HEM TÍPUSÚ VAS(II)- ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, TERMIKUS, FOTOFIZIKAI ÉS KÉMIAI VALAMINT REAKCIÓKINETIKAI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA

HEM TÍPUSÚ VAS(II)- ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, TERMIKUS, FOTOFIZIKAI ÉS KÉMIAI VALAMINT REAKCIÓKINETIKAI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA

Doktori (PhD) értekezés

Huszánk Róbert

Témavezető: Dr. Horváth Ottó

Pannon Egyetem Kémia Doktori Iskola Általános és Szervetlen Kémia Tanszék

Veszprém, 2007

HEM TÍPUSÚ VAS(II) ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, TERMIKUS, FOTOFIZIKAI ÉS KÉMIAI VALAMINT REAKCIÓKINETIKAI TULAJDONSÁGAINAK 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: …........................ …................. igen /nem ………………………. (aláírás) Bíráló neve: …........................ ….................) 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

TARTALOMJEGYZÉK Ábrajegyzék.................................................................................................................. ................v Táblázatjegyzék..................................................................................................... ......................vi KIVONAT.............................................................................................................................. .....vii ABSTRACT............................................................................................................................. ....ix RESUMEN.................................................................................................................................. ..x 1. BEVEZETÉS......................................................................................................... ...................1 2. CÉLKITŰZÉS.................................................................................................. ........................2 3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS........................................................................................... ..........3 3.1 A porfirinek és metallo-porfirinek jellemzése...................................................................3 3.1.1 A porfirin ligandum általános jellemzése...............................................................3 3.1.2 A metallo-porfirinek általános jellemzése..............................................................7 3.1.3 A porfirinek és metallo-porfirinek elektronszerkezete.........................................12 3.1.4 A porfirinek és metallo-porfirinek fotofizikai jellegzetességei............................15 3.1.4.1 A porfirinek és metallo-porfirinek elnyelési sajátosságai.........................16 3.1.4.2 A porfirinek és metallo-porfirinek emissziós sajátosságai........................19 3.1.5 A porfirinek és metallo-porfirinek fotokémiai jellegzetességei...........................23 3.1.5.1 Gerjesztett állapotú porfirinek energiatranszfer reakciói.........................25 3.1.5.2 Gerjesztett állapotú porfirinek elektrontranszfer reakciói........................25 3.2 Mesterséges oxigénhordozók.......................................................................................... .29 4. KÍSÉRLETI ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK......................................................................32 4.1 Felhasznált anyagok.................................................................................................. .......32 4.2 Preparatív eljárások...................................................................................................... ....32 4.3 Műszerek............................................................................................................ ..............33 4.4 A mérési adatok kiértékelése............................................................... ............................35 4.5 Kvantum-kémiai számítások................................................................ ...........................35 5. KÍSÉRLETI VIZSGÁLATOK ÉS EREDMÉNYEK.............................................................37 5.1 A vas(II)-porfirin komplex előállítása.............................................................................37

iii

Tartalomjegyzék

5.1.1 A vas(III)-porfirin komplex képződése vas(II)ionok jelenlétében.......................37 5.1.2 A vas(II)-porfirin komplex képződése acetát ionok jelenlétében.........................39 5.1.3 A vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandójának meghatározása..................47 5.1.4 A vas(II)-porfirin komplex képződése reduktív közegben...................................50 5.1.5 A vas(II)-porfirin komplex képződése egyéb ligandumot tartalmazó közegben. 54 5.2 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének reakciókinetikai vizsgálata....56 5.2.1 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa............57 5.2.2 A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződési kinetikája...........................60 5.3 A vizsgált metallo-porfirin komplexek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai............65 5.3.1 A vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői..................................................65 5.3.2 A vas(III)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői................................................74 5.3.3 A vas(II)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői.................................................76 5.4 A vas(II)-porfirin komplex, mint lehetséges hemoglobin modell...................................80 6. ÖSSZEFOGLALÁS........................................................................................ .......................84 TÉZISEK........................................................................................................ ............................86 THESES...................................................................................................................... ................89 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS......................................................................... ...........................92 IRODALOMJEGYZÉK...................................................................................... .......................93 FÜGGELÉK................................................................................................................................ 99

iv

Ábrajegyzék

Ábrajegyzék

1. ábra

A porfirin váz triviális (a) és szisztematikus (b) nomenklatúrája.

4

2. ábra

A különböző redukált porfirinszármazékok szerkezete

4

3. ábra

A leggyakrabban alkalmazott ionos szubsztituensek és azok pK értékei.

5

4. ábra

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 elektron-szerkezetei.

12

7. ábra

Szabad porfirin és metalloporfirin között fennálló szimmetria különbség.

12

8. ábra

A metallo-porfirin, szabad porfirin és klorin molekula gerjesztett állapotainak egyszerűsített energiadiagramja

13

9. ábra

A H2TPPS4- elnyelési színképe vizes oldatban.

16

10. ábra

A H2TPPS4- (szürke szaggatott vonal), ZnTPPS4- (piros vonal) valamint FeIIITPPS3(kék vonal) elnyelési színképe vizes oldatban.

18

11. ábra

A porfin vázas molekulák lehetséges fotofizikai folyamatai.

20

12. ábra

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

21

13. ábra

Porfirinek és metallo-porfirinek általános fotoredoxi reakciói.

26

14. ábra

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

27

15. ábra

A lézervillanófény fotolízis rendszer vázlatos felépítése.

34

16. ábra

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

38

17. ábra

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

39

18. ábra

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

40

19. ábra

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

41

20. ábra

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

43

21. ábra

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

44

22. ábra

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

46

23. ábra

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

48

v

Ábrajegyzék

24. ábra

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

49

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.

50

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.

51

27. ábra

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

52

28. ábra

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

53

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.

54

30. ábra

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

56

31. ábra

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

57

32. ábra

A vas(III)-porfirin képződésének javasolt mechanizmusa.

57

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.

59

34. ábra

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

62

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, acetát puffer nélkül (a) és 0,3 M acetát puffer jelenlétében.

63

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.

66

37. ábra

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

67

38. ábra

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

68

39. ábra

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

71

40. ábra

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

73

41. ábra

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

75

42. ábra

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

76

43. ábra

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

77

44. ábra

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

79

45. ábra

A vas(II)-porfirin actetát valamint víz ligandummal képzett terner komplexének DFT módszerrel számolt szerkezetei.

82

vi

Táblázatjegyzék

Táblázatjegyzék

1. ábra

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

8

2. ábra

Metallo-porfirinek lumineszcencia sajátságai a központi fématomtól függően, szobahőmérsékleten.

20

3. ábra

A vas(III)- ás vas(II)-acetátó-komplexek egyensúlyi állandói különböző ionerősségek mellett.

42

4. ábra

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

69

5. ábra

A Fe(II)TPPS4- komplex és összehasonlításképp a H2TPPS4- ligandum fluoreszcencia élettartamai különböző lézerrendszeren mérve.

72

6. ábra

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

ligandum

78

7. ábra

A vas(II)-porfirin H2O-el, CH3COO--al (Ac) és 3O2-en 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).

81

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-szulfonátófenil)porfirin előállítását valósította meg semleges valamint gyengén savas oldatban, acetát puffer, majd különböző reduktív és nitrogéntartalmú ligandumok jelenlétében. Az acetát puffert tartalmazó rendszerben a puffernek kettős szerepe volt, a pH-érték beállításán túl, acetátó-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 stabilnak bizonyult levegőn és tiszta oxigén jelenlétében is, az eddig megjelent közlemények alapján egyedüli módon. A szerző bebizonyította, hogy acetát ionok jelenléte nélkül viszont a vas(II)ionok – a vas(II)porfirin képződésén keresztül – katalizálják a vas(III)-porfirin kialakulását. Az

előállított

vas(II)-porfirin

komplex

egyensúlyi

állandója

valamint

a

komplexképződés sebességi állandói is meg lettek határozva, spektrofotometriás módon. 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 kvantum-hasznosítási tényezőjét a jellemző Soret és Q sávokon gerjesztve, a moláris abszorpciós koefficiensét, továbbá folytonos megvilágításos technikával a fotokémiai reakció bruttó kvantum-hasznosítási tényezőjét is. A vas(II)-porfirin szintetikus hemoglobin analógként történő alkalmazhatósága szintén tanulmányozásra került. DFT számítások kimutatták azonban, hogy egy olyan oldatban,

viii

Kivonat

melyben az acetát ionok nagy koncentrációban vannak jelen, csekély valószínűséggel lesz képes a hemoglobinhoz hasonlóan reverzíbilis módon megkötni a molekuláris oxigént. A vas(II)-porfirin képes lehet a molekuláris oxigén szállítására egy olyan rendszerben, ahol a vas(III)ionok maszkírozására egy kevésbé erősen koordinálódó molekula van használva.

ix

Abstract

ABSTRACT

Preparation of the water-soluble, kinetically labile, high-spin iron(II) tetrakis(4sulfonatophenyl)porphyrin (Fe(II)TPPS4-) has been realized in neutral or 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, deviating from 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, cineticamente 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 iones hierro(III) ensuciantes. Fe(II)TPPS4- se ha probado estable en estas soluciones también después de la saturáción con aire o 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 cineticamente 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 fotolisis de Fe(II)TPPS4-, 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)TPPS4- puede 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 mindenek előtt szervetlen kémiai szempontból történő vizsgálatuk szükséges. Ugyanis e molekulák koordinációs

kémiai,

fotokémiai

és

fizikai,

reakciókinetikai

valamint

egyensúlyi

tulajdonságainak pontos ismerete nélkül e rendszerek megértése, tervezése és megvalósítása aligha járhat teljes sikerrel.

1

Célkitűzés

2. CÉLKITŰZÉS

E jelen értekezés elsődleges célja vízoldható vas(II)- és vas(III)-porfirinek előállítása majd ezek fotokémiai, fotofizikai, reakciókinetikai és egyensúlyi tulajdonságainak feltérképezése. 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 nem megoldott 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 heme 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 részletes vizsgálata, valamint az előállított komplex molekuláris oxigént megkötő hatásának felderítése is. A PhD munkám másik céljaként a vas(III)-porfirin komplex fotofizikai és fotokémiai jellegzetességeinek vizsgálatát tűztem ki. Végül, de nem utolsó sorban a metallo-porfirinek normál és sitting-atop (SAT) jellemzőinek összehasonlítását is a vas(III)- és vas(II)-porfirin komplexeken keresztül.

2

Irodalmi áttekintés

3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS

3.1 A porfirinek és metallo-porfirinek jellemzése

A porfirin vázat tartalmazó molekulák általános jellemzése és csoportosítása elsősorban a fém központi atomot nem tartalmazó (szabad bázisú) porfirin váz fizikai, kémia valamint fotofizikai és fotokémiai tulajdonságainak bemutatásával, majd a fém központi atomot tartalmazó (metallo-porfirin) komplexek hasonló elven történő jellemzésével történik. A metallo-porfirinek alapvetően további két csoportba sorolhatók az alapján, hogy (méretüktől és koordinációs jellemzőiktől függően) normál azaz koplanáris vagy sitting-atop azaz SAT típusú komplexet alkotnak porfirin ligandummal. Mivel a porfirin vázat tartalmazó molekulák fény-elnyelése rendkívül nagy moláris abszorbanciával jellemezhető, az egyszerűen kivitelezhető elektron-gerjesztési 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 porfirinekkel való további vizsgálatokhoz. Mindezek mellett összehasonlításra kerülnek a szabad porfirin és a különböző típusú metallo-porfirinek elektron-gerjesztési 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 porfirin váz négy pirrol gyűrűt tartalmaz, ezeket négy szénatom köti össze, melyeken keresztül az egész molekulára kiterjedő elektron-konjugáció jön létre. Ha az összes szubsztituálható pozíción (1-től 8-ig és α-tól δ-ig)

3


(a)

(b)

1. ábra. A porfirin váz triviális (a) és szisztematikus (b) nomenklatúrája.

hidrogén valamint a gyűrű belsejében két hidrogén tartózkodik, a molekulát szabad porfirinnek*, míg külső hidrogének valamilyen csoporttal való helyettesítése után a megfelelő porfirin-származéknak nevezzük. A klasszikus elnevezés szempontjából a gyűrűn megkülönböztették a pirrol gyűrűhöz tartozó valamint a pirrolközi szénatomokat (1b ábra). A pirrol gyűrűhöz tartozó szénatomokat 1-től 8-ig terjedő számozással vagy α betűvel, míg a pirrolközi pozíciókat α, β, γ és δ görög betűkkel vagy meso előtaggal jelölik. Így például a szabad porfirinnek azt a származékát, melyben a ligandum négy pirrolközi szénatomján a

2. ábra. A különböző redukált porfirin származékok szerkezete.

* 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 vegyület család legismertebb képviselőit porfin-nek és porfin származékoknak nevezik.

4


hidrogénatomok

helyett

egy-egy

fenil-csoport

található,

meso-tetrafenil-porfirinnek

nevezhetjük. Ám a porfirin vegyületcsalád származékainak rendkívül gyors ütemű bővülése szükségessé tett egy olyan nevezéktant, melyben az atomokat csak számozás alapján különböztetik meg (1a ábra)10. Ebben az esetben az előbb említett porfirin vegyület 5,10,15,20-tetrafenil-21H,23H-porfirin. Napjainkban mindkét elnevezési forma használatos, az egyszerűséget és egyértelműséget szem előtt tartva. A porfirin vázas vegyületek másik nagy csoportját alkotják azok a származékok, melyekben egy vagy több külső kettős kötés telítődik (hidrogéneződik). E molekulák általában biológiai rendszerekben játszanak fontos szerepet. 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 alkalmazott ionos szubsztituensek és azok pK értékei.

5


A porfirin ligandum rendszer két nitrogén atomján két gyengén kötött proton található (pKa(1,2) ≈ 16), melyek vizes oldatban megfelelő körülmények között ledisszociálódhatnak, helyükre fémionok léphetnek be. A molekulában található további két nitrogén atom viszont proton megkötésére képes, mely során úgynevezett protonált porfirin képződik, vagyis a vegyület bázikus sajátságokat is mutat. A porfirinek sav-bázis tulajdonságainak jellemzésére 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 bázikus jellegét a negatívan töltött funkciós csoportok, mint például a karboxil vagy szulfonátó 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. Ekkor a dimerizálódott porfirin részecskék egymással szemben helyezkednek el, miközben a ligandum (A és B pirrol gyűrűkön lokalizált) magasabb energiájú betöltetlen π akceptor pályái átfednek az 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 porfirin makrociklus geometriája igen széles skálán ingadozik a rajta lévő szubsztituensektől függően. Míg a szubsztituensek nélküli szabad porfin ligandum szinte szabályos sík geometriájú, addig a négy fenil csoportot tartalmazó (H2TPP) forma „fodros”. Általánosan igaz, hogy kevéssé perturbáló környezetben a váz inkább planáris, bár nem teljesen merev. A geometriát befolyásolhatják az oldószerben jelenlévő egyéb ligandumok is. A szabad porfirin esetében a protonálódás is hatással van a gyűrű planaritására: a protonált porfirin gyakorlatilag teljesen szabályos sík geometriájú. 6


A porfirin ligandum egyik, koordinációs kémiai szempontból igen fontos jellemzője, hogy kelát-hatás 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 növeli a kelát hatást. Ha a porfin makrocikluson meso helyzetben fenil szubsztituensek találhatók, az azon jelenlévő csoportok helyzetétől és milyenségétől függően a bázicitás, vagyis a kelát hatás igen széles határok között befolyásolható.

3.1.2 A metallo-porfirinek általános jellemzése

A porfirinváz koordinációs kémiai szempontból merev, 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 metallo-porfirin-ek képződnek. A váz merev, zárt jellegéből adódik, hogy a stabil, koplanáris metallo-porfirin 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) metallo-porfirin, vagy úgynevezett sitting-atop (továbbiakban SAT) komplex, amikor a fémion az eredetileg sík porfirin vázat 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, s nem jön léttre metallo-porfirin komplex nem képződik, míg nagyobb méretűek esetében a már említett SAT komplexek képződnek. 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 porfirin komplex keletkezését nem lehet megjósolni csupán a rendszám vagy az ionrádiusz alapján. A SAT definíciót az irodalomban először a normál típusú metallo-porfirinek képződése közben megjelenő köztitermék komplexre használták, amikor a szabad porfirin nitrogénjein lévő két hidrogén mellett a fémion is kötve van16. E részecske azonban igen rövid élettartamú és a fémion beilleszkedésével gyorsan átalakul a normál típusú komplexé, miközben a hidrogének leszakadnak róla. Ám a SAT jelzőt célszerűbb általánosan az olyanporfirin komplexekre használni, melyek időben állandóak, stabilan képződnek, valamint

7


közös jellemzőjük, hogy a fémion a porfirin váz 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). Továbbá, míg a csak átmenetileg képződő SAT jellegű molekulákon a két pirrol gyűrű nitrogénjének hidrogénje megtalálható, addig a stabilan keletkező SAT komplexeken e protonok ledisszociálódnak. 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. 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

normál/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 oldalnézeti képei egy normál és egy SAT típusú porfirin komplexnek.

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 metallo-porfirinek 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 és mértékben megtorzul, 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 szerkezettel rendelkező komplexeket is22. 9


A porfirinek és metallo-porfirinek gázhalmazállapotban 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 metallo-porfirin molekulákat egyértelműen sík szerkezetűnek gondolták szilárd fázisban is. Ám pontos röntgendiffrakciós felvételek segítségével kimutatták, hogy a kristály rácspontjain elhelyezkedő porfirin váz számos, sík szerkezettől eltérő geometriai állapotban van jelen23,24,25,26. E változatos szerkezeti megjelenés azt jelzi, hogy a porfirin váz 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 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

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

10


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 ledisszociálódik 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 porfirin vázas molekulák és azok metallo-komplexei a kiterjedt delokalizált elektron-rendszerüknek 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 metallo porfirinekben 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 években. 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 szervezetek vérében jelenlévő hemoglobinban található vas(II)-porfirin oxigénmegkötő hatása8,9 is, ugyanis a molekuláris oxigén reverzibilis koordinációja mesterséges úton, egyszerű szervetlen kémiai körülmények között a mai napig nem megoldott probléma.

11


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

6. ábra. Szabad porfirinek és metalloporfirinek lehetséges delokalizált elektronszerkezetei.

p orbitálok forrását, a 6. ábrán látható konjugációs „utak” lehetségesek32. Ha például a 6. ábrán látható porfirin váz 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 orbitálok nem vesznek részt a konjugációban, a b) ábrán látható, csak 16 atomra kiterjedő delokalizáció jön létre. Röntgendiffrakciós mérésekkel valamint elméleti számításokkal kimutatták, hogy a szabad porfirinek esetében a kevésbé szimmetrikus 18 atomos, a metallo-porfirinek esetében

7. ábra. Szabad porfirin és metalloporfirin között fennálló szimmetria különbség.

12


pedig a 16 atomos konjugáció valósul meg (6. a és c ábra). 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 D4h-ról D2h típusúra csökken (7. a és b 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 történőelektronátmenet során az átmeneti dipólus a molekula x, valamint az y tengelye mentén fekszik, mint ahogy azt 6.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 elektron-átmeneteknek azonos az energiája, így az abszorpciós színképben e két átmenet nem különül el (lásd 9. ábra, cink-porfirin). A molekula szimmetriájának további csökkentésével, például valamelyik külső kettős kötés telítésével (hidrogénezésével), a Qx és Qy átmenetek közötti energiakülönbség növekedik, mint ahogy az

8. ábra. A metallo-porfirin, szabad porfirin és klorin molekula gerjesztett állapotainak egyszerűsített energiadiagramja.

13


a klorinok esetében megfigyelhető. Viszont a klorin-származékok metallo-komplexeinek 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 metallo-porfirin, szabad porfirin és klorin molekulák gerjesztett állapotainak sávfelhasadását32. A porfirin vázas molekulák és azok metallo komplexeinek delokalizált elektron rendszere aromás jelleget mutat a Hückel szabálynak megfelelően (4n+2). Az aromás jelleget több kísérleti eredmény is igazolja, többek között röntgendiffrakciós27,33 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 metallo-porfirinek esetében, tekintve, hogy bizonyítottan a 16 atomra kiterjedő konjugáció valósul meg, az aromatizáció nem jöhetne létre a Hückel feltétel hiánya miatt. Ugyanakkor a metallo-porfirinek 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 viszont-koordináció, 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 ciklopentadienil-anion), e feltevés igen valószínű. Továbbá igen hasonló, a delokalizált elektronrendszerbe 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 14


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 metallo-porfirinek elnyelési sajátosságai vizes oldatban szakaszt.

3.1.4 A porfirinek és metallo-porfirinek fotofizikai jellegzetességei

A porfirinek erősen fényelnyelő molekulák, jól jellemezhető, meghatározott spektrális sajátságokkal bírnak. A porfin makrociklusra kapcsolt különböző funkciós csoportok rendszerint befolyásolják annak elektron rendszerét, így ennek hatására az abszorpciós színkép sávszerkezetében különböző mértékű eltolódások és intenzitás-változások 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 metallo-porfirinek esetében hasonló a tendencia, ám donor hatású 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 munkáját veszik alapul34. 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 elektron rendszere 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 élnék e csoportosítással. Ehelyett, a porfirnek elektrongerjesztési és kisugárzási sajátságait inkább a központi atom gyűrűhöz viszonyított helyzete alapján csoportosítanám, vagyis a kialakult komplex sík vagy SAT szerkezetének függvényében.

15


3.1.4.1 A porfirinek és metallo-porfirinek elnyelési sajátosságai

A porfirinek elektrongerjesztési spektrumában, a látható fény tartományában 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 rendszerből35 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 porfirin ligandum esetén, az elnyelési színképek nagyon hasonlóak (lásd 9. ábra). Továbbá a porfirin ligandum valamelyik pirrol gyűrűjének egy vagy több kettős kötését telítve (hidrogénezve) az abszorpciós színkép csak kis mértékben változik (lásd klorinok).

B(0,0)

B sávok

Q sávok Qy(1,0)

B(1,0)

×10

Qy(0,0) Qx(1,0)

Qx(0,0)

9. ábra. A H2TPPS elnyelési színképe vizes oldatban.

16


A legkisebb gerjesztési energiáknál a Q sávok jelennek meg az elnyelési színképben, körülbelül az 500-700 nm-es hullámhossz-tartományban. Ezen átmenet a porfirin vázas 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 metallo-porfirin esetében fellépő szimmetria csökkenés hatására (lásd: A porfirinek és metallo-porfirinek elektronszerkezete) 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 porfirin-származékok, tehát a szabad ligandumok, valamint bizonyos metallo-porfirinek 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 porfirin vázat tartalmazó molekulák abszorpciós színképében megfigyelhető legintenzívebb elnyelési sáv 380 nm-től egészen akár 460 nm-nél 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 megfelelően35,36. Az N átmenet 325 nm, az M átmenet 215 nm, míg az L átmenet valahol e két állapot közötti hullámhosszaknál jelenik meg egy porfirin vázas 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 megfigyeléséhez szinte kizárólag a B és Q sávok használatosak37,38,39, e sávok jelentősége viszonylag csekély. A 10. ábrán három, különböző elnyelési sajátságokat mutató porfirin-származék látható, nevezetesen a szabad bázisú tetrafenil-szulfonátó porfirin ligandum, a szabályos planáris komplexet alkotó vas(III)-porfirin, valamint a SAT típusba sorolható, nem sík szerkezetű cink-porfirin. 17


kék eltolódás

vörös eltolódás

×10

10. ábra. A H2TPPS (szürke szaggatott vonal), ZnTPPS (piros vonal) valamint Fe IIITPPS (kék vonal) elnyelési színképe vizes oldatban.

Ezen spektrumok jól reprezentálják a különböző központi atomok hatására, a szabad porfirin ligandum elnyelési színképében fellépő sáveltolódásokat. Fém központi atomok porfirin vázba 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 porfirin vázas 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 metallo-porfirin 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 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 mindenek előtt a 18


porfirin-komplex szerkezeti típusát kell figyelembe venni, vagyis, hogy síkszerkezetű, normál szerkezetű vagy a síktól eltérő szerkezetű, SAT típusú. Ezek után, a normál típusú metalloporfirin komplexekre már elég jól használható a Gouterman-féle csoportosítás. Ennek tükrében a normál típusú metallo-porfirinek 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 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 mértéke40. Mindezek mellett, egy adott központi atom és a porfirin ligandum közötti kölcsönhatás mértékére utal a legkisebb energiájú elnyelési sáv oszcillátor erősségének mértéke is40. Nevezetesen, minél nagyobb a központi fémion és a gyűrű közötti kölcsönhatás, annál kisebb a sáv oszcillátor erőssége.

3.1.4.2 A porfirinek és metallo-porfirinek emissziós sajátosságai

A porfirin és metallo-porfirin származékok intenzív fényelnyelésen kívül nagyfokú emissziót is mutatnak. Kasha, Becker és munkatársaik úttörő munkái41,42 óta számos kutató foglalkozott (és foglalkozik jelenleg is) intenzíven a porfirinek és azok különböző származékainak fotofizikai tulajdonságainak vizsgálatával19,19,19,43,44,45,46,47. 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 is vizsgálták a metallo-porfirinek emissziós sajátságait, melynek eredményeként olyan elméleti rendszer született, amiben egy adott fémion elektronszerkezete alapján megjósolható annak emissziós viselkedése48.

19


2. táblázat. Metallo-porfirinek lumineszcencia sajátságai a központi fématomtól függően, szobahőmérsékleten.

Nem lumineszkál -4

Lumineszkál -4

(Φem < 10 )

(Φem > 10 )

Co(II), Ni(II),

Cr(III)

Fe(III), Ag(III),

Foszforeszkál -3

Fluoreszkál -4

(Φfl < 10 , Φem > 10 )

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

Os(II), Rh(II), Fe(II)

Sn(II), Pb(II),

(Φfl > 10-3 , Φem > 10-3)

Mg(II), Zn(II), Cd(II), Sn(IV), Al(III)

Szabad porfirin

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

Saját mérési eredmény.

Rendszerezésükben megkülönböztette a diamágneses és paramágneses elektronszerkezetű, valamint a diamágneses komplexeken belül a nyílt és zárt alhéjú metallo-porfirineket. A 2. táblázat a szabad porfirin ligandum és annak különböző fémionnal alkotott komplexeinek szobahőmérsékleten mutatott sugárzási tulajdonságait foglalja össze34. A fotokémiai és fotofizikai vizsgálatokhoz igen gyakran használták a cink-porfirint, mivel talán a legkönnyebben előállítható porfirin-komplex, valamint a magnézium-porfirint,

11. ábra. A porfin vázas molekulák lehetséges fotofizikai folyamatai.

20


12. ábra. A H2TPPS (fekete vonal) valamint a ZnTPPS (kék vonal) kisugárzási színképe vizes oldatban.

mint lehetséges modelljét a természetes klorofillnak. A 11. ábra a porfirin vázat tartalmazó molekulák lehetséges fotofizikai folyamatait foglalja össze, míg a 12. ábra reprezentálja egy szabad porfirin (H2TPPS4-) valamint egy metallo-porfirin (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. A porfirinek és metallo-porfirinek 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 néhány nanoszekundumig is terjedhet, a H2TPPS4- szabad porfirin esetében például 10 ns, míg a cink-porfirin esetében 2 ns az élettartam (további metallo-porfirinekre vonatkozó adatok megtalálhatók az irodalomban40). A triplett gerjesztett állapotból (T1) a molekula lecsenghet szintén sugárzásos

21


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 Ptípusú késleltetett fluoreszcencia, melyben a bruttó fluoreszcencia élettartama értelemszerűen a triplett állapot élettartamának a fele. Számos szerves vegyület esetében tapasztaltak késleltetett fluoreszcenciát49, többek között a klorofill a és klorofill b esetében, valamint részletesen tanulmányoztak több cink-porfirin származékot is (ZnOEP és ZnTPPS)50,51. Néhány metallo-porfirin esetében megfigyeltek magasabb energiájú gerjesztett állapotról (S2) történő fluoreszcenciát is. Ezen - meglehetősen ritka - jelenséget porfirinkomplexekre először Bajema és munkatársai észlelték ZnTBP komplex vizsgálatakor 1971-ben52. Azóta is számos kutatócsoport foglalkozik e jelenség vizsgálatával53,54,55,56,57,58. Kutatásaik során kimutatták, hogy annál inkább kedvezményezett az S2 állapotról történő emisszió, minél nagyobb az energiakülönbség az első (S1) valamint a 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) 22


c) két fotonos gerjesztés inverz spinváltó folyamattal S0

+

hν

→

S1 

T1

T1

+

hν

→

Tn 

T2

(3)

Időfelbontásos spektroszkópiai módszerekkel kimutatták54,55,59, hogy a triplet-triplet annihilációs folyamat (a) kimutatható ugyan, ám az észlelt S2 emisszióhoz képest elhanyagolható intenzitású. A c) mechanizmusban végbemenő inverz 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 is60,61. A metallo-porfirinek elnyelési és kisugárzási színképe a ligandum típusától függően érzékeny lehet az oldószerre, vagyis a gerjesztett állapotok energiája, élettartama oldószerfüggő62. Donor hatással rendelkező oldószerekben (pl. víz), az oldószermolekulák metallo-porfirinekhez történő axiális koordinációja szintén hatással van gerjesztett állapotok jellemzőire, az abszorpciós sávok többnyire a nagyobb hullámhosszak irányába tolódnak el63. Az axiálisan koordinálódott oldószermolekulák típusától függően például jelentékenyen változik a S1 állapotok élettartama a cink- és magnézium-porfirinek esetében64.

3.1.5 A porfirinek és metallo-porfirinek fotokémiai jellegzetességei

A porfirin-származékok szingulett és triplett gerjesztett állapotai meglehetősen hosszú élettartamúak, így az oldatban megtalálható 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 23


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 kioltódásának követése által). 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 porfirin-származékok a következő elsődleges energiavesztési folyamatokban adhatják le vagy hasznosíthatják többlet energiájukat: a) unimolekuláris folyamatban (izomerizáció, disszociáció vagy fotodegradáció) MP1*

→

MP2

(4)

b) bimolekuláris folyamatban (szingulett-szingulett vagy triplett-triplett kioltás): 1.

elektronátadási reakciókban MP*

2.

Q

MP+/-

+

Q-/+

(6)

→

MP

+

Q*

(7)

→

MP

→

energiaátadási reakciókban MP*

3.

+

+

Q

fizikai kioltás révén MP*

+

Q

+

Q

+

kT

(8)

Formálisan 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 be134,135.

24


3.1.5.1 Gerjesztett állapotú porfirinek energiatranszfer reakciói

A porfirin molekula a bimolekuláris fotokémiai reakcióiban részt vehet mind energiadonorként 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 metallo-porfirin 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 porfirin-származékot tartalmazó rendszerekben lejátszódó molekulán belüli, vagyis intramolekuláris energiaátadás megvalósulhat akár etilén hídon, kovalens kötéseken keresztül, p-fenilén jellegű gyűrűn keresztül, vagy akár metallo-porfirin 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 kutatásában65,66, 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 foglalkozott67,68,69,70 (és foglalkozik jelenleg is) miután megfigyelték, hogy a növényi sejtekben megtalálható klorofill reverzíbilisen fotoredukálható71.

25


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)72,73,74, 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 porfirin-származékok esetében lejátszódó általános bruttó fotokémiai valamint a termikus részfolyamatokat is. Poláros oldószerekben a képződő 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. 26


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 meg72,73,74. Számos metallo-porfirin komplex esetében kimutatták, hogy az első oxidációs, valamint első redukciós potenciáljuk közötti potenciálkülönbség közel megegyezik a legkisebb energiájú 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 módon75: 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 porfirin-komplex (ZnTMPyP, zinc-tetrakis(N-metil-piridil-porfirin)) úgynevezett Latimer-típusú diagramja látható, mely igen jól szemlélteti az alap- és gerjesztetett állapotok redoxipotenciáljainak viszonyát75.

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

27


Az irodalomban számos típusú és központi atomot tartalmazó porfirn-származéknak meghatározták már mind a szingulett, mind a triplett állapotaik oxidációs és redukciós potenciáljait is76. 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 metallo-porfirinek 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+

+

MP

→

MP

+

MP+

(11)

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 le76.

28


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 vérsejtekben 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 szénhidrogének77,78,79,80,81,82 illetve a különböző állati és emberi hemoglobinpreparátumok83,84,85,86,87,88

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 vérkészítményből 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 központjába89,90,91,92,93,94,95,96,97. 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. A molekuláris oxigén alapállapotban triplett, paramágneses és igen nagy

29


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) formává98,99 (mely biológiailag inaktív) az alábbi folyamatok szerint: O2



PFeII–O2

(12)

FeIIP

→

PFeIII – O2 – FeIIIP

(13)

PFeIII – O2 – FeIIIP

→

2 FeIV=O

(14)

FeIV=O

→

PFeIII – O – FeIIIP

(15)

→

2 FeIIIP

(16)

FeIIP PFeII–O2

+ +

+

PFeIII – O – FeIIIP

FeIIP

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 komplexszé100. Végül, e μ-oxo dimer komplex vas(III)ionokra disszociál a pH értéktől függően101 (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 (13) igen kedvezményezett szerves oldószerben, mivel az ilyen közegben oldódó porfirin-származékoknak 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 oxidálódnak99. Vizes oldatban még a hemoglobinvagy 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 ledisszociálódik a vas(II) központ ionról. Ennek következményeképp a vas(II)porfirineket vizes közegben többnyire a biológiai mikrokörnyezetüktől függetlenül 30


tanulmányozzák99. Ha a kezdeti dimerizálódási folyamat (13) 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)102. 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 igényel103,135.

31

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

(H2TPPS4-,

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,23H-porfirin 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 acetát pufferrel történt. A NO gázt gázfejlesztő készülékben állítottam elő a következő reakcióval: 3 Cu

+ 8 HNO3

→

3 Cu(NO3)2

+

2 NO

+ 4 H2O

(17)

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 kereskedelmi forgalomból beszerzett Fe(III)TPPS3- többnyire összehasonlítási célokat szolgált.

32


4.3 Műszerek

Az alapállapotú abszorpciós színképek, valamint a reakciókinetikai vizsgálatokhoz szükséges időbeni színképváltozásokat egy Specord S100 UV-Vis típusú, automatizálható 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. A mért adatok mindkét mérőműszer estén PC segítségével kerültek tárolásra. 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-5GSample 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-5GSample, vagy Phillips PM 3320/A, 250MHz-es digitális oszcilloszkóppal felszerelt lézervillanófény fotolízis berendezésekkel végeztem (15. ábra). A különböző hullámhosszakon, folytonos besugárzással végzett fotolízis vizsgálatok 150 W-os, nagynyomású XeHg lámpával és monokromátorral rendelkező AMKO LTI típusú készülékkel történtek. A fényintenzitás mérését ferrioxalát aktinométerrel kalibrált termoelemmel végeztem. 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 IKA típusú termoszálható mágneses keverőt használtam. A pH érték mérése üvegelektródos pH-mérővel történt. Az oxigénmentesítéshez 99,996 %-os tisztaságú Ar gázt használtam átbuborékoltatva az oldatokon vagy, ahol szükséges volt, Schlenck technikával (legalább öt szekuráló lépést megvalósítva).

33


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

control box) LQ PUQ RCQ

OPO MUX MC SM OC

PH1, PH2 PS1, PS2

Vezérlőegység Lézer (Spectron) Sp. lézer tápegysége Sp. lézer résvezérlő doboza (remote

OT OP SH

Lézer (Quantel) Q. lézer tápegysége Q. lézer vezérlő doboza Parametrikus oszcillátor RS232 multiplexer Monokromátor Monokromátor léptető motor Optikai kábel Fotoelektronsokszorozók Fotoel. soksz. tápegységek

SHM

SHL

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 lézervillanófény fotolízis rendszer vázlatos felépítése.

34


4.4 A mérési adatok kiértékelése

A kvantumhasznosítási tényezők meghatározásánál közel 100 %-os volt a minták fényelnyelése. A kvantitatív jellegű számolásoknál az ismert porfirin molekulák koncentrációinak meghatározása (a némely esetben előzőleg megmért) moláris abszorpciós koefficienseik ismeretében, egy nem-lineráris, legkisebb négyzetes illesztéses módszerrel (MS Excel Solver) történt az abszorpciós színkép 350-500 nm-es tartományában. A reakciókinetikai vizsgálatok kiértékelése a Zita, valamint az MRA (Gauss-Jordanféle eliminációs lépéseket használó) programcsomagok segítségével történt104,105, melyekkel meghatározható egy feltételezett reakciómechanizmus helyessége, valamint annak sebességi paraméterei (k).

4.5 Kvantum-kémiai számítások

A vas(II)-porfirin komplex és annak különböző axiális ligandumokkal képzett származékainak, valamint azok szingulett, triplett és kvintett állapotainak szerkezetét és energiáját elméleti kémiai módszerekkel, sűrűségfunkcionál elmélet (valamint density functional theory, DFT) módszerek alapján kaptuk meg.. A számítások a B3LYP106,107,108 (függvény kombinációval), valamint LANL2DZ109,110,111,112 báziskészlet használatával zajlottak a Gaussian98113 programcsomag segítségével. A B3LYP és a LANL2DZ bázis csoport kombinációja az irodalom szerint sok esetben bizonyult megfelelően pontosnak és alkalmazhatónak114. 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 velük97,115. A rezgési frekvenciák kiszámításával ellenőriztük, hogy mindegyik kiszámított molekula szerkezet 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 HartreeFock) módszerrel (UB3LYP) történt.

35


Említésre méltó tapasztalat, hogy mind az SCF iteráció, mind a molekulák geometriai optimumának keresése nagyon lassan konvergált az energiaminimum felé. A kvantumkémiai számításokat Dr. Lendvay György végezte.

36

Kísérleti vizsgálatok és eredmények

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 nem megoldott 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 heme csoport is apoláros jellegű), melyben a képződött komplex élettartama néhányszor tíz másodperc szobahőmérsékleten és néhányszor tíz perc alacsony hőmérsékleten (-45 vagy -80 °C)116. A vizes közegben végzett csekély számú próbálkozások e komplex előállítására hasonló eredményekre vezettek, az oxidáció okát szintén a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigénnek tulajdonították98,99.

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 metalloporfirin képződik a (18) reakció szerint, tekintettel arra, hogy a szabad porfirin kiindulási elnyelési színképe megváltozik (16. ábra). Mx+

+

H2TPPS4-

→

MxTPPS4-

+

2H+

(18)

Ezek alapján feltételezhető, hogy a képződött metallo-porfirin vas(II) központi fémiontt tartalmaz. Ám az irodalomban megtalálható, metallo-porfirinekkel kapcsolatos spektrális adatok alapján a képződő metallo-porfirin vas(III) központi fémiont tartalmaz (mely komplex abszorpciós sávjai vizes oldatban a 393, 528, valamint a 651 nm-nél jelennek meg103,117). Így a látszólag végbemenő reakció a következő: Fe2+

+

H2TPPS4-

→

FeIIITPPS4-

+

2H+

(19)

37


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

E folyamat (19) összhangban van azokkal az irodalomban is közölt korábbi megfigyelésekkel, melyek szerint a szabad porfirin ligandumok és bármilyen típusú 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 szerint98,99: 4 FeIIP

+

O2

→

2 [PFeIII – O – FeIIIP]

(20)

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

38


17. ábra. Szabad porfirint (H2TPPS4-) és vas(II)-szulfátot tartalmazó oldat elnyelési színképének változása, Schelnck tecnikával oxigémentesített rendszerben, 12 órás reakcióidő alatt.

ligandumot használnak kiindulási vegyületként103,118,119. Ezek alapján felmerül a kérdés, hogy vajon a vas(III)ionok reagálnak-e egyáltalán a porfirin ligandummal vagy sem. Kísérleteink során arra az eredményre jutottunk, 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 között hidroxo-komplex formában vannak jelen, ami rendkívül lelassíthatja a porfirin ligandummal történő komplexálódást. Mindezek alapján az a következtetés vonható le, hogy az irodalomban közölt reakciómechanizmustól (20) eltérő folyamatok felelősek a vas(III)-porfirin kialakulásáért.

5.1.2 A vas(II)-porfirin komplex képződése acetát ionok jelenlétében

Megismételtem az alap komplexképződési reakciót (vagyis a szabad H2TPPS4ligandum és a vas(II)-szulfát reakcióját) olyan körülmények között is, amelyek esetében egy kialakult metallo-porfirin molekulához valamilyen axiálisan koordinálódni képes ligandum is jelen volt a rendszerben. E ligandumok az aszkorbinsav, a formaldehid, a nitrogén-monoxid, a szulfo-cianid, 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). 39


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

Az acetát ionok jelenléte jelentősen befolyásolta a H2TPPS4- és a vas(II)-szulfát között végbemenő komplexképződési reakciót. A 0,3 M acetát puffer hatására az oldat abszorpciós színképben 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 színképével103. Ezek alapján, valamint tekintettel arra, hogy a rendszerben vas(II)-fémionok vannak, az acetát ionok jelenlétében megjelenő új abszorpciós sávokat a vas(II)-porfirin komplex abszorpciós színképének tulajdonítom. Mivel az acetát ionok nem redoxiaktívak (vagyis nem reduktívak), az esetlegesen jelenlévő 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 nyomnyi mennyiségben mindig jelenlévő Fe3+ ionok adják. Ám, mivel a vas(III)ionok közvetlenül nem képesek a porfirin ligandum gyűrűjébe beépülni, a jelenlévő viszonylag nagy mennyiségű vas(II)ionok valamiképp katalizálják e – tehát a Fe3+ ionok, valamint a H2TPPS4- ligandumok között lejátszódó – komplexképződési folyamatot. Így lehetséges az, hogy még a legalaposabban oxigénmentesített oldatban is vas(III)-porfirin komplex lesz a végtermék.

40


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 fémionok tipikusan kinetikailag inert, 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 metallo-porfirinek esetében a központi atom viszonylag nagy, így az a gyűrű síkján kívül helyezkedik el. Ezáltal a porfirin gyűrű megtorzul (nyereg, vagy kupola formájúvá), aminek eredményeképp koordinatíve 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 szulfonátó-fenil csoportok nem lettek feltüntetve). Jelen esetben tehát, az acetát nélküli rendszerben első lépesben a SAT típusú vas(II)-porfirin képződik. Ekkor a porfirin gyűrű torzulása végett bizonyos pirrol gyűrűk kifordulnak a síkból, a központi atommal átellenes oldalra. Így a rajtuk található nitrogén atomok σ donor molekula pályái könnyebben hozzáférhetőbbé válnak más fémionok, például a vas(III)ionok számára. Mint már korábban említésre került, a vas(III)ionok közvetlenül nem képeznek komplexet a H2TPPS4ligandummal, annak ellenére, hogy ionrádiuszuk alapján elvileg stabil, normál típusú

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

41


(planáris) komplexek kialakítására képesek. Ám a porfirin gyűrű deformálódása után a vas(III)ionok könnyen koordinálódhatnak az első lépésben kialakult vas(II)-porfirin molekulához, kepézve így (átmenetileg) egy kétmagvú, szendvics szerkezetű komplexet. 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 megbomlik. Ekkor a vas(II)ion ledisszociálódnak, 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. Tekintettel arra, hogy a porfirin ligandum koncentrációja csak 10-6 M, míg a hozzáadott vas(II)ionok koncentrációja közel két nagyságrenddel nagyobb ennél, acetát ionok híján, a szennyezésként, nyomokban jelenlévő vas(III)ionok is elégnek bizonyultak a teljes szabad

porfirin

mennyiség

komplexálódásához. 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 acetát puffer jelenlétében, gyengén savas körülmények között (pH=6) az acetát ionok a vas(III)ionokkal egy igen stabil, többmagvú hidroxo-acetátó-komplexet, míg a vas(II)ionokkal csak gyenge komplexet képeznek (lásd 3. táblázat)120. Ez nem meglepő, hiszen a „kemény” savnak számító, oxigéntartalmú acetát ionok a „kemény” bázisnak 3 táblázat: A vas(III)- ás vas(II)-acetátó-komplexek egyensúlyi állandói különböző ionerősségek mellett120. Egymagvú komplex Központi fémion

Többmagvú komplexre

Fe2+

Fe3+

Kis ionerősség mellett (0,1M NaClO4)

Nagy ionerősség mellett (3M NaClO4)

K1 = 1,9±0,04

K1 = 0,54

K[Fe3(OH)2Ac6]+ = 22,05 ± 0,05

(1M NaNO3)

K[Fe3(OH)3Ac2 ]4+ = 5,87 ± 0,05

K1 = 3.2 β1 = 6.3 β2 = 8.2

K[Fe7(OH)9Ac6]6+ = 17,26 ± 0,10

K1 = 3,23±0,03 K1×K2 = β1 = 6,22±0,07

42


számító vas(III)ionokkal képesek stabil komplexet alkotni, ellentétben a „lágy” bázisnak számító vas(II)ionokkal. Ezáltal a szabad vas(III)ionok csapdázódnak (vagy maszkírozódnak), míg a vas(II)ionok továbbra is képesek valamilyen ligandummal, például a porfirin ligandummal komplexet képezni. E körülmények hatására képes a vas(II)-porfirin komplex kialakulni acetát pufferben és még levegő jelenlétében is stabil maradni. Ám a vas(III)ionok megkötődésének, valamint a vas(II)ionok „szabadon” maradásának mértéke erősen függ a reakció körülményektől, úgy mint az acetát puffer koncentrációjától, annak pH értékétől, sőt, még a puffer és a vasionok reakciójának idejétől is (azaz, hogy az acetát puffer és a kiindulási vas(II) oldat elegyítésétől számítva mennyi idő után kerül a rendszerbe a porfirin ligandum). A puffer pH értékének növelésével a hidroxid ion koncentráció növekedése végett, már a vas(II)ionok is erősen kötötté válnak, míg a pH érték csökkentése a porfirin ligandum protonálódásához vezet. Az alkalmazott puffer koncentráció szintén fontos jellemző, mert bizonyos mennyiség fölött az acetát ionok már a vas(II)ionokat is intenzíven megkötik, bizonyos mennyiség alatt viszont a vas(III)ionokat sem kötik meg elfogadható időn belül. Az acetát ionok és a vasionok reakció idejének hasonló hatásai vannak, vagyis túl hosszú reakcióidő miatt a vas(II)ionok is megkötődhetnek, míg rövid reakcióidők esetén a vas(III)ionok sem kötődnek meg megfelelően. A 20. és a 21. ábra szemlélteti a vas(II)-porfirin komplex képződésének mértékét különböző acetát puffer koncentráció, valamint különböző reakcióidők mellett. A vas(II)-porfirin komplex legnagyobb mennyiségben 0,3 M acetát puffer, valamint a vas(II)ionok és az acetát ionok 3,5 órás reakciója mellett képződött (a H2TPPS4- koncentráció a szokásos 3×10-6 M, míg a kiindulási vas(II)-szulfát koncentráció

20. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képződésének mértéke az acetát puffer koncentrációjának függvényében.

43


21. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képződésének mértéke az acetát puffer és a vas(II)-oldat reakcióidejének függvényében.

ennek 50-szeres feleslege, vagyis 1,5×10-4 M volt minden esetben). A vas(II)ionok normál porfirinek képződését katalizáló tulajdonságához hasonló, úgynevezett „önkatalitikus” jelenséget figyeltek meg többek között például réz(I)ionok esetében is121. 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 végbemehet122. 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 vas(III)ion 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)123 és E[FeIII(H2O)TPPS]3-/[FeII(H2O)TPPS]4-=0,01 V)103. Mivel a porfirin-komplexben lévő vas központi atom oxidációs állapotainak standard redoxipotenciáljai között igen kis különbség van, továbbá az akvatált vas(II)ion esetében a +2-es oxidációs éllapot kedvezőbb, ezen

44


elektron átmenet a vas(II)-porfirin és a vas(III)ionok között elvileg hatékonyan végbemehet. Azonban az acetát ionok jelenlétében képződött vas(II)-porfirin komplex stabilnak bizonyult még a levegő oxigénjével szemben is, pedig az acetát ionok nem reduktívak, tehát az oxigént nem képesek megkötni. Mindezek alapján úgy gondolom, ha az oldott oxigén molekulák (melyek sokkal erősebb oxidálószerek, mint a vas(III)ionok) által a vas(II)-porfirin komplex nem oxidálódik, akkor ez a bizonyos elektronátmenet a Fe(II)TPPS4- komplexről Fe3+ ionokra mégsem kedvezményezett. Továbbá 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-BrTPPS6- komplexének előállításában is124. 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 koordinálódott125. 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 acetát ionok és hidroxid-ionok koncentrációja, melyek a szabad vas(II)ionokat komplex képződés (acetátó és hidroxid) révén oly mértékben blokkolják (maszkírozzák), hogy már a porfirin ligandummal sem képesek komplexet alkotni. 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 acetát puffert tartalmazó rendszerben, mely 1 M NaCl -ot is tartalmazott. A 22. ábra szemlélteti a vas(II)ionokat, szabad porfirin ligandumot, acetát puffert, 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

45


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

nagyobb hidroxid ion és acetát ion koncentráció miatt a kivált kolloid vas(III)- és vas(II)acetátó- komplex mennyisége is nagyobb. A 465 nm köröl megjelenő kis elnyelési csúcs valamiféle szennyezés lehet, melynek eredetét nem sikerült azonosítanunk.

46


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

A 0,3 M acetát puffert 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 jellemzése fejezetben). A komplex kinetikailag inertnek 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 (22) egyenlet alapján. Mivel a tanulmányozott oldatokban a pH-t állandó értéken tartottam, a számolásoknál a hidrogén-ion 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 (23). A komplex látszólagos egyensúlyi állandójának (K') meghatározása egy olyan módszerrel történt, mely során a porfirin ligandum állandó értéken volt tartva, míg az abszolút vas(II)ion-koncentráció változtattam. A Fe(II)TPPS4- komplex képződés során, nemegyensúlyi reakcióban az acetát ionok jelenléte ellenére is képződik valamennyi vas(III)porfirin komplex. Ez a szabad porfirin ligandum koncentrációjának csökkenését vonja maga

47


23. ábra. Az 1,5×10-6 M H2TPPS4--t, 0,3 M acetát puffert (pH=6) és különböző koncentrációjú Fe 2+ ionokat tartalmazó oldatsorozat abszorpciós színképe.

után, vagyis az nem vehető állandónak a továbbiakban. Így a vas(II)ion és a 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 Psequad126) 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 saját mérési eredményekből határoztam meg). Az egyensúlyi szabad vas(II)ion-koncentráció pedig számolható az adott kiindulási

vas(II)-koncentráció

valamint

koncentrációjának különbségéből (24)

a

képződött

vas(II)-porfirin

feltételezve, hogy (az

komplex

egyébként argonnal

oxigénmentesített oldatokban) a folyamat során oxidáció révén nem változik a vas(II)ionok koncentrációja. A látszólagos egyensúlyi állandó (22) összefüggését átalakítva (23) formára, a 1/α0 lineáris korrelációban lesz 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 vas(II)-koncentrációk voltak alkalmazva (lásd 23. ábra). Az folyamatban résztvevő egyedi részecskék, a H2TPPS4-, a Fe(II)TPPS4-, és a

48


24. ábra. Az 1,5×10-6 M H2TPPS-t, 0,3 M acetát puffert (pH=6) és különböző koncentrációjú Fe 2+ ionokat tartalmazó oldatsorozat abszorpciós színképe.

Fe(III)TPPS3- egyensúlyi koncentrációjának meghatározása az abszorpciós színkép alapján, az ismert moláris abszorpciók ismeretében, a Soret sávok tartományában történt egy nemlineáris, 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 acetát ionokkal – 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 (24) egyenlet alapján, míg a 1/α0-t a (23) 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.

49


5.1.4 A vas(II)-porfirin komplex képződése reduktív közegben

A vas(III)-porfirin képződését tehát bizonyos mértékig megakadályozhatjuk acetát ionok 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 acetát puffert 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 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 acetát puffer esetében tapasztaltuk. Viszont az aszkorbinsav jelenlétében a porfirinek és metallo-porfirinek gyorsan

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 különbüző idők után.

50


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 florinokat 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 acetát puffer jelenlétében tapasztalt érték. Tekintettel arra, hogy a fomaldehid molekulák igen gyenge komplexképző hatással rendelkeznek, valamint maximálisan egyfogú ligandumként képesek funkcionálni, 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 szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,1 M formaldehidet tartalmazó oldat abszorpciós színképe.

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

51


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 látszódik, 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 az imidazol ligandum a már kialakult vas(II)-porfirin komplex egyik axiális pozíciójához könnyen koordinálódhat (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 szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és 0,1 M d-glükózt, valamint 0,1 M imidazolt tartalmazó oldat abszorpciós színképe.

Egy további, szintén reduktív karakterű ligandum, a nitrogén-monoxid jelenlétében is megismételtem a vas(II)ionok és a H2TPPS4- ligandum komplexképződési reakcióját. A nitrogén-monoxid több biológiai folyamatban játszik kulcsfontosságú szerepet, többek között a vérnyomás szabályozásában is, így e molekula reverzibilis koordinációját például 52


porfirin-komplexek axiális pozíciójához intenzíven kutatják. Az irodalomban megjelent publikációk szerint a NO ligandum könnyen koordinálódik porfirin-komplexek axiális pozíciójára reverzibilisen. 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- képződik127. 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 szabad vas(III)ionokat redukálják vas(II) formává, vagy mindkét folyamat lezajlik szimultán módon. Az így kialakult vas(II)-porfirin 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 szabad porfirint, 1,5×10-4 M FeSO4-ot és NO-ot tartalmazó rendszer abszorpciós színképe.

53


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 szulfo-cianid 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 acetát puffer 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 rodanid-ionok 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 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.

54


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 tiocianátó-komplexei igen stabilak (a fluoro-komplexek még a rodanidonál is stabilabbak). Ezáltal az acetát ionokhoz 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 tiocianátó-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.

55


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

reakciókinetikai vizsgálata A porfirin származékok részletekbe menő reakciókinetikai tanulmányozása rendkívül fontos ahhoz, hogy megértsük többek között a fémionok porfirin gyűrűbe való beépülésének mechanizmusát, mely során a metallo-porfirinek képződnek. Ezt jelzi, hogy az utóbbi években több, a metallo-porfirinek kialakulásának kinetikájáról és mechanizmusáról szóló tanulmány is megjelent128,129,130,131. A kinetikai vizsgálatok fényt deríthetnek továbbá a szervezetben (in vivo) jelenlévő, enzimek által katalizált természetes metallo-porfirin származékok képződésének mechanizmusára is132. Munkám során is fontosnak bizonyultak a kinetikai vizsgálatok, ugyanis a reakció-sebességi állandókon túl az eredmények közvetlenül alátámaszthatják a vas(II)- és a vas(III)-porfirin képződésének az 5.1.2 fejezetben javasolt (lásd 19. ábra) mechanizmusát acetát puffert nem tartalmazó, valamint acetát puffert tartalmazó rendszerekben. A 30. és 31. ábra szemlélteti vas(II)- és vas(III)-porfirin komplex spektrofotometriásan követett képződését acetát puffer 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 acetát puffer mennyisége 0,3 M volt. A hőmérséklet mindkét kísérletben

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

56


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

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, 19. ábra). E feltételezett mechanizmus a következő részfolyamatokból áll (32. ábra):

32. ábra. A vas(III)-porfirin képződésének javasolt mechanizmusa.

57


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















 



 





2 2 d H 2TPPS 4   k1 H 2TPPS 4   k2 Fe II TPPS 4  H   k4 H 2TPPS 4  H   k5 H 4TPPS 2  (25) dt







 





2 d Fe II TPPS 4   k1 H 2TPPS 4   k2 Fe II TPPS 4  H   k3 Fe II TPPS 4  Fe III dt







 



2 d H 4TPPS 2   k4 H 2TPPS 4  H   k5 H 4TPPS 2  dt



























d Fe III  k3 Fe II TPPS 4  Fe III dt

 







(26)

(27)



d Fe II  TPPS  Fe III  k3 Fe II TPPS 4  Fe III  k6 Fe II  TPPS  Fe III dt d Fe III TPPS 3   k6 Fe III TPPS 3  dt







(28)

(29)



(30)

 

d H  k 5 H 4TPPS 2   k 4 H 2TPPS 4  H  dt

2



 

 k 2 Fe II TPPS 4  H 

2

(31)

A reakció során alkalmazott nagy (majdnem két nagyságrendnyi) Fe2+ ion felesleg miatt a k1 sebességi együtthatójú primer folyamat (25) kvázi-elsőrendűnek tekinthető, így a vas(II)ionok koncentrációja az egyenletből elhagyható. E differenciál egyenletrendszer megoldása analitikusan már nem lehetséges, erre a célra valamilyen numerikus módszer alkalmazása szükséges (lásd a vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződési kinetikája szekciót). Az acetát puffert nem tartalmazó rendszerben az átmenetileg képződő kétmagvú vas(II)-vas(III)-porfirin jelenlétére utaló abszorpciós csúcsok nem jelentek 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

58


Fe(III)TPPS3-) ismert moláris abszorpciós színképét. Amennyiben az illesztés hibája nem statisztikus, az utalhat egy jelenlévő fényelnyelő részecskére. A 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 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.

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 porfirin-származékok 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 H2TPPPS4ligandumról 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

59


40. percnél későbbi időpontjában felvett elnyelési színkép hasonló jóságú illesztéséhez már nincs, vagy csak kisebb intenzitással van szükség Lorentz függvényekre a 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 differenciál egyenletrendszer megoldása, majd a mérési adatokkal való összehasonlítása, illesztése szükséges. Erre célra kiválóan alkalmas a kifejezetten reakciókinetikai problémák megoldására és modellezésére kifejlesztett Zita104 programcsomag. E program használathoz szükséges továbbá az MRA105 (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 maradék abszorbanciákra 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 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 392,53 nm, a H2TPPS4--nek 414,02 nm, a FeIITPPS4--nek 423,11 nm és a H4TPPS2--nek 433,01 nm adódott, így a kiértékelés ezeken a hullámhosszokon történt.

60


Az acetát puffert nem tartalmazó valamint tartalmazó rendszerben végbemenő folyamat a feltételezett mechanizmus (lásd 32. ábra) alapján azonos, azzal a különbséggel, hogy az acetát ionok jelenlétében elvileg nincs szabad vas(III)ion az oldatban, így vas(III)porfirin helyett vas(II)-porfirin a végtermék. Ezáltal, mivel ugyanazon modell használható mindkét rendszer esetében, a kapott mérési adatok kiértékelése egyszerre is lehetséges. A modell illeszthetősége ezáltal a mechanizmus helyességét is jelenti. Az illesztéshez figyelembe vett reakciók, folyamatok a következők:

A kiértékeléshez a vas(II)- és vas(III)ionok acetát komplexeinek stabilitási állandóiként a 3. táblázatban feltüntetett adatokat használtam120. A szabad porfirin ligandum moláris abszorpciója jelentősen különbözik acetát puffer jelenlétében és anélkül, így ez a kiértékelés során figyelembe lett véve, mégpedig a (36) hipotetikus folyamat segítségével (a ke és k-e illesztendő paraméterek voltak). A Zita programhoz használt komplett inputfájl tartalma a II. függelékben található. A mérés nulladik időpontja komponensek elegyítése miatt nem került felvételre, így ezen időpont a kiértékelés során illesztendő paraméterként szerepelt. 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 kimenti fájl tartalma megtalálható a III. függelékben. A mérési adatok valamint az azokra illesztett modell függvények a 34. ábrán, míg az illesztett paraméterek

61


34. ábra. A 32. ábrán látható reakció mechanizmus Zita programmal történt illesztése az acetát puffer nélküli (a) valamint a 0,3 M acetát puffert tartalmazó, időben (spektrofotometriásan) követett színképsorozatára.

alapján számított, időben változó koncentrációi a komponenseknek a 35. ábrán láthatóak. Az illesztés eredményeképp kapott sebességi együtthatók közül a (37) (k1 sebességi állandójú) folyamat bizonyult a leglassabbnak, vagyis a reakciónak ez a sebesség meghatározó lépése. E folyamat, vagyis vas(II)-porfirin komplex képződésének sebességi állandója: 2,52 M-1 s-1. Egyensúlyi folyamat lévén a visszafelé irányuló lépés (k2) sebességi állandóját is meghatározhatjuk, ám a reakciókinetikai adatokból csak igen nagy hibával tehetnénk ezt meg. Ezért a már meglévő egyensúlyi állandót használtam a k2 számolásához a következő összefüggés alapján: k 2=

k1 K

(40)

62


35. ábra. A H2TPPS4-, Fe(II)TPPS4-, H4TPPS2- és Fe(III)TPPS3- részecskék (a) valamint a H2TPPS4és Fe(II)TPPS4- részecskék (b) koncentrációjának változása az idő függvényében, acetát puffer nélkül (a) és 0,3 M acetát puffer jelenlétében.

Így a sebességi állandó értéke: k2=1,095×10-4 M-1 s-1. Az acetát puffert nem tartalmazó rendszerben, a vas(III)-porfirin komplex kialakulását eredményező (39) folyamat k3 reakciósebességi állandója: k3= 5,158×102 M-1 s-1. Ezen érték több mint két nagyságrenddel nagyobb a vas(II)-porfirin sebességi állandójánál, ami nem meglepő, ugyanis a vas(III)porfirin képződésekor a az abszorpciós színképsorozatból is látható, hogy a vas(II)-porfirin csak kis mennyiségben, szinte stacionárius állapotban van jelen (ami azt jelenti, hogy az őt fogyasztó reakció jóval gyorsabb mint az őt képző). Megjegyzendő, hogy a két különböző rendszerben (acetát puffert tartalmazó és nem tartalmazó) végrehajtott mérés adatainak

63


egyszerre történt kiértékelésekor az acetát puffer okozta eltérő ionerősségeket a kiértékelő program korlátai miatt nem vettük figyelembe. Mivel az illesztett paraméterek számolásakor az acetát puffert nem tartalmazó rendszerben mért adatok szerepeltek nagyobb súllyal (a nagyobb abszorbancia értékek miatt), a kapott sebességi állandók inkább az acetát puffert nem tartalmazó, vas(III)-porfirin képződéséhez vezető reakció-sebességeket tükrözik. Az acetát puffer jelenlétében végbemenő, vas(II)-porfirin kialakulását eredményező reakciók sebességi állandói a nagyobb ionerősségek miatt bizonyos mértékben kisebbek a kapott értékeknél. Mindazonáltal, a modell nagy fokú illeszkedése a mérési adatokra a feltételezett mechanizmust az 5.1.2 fejezetben felsorakoztatott közvetett bizonyítékokon túl közvetlenül alátámasztja. Továbbá, a vas(II)-porfirin ily módon is bebizonyosodott kinetikai labilitása a komplex SAT szerkezetét, valamint azon túl a nagy-spinszámú állapotát is megerősíti.

64


5.3 A vizsgált metallo-porfirin 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 metallo-porfirinek fotofizikai, vagyis abszorpciós és emissziós tulajdonságait továbbra is szinte kizárólag az aromás porfirin ligandum határozza meg, 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 spinállapotától 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 metallo-porfirinek 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 acetát pufferben képződő vas(II)-porfirin komplex, valamint összehasonlításképp a szabad porfirin komplex abszorpciós színképei a 36. ábrán láthatóak. Az acetátionok, főleg nagyobb koncentrációknál hatással vannak a porfirinek moláris abszorpciós koefficiensére, ugyanis csökkentik azt. Ennek oka a porfirin gyűrűk között létrejövő aggregáció, melyet a 65


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 acetát pufferben meghatározott moláris abszorpciós koefficiense: εFe TPPS =3,07×105 M-1 cm-1. Ezen érték meghatározásakor az II

4-

acetátionok jelenlétében kis 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 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.

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 Qx állapothoz rendelhetőek. Azonban egy további, az említett Q sávoknál is gyengébb intenzitású, valószínűleg szintén S0→S1 elektronátmenetből származó abszorpciós csúcsok észlelhetők 523 nm és 490 nm körül. E két elnyelési sáv feltételezhetően a Qy állapothoz rendelhetőek.

66


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

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 hiba határon belül esik, léte nem tekinthető bizonyítottnak. Így elképzelhető, hogy az 523 nmnél megjelenő csúcs valójában a Qx állapot második vibrációs átmenete, mely összhangban van a metallo-porfirinek 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. A vas(II)-porfirin komplex Soret sávjai 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 metallo-porfirinek elnyelési sávjai kék eltolódást szenvednek. Ezzel szemben a sík szerkezettől eltérő, SAT típusú metallo-porfirin komplexek abszorpciós viselkedése esetében a tapasztalat azt mutatja (pl. Hg2+, Tl+, Tl3+, Fe2+, Zn2+, Cd2+ fémionok TPPS komplexei)133,134,135 hogy a B sáv a kisebb energiák, míg a Q sávok a nagyobb energiák irányába tolódnak el a

67


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

szabad porfirin sávjaihoz képest. Mivel e komplexek kinetikailag labilisak, valamint a központi atom a gyűrű síkján kívül helyezkedik el, a B sáv vörös eltolódása nem meglepő. 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 meg-határoztam mind a Soret sávon, mind az intenzívebb Q sávon gerjesztve (lásd 4. 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)

(41)

ahol a Q a kvantumhasznosítási tényezője, I az emissziós csúcs alatti területe, A az elnyelt fényhányada az adott komplexnek, valamint n a komplexet tartalmazó közeg törésmutatója. A fluoreszcencia hatásfoka – a várakozásnak megfelelően – a Q sávon (S1) történt gerjesztés

68


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 H2TPPS4- ligandum esetében ezen érték igen kicsi (lásd: 4. táblázat). Ez nem meglepő, mivel az elektronátmenet során az elektron egy kiterjedt, aromás, delokalizált molekula orbitálról (π), egy hasonló molekula orbitálra kerül (π*), így a gerjesztés során a teljes molekula szimmetriája (vagyis az egyensúlyi magtávolság) csak kis mértékben változik. A vas(II)-porfirin komplex esetében 4. 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

57355

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-

7,5136

-

-

253,6

-

Fe(II)TPPS4-

0,95

0,7

6,3

322,4

658,2

69


ezen érték kissé növekszik a szabad ligandumhoz képest, melynek oka az, hogy a porfirin gyűrű a SAT szerkezet végett 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)TPP137 és H2TPP138 (a vízoldható H2TPPS4- ligandum esetében viszont nem tapasztaltam S2 emissziót), valamint a vízoldható Tl(III)TPPS3- komplex esetében is136. Az S2 emisszió hatékonyságának meghatározásában a komplex S1 emissziójának a már meghatározott kvantumhasznosítási tényezője használható belső referenciaként, szintén a (41) összefüggés alapján. Az S2 állapotról történő emisszió kvantumhasznosítási tényezője igen csekély (lásd 4. 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 kvantumhasznosítása 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 metallo-porfirinek esetében ezen érték csökken, körülbelül 2 ns-ra40. 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 félérték szélességű (~5 ns), valamint egy kisebb félérték szélességű impulzus generálására alkalmas, jobb feloldású rendszeren (~1 ns, lásd: Műszerek fejezet). A rosszabb feloldású rendszer esetében, mivel a vizsgált élettartam rövidebb, mint a lézer impulzus, a mérési eredmények 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

(42)

0

70


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 egy adott pozíciója.

(a)

(b) 39. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex fluoreszcencia állapotának idő spektruma 0,3 M acetát pufferben (pH=6), különböző lézerrendszer .

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 szoftware-ével, a Fluofittel történt. A 39. ábra szemlélteti a két lézerrendszerrel mért fluoreszcencia lecsengéseket, a 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 5. 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

71


5. 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

nagyságrenddel kisebb mint a szabad ligandumé. 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: k S1=Φ S1 / τ m τ S1=k

S1−1

(43) (44)

A vas(II)-porfirin komplexre, valamint a H2TPPS4- ligandumra kapott radiatív fluoreszcencia (τS1) értékek (lásd 5. 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, sugárzás mentes 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 spinmiltiplicitású állapotai közül csak a nagyspinszámú az, mely esetében SAT szerkezetű komplex képes kialakulni (kisspinszámú központi atom esetén normál, sík szerkezetű komplexnek kellene képződnie). 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, a triplett állapotok energiái csak tájékoztató jellegűek.

72


40. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex Jablonski típusú energiaszint diagramja.

A Fe(II)TPPS4- komplex esetében tapasztalt viszonylag intenzív fluoreszcencia, valamint annak viszonylag hosszú élettartama némiképp meglepő, ugyanis a nyílt elektronhéjú központi atomot tartalmazó metallo-porfirinek általában nem, vagy csak rendkívül gyenge, 10-4-nél is kisebb kvantumhasznosítási tényezőjű lumineszcenciát mutatnak139,140. Azonban, bizonyos esetekben még a paramágneses központi atomot tartalmazó porfírin komplexek is mutatnak számottevő fluoreszcenciát (ΦS1 < 10-3), mint például a mangán(II)141, vagy a lantán(III)142 porfirinek. A normál típusú, szabályos sík szerkezetű metallo-porfirinek

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 vezet143. Viszont a vízoldható, a sík szerkezettől eltérő, SAT típusú metallo-porfirinek 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

elektron-

73


rendszere, valamint a gyűrű torzulásának mértéke határozza meg, befolyásolva ezzel a π és π* elektronállapotok energiaszintjeit is. Ezen feltételezést több, különböző nehéz fémionokat tartalmazó metallo-porfirin komplexen végzett tanulmány is megerősíti, mint például Pd(II)TPPS4-, Pt(II)TPPS4-144, Hg(II)TPPS4-133, valamint a Tl(I)2TPPS4- 73 komplexek. Az utóbbi két komplex tipikusan SAT szerkezetű metallo-porfirin, 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 metallo-porfirineknek 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 komplexeké134. 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 tulajdonságai fejezetet), tranziens abszorpciós vizsgálatokra nem került sor.

5.3.2 A vas(III)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői Az 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 két intenzívebb Q sávok 528 nm, valamint 498 nm-nél találhatók. Ám a vas(II)-porfirinhez hasonlóan, e komplex esetében is feltételezhetünk további Q sávokat, 650 nm-nél és 686 nm-nél. Az irodalomban is többnyire a 650 nm és 528 nm-nél megjelenő elnyelési sávokat tekintik Q sávoknak103,117,118, így az ezen állapotokhoz tartozó vibrációs átmenetekkel együtt már a szabad porfirin ligandumhoz hasonló Q sáv szerkezet feltételezhető, mely ugyancsak azt sugallja, hogy a metallo-porfirinek kialakulásakor bizonyos Q sávok csak

74


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

gyengülnek, de nem tűnnek el teljesen. A komplex Soret sávja kék eltolódást szenved a szabad porfirin sávjához képest, ami a normál típusú metallo-porfirinek 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, 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, ráadásul paramágneses központi atomot tartalmazó metallo-porfirinek 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) és Co(III) porfirin komplexek tanulmányozása során140,141,144. Ez azt jelenti, hogy e komplexek triplett gerjesztett állapota rendkívül rövid élettartamú (ps-os nagyságrendű) ami igen erős spin-pálya csatolásra utal.

75


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

A 42. ábra reprezentálja a vas(III)-porfirin komplex általam javasolt energia szint diagramját, melyen a magasabb energiájú, UV tartományba eső átmeneteket nem tüntettem fel. Mivel a komplex nem mutat foszforeszenciát, a triplett állapotok energiái csak tájékoztató jellegűek.

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 metallo-porfirin származékok rendkívül intenzív moláris abszorpciójáért a gyűrű egészére kiterjedő, delokalizált, aromás elektronrendszer a felelős (lásd az irodalmi áttekintés, a 3.2.4.1 A porfirinek és metallo-porfirinek elnyelési sajátosságai fejezetben). Ezek alapján, a fotolízis során tapasztalat jellemző abszorpciós csúcsok eltűnése a delokalizált elektron rendszer megszűnésére, vagyis a porfirin gyűrű felnyílására enged következtetni. Ekkor nyílt láncú tetrapirrol (bile típusú) származékok keletkeznek. E feltételezést megerősíti a fotolízis

76


43. ábra. A Fe(II)TPPS4- komplex (3×10-6 M) fotolebomlása 0,3 M acetát pufferben, 40 (a), valamint 90 (b) perces besugárzási idők alatt.

során, 390 nm és 450 nm-nél megjelenő két abszorpciós sáv, melyek bilirubin és biliverdin származékok jelenlétére utalnak145. 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 komplexeinél73,133,146. Ez arra utal, hogy e SAT típusú metallo-porfirinek 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 elbomlása73, 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. 77


6. 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-

0,06133

-

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 6. 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+)134,136. 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 ledisszociálódhat 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 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 különbség a kioltó molekulák jelenlétében sem, így az LMCT átmenetnek az S1 állapotról kell

78


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

végbemennie. 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 (lásd 6. 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 metallo-porfirinek könnyen és reverzibilisen oxidálhatók vagy redukálhatók, mivel az átmenetileg képződő π-kation rendkívül stabilis73. 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.

79


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

Az acetát puffert tartalmazó rendszerben képződő vas(II)-porfirin komplex abszorpciós színképe meglehetősen jó egyezést mutat az emberi szervezetben is jelenlévő dezoxi-hemoglobin abszorpciós színképével147. 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 el123. 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 pozíciójára, 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. 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 szükséges-ségét. Ezek eredményeiből 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 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

80


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 7. táblázat foglalja össze. 7. 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 kötés 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 általában jóval gyengébben kötődik a vas(II) központi atomhoz mint amikor a másik axiális ligandum hiányzik. 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 terner FeP-Ac-H2O komplex kvintett állapotában, a H2O molekula két H atomja közelebb van a FeP egységhez, mint az O atomja,

81


és a porfirin váz 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 nagyspinszámú központi atomban nem képes spin-párosodást előidézni, ezáltal koordinálódni sem.

45. ábra. A vas(II)-porfirin actetát valamint víz ligandummal képzett terner komplexének DFT módszerrel számolt szerkezetei.

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 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. 82


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 acetátion 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 segítségével102,148. E rendszerekben a vas(II) központi atom viszonylag stabil oxidációval szemben, valamint képes a molekuláris oxigén reverzibilis szállítására néhány ciklusban.

83

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

84

Összefoglalás

abszorpciós színképben megfigyelhető Soret sáv vörös, az emisszió és a Q sávok 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 reakciókinetikai 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.

85

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, acetát puffer, 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 acetát puffer jelenlétében, megvalósítható. A puffer a pH-érték beállításán túlmenően acetáto-komplex 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).

86

Tézisek

2. A vas(II)- és vas(III)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusaés kinetikája Spektrofotometriás technikával követve vizsgáltam a vas(II)- és vas(III)-porfirin képződésének reakciókinetikáját 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 modell az acetát puffert nem tartalmazó valamint tartalmazó rendszerben mért színképsorozatokra egy lépésben történt illesztésével meghatároztam a komplexek

képződésének

sebességi

állandóit,

valamint

ez

alapján

megállapítottam, hogy vas(III)-porfirin több mint két nagyságrenddel gyorsabban képződik mint a vas(II)-porfirin. a komplexek képződésének feltételezett mechanizmusát. 2.3. Az átmenetileg képződő többmagvú metalloporfirin Valószínűsítettem, hogy a reakció egy adott időpontjában rögzített színképre történt Lorentz függvények illesztésével legalább egy átmenetileg képződő részecske képződik, mely a 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 nagyspinszámúnak 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 élettartamát valamint annak kvantumhasznosítási tényezőjét a jellemző Soret és Q sávokon gerjesztve. 87

Tézisek

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)- és vas(III)-porfirin energiaszint diagramja Összeállítottam a vas(II)-porfirin komplett, valamint kiegészítettem a vas(III)porfirin eddig ismert energiaszint (Jablonski) diagramját. 3.6. 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 heme 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.

88

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, then 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 equilibrium 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 ligand (aszkorbinsav (C6H8O6), formaldehid (H2CO), D-glükóz (C6H12O6), nitrogén-monoxid (NO), szulfo-cianid (SCN-), valamint fluorid (F-) ligandumok) on the formation of iron(II)-porphyrin was also investigated. In the presence of these ligands the iron(II)-porphyrin formed only in few amounts. 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. 89

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 formation kinetics of iron(II)- and iron(III)-porphyrin With the fitting of the model to the spectras measured in the systems with and without acetate buffer, the suggested mechanism has been proved. 2.3. 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 magnitudes larger than the appropriate rate constant of the iron(II)-porphyrin. 2.4. The temporarily formed two nuclear porphyrin derivative On the basis of the fitting of Lorentz functions to the spectra recorded in a certain time during the formation of iron(III)-porphyrin, at least one new porphyrin type complex was justified in the solution assigned as [Fe(II)-TPPS-Fe(III)]–. 3. The 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 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 life time with time-resolved spectroscopic method and the fluorescence quantum yields excited on Soret and Q bands as well. 3.3. The S2 emission of the iron(II)-porphyrin It was revealed, that the iron(II)-porphyrin show emission from the second excited state as well, which is very rare. The quantum yields of this emission was determined.

90

Theses

3.4. The photophysical properties of the iron(III)-porphyrin Corresponding 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. The energy level diagram of the iron(II)- and iron(III)-porphyrin The energy level diagram of the iron(II)-porphyrin was constructed and the generally known energy level diagram of the iron(III)-porphyrin was completed. 3.6. The photochemical properties of the iron(II)-porphyrin It has been revealed, that in the photolysis of Fe(II)TPPS4- the photoinduced porphyrin ligand-to-metal charge transfer (LMCT ) process took place, which was followed by detachment of the reduced metal center and an irreversible ringopening of the porphyrin ligand, resulting in the degradation of the complex. A mechanism for this photochemical reaction was proposed, furthermore the gross quantum yields were determined on both the Soret and the Q bands as well.

4. Fe(II)TPPS4- as 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) porpyrin to bind and release O2, as heme do. 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.

91

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 továbbá az Általános és Szervetlen Kémia Tanszék valamennyi dolgozójának, különösen Tilinger Ferencnének, a munka gyakorlati részében nyújtott segítségét.

92

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. 93

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

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.

33

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

34

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

35

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

36

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

37

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

38

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

39

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

40

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

41

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

42

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

43

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

44

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

45

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

46

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

47

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

48

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

49

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

50

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

51

O. Ohno, Y. Kaizu, H. Kobayashi, Bull. Chem. Soc. Japan, 1985, 58, 62. 94

Irodalomjegyzék

52

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

53

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

54

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

55

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

56

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

57

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

58

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

59

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

60

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

61

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.

62

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

63

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

64

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

65

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

66

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

67

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

68

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

69

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

70

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

71

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

72

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

73

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

74

K.M. Kadish, in Iron Porphyrins (H.B. Gray and A.B.P. Lever, eds.) vol. 3, p. 1, Addison-Wesley, Reading, Mass, 1990. 95

Irodalomjegyzék

75

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

76

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

77

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

78

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

79

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

80

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

81

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

82

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

83

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

84

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

85

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

86

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

87

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

88

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

89

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

90

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

91

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

92

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

93

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

94

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

95

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

96

J.P Collman, C.P. Herrman, B. Boitrel, X. Zhang, T.A. Eberspacher, L. Fu, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 9783.

97

J.P. Collman, R. Boulatov, C.J. Sunderland, L Fu, Chem. Rev., 2004, 104, 561-588.

98

K. Shikama, Coord. Chem. Rev., 1988, 83, 73.

99

K. Shikama, Chem. Rev., 1998, 98, 1357-1373.

100 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 101 J. Almong, J.E. Baldwin, J. Huff, J. Am. Chem. Soc., 1975, 97, 227-228. 96

Irodalomjegyzék

102 K. Kano, H. Kitagishi, C. Dagallier, M. Kodera, T. Matsuo, T. Hayashi, Y. Hisaeda, S. Hirota, Inorg. Chem., 2006, 45, 4448. 103 M.H. Barley, K.J. Takeuchi, T.J. Meyer, J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 5876. 104 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. 105 G. Peintler, I. Nagypál, A. Jancsó, I.R. Epstein, K. Kustin, J. Phys. Chem., 1997, 101, 8013. 106 A.D. Becke, J. Chem. Phys., 1993, 98, 5648. 107 C. Lee, W. Yang, R.G. Parr, Phys. Rev., 1988, B37, 785. 108 A.D. Becke, Phys. Rev., 1988, A38, 3098. 109 T.H. Dunning, P.J. Hay, in Modern Theoretical Chemistry (H.F. Schaefer, ed), 3:1, Plenum Press, New York, 1976. 110 P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys., 1985, 82, 270. 111 W.R. Wadt, P.J. Hay, J. Chem. Phys., 1985, 82, 284. 112 P.J. Hay, W.R. Wadt, J. Chem. Phys., 1985, 82, 299. 113 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. Al-Laham, 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. 114 B.D. Dunietz, A. Dreuw, M. Head-Gordon, J. Phys. Chem. B., 2003, 107. 5623. 115 C. Rovira, K. Kunc, J. Hutter, P. Ballone, M. Parrinello, J. Phys. Chem. A., 1997, 101, 8914. 116 D.L. Anderson, C.J. Weschler, F. Basolo, J. Am. Chem. Soc. Commun., 1974, 16, 17 117 M. Hoshino, K. Ozawa, H. Seki, P.C. Ford, J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 9568. 118 E.B. Fleischer, J.M. Palmer, T.S. Srivastava, A. Chatterjee, J. Am. Chem. Soc., 1971, 93, 3162. 119 V.T. Taniguchi, Ph.D. Thesis, University of California, Irvine, 1978. 120 L. Ciavatta, G. Nunziata, L.G. Sillen, Acta Chem. Scand., 1969, 42, 23, 1637. 121 M. Tabata, M. Babasaki, Inorg. Chem., 1992, 31, 5268. 97

Irodalomjegyzék

122 M. Tabata, W. Miyata, N. Nahar, Inorg. Chem., 1995, 34, 6492. 123 D.F. Shriver, P.W. Atkins, Inorganic Chemistry, Oxford University Press, Oxford, p. 651., 2002. 124 X. Xu, H. Zhang, C. Zhang, J. Cheng, Anal. Chem., 1991, 63, 2532. 125 W.S. Brinigar, C.K. Chang, J. Am. Chem. Soc. Comm., 1974, 96, 5595. 126 L. Zékány, I. Nagypál, G. Peintler, PSEQUAD for Chemical Equilibria, Technical Software distributors, 1991. 127 B.O. Fernandez, I.M. Lorkovic, P.C. Ford, Inorg. Chem., 2003, 42, 2. 128 N. Nahar, M. Tabata, J. Porph. Phthalo., 1998, 2, 397. 129 V. Barocci, R. Giovannetti, E. Carsetti, J. Porph. Phthalo., 1998, 2, 139. 130 Y. Inada, Y. Nakano, M. Inamo, M. Nomura, S. Funahashi, Inorg. Chem., 2000, 39, 4793. 131 S. Funahashi, Y. Inada, M. Inamo, Anal. Sci., 2001, 17, 917. 132 H.A. Dailey, C.S. Jones, S.W. Karr, Biochim. Biophys. Acta, 1989, 999, 7. 133 Z. Valicsek, O. Horváth, K.L. Stevenson, Photochem. Photobiol. Sci., 2004, 3, 669. 134 O. Horváth, Z. Valicsek, A. Vogler, Inorg. Chem. Commun., 2004, 7, 854. 135 R. Huszánk, O. Horváth, Chem. Commun. 2005, 224. 136 Z. Valicsek, O. Horváth, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2007, 186, 1-7. 137 H.Z. Yu, J.S. Baskin, A.H. Zewail, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 9845-9854. 138 J.S. Baskin, H.Z. Yu, A.H. Zewail, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 9837-9844. 139 A. Antipas, J.W. Buchler, M. Gouterman, P.D. Smith, J. Am. Chem. Soc., 1977, 100, 3015. 140 A. Harriman, J.C.S. Faraday Trans. I, 1981, 77, 369. 141 A. Harriman, J.C.S. Faraday Trans. I, 1980, 76, 1978. 142 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. 143 Kalyanasundaram K. Photochemistry of Porphyrin Complexes, Academic Press, London, 1992. 144 P. Kubát, J. Mosinger, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1996, 96, 93. 145 R.V. Bensasson, E.J. Land, T.G. Truscott, Flash Photolysis and Pulse Radiolysis, Pergamon Press, Oxford, 1983, p. 47. 146 K.M. Smith, J.J. Lai, Tetrahedron Lett., 1980, 21, 433. 147 M. Weissbluth, Struct. Bond., 1967, 2, 1. 148 K. Kano, R. Nishiyabu, T.Asada, Y. Kuroda, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 9937-9944. 98

Függelék

FÜGGELÉK

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

99

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

100

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

101

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

102

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

103

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

104

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

105

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.

106

HEM TÍPUSÚ VAS(II)- ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, TERMIKUS, FOTOFIZIKAI ÉS KÉMIAI VALAMINT REAKCIÓKINETIKAI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA

Recommend Documents