhet létre. Tehát a fémion a méretétől, töltésétől valamint spin-multiplicitásától függően képződhet normál (planáris) metalloporfirin, vagy úgynevezett sitting-atop (továbbiakban SAT) komplex, amikor a fémion az eredetileg sík porfirinvázat meghajlítva, annak síkja fölött helyezkedik el13,14,15. Ebből a szempontból az ideális fémion rádiusz a 55-80 pm tartományt jelenti, vagyis az ennél kisebb méretű fémionok gyakorlatilag keresztüljutnak gyűrűn, így metalloporfirin komplex nem képződik, míg nagyobb méretűek esetében a már említett SAT komplexek képződnek. A porfirin ligandum torzulásakor a pirrol gyűrűk fordulnak ki a síkból a fémion mérete és koordonációs állapotától függően. Ha mind a négy pirrolgyűrű azonos irányba fordul akkor dóm szerkezetű, ha két szemközti pirrolgyűrű az egyik, míg a másik két pirrolgyűrű a sík másik oldalára fordul akkor nyereg szerkezetű SAT komplex képződik. Az 1. táblázat néhány elem leggyakrabban előforduló oxidációs állapotának ionrádiuszát, valamint annak alapján egy porfirin ligandummal alkotott komplex típusát szemlélteti. A táblázat alapján egyértelműen látszik, hogy az adott típusú

7


porfirin komplex keletkezését nem lehet megjósolni csupán a rendszám vagy az ionrádiusz alapján. A SAT definíciót az irodalomban először a normál típusú metalloporfirinek képződése közben megjelenő köztitermék komplexre használták, amikor a szabad porfirin nitrogénjein lévő két hidrogén mellett a fémion is kötött16. E részecske azonban igen rövid élettartamú és a fémion beilleszkedésével gyorsan átalakul a normál típusú komplexszé, miközben a protonok leszakadnak róla. Ám a SAT jelzőt célszerűbb általánosan az olyan porfirin komplexekre használni, melyek időben állandóak, stabilan képződnek, valamint közös jellemzőjük, hogy a fémion a porfirinváz síkján kívül helyezkedik el, többé-kevésbé meghajlítva azt. Az így kialakuló vegyületek a normál, sík szerkezetű társaikkal ellentétben kinetikailag labilisak, a rendszer savanyításával könnyen bomlanak, kipreparálásuk csak néhány fémion esetében lehetséges (például cink(II)-porfirinek esetében). 1. táblázat: Néhány elem leggyakrabban előforduló oxidációs állapotának ionrádiusza valamint a porfirin ligandummal képzett komplex típusa vizes közegben.

Rendszám

Elem

12

Mg2+

72

normál

13

Al3+

53

normál

25

Mn2+

82

SAT

26

Fe2+ (kis spinszámú)

75

normál

26

Fe2+ (nagy spinszámú)

92

SAT

26

Fe3+

65

normál

28

Ni2+

69

normál

29

Cu1+

77

SAT

29

Cu2+

73

normál

30

Zn2+

74

SAT

46

Pd2+

86

SAT

48

Cd2+

85

SAT

127

SAT

102

SAT

80

2+

Hg2

2+

Ionrádiusz (pm)

A komplex típusa

80

Hg

81

Tl+

147

SAT

81

Tl3+

95

SAT

82

Pb2+

119

SAT

8


(a)

(b) 4. ábra. Elöl- és oldalnéz eti képei egy normál és egy SAT típusú porfirin komplexnek.

Továbbá, míg a csak átmenetileg képződő SAT jellegű molekulákon a két pirrol gyűrű nitrogénjének hidrogénje megtalálható, addig a stabilan keletkező SAT komplexekről e protonok disszociálódnak. Ezt több kutatócsoport is alátámasztotta különböző NMR mérések segítségével Tl(III)17 és Zn(II)18 porfirin komplex esetében, valamint IR spektroszkópiával Sn(II) porfirin komplex esetében is19. Kinetikai labilitásuknak köszönhetnek néhány speciális termikus és fotokémiai jellemzőt, mint például közvetett módon a normál porfirinek képződésére gyakorolt katalitikus hatást, vagy a hatékony fotoindukált töltésátviteli folyamatokat. A szabad porfirin ligandum szimmetriája oldatban a D2h szimmetria csoportba esik, mivel a négy nitrogénjéből kettőn hidrogén tartózkodik. A protonált porfirinek és a normál típusú metalloporfirinek esetében a szimmetria az ezen molekulák esetében elérhető legmagasabb rendű20 vagyis D4h (4a ábra). A SAT típusú komplexek esetében a központi fématom a porfirin gyűrű síkja fölött helyezkedik el, mely által az különböző geometriával 9


és mértékben torzul, így a szimmetriája lecsökken a C2 jelű csoportba. Ám a fémiontól és a ligandumon jelenlévő szubsztituensektől függően létrejöhetnek C4v vagy triviálisan „dóm” nevezetű, vagy akár S4, azaz „nyerges” szimmetriájú szerkezetek is (4b ábra). A SAT szerkezetű porfirin komplexek speciális fotokémiai és fotofizikai tulajdonságokkal bírnak, továbbá, a gyűrű torzulásából adódóan részlegesen szabadon maradt nitrogénjeik révén képesek két vagy akár három központi atomot tartalmazó „szendvics” komplexek kialakítására is21. Bizonyos lantanoida ionok esetében szintetizáltak már három porfirin gyűrűt tartalmazó, három rétegű komplexeket is22. A porfirinek és metalloporfirinek gáz halmazállapotban planárisak vagy kvázi planárisak, míg szilárd fázisban, kristályos állapotban a gyűrű jelentős deformálódást mutat. A 70-es évek elejéig, míg a háromdimenziós, röntgendiffrakciós mérések nem voltak kivitelezhetőek, a porfirin és metalloporfirin molekulákat egyértelműen sík szerkezetűnek gondolták szilárd fázisban is. Ám pontos röntgendiffrakciós felvételek segítségével kimutatták, hogy a kristály rácspontjain elhelyezkedő porfirinváz számos, sík szerkezettől eltérő geometriai állapotban van jelen23,24,25,26. E változatos szerkezeti megjelenés azt jelzi, hogy a porfirinváz igen könnyen deformálódik, mely tulajdonságának köszönheti többek között speciális koordinációs kémiai jellegzetességeit. A röntgen mérések segítségével megállapítható, hogy a szilárd fázisban lévő porfirin molekulák a kötéshosszaik és szögeik alapján átlagosan igen közel esnek a D4h szimmetriájú legszabályosabb szerkezethez. Ám az egyedi molekulákra inkább a C2h, vagy közelítőleg a D2h szimmetria a jellemző27,28. A szabad porfirin molekula monoklin rendszerben kristályosodik, elemi celláiban négy porfirin

5. ábra. Az átmenetileg képz ődő SAT komplex valamint az abból képz ődő normál porfirin komplex egysz erűsített modellje.

10


egység foglal helyet. A funkciós csoportokat is tartalmazó ligandumok nem mutatnak jelentős szerkezeti eltérést a megfelelő szubsztituálatlan molekulához képest. Továbbá, ha a szubsztituensek szimmetrikusan helyezkednek el a porfirin ligandumon, akkor a molekula eredeti szimmetriája is megmarad. A SAT méretű fémionok egyik érdekes és fontos jellegzetessége, hogy képesek katalizálni a normál típusú komplexek képződését. E folyamat lényege az, hogy az első lépésben, átmenetileg képződő SAT komplexben, a gyűrűben okozott deformáció révén a donor nitrogén atomok átellenes irányból könnyebben hozzáférhetővé válnak egy újabb fémion részére. Ha az újabb fémion méretileg a normál kategóriába tartozik (55-80 pm), az könnyen beékelődhet a gyűrű közepébe, melynek eredményeként termodinamikailag igen stabil komplex képződik (5. ábra). A nagy méretű fémion ugyanekkor disszociál a gyűrűről és egy újabb szabad porfirin molekulával találkozva egy újabb SAT típusú részecskét alkot. A folyamat addig tart, míg a rendszerben van szabad porfirin vagy az a fémion, mely normál porfirint képez. Ilyen jellegű katalitikus hatást több nehézfém-ion is mutat, mint például a Hg2+, Cd2+ és az Pb2+ ionok29. A porfirinvázas molekulák és azok metallo-komplexei a kiterjedt delokalizált elektronrendszerüknek köszönhetően igen jó hatásfokkal képesek töltésátviteli vagy elektronátadási folyamatok megvalósítására. A réz(II)ionokat (ionrádiusz 73 pm) vagy a különböző oxidációfokú vasionokat (vas(III) ionrádiusz 65 pm, vas(II) ionrádiusz 75 pm és 92 pm kis vagy nagy spinszámtól függően)30,31 tartalmazó citokrómok a legtipikusabb, a természetben is előforduló képviselői eme redoxi folyamatoknak, mind növényi mind állati és emberi szervezetekben8,9. A metalloporfirinekben lévő fémiont csak négy elektrondonor egység vesz körül, így az koordinatíve telítetlen, vagyis axiális irányból képes további egy vagy két ligandum megkötésére. Ekkor a porfirin gyűrű és a központi fémion között fellépő redoxi potenciál változása révén ennek az újonnan koordinálódott ligandumra kifejtett hatása által e molekulák bizonyos kémiai reakciók hatékony katalizátorai lehetnek. Egy igen szemléletes példa erre a vas(III)-porfirin oxigénaktiváló képessége, mely számos kutató műhely figyelmét felkeltette az utóbbi években32,33,34. E komplex segítségével ugyanis vizes oldatban, enyhe körülmények között, szelektív módon lehet oxigént bevinni szerves molekulákba. Ezáltal számos oxigenáz enzim modellrendszer alapvegyülete is e komplex. Szintén egy példa a speciális axiális koordinációra az élő szervezetekben jelenlévő hemoglobinban található vas(II)-porfirin oxigénmegkötő hatása8,9 is, ugyanis a molekuláris

11


oxigén

reverzibilis

koordinációja

mesterséges

úton,

egyszerű

szervetlen

kémiai

körülmények között a mai napig megoldatlan probléma.

3.1.3 A porfirinek és metalloporfirinek elektronszerkezete A porfirin makrociklus delokalizált elektronrendszerrel jellemezhető, 22 π elektronjából a konjugációban 16, vagy 18 elektron vehet részt. Ha az 1.a ábrán látható porfirinvázon feltüntetett egyes valamint kettős kötéseket figyelmen kívül hagyjuk és az összes, delokalizációban résztvevő szénatomot úgy tekintjük, mint π pályává átfedni képes

6. ábra. Sz abad porfirinek és metalloporfirinek lehetséges delokaliz ált elektronsz erkez etei.

p orbitálok forrását, a 6. ábrán látható konjugációs „utak” lehetségesek35. Ha például a 6. ábrán látható porfirinváz 1-2 és 5-6 szénatomokon lévő kettős kötései, valamint a két NH csoport nem vesz részt a konjugációban, az a) ábrán látható, 18 atomra kiterjedő delokalizáció alakul ki. Ugyanakkor, ha az 1-2, 3-4, 5-6 és a 7-8 szénatomokon lévő p

7. ábra. Sz abad porfirin és metalloporfirin köz ött fennálló sz immetria különbség.

12


orbitálok nem vesznek részt a konjugációban, a b) ábrán látható, csak 16 atomra kiterjedő delokalizáció jön létre. Röntgendiffrakciós mérésekkel (az azonos atomtávolságok, vagyis egyenlő kötéshosszak alapján) valamint elméleti számításokkal kimutatták, hogy a szabad porfirinek esetében a kevésbé szimmetrikus 18 atomos, a metalloporfirinek esetében pedig a 16 atomos konjugáció valósul meg (6. a és c ábra)35. A szabad porfirinek esetében fellépő szimmetria-csökkenés oka a két nitrogénatomon lévő hidrogéneknek tulajdonítható azáltal, hogy azok sztérikus hatása miatt a két nitrogénatom kismértékben kikényszerül a gyűrű síkjából. Ezáltal a két nitrogén nemkötő elektronpárja nem tud részt venni a konjugációban, vagyis a 18 atomra kiterjedő delokalizáció valósul meg. A molekula szimmetriája így D4hról D2h típusúra csökken (7.b és 7.a ábra). Ennek hatására az elektrongerjesztési színképben sávfelhasadás következik be, vagyis az első szingulett gerjesztett állapot (S1) két különböző energiájú állapottá szeparálódik (Qx, Qy). E két állapotra történő elektronátmenet során az átmeneti dipólus a molekula x, valamint az y tengelye mentén fekszik, mint ahogy azt 7.a ábra is szemlélteti. E feltevést igazolta az a kísérleti eredmény, melyben síkban polarizált fénnyel gerjesztve mérték a szabad porfirinek által emittált (fluoreszkált) fény irányát és szögelfordulását. A szabad porfirinek esetében (lásd 7.a ábra) az átmeneti dipólus momentum különböző az x valamint y tengely mentén, míg a metalloporfirinek esetében (lásd 7.b ábra) ez a dipólus momentum megegyezik a két tengely mentén (mivel az x és y irányból tekintve nem különbözik a molekula). Ennek következtében az utóbbi esetben a Qx és Qy elektronátmeneteknek azonos az energiája, így az abszorpciós színképben e két átmenet nem különül el (lásd 10. ábra, cink-porfirin).

8. ábra. Egy metallo-porfirin és egy sz abad porfirin molekula gerjesz tett állapotainak egysz erűsített energiadiagramja35.

13


A molekula szimmetriájának további csökkentésével, például valamelyik külső kettős kötés telítésével (hidrogénezésével), a Qx és Qy átmenetek közötti energiakülönbség növekedik, mint ahogy az a klorinok esetében megfigyelhető. Viszont a klorin-származékok metallokomplexeinek képződésekor az átmeneti momentum az x és y tengely mentén továbbra sem lesz azonos (a kettős kötés hidrogénezése miatt), így az abszorpciós színképében továbbra is megfigyelhető a Q sávok felhasadása. Tehát a 18 atomra kiterjedő konjugáció esetén (lásd 6.a és 7.a ábra) a Qx és Qy elektronátmenetek energiája különböző, míg a 16 atomra kiterjedő konjugáció esetén (lásd 6.c és 7.b ábra) ezen átmenetek energiája megegyezik. Ugyanakkor, bármelyik konjugáció valósul is meg, a porfirin molekula bizonyos külső kettős kötései nem vesznek részt abban, ami magyarázza azt a megfigyelést, hogy ezen kettős kötések telítésekor (mint ahogy az a klorinokban van) a molekula konjugációja nem változik, így végeredményben az abszorpciós színkép sávszerkezete csak kis mértékben különbözik a porfirin molekula sávszerkezetétől. A 8. ábra szemlélteti a metalloporfirin, szabad porfirin és klorin molekulák gerjesztett állapotainak sávfelhasadását35. A

porfirinvázas

molekulák

és

azok

metallo

komplexeinek

delokalizált

elektronrendszere aromás jelleget mutat a Hückel szabálynak megfelelően (4n+2). Az aromás jelleget több kísérleti eredmény is igazolja, többek között röntgendiffrakciós 27,36 valamint NMR mérések, továbbá a hatékonyan lejátszódó elektrofil szubsztitúciós reakciók (nitrálás, szulfonálás, acilezés, halogénezés). Az NMR vizsgálatok az aromás gyűrűáramot támasztják alá, ugyanis a nitrogénen lévő, belső protonok jele – ellentétben a külső szénatomokon lévő hidrogének jeleivel – csak igen nagy mágneses térerősségnél jelentkezik (14-15 Tesla). A normál típusú, síkszerkezetű metalloporfirinek esetében, tekintve, hogy bizonyítottan a 16 atomra kiterjedő konjugáció valósul meg, az aromatizáció nem jöhetne létre a Hückel feltétel hiánya miatt. Ugyanakkor a metalloporfirinek és a szabad porfirinek abszorpciós színképének nagy fokú hasonlósága e feltevést nem támasztja alá. Ebből kifolyólag e porfirin komplexekben az aromás elektronrendszer létrejöttéhez szükséges további két elektront valószínűleg a központi fématom szolgáltatja valamelyik nemkötő, betöltött d pályája révén. Így a porfirin gyűrű gyakorlatilag σ donor π akceptor ligandumként is értelmezhető, mint ahogy például a CN– vagy a CO ligandumok, azzal a kivétellel, hogy ebben az esetben nem a ligandum üres p pályájára történik a viszontkoordináció, hanem a porfirin molekula delokalizált π pályájára. Mivel az aromás elektronszerkezet energetikailag annyira kedvező, hogy még a szerves vegyületek körében igen ritkának számító ionos molekulák stabilizálására is képes (például a ciklopentadienilanion), e feltevés igen valószínű. Továbbá igen hasonló, a delokalizált elektronrendszerbe 14


történő viszont-koordináció valósul meg például a ferrocén komplexek (pl. vas-ferrocén) esetében is, mely során az aromás szerkezethez szükséges elektront az adott központi fématom biztosítja. Ennek tükrében már könnyebben értelmezhető az a jelenség, hogy a normál, síkszerkezetű porfirin komplexek esetében az elnyelési színkép erősen függ a központi atom minőségétől, valamint az, hogy a SAT típusú komplexek esetében viszont az abszorpciós színképek gyakorlatilag azonosak (lásd: A porfirinek és metalloporfirinek elnyelési sajátosságai szakaszt, 16. oldal).

3.1.4 A porfirinek és metalloporfirinek fotofizikai jellegzetességei A porfirinek erősen fényelnyelő molekulák, jól jellemezhető, meghatározott spektrális sajátságokkal bírnak. A porfin makrociklusra kapcsolt különböző funkciós csoportok rendszerint különböző módon hatással vannak annak elektronrendszerére, amitől az abszorpciós színkép sávszerkezetében különböző mértékű eltolódások és intenzitásváltozások figyelhetők meg. Ám az azonos szubsztituenst, de annak különböző ionos változatait (kationos, anionos, nem-ionos) tartalmazó ligandumok elnyelési és kisugárzási jellemzői igen hasonlóak, az oldószer (vizes vagy szerves) polaritásától nem függenek. A metalloporfirinek esetében hasonló a tendencia, ám nagyobb donorszámú oldószerekben, azok axiális koordinációja miatt már jelentős különbségek mutatkozhatnak egy adott porfirin komplex színképében. A porfirinek spektrális jellegzetességeinek felderítésével, rendszerbe foglalásával többek között Gouterman és társai foglalkoztak mélyebben, a legtöbb irodalomban mai napig az ő munkájukat veszik alapul37. Rendszerezésének alapja az, hogy a kialakuló metalloporfirinket fényabszorpciós jellemzőiktől függően mint regular (szabályos) és irregular (rendhagyó) típusú komplexeket különböztette meg. „Szabályos” porfirinnek tekintette azokat a molekulákat, melyek abszorpciós és emissziós sajátságait szinte kizárólag a makrociklus π elektronrendszere határozza meg, a központi fémion komolyabb perturbáló képessége hiányában. Míg a „rendhagyó” porfirin komplexek közé sorolta azokat a vegyületeket, melyek esetében a központ fémion jelentősen befolyásolja spektrális jellemzőket. Általánosságban tehát a lezárt elektron héjú fémionok alkotnak regular típusú, míg a nyílt héjú (pl. az átmeneti fémek) fémionok pedig irregular típusú komplexet. Ám eme rendszerezésnek több, az irodalomban is megjelent, valamint az általunk is tapasztalt kísérleti eredmény ellentmond, így jelen dolgozatomban nem élek e csoportosítással. Ehelyett, a porfirnek elektrongerjesztési és kisugárzási sajátságait inkább a központi atom 15


gyűrűhöz viszonyított helyzete alapján csoportosítom, vagyis a kialakult komplex sík vagy SAT szerkezetének függvényében.

3.1.4.1 A porfirinek és metalloporfirinek elnyelési sajátosságai

A porfirinek elektrongerjesztési spektrumában, a látható tartományban két intenzív sávegyüttes figyelhető meg: az úgynevezett Q, valamint a B vagy többnyire Soret sávnak nevezett átmenetek. Az ultraibolya tartományban három további, kevésbé intenzív elektronátmenet észlelhető, melyeket N, L és M sávoknak neveznek azok növekvő energiájának megfelelően. Ez a fajta elnevezés egy korai, Platt által bevezetett spektroszkópiai osztályozási rendszerből38 ered, melyben a B gerjesztett állapot erősen megengedett, míg a Q állapot kvázi-megengedett elektronátmenet eredménye. A Q(0,0) sáv az S0 és S1 közötti, míg a B(0,0) sáv a az S0 és S2 elektronállapotok közötti átmenetet jelöli (a zárójelben lévő első szám mindig a gerjesztett állapot, míg a második szám mindig az alapállapot vibrációs szintjét jelzi). Elméleti számításokkal alátámasztották, hogy valamennyi

fentebb

említett

elnyelési

sáv

a

porfirin

ligandum

konjugált

elektronrendszerének π-π* átmeneteiből származik. E feltevést erősíti a nagy moláris abszorpciós koefficienseken kívül az is, hogy a központi fématomtól függetlenül, azonos

B(0,0)

B sávok

Q sávok Q y(1,0)

B(1,0)

×10

Q y(0,0) Q x(1,0)

Q x(0,0)

9. ábra. A 5,10,15,20-meso-tetrakis-(4-sulfonatophenyl)porphyrin (H 2 TPPS4-) elnyelési sz ínképe viz es oldatban.

16


porfirin ligandum esetén, az elnyelési színképek relatíve eléggé hasonlóak (lásd 10. ábra). Továbbá a porfirin ligandum valamelyik pirrol gyűrűjének egy vagy több kettős kötését telítve (hidrogénezve) az abszorpciós színkép csak relatíve kis mértékben változik (lásd klorinok). A legkisebb gerjesztési energiáknál a Q sávok jelennek meg az elnyelési színképben, körülbelül az 500-700 nm-es hullámhossz-tartományban. Ezen átmenet a porfirinvázas molekulák első, legkisebb energiájú szingulett gerjesztett állapotához tartozik, melyet Q(0,0) vagy ritkábban α átmenetként jelölünk. Ehhez az állapothoz tartozik egy hasonló moláris abszorbanciájú vibrációs átmenet, mely körülbelül 1300 cm-1-el nagyobb energiánál jelenik meg és Q(1,0) vagy ritkábban β sávként jelölünk. A szabad porfirin ligandumok (mint például a H2TPPS4-), valamint néhány metalloporfirin esetében fellépő szimmetria csökkenés hatására (lásd A porfirinek és metalloporfirinek elektronszerkezete szakaszt, 12. oldal) a Q(0,0) sáv felhasad egy alacsonyabb energiájú Qx(0,0) és egy magasabb energiájú Qy(0,0) sávra, közelítőleg 3000 cm-1-es energiakülönbséggel. Mindkét sávnak van vibrációs felharmonikusa, Qx(1,0) valamint Qy(1,0). Így az ilyen jellegű porfirinszármazékok, tehát a szabad ligandumok, valamint bizonyos metalloporfirinek abszorpciós színképében négy elnyelési sáv figyelhető meg az 500-700 nm-es hullámhossz tartományban (lásd 9. ábra). A Q sávok moláris abszorpciós koefficiense a néhányszor 104 M-1 cm-1 tartományba esik. A porfirinvázat tartalmazó molekulák abszorpciós színképében megfigyelhető legintenzívebb elnyelési sáv 380 nm-től egészen akár 460 nm-ig is megjelenhet. Ezen átmenet a második szingulett gerjesztett állapotnak felel meg, Soret vagy B sávnak nevezik, jelölése B(0,0). A Soret sáv moláris abszorpciós koefficiense a (2-4)×105 M-1 cm-1 tartományba esik. Általában ehhez a sávhoz is tartozik egy vibrációs átmenet körülbelül 1250 cm-1-el nagyobb energiánál, melyet B(1,0) sávként jelölünk. Az abszorpciós színképen ez a Soret sáv vállaként jelenik meg, mivel moláris elnyelése körülbelül egy nagyságrenddel kisebb (lásd 9. ábra). Az abszorpciós színképben megfigyelhető néhány további, kevésbé intenzív elnyelési sáv is a Soret sávnál rövidebb hullámhosszaknál. Ezen elektronátmeneteket N, L és M sávoknak nevezik azok növekvő energiájuknak megfelelően38,39. Az N átmenet 325 nm, az M átmenet 215 nm, míg az L átmenet valahol e két állapot közötti hullámhosszaknál jelenik meg egy porfirinvázas molekula színképében. Mivel ezen sávok már mélyen az UV tartományban találhatók, az M átmenet többnyire már csak az oldószer abszorpciójának megfelelő korrekciójával észlelhető. Mivel a fotokémiai és fotofizikai jelenségek 17


megfigyeléséhez szinte kizárólag a B és Q sávok használatosak40,41,42, e sávok jelentősége viszonylag csekély. A 10. ábrán három, különböző elnyelési sajátságokat mutató porfirinszármazék látható, nevezetesen a szabad bázisú tetrafenil-szulfonáto porfirin ligandum, a szabályos planáris komplexet alkotó vas(III)-porfirin, valamint a SAT típusba sorolható, nem sík szerkezetű cink-porfirin.

kék eltolódás

vörös eltolódás

×10

10. ábra. A H 2 TPPS4- (sz ürke sz aggatott vonal), ZnTPPS4- (piros vonal) valamint Fe IIITPPS3- (kék vonal) elnyelési sz ínképe viz es oldatban.

Ezen spektrumok jól reprezentálják a különböző központi atomok hatására a szabad porfirin ligandum elnyelési színképében fellépő sáveltolódásokat. Fém központi atomok porfirinvázba történő beépülése általánosan fellépő hatást fejt ki az abszorpciós színképre, melynek következtében mind a Q sávok száma, intenzitása és pozíciója is, mind a B sáv intenzitása és pozíciója megváltozhat. Ez alapvetően befolyásolja a porfirinvázas molekulák látható színét, így például a hemoglobin a benne található vas(II)-porfirin miatt vörös színű, mivel a molekula elnyeli a látható színkép kék és zöld komponenseit, míg vörös komponenseit átengedi. Hasonlóképpen a klorofill (Mg(II)-klorin), mely zöld színű azáltal, hogy a molekula elnyeli a színkép kék és vörös komponenseit, míg a zöld komponenseit átereszti. Egy adott metalloporfirin molekula abszorpciós színképében bekövetkező sáveltolódás lehet kék vagy vörös eltolódás attól függően, hogy az adott elnyelési sáv balra vagy jobbra tolódik el az adott szabad porfirin sávjaihoz képest (lásd 10. ábra). Számos 18


elméleti számolással próbálták értelmezni a porfirin komplexek változatos abszorpciós színképi, valamint emissziós tulajdonságait, mivel elméleti jelentősségén túl analitikai szempontból is rendkívül fontosak lehetnek ezen ismeretek. Ugyanis a porfírin vázas molekulák rendkívül nagy moláris abszorpciós koefficiense révén számos fémionnak az egyszerű, spektrofotometriás úton történő analízise akár a ppm koncentrációs tartományig is megvalósítható lenne, szemben a jelenlegi 10-4 M dm-3-es érzékenységű módszerekkel. A rendszerezésnél mindenekelőtt a porfirin-komplex szerkezeti típusát kell figyelembe venni, vagyis, hogy a kialakult metalloporfirin síkszerkezetű (normál típusú) vagy a síktól eltérő szerkezetű (SAT típusú). Azon fémionok esetében, melyek sík szerkezetű metalloporfirint képeznek, alkalmazható a Gouterman-féle rendszerezés, míg a SAT típusúak esetében nem. Ennek tükrében a sík szerkezetű (normál típusú) metalloporfirinek abszorpciós színképéről általánosságban elmondható, hogy a szabad porfirin molekula színképéhez képest a B sávjuk kisebb vagy nagyobb mértékben kék eltolódást szenved (pl. a Fe(III)TPPS3--nál nagyobb, míg a Cu(II)TPPS-nál minimális), Q sávjaik szintén kék eltolódást szenvednek. Mivel e komplexek esetében a központi fémion a porfirin gyűrű síkjában, szimmetrikusan helyezkedik el, annak elektron pályái kisebb vagy nagyobb mértékben kölcsönhatásba kerülnek a gyűrű π elektronjaival. E kölcsönhatás mértéke elsősorban a központi fémion oxidációs állapotától, elektronegativitásától, valamint az elektronhéj zárt vagy nyitott jellegétől függ,

mivel ezen hatások közvetlenül befolyásolják a fém-ligandum

elektronpályák kapcsolatát. A különböző oxidációs állapotú fémionok porfirin komplexei közül például többnyire a magasabb oxidációfokú esetében nagyobb a kék eltolódás mértéke43. Mindezek mellett, egy adott központi atom és a porfirin ligandum közötti kölcsönhatás mértékére utal a legkisebb energiájú elnyelési sáv oszcillátor erősségének mértéke is43. Nevezetesen, minél nagyobb a központi fémion és a gyűrű közötti kölcsönhatás, annál kisebb a sáv oszcillátor erőssége. A nem sík szerkezetű (SAT típusú) komplexek esetében általánosságban elmondható, hogy a szabad porfirin molekula színképéhez képest a B sávjuk kisebb vagy nagyobb mértékben vörös eltolódást szenved, míg a Q sávjuk viszont kék eltolódást szenvednek.

19


3.1.4.2 A porfirinek és metalloporfirinek emissziós sajátosságai

A porfirin és metalloporfirin származékok intenzív fényelnyelésen kívül nagyfokú emissziót is mutatnak. Kasha, Becker és munkatársaik úttörő munkái44,45 óta számos kutató foglalkozott (és foglalkozik jelenleg is) intenzíven a porfirinek és azok különböző származékainak fotofizikai tulajdonságainak vizsgálatával46,47,48,49,50. Munkáik folyamán szinte az összes fémiont megvizsgálták a porfirinek alapvető fotofizikai (fluoreszcencia, foszforeszcencia) és fotokémia tulajdonságaira kifejtett hatásuk szempontjából, lehetőséget adva ezáltal átfogóbb elméleti következtetések levonására. Gouterman és munkatársai vizsgálták a metalloporfirinek emissziós sajátságait is, melynek eredményeként olyan elméleti rendszer született, amiben egy adott fémion elektronszerkezete alapján megjósolható annak emissziós viselkedése37 (ám szintén csak a sík szerkezetű, vagyis normál típusú metalloporfirint képző központi atomok esetében). 2. táblázat. metalloporfirinek lumineszcencia sajátságai a központi fématomtól függően, szobahőmérsékleten37.

Csak foszforeszkál

Csak fluoreszkál

(Φem < 10-4)

Foszforeszkál és fluoreszkál (Φfl > 10-3 , Φph > 10-3)

(Φfl < 10-3 , Φph > 10-4)

(Φfl > 10-3)

Ni(II), Fe(III),

Pd(II), Pt(II), Ru(II),

Os(II), Rh(II), Co(II),

Mg(II), Zn(II), Cd(II),

Ag(III), Sn(II),

Cr(III)

Ir(II)

Sn(IV), Al(III),

Nem lumineszkál

Pb(II), Sb(III),

Szabad porfirin

Bi(III), Mn(III), Mo(V), W(V)

Rendszerezésükben megkülönböztette a diamágneses és paramágneses elektronszerkezetű, valamint a diamágneses komplexeken belül a nyílt és zárt alhéjú metalloporfirineket. A 2. táblázat a szabad porfirin ligandum és annak különböző fémionnal alkotott komplexeinek szobahőmérsékleten mutatott sugárzási tulajdonságait foglalja össze37.

20


11. ábra. A porfin váz as molekulák lehetséges fotofiz ikai folyamatai51 .

A fotokémiai és fotofizikai vizsgálatokhoz igen gyakran használták a cink-porfirint, mivel talán a legkönnyebben előállítható porfirin-komplex, valamint a magnézium-porfirint, mint lehetséges modelljét a természetes klorofillnak. A 11. ábra a porfirinvázat tartalmazó molekulák lehetséges fotofizikai folyamatait foglalja össze51, míg a 12. ábra reprezentálja egy szabad porfirin (H2TPPS4-) valamint egy metalloporfirin (ZnTPPS4-) molekula emissziós színképet. A ZnTPPS4- színképében megfigyelhető intenzív kék eltolódás jelzi (az abszorpciós színképben is megfigyelhető kék eltolódással összhangban), hogy az első gerjesztett állapot (S1) energiája nagyobb az adott szabad porfirin S1 állapotának energiájához képest.

3×

12. ábra. A H 2 TPPS4- (fekete vonal) valamint a ZnTPPS4- (kék vonal) kisugárz ási sz ínképe viz es oldatban.

21


A porfirinek és metalloporfirinek S0 szingulett alapállapotról történő gerjesztése során valamelyik magasabb energiájú szingulett állapotba kerül a molekula (Sn). Tekintettel arra, hogy az S2,x (B(0,x)) állapotba történő átmeneti (B elnyelési sáv) valószínűség a legnagyobb, a gerjesztett állapotú részecskék döntő többsége ebben az állapotban lesz jelen. Ám ezen állapotokról igen gyors, pikoszekundumos intervallumú sugárzásmentes átmenet (kIC1) révén a legkisebb energiájú, szingulett gerjesztett állapotba (S1) kerül a molekula. Az S1 állapotról a molekula lecsenghet az alapállapotra (S0,x) sugárzásos (fluoreszcencia, S1→S0 kfl sebességi állandóval) vagy sugárzásmentes energiavesztéssel (kIC2), de spinváltó folyamatban átalakulhat akár a legkisebb energiájú triplett gerjesztett állapotba, T1-re is (S1→T1, kISC1). A fluoreszkáló állapot élettartama a néhány pikoszekundumtól akár a néhányszor tíz nanoszekundumig is terjedhet, a H2TPPS4- szabad porfirin esetében például 10 ns, míg a cink-porfirin esetében 2 ns az élettartam (további metalloporfirinekre vonatkozó adatok megtalálhatók az irodalomban43). A triplett gerjesztett állapotból (T1) a molekula lecsenghet szintén sugárzásos energiavesztéssel (foszforeszcencia, T1→S0, kph), vagy sugárzásmentes átmenetben (kISC2) az alapállapotra. A triplett állapotok élettartama szobahőmérsékleten néhány száz mikroszekundumtól néhány milliszekundumig terjed, míg 77 °K-en akár néhány száz ms is lehet az élettartam. Bizonyos esetekben, amikor a triplett gerjesztett állapot (T1) energiája csak kis mértékben tér el a szingulett állapot (S1) energiájától, az S1 állapot vissza-gerjesztődhet a T1 állapotról. E jelenséget késleltetett fluoreszcenciának (k-ISC1) nevezzük. Az S1 állapot „újranépesedése” a T1 állapotról bekövetkezhet termikus úton vagy triplett-triplett annihiláció révén. Az előbbi esetet az E-típusú késleltetett fluoreszcencia, melyben az észlelhető fluoreszcencia-élettartam megegyezik a triplett állapot élettartamával, míg az utóbbi eset a P-típusú késleltetett fluoreszcencia, melyben a bruttó fluoreszcencia élettartama értelemszerűen a triplett állapot élettartamának a fele. Számos szerves vegyület esetében tapasztaltak késleltetett fluoreszcenciát52, többek között a klorofill a és klorofill b esetében, valamint részletesen tanulmányoztak több cink-porfirin származékot is (ZnOEP és ZnTPPS)53,54. Néhány szabad porfirin és metalloporfirin esetében is megfigyeltek magasabb energiájú gerjesztett állapotról (S2) történő fluoreszcenciát is. Ezen - meglehetősen ritka jelenséget porfirin- komplexekre először Bajema és munkatársai észlelték ZnTBP komplex vizsgálatakor 1971-ben55. Azóta is számos kutatócsoport foglalkozik e jelenség vizsgálatával56,57,58,59,60,61. Kutatásaik során kimutatták, hogy annál inkább kedvezményezett az S2 állapotról történő emisszió, minél nagyobb az energiakülönbség az első (S1) valamint a 22


második (S2) gerjesztetett állapotok energiái között (a ZnP esetében ez például ~6900 cm -1). Továbbá minél nagyobb az S0→S2 átmenet hatás-keresztmetszete, annál nagyobb valószínűségű az S2 állapotról végbemenő emisszió, mivel e folyamat már képes versengeni az S1 állapotra történő belső konverzióval. Bizonyos porfirin-komplexek esetében akkor is észleltek S2 állapotról történő emissziót, mikor a gerjesztő fény hullámhossza csak az S1 állapot energiáját érte el. Ezen anomális emisszió lehetséges magyarázatát az egyik ilyen porfirin-komplex (ZnTPP, cink-tetrafenil-porfirin) lézer fénnyel generált emissziójának vizsgálatától várták. Három lehetséges mechanizmus képzelhető el ilyen jellegű emisszió esetén: a) triplet-triplet annihiláció T1

+

T1

hν

→

S1

→

S2

+

S0

S1

+

hν

(1)

b) két fotonos gerjesztés S0

+

→

S2

(2)

c) két fotonos gerjesztés többszörös spinváltó folyamattal S0

+

hν

→

S1 → T1

T1

+

hν

→

Tn → S2

(3)

Időfelbontásos spektroszkópiai módszerekkel kimutatták57,58,62, hogy a triplet-triplet annihilációs folyamat (a) kimutatható ugyan, ám az észlelt S2 emisszióhoz képest elhanyagolható intenzitású. A c) mechanizmusban végbemenő többszörös spinváltó folyamat nem kedvezményezett, így e mechanizmus kizárható. Vagyis az eredmények alapján az következik, hogy az észlelt S2 emisszió elsősorban kétfotonos elektrongerjesztés (b) hatására játszódik le, valamint kis mértékben triplet-triplet annihiláció (a) révén. Ilyen típusú, kétfotonos gerjesztésből származó S2 emissziót észleltek magnézium- és több lantanoida-porfirin esetében is63,64. A metalloporfirinek elnyelési és sugárzási színképe a ligandum típusától függően érzékeny lehet az oldószerre, vagyis a gerjesztett állapotok energiája, élettartama oldószerfüggő65. Nagyobb donorszámú oldószerekben (pl. víz), az oldószermolekulák metalloporfirinekhez történő axiális koordinációja szintén hatással van gerjesztett állapotok jellemzőire, az abszorpciós sávok többnyire a nagyobb hullámhosszak irányába tolódnak el66. Az axiálisan koordinálódott oldószermolekulák típusától függően például jelentékenyen változik a S1 állapotok élettartama a cink- és magnézium-porfirinek esetében67.

23


3.1.5 A porfirinek és metalloporfirinek fotokémiai jellegzetességei

A porfirinszármazékok szingulett és triplett gerjesztett állapotai meglehetősen hosszú élettartamúak, így az egyéb részecskékkel végbemenő bimolekuláris reakcióik igen hatékonyak. Különösen igaz ez a triplett állapotokra, mivel az élettartam akár több ms is lehet. Ám a szingulett állapotok esetében, a bimolekuláris reakciók csak bizonyos feltételek mellett játszódnak le, tekintettel arra, hogy ezen állapotok élettartama néhány ns körüli. Így a hatékony fluoreszcencia-kioltáshoz nagy koncentrációban jelenlévő kioltó molekula ([Q] ≥ 1 mM) vagy a kioltó molekula és a gerjesztett molekula fizikai közelsége szükséges (pl. szilárd fázis, mikroheterogén környezet, vagy a kioltó és gerjesztett csoport egy molekulában van jelen). Egy, a természetben is előforduló ilyen rendszer például a növényi sejtekben megtalálható klorofill is, melyben az elektronátadási folyamat szingulett gerjesztett állapotokon keresztül valósul meg a napfény 680 és 700 nm vagy ennél rövidebb hullámhosszúságú fotonjainak hatására. A gerjesztett állapotú porfirin molekula reakcióinak kinetikai jellemzői elsősorban a széles körben elterjedt és alkalmazott lézervillanófény fotolízis technikával vizsgálhatóak (a gerjesztett állapotok lecsengésének követésével). A végbemenő

kioltási

mechanizmus

milyenségéről

(vagyis

elektrontranszfer

vagy

energiatranszfer voltáról) a lézervillanófény fotolízis technikán kívül a fotokémiai termék(ek) közvetlen spektrofotometriás és/vagy ESR vizsgálatára, vagy akár a kioltási folyamat sebességi állandója és a kioltó molekula redoxipotenciálja közötti termodinamikai összefüggések ismeretére is szükség lehet. A gerjesztett állapotú porfirinszármazékok a következő elsődleges energiavesztési folyamatokban adhatják le vagy hasznosíthatják többlet energiájukat: a) unimolekuláris folyamatban (izomerizáció, disszociáció vagy fotodegradáció) MP1*

→

MP2

(4)

b) bimolekuláris folyamatban: 1.

elektronátadási reakciókban MP*

2.

+

Q

→

MP+/-

+

Q-/+

(6)

MP

+

Q*

(7)

energiaátadási reakciókban MP*

+

Q

→

24


3.

fizikai kioltás révén MP*

+

Q

→

MP

+

Q

+

kT

(8)

Formálisan (nem reakciókinetikai értelemben) a bimolekuláris folyamatok közé sorolhatóak a molekulán belüli vagy másképpen intramolekuláris úton végbemenő kioltási folyamatok is, mivel ebben az esetben is van jelen egy donor-akceptor pár, melyet többnyire valamilyen konjugált kettős kötéseket tartalmazó híd köt össze. Viszont ebben az esetben a kioltás sebessége jóval nagyobb is lehet, mint az egyébként maximálisan csak a diffúzió sebességét elérő (vagyis diffúzió kontrollált) folyamatoké. A normál típusú porfirin származékok általában fotostabil molekulák, így elsősorban bimolekuláris (a) folyamatok jellemzőek e vegyület csoportra. Ezzel ellentétben a gerjesztett állapotban lévő SAT típusú porfirinek viszont igen hatékonyan alakulnak át unimolekuláris folyamatban, mely során gyűrűhasadás következik be68,69.

3.1.5.1 Gerjesztett állapotú porfirinek energiatranszfer reakciói

A porfirin molekula a bimolekuláris fotokémiai reakcióiban részt vehet mind energia- donorként mind -akceptorként. Ám a molekula gerjesztett állapotának rendkívül hatékony kialakulása, a spinváltó átmenetek nagy kvantumhasznosítási tényezője, valamint a kialakult triplett állapotok hosszú élettartama miatt elsősorban donorként funkcionál. A gerjesztett szingulett (S1) állapotok energiái körülbelül a 1,8-2,3 eV tartományba, míg a triplett állapotok energiái 1,6-1,7 eV körüli tartományba esnek, mely állapototokról hatékony energia- (vagy elektron-) átadás következik be ezeknél kisebb energiájú állapottal rendelkező akceptor molekulára. E tulajdonságának köszönhetően a porfirin- és metalloporfirin származékok többsége ideális fotoérzékenyítő. Igen jellegzetes példa egy ilyen típusú folyamatra a triplett gerjesztetett állapotú porfirin molekula és a szintén triplett, de alapállapotú oxigén molekula reakciója, mely során alapállapotú porfirin és magasabb (gerjesztett) energiájú, szingulett állapotú oxigén (1O2) molekula képződik. E fotokémiai reakció az alapja az úgynevezett fotodinamikus terápiának is, melyben a szingulett állapotú oxigén molekula erélyes oxidatív hatását használják ki sejtpusztítás céljára. A porfirinszármazékot tartalmazó rendszerekben lejátszódó molekulán belüli, vagyis intramolekuláris energiaátadás megvalósulhat akár etilén hídon, kovalens kötéseken 25


keresztül, p-fenilén jellegű gyűrűn keresztül, vagy akár metalloporfirin központi atomjához koordinálódott axiális ligandumon keresztül is. A porfirinek áldásos fotofizikai tulajdonságainak köszönhetően igen széles körben elterjedt a használatuk a legkülönbözőbb, mesterséges fotoszintézist utánzó rendszerek kutatásában70,71, fénygyűjtő óriásmolekulák (dendrimerek) létrehozásában4.

3.1.5.2 Gerjesztett állapotú porfirinek elektrontranszfer reakciói

A

porfirin

származékok

legfőbb

fotokémiai

reakcióit

a

fotoindukált

elektrontranszfer reakciók alkotják. E fotoindukált redoxireakciókkal számos kutatócsoport foglalkozott72,73,74,75 (és foglalkozik jelenleg is) miután megfigyelték, hogy a növényi sejtekben megtalálható klorofill reverzíbilisen fotoredukálható76. A porfirinek amfoter jellegű molekulák, ugyanis mind a triplett, mind a szingulett állapotaik képesek akár elektrondonorként akár elektronakceptorként viselkedni. Ekkor többnyire a makrociklus oxidálódik vagy redukálódik (mialatt π kation vagy π anion jön létre)77,78,79, míg a központi fémion oxidációs állapota változatlan marad. Ám bizonyos központi fémionok esetén, mint például a vas(II)- vagy vas(III)ionok esetében, a központi atom oxidációjával vagy redukciójával stabilizálódik a porfirin makrociklus (mint ahogy a szervezetben is megtalálható citokróm oxidáz rendszerben, kivéve, hogy ott nem fotoindukált az elektrontranszfer folyamat).

13. ábra. Porfirinek és metallo-porfirinek általános fotoredoxi reakciói.

A 13. ábra szemlélteti a gerjesztett porfirinszármazékok esetében lejátszódó általános bruttó fotokémiai valamint a termikus részfolyamatokat is. Poláros oldószerekben a képződő 26


gyök-ionpár ([MP+....Q–]) könnyen szeparálódik az oxidált valamint a redukált termékre, míg apoláros oldószerekben e gyök-ionpároknak az oldószerkalitkán belüli rekombinációja a valószínűbb. Bizonyos esetekben a gerjesztett állapotú részecske és a kioltó között létrejött asszociátumban ([MP*....Q]) nem elektronátadás következik be, hanem komplexképződés. Ekkor a gerjesztési energia vagy a kromofóron lokalizálódik, vagy delokalizálódik a kromofór-kioltó páron. Az ilyen jellegű képződményeket, melyeket elsőként Förster észlelt, exciplexeknek nevezik, csak a kromofór csoport gerjesztett állapotában képződnek, tehát alapállapotú alkotóik egymással nem reagálnak. A folyamat végső kimenetele (vagyis, hogy végbemegy-e az effektív elektronátadás vagy sem) az elektron donor-akceptor pár természetétől (mely meghatározza a fotokémiai reakció energetikai jellemzőit), valamint a reakció-közeg tulajdonságaitól (oldószer polaritása) függ. Általánosságban elmondható, hogy apoláros oldószerekben (például benzolban) az exciplex-képződés kedvezményezett és az elektronátadás nem, míg erősen poláros oldószerekben az elektronátadás megy végbe jó hatásfokkal viszont exciplex képződés gyakorlatilag nem kimutatható. A fotokémiai folyamat energetikai jellemzőiről az alapállapotú valamint a gerjesztetett

állapotú

reagensek

redoxipotenciáljainak

ismeretében

vonhatunk

le

következtetéseket. Az alapállapotú porfirin-komplex redoxipotenciáljai (E0[MP+/MP] vagy E0[MP/MP–]) ciklikus voltametriával határozhatóak meg77,78,79. Számos metalloporfirin komplex esetében kimutatták, hogy az első oxidációs, valamint első redukciós potenciáljuk közötti potenciálkülönbség közel megegyezik az első gerjesztett állapotuk (E(MP*)) energiájával

(körülbelül

2,00-2,20

eV).

Ilyen

esetekben

a

gerjesztett

állapot

redoxipotenciálja megbecsülhető az alapállapot redoxipotenciálja, valamint a gerjesztetett állapot energiája segítségével az alábbi módon80: E[MP+/MP*]

=

E(MP*)

+

E0[MP+/MP]

(9)

E[MP*/MP–]

=

E(MP*)

+

E0[MP/MP–]

(10)

ahol E[MP+/MP*] vagy E[MP*/MP–] az adott porfirin gerjesztetett állapotának redoxipotenciálja oxidatív és reduktív állapotban. A gerjesztett állapot energiája (E(MP*)) a fluoreszcencia vagy (ha létezik) foszforeszcencia sáv maximumából határozható meg, attól függően, hogy a szingulett vagy a triplett állapot elektrontranszfer reakciója játszódik-e le. Az oldószer polaritása hatással van a gerjesztetett állapotok energiáira is, de általában sokkal kisebb mértékben mint a redoxipotenciálok értékeire. A 14. ábrán egy porfirinkomplex (ZnTMPyP, zinc-tetrakis(N-metil-piridil-porfirin)) úgynevezett Latimer-típusú 27


diagramja látható, mely igen jól szemlélteti az alap- és gerjesztetett állapotok redoxipotenciáljainak viszonyát80. Az irodalomban számos típusú és központi atomot tartalmazó porfirn-származéknak meghatározták már mind a szingulett, mind a triplett állapotaik oxidációs és redukciós potenciáljait is81.

14. ábra. A cink-porfirin komplex (ZnTMPyP) alap-, valamint az első triplet gerjesz tett állapotainak redoxipotenciáljai köz ötti energiavisz onyok, viz es oldatban.

Az egyelektronos oxidáció vagy redukció során – mint ahogy az már korábban említésre került – a porfirin gyűrű oxidálódik vagy redukálódik. Az oxidációs folyamat továbbmehet akár kételektronos oxidációig is, mely során π dikationok képződnek. A monokationnal ellentétben, a kétszeresen oxidált porfirin ligandum erősen elektrofil karakterű. Így gyors redukció hiányában e molekulák nukleofil addíciós reakciókban átalakulnak izoporfirin-származékokká. A kialakult izoporfirinek meglehetősen instabil vegyületek (kivéve a meso helyen szubsztituált származékok), melyek gyorsan továbbalakulnak reduktív eliminációs, valamint gyűrűnyílást eredményező reakciókban. A fotokémiai reakciók irreverzibilitása elsősorban e folyamatoknak köszönhető. A vizes oldatokban végbemenő reduktív kioltás során a képződő anionok igen gyorsan protonálódnak, majd diszproporcionálódási reakcióban továbbalakulnak. A metalloporfirinek egy igen érdekes, ám viszonylag kevésbé tanulmányozott fotokémiai folyamata az úgynevezett önoxidáció, mely során a már oxidálódott molekulák egyike képes egy másik azonos molekulát oxidálni: MP

hν →

MP*

+A →

MP+

+

A-

(11)

MP+

+

MP

→

MP

+

MP+

(12)

28


Ilyen fajta önoxidációt (vagy más néven töltéstranszfert) vas- és kobalt-porfirin komplexek esetében figyeltek meg. E reakciók hatásfoka, sebessége igen erősen függ az adott porfirin ligandum típusától, a központi fématomhoz koordinálódott axiális ligandumok jellegétől, a központi atom spinállapotától, valamint attól, hogy a redoxi folyamat porfirin ligandumon vagy a központi atomon játszódik e le81. Ezen folyamatok a szilárdtest fotokémiai reakciókban juthatnak fontos szerephez.

29


3.2 Mesterséges oxigénhordozók

A hem-proteinek (vas(II)- és vas(III)-porfirin származékok) az oxigénhordozásban (hemoglobin, mioglobin) és -aktiválásban (mono-oxigenáz enzimek) valamint az elektrontranszfer folyamatokban (citokróm c. citokróm oxidáz) kulcsfontosságú szerepet játszanak8,9. A hemoglobin a vörös vértestekben található és négy vas(II)-porfirin funkciós csoportot tartalmaz, melyek biztosítják a molekuláris oxigén megkötését, valamint felelősek az oxigénnel telített vér világos piros színéért. Egy felnőtt ember 100 ml vérében körülbelül 12-15 g hemoglobin van jelen, ez koncentrációban kifejezve körülbelül 4-5 mM hemoglobint jelent a vörösvérsejten belül. 100 ml vér körülbelül 16-20 ml oxigént képes megkötni, míg az egyszerű fizikális oldódás során ez csaknem két nagyságrenddel kevesebb, csupán 0,3 ml. Ennek a speciális oxigénaffinitásnak köszönhetően jöhettek létre a rovaroknál magasabb rendű élőlények, ugyanis ehhez már nem elég a fizikailag oldott oxigén mennyisége. Nem meglepő tehát, ha e protein az utóbbi évszázad leginkább tanulmányozott fehérjévé vált. A vér

fő

funkciójának

modellezése

olyan

vegyülettel,

mely

képes

az

oxigénszállításra vagy raktározásra fiziológiás körülmények között, évtizedek óta nem megoldott probléma. A terápiás igényű „művér”, a mesterséges oxigénhordozók gyártási technológiájának kidolgozása az utóbbi 70 év programja lett. Kezdetben a kutatások két területre korlátozódtak: fluorozott szénhidrogének82,83,84,85,86,87 illetve a különböző állati és emberi hemoglobin-preparátumok88,89,90,91,92,93 gázcserét biztosító szerepének vizsgálatára. A fluorozott szénhidrogéneket (PFC) az iparban régóta használják, de csak a 60-as években vetődött fel hogy a tüdőfunkció pótlására alkalmasak lehetnek, mivel bennük az oxigén és a széndioxid jól oldódik. A sztrómamentes hemoglobin-preparátumokat marhavérből, vagy lejárt vér-készítményből származó emberi vérből állítják elő. De a részsikerek ellenére mind a PFC, mind a hemoglobin-preparátumok alkalmazásakor számos mellékhatás lépett fel, így a klinikai gyakorlatban nem kerülhettek széles körű alkalmazásra. Később, a porfirin kémia fejlődésével a hemoglobin funkciós csoportjának szintetikus úton történő előállítása (hidrofób vagy hidrofil vas(II)-porfirin) és ezek vérpótlóként való alkalmazhatósága került a figyelem központjába94,95,96,97,98,99,100,101,102. A kutatások szinte kizárólag csak szerves fázisú környezetre koncentrálódtak, pedig az igazi megoldást egy olyan egyszerű oxigénhordozó jelentené, mely vizes közegben, fiziológiás körülmények között képes funkcionálni.

30


A molekuláris oxigén alapállapotban triplett, paramágneses és igen nagy elektronegativitású. E tulajdonságai teszik az egyik legerősebb oxidálószerek egyikévé. Stabil, ám még reverzibilis koordinációja e molekulának a például vas(II) központi ionokhoz meglehetősen nehezen megoldható feladat. A legtöbb szintetikusan előállított, hidrofób vas(II)-porfirin molekuláris oxigént koordinálva igen gyorsan oxidálódik a megfelelő vas(III) formává103,104 (mely biológiailag inaktív) az alábbi folyamatok szerint: O2



PFeII–O2

(13)

FeIIP

→

PFeIII – O2 – FeIIIP

(14)

PFeIII – O2 – FeIIIP

→

2 PFeIV=O

(15)

PFeIV=O

→

PFeIII – O – FeIIIP

(16)

→

2 FeIIIP

(17)

FeIIP PFeII–O2

+ +

+

FeIIP

PFeIII – O – FeIIIP

A molekuláris oxigén vas(II)-porfirinhez való axiális koordinálódását követően egy bimolekuláris redoxifolyamat valósul meg, mely során egy kevéssé stabil, peroxo (dioxigén) hidat tartalmazó dimer komplex keletkezik. E peroxo dimer komplex, átmenetileg képződő oxo-ferryl porfirin-komplexeken keresztül gyorsan továbbalakul úgynevezett μ-oxo dimer vas(III)-porfirin komplexszé105. Végül, e μ-oxo dimer komplex vas(III)ionokra disszociál a pH értéktől függően106 (minél nagyobb a pH értéke, e dimer komplex annál stabilabb). E tények a vas(II) központi fémiont tartalmazó porfirin-komplexek koordinációs kémiájának sokkal mélyrehatóbb és kiterjedtebb vizsgálatát teszik szükségessé. A kezdeti dimerizálódási folyamat (14) igen kedvezményezett szerves oldószerben, mivel az ilyen közegben oldódó porfirinszármazékoknak általában nincs ionos töltéseket tartalmazó funkciós csoportja. Viszont vizes közegben, ahol a porfirin-komplexeken több ionos csoport is megtalálható (a vízoldhatóság miatt), e dimerizálódási folyamat sokkal kevésbé valószínű (különösen híg oldatban). Ennek ellenére, akár vizes, akár szerves oldószerekben (víz nyomok jelenlétében) a dioxigén ligandummal koordinált vas(II)porfirin komplexek autooxidációs folyamatban oxidálódnak104. Vizes oldatban még a hemoglobin- vagy mioglobin-preparátumok is rendkívül oxigénérzékennyé válnak, miután elvesztik hidrofób mikrokörnyezetüket, melyet a globin rész biztosított a vas(II) centrumok részére. E jelenség a vízmolekulák vas(II)-oxigén koordinatív kötésen végbemenő nukleofil támadásával magyarázható, mely során a belső-szféra elektronátadásos folyamatban képződő O2– ion disszociál a vas(II) központi ionról. Ennek következményeképp a vas(II)31


porfirineket vizes közegben többnyire a biológiai mikrokörnyezetüktől függetlenül tanulmányozzák104. Ha a kezdeti dimerizálódási folyamat (14) gátolt valamilyen okból, a dioxigén reverzibilis koordinációja vas(II)-porfirin központi atomjához megvalósítható. Ennek egy lehetséges módja például, ha a vas(II)-porfirin molekulát valamilyen hidrofób makromolekulával veszik körül (pl. ciklodextrin származékkal)107. Az ilyen rendszerek viszonylag stabilisak vizes közegben, levegő jelenlétében. Ám a ténylegesen hidrofil környezetben, a levegő oxigénjének jelenlétében is stabilis vas(II)-porfirin komplex előállítása teljesen más stratégiát igényel108,69.

32

Kísérleti eszközök és módszerek

4. KÍSÉRLETI ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK

4.1 Felhasznált anyagok Az összes vizsgált oldat ioncserélt, desztillált, majd Milli-Q készülékben újra ioncserélt vízzel készült. A vegyszereket kereskedelmi forgalomból szereztük be. A szabad bázisú porfirin ligandum (H2TPPSNa4, nátrium meso-tetrakis-(4-sulfonatophenyl)porphyrin), a vas(II)szulfát (FeSO4.7H2O), a cink-szulfát (ZnSO4), a nátrium-klorid (NaCl), az aszkorbinsav (C6H8O6), imidazol (C3N2H3) valamint a fém vas vegyszerek az Aldrichtól, míg a vas(III)porfirin komplex (Fe(III)TPPS3-, iron(III)-5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatophenyl)-21H,23Hporfirin chloride) a Frontier Scientific Europe-tól származtak. A vas(II)-szulfát törzsoldatot elkészítése után argonnal telítettem, valamint tiszta fém vasat adtam hozzá annak érdekében, hogy a vas(II)ionok oxidálódása a levegő oxigénjétől minimális legyen. Az adott pH érték beállítása (pH=6 és 7) nátrium-acetát (CH3COONa) és ecetsav (CH3COOH) megfelelő arányú keverékéből előállított acetátpufferrel történt. A NO gázt gázfejlesztő készülékben állítottam elő a következő reakcióval: 3 Cu

+ 8 HNO3

→

3 Cu(NO3)2 +

2 NO

+ 4 H2O

(18)

4.2 Preparatív eljárások A porfirin-komplexek előállítása (ZnTPPS4-, Fe(II)TPPS4-, Fe(III)TPPS3-) minden esetben egyensúlyi, in situ reakciókban történt (1,5×10-4 M FeSO4 + 3×10-6 M H2TPPS4-), fémion

felesleget

alkalmazva

(többnyire

50-szeres,

de

az

egyensúlyi

állandó

meghatározásánál a fémion koncentráció változó volt). A vas(II)-porfirin komplex előállításakor a rendszer 0,3 M acetátpuffert (pH=6) is tartalmazott. A vas(II)-szulfát oldat 3,5 órát állt az acetátpufferrel a porfirin ligandum hozzáadása előtt. Az argonnal történt buborékoltatás ellenére az oldott szén-dioxid miatt és a jelenlévő vas(III)ionok hidrolízise miatt a pH értéke 5,5~5,9 körüli volt a pufferálatlan oldatokban. A kereskedelmi forgalomból beszerzett Fe(III)TPPS3- többnyire összehasonlítási célokat szolgált.

33


4.3 Műszerek Az alapállapotú abszorpciós színképeket, valamint a reakciókinetikai vizsgálatokhoz szükséges

időbeni

színképváltozásokat

egy

Specord

S100

UV-Vis

típusú

spektrofotométerrel vettem fel. Az emissziós színképek felvétele pedig egy Perkin-Elmer LS 50 B típusú, Hamamatsu 1P28 (200-650 nm) illetve R928 (200-860 nm) fotoelektronsokszorozóval ellátott spektrofluoriméterrel történt. A felvett színképek korrekcióját az adott detektorra hitelesített korrekciós függvénnyel végeztem. Az emissziós lecsengési élettartamokat PicoQuant time-correlated egy-foton számláló készülékkel (~1 ns félértékszélességű impulzus, MTA Központi Kémiai Kutató Intézet), valamint Quantel Brilliant Nd-YAG szilárdtest lézerrel (532 nm és 355 nm hullámhosszú, ~5 ns félértékszélességű impulzus, Pannon Egyetem Általános és Szervetlen Kémia Tanszék) és Tektronix TDS 684 A 1GHz-5G Sample digitális oszcilloszkóppal ellátott lézervillanófény fotolízis berendezéssel vizsgáltam (15. ábra). A PicoQuant készülékkel mért adatok kiértékelése FluoFit szoftverrel történt. A tranziens abszorpciós vizsgálatokat a Quantel Brilliant szilárdtest lézerrel és Tektronix TDS 684 A 1GHz-5G Sample, vagy Phillips PM 3320/A 250 MHz-es digitális oszcilloszkóppal felszerelt lézervillanófény fotolízis berendezésekkel végeztem (15. ábra). A különböző hullámhosszakon, folytonos besugárzással végzett fotolízis vizsgálatok 150 W-os, nagynyomású Xe-Hg lámpával és monokromátorral rendelkező AMKO LTI típusú készülékkel történtek. A fényintenzitás mérése egy előzetesen ferrioxalát aktinométerrel kalibrált, Applied Photophysics Model 5300 típusú hőelemoszloppal történt (specifikációi: 48 sorbakapcsolt hőelem, 2x2 mm 2-es detektorfelület, 10-6 – 10-1 watt cm-2-es linearitás, K = 1,1 mW cm-2 / mV). Ezen hő- vagy termoelemoszlopok (thermopile) általában a 200-2000 nm-es hullámhossztartományban használatosak, az érzékenységük ±3% hibával hullámhosszfüggetlen. A kalibrációs tényezőjüket (K, mW cm-2 / mV) gyárilag határozzák meg, ennek segítségével lehet a mért feszültséget felületegységre eső teljesítményre átszámítani (amiből azután számítható a térfogategységben elnyelt fényáramsűrűség)109. A hőmérsékletfüggő mérésekhez termosztálható küvettatartókat használtam, melyek hőmérsékletét MLW U7 és U8 típusú termosztát segítségével állítottam be. A vas(II)komplex gyorsabb képződéséhez bizonyos esetekben magasabb hőmérsékletet állítottam be (40 °C vagy 30 °C), amit egy IKA típusú termoszálható mágneses keverővel valósítottam meg. 34


Lézerfény Mérési jeleket továbbító koax-kábel Vezérlő jelet továbbító koax-kábel Egyéb elektronikus jel CU LS PUS RCS

LQ PUQ RCQ

OPO MUX MC SM OC

PH1, PH2 PS1, PS2

Vezérlőegység Lézer (Spectron) Sp. lézer tápegysége Sp. lézer résvezérlő doboza (remote control box) Lézer (Quantel) Q. lézer tápegysége Q. lézer vezérlő doboza Parametrikus oszcillátor RS232 multiplexer Monokromátor Monokromátor léptető motor Optikai kábel Fotoelektronsokszorozók Fotoel. soksz. tápegységek

OT OP SH SHL SHM

XE PU PSX E PD PW1, PW2

Fényforrások Optikai egységek Vezérlőegységek Tápegységek Tektronix oszcillloszkóp Philips oszcillloszkóp Mintatartó Lézer jelet beengedõ rés vezérlőegysége Xe lámpa jelet beengedő rés vezérlőegysége Xenonlámpa Xe-lámpa pulzáló egysége Xe-lámpa tápegysége Energiamérõ dióda Fotodióda Tápegységek

15. ábra. A léz ervillanófény fotolíz is rendsz er váz latos felépítése.

35


A pH-t WTW pH 95 típusú pH-mérőhöz csatlakozatatott üvegelektróddal végeztem (elektród: WTW SenTix 41). A pH-mérő kalibrációja a gyári kalibráló oldatok segítségével történt, mely során koncentrációra mértünk. Az ionerősség hatását nem vettük figyelembe – tekintettel arra, hogy az egy adott folyamat során nem változott szignifikánsan. Minden egyes

reakcióelegyet

oxigénmentesítettem

99,996

%-os

tisztaságú

Ar

gáz

átbuborékoltatásával, vagy ahol szükséges volt, Schlenck technikával (legalább öt szekuráló lépést megvalósítva).

4.4 A mérési adatok kiértékelése Az első gerjesztett állapot (S1) lumineszcencia kvantumhasznosítási tényezőinek meghatározásakor referenciaként [Ru(bpy)3]Cl2-ot alkalmaztam a Q sáv gerjesztésekor (556 nm) és Rodamin-B-t használtam a Soret-sávon (S2) történ gerjesztés esetében (ekkor a gerjesztési hullámhossz 400 nm volt, ahol a Soret-sáv első vibrációs állapotának maximuma található, így az abszorbancia megfelelően kicsi és nincs szükség a rendszer hígítására). A második gerjesztett állapot (S2) lumineszcencia kvantumhasznosítási tényezőinek meghatározásakor belső referenciaként magát a vas(II)-porfirint használtam, a gerjesztési hullámhossz 390 nm volt. A minták és a referenciák abszorbanciája (A) 0,04 érték alatt volt minden esetben. Az egyensúlyi állandó meghatározásakor, az ismert porfirin molekulák (H2TPPS4-, FeIIITPPS3-, FeIITPPS4-) koncentrációinak számolása és az alapvonal illesztése a mért színképre a részecskék moláris abszorpciós koefficienseik ismeretében (egy nem-lineráris, legkisebb négyzetes illesztéses módszerrel, MS Excel Solver), az abszorpciós színkép 350-500 nm-es tartományában történt. A reakciókinetikai vizsgálatok kiértékelése a Zita, valamint az MRA (Gauss-Jordanféle eliminációs lépéseket használó) programcsomagok segítségével történt110,111, melyekkel meghatározható egy feltételezett mechanizmusú reakció sebességi együtthatói (k).

4.5 Kvantumkémiai számítások

A vas(II)-porfirin komplex és annak különböző axiális ligandumokkal képzett származékainak, valamint azok szingulett, triplett és kvintett állapotainak szerkezetét és 36


energiáját elméleti kémiai módszerekkel, sűrűségfunkcionál elmélet (density functional theory, DFT) módszerek alapján kaptuk meg.. A számítások a B3LYP112,113,114 (függvény kombinációval), valamint LANL2DZ115,116,117,118 báziskészlet használatával zajlottak a Gaussian98119 programcsomag segítségével. A B3LYP és a LANL2DZ bázis csoport kombinációja az irodalom szerint sok esetben bizonyult megfelelően pontosnak és alkalmazhatónak120. Teszt számításokban egyéb báziskészletekkel (3-21G* és 6-31G*) azt kaptuk, hogy a számolt szerkezet alig változik a bázis vátoztatásával. Ahol összehasonlítás vált lehetővé irodalomban megjelent korábbi számítási eredményekkel, az általunk számoltak igen jó egyezést mutattak velük102,121. A rezgési frekvenciák kiszámításával ellenőriztük, hogy mindegyik kiszámított molekulaszerkezet valódi energiaminimum (egyik sem nyeregpont). A különböző spinmultiplicitású komplexek energiáinak összevetése ΔSCF módszerrel történt, azaz a szingulett állapotú molekulák energiáinak és szerkezetének számolása RHF (restricted Hartree-Fock) módszerrel (RB3LYP), míg a nyílt héjú molekuláké UHF (unrestricted Hartree-Fock) módszerrel (UB3LYP) történt. Említésre méltó tapasztalat, hogy mind az SCF iteráció, mind a molekulák geometriai optimumának keresése nagyon lassan konvergált az energiaminimum felé. A probléma felvetése után a kvantumkémiai számításokat Dr. Lendvay György végezte, az eredmények kiértékelését és értelmezését közösen végeztük.

37

Kísérleti eredmények és számítások

5. KÍSÉRLETI VIZSGÁLATOK ÉS EREDMÉNYEK 5.1 A vas(II)-porfirin komplex előállítása Ahogy az már említésre került, a hemoglobin modellezése olyan szintetikusan előállított vas(II)-porfirint tartalmazó vegyülettel, mely képes az oxigénszállításra vagy raktározásra fiziológiás körülmények között, évtizedek óta megoldatlan probléma, mert már az egyszerű vas(II)-porfirin előállítása is komoly nehézségekbe ütközik. E komplex előállítását és reakcióit szinte csak hidrofób oldószerben vizsgálták (valószínűleg azon okból kifolyólag, hogy a hemoglobinban található hem csoport is apoláros jellegű), melyben a képződött komplex élettartama néhányszor tíz másodperc szobahőmérsékleten és néhányszor tíz perc alacsony hőmérsékleten (-45 vagy -80 °C)122. A vizes közegben végzett csekély számú próbálkozások e komplex előállítására hasonló eredményekre vezettek, az oxidáció okát szintén a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigénnek tulajdonították103,104.

5.1.1 A vas(III)-porfirin komplex képződése vas(II)ionok jelenlétében A szabad porfirint (H2TPPS4-, 3×10-6 M), valamint ötvenszeres feleslegben vas(II)szulfátot (1,5×10-4 M) tartalmazó oldatok elegyítésekor egyensúlyi reakcióban valamilyen metalloporfirin képződik a (19) reakció szerint (+2-es oxidációs fokú fémiont feltételezve), mivel a szabad porfirin kiindulási elnyelési színképe megváltozik (16. ábra). M2+

+

H2TPPS4-

→

MTPPS4-

+

2H+

(19)

Ezek alapján feltételezhető, hogy a képződött metalloporfirin vas(II) központi fémiont tartalmaz. Ám az irodalomban megtalálható, metalloporfirinekkel kapcsolatos spektrális adatok alapján a képződő metalloporfirin vas(III) központi fémiont tartalmaz (mely komplex abszorpciós sávjai vizes oldatban a 393, 528, valamint a 651 nm-nél jelennek meg108,123). Így látszólag a következő reakció megy végbe, meglepő módon: Fe2+

+

H2TPPS4-

→

FeIIITPPS3-

+

2H+

(20) 38


protonált porfirin

16. ábra. 3×10 -6 M sz abad porfirint (H 2 TPPS4-) és 1,5×10 -4 M vas(II)-sz ulfátot tartalmaz ó oldat elnyelési sz ínképének változ ása a 12 órás reakcióidő alatt .

E folyamat (20) összhangban van azokkal az irodalomban is közölt korábbi megfigyelésekkel, melyek szerint a szabad porfirin ligandumok és bármilyen vas(II)só reakciójában vas(III)-porfirin volt a termék. Továbbá, mint ahogy az már említésre került, az irodalomban a vas(III)-porfirin képződését az első lépésben képződő vas(II)-porfirinnek a jelenlévő molekuláris oxigén axiális koordinációjával, majd oxidációjával magyarázzák a következő bruttó folyamat szerint103,104: 4 FeIIP

+

O2

→

2 [PFeIII – O – FeIIIP]

(21)

E kísérleteket megismételtük olyan körülmények között is, amikor az oldatokat igen hatékonyan oxigénmentesítettük. Ezen eljárást az úgynevezett Schlenck technikával valósítottuk meg, mellyel még a nyomokban jelenlévő oxigén molekulák is eltávolíthatók. Ám a képződő porfirin-komplex döntő többsége mégis vas(III) központi fémiont tartalmazott (17. ábra). Ebből arra a következtetésre jutottunk, hogy a képződött vas(III)porfirin nem származhat az ideiglenesen létrejövő vas(II)-porfirin és a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigén reakciójából. A vas(III)-porfirin előállításával kapcsolatos, az irodalomban megjelent szinte összes közleményben azt találtuk, hogy valamilyen vas(II)-vegyületet, valamint szabad porfirin

39


17. ábra. 3×10 -6 M sz abad porfirint (H 2 TPPS4-) és 1,5×10 -4 M vas(II)-sz ulfátot tartalmaz ó oldat elnyelési sz ínképének változ ása, Schelnck tecnikával oxigémentesített rendsz erben, 12 órás reakcióidő alatt.

ligandumot használnak kiindulási vegyületként108,124,125. Ezek alapján felmerül a kérdés, hogy vajon a vas(III) vegyületek reagálnak-e egyáltalán a porfirin ligandummal vagy sem. Kísérleteim során azt tapasztaltam, hogy a vas(III)ionok és a szabad porfirin ligandum között nem játszódik le komplexképződési reakció (még több napos reakcióidő alatt sem). Ennek oka az lehet, hogy a vas(III)ionok ilyen reakciókörülmények (a pH 5,5~5,9 körüli volt a puffert nem tartalmazó oldatokban) között többmagvú, polimer hidroxo-komplexek (esetleg kolloid csapadék) formájában vannak jelen126,127, valamint a porfirin gyűrű „torzulatlan” állapota miatt a vas(III)-porfirin komplex kialakulása rendkívül lassú. A rendszer savanyításával csökkenthető lenne a polimer vas(III)-hidroxo részecskék aránya és növelhető a reaktívabb monomer formáké (pl. a mono-hidroxo vas(III) komplex), ám ekkor a porfirin ligandum kerülne protonált állapotba (~5,5 pH-tól kezdődően), ami által szintén lassú lenne a vas(III)-porfirin képződése. Mindezek alapján az a következtetés vonható le, hogy az irodalomban közölt reakciómechanizmustól (21) eltérő folyamatok felelősek a vas(III)-porfirin kialakulásáért.

40


5.1.2 A vas(II)-porfirin komplex képződése acetátionok jelenlétében Megismételtem az alap komplexképződési reakciót (vagyis a szabad H2TPPS4ligandum és a vas(II)-szulfát reakcióját) olyan körülmények között is, amelyek esetében egy kialakult metalloporfirin molekulához valamilyen axiálisan koordinálódni képes ligandum is jelen volt a rendszerben. E ligandumok az aszkorbinsav, a formaldehid, a nitrogén-monoxid, a szulfocianid, a D-glükóz, a nátrium-fluorid, valamint az acetátionok voltak. A továbbiakban az acetátionok jelenlétében történt vizsgálatok eredményeit részletezem (a többi ligandummal végzett kísérletek eredményeit lásd később).

18. ábra. 3×10 -6 M-os vas(II)-porfirin oldat elnyelési sz ínképe (piros vonal), valamint össz ehasonlítás végett a 3×10 -6 M-os H 2 TPPS4- (fekete vonal) elnyelési sz ínképei, 0,3 M acetátpuffert tartalmaz ó viz es oldatban.

Az acetátionok jelenléte jelentősen befolyásolta a H2TPPS4- és a vas(II)-szulfát között végbemenő komplexképződési reakciót. A 0,3 M acetátpuffer hatására az oldat abszorpciós színképében a vas(III)-porfirin komplexre jellemző elnyelési sávok helyett más hullámhosszakon jelentek meg intenzív sávok, nevezetesen 421, 556 és 598 nm-eknél (18. ábra). Ezen új spektrum karakterisztikája igen jól egyezik az in situ módon redukált vas(III)-porfirin komplexek elnyelési színképével108. Ezek alapján, valamint tekintettel arra, hogy a rendszerben vas(II)-fémionok vannak, az acetátionok jelenlétében megjelenő új abszorpciós sávokat a vas(II)-porfirin komplex abszorpciós színképének tulajdonítom. Mivel az acetátionok nem redoxiaktívak (vagyis nem reduktívak), az esetlegesen jelenlévő 41


molekuláris oxigént nem képesek megkötni reakció révén, így a vas(II)-porfirin komplex kialakulásában más módon játszanak szerepet. Mindezek alapján úgy gondoljuk, hogy az acetát nélküli rendszerben képződött vas(III)-porfirin komplexek központi atomját a vas(II)sót tartalmazó oldatokban szennyezésként kis mennyiségben jelenlévő vas(III) adják. Ám, mivel a jelenlévő vas(III) részecskék (többmagvú, polimer vas(III)-hidroxo komplexek) közvetlenül nem képesek a porfirin ligandummal vas(III)-porfirint képezni, a jelenlévő viszonylag nagy mennyiségű vas(II)ionok valamiképp katalizálják, gyorsítják e – tehát a Fe(III) és a H2TPPS4ligandumok között lejátszódó – komplexképződési folyamatot. Így lehetséges az, hogy még a legalaposabban oxigénmentesített oldatban is vas(III)-porfirin komplex lesz a végtermék. Az irodalomban is ismeretes jelenség az, hogy bizonyos fémionok jelenlétében (mint például a Hg(II), Cd(II), Cu(II), valamint Pb(II) ionok) a kinetikailag inert, vagyis normál metalloporfirinek képződési sebessége jelentős mértékben megnő29. Ezen katalitikus hatású fémionok tipikusan kinetikailag labilis, vagyis SAT jellegű komplexet képeznek porfirin ligandummal, akár csak átmenetileg (mint a Cu(II) ionok), akár időben állandóan (mint a Hg(II), Cd(II) és Pb(II) ionok). A SAT típusú metalloporfirinek esetében a központi atom

19. ábra. A vas(III)-porfirin képz ődés mechaniz musának egysz erűsített váz lata.

42


viszonylag nagy, így az a gyűrű síkján kívül helyezkedik el. Ezáltal a porfirin gyűrű torzul (nyereg, vagy kupola formájúvá), aminek eredményeképp koordinatíve jelentősen aktívabbá válik. A 19. ábra vázlatosan szemlélteti a vas(III)-porfirin katalitikus képződésének mechanizmusát (a porfirin gyűrű deformáltsága szándékosan eltúlzott, valamint a rajta található hidrogénatomok és a szulfonáto-fenil csoportok nem lettek feltüntetve). Jelen esetben tehát, az acetát nélküli rendszerben első lépesben a SAT típusú vas(II)-porfirin képződik. Ekkor bizonyos pirrol gyűrűk kifordulnak a síkból, a központi atommal átellenes oldalra. Így a rajtuk található nitrogén atomok σ donor molekulapályái könnyebben hozzáférhetőbbé válnak más fémionok, jelen esetben a vas(III)ionok számára. Mint már korábban említésre került, vas(III) vegyületből kiindulva közvetlenül nem alakul ki komplex a H2TPPS4- ligandummal (legalábbis az általam alkalmazott egy hetes reakcióidő alatt), annak ellenére, hogy a vas(III)ion ionrádiusza alapján stabil, normál típusú (planáris) komplex képződhetne. Ám a porfirin gyűrű deformálódása után a vas(III)ionok könnyen koordinálódhatnak az első lépésben kialakult vas(II)-porfirin molekulához, mely során így (átmenetileg) egy kétmagvú, szendvics szerkezetű komplex képződik. Mivel a vas(III)ionok termodinamikailag jelentősen stabilabb komplexet képeznek a porfirin ligandummal (a megfelelő ionrádiusz miatt) mint a gyengén koordinálódó vas(II)ionok, a kétmagvú, átmenetileg képződő komplex hamar elbomlik. Ekkor a vas(II)ion disszociálódik, míg a vas(III)ionok elfoglalják a porfirin gyűrű közepét. E katalitikus folyamat addig tart, míg a porfirin ligandum teljes vagy jelentős mennyisége át nem alakul vas(III)-porfirinné. A porfirin ligandum torzulása által megnövekedett koordinációs hajlam egyébként igen jelentős. A porfirin ligandumhoz sztöchiometriai mennyiségben hozzáadott tallium(I)ionok (melyek szintén SAT komplexet képeznek a porfirinnel) esetében azt tapasztalták például, hogy kétmagvú (Tl(I)-HTTPS-Tl(I)) komplex képződött, míg a ligandum közel fele mennyisége szabadon maradt68. Ez azt jelenti, hogy az első lépésben kialakuló SAT típusú TlIHTTPS5- komplex koordinatíve aktívabb mint a szabad ligandum, így a még szabadon lévő Tl+ ionok inkább a SAT komplexhez kötődnek mint a szabad ligandumhoz. Ugyan a rendszerben jelenlévő vas(III)ionok jelentős mennyisége valószínűleg többmagvú, polimer vas(III)-hidroxo komplex formában van jelen, az előbbiek alapján a SAT típusú vas(II)porfirin esetében is elképzelhető, hogy a megnövekedett koordinációs hajlam miatt az egyébként nem túl reakcióképes többmagvú vas(III)-hidroxo komplexeket megbontva stabil, normál típusú vas(III)-porfirint képezzen. Tekintettel arra, hogy a porfirin ligandum koncentrációja csak 10-6 M, míg a hozzáadott vas(II)ionok koncentrációja közel két nagyságrenddel nagyobb ennél, a 43


szennyezésként jelenlévő vas(III) mennyisége elegendő arra, hogy a porfirin teljes mennyiségét komplexbe vigye. Viszont a vas(II)ion-koncentráció feleslegének csökkentése a komplexképződés sebességének jelentős csökkenéséhez vezet. A levegő oxigénje a vas(II)ionok oxidációja révén tovább növelheti a vas(III)ionok mennyiségét. Ugyanakkor acetátpuffer jelenlétében, gyengén savas körülmények között (pH=6) az acetátionok a vas(III)ionokkal egy igen stabil, többmagvú hidroxo-acetáto-komplexet, míg a vas(II)ionokkal csak gyenge komplexet képeznek (lásd 3. táblázat)128. Ez nem meglepő, hiszen

a

„kemény”

savnak

számító,

oxigéntartalmú

acetátionok

a

„kemény”

3 táblázat: A vas(III)- ás vas(II)-acetáto-komplexek egyensúlyi állandóinak tízes alapú logaritmus értékei különböző ionerősségek mellett128. Egymagvú komplex Központi fémion

Többmagvú komplexre

Kis ionerősség mellett logK1 = 1,9±0,04

Fe2+

Nagy ionerősség mellett (3M NaClO4) logK1 = 0,54

0,1M NaClO4-ban logK[Fe3(OH)2Ac6]+ = 22,05 ± 0,05 Fe3+

logK[Fe3(OH)3Ac2 ]4+ = 5,87 ± 0,05

logK1 = 3.2 logβ1 = 6.3 logβ2 = 8.2

logK[Fe7(OH)9Ac6]6+ = 17,26 ± 0,10

1M NaNO3-ban

logK1 = 3,23±0,03 logβ1 = 6,22±0,07

bázisnak számító vas(III)ionokkal képesek stabil komplexet alkotni, míg a „lágy” bázisnak számító vas(II)ionokkal nem. Ezáltal a monomer vagy többmagvú vas(III) részecskék még inertebbé válnak, maszkírozódnak, míg a vas(II)ionok továbbra is képesek valamilyen ligandummal, például a porfirin ligandummal komplexet képezni. Ilyen körülmények között képes a vas(II)-porfirin komplex kialakulni acetátpufferben és még levegő jelenlétében is stabil maradni. Nyilvánvaló, hogy az acetátionok által kialakuló többmagvú vas(III)-acetátohidroxo komplexet is képes lehet megbontani a koordinatíve aktív SAT vas(II)-porfirin, ám az acetát ligandumok nagyobb mérete miatt ennek erős sztérikus akadályai vannak.

44


20. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képz ődésének mértéke az acetátpuffer és a vas(II)-oldat reakcióidejének függvényében. A 3×10 -6 M sz abad porfirin ligandum a 0,3 M acetátpuffer és a 1,5×10 4 M vas(II)-sz ulfát különböz ő ideig tartó állása után került a rendsz erbe. Ez ek után 12 óra volt a reakcióidő minden esetben.

21. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képz ődésének mértéke az acetátpuffer koncentrációjának függvényében. A 3×10 -6 M sz abad porfirin ligandum a különböz ő koncentrációjú acetátpuffer és a 1,5×10 -4 M vas(II)-sz ulfát 3,5 órai állása után került a rendsz erbe. Ez ek után 12 óra volt a reakcióidő minden esetben.

Ezáltal a vas(III)-porfirin képződése oly mértékben lelassulhat, hogy az egyébként lassan képződő vas(II)-porfirinnek van ideje kialakulni és feldúsulni. Továbbá, acetátionok jelenlétében kolloid csapadék is megfigyelhető, ami azt jelzi, hogy a makromolekuláris, többmagvú vas(III)-acetáto-hidroxo komplex kiválik az oldatból, növelve ezzel a vas(II)porfirin komplex képződésének esélyét (ám valószínűleg valamennyi ligandumot és komplexet is „magával visz” a kiválás során).

45


Felmerül azonban annak a lehetősége is magyarázatként, hogy az acetát ligandumok a már kialakult vas(II)-porfirinhez koordinálódva akadályozzák meg a vas(III) részecskék közelkerülését, így a vas(III)ionok nem tudnak beépülni a porfirin gyűrűbe, vagyis nem képződik vas(III)-porfirin. Ám ezen érvelés azért nem állja meg a helyét, mert kvantumkémiai számítások során kiderült (lásd A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell fejezetet, 85. oldal), hogy a vas(II)-porfirin egy acetát ligandum megkötése után koordinatíve telítetté válik. Ám ezen egy acetát ligandum a porfirin gyűrű ugyanazon oldalán tartózkodik, amelyen a vas(II) központi atom is kilóg a gyűrű síkjából. Viszont a porfirin gyűrű a torzulás módja alapján éppen az ellenkező oldalán válik koordinatíve aktívabbá, amihez egy vas(III) részecske továbbra is gondtalanul közel férkőzhetne. Ezek alapján sokkal valószínűbb, hogy a vas(III) részecskék maszkírozódása a magyarázat arra, hogy acetátpuffer jelenlétében képződik vas(II)-porfirin. A

vas(III)ionok

„megkötődésének”,

valamint

a

vas(II)ionok

„szabadon”

maradásának mértéke erősen függ a reakció körülményektől, úgy mint az acetátpuffer koncentrációjától, annak pH értékétől, sőt, még a puffer és a vas(II)ionok reakciójának idejétől is (azaz, hogy az acetátpuffer és a kiindulási vas(II) oldat elegyítésétől számítva mennyi idő után kerül a rendszerbe a porfirin ligandum). A puffer pH értékének növelésével a hidroxidion koncentráció növekedése végett, már a vas(II)ionok is erősebben kötötté válnak, ami lényegesen lelassíthatja a vas(II)-porfirin kialakulását. Az alkalmazott puffer koncentráció szintén fontos jellemző, mert bizonyos mennyiség fölött az acetátionok már a vas(II)ionokat is intenzíven megkötik, bizonyos mennyiség alatt viszont a vas(III)ionokat sem kötik meg elfogadható időn belül. Az acetátionok és a vasionok reakcióidejének hasonló hatásai vannak, vagyis túl hosszú reakcióidő miatt a vas(II)ionok is maszkírozódnak, míg rövid reakcióidők esetén a vas(III)ionok sem kötődnek meg megfelelően. Vagyis, ha túl nagy az acetátpuffer koncentrációja, vagy túl sokáig állt a puffer előzőleg a vas(II)-oldattal, a komplexképződési reakció a hozzáadott H2TPPS4- ligandummal oly mértékben lelassul, hogy a 24 órás reakcióidő alatt gyakorlatilag nem képződik semmilyen komplex (vas(II)-porfirin sem). A 20. és a 21. ábra szemlélteti a vas(II)-porfirin komplex képződésének mértékét a vas(II)-szulfát és a puffer különböző reakcióidői, valamint a különböző acetátpuffer koncentráció mellett. A vas(II)-porfirin komplex legnagyobb mennyiségben 0,3 M acetátpuffer, valamint a vas(II)ionok és az acetátionok 3,5

órás

reakciója

mellett

képződött

(a

H2TPPS4-

koncentráció

a

szokásos

3×10-6 M, míg a kiindulási vas(II)-szulfát koncentráció ennek 50-szeres feleslege, vagyis 1,5×10-4 M volt minden esetben). 46


A vas(II)ionok normál porfirinek képződését katalizáló tulajdonságához hasonló, úgynevezett „önkatalitikus” jelenséget figyeltek meg többek között például réz(I)ionok esetében is129. Észrevették, hogy a réz(II)-porfirin komplexek képződésének sebességét akár négy nagyságrenddel (×104) is gyorsíthatja az oldathoz adott fém réz. Ekkor ugyanis a fém réz és a jelenlévő réz(II)ionok szinproporcionálódási reakciójában Cu(I) ionok képződnek. Mivel a réz(I)ionok (a viszonylag nagy ionrádiuszuk miatt) a porfirin ligandummal kinetikailag labilis, SAT jellegű komplexet képeznek, a porfirin gyűrű deformálódása által a Cu(II) ionok gyűrűbe ékelődése könnyebben végbemehet130. A vas(III)-porfirin komplex képződésének egy másik lehetséges módja is elképzelhető, mégpedig oly módon, hogy az első lépésben kialakuló vas(II)-porfirin komplex központi atomja, valamint egy, az oldatban szennyezésként jelenlévő valamilyen vas(III) részecske között elektronátadási reakció megy végbe. Tekintettel arra, hogy egy elektron átmenete a vas(II)-porfirinről egy, az őt megközelítő szabad vas(III)ionra elvileg könnyebben végbemehet, mint a két fémion komplett kicserélődése, továbbá, a standard redoxipotenciálok alapján még hajtóereje is van ezen elektronátadási folyamatnak, e lehetséges mechanizmust nem hagyhatjuk figyelmen kívül. A standard redoxipotenciálok értékei

a

következők:

E(FeIII(H2O)n/FeII(H2O)n=0,77

V)131

és

E[FeIII(H2O)TPPS]3-

/[FeII(H2O)TPPS]4-=0,01 V)108. Mivel a vas(II)-porfirin/vas(III)-porfirin pár standard redoxipotenciálja közel nulla, továbbá a hidratált vas(II)ion esetében a +2-es oxidációs állapot kedvezőbb, ezen elektronátmenet a vas(II)-porfirin és a vas(III)ionok között elvileg hatékonyan végbemehet. Azonban az acetátionok jelenlétében képződött vas(II)-porfirin komplex stabilnak bizonyult még a levegő oxigénjével valamint tiszta oxigénnel szemben is (pedig az acetátionok nem reduktívak, tehát az oxigént nem képesek megkötni). Ugyan ez még önmagában nem bizonyítja a szubsztitúciós folyamatot, tekintettel arra, hogy az acetátionok a kialakult vas(II)-porfirin komplexek axiális pozícióit lekötik, megakadályozva ezzel a molekuláris oxigén koordinációját, gátolva ezzel az oxidációt (lásd A vas(II)porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell fejezetet is, 85. oldal). Ám az a tény, hogy más, olyan nagy ionrádiuszú fémionok is katalizálják a normál porfirinek képződését, melyek szintén kinetikailag labilis, SAT típusú komplexet képeznek porfirin ligandummal, valamint elektronleadásra biztosan nem képesek (például a Hg2+, Cd2+, Pb2+ ionok), ugyancsak a szubsztitúciós mechanizmust támasztják alá29. Ráadásul, a Hg2+ ionokat mint ilyen jellegű katalizátort sikeresen alkalmazták például a vas(III)ionok meso-BrTPPS6komplexének előállításában is132. Mindezek alapján úgy gondolom, hogy ezen bizonyos elektronátmenet a Fe(II)TPPS4- komplexről a Fe3+ ionokra mégsem kedvezményezett. 47


Az emberi szervezetben a molekuláris oxigén reverzibilis megkötése és szállítása semleges közegben (a pH értéke 7 körül van) zajlik. Ám, mivel az oxigén molekula megfelelő helyen történő leadása hidrogén-ion koncentráció által vezérelt (azáltal, hogy a koordinálódott oxigén molekulához közel eső hisztidin származék pirrol gyűrűjének nitrogén atomja protonálódik9), a pH értékének kitüntetett szerepe van e folyamatban. Továbbá, kimutatták, hogy szerves közegben a vas(II)-porfirin csak akkor képes megkötni a molekuláris oxigént, ha az egyik axiális pozíciójában egy nitrogéndonor molekula, például egy imidazol molekula koordinálódott133. Így hemoglobin funkciójának modellezésekor ezen tényeket figyelembe kell venni, vagyis célszerű hasonló körülményeket alkalmazni. Továbbá a nitrogén donorként alkalmazott imidazol szintén csak 7-es pH érték körül tud ligandumként funkcionálni, ugyanis kisebb pH-n protonált formában van jelen. Viszont a nagyobb pH érték a vas(II)-porfirin komplex előállítása szempontjából nem előnyös, ugyanis a pH növekedésével nő a protonálatlan acetátionok és hidroxidionok koncentrációja, melyek a szabad vas(II)ionokat komplex képződés (acetáto és hidroxid) révén oly mértékben maszkírozzák, hogy a vas(II)-porfirin komplex képződése rendkívül lelassul. E reakciók visszaszoríthatók a rendszerhez nagy koncentrációban adott, a vas(II)ionokkal gyenge ionpárt képző kloridionokkal. Így a vas(II)-porfirin előállítása sikerült 7-es pH-jú, 0,3 M acetátpuffert tartalmazó rendszerben, mely 1 M NaCl -ot is

22. ábra. Az 1,5×10 -6 M H 2 TPPS4--t, 0,3 M acetátpuffert (pH=6) és 1 M NaCl-ot tartalmaz ó oldat absz orpciós sz ínképe különböz ő idők elteltével.

48


tartalmazott. A 22. ábra szemlélteti a vas(II)ionokat, szabad porfirin ligandumot, acetátpuffert, valamint 1 M nátrium-kloridot tartalmazó oldat elnyelési színképét. A 6-os pH-jú rendszerhez képest látványosan nagyobb az alapvonal emelkedés a rövidebb hullámhosszaknál. Ez valószínűleg azért van, mert a nagyobb hidroxidion és acetátion koncentráció miatt a kivált kolloid vas(III)-acetáto komplex mennyisége is nagyobb. A 465 nm köröl megjelenő kis elnyelési csúcs valamiféle szennyezés lehet, melynek eredetét nem sikerült azonosítanunk.

49


5.1.3 A vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandójának meghatározása

A 0,3 M acetátpuffert tartalmazó oldatban képződött Fe(II)TPPS4- komplex 421, 557, valamint 597 nm-nél mutat erős fényabszorpciót (a részletes jellemzést lásd a vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői fejezetben, 69. oldal). A komplex kinetikailag labilisnak bizonyult, mivel a rendszer vízzel történő hígítása során alkotóira disszociált. Képződése a következő reakcióegyenlettel írható le (21):

Ezen folyamat látszólagos egyensúlyi állandója (K') a tömeghatás törvényének megfelelően az egyensúlyi koncentrációk segítségével fejezhető ki a (23) egyenlet alapján. Mivel a tanulmányozott oldatokban a pH-t állandó értéken tartottam, a számolásoknál a hidrogénion koncentrációt ([H+]) nem vettem figyelembe.

Így a szabad porfirin ligandum egyensúlyi móltörtje (α0) kifejezhető az egyensúlyi szabad vas(II)ion koncentráció ([Fe2+]) és a látszólagos egyensúlyi állandó függvényeként (24). A komplex látszólagos egyensúlyi állandójának (K') meghatározása egy olyan módszerrel történt, mely során a porfirin ligandum koncentrációja állandó volt, míg az abszolút vas(II)ion-koncentrációt változtattam. A Fe(II)TPPS4- komplex képződés során, nem-egyensúlyi reakcióban az acetátionok jelenléte ellenére is képződik valamennyi vas(III)-porfirin komplex. Ez a szabad porfirin ligandum koncentrációjának csökkenését vonja maga után, vagyis az nem vehető állandónak a továbbiakban. Így a vas(II)ion és a

50


23. ábra. Az 1,5×10 -6 M H 2 TPPS4--t, 0,3 M acetátpuffert (pH=6) és különböz ő koncentrációjú Fe 2 + ionokat tartalmaz ó oldatsoroz at absz orpciós sz ínképe, 48 órás reakcióidő után. Az alapvonal korrekcióhoz (amely görbénél sz ükséges volt) egy exponenciális függvényt alkalmaz tam az illesz tés során (sz ürke vonal).

porfirin

ligandum kompleképződési reakciója nem tekinthető tisztán egyensúlyi

folyamatnak. Ezáltal a komplex egyensúlyi állandójának meghatározása az ilyen célokra kifejlesztett és egyébként igen jól használható, numerikus módszereket alkalmazó kiértékelő szoftverekkel (mint például a Psequad134) nem lehetséges. Ugyanakkor a rendszerben megtalálható

valamennyi

porfirin

ligandumot

tartalmazó

részecske

egyensúlyi

koncentrációja meghatározható közvetlen spektrofotometriás eljárással, mivel ismert azok moláris abszorpciós koefficiense (a Fe(II)TPPS4- komplex moláris abszorpciós koefficiensét előzőleg meghatároztam, lásd A vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői fejezetet, 69. oldal). Az egyensúlyi szabad vas(II)ion-koncentráció pedig számolható az adott kiindulási

vas(II)-koncentráció

valamint

a

képződött

vas(II)-porfirin

komplex

koncentrációjának különbségéből (25) feltételezve, hogy (az egyébként argonnal oxigénmentesített oldatokban) a folyamat során oxidáció révén nem változik a vas(II)ionok koncentrációja. A látszólagos egyensúlyi állandó (23) összefüggését átalakítva (24) formára, a 1/α0 lineárisan korrelálni fog a szabad vas(II)ion-koncentrációval ([Fe2+]). Ekkor az egyenes meredeksége közvetlenül megadja a látszólagos egyensúlyi állandót (K'). Így ezen eljárással K' meghatározható egy olyan oldatsorozat abszorpciós színképeiből, melyekben állandó porfirin-koncentráció

mellett

különböző

a

vas(II)-koncentráció

(lásd

23.

ábra).

Az folyamatban résztvevő egyedi részecskék, a H2TPPS4-, a Fe(II)TPPS4-, és a Fe(III)TPPS3-

51


24. ábra. A sz ámított 1/α0 a sz ámított [Fe 2 +] koncentráció függvényében. Az egyenes meredeksége adja meg a K' értékét.

egyensúlyi koncentrációjának meghatározása az abszorpciós színkép alapján, az ismert moláris abszorpciók ismeretében, a Soret sávok tartományában történt egy nem-lineáris, a legkisebb négyzetek módszerét alkalmazó eljárással (a Microsoft Office Excel programjának Solver kiegészítőjével). Az egyensúly beállására 48 órát hagytam. Az illesztések során bizonyos spektrumok esetében alapvonal-korrekcióra volt szükség, mivel a vas(III)ionok az acetátionokkal – mint már korábban említésre került – rosszul oldódó, többmagvú komplexet képeznek, melyek kolloid csapadékként kiválhatnak az oldatból, megemelve ezzel a háttér-elnyelést. Alapvonalként egy exponenciális jellegű függvényt alkalmaztam (mivel a fény szóródása exponenciális összefüggésben van a hullámhosszal), mely segítségével az elnyelési sávok igen pontos illeszkedését sikerült megvalósítani a mért színkép teljes 350-550 nm-es hullámhossz-tartományára. Az egyes oldatok színképeiből kapott aktuális [H2TPPS4-] és [Fe(II)TPPS4-] koncentráció-értékekből a szabad [Fe2+] koncentrációját a (25) egyenlet alapján, míg a 1/α0-t a (24) egyenlet alapján számítható valamennyi oldat esetében. Ábrázolva a kapott 1/α0 értékeket a [Fe2+] függvényében, a 24. ábrán látható pontsorozatot kapjuk. Ezen pontokra egyenest illesztve, majd számolva annak meredekségét, megkapjuk a várt látszólagos egyensúlyi állandót, a K'-t. Az egyensúlyi állandó értéke: K’= 2,3±0,6×104 M-1. Tekintettel arra, hogy a lassú kompleképződési reakció miatt az egyensúlyi állapot elérése nem feltétlenül volt teljes (vagyis a 48 órás reakcióidő esetleg kevésnek bizonyult), az egyensúlyi állandó értéke alulbecsült. A kisebb [Fe2+] koncentrációk esetében kapott mérési pontok szisztematikus eltérése az illesztett egyenestől 52


abból adódik, hogy kisebb kezdeti vas(II) koncentrációknál lassabban áll be az egyensúly. Ezért, noha az utolsó mérési pont ([Fe2+]=3×10-4 M) tűnik kiugró értéknek, mégis figyelembe vettem az illesztéshez, ugyanis ezen érték áll a legközelebb az egyensúlyi állapothoz.

5.1.4 A vas(II)-porfirin komplex képződése reduktív közegben A vas(III)-porfirin képződését tehát bizonyos mértékig megakadályozhatjuk acetátionok segítségével. Mivel hasonló vas(III)ion-blokkoló hatása lehet akár más molekuláknak is, érdemes lehet egyéb ligandumok jelenlétében is megismételni a vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum (H2TPPS4-) reakcióját. Munkám során vizsgáltam az aszkorbinsav (C6H8O6), a formaldehid (H2CO), a D-glükóz (C6H12O6), valamint a nitrogén-monoxid (NO) molekulák jelenlétének hatását a vas(II)-porfirin komplex képződésére. A vas(II)ionok és szabad porfirin (H2TPPS4-) reduktív közegben, például aszkorbinsav jelenlétében végzett reakciója során az acetátpuffert tartalmazó rendszer vizsgálatakor kapott abszorpciós színképhez hasonló színképet kaptunk. Ez a vas(II)porfirin komplex képződését jelzi. A 25. ábra szemlélteti az aszkorbinsav jelenlétének hatását a vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum reakciójára. Ám az a tény, hogy az aszkorbinsav mint redukálószer jelenlétében képződik a vas(II)-porfirin komplex, nem

25. ábra. Az 3×10 -6 M sz abad porfirint, 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot és 0,1 M asz korbinsavat tartalmaz ó oldatok absz orpciós sz ínképe különbüz ő idők után.

53


feltétlenül jelenti azt, hogy a (valamilyen úton) képződött vas(III)-porfirin molekula központi atomjának redukciójáról lenne szó, de nem zárható ki e lehetőség sem. Valószínűbb viszont, hogy az aszkorbinsav molekulák reagálnak a nyomokban jelenlévő vas(III)ionokkal (komplexképződés vagy redukció révén) és blokkolják azokat ugyanúgy, mint ahogy azt az acetátpuffer esetében tapasztaltuk. Viszont az aszkorbinsav jelenlétében a porfirinek és metalloporfirinek gyorsan és teljes mértékben redukálódnak, vagy fény jelenlétében fotoredukálódnak. A redukció során a rövidebb hullámhosszaknál jelentős alapvonal-emelkedés figyelhető meg. Ebből kifolyólag a vas(II)-porfirin komplex előállítására e módszer nem alkalmas. Redukált termékként az úgynevezett florinokat135,136, kapjuk, melyek enyhe oxidációjával visszajuthatunk a kiindulási porfirinekhez. Egy másik, gyengén reduktív hatású reaktáns, például formaldehid jelenlétében a vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum reakciója során kapott abszorpciós színképben szintén megjelennek a vas(II)-porfirin komplexre jellemző elnyelési csúcsok (421 nm, 556 nm és 597 nm). A 26. ábra szemlélteti fomaldehid jelenlétének hatását a vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum reakciójára. A képződő vas(II)-porfirin maximális mennyisége jóval kisebb mint az acetátpuffer jelenlétében tapasztalt érték. Tekintettel arra, hogy a fomaldehid molekulák egyfogú ligandumok, valamint igen gyenge komplexképző hatással rendelkeznek, a vas(III)ionok sztérikus blokkolása kizárható ebben az esetben. Vagyis a vas(II)-porfirin komplex kis mértékű képződésének oka, hogy a formaldehid molekulák redukálják a szennyezésként jelenlévő vas(III)ionok egy részét, csökkentve ezzel a vas(III)porfirin komplex kialakulásának esélyét.

26. ábra. Az 3×10 -6 M sz abad porfirint, 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot és 0,1 M formaldehidet tartalmaz ó oldat absz orpciós sz ínképe.

54


Egy szintén gyengén reduktív molekula, a d-glükóz jelenlétében is megismételve a vas(II)ionok és a H2TPPS4- ligandum közötti komplexképződési reakciót, a 27. ábrán kék vonallal jelölt abszorpciós színképet kaptuk. A vas(II)-porfirin komplexre jellemző abszorpciós sávok (421 nm, 556 nm és 597 nm) ebben az esetben is megtalálhatók a színképben. Látható, hogy a képződött vas(II)-porfirin mennyisége még a fomaldehid jelenlétében végzett kísérlet esetében tapasztaltnál is kevesebb lett. Ennek oka valószínűleg az, hogy a d-glükóz kisebb redukciós potenciállal rendelkezik, valamint komplexképzésre is kevésbé hajlamos, mint a formaldehid molekula, így a vas(III)ionok blokkolása vagy redukciója kevésbe hatékony. Ugyanakkor, ha a rendszer d-glükózon kívül imidazol ligandumot is tartalmaz, a jelentősen megemelkedett alapvonal ellenére is észlelhető, hogy a vas(II)-porfirin komplex képződésének mértéke megnövekszik (lásd 27. ábra, piros vonallal jelölt görbe). Mivel a vas(III)ionok „kemény” savas karakterűek, a nitrogén donoratomot tartalmazó imidazol ligandumok viszont „lágy” bázis karakterűek, a vas(III)ionok imidazol ligandumok által történő blokkolása nem valószínű. Viszont elképzelhető, hogy az imidazol ligandum koordinálódik a már kialakult vas(II)-porfirin komplex mindkét axiális pozíciójához (mivel a vas(II) központi fémion szintén „lágy” savas karakterű), gátolva ezzel a vas(III)ionok közelférkőzésének esélyét, vagyis a vas(III)porfirin komplex képződését.

27. ábra. Az 3×10 -6 M sz abad porfirint, 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot és 0,1 M d-glükóz t, illetve 0,1 M imidaz olt tartalmaz ó oldat absz orpciós sz ínképe.

55


A szintén

reduktív

karakterű

nitrogén-monoxid

ligandum

jelenlétében is

megismételtem a vas(II)ionok és a H2TPPS4- ligandum komplexképződési reakcióját. A nitrogén-monoxid több biológiai folyamatban is kulcsfontosságú szerepet játszik, többek között a vérnyomás szabályozásában. Ezért e molekula reverzibilis koordinációját, például a porfirin-komplexek axiális pozíciójához, intenzíven kutatják. Az irodalomban megjelent publikációk szerint a NO ligandum könnyen és reverzibilisen koordinálódik a metalloporfirinek axiális pozíciójára. Viszont a vas(III)-porfirin komplexhez való koordináció után bizonyos körülmények között (enyhén lúgos pH mellett) a koordinálódott NO molekula és a vas(III) központi fémion között elektronátadási reakció játszódik le, mely során vas(II)-porfirin és NO2- képződik137. A vas(II)ionok és a H2TPPS4- ligandum reakciójában NO jelenlétében szintén képződik vas(II)-porfirin komplex, gyakorlatilag a vas(III)-porfirin komplex megjelenése nélkül (lásd 28. ábra). Ekkor a NO molekulák vagy a kialakuló vas(III)-porfirint vagy a vas(III) részecskéket redukálják vas(II) formává, vagy mindkét folyamat lezajlik szimultán módon. Az így kialakult vas(II)-porfirin bizonyos ideig stabilnak bizonyult a levegő oxigénjével szemben, azonban, mivel a NO a nyomokban jelenlévő oxigén vagy

szinproporcionálódás

révén átalakul

NO2--á,

a rendszer

megsavanyodik még viszonylag tömény puffer (borát) jelenlétében is, ami a komplex elbomlását eredményezi.

28. ábra. Az 3×10 -6 M sz abad porfirint, 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot és NO-ot tartalmaz ó rendsz er absz orpciós sz ínképe 0,1 M borátpufferben.

56


5.1.5 A vas(II)-porfirin komplex képződése egyéb ligandumot tartalmazó közegben

E szakaszban néhány nem reduktív, viszont sokkal erősebb komplexképző hajlammal rendelkező ligandum jelenlétének hatását mutatnám be a vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum komplexképződési reakciójára, mint például az ammónium-acetát (CH3COONH4), a szulfocianid ion (SCN-), valamint fluorid (F-) ligandumok. Bizonyos analitikai vizsgálati módszerek, mint például a nagynyomású folyadékkromatográfia, viszonylag illékony komponenseket tartalmazó rendszert igényelnek. Ezért a nagy koncentrációban jelenlévő acetátpuffer nátrium ionjait célszerű valamilyen illékonyabb ionokra, például ammónium ionokra cserélni, így a rendszer az ilyen jellegű kromatográfiás vizsgálatokra is alkalmassá tehető. Mivel az ammónium-acetát puffer (pH=6) jelenlétében kapott abszorpciós színkép nagymértékben megegyezik a nátrium-acetát pufferben tapasztaltakkal, a vas(II)-porfirin komplex képződését az ammónium-ionok jelenléte nem befolyásolta. A vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum között végbemenő komplexképződési reakciót fluorid- valamint rodanidionok jelenlétében is megismételve a 29. ábrán látható elnyelési színképet kaptam. Mindkét ligandum jelenlétében megfigyelhető a vas(II)-porfirin

29. ábra. Az 3×10 -6 M sz abad porfirint, 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot és 0,1 M KSCN-ot (piros vonal), valamint 0,001 M NaF-ot (kék vonal) tartalmaz ó rendsz er absz orpciós sz ínképe.

57


képződése, ám csak igen kis mértékben. A fluorid és a rodanid ionok is kemény bázikus karakterű ligandumnak számítanak, így stabil komplexet vas(III)ionokkal képeznek (a vas(II)ionokkal ellentétben). Köztudott, hogy a vas(III)ionok fluoro- és tiocianátokomplexei igen stabilak (a fluoro-komplexek még a rodanidonál is stabilabbak). Ezáltal az acetátionokhoz hasonlóan, képesek lehetnek a vas(III)ionok blokkolására komplex képződés révén. Ám egy kinetikailag inert komplex kialakítására képes, kelát hatású ligandummal, mint a porfirin molekula, jelentősen stabilabb komplex képződhet, mint egy egyfogú ligandum esetén (F-, SCN-). Továbbá, mivel a fluorid és rodanid ligandumok kis méretük miatt sztérikusan sem képesek gátolni egy porfirin ligandum közelkerülését, a kialakult vas(III)- fluoro- vagy tiocianáto-komplexek megbomlanak, miközben a jelenlévő porfirin ligandum nagy részéből vas(III)-porfirin keletkezik. Így végeredményben a vas(II)-porfirin komplex csak igen kis mértékben képződik.

58


5.2 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének

reakciókinetikai vizsgálata A porfirinszármazékok részletekbe menő reakciókinetikai tanulmányozása rendkívül fontos ahhoz, hogy megértsük többek között a fémionok porfirin gyűrűbe való beépülésének mechanizmusát, mely során a metalloporfirinek képződnek. Ezt jelzi, hogy az utóbbi években több, a metalloporfirinek kialakulásának kinetikájáról és mechanizmusáról szóló tanulmány is megjelent138,139,140,141. A kinetikai vizsgálatok fényt deríthetnek továbbá a szervezetben (in vivo) jelenlévő, enzimek által katalizált természetes metalloporfirin származékok képződésének mechanizmusára is142. Munkám során is fontosnak bizonyultak a kinetikai vizsgálatok, ugyanis a reakciósebességi állandókon túl az eredmények megerősítették a vas(II)- és a vas(III)-porfirin képződésének kvalitatív megfontolások alapján feltételezett mechanizmusát (lásd 5.1.2 fejezet, 19. ábra, 41. oldal). (Ugyan az eredmények értelmezésekor általában a kinetikai vizsgálatok eredményeit szokás előbb bemutatni, ám jelen esetben, a követhetőség miatt mégis célszerűbbnek gondoltuk előbb a jelenségek kvalitatív értelmezésével kezdeni.) A

30.

és

31.

ábra

szemlélteti

vas(II)-

és

vas(III)-porfirin

komplex

spektrofotometriásan követett képződését acetátpuffer jelenlétében és anélkül. A FeSO4 koncentrációja mindkét rendszerben 1,5×10-4 M, a H2TPPS4- ligandum koncentrációja 3×10-6 M, a vas(II)-porfirin képződésekor az acetátpuffer mennyisége 0,3 M volt.

30. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képz ődése a 3×10 -6 M H 2 TPPS4-, 1,5×10 -4 M FeSO 4 és 0,3 M acetátpuffert tartalmaz ó oldatban, 30 percenként, 40 °C-on (pH=6).

59


31. ábra. A vas(III)-porfirin komplex képz ődése a 3×10 -6 M H 2 TPPS4- és 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot tartalmaz ó oldatban acetátpuffer nélkül, 10 percenként, 40 °C-on (pH~5,9).

A hőmérséklet mindkét kísérletben 40 °C volt. A reakcióidők mindkét esetben, de különösen a vas(II)-porfirin képződésekor, meglehetősen hosszúnak bizonyultak. A vas(II)-porfirin képződését 30 percenként, míg a vas(III)-porfirinét 10 percenként követtem.

5.2.1 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa A vas(III)-porfirin komplex képződésének – a SAT típusú vas(II)-porfirinen keresztül lejátszódó – mechanizmusát számos közvetett bizonyíték támasztotta alá (lásd 5.1.2 fejezet, 41. oldal). E feltételezett mechanizmus a következő részfolyamatokból áll (32. ábra):

32. ábra. A vas(III)-porfirin képz ődésének javasolt mechaniz musa.

60


A reakció összetettségét jelzi, hogy több egyensúlyi, párhuzamos és konszekutív részfolyamatot tartalmaz. A fent vázolt reakció a következő differenciálegyenlet-rendszerrel jellemezhető:

[

]

d H 2 TPPS 4− 2 2 =−k 11 H 2 TPPS 4− k 12 [ Fe II TPPS 4− ][ H  ] −k 9 H 2 TPPS 4 − [ H  ] k 10 H 4 TPPS 2− dt

[

[

]

]

[

]

[

2 d Fe II TPPS 4 − =k 11 H 2 TPPS 4 − − k 12 Fe II TPPS 4− H  −k x Fe II TPPS 4− Fe III dt

[

[

]

[

]

][

d H 4 TPPS 2 − 2 =k 9 H 2 TPPS 4 − H  −k 10 H 4 TPPS 2 − dt

][

[

[

]

]

[

]

[

][

[

]

][

d Fe III TPPS 3− =k y Fe III TPPS 3 − dt

[

]

[

d Fe III =−k x Fe II TPPS 4 − Fe III dt

[

]

[

][

]

[

]

] [

(27)

(29)

]

(30)

]

(31)

2 2 d H = k 10 H 4 TPPS 2− −k 9 H 2 TPPS 4− H  −k 12 Fe II TPPS 4− H  dt

[

(26)

(28)

]

d Fe II −TPPS− Fe III =k x Fe II TPPS 4− Fe III − k y Fe II −TPPS− Fe III dt

[

]

]

][

]

[

][

]

(32)

A reakció során alkalmazott nagy (majdnem két nagyságrendnyi) Fe2+ ion felesleg miatt a k11 sebességi együtthatójú folyamat (26) pszeudo-elsőrendűnek tekinthető. E differenciálegyenlet-rendszer megoldása analitikusan már nem lehetséges, erre a célra valamilyen numerikus módszer alkalmazása szükséges (lásd a vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződési kinetikája részt, 63. oldal). Az acetátpuffert nem tartalmazó rendszerben első ránézésre az átmenetileg képződő kétmagvú vas(II)-vas(III)-porfirin jelenlétére utaló abszorpciós csúcsok nem jelentek meg a mért spektrumsorozatban, ami arra utal, hogy vagy nem is képződik, ami a feltételezett mechanizmust is cáfolná, vagy pedig igen rövid élettartamú, ezért csak rendkívül kis mennyiségben van jelen. Az utóbbi esetben a reakció leggyorsabb szakaszában (vagyis a reakció kezdeti periódusában) ezen átmeneti komplex esetleg feldúsulhat annyira, hogy megjelenjen az abszorpciós színképben. Ennek kiderítésére a mért színképsorozat első néhány tagjára illesztettem a biztosan jelenlévő négy fényelnyelő részecske (H2TPPS4-, Fe(II)TPPS4-, H4TPPS2- és Fe(III)TPPS3-) ismert moláris abszorpciós színképét. Amennyiben az illesztés hibája nem statisztikus, az utalhat egy jelenlévő fényelnyelő részecskére. A

61


reakció 40. percében felvett elnyelési színkép és az egyedi részecskék moláris abszorpciója, valamint Lorentz-függvények alapján számolt és illesztett görbe a 33. ábrán láthatóak.

33. ábra. A vas(III)-porfirin komplex képz ődésének 40. percében felvett absz orpciós sz ínképe és a H 2 TPPS4-, Fe(II)TPPS4-, H 4TPPS2 - valamint Fe(III)TPPS3- molekulák moláris absz orpciói, továbbá Lorentz függvények alapján sz ámolt és illesz tett görbe.

Az ábrán látható, hogy a mért elnyelési színkép reprodukálásához a négy ismert részecskén kívül még három Lorentz-függvényre volt szükség, melyek segítségével viszont igen pontos illeszkedés valósult meg. Két Lorentz-függvény a porfirinszármazékok Soret sávjára jellemző 430 és 452 nm-es hullámhosszaknál, míg a harmadik Lorentz-csúcs a Q sávokra jellemzően körülbelül egy nagyságrenddel kisebb intenzitással 610 nm-nél található. Ezek alapján egyértelműen látszik, hogy a Lorentz-függvények egy porfirin jellegű részecskét takarnak. Mivel a Soret tartományba két hasonló intenzitású csúcs adódott akár két különböző típusú, átmenetileg képződő porfirin származék is feltételezhető, az egyik a már említett kétmagvú komplex, a másik pedig esetleg egy olyan adduktum, melyben a H2TPPPS4- ligandumról a koordinálódó Fe2+ ionok után még nem disszociálódtak le a H+ ionok. Az átmeneti porfirin komplexek létét támasztja alá továbbá az is, hogy a reakció kezdeti, vagy a 40. percnél későbbi időpontjában felvett elnyelési színkép hasonló jóságú illesztéséhez már nincs, vagy csak kisebb intenzitással van szükség Lorentz-függvényekre a

62


négy porfirin részecske moláris abszorpciói mellett. Ez nem meglepő, hiszen a reakció lassulásával ezen átmeneti komplex stacionárius koncentrációja jelentősen csökken.

5.2.2 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződési kinetikája Az előző fejezetben vázolt mechanizmus tisztázásához az azt jellemző differenciálegyenlet-rendszer megoldása, majd a mérési adatokkal való összehasonlítása, illesztése szükséges. Erre célra kiválóan alkalmas a kifejezetten reakciókinetikai problémák megoldására és modellezésére kifejlesztett Zita110 programcsomag. E program használathoz szükséges továbbá az MRA111 (Matrix Rank Analysis) segédprogram is, mellyel információt nyerhetünk az oldatban jelenlévő egymástól független, különböző fényelnyelő részecskék számáról, valamint egy adott részecskéhez tartozó azon hullámhosszról, melyen az abszorpciója a legnagyobb mértékű változást mutatja a reakció alatt. A mért színképsorozatból összeállított abszorbancia mátrix MRA analízise alapján az oldatban négy egymástól független részecske található. Ellenőrzésképpen, ha az MRA futtatás eredménye nem egyértelmű és gyanítható, hogy további elnyelő részecskék is jelen vannak az oldatban, érdemes az abszorbancia mátrixot maradékabszorbanciákra is megvizsgálni. Mivel az MRA program a teljes reakcióidő alatt felvett spektrumokkal dolgozik, az igen rövid élettartamú részecskék, melyek például csak a reakció egy bizonyos időszakában tűnnek fel, esetleg a hiba tartományán belülre kerülnek. Így, ha egy feltételezett további részecske maradék abszorbanciája nem is mutat egyértelmű elnyelési sáv jellegű karakterisztikát (vagyis ha szórás jellegű) még létezhet, bár jelenlétét a további kiértékeléshez nem szükséges figyelembe venni. Jelen esetben a mechanizmusban (32. ábrán), valamint (29) és (30) egyenletekben szereplő kx és ky részfolyamatokat egyszerűen a (39) egylépéses bruttó folyamatként vettem figyelembe a Zita programmal történő kiértékelésekor. A maradék abszorbanciák vizsgálata alapján a rendszerben négy egymástól független fényelnyelő részecskét kell figyelembe venni a Zita program összetétel-mátrixának megadásakor. Ennek ismeretében az alkalmazott összetételmátrix az I. függelékben, valamint a kiértékelés során alkalmazott jelölések és transzformációk a II. függelékben találhatóak. E négy részecskének a legnagyobb abszorbancia változásához tartozó hullámhosszak a következők: FeIIITPPS3--nek 392 nm, a H2TPPS4--nek 414 nm, a FeIITPPS4--nek 423 nm és a H4TPPS2--nek 433 nm adódott, így a kiértékelés ezeken a hullámhosszokon történt. 63


Az acetátpuffert nem tartalmazó valamint tartalmazó rendszerben végbemenő folyamat a feltételezett mechanizmus (lásd 32. ábra) alapján azonos, azzal a különbséggel, hogy az acetátionok jelenlétében nincs, vagy csak igen kis mennyiségben van jelen komplexképzésre képes vas(III) részecske az oldatban. Ezáltal, mivel ugyanazon modell használható mindkét rendszer esetében, a kapott mérési adatok kiértékelése egyszerre is lehetséges. A modell illeszthetősége ezáltal a mechanizmus helyességét is alátámasztja. Ám meg kell jegyeznem, hogy a modell érvényességének biztos alátámasztásához, valamint reakciósebességi

együtthatók

korrekt

meghatározásához

több,

különböző

kezdeti

koncentrációk alkalmazásával történt méréssorozat adataira lenne szükség. Mivel jelen esetben ebből a szempontból komoly kísérleti korlátokba ütköztem (lásd korábban A vas(II)-porfirin komplex képződése acetátionok jelenlétében fejezetben írt kísérleti tapasztalatokat, 46. oldal), ezen modell is csak szigorúan az általam alkalmazott kísérleti körülmények alatt tapasztalt komplexképződési folyamat jellemzésére használható. Az illesztéshez figyelembe vett reakciók, folyamatok a következők:

A (33), (34), (35) és a (36) reakciók gyors előegyensúlyi folyamatok, a különböző reakciókörülmények miatt szükséges ily módon a figyelembe vételük (ugyanis a két rendszer csak abban különbözik, hogy az egyikben van acetátpuffer, míg a másikban nincs).

64


A kiértékelés során az egyensúlyi állandóik lettek rögzítve. Ezek alapján a sebességi együtthatóikat önkényesen adtam meg a Zita program számára, ügyelve ara, hogy kellően gyors folyamatokként szerepeljenek. Így ezen egyensúlyok pillanatszerűen beállnak a reakció kezdeti időpillanata és az első spektrum rögzítésének kezdete közötti időhöz képest. A sebességi állandók ilyenfajta önkényes rögzítése a kiértékelő szoftver kötöttségei miatt szükséges, ugyanis nem lehet pusztán egyensúlyi állandóval figyelembe venni egy reakciót. Az acetátligandumok vas(II)ion megkötő hatását a mono-acetáto komplexe, míg a vas(III)ion megkötő hatását – az egyszerűség kedvéért – a mono- és diacetáto komplexe alapján vettem figyelembe. A vas(II)- és vas(III)ionok acetát-komplexeinek stabilitási állandóiként a 3. táblázatban feltüntetett adatokat használtam (a vas(III) esetében csak az első és a második acetát ligandum koordinációját vettem figyelembe). Mivel a (37) folyamatot is gyors előegyensúlyként kezeltem (a k9 illesztendő paraméter volt), szintén az egyensúlyi állandó lett rögzítve a kiértékelés során. A vas(III)ionok kezdeti koncentrációja illesztendő paraméterként szerepelt (k23). A szabad porfirin ligandum moláris abszorpciója jelentősen különbözik acetátpuffer jelenlétében és anélkül, így ez a kiértékelés során figyelembe lett véve, mégpedig a (40) szintén gyors előegyensúlyi folyamat segítségével (a k15 illesztendő paraméter volt). Ebben az esetben is igaz, hogy a kiértékelés során hatásában csak az egyensúlyi állandót illesztette a program (a sebességi állandót szintén a Zita szoftver kötöttségei miatt kellett paraméterként kezelni). Továbbá, ezen „virtuális egyensúly” pusztán a moláris abszorpciók változásának figyelembe vételére szolgál a két görbe együttes illesztésénél, nem jelent valós folyamatot. A mérések nulladik időpontja a komponensek elegyítése miatt nem került felvételre, így ezen időpontok a kiértékelés során szintén illesztendő paraméterként szerepeltek (k21 és k22). Megjegyzendő egyébként, hogy a feltételezett modell illesztése az acetátpuffert nem tartalmazó és tartalmazó rendszerekre megvalósítható külön-külön is, ám jobban szemügyre véve az acetátpuffer jelenlétében kapott színképsorozatot, látható, hogy az sem csak egy egyszerű elsőrendű kinetikát követő folyamat. Ennek oka az - ahogy az már említésre is került -, hogy acetátpuffer jelenlétében is képződik több-kevesebb mértékben a vas(III)-porfirin, vagyis mindkét rendszer esetében indokolt a komplett modell (lásd 32. ábra) illesztése. A Zita programhoz használt komplett inputfájl tartalma a II. függelékben található. Az iteráció a megfelelő kezdeti értékek kiválasztása után igen gyorsan és a spektrofotometriás mérések 10-2 pontossági határánál egy nagyságrenddel kisebb hibával konvergált. Az illesztés során kapott komplett kimeneti fájl tartalma megtalálható

65


a III. függelékben. Az illesztett paramétereket valamint az illesztés során kapott értékeket és azok hibáit a 4. táblázat tartalmazza. A k25-től a k44 paraméterek moláris abszorpciók. A k45 paraméter az acetátpuffert nem tartalmazó rendszer kiindulási pH-ja, míg a k46 paraméter a kiindulási szabad porfirin ligandum koncentrációja mindkét rendszerben. 4 táblázat: Az illesztett paraméterek, valamint a kiértékelés során kapott illesztett értékek és azok hibái. Illesztett paraméterek

Illesztés során kapott értékek

Abszolút hiba

Százalékos hiba (%)

k9

4,01×1014

4,94×1013

12,33

k11

2,52

3,52×10

-2

1,40

k13

5,15×102

3,49×101

6,78

k15

2,55×106

1,33×105

5,23

k21

2×10

1,29×10

642,15

k22

-1,5×102

2,52×101

16,78

k23

3,03×10-6

1,87×10-8

0,62

k25

9,78×104

5,26×102

0,54

k29

1,54×105

7,8×102

0,51

k33

1,62×105

5,76×102

0,36

k37

5,32×104

4,7×102

0,88

k41

6,39×10

4,92×10

7,70

k42

2×105

2,54×104

12,62

k43

1,84×105

4,7×103

2,55

k44

4,4×10

4,42×10

3

10,05

k45

3,99×10-6

4,28×10-7

10,74

k46

3,25×10-6

6,96×10-9

0,21

2

4

4

3

3

Az illesztés eredményeképp kapott sebességi együtthatók közül a (38) (k11 sebességi állandójú) folyamat bizonyult a leglassabbnak. E folyamat, vagyis vas(II)-porfirin komplex képződésének sebességi állandója: k11=2,52 M-1 s-1. Egyensúlyi folyamat lévén a visszafelé irányuló lépés (k12) sebességi állandóját is meghatározhatjuk, ám a reakciókinetikai adatokból csak igen nagy hibával tehetnénk ezt meg. Ezért a már meglévő egyensúlyi állandót használtam a k12 számolásához a következő összefüggés alapján: k 12=

k 11 K

(41) 66


Így a sebességi állandó értéke: k12=1,095×10-4 M-2 s-2. Az acetátpuffert nem tartalmazó rendszerben, a vas(III)-porfirin komplex kialakulását eredményező (39) folyamat (k13) reakciósebességi állandója: k13=5,15×102 M-1 s-1. Ezen érték több mint két nagyságrenddel nagyobb a vas(II)-porfirin képződésének sebességi állandójánál, ami nem meglepő, ugyanis a vas(III)-porfirin képződésekor az abszorpciós színképsorozatból is látható, hogy a vas(II)porfirin csak kis mennyiségben, szinte stacionárius állapotban van jelen. A mérési adatok valamint az azokra illesztett modell függvények a 34. ábrán, míg az illesztett paraméterek alapján számított, időben változó koncentrációi a komponenseknek a 35. ábrán láthatóak.

34. ábra. A 32. ábrán látható reakció mechaniz mus Zita programmal történt illesz tése az acetátpuffer nélküli (a) valamint a 0,3 M acetátpuffert tartalmaz ó (b), időben (spektrofotometriásan) követett sz ínképsoroz atára.

67


35. ábra. A H 2 TPPS4-, Fe(II)TPPS4-, H 4TPPS2- és Fe(III)TPPS3- rész ecskék (a) valamint a H 2 TPPS4- és Fe(II)TPPS4- rész ecskék (b) koncentrációjának változ ása az idő függvényében, acetátpuffer nélkül (a) és 0,3 M acetátpuffer jelenlétében.

Megjegyzendő, hogy a két különböző rendszerben (acetátpuffert tartalmazó és nem tartalmazó) végrehajtott mérés adatainak egyszerre történt kiértékelésekor az acetátpuffer okozta eltérő ionerősségeket a kiértékelő program korlátai miatt nem vettük figyelembe. Mindazonáltal, a modell nagy fokú illeszkedése a mérési adatokra a kvalitatív megfontolások alapján feltételezett mechanizmust az 5.1.2 fejezetben felsorakoztatott közvetett bizonyítékokon túl megerősíti. Továbbá, a vas(II)-porfirin ily módon is bebizonyosodott kinetikai labilitása a komplex SAT szerkezetét, valamint azon túl a nagyspinszámú állapotát is megerősíti (ugyanis a vas(II)ionok csak nagy-spinszámú állapotban képeznek SAT szerkezetű komplexet120).

68


5.3 A vizsgált metalloporfirin komplexek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai A központi fématomot nem tartalmazó szabad porfirin ligandum alapállapotban, amennyiben aromás rendszerét a hozzá kapcsolt szubsztituensek lényegesen nem befolyásolják, párosítatlan elektronokat nem tartalmaz, vagyis szingulett (S0). Egy adott fémionhoz való koordináció után a komplex molekula spinmultiplicitását már a központi fémion és a porfirin ligandum együtt határozzák meg. Ám, mivel a metalloporfirinek fotofizikai, vagyis abszorpciós és emissziós tulajdonságait továbbra is szinte kizárólag az aromás porfirin ligandum határozza meg (amit persze a központi fémion befolyásolhat azáltal, hogy a gerjesztett állapotok energiáit eltolja), a központi fémion spinmultiplicitása figyelmen kívül hagyható. Ezt igazolja, hogy az azonos típusú, például SAT szerkezetű metalloporfirineknek igen hasonló az abszorpciós és emissziós tulajdonságai. Tehát, a vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek alapállapota is szingulettnek (S0) tekinthető a központi atom spin- állapotától függetlenül. Mint ahogy az már az irodalmi áttekintésben is elhangzott, a porfirin származékok abszorpciós színképében megjelenő intenzív (Soret), valamint a néhány kevésbé intenzív (Q) sávok a ligandum π-π* elektronátmeneteiből származnak. Továbbá, a központi atomot nem tartalmazó, szabad porfirin ligandum esetében, a molekula szimmetriájának csökkenése miatt e Q sávok felhasadnak Qx és Qy sávokra. Ám a metalloporfirinek esetében azt várnánk, hogy e felhasadás megszűnik, mivel a molekula szimmetriája a pirrol gyűrűk nitrogén atomjai szempontjából ekvivalenssé válnak. Azonban a vas porfirinek elnyelési színképeinek részletesebb tanulmányozása azt mutatja, hogy a Q sávok felhasadása nem szűnik meg teljes mértékben. Ez sejteti, hogy a négy fém-nitrogén kötés a molekulában mégsem teljesen egyenértékű. E fejezetben ismertetem a vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek részletes fotofizikai tulajdonságait.

5.3.1 A vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői Az acetátpufferben képződő vas(II)-porfirin komplex, valamint összehasonlításképp a szabad porfirin ligandum abszorpciós színképei a 36. ábrán láthatóak. Az acetátionok, főleg nagyobb koncentrációknál hatással vannak a porfirinek moláris abszorpciós 69


koefficiensére, ugyanis csökkentik azt. Ennek oka többek között a porfirin gyűrűk között létrejövő aggregáció, melyet a megnövekedett ionerősség elősegít azáltal, hogy az azonos töltésű részecskék között fellépő elektrosztatikus taszítás csökken. Mivel a vas(II)-porfirin komplexet csak nagy acetát koncentráció mellett sikerült előállítani, a színképek összehasonlíthatósága miatt a szabad porfirin ligandum színképe is azonos acetát koncentráció mellett került felvételre. A vas(II)-porfirin komplex elnyelési maximumánál (421 nm), 0,3 M acetátpufferben meghatározott moláris abszorpciós koefficiense: εFe TPPS =3,07×105 M-1 cm-1. Ezen érték meghatározásakor az acetátionok jelenlétében kis II

4-

mértékben, de mégis képződő vas(III)-porfirin komplex (annak ismert moláris abszorpciós koefficiense révén, iterációs módszerrel számolt) mennyiségét korrekció szempontjából figyelembe vettem. Tekintettel arra, hogy a lassú kompleképződési reakció miatt az egyensúlyi állapot elérése nem feltétlenül volt teljes, ezen érték az egyensúlyi állandó értékéhez hasonlóan alulbecsült.

36. ábra. Az 3×10 -6 M sz abad porfirint, 1,5×10 -4 M FeSO 4-ot és 0,3 M nátrium-acetát puffert (piros vonal) tartalmaz ó oldat absz orpciós sz ínképe, 48 órás állás után.

A vas(II)-porfirin intenzív elnyelést mutat 421 nm-nél, mely a B(0,0) átmenetnek, vagyis a Soret sávnak felel meg. Az ehhez az átmenethez tartozó vibrációs átmenet, a B(1,0) sáv 400 nm-nél figyelhető meg. Az egy nagyságrenddel kisebb intenzitású Q sávok, tehát a Q(0,0) 597 nm-nél, míg a Q(1,0) 556 nm-nél találhatóak, melyek a Q x állapothoz rendelhetőek. Azonban egy további, az említett Q sávoknál is gyengébb intenzitású, valószínűleg szintén S0→S1 elektronátmenetből származó abszorpciós csúcs észlelhető

70


37. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex absz orpciós sz ínképe, valamint annak sávjaira illesz tett Lorentz függvények.

523 nm-nél, és feltételezhető 490 nm körül. E két elnyelési sáv feltételezhetően a Qy állapothoz rendelhetőek. Az 523 nm-nél megjelenő csúcs még éppen kivehető az abszorpciós színképben, ám a 490 nm-nél megjelenő elnyelési sáv léte már csak színképre illesztett Lorentz függvények alapján feltételezhető (lásd 37. ábra). Mivel ez utóbbi csúcs még így is olyan kis intenzitású, hogy hibahatáron belül esik, léte nem tekinthető bizonyítottnak. Elképzelhető, hogy az 523 nm-nél megjelenő csúcs valójában a Qx állapot második vibrációs átmenete, mely összhangban lenne a metalloporfirinek esetében feltételezett szimmetria növekedéssel (vagyis a Q állapotok felhasadásának megszűnésével). Viszont, mivel a vas(II)-porfirin komplex SAT típusú (vagyis a központi atom a gyűrű síkján kívül helyezkedik el), a fém-nitrogén kötéshosszak nem feltétlenül egyenértékűek, mely által a Q sávok felhasadása bizonyos mértékben megmaradhat. Ha viszont a Q sávok felhasadása nem szűnik meg teljesen, a szabad porfirinhez hasonlóan a vas(II)-porfirin esetében is négy Q sáv feltételezhető, melyek közül a Qy állapothoz rendelhetőek intenzitása igen kicsi (ezen megfontolások alapján feltételezhető a 490 nm-nél illesztéssel észlelt sáv léte). A vas(II)-porfirin komplex Soret sávja vörös eltolódást, míg a Q sávjai kék eltolódást szenvednek a szabad porfirin ligandum (H2TPPS4-) megfelelő sávjaihoz képest (lásd 30. ábra). A színképben megjelenő elektronátmenetek nagyobb energiák irányába való elmozdulása, vagyis a HOMO-LUMO állapot közötti energia gát növekedése közvetve utal a fém-ligandum elektron pályák nagyobb fokú átfedésére, valamint ezáltal a komplex stabilitásának mértékére is. Így végeredményben nem meglepő, hogy a sík szerkezetű 71


metalloporfirinek elnyelési sávjai kék eltolódást szenvednek. Ezzel szemben a sík szerkezettől eltérő, SAT típusú metalloporfirin komplexek abszorpciós viselkedése esetében a tapasztalat azt mutatja (pl. Hg2+, Tl+, Tl3+, Fe2+, Zn2+, Cd2+ fémionok TPPS komplexei)68,69,143,, hogy a B sáv a kisebb energiák, míg a Q sávok a nagyobb energiák irányába tolódnak el a szabad porfirin sávjaihoz képest. Mivel e komplexek kinetikailag labilisak, ebből kifolyólag SAT típusúak, vagyis a B sáv vörös eltolódása nem meglepő.

38. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex, valamint össz ehasonlítás képpen a H 2 TPPS4ligandum korrigált emissz iós sz ínképe 0,3 M acetát pufferben (pH=6).

A vas(II)-porfirin komplex viszonylag erős és karakterisztikus emissziót mutat. A két intenzív lumineszcencia sávot 608 nm és 656 nm-nél találjuk (lásd 38. ábra). E két emissziós sáv fluoreszcenciának tekinthető (S0←S1), mely az első szingulett gerjesztett állapotról a komplex alapállapotára, valamint annak vibrációs állapotára történő elektronátmenet eredménye. A vas(II)-porfirin komplex fluoreszcencia sávjai kék eltolódást szenvednek a szabad porfirin ligandum fluoreszcencia sávjaihoz képest, ami egyenes következménye az első szingulett gerjesztett állapot nagyobb energiák felé történt eltolódásának.

A

komplex

fluoreszcenciájának

kvantumhasznosítási

tényezőjét

meghatároztam mind a Soret sávon, mind az intenzívebb Q sávon gerjesztve (lásd 5. táblázat). Ehhez egy ismert kvantumhasznosítási tényezővel rendelkező vegyületet használtam referenciaként ([Ru(bpy)3]2+), a következő összefüggés alapján: QFe(II)/QRu(II) = IFe(II)/IRu(II) × AFe(II)/ARu(II) × (nFe(II)/nRu(II))2

(42)

72


ahol a Q a kvantumhasznosítási tényező, I az emissziós csúcs alatti területe, A az adott komplex által elnyelt fényhányad, valamint n a komplexet tartalmazó közeg törésmutatója. A fluoreszcencia hatásfoka – a várakozásnak megfelelően – a Q sávon (S1) történt gerjesztés esetén bizonyult nagyobbnak. Ez érthető, mivel az emisszió erről az állapotról következik be, tehát a B gerjesztett állapotból (S2) a lumineszkáló Q állapotra (S1) történő átmeneten kívül egyéb részfolyamatok is végbemehetnek, ami az emisszió hatásfokát csökkenti. Egy fluoreszcenciát mutató molekula esetében egy adott elektronállapotához tartozó abszorpciós és emissziós sáv maximumainak különbségéből meghatározható a Stokes-féle eltolódás mértéke, vagyis a lumineszkáló állapot egyensúlyi magtávolságai és az alapállapotú komplex egyensúlyi magtávolságai közötti különbség. A vízoldható 5. táblázat: A Fe(II)TPPS4- elnyelési- és kisugárzási színképeinek jellemző értékei, valamint a gerjesztett állapotú komplex és összehasonlításképp a H2TPPS4- ligandum fotofizikai állandói. Abszorpciós színkép

Emissziós színkép

Porfirin

Fe(II)TPPS4-

átmenet

λmax / nm

ε / M-1cm-1

B(1,0)

400

57360

B(0,0)

421

307387

Qy(1,0)

492

Qy(0,0)

523

6547

Qx(1,0)

556

Qx(0,0)

598

Porfirin

ΦS1 (10-2)

átmenet

λmax / nm

B(0,0)→S(0,0)

433

13094

Qx(0,0)→S(0,0)

608

5640

Qx(0,0)→S(1,0)

656

ΦS2 (10-5)

Stokes eltolódások (cm-1)

Gerjesztés

Q.

B

390 nm

Q

B

H2TPPS4-

7,5144

-

-

253,6

-

Fe(II)TPPS4-

0,95

0,7

6,3

322,4

658,2

73


H2TPPS4- ligandum esetében ezen érték igen kicsi (lásd: 5. táblázat). Ez nem meglepő, mivel az elektronátmenet során az elektron egy kiterjedt, aromás, delokalizált molekulaorbitálról (π), egy hasonló molekulaorbitálra kerül (π*), így a gerjesztés során a teljes molekula szimmetriája (vagyis az egyensúlyi magtávolság) csak kis mértékben változik. A vas(II)-porfirin komplex esetében ezen érték kissé növekszik a szabad ligandumhoz képest, melynek oka az, hogy a porfirin gyűrű a SAT szerkezet miatt torzult, így a gerjesztés következtében a molekula szimmetriája, vagyis az egyensúlyi magtávolság effektíve nagyobb mértékben változik. Az S2 fluoreszcencia Stokes-féle eltolódása már nagyobb, ami az S2 gerjesztett állapot nagyobb energiájának, vagyis kiterjedtebb voltának következménye. Egy további, igen gyenge emissziós sáv figyelhető meg a vas(II)-porfirin komplex emissziós színképében (390 nm-es gerjesztő fény hatására), 433 nm körül (lásd 38. ábra). Ezen lumineszcenciás sáv a második szingulett gerjesztett állapotról az alapállapotra történő (S2→S0) elektronátmenetnek tulajdonítható. Az ilyen jellegű, magasabb energiájú gerjesztett állapotokról történő emisszió igen ritka jelenségnek számít. Hasonló emissziót figyeltek meg azonban többek között a hidrofób oldószerekben oldódó Zn(II)TPP145 és H2TPP146 (a vízoldható H2TPPS4- ligandum esetében viszont nem tapasztaltam S2 emissziót), valamint a vízoldható Tl(III)TPPS3- komplex esetében is144. Az S2 emisszió hatékonyságának meghatározásában a komplex S1 emissziójának a már meghatározott kvantumhasznosítási tényezője használható belső referenciaként, szintén a (42) összefüggés alapján. Az S2 állapotról történő emisszió kvantumhasznosítási tényezője igen csekély (lásd 5. táblázat), mely összhangban van azzal a megfigyeléssel, hogy a gerjesztett állapot és az alapállapot közötti energiagát növekedésével a sugárzásos elektronátmenet valószínűsége, ezáltal az állapot élettartama és a folyamat kvantumhatásfoka is rohamosan csökken. A vas(II)-porfirin komplex fluoreszcenciájának élettartamát időfelbontásos lézerspektroszkópiai módszerrel határoztam meg. A szabad porfirinek fluoreszcencia élettartama az irodalomban megjelent tanulmányok alapján 10 ns körül van. A metalloporfirinek esetében ezen érték csökken, körülbelül 2 ns-ra43. Így a vas(II)-porfirin komplex fluoreszcencia élettartama esetében is ehhez közeli érték várható. Tekintettel az igen rövid élettartamokra, a vizsgálathoz nem volt szükség speciális előkészületekre, mint az igen hatékony oxigénmentesítés. A vizsgálatokat két különböző lézer rendszeren is elvégeztem, egy nagyobb félértékszélességű (~5 ns), valamint egy kisebb félértékszélességű impulzus generálására alkalmas, jobb feloldású rendszeren (~1 ns). A rosszabb feloldású rendszer esetében, mivel a vizsgált élettartam rövidebb, mint a lézer impulzus, a mérési eredmények 74


kiértékeléséhez dekonvolúciós eljárás alkalmazása is szükséges. Erre a célra a konvolúciós integrál használata alkalmasnak bizonyult, a következő összefüggés alapján: t

D t =∫ E  x  K exp [−t− x/] dx

(43)

0

ahol D(t) a mért jel, E(x) a gerjesztő lézerjel függvénye, a maradék tag pedig az exponenciális válaszfüggvény, melyben τ a keresett élettartam, K egy állandó, t az időskála és x a lézerjel x tengelyen vett helyzete.

39. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex fluoresz cencia állapotának idő spektruma 0,3 M acetátpufferben (pH=6), 1 ns-os (a) valamint 4 ns-os félértéksz élességű léz er impulz us esetében.

A komplex fluoreszcencia élettartamát a fenti összefüggés alapján, iterációs módszerrel (Microsoft Office Excell, Solver modul) határoztam meg, míg a jobb feloldású PicoQuant berendezésen mért eredmények kiértékelése a készülék saját szoftverével, a Fluofittel történt. A 39. ábra szemlélteti a két lézerrendszerrel mért fluoreszcencia lecsengéseket, a 75


lézerjeleket (a és b ábra), valamint a konvolúciós integrál alapján illesztett függvényt (b. ábra), az idő függvényében. A fluoreszcencia élettartamok mind a két lézer rendszer esetében közel azonosnak bizonyultak (lásd 6. táblázat), mely jelzi, hogy a lézerimpulzusnál rövidebb élettartamok is biztonságosan meghatározhatóak pontos dekonvolúciós eljárás segítségével. A vas(II)-porfirin komplex mért fluoreszcencia élettartama majdnem egy nagyságrenddel kisebb mint a szabad ligandumé. 6. táblázat: A Fe(II)TPPS4- komplex és összehasonlításképp a H2TPPS4- ligandum fluoreszcencia élettartamai különböző lézerrendszeren mérve. Quantel

PicoQuant

porfirin τm (ns)

τm (ns)

kS1 (106/s)

τS1 (ns)

H2TPPS4-

11,2

9,99

7,5

133

Fe(II)TPPS4-

2,2

1,97

4,83

207

Ám ezen értékek a bruttó lecsengési folyamatra jellemzők, nem pedig az adott sugárzó, molekuláris részfolyamatra, így nem összehasonlíthatóak. A fluoreszcencia, vagyis az S1→S0 átmenet sebességi együtthatója (kS1), majd az alapján annak radiatív élettartama (természetes élettartam) meghatározható a fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezőjéből (ΦS1) és a mért, bruttó élettartamból (τm) a következő összefüggések alapján: (44)

k S1=Φ S1 / τ m τ S1=k A vas(II)-porfirin

(45)

S1−1

komplexre, valamint a

H2TPPS4- ligandumra

kapott

radiatív

fluoreszcencia (τS1) értékek (lásd 6. táblázat) alapján látható, hogy a lumineszkáló S1 elektronállapot élettartama valójában nő a komplexben. Ez azt jelenti, hogy a vas(II)porfirin S1 gerjesztett állapotának energiavesztési folyamataiban előtérbe kerülnek az egyéb, sugárzásmentes átmenetek. A képződött vas(II)-porfirin komplex nagy valószínűséggel nagyspinszámú központi atomot tartalmaz, mivel UV-VIS abszorpciós színképe megegyezik a nagy ionrádiuszú Hg(II)

vagy

Tl(I)-porfirin

komplexekével,

valamint

a

vas(II)ionok

különböző

76


spinmiltiplicitású állapotai közül csak a nagyspinszámú az, mely esetében SAT szerkezetű komplex képes kialakulni (kisspinszámú központi atom esetén normál, sík szerkezetű komplexnek kellene képződnie8,9,120). A 40. ábra reprezentálja a vas(II)-porfirin komplex általam javasolt energiaszint diagramját, melyen a magasabb energiájú, UV tartományba eső átmeneteket nem tüntettem fel. Mivel a komplex nem mutat foszforeszenciát, az első triplett gerjesztett állapot (T 1) energiája csak tájékoztató jellegű, továbbá tranziens abszorpciós vizsgálatok híján a T1-Tx átmenetek energiái is csak becsültek. Ám irodalmi adatok43,51,147 és a nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelékező, szintén SAT szerkezetű cink-porfirin vizsgálata alapján (a méréseket Valicsek Zsolt PhD hallgató végezte) a triplett állapotok jelenléte, továbbá a 460 nm körüli tranziens abszorpciós maximum (T1-T3 átmenet) valószínűsíthető a vas(II)porfirin esetében is.

40. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex Jablonski típusú energiasz int diagramja (a triplett álllapotok csak feltételez ettek).

A Fe(II)TPPS4- komplex esetében tapasztalt viszonylag intenzív fluoreszcencia, valamint annak viszonylag hosszú élettartama némiképp meglepő, ugyanis a nyílt elektronhéjú központi atomot tartalmazó metalloporfirinek általában nem, vagy csak rendkívül gyenge, 10-4-nél is kisebb kvantumhasznosítási tényezőjű lumineszcenciát

77


mutatnak148,149 . Azonban, bizonyos esetekben még a paramágneses központi atomot tartalmazó porfírin komplexek is mutatnak számottevő fluoreszcenciát (ΦS1 < 10-3), mint például a mangán(II)150, vagy a lantán(III)151 porfirinek. A normál típusú, szabályos sík szerkezetű metalloporfirinek esetében tapasztalt, meglehetősen gyenge fluoreszcencia azzal magyarázható, hogy a központi atom betöltött eg(dπ) orbitáljai részben átfednek a porfirin ligandum üres π pályáival, növelve ezzel a spin-pálya csatolás mértékét, mely a fluoreszkáló S1 állapot élettartamának csökkenéséhez, valamint a nem sugárzó energiavesztési folyamatok előtérbe kerüléséhez vezet152. Viszont a vízoldható, a sík szerkezettől eltérő, SAT típusú metalloporfirinek esetében a központi atom és a porfirin gyűrű közötti gyengébb kölcsönhatás miatt (mely a nagyobb kötéstávolság és torzult kötés szögek következménye) a ligandum elektronszerkezetében csak kismértékű perturbáció jön létre. Így ezen komplexek fotofizikai és kémiai tulajdonságait elsősorban a porfirin gyűrű π elektronrendszere, valamint a gyűrű torzulásának mértéke határozza meg, befolyásolva ezzel a π és π* elektronállapotok energiaszintjeit is. Ezen feltételezést több, különböző nehéz fémionokat tartalmazó metalloporfirin komplexen végzett tanulmány is megerősíti, mint például Pd(II)TPPS4-, Pt(II)TPPS4-153, Hg(II)TPPS4-143, valamint a Tl(I)2TPPS4-

78

komplexek. Az

utóbbi két komplex tipikusan SAT szerkezetű metalloporfirin, vagyis a központi atom a gyűrű síkján kívül helyezkedik el. E komplexek fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezője, a vas(II)-porfirin komplexéhez hasonlóan, a szabad porfirin ligandum kvantumhasznosítási tényezőjével azonos nagyságrendű. E vízoldható metalloporfirineknek az abszorpciós és az emissziós színképe is nagy fokú hasonlóságot mutat (vagyis a jellemző sávok azonos hullámhossznál találhatók), mely jelzi, hogy a komplexek azonos (SAT) szerkezettel rendelkeznek. Továbbá ezen eredmény megerősíti a vas(II)-porfirin SAT szerkezetének, valamint nagy-spinszámú elektronszerkezetének voltát is. Ugyanakkor a fenti

feltételezéssel

összhangban,

a

Tl(III)TPPS3-

komplex

emissziójának

kvantumhasznosítási tényezője már több mint két nagyságrenddel kisebb, mint a fent említett komplexeké68. Ebben az esetben ugyanis a komplex szerkezete már közel azonos a normál típusú, sík szerkezetű komplexekével, így a központi atom és a porfirin ligandum között kialakuló erősebb kölcsönhatás miatt nő a spin-pálya csatolás mértéke is. Tekintettel arra, hogy a vas(II)-porfirin komplex csak kis mennyiségben állt rendelkezésre, valamint a komplex fény hatására hatékonyan és irreverzibilisen elbomlik (lásd a vas(II)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői fejezetet, 81. oldal), tranziens abszorpciós vizsgálatokra nem került sor.

78


5.3.2 A vas(III)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői A vas(III)-porfirin komplex, valamint összehasonlításképp a szabad porfirin komplex abszorpciós színképei a 41. ábrán láthatóak. A komplex B(0,0), azaz Soret sávja 393 nm-nél, a legintenzívebb Q sáv 528 nm, valamint a kevésbé intenzív 650 nm-nél találhatók. Ám a vas(II)-porfirinhez hasonlóan, e komplex esetében is feltételezhetünk további Q sávokat, 495 nm-nél és 686 nm-nél. Az irodalomban is többnyire a 650 nm és 528 nm-nél megjelenő elnyelési sávokat tekintik Q sávoknak108,123,124, így az ezen állapotokhoz tartozó vibrációs átmenetekkel együtt már a szabad porfirin ligandumhoz hasonló Q sáv szerkezet feltételezhető, mely ugyancsak azt sugallja, hogy a metalloporfirinek kialakulásakor

41. ábra. A Fe(III)TPPS3- komplex, valamint a H 2 TPPS4- ligandum absz orpciós sz ínképe.

bizonyos Q sávok csak gyengülnek, de nem tűnnek el teljesen. Ugyanakkor ebben az esteben az is elképzelhető, hogy a hosszabb hullámhossznál megjelenő sávok esetleg más átmenetből származnak (például töltésátviteli sávok (CT)). A komplex Soret sávja kék eltolódást szenved a szabad porfirin sávjához képest, ami a normál típusú metalloporfirinek esetében jellemző. Továbbá a nagyobb energiáknál megjelenő Qy sávok kék, míg a kisebb energiáknál megjelenő, feltételezett Qx sávok vörös eltolódást mutatnak. A Soret sáv ilyen nagymértékű eltolódásának oka, hogy a központi atom magas oxidációs fokú, így erős perturbációt fejt ki a delokalizált elektronrendszerre. Ezt alátámasztja, hogy a vas(III)porfirinhez axiálisan koordinálódó elektrondonor ligandum, mint például az imidazol, 79


hatására a Soret sáv eltolódása jelentősen csökken, szinte meg is szűnik (a 393 nm-ről 414 nm-re tolódik). A komplex nem mutat semmilyen jellegű lumineszcenciát, ami nem meglepő, mivel az irodalomban megjelent tanulmányok szerint a normál típusú, paramágneses központi atomot tartalmazó metalloporfirinek rendkívül gyengén, vagy egyáltalán nem lumineszkálnak (lásd fentebb). A komplex fotostabilnak bizonyult (lásd később), így tranziens abszorpciós vizsgálatok megvalósíthatóak voltak. Azonban a vizsgálatok során, a porfirin komplexekre jellemző hullámhossz tartományban (~300-630 nm, T1→Tn) tranziens abszorpciót nem sikerült megfigyelni. Hasonló jelenséget tapasztalt több kutató csoport is a Mn(III), Ni(II) és Co(III) porfirin komplexek tanulmányozása során149,150,153. Ez azt jelenti, hogy e komplexek triplett gerjesztett állapota vagy rendkívül rövid élettartamú (ps-os nagyságrendű) ami igen erős spin-pálya csatolásra utal, vagy nem is képződik. A 42. ábra reprezentálja a vas(III)porfirin komplex javasolt energia szint diagramját, melyen a magasabb energiájú, UV tartományba eső átmeneteket nem tüntettem fel. Mivel a komplex nem mutat foszforeszenciát, továbbá tranziens abszorpciót sem, a triplett állapotok léte nem bizonyított, így fel sem tüntettem azokat.

42. ábra. A Fe(III)TPPS3- komplex Jablonski jellegű energiasz int diagramja (a triplett álllapotok csak feltételez ettek).

80


5.3.3 A vas(II)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői

A vas(II)-porfirin komplex fénnyel történő besugárzás hatására meglehetősen jó hatásfokkal, irreverzibilisen átalakult (elbomlott). A 43. ábra szemlélteti a Soret (421 nm), valamint a legintenzívebb Q (556 nm) sávok hullámhosszán végzett fotolízis eredményeit. A porfirin és metalloporfirin származékok rendkívül intenzív moláris abszorpciójáért a gyűrű egészére kiterjedő, delokalizált, aromás elektronrendszer a felelős (lásd A porfirinek és metalloporfirinek elnyelési sajátosságai fejezetben, 16. oldal). Ezek alapján, a fotolízis során tapasztalat jellemző abszorpciós csúcsok eltűnése a delokalizált elektronrendszer megszűnésére, vagyis a porfirin gyűrű felnyílására enged következtetni. Ekkor nyílt láncú

43. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex (3×10 -6 M) fotolebomlása 0,3 M acetátpufferben, a Soret sávon (421 nm) 40 perc (a), valamint a Q sávon (556 nm) 90 (b) perces besugárz ási idők alatt.

81


tetrapirrol (bile típusú) származékok keletkeznek. E feltételezést megerősíti a fotolízis során, 390 nm és 450 nm-nél megjelenő két abszorpciós sáv, melyek bilirubin és biliverdin származékok jelenlétére utalnak154. Hasonló hullámhosszaknál jelennek meg abszorpciós csúcsok más központi atomot tartalmazó, SAT típusú komplexek fotolízisekor is, mint például a Tl(I), Tl(III), és Hg(II) ionok porfirin komplexeinél78,143,155. Ez arra utal, hogy e SAT típusú metalloporfirinek hasonló fotokémiai reakcióban alakulnak át, a központi atom minőségétől függetlenül. A szabad porfirin ligandum (H2TPPS4-) besugárzásakor, ugyan jóval kisebb hatékonysággal, de szintén megfigyelhető a molekula elbomlása78, ám ebben az esetben a fotodegradáció közvetett módon valósul meg: a jelenlévő oxigén molekulákra irányuló energiaátadás, annak szingulett állapotba kerülése, majd a porfirin ligandummal történő reakciója révén. 7. táblázat: A Fe(II)TPPS4- komplex és összehasonlításképp a H2TPPS4- ligandum fotodegradációjának bruttó kvantumhasznosítási tényezői. Φfotolízis (10-4) porfirin Q (556 nm)

Soret (421 nm)

H2TPPS4-

0,06143

-

Fe(II)TPPS4-

9,7

7,8

A kiindulási vas(II)-porfirin gyakorlatilag teljes mértékben elbomlott a Soret sávon történt besugárzás esetén 40 perc, míg a Q sávon történt besugárzás esetén 90 perc alatt. A fotolízis bruttó kvantumhasznosítási tényezőit mindkét besugárzási hullámhosszon meghatároztam (lásd 7. táblázat). A komplex elbomlásakor lejátszódó fotokémiai reakció a porfirin ligandumról a központi fématomra irányuló elektronátmenettel (LMCT) jellemezhető, hasonlóan a más központi atomot tartalmazó SAT típusú komplexekhez (Tl+, Hg2+)68,144. E folyamatban az elektronátmenet után a porfirin ligandum oxidálódik, míg a központi atom redukálódik. Mivel a SAT típusú komplexek kinetikailag labilisak, a központi atom a redukciója után disszociálódhat a porfirin ligandumról, ami ezáltal irreverzibilisen oxidált állapotban marad. Ezek után a ligandumon végbemenő kötésátrendeződés révén gyűrűnyílás következik be, a redukált központi atom (jelen esetben vas(I)ionok) pedig vagy e tetrapirrol származéknak adja vissza elektronját, vagy egy vízmolekulának. Mivel hidrogén gáz képződése a kis mennyiségek miatt észlelhetetlen, a vas(I)ionok 82


visszaoxidációjának módja csak valószínűsíthető. Mivel a vas(II)-porfirin komplex abszorpciós

színképében

megfigyelhető

sávok

a

ligandum

elektronátmeneteiből

származnak, továbbá közvetlen LMCT átmenetnek tulajdonítható sáv nem észlelhető, a gerjesztett elektron csak közvetett úton kerülhet a porfirin ligandumról a központi fématomra. Tekintettel arra, hogy a mind az S1 mind az S2 állapotok gerjesztésekor bomlik a komplex, ráadásul az S1 állapotba való gerjesztésekor nagyobb hatásfokkal (vagyis az S2 állapotról előbb az S1 állapotra kerül az elektron), az LMCT átmenet az S1 állapotról, vagy az első triplett gerjesztett állapotról (T1) megy végbe. A komplex besugárzását elvégeztem hatékony triplett kioltó jelenlétében is (oldott molekuláris oxigén), vagyis hatásosan oxigénmentesített, levegővel telített, valamint oxigénnel telített oldattal is. Mivel a lebomlások hatásfokában nem mutatkozott számottevő különbség a kioltó molekulák jelenlétében sem, így az LMCT átmenetnek az S1 állapotról kell végbemennie.

44. ábra. A vas(II)-porfirin komplex fotoindukált lebomlásának egysz erűsített váz lata (az ionos sz ubsz tituenseket sz aggatott vonal jelz i).

A 40. ábra vázlatosan szemlélteti ezen elektronátmeneteket, míg a 44. ábra a vas(II)-porfirin bruttó fotoindukált reakciójának kulcslépéseit reprezentálja. A H2TPPS4- ligandumot hasonló körülmények között besugározva, a komplexhez képest

több

mint

két

nagyságrenddel

kisebb

mértékű

lebomlás

tapasztalható

83


(lásd 7. táblázat). Ennek oka, hogy a szabad ligandum esetében a központi fématom híján nincs mód LMCT átmenetre. A kis mértékű bomlás oka a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigénnek tulajdonítható. Viszont a vas(III)-porfirin komplexet is besugározva hasonló körülmények között, még csekély mértékű kémiai változás sem tapasztalható. Az irodalomban megjelent vizsgálatok alapján ugyanis a normál típusú, sík szerkezetű metalloporfirinek könnyen és reverzibilisen oxidálhatók vagy redukálhatók, mivel az átmenetileg képződő π-kation rendkívül stabilis78. Ebből kifolyólag, még ha hasonló jellegű LMCT átmenet is megy végbe a fotokémiai reakció első lépésében, a vas(II)-porfírin komplexszel ellentétben a gerjesztett elektronnak elég ideje van visszakerülni a kialakult stabil π-kationra, így kémiai átalakulás nem megy végbe.

84


5.4 A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell

Az acetátpuffert tartalmazó

rendszerben képződő vas(II)-porfirin komplex

abszorpciós színképe meglehetősen jó egyezést mutat az emberi szervezetben is jelenlévő dezoxi-hemoglobin abszorpciós színképével156. A molekuláris oxigént nem kötő vas(II)porfirin komplex szintén nagy-spinszámúnak tekinthető, ugyanis vizsgálatok kimutatták, hogy a központi vas(II) atom 0,4 Å-mel a porfirin gyűrű síkja fölött helyezkedik el 131. Ahhoz, hogy a Fe(II)TPPS4- komplex a hemoglobin szintetikus analógjaként alkalmazható legyen, szükséges, hogy reverzibilis módon tudja megkötni a molekuláris oxigént. Annak kiderítésére, hogy erre képes-e, az előállított komplexet tartalmazó oldatot oxigén gázzal telítettem. A vas(II)-porfirin, mint ahogy az már korábban említésre került, stabilnak bizonyult az oxidációval szemben, vas(III)-porfirin képződése nem volt megfigyelhető hetek múltán sem. Azonban az oxigén gázzal való telítés után az abszorpciós színképben semmilyen változás nem volt tapasztalható. Ennek két oka lehet: vagy a komplexhez koordinálódott oxigén molekula nem okoz változást az abszorpciós színképben, vagy pedig az adott körülmények között az oxigén nem képes kötődni a komplex axiális pozíciójában, mivel valamelyik jelenlévő egyéb ligandum, mint például a víz vagy az acetát molekulák, erősebben kötődnek ahhoz. E kérdés tisztázása analitikai módszerekkel a kis koncentrációk miatt gyakorlatilag lehetetlen, ezért a probléma megoldásához kvantumkémiai számításokat végeztünk (Dr. Lendvay György segítségével). E számítási eredményeket azért mutatom be, mert egyrészt alátámasztják a kísérleti tapasztalatokat, másrészt azért, hogy a kísérletileg nem eldönthető kérdések elmeléti megválászolásával kikerekítsem a felrajzolt képet. Ahhoz, hogy lássuk, milyen mértékben kötődnek meg a rendszerben jelenlévő potenciális axiális ligandumok a Fe(II)TPPS4- komplexhez, a DFT számításokban a vas(II)porfirint használtuk modell vegyületként (az egyszerűség kedvéért a vas(II)-porfirint a továbbiakban FeP-vel jelölöm). A porfirin gyűrűn található négy szulfonáto-fenil csoport feltételezhetően elhanyagolható hatással van a komplex axiális pozíciójához való koordinációra, így néhány számolással ellenőriztük a jelenlétük szükségességét. Ezek eredményei alapján azt találtuk, hogy jelenlétük csekély mértékben befolyásolja a molekula energetikáját, így a „csupasz” porfirin gyűrű használata is elegendő. Ez azért fontos, mert az egyébként is rendkívül hosszadalmas számítási folyamat a kisebb ligandummal lényegesen rövidebb. Vizsgáltuk a H2O, az O2, valamint az CH3COO- (a továbbiakban Ac) ligandumok

85


kötési energiáját a FeP-hoz szingulett, triplett és kvintett állapotokban. Mivel a vas(II)porfirin molekulának feltételezhetően két betöltetlen axiális koordinációs pozíciója van, a H2O, O2 és Ac- ligandumok valamint a FeP molekulának nem csak az 1:1 összetételű komplexei, hanem az összes lehetséges 2:1 kombináció szerkezetét is meghatároztuk. A számolások alapján azt kaptuk, hogy a FeP és a H2O-FeP-Ac molekulákat kivéve az összes komplex alapállapota kvintett. A különböző ligandumokat tartalmazó FeP komplexek kötési energiáit a 8. táblázat foglalja össze. 8. táblázat: A vas(II)-porfirin H2O-zel, CH3COO--nal (Ac) és 3O2-nel alkotott biner komplexeinek DFT módszerrel kapott disszociációs energiái (kcal mol-1-ban), továbbá a FeP-Ac komplex H2O-el és 3O2 alkotott terner komplexeinek DFT számolással kapott disszociációs energiái (kcal mol-1-ban). biner komplexek (kcal mol-1)

spin állapot

terner komplexek (kcal mol-1)

FeP-H2O

FeP-Ac

FeP-O2

Ac-FeP-H2O

Ac-FeP-O2

S

26,6

45,3

11,4

13,7

-9,2

T

19,7

31,5

8,6

8,9

7,2

Q

14,9

36,3

12,4

11,2

0,1

A biner, vagyis a FeP-L összetételű komplexek esetében kapott kötési energiák a molekula spinmultiplicitásának változásával egy kivételtől eltekintve ugyanolyan mintázat szerint változtak. A ligandumok közül az acetátion kötődik a legerősebben a FeP központi atomjához (a kötési energia 45 kcal mol-1 a szingulett, valamint 36 kcal mol-1 a kvintett állapotban). A H2O ligandumok már jóval gyengébben kötődnek a FeP-hoz (27 kcal mol -1 és 15 kcal mol-1 a szingulett és a kvintett állapotra), míg az 3O2 kötési energiája a legkisebb, 10 kcal mol-1 körül van mind a három spin-állapotban. A második axiális ligandum mindig az első ligandummal szemközt, a porfirin gyűrű ellentétes oldalán helyezkedik el, és jóval gyengébben kötődik a vas(II) központi atomhoz. Az acetátionok kötési energiája például 13 kcal mol-1-al kisebb a terner Ac-FeP-H2O komplexben, mint a biner FeP-Ac komplexben, mind a három lehetséges spinállapotban. A számítások alapján a bináris FeP-H2O komplexben minden spinállapotban, a terner FeP-Ac-H2O komplexben pedig szingulett és triplett állapotban, a H2O molekula a vártnak megfelelően, az oxigén atomjának egyik magános párjával kötődik a FeP komplex vas(II) központi atomjához. Ezzel ellentétben, a

86


terner FeP-Ac-H2O komplex kvintett állapotában, a H2O molekula két H atomja közelebb van a FeP egységhez, mint az O atomja, és a porfirinváz két szomszédos nitrogén atomja felé irányulnak. Ezáltal két O-H-N hidrogén kötés alakul ki, egy, a vas(II) központi atommal alkotott koordinatív kötés helyett. Ez azt jelenti, hogy a vas(II) központi atom kvintett állapotban (vagyis nagy-spinszámú állapotban) egy axiális ligandum, vagyis az acetátion kapcsolódása után koordinatíve telítetté válik (lásd 45. ábra). Ez érthető, ugyanis a H2O molekula nem „erős” terű ligandum, vagyis egy nagy-spinszámú központi atomban nem képes spin-párosodást előidézni, ezáltal koordinálódni sem.

45. ábra. A vas(II)-porfirin actetát és víz ligandummal képz ett terner komplexének DFT módsz errel sz ámolt sz erkez etei, különböz ő néz etből.

A bináris komplexek közül egyértelműen a FeP-Ac a legstabilabb. Az elsőként koordinálódó ligandum, az Ac csoport és a vas(II) központi atom mindig a porfirin sík azonos oldalán tartózkodik (vagyis ligandum a porfirin négy nitrogénje és a központi atom által létrejött piramis csúcsához kapcsolódik). Mivel a „csupasz” vas(II)-porfirin komplex alapállapota kvintett, vagyis nagy-spinszámú, feltételezhetően oldatban is hasonló állapotban van jelen. Vizes oldatban a H2O, vagy az acetátion koordinációja nagy valószínűséggel nem fogja megváltoztatni a komplex spinmultiplicitását. A molekuláris oxigén triplett állapotban van jelen a vizes oldatban, így koordinációja során a spinek keveredése miatt a FeP-O2 komplex a legkülönbözőbb spinállapotokban képződhet, nem feltétlenül a termodinamikailag legstabilabb (vagyis kvintett) állapotban. Ha a triplett oxigén 3O2 például triplett komplexet képez a FeP-nel a kötési energia körülbelül 9 kcal mol 1

, míg kvintett komplex esetén 13 kcal mol-1, vagyis a kötési energiák nagyjából azonosak a

spinállapottól függetlenül. Ám a kötési energiákból az is látszik, hogy a terner Ac-FeP-O2 komplexek közül a teljes molekulát tekintve a triplett a legstabilabb, ami azt sejteti, hogy a

87


vas(II) központi atom szingulett állapotban van. Ez összhangban van azzal a tapasztalattal, hogy a 3O2 erős terű ligandum, melynek hatására a vas(II) központi atom d pályáinak párosítatlan elektronjai párosodnak, így a létrejövő betöltetlen d pálya egy újabb axiális koordinációs pozíció betöltését teszi lehetővé. A kötési energiák alapján a FeP molekulák döntő többségét bizonyosan Ac--ionok komplexálják és igen kis valószínűséggel lesz az 3O2 az első kapcsolódó ligandum. Az acetát- ion megkötődése után egy újabb Ac--ion koordinációja sztérikus okok miatt kizárható. Így terner komplex H2O vagy O2 ligandumokkal alakulhat ki, melyek közül a H2O molekulák koordinációja sokkal jobban preferált, annak ellenére, hogy nem valódi koordinatív kötéssel kapcsolódik, ugyanis a kötési energiái még így is minden spinállapotban nagyobbak, ráadásul az oldott oxigénhez képest jóval nagyobb koncentrációban vannak jelen. Végeredményben tehát megállapítható, hogy egy olyan vizes oldatban, mely – jelen esetben a vas(III)ionok maszkírozása végett – nagy koncentrációban tartalmaz acetátionokat, igen kicsi a valószínűsége annak, hogy a FeP vagy jelen esetünkben a Fe(II)TPPS4- komplex a hemoglobinhoz hasonlóan képes reverzibilis módon megkötni molekuláris oxigént. A vas(II)-porfirin komplex esetleg képes lehet a molekuláris oxigén szállítására egy olyan rendszerben, ahol a vas(III)ionok maszkírozására egy kevésbé erősen koordinálódó molekulát használunk. Ugyanakkor, még ha a rendszer acetátionokat nem is tartalmazna, a H2O molekulák valószínűleg továbbra is gátolnák az O2 kapcsolódását. E megfigyelés megmagyarázhatja a hemoglobinban tartózkodó vas(II)-porfirin egységet körülvevő hidrofób fehérje burok jelenlétének szerepét és fontosságát. E fehérje burok nélkül valószínűleg

a szervezetünkben lévő hemoglobin sem

lenne képes az

oxigénszállításra, mivel a víz molekulák blokkolnák az oxigén kötődését. Szintetikus körülmények között is van lehetőség valamilyen hasonló funkciót ellátó, szerves, hidrofób makromolekuláris burok létrehozására a porfirin molekula körül, például β-cyclodextrin dimer segítségével107,157. E rendszerekben a vas(II) központi atom viszonylag stabil oxidációval szemben, valamint képes a molekuláris oxigén reverzibilis szállítására néhány ciklusban.

88

Összefoglalás

6. ÖSSZEFOGLALÁS

Ezen értekezés keretében a Pannon Egyetem Általános és Szervetlen Kémia Tanszékén végzett, egy vízoldható, kinetikailag labilis vas(II)-porfirin, valamint egy kinetikailag inert vas(III)-porfirin komplex gyengén savas és semleges közegben történt előállításának, továbbá az előállított komplexek reakciókinetikai, egyensúlyi, fotofizikai és -kémiai vizsgálatának eredményei kerültek bemutatásra. Ezenfelül az előállított vas(II)porfirin komplex oxigén szállító képességének (mint szintetikus hemoglobin modell) vizsgálata szintén bemutatásra került. Az irodalomban megjelent közleményekkel összhangban a kísérleteim során azt tapasztaltam, hogy a vas(II)ionok és a szabad porfirin ligandum reakciójában vas(III)porfirin a végtermék még hatékonyan oxigénmentesített rendszerben is, melynek okaként a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigént jelölték meg. Munkám során kimutattam azonban, hogy a vas(III)-porfirin képződésének oka nem oxidáció, hanem az átmenetileg képződő, kinetikailag labilis vas(II)-porfirin azáltal, hogy a komplex torzult, SAT szerkezetének köszönhetően segíti a vas(III)ionok beépülését. Mivel a vas(III)-porfirin komplex közvetlenül nem képződik a szabad porfirin ligandum és a vas(III)ionok reakciójában, ez azt jelenti, hogy a vas(II)ionok katalizátorai e folyamatnak. Ugyanakkor a vas(II)-porfirin komplex előállítását olyan vegyület jelenlétében, mely képes blokkolni, maszkírozni a vas(III)ionokat, mint például az acetátionok, sikerült jó hatásfokkal megvalósítani. Az így előállított komplex ráadásul stabilnak bizonyult levegőn, sőt tiszta oxigén jelenlétében is. Az acetát ligandumon kívül vizsgáltam számos más, a vas(II)porfirinhez axiálisan koordinálódni képes ligandum jelenlétének hatását is (aszkorbinsav (C6H8O6), formaldehid (H2CO), D-glükóz (C6H12O6), nitrogén-monoxid (NO), szulfo-cianid (SCN-), valamint fluorid (F-) ligandumok), melyek több kevesebb sikerrel voltak képesek elősegíteni a komplex képződését. A munkám során vizsgáltam továbbá az előállított vas(II)-porfirin komplex fotofizikai tulajdonságait, mely alapján – az ionrádiuszaikból következően bizonyosan SAT jellegű komplexek (Hg2+, Tl+) abszorpciós és emissziós színképeivel való teljes mértékű egyezés miatt – a komplex SAT típusúnak, valamint ebből kifolyólag nagy-spinszámúnak tekinthető. A vas(III)-porfirin komplex viszont sík szerkezetű és normál típusú. A vas(II)porfirin abszorpciós színképben megfigyelhető Soret sáv vörös, az emisszió és a Q sávok 89

Összefoglalás

kék eltolódást szenvednek, ezzel ellentétben a vas(III)-porfirin Soret és a Qy sávja kék, míg Qx sávja vörös eltolódást szenved. A fotogerjesztett vas(II)-porfirin LMCT átmenet révén irreverzibilis, gyűrűnyíláshoz vezető átalakulást szenved, míg a vas(III)-porfirin esetében az LMCT átmenet reverzibilis, vagyis a komplex fotostabil. A végbemenő fotokémiai reakció mechanizmusára javaslatot tettem. Meghatároztam a vas(II)-porfirin komplex legfontosabb fotofizikai állandóit, mint a fluoreszcencia élettartamát, annak kvantum-hasznosítási tényezőjét mind a Soret, mind a Q sávon gerjesztve, a moláris abszorpciós koefficiensét, továbbá a fotokémiai reakció bruttó kvantum-hasznosítási tényezőjét. A fotofizikai állandókon túl meghatároztam a vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandóját valamint a reakció-kinetikai kiértékelés révén a komplexképződés sebességi állandóit. A kinetikai vizsgálatok alátámasztották egyúttal a vas(III)-porfirin vas(II)ionok által katalizált képződésének feltételezett mechanizmusát is. Munkám során kísérleteket végeztem annak kiderítésére, hogy a vas(II)-porfirin komplex vajon alkalmazható-e a hemoglobin szintetikus analógjaként oly módon, hogy az előállított komplexet tartalmazó oldatot oxigén gázzal telítettem. Ugyan a vas(II)-porfirin, mint ahogy az már korábban említésre került, stabilnak bizonyult az oxidációval szemben, azonban az abszorpciós színképben semmilyen változás nem volt tapasztalható. DFT számítások segítségével kimutattam, hogy egy olyan oldatban, melyben az acetátionok nagy koncentrációban vannak jelen (ami jelen esetben a vas(III)ionok blokkolásához szükséges), csekély valószínűséggel lesz képes a hemoglobinhoz hasonlóan reverzibilis módon megkötni a molekuláris oxigént. A vas(II)-porfirin komplex képes lehet a molekuláris oxigén szállítására egy olyan rendszerben, ahol a vas(III)ionok maszkírozására egy kevésbé erősen koordinálódó molekulát alkalmaznak.

90

Tézisek

TÉZISEK

1. A vas(II)-porfirin komplex előállítása A vízoldható, hem-típusú (hemoglobin analóg), nagy-spinszámú Fe(II)TPPS4előállítását valósítottam meg semleges valamint gyengén savas oldatban, acetátpuffer, majd különböző típusú reduktív és nitrogéntartalmú ligandumok jelenlétében. 1.1. A vas(III)-porfirin komplex képződése vas(II)ionok jelenlétében Kimutattam, hogy a vas(II)ionok és a H2TPPS4- reakciója során képződő vas(III)-porfirin képződésének oka nem a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigén hatására végbemenő oxidáció, hanem az átmenetileg képződő, kinetikailag labilis vas(II)-porfirinnak tulajdonítható azáltal, hogy a komplex torzult, SAT szerkezetének köszönhetően segíti a vas(III)ionok beépülését. 1.2. A vas(II)-porfirin komplex képződése acetátionok jelenlétében Kimutattam,

hogy

a

vas(II)-porfirin

komplex

előállítása

acetátpuffer

jelenlétében, megvalósítható. A puffer a pH-érték beállításán túlmenően acetátokomplex képződése révén blokkolta, maszkírozta a nyomnyi mennyiségben jelenlévő szabad vas(III)ionokat, mely nélkül a kialakult vas(II)-porfirin komplex a megfelelő vas(III) formává alakult volna. Az előállított vas(II)porfirin stabilnak bizonyult levegőn és tiszta oxigén jelenlétében is, az eddig megjelent közlemények alapján egyedüli módon. 1.3. A vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandójának meghatározása Bizonyítottam, hogy a nem tisztán egyensúlyi folyamatban képződő vas(II)porfirin komplex a SAT típusú komplexekre jellemző látszólagos egyensúlyi állandóval rendelkezik. 1.4. A vas(II)-porfirin komplex képződése egyéb ligandumot tartalmazó közegben Kimutattam, hogy különböző mértékben más ligandumok jelenlétében is képződik a vas(II)-porfirin komplex (aszkorbinsav (C6H8O6), formaldehid (H2CO), D-glükóz (C6H12O6), nitrogén-monoxid (NO), szulfo-cianid (SCN-), valamint fluorid (F-) ligandumok).

91

Tézisek

2. A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa és kinetikája Spektrofotometriás technikával követve vizsgáltam a vas(II)- és vas(III)-porfirin képződésének kinetikáját valamint mechanizmusát. 2.1. A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa Igazoltam a vas(II)ionok és a H2TPPS4- ligandum reakciójában végtermékként megjelenő vas(III)-porfirin képződésének mechanizmusát, melyben a vas(II)porfirin átmenetileg képződik és a vas(II)-ionok katalizátorai e folyamatnak. 2.2. A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének sebességi állandói A kvalitatív kísérleti eredmények alapján feltételezett modell mechanizmus az acetátpuffert nem tartalmazó és tartalmazó rendszerben mért színképsorozatokra történt illesztésével meghatároztam a komplexek képződésének sebességi állandóit, valamint ezek alapján megállapítottam, hogy vas(III)-porfirin több mint két nagyságrenddel gyorsabban képződik mint a vas(II)-porfirin. A modell illeszkedése megerősítette továbbá a vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének feltételezett mechanizmusát is. 2.3. Az átmenetileg képződő többmagvú metalloporfirin A reakció egy adott időpontjában rögzített színképre történt Lorentz függvények illesztésével valószínűsítettem, hogy legalább egy köztitermék részecske képződik, mely Fe(II)-TPPS-Fe(III) kétmagvú komplexként jellemezhető.

3. A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai Tanulmányoztam és összehasonlítottam a vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek abszorpciós és emissziós tulajdonságait, valamint a fotoindukált kémiai reakcióit. 3.1. A vas(II)-porfirin SAT jellege Az ionrádiuszaikból következően bizonyosan SAT jellegű komplexek abszorpciós és emissziós színképeivel való teljes mértékű egyezés alapján is megállapítottam, hogy a vas(II)-porfirin szintén SAT típusúnak, valamint ebből kifolyólag nagy-spinszámúnak tekinthető. 3.2. A vas(II)-porfirin fotofizikai állandói Meghatároztam a vas(II)-porfirin komplex fontosabb fotofizikai állandóit, mint a moláris abszorpciós koefficiensét (350 nm-től 800 nm-ig), a Stokes-féle eltolódásokat, időfelbontásos spektroszkópiai technikával a fluoreszcencia 92

Tézisek

élettartamát valamint annak kvantumhasznosítási tényezőjét a jellemző Soret és Q sávokon gerjesztve. Megállapítottam, hogy a Q sávon történt gerjesztés során nagyobb a fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezője. Összeállítottam továbbá a vas(II)-porfirin komplett energiaszint (Jablonski) diagramját. 3.3. A vas(II)-porfirin S2 emissziója Kimutattam, hogy a vas(II)-porfirin a második gerjesztett állapotáról is mutat emissziót, mely igen ritka jelenségnek számít. Meghatároztam ezen emisszió kvantumhasznosítási tényezőjét is. 3.4. A vas(III)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői Megerősítettem, hogy a vas(III)-porfirin komplex az irodalomban megjelent tanulmányokkal összhangban nem mutat semmilyen jellegű lumineszcenciát, továbbá a metalloporfirinekre jellemző hullámhosszaknál tranziens abszorpció sem figyelhető meg. 3.5. A vas(II)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői Megállapítottam, hogy a vas(II)-porfirin fotoindukált töltésátvitel (LMCT) révén irreverzibilis, gyűrűnyíláshoz vezető fotokémiai átalakulást szenved, melynek mechanizmusára javaslatot tettem. Kimutattam, hogy e fotokémiai reakció bruttó kvantumhasznosítási tényezője a Q sávokon gerjesztve a nagyobb. 4. A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hem modell Kísérleteket végeztem annak kiderítésére, hogy a vas(II)-porfirin komplex vajon alkalmazható-e a hemoglobin szintetikus analógjaként. 4.1. A vas(II)-porfirin és a molekuláris oxigén Megállapítottam, hogy a vas(II)-porfirint tartalmazó oldatban az oldott molekuláris oxigén nem okoz látható színképváltozást. DFT számítások segítségével kimutattuk, hogy acetátionok vagy víz molekulák jelenlétében az oldott oxigén molekula nem képes kötődni a vas(II)-porfirinhez, mely így – eltérően a hemoglobintól – nem alkalmas reverzibilis oxigén szállítására.

93

Theses

THESES

1. The preparation of iron(II)-porphyrin Preparation of the water-soluble, kinetically labile, high-spin iron(II)-porphyrin (Fe(II)TPPS4-) has been realized in neutral or weakly acidic solutions containing acetate buffer, and then, in the presence of different type reductive and nitrogen donor ligand as well. 1.1. The formation of iron(III)-porphyrin in the presence of iron(II) ions It has been proved, that in the reaction of free-base porphyrin and iron(II) ions, the cause of the formation of ferric porphyrin was not an oxidation, but from the temporarily formed, kinetically labile iron(II) porphyrins the Fe(II) centers have been excluded by Fe(III) ions existing in trace amounts in these systems. 1.2. The formation of iron(II)-porphyrin in the presence of acetate ions The synthesis of the Fe(II)TPPS4- complex could be realized in the presence of acetate buffer. The buffer played a double role in these systems: it was used for both adjusting pH, and, via formation of acetato complex, trapping trace amounts of iron(III) ions, which would convert the iron(II) porphyrins to the corresponding iron(III) species. The formed Fe(II)TPPS4- proved to be stable in these solutions even after saturation with air or oxygen uniquely, on the basis of the literature. 1.3. The equilibrium constant of the iron(II)-porphyrin complex The equilibrium constant of the iron(II)-porphyrin complex forming in not clearly equilibrial reaction were measured with spectrophotometric method. 1.4. The formation of iron(II)-porphyrin in the presence of other ligands The effects of the presence of different ligands (ascorbic-acid (C6H8O6), formaldehyde (H2CO), D-glucose (C6H12O6), nitrogen-monoxide (NO), sulfocyanide (SCN-), and fluoride (F-) ligandumok) on the formation of iron(II)porphyrin was also investigated. 2. The mechanism and kinetics of the formation of iron(II) and iron(III) porphyrins The reaction kinetics of the formation of iron(II) and iron(III) porphyrins were studied with spectrophotometric method. 94

Theses

2.1. The mechanism of formation of iron(II)- and iron(III)-porphyrin A mechanism was suggested for the reaction between iron(II) ions and free-base porphyrin, where iron(III)-porphyrin was the final product, and the iron(II) ions plays a catalytic role in the formation of iron(III)-porphyrins. 2.2. The rate constants of the formation of iron(II)- and iron(III)-porphyrins On the basis of the determined rate constants, the formation rate of the iron(III)porphyrin has been found to be more than two orders of magnitude larger than the appropriate rate constant of the iron(II)-porphyrin. With the fitting of the model to the spectras measured in the systems with and without acetate buffer, the suggested mechanism has been confirmed. 2.3. The temporarily formed bi-nuclear porphyrin derivative On the basis of the fitting of Lorentz functions to the spectra recorded at a certain time during the formation of iron(III)-porphyrin, at least one new porphyrin type intermediate complex was suggested in the solution, assigned as [Fe(II)-TPPS-Fe(III)]–. 3. Photophysical and photochemical properties of iron(II)- and iron(III)-porphyrin The ground and excited state absorption and luminescence of Fe(II)TPPS4- and Fe(III)TPPS3- were studied and compared. 3.1. The SAT behavior of the iron(II)-porphyrin Because of the correspondence between the absorption and emission spectra of the unambiguously SAT type porphyrins and the iron(II)-porphyrin, the complex was found to be SAT type, and, because of this, high-spin state. 3.2. The photophysical constants of the iron(II)-porphyrin The important photophysical constants of the iron(II)-porphyrin were determined such as the molar absorption coefficient (from 350 nm to 800 nm), the Stokes shifts, the fluorescence lifetime with time-resolved spectroscopic method and the fluorescence quantum yields excited at the Soret and Q bands as well. The quantum yield determined with the excitation at the Q band was found to be the higher. The Jablonski type energy level diagram of the iron(II)porphyrin was also constructed.

95

Theses

3.3. The S2 emission of the iron(II)-porphyrin It was revealed that the iron(II)-porphyrin shows emission from the second excited state as well, which is very rare. The quantum yields of this emission was determined. 3.4. Photophysical properties of the iron(III)-porphyrin In accordance with the earlier studies, the iron(III)-porphyrin doesn't show any luminescence, furthermore, transient absorption about the characteristic wavelengths neither could be detected. 3.5. Photochemical properties of the iron(II)-porphyrin It has been revealed that in the photolysis of Fe(II)TPPS4- photoinduced porphyrin ligand-to-metal charge transfer (LMCT ) process took place, which was followed by detachment of the reduced metal center and an irreversible ring-opening of the porphyrin ligand, resulting in the degradation of the complex. A mechanism for this photochemical reaction was proposed, furthermore the overall quantum yields were determined at both the Soret and the Q bands.

4. Fe(II)TPPS4- as a possible heme model Attempts were made in order to clear up whether Fe(II)TPPS4- can be used as a water-soluble, synthetic, heme analog oxygen carrier. 4.1. The solution containing Fe(II)TPPS4- and dissolved molecular oxygen It was found that the dissolved molecular oxygen did not cause any change in the spectra of the iron(II)-porphyrin. DFT calculations revealed that in solutions with large acetate concentration there is very little chance for iron(II)-porphyrin to bind and release O2, deviating from heme. In the presence of an iron(III)trapping additive which is much less strongly coordinated to the iron(II) center than the acetate ion Fe(II)TPPS4- may function as a heme model.

96

Köszönetnyilvánítás

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Ez úton is szeretném megköszönni témavezetőmnek, dr. Horváth Ottónak a doktori munkámhoz szükséges feltételek megteremtését, valamint a rengeteg segítséget, tanácsot amivel e disszertáció megvalósítása során rendelkezésemre állt. Köszönöm dr. Lendvay Györgynek a kvantumkémiai számításokkal kapcsolatos segítségét és munkáját. Köszönöm dr. Peintler Gábornak, valamint dr. Lente Gábornak a reakciókinetikai kiértékelésben nyújtott segítségét. Köszönöm dr. Biczók Lászlónak a fluoreszcencia élettartamok mérésében nyújtott segítségét. Köszönet az előbírálóknak, hogy a doktori értekezésem bírálatát elvállalták és alapos, konstruktív javaslataikkal hozzájárultak a dolgozat formai és tartalmi minőségének javításához. Köszönöm a Foton Alapítványnak a financiális támogatását. Köszönöm továbbá a Pannon Egyetem Általános és Szervetlen Kémia Tanszék valamennyi dolgozójának, különösen Tilinger Ferencnének, a munka gyakorlati részében nyújtott segítségét, valamint Valicsek Zsolt PhD hallgatónak a sok hasznos eszmecserét.

97

Irodalomjegyzék

IRODALOMJEGYZÉK

1

J.T. Mitchell-Koch, M. Pietrzak, E. Malinowska, M.E. Meyerhoff, Electroanal. 2006, 18, 551.

2

Y. Amao, T. Komori, Y. Tabuchi, Y. Yamashita, Kimura K., Sensor Lett., 2005, 3, 168.

3

T. Balaji, M. Sasidharan, H. Matsunaga, Analyst, 2005, 130, 1162.

4

A. Harriman, J.P. Sauvage, Chem. Soc. Rev., 1996, 25, 41.

5

I. Scalise, E.N. Durantini, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2004, 162, 105.

6

E.S. Nyman, P.H. Hynninen, J. Photochem. Photobiol. B: Biol., 2004, 73, 1.

7

T.K. Chandrashekar, S. Ganesan, Photochem. Photobiol., 2003, (3), 78, 487.

8

Mathews C.K., van Holde K.E., Ahern K. G. (eds) Biochemistry, Addison Wesley Longman, San Francisco, 2000.

9

Garrett R.H., Grisham C.M. (eds) Biochemistry, Saunders College Publishing, Fort Worth 1999.

10

L.E. Webb, E.B. Fleischer, J. Chem. Phys., 1965, 43, 3100.

11

P. Hambright, in Porphyrins and Metaloporphyrins (K.M. Smith (ed.), chap. 6, Elsevier, Amsterdam, 1975.

12

J. Turray, P. Hambright and N. Datta-Gupta, J. Inorg. Nucl. Chem., 1978, 40, 1687.

13

M.J. Bain-Ackerman, D.K. Lavallee, Inorg. Chem., 1979, 18, 3358.

14

L.R. Robinson, P. Hambright, Inorganica Chimica Acta, 1991, 185, 17.

15

M. Inamo, N. Kamiya, Y. Inada, M. Nomura, S. Funahashi, Inorg. Chem., 2001, 40, 5636.

16

E.B. Fleischer, J. H. Wang, J. Am. Chem. Soc., 1960, 82, 3498.

17

J.Y. Tung, J.-H. Chen, Inorg. Chem., 2000, 39, 2120.

18

R. G. George, M. Padmanabhan, Polyhedron 2003, 22, 3145.

19

J.-M. Barbe, C. Ratti, P. Richard, C. Lecomte, R. Gerardin, R. Guilard, Inorg. Chem., 1990, 29, 4126.

20

S.Y. Ma, Chem Phys Lett. 2000, 332, 603.

21

M.F. Hudson, K.M. Smith, Chem. Commun. 1973, 515.

22

L.L Wittmer, D. Holten, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1996, 100, 860.

23

A.R. Battersby, E. Hunt, M. Ihara, E. McDonald, J.B. Paine III, F. Satoh, J. Saunders, J. Chem. Soc. Chem. Commun, 1974, 994.

24

D.L. Cullen, E.F. Meyer, J. Am. Chem. Soc. 1974, 96, 2095. 98

Irodalomjegyzék

25

E.B. Fleischer, J. Am. Chem. Soc., 1963, 85, 1353.

26

L.K. Hanson, M. Gouterman, J.C. Hanson, J. Am. Chem. Soc., 1973, 95, 4822.

27

E.B. Fleischer, L.E. Webb, J. Am. Chem. Soc., 1965, 87, 667.

28

B.M.L. Chen, A. Tulinsky, J. Am. Chem. Soc., 1972, 94, 4144.

29

M. Tabata, M. Tanaka, Chem. Commun. 1985, 42.

30

N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of elements, Pergamon Press, Oxford, 1984.

31

W. Kaim, B. Schwederski, Bioanorganische Chemie Teubner-Verlag, Stuttgart, 1992.

32

H. Fujii, Coord. Chem. Rev. 2002, 226, 51–60.

33

T. Berg, J.W. Boer, W.R. Browne, G. Roelfes, B.L. Feringa, Chemm. Commun., 2004, 2550.

34

E. Steene, T. Wondimagegn, A. Ghosh, J. Phys. Chem. B., 2001, 105, 11406-11413.

35

A. Rest, in Light, chemical change and life, ed. J. D. Coyle, R. R. Hill, D. R. Roberts, The Open University Press, Walton Hall, 1982, ch. 2.3.

36

E.B. Fleischer, C.K. Miller, L.E. Webb, J. Am. Chem. Soc., 1964, 86, 2342.

37

M. Gouterman, in The Porphyrins (D. Dolphin, ed.) vol. III, p. 1, Academic Press, New York, 1978

38

J.R. Platt, J.Opt.Soc.Amer., 1953, 43, 252.

39

Y. Morishima, K. Saegusa, M. Kamachi, Macromolecules, 1995, 28, 1203.

40

K. Bütje, K. Nakamoto, Inorganica Chemica Acta, 1990, 167, 97.

41

P. Hambright, E.B. Fleischer, Inorg. Chem., 1970, 9, 1757.

42

N. Carnieri, A. Harriman, Inorganica Chimica Acta, 1982, 62, 103.

43

K. Kalyanasundaram, Photochemistry of polypiridine and porphyrin complex, chap 12, p. 382, Academic Press, 1992.

44

R.S. Becker and M. Kasha, J. Amer. Chem. Soc., 1955, 77, 3669.

45

R.S. Becker and J.B. Allison, J. Phys. Chem., 1974, 67, 2662-2669.

46

A.T. Gradyushko, A.N. Sevchenko, K.N. Solovev, M.P. Tsvirko, Photochem. Photobiol., 1970, 11, 387.

47

F.R. Hopf, D.G. Whitten, in Porphyrins and Metalloporphyrins (K.M. Smith, ed) chap. 11, Elsevier, Amsterdam, 1975.

48

J.R. Darwent, P. Douglas, A. Harriman, G. Porter, M.C. Richoux, Coord. Chem. Reviews, 1982, 44, 83.

49

G.P. Gurinovich, B.M. Dzhagarov, Izv. Akad. Nauk. SSSR, Ser. Phys., 1973, 37, 383.

50

A. Harriman, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2., 1981, 77, 1281. 99

Irodalomjegyzék

51

K. Kalyanasundaram, Photochemistry of polypiridine and porphyrin complex, chap 13, p. 400, Academic Press, 1992.

52

C.A Parker, T.A. Joyce, Photochem. Photobiol., 1967, 6, 395.

53

J. Feitelson, D. Mauzerall, J. Phys. Chem., 1982, 86, 1623.

54

O. Ohno, Y. Kaizu, H. Kobayashi, Bull. Chem. Soc. Japan, 1985, 58, 62.

55

L. Bajema, M. Gouterman, C.B. Rose, J. Mol. Spectrosc., 1971, 39, 421.

56

O. Ohno, Y. Kaizu, H. Kobayashi, J. Chem. Phys., 1985, 82, 1779.

57

S. Tobita, Y. Kaizu, H. Kobayashi, I. Tanaka, J. Chem. Phys., 1984, 81, 2962.

58

Y. Kurabayashi, K. Kikuchi, H. Kokubun, Y. Kaizu, H. Kobayashi, J. Phys. Chem., 1984, 88, 1308.

59

H.P.H. Thijissen, S. Volker, Chem,. Phys. Lett., 1981, 82, 478

60

L.A. Maratarano, C.P. Wang, W. Horrocks, A.M.P. Goncalves, J. Phys. Chem., 1976, 80, 2389.

61

M.P. Tsvirko, V.E. Pyatosin, G.F. Stelmakh, K.N. Solovyov, T.F. Kachura, Chem. Phys. Lett., 1980, 73, 80.

62

S. Tobita, I. Tanaka, Chem. Phys. Lett., 1981, 82, 478.

63

G.F Stelmakh, M.P. Tsvirko, Opt. Spectrosc. (USSR), 1980, 48, 185.

64

M.P. Tsvirko, G.F. Stelmakh, V.E. Pyatosin, K.N. Solovyov, T.F. Kachura, A.S. Piskarskas, R.A. Gadonas, Chem. Phys., 1986, 106, 467.

65

S.B. Broyde, S.S. Brody, J. Chem. Phys., 1967, 46, 3334.

66

R. Humphry-Baker, K. Kalyanasundaram, J. Photochem., 1985, 31, 105.

67

D.G Whitten, I.G. Lopp, P.D. Wildes, J. Amer. Chem. Soc., 1968, 90, 7196.

68

O. Horváth, Z. Valicsek, A. Vogler, Inorg. Chem. Commun., 2004, 7, 854.

69

R. Huszánk, O. Horváth, Chem. Commun. 2005, 224.

70

A. Prodi, C. Chiorboli, F. Scandola, E. Lengo, E. Alessio, R. Dobrawa, F. Würthner, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 1454-1462.

71

A. Prodi, M.T. Indelli, C.J. Kleverlaan, E. Alessio, F. Scandola, Coord. Chem. Rev., 2002, 229, 51-58.

72

J.R. Darwent, P. Douglas, A. Harriman, G. Porter and M.C. Richoux, Coord. Chem. Rev., 1982, 44, 83.

73

A. Harriman, in Energy Resources through Photochemistry and Catalysis (M. Grätzel, ed.), p. 163, Academic Press, London, 1983.

74

G.R. Seely, Photochem. Photobiol., 1978, 27, 639. 100

Irodalomjegyzék

75

F.R. Hopf, D.G. Whitten, in The Porphyrins (D. Dolphin, ed), vol. IIIB, chap. 6, p. 161, Academic Press, New york, 1978.

76

A.A Krasnovskii, Photochem. Photobiol. 1965, 4, 641.

77

J.H. Fuhrhop, Struct. Bonding, 1974, 18, 1.

78

R.H. Felton, in The Porohyrins (D. Dolphin, ed.), vol. V. p. 53, Academic Press, New York, 1978.

79

K.M. Kadish, in Iron Porphyrins (H.B. Gray and A.B.P. Lever, eds.) vol. 3, p. 1, Addison-Wesley, Reading, Mass, 1990.

80

K. Kalyanasundaram, Photochemistry of polypiridine and porphyrin complex, chap. 14, p. 447, Academic Press, 1992.

81

K. Kalyanasundaram, Photochemistry of polypiridine and porphyrin complex, chap. 14, p. 448-449, Academic Press, 1992.

82

J.G. Reiss, M. LeBlanc, Pure. Appl. Chem., 1982, 54, 2383.

83

D.E. Hammerschmidt, G.M. Vercellotti, in Blood substitutes (Chang T.M. Geyer R.P., eds). p. 431, Dekker, New York, 1989.

84

K.C. Lowe Vox. Sang., 1991, 60, 129.

85

G.P. Biro, Transfus. Med. Rev., 1993, 7, 84.

86

N.S. Faithful, Adv .Exp. Med. Biol., 1992, 317, 55.

87

N.S. Faithful, Biomater. Artif. Cells. Immobil. Biotechnol., 1994, 22, 181.

88

H.R. Kaplan, V.S. Murthy, Fed. Proc., 1975, 34, 1461.

89

M. Feola, H. Gonzalez, Surg. Gynecol. Obstet., 1983, 157, 399.

90

J.P. Savitsky, J. Doczi, Clin. Pharmacol. Ther., 1978, 23, 73.

91

K. Bonhard, Fed. Proc., 1975, 34, 1466.

92

A. Rosen, L. Sehgal, S. Gould, Physiologist, 1986, 29, 161.

93

M. Feola, J. Simoni, Biomater. Artif. Cells. Artif. Organs., 1990, 18, 233.

94

C.K. Chang, T.G. Traylor, Proc. Natl. Acad. Sci., 1973, 70, 2647.

95

O. Leal, D.L. Anderson, R.G. Bowman, F. Basolo, R.L. Burwell, J. Am. Chem. Soc., 1975, 97, 5125.

96

J. P. Collman, Acc. Chem. Res., 1977, 10, 265.

97

F. Basolo, B.M. Hoffman, J.A. Ibers, Acc. Chem. Res., 1975, 8, 384.

98

B. Morgan, D. Dolphin, Struct. Bonding, 1987, 64, 115.

99

J.E. Baldwin, P. Permutter, Top. Curr. Chem., 1984, 121, 181.

100 G.E. Wuenschell, C. Tetreau, D. Lavalette, C.A. Reed, J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 3346. 101

Irodalomjegyzék

101 J.P Collman, C.P. Herrman, B. Boitrel, X. Zhang, T.A. Eberspacher, L. Fu, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 9783. 102 J.P. Collman, R. Boulatov, C.J. Sunderland, L Fu, Chem. Rev., 2004, 104, 561-588. 103 K. Shikama, Coord. Chem. Rev., 1988, 83, 73. 104 K. Shikama, Chem. Rev., 1998, 98, 1357-1373. 105 A.B. Hoffman, D.M. Collins, V.W. Day, E.B. Fleischer, T.S. Srivastava, J.L. Hoard, J. Am. Chem. Soc., 1972, 94, 3620-3626 106 J. Almong, J.E. Baldwin, J. Huff, J. Am. Chem. Soc., 1975, 97, 227-228. 107 K. Kano, H. Kitagishi, C. Dagallier, M. Kodera, T. Matsuo, T. Hayashi, Y. Hisaeda, S. Hirota, Inorg. Chem., 2006, 45, 4448. 108 M.H. Barley, K.J. Takeuchi, T.J. Meyer, J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 5876. 109 J.F. Rabek: Experimental Methods in Photochemistry and Photophysics, Part 2, p. 906-908, Wiley, Chichester, 1982. 110 G. Peintler, ZITA, A Comprehensive Program Package for Fitting Parameters of Chemical Reaction Mechanisms, Versions 2.1–5.0, Department of Physical Chemistry, University of Szeged, Szeged, Hungary, 1989-2001. 111 G. Peintler, I. Nagypál, A. Jancsó, I.R. Epstein, K. Kustin, J. Phys. Chem., 1997, 101, 8013. 112 A.D. Becke, J. Chem. Phys., 1993, 98, 5648. 113 C. Lee, W. Yang, R.G. Parr, Phys. Rev., 1988, B37, 785. 114 A.D. Becke, Phys. Rev., 1988, A38, 3098. 115 T.H. Dunning, P.J. Hay, in Modern Theoretical Chemistry (H.F. Schaefer, ed), 3:1, Plenum Press, New York, 1976. 116 P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys., 1985, 82, 270. 117 W.R. Wadt, P.J. Hay, J. Chem. Phys., 1985, 82, 284. 118 P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys., 1985, 82, 299. 119 Gaussian 98, Revision A.11.4, M.J. Frisch, G.W. Trucks, H. B.Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, V.G. Zakrzewski, J.A. Montgomery, R.E. Stratmann, J.C. Burant, S. Dapprich, J.M. Millam, A.D. Daniels, K.N. Kudin, M.C. Strain, O. Farkas, J. Tomasi, V. Barone, M. Cossi, R. Cammi, B. Mennucci, C. Pomelli, C. Adamo, S. Clifford, J. Ochterski, G.A. Petersson, P.Y. Ayala, Q. Cui, K. Morokuma, N. Rega, P. Salvador, J.J. Dannenberg, D.K. Malick, A.D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman J. Cioslowski, J.V. Ortiz, A.G. Baboul, B.B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz I. Komaromi, R. Gomperts, R.L. Martin, D.J. Fox, T. Keith, M.A. AlLaham, C.Y. Peng A. Nanayakkara, M. Challacombe, P.M.W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M.W. Wong,J.L. Andres, C. Gonzalez, M. Head-Gordon, E.S. Replogle, and J.A. Pople, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2002. 102

Irodalomjegyzék

120 B.D. Dunietz, A. Dreuw, M. Head-Gordon, J. Phys. Chem. B., 2003, 107. 5623. 121 C. Rovira, K. Kunc, J. Hutter, P. Ballone, M. Parrinello, J. Phys. Chem. A., 1997, 101, 8914. 122 D.L. Anderson, C.J. Weschler, F. Basolo, J. Am. Chem. Soc. Commun., 1974, 16, 17 123 M. Hoshino, K. Ozawa, H. Seki, P.C. Ford, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 9568. 124 E.B. Fleischer, J.M. Palmer, T.S. Srivastava, A. Chatterjee, J. Am. Chem. Soc., 1971, 93, 3162. 125 V.T. Taniguchi, Ph.D. Thesis, University of California, Irvine, 1978. 126 Flynn, C. M. Chem. Rev., 1984, 84, 31. 127 Daniele, P. G., Rigano, C., Sammartano, S., Zelano, V. Talanta, 1994, 41, 1577. 128 L. Ciavatta, G. Nunziata, L.G. Sillen, Acta Chem. Scand., 1969, 42, 23, 1637. 129 M. Tabata, M. Babasaki, Inorg. Chem., 1992, 31, 5268. 130 M. Tabata, W. Miyata, N. Nahar, Inorg. Chem., 1995, 34, 6492. 131 D.F. Shriver, P.W. Atkins, Inorganic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, p. 651., 2002. 132 X. Xu, H. Zhang, C. Zhang, J. Cheng, Anal. Chem., 1991, 63, 2532. 133 W.S. Brinigar, C.K. Chang, J. Am. Chem. Soc. Comm., 1974, 96, 5595. 134 L. Zékány, I. Nagypál, G. Peintler, PSEQUAD for Chemical Equilibria, Technical Software distributors, 1991. 135 M. Fukushima, M. Kawasaki, A. Sawada, H. Ichikawa, K. Morimoto, K. Tatsumi, S. Tanaka, J. Mol. Cat. A: Chem., 2002, 187, 201–213. 136 G.R. Seely, M. Calvin, J. Chem. Phys., 1955, 23, 1068. 137 B.O. Fernandez, I.M. Lorkovic, P.C. Ford, Inorg. Chem., 2003, 42, 2. 138 N. Nahar, M. Tabata, J. Porph. Phthalo., 1998, 2, 397. 139 V. Barocci, R. Giovannetti, E. Carsetti, J. Porph. Phthalo., 1998, 2, 139. 140 Y. Inada, Y. Nakano, M. Inamo, M. Nomura, S. Funahashi, Inorg. Chem., 2000, 39, 4793. 141 S. Funahashi, Y. Inada, M. Inamo, Anal. Sci., 2001, 17, 917. 142 H.A. Dailey, C.S. Jones, S.W. Karr, Biochim. Biophys. Acta, 1989, 999, 7. 143 Z. Valicsek, O. Horváth, K.L. Stevenson, Photochem. Photobiol. Sci., 2004, 3, 669. 144 Z. Valicsek, O. Horváth, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2007, 186, 1-7. 145 H.Z. Yu, J.S. Baskin, A.H. Zewail, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 9845-9854. 146 J.S. Baskin, H.Z. Yu, A.H. Zewail, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 9837-9844. 147 H. Suzuki, Y. Miyazaki, M. Hoshino, J. Phys. Chem. A. 2003, 107, 1239. 103

Irodalomjegyzék

148 A. Antipas, J.W. Buchler, M. Gouterman, P.D. Smith, J. Am. Chem. Soc., 1977, 100, 3015. 149 A. Harriman, J.C.S. Faraday Trans. I, 1981, 77, 369. 150 A. Harriman, J.C.S. Faraday Trans. I, 1980, 76, 1978. 151 M.P. Tsvirk, G.F. Stelmakh, V.E. Pyatosin, K.N. Solovyov, F.F. Kachura, A.S. Piskarsas, R.A. Gadonas, Chem. Phys., 1986, 106, 467. 152 Kalyanasundaram K. Photochemistry of Porphyrin Complexes, Academic Press, London, 1992. 153 P. Kubát, J. Mosinger, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1996, 96, 93. 154 R.V. Bensasson, E.J. Land, T.G. Truscott, Flash Photolysis and Pulse Radiolysis, Pergamon Press, Oxford, 1983, p. 47. 155 K.M. Smith, J.J. Lai, Tetrahedron Lett., 1980, 21, 433. 156 M. Weissbluth, Struct. Bond., 1967, 2, 1. 157 K. Kano, R. Nishiyabu, T.Asada, Y. Kuroda, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 99379944.

104

Irodalomjegyzék

A dolgozat témájában megjelent tudományos publikációk

1. Róbert Huszánk and Ottó Horváth “A heme-like, water-soluble iron(II) porphyrin: thermal and photoinduced properties, evidences for sitting-atop structure” Chem. Commun. 2005, 224-226.

2. Ottó Horváth, Róbert Huszánk, Zsolt Valicsek and György Lendvay „Photophysics and photochemsitry of kinetically labile, water-soluble porphyrin complexes” Coord. Chem. Rev., 2006, 250, 1792-1803.

3. Róbert Huszánk, György Lendvay, Ottó Horváth „Air-stable, heme-like water-soluble iron(II)-porphyrin: in situ preparation and characterization” J. Biol. Inorg. Chem., 2007, 12, 681-690.

A dolgozat témájához kapcsolódó tudományos publikációk

4. O Horváth and R. Huszánk “Degradation of surfactants by hydroxyl hydroxoiron(III) complexes” Photochem. Photobiol. Sci., 2003, 2, 960-966.

radicals

photogenerated

from

105

Függelék

FÜGGELÉK

I. FÜGGELÉK A Zita programmal történt kiértékelés során alkalmazott jelölések és transzformációk:

106

Függelék

II. FÜGGELÉK A Zita program során alkalmazott összetételmátrix és a paraméterek:

20 13 1000 4 6 y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

y8

y9

0

0

1

0

0

0

0

0

0

y10 y11 y12 y13 0

0

0

0

v1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

v2

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v3

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

v4

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

v6

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

v7

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

v8

0

0

0

0

2

0

0

1

0

0

0

0

0

v9

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

v10

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

v11

0

0

0

0

2

1

0

0

0

0

0

0

0

v12

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

v13

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

v14

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

v15

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

v16

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v17

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v18

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v19

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v20

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1 -4 0.00015-ks[ez+3] 1

1

1

1

0

0

-1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

v1

0

0

1

-1

-1

0

0

0

0

0

0

0

0

v2

-1

0

0

-1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

v3

1

0

0

1

0

0

0

0

0

-1

0

0

0

v4

0

-1

0

-1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

v5

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

-1

0

0

v6

0

0

0

-1

0

0

0

0

0

0

-1

1

0

v7

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

-1

0

v8

0

0

0

0

-2

0

0

-1

1

0

0

0

0

v9

0

0

0

0

2

0

0

1

-1

0

0

0

0

v10

-1

0

0

0

2

1

0

-1

0

0

0

0

0

v11

1

0

0

0

-2

-1

0

1

0

0

0

0

0

v12

1

-1

0

0

0

-1

1

0

0

0

0

0

0

v13

-1

1

0

0

0

1

-1

0

0

0

0

0

0

v14

0

0

0

-1

0

0

0

-1

0

0

0

0

1

v15

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

-1

v16

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v17

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v18

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v19

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

v20

0

1

17

107

Függelék

III. FÜGGELÉK A Zita programhoz használt input fájl tartalma: *****+ the name of OTHER TASK(s). + the BASENAME of the task. (Base) v3pf + the number of SIGNIFICANT DIGITS in files. (6) 6 + the NUMBER OF CHARACTERS in a line of files. (80) 80 + the PLACE OF THE RESULT FILES after simulation. (0) 0 + the number of INTEGRATION METHOD. (21) 21 + the RELATIVE ERROR bound during simulation. (1E-8) 1.0E-8 + the INITIAL STEP size during simulation. (1E-10) 1.0E-14 + the ACCOMPLISHED RANGE is displayed /1/ or not /0/. (0) 0 + the number of INNER POINTs. (0) 3 + the number of LINES MUST BE SKIPPED in experimental files. (1) 3 + ABSOLUTE, RELATIVE or orthogonal fitting. (R) A + this character signs the DIFFERENTIATION METHOD. (+) + + the modifying PERCENT. (1.0) 1.0 + J*.COL files are erased /0/ or not /1/ after the fitting. (0) 0 + the FIGURES are saved /a number/ or not /0/ to the disk. (0) 0 + the form of the OUTPUT FILES (c) c + SPEED OPTIMALIZATION (no) no +EXPERIMENTAL CURVES. 0002 0003 -1 + the CONTENT OF THE RESULT files. 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

108

Függelék

13 + the INITIAL CONCENTRATIONs in experimental files. 6123485 + the columns of the CHARACTERISTICs to be compared. 22 33 44 55 -1 + the content of paramtrs.dat file for MODEL 1. 1.000E+05 p1 k1 2.800E+09 p2 k2 1.000E+06 p3 k3 1.000E+05 p4 k4 1.600E+08 p5 k5 1.000E+05 p6 k6 1.300E+08 p7 k7 1.000E+05 p8 k8 3.986E+14 * p9 k9 1.000E+05 p10 k10 2.523E+00 * p11 k11 0.000E+00 p12 k12 5.165E+02 * p13 k13 0.000E+00 p14 k14 2.550E+06 * p15 k15 1.000E+06 p16 k16 0.000E+00 p17 k17 0.000E+00 p18 k18 0.000E+00 p19 k19 0.000E+00 p20 k20 -1.03E+02 * p21 t0 for v3pf0002.exp -1.51E+02 * p22 t0 for v3pf0003.exp 3.032E-06 * p23 [Fe3+]0 1.500E-04 p24 [Fe2+]0 9.788E+04 * p25 E(Fe2pf) 392.53 1.317E+05 p26 E(Fe3pf) 392.53 7.183E+04 p27 E(pf) 392.53 1.578E+04 p28 E(h2pf) 392.53 1.544E+05 * p29 E(Fe2pf) 414.02 8.251E+04 p30 E(Fe3pf) 414.02 4.200E+05 p31 E(pf) 414.02 6.530E+04 p32 E(h2pf) 414.02 1.621E+05 * p33 E(Fe2pf) 423.11 6.370E+04 p34 E(Fe3pf) 423.11 1.028E+05 p35 E(pf) 423.11 1.434E+05 p36 E(h2pf) 423.11 5.324E+04 * p37 E(Fe2pf) 433.01 3.758E+04 p38 E(Fe3pf) 433.01 1.501E+04 p39 E(pf) 433.01 4.193E+05 p40 E(h2pf) 433.01 6.424E+04 * p41 E(pfac) 392.53 7.183E+04 1.992E+05 * p42 E(pfac) 414.02 4.200E+05 1.846E+05 * p43 E(pfac) 423.11 1.028E+05 4.437E+04 * p44 E(pfac) 433.01 1.501E+04 4.010E-06 * p45 [H]o for v3 3.249E-06 * p46 [pf]o for both v2/v3 0.0 0.99 -1.0 1.0E-4 1.0E-5 25

109

Függelék

IV. FÜGGELÉK A Zita programhoz használt input fájl tartalma:

ITERATION 4;

WSTD: 7.782584077E-0003;

NMD:440;

******** Result(s): Estimate Std. Err. (abs & %) dp p9 4.011193819003979E+0014 4.94673E+0013 & p11 2.523547483174131E+0000 3.52370E-0002 & p13 5.158297340635267E+0002 3.49892E+0001 & p15 2.552603714285803E+0006 1.33553E+0005 & p21 -2.009523168028352E+0002 1.29042E+0003 & p22 -1.501760234711767E+0002 2.52033E+0001 & p23 3.032637276304670E-0006 1.87076E-0008 & p25 9.788183087455547E+0004 5.26551E+0002 & p29 1.544288345357531E+0005 7.80121E+0002 & p33 1.621559124857132E+0005 5.76200E+0002 & p37 5.324255277492186E+0004 4.70318E+0002 & p41 6.390078164650513E+0004 4.92026E+0003 & p42 2.014524457350200E+0005 2.54136E+0004 & p43 1.843617131442017E+0005 4.70995E+0003 & p44 4.403984089106878E+0004 4.42414E+0003 & p45 3.990892657005359E-0006 4.28526E-0007 & p46 3.249378985649407E-0006 6.96213E-0009 &

MP: 2.000E-0004

12.33 9.257E+0011 1.40 -2.839E-0004 6.78 4.028E-0001 5.23 -3.595E+0002 642.15 -2.155E+0001 16.78 -1.241E-0001 0.62 5.923E-0011 0.54 -7.840E+0000 0.51 -6.757E+0000 0.36 -8.889E+0000 0.88 -1.735E+0000 7.70 -1.634E+0002 12.62 1.081E+0003 2.55 -7.263E+0001 10.05 -1.305E+0002 10.74 -7.092E-0009 0.21 8.098E-0011

******** Goodness-of-Fit Statistics: Marquardt Parameter: 2.000E-0004 Relative Step: 1.0000 Number of Measured Data: 440 Number of Fitted Parameters: 17 Weighted Standard Deviation of Data: 7.782584076992743E-0003 Unweighted Standard Deviation of Data: 7.782584076992743E-0003 Correlation between Measured and Calculated Values: 9.990716243596876E-0001 Coefficient of Determination: 9.981439744272667E-0001 R-squared: 9.995996609611907E-0001 Model Selection Criterion: 6.212045139027964E+0000 ******** Residual Analysis: Serial Correlation: 1.383375203662167E+0001 Heteroscedactivity: 6.090634068399557E-0001 Skewness: 2.188109111553821E+0001 Kurtosis: 1.687249155927115E+0002 ******** Correlation Matrix (rij\Ri\Sij): (Others Are Fixed\Dependence from Others\Others Are Fitted) p9 p11 p13 p15 p21 p22 p23 p25 p29 p33 p37 p41 p42 p43 p44 p45 p46 p9 { .970}-.374 -.008 -.261 -.009 .433 .107 -.008 .004 -.012 -.059 -.002 -.070 .134 .008 -.959 .028 p11 -.085{ .912}-.424 .564 -.003 -.606 .054 -.023 .079 -.065 .002 .019 .145 -.285 -.092 .395 .013 p13 .150 -.472{ .783}-.241 -.003 -.105 -.414 -.018 -.034 .064 -.025 -.006 -.069 .104 .054 .086 .027 p15 -.012 .200 .001{ .904} .003 -.385 -.004 .131 -.517 .065 .137 .104 .188 -.459 -.118 .270 .009 p21 -.015 -.456 -.001 -.438{ .996} .000 -.001 -.022 -.053 -.036 -.013 -.845 .974 -.687 -.805 .008 .006 p22 -.377 -.504 -.390 -.000 -.000{ .853} .284 -.157 -.133 -.179 -.069 -.027 -.116 .155 .037 -.555 .299 p23 .104 -.153 -.540 -.003 .007 -.078{ .747}-.308 -.211 -.343 -.154 -.025 -.035 -.087 -.024 -.142 .575 p25 .027 -.104 -.034 .161 -.063 -.013 -.027{ .623} .106 .332 .162 -.103 .029 .033 .021 .028 -.506 p29 .014 .579 .074 -.409 .352 .066 .053 -.000{ .849} .192 .010 -.013 -.116 .320 .098 .013 -.448

110

Függelék

p33 p37 p41 p42 p43 p44 p45 p46

-.011 -.065 -.099 -.063 .004 -.077 .012 .445 .001 -.064 -.025 -.065 -.961 -.061 -.004 .452

.100 -.043 -.051 .008 .085 -.000 -.000{ .699} .186 .071 .009 -.071 .043 .034 -.615 .016 .068 -.054 -.000 .014 -.000 -.000 -.000{ .483} .042 .025 -.012 -.198 .039 -.268 .000 .169 -.164 -.000 .001 -.372 -.000 -.000 -.000{ .876}-.803 .540 .670 .004 -.049 .001 .430 .963 -.000 -.007 -.000 -.372 -.000 -.000 -.000{ .996}-.747 -.806 .074 -.056 .001 -.332 -.128 -.000 .001 -.000 -.000 -.372 -.000 -.000 -.000{ .863} .611 -.135 -.152 .000 -.040 -.141 -.000 .001 -.000 -.000 -.000 -.372 -.000 -.000 -.000{ .844}-.005 -.034 .158 -.000 -.000 -.449 .090 .022 .010 -.011 -.078 -.000 -.000 -.000 -.000{ .974}-.057 .380 -.018 .331 .277 .442 -.272 -.500 -.441 -.146 -.140 -.416 -.254 -.068 .009{ .907}

******** 95% Univariate Confidence Interval(s): p9 3.038594820615338E+0014 - 4.983792817392620E+0014 p11 2.454266441145867E+0000 - 2.592828525202394E+0000 p13 4.470357726792452E+0002 - 5.846236954478083E+0002 p15 2.290019780129167E+0006 - 2.815187648442439E+0006 p21 2.336195899191781E+0003 --2.738100532797451E+0003 p22 -1.006226818293758E+0002 --1.997293651129777E+0002 p23 2.995855414836214E-0006 - 3.069419137773126E-0006 p25 9.684655483536005E+0004 - 9.891710691375089E+0004 p29 1.528950021056000E+0005 - 1.559626669659062E+0005 p33 1.610230187948461E+0005 - 1.632888061765804E+0005 p37 5.231783819168770E+0004 - 5.416726735815603E+0004 p41 5.422682058796910E+0004 - 7.357474270504116E+0004 p42 1.514855080224878E+0005 - 2.514193834475523E+0005 p43 1.751012625094232E+0005 - 1.936221637789802E+0005 p44 3.534133629203642E+0004 - 5.273834549010114E+0004 p45 3.148347806813188E-0006 - 4.833437507197530E-0006 p46 3.235690418240366E-0006 - 3.263067553058449E-0006 ******** 95% Supporting Plane Confidence Interval(s): p9 1.393720019995097E+0014 - 6.628667618012861E+0014 p11 2.337097247694297E+0000 - 2.709997718653965E+0000 p13 3.306903377123976E+0002 - 7.009691304146559E+0002 p15 1.845933679837518E+0006 - 3.259273748734088E+0006 p21 6.627061068539342E+0003 --7.028965702145012E+0003 p22 -1.681728712080160E+0001 --2.835347598215519E+0002 p23 2.933649349284425E-0006 - 3.131625203324915E-0006 p25 9.509567963254802E+0004 - 1.006679821165629E+0005 p29 1.503009604533745E+0005 - 1.585567086181318E+0005 p33 1.591070510764170E+0005 - 1.652047738950095E+0005 p37 5.075394627091879E+0004 - 5.573115927892494E+0004 p41 3.786606472277647E+0004 - 8.993549857023378E+0004 p42 6.698063310109349E+0004 - 3.359242583689466E+0005 p43 1.594398420095347E+0005 - 2.092835842788687E+0005 p44 2.063028781087164E+0004 - 6.744939397126593E+0004 p45 1.723422637478731E-0006 - 6.258362676531987E-0006 p46 3.212540096653537E-0006 - 3.286217874645277E-0006 A relation for the normal termination is fulfilled: the relative change of WSTD = 7.464E-0005 < 1.000E-0004. The relative change of the norm of parameters = 2.918E-0002 >= 1.000E-0005. ******** The last PARAMTRS.DAT file: 1.000000000000000E+0005 2.800000000000000E+0009 1.000000000000000E+0006 1.000000000000000E+0005 1.600000000000000E+0008

p1 p2 p3 p4 p5

111

Függelék

1.000000000000000E+0005 p6 1.300000000000000E+0008 p7 1.000000000000000E+0005 p8 4.001937154933343E+0014 * p9 1.000000000000000E+0005 p10 2.523831346855202E+0000 * p11 0.000000000000000E+0000 p12 5.154269628832052E+0002 * p13 0.000000000000000E+0000 p14 2.552963174912054E+0006 * p15 1.000000000000000E+0006 p16 0.000000000000000E+0000 p17 0.000000000000000E+0000 p18 0.000000000000000E+0000 p19 0.000000000000000E+0000 p20 -1.794048805136898E+0002 * p21 -1.500519628617945E+0002 * p22 3.032578042238508E-0006 * p23 1.469674219577615E-0004 9.788967112666103E+0004 * p25 1.317000000000000E+0005 p26 7.183000000000000E+0004 p27 1.578000000000000E+0004 p28 1.544355914561286E+0005 * p29 8.251000000000000E+0004 p30 4.200000000000000E+0005 p31 6.530000000000000E+0004 p32 1.621648009943749E+0005 * p33 6.370000000000000E+0004 p34 1.028000000000000E+0005 p35 1.434000000000000E+0005 p36 5.324428752077208E+0004 * p37 3.758000000000000E+0004 p38 1.501000000000000E+0004 p39 4.193000000000000E+0005 p40 6.406419336149854E+0004 * p41 2.003710789320908E+0005 * p42 1.844343393159119E+0005 * p43 4.417038609595087E+0004 * p44 3.997984893306818E-0006 * p45 3.249298002865725E-0006 * p46 2.00000E-0004 0.99 7.783164985656413E-0003 1.00000000000000E-0004 1.00000000000000E-0005 25 ******** Unweighted Standard Deviation of Data: 7.78258407699274E-0003 in the case of ABSOLUTE residuals. 5.74997553859518E-0002 in the case of RELATIVE residuals. 4.67258269371083E-0002 in the case of ORTHOGONAL residuals. ******** Some pieces of important information from J*.COL file(s): No.curve Point(s) Fitting 1 2 3 4 5

49 9.368681524643907E-3 v3pf0002.Exp 61 1.276906847957460E-3 v3pf0003.Exp 49 5.152942628701961E-3 v3pf0002.Exp 61 4.596645888713803E-3 v3pf0003.Exp 49 1.699541396725503E-2 v3pf0002.Exp

112

Függelék

6 7 8

61 4.655352484409571E-3 v3pf0003.Exp 49 7.930609051218280E-3 v3pf0002.Exp 61 1.094362558677912E-3 v3pf0003.Exp

45 difference quotients equal to zero in J9.COL file. 0 difference quotient equals to zero in J11.COL file. 107 difference quotients equal to zero in J13.COL file. 245 difference quotients equal to zero in J15.COL file. 281 difference quotients equal to zero in J21.COL file. 254 difference quotients equal to zero in J22.COL file. 3 difference quotients equal to zero in J23.COL file. 330 difference quotients equal to zero in J25.COL file. 330 difference quotients equal to zero in J29.COL file. 330 difference quotients equal to zero in J33.COL file. 330 difference quotients equal to zero in J37.COL file. 391 difference quotients equal to zero in J41.COL file. 391 difference quotients equal to zero in J42.COL file. 391 difference quotients equal to zero in J43.COL file. 391 difference quotients equal to zero in J44.COL file. 196 difference quotients equal to zero in J45.COL file. 0 difference quotient equals to zero in J46.COL file.

113

Doktori (PhD) értekezés. Huszánk Róbert. okleveles vegyész. Témavezető: Dr. Horváth Ottó. Pannon Egyetem Kémia Doktori Iskola

Recommend Documents