Komplexy rhenistanového anionu s porfyriny Vladimír Král, Petr Vaňura, Jitka Koukolová Ústav analytické chemie, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Praha V nukleární medicíně se radionuklidy používají jak pro diagnostické, tak i radioterapeutické účely. V obou případech vyžadujeme specifickou vazbu příslušných radionuklidů na zcela specifickou tkáň organismu. Toho se dosahuje použitím vhodných proteinů, jejichž vazba na určité tkáně je selektivní na principu „zámek-klíč.“ Problémem bývá, že tyto sloučeniny zpravidla není možné chemicky navázat přímo na radionuklid, vyskytující se zpravidla v iontové formě. Jako „mezičlánek“ využíváme proto komplex radionuklidu s vhodným organickým ligandem. V případě radionuklidů, které tvoří kationy je k dispozici řada komplexovadel, ze kterých největší rozšíření nalezla DTPA a EDTMP, Radioisotopy rhenia 186Re a 188Re a radionuklid technecia 99mTc, sloužící pro terapeutické účely jsou často vázány v aniontové formě jako ReO4- a TcO4-. Hledání vhodných ligandů pro komplexaci anionů stále probíhá, ačkoliv se podařilo nalézt novou skupinu makrocyklických sloučenin na bázi porfyrinů, které s ReO4- a TcO4 vytvářejí relativně pevné komplexy1-4. Cílem této práce je sledovat tvorbu komplexů ReO4- s ligandy na bázi porfyrinů a pro vybrané z nich určit i jejich složení a konstanty stability. Experimentální část Rhenistan draselný o chemické čistotě > 99% (Fluka) i ostatní chemikálie (Lachema Brno, čistoty p.a.) byly použity bez dalších úprav. Syntéza porfyrinů je popsána v práci5. Tvorba komplexů ReO4- s porfyriny byla sledována spektrofotometrickou nebo fluorescenční titrací. Titrovaný roztok tvořil porfyrin, který byl titrován roztokem KReO4. nebo roztokem obsahujícím vedle KReO4. i porfyrin o stejné koncentraci, jaká byla přítomna v titrovaném roztoku. UV/VIS spektroskopie byla prováděna na dvoupaprskovém přístroji Varian Cary UV/VIS. Fluorescenční spektroskopie byla prováděna na přístroji Fluoro Max–2. Všechna měření byla prováděna v kyvetách o tloušťce 1 cm, zhotovených z křemenného skla. Koncentrace porfyrinu byly voleny tak, aby výsledná hodnota absorbance A byla menší než A = 2. Analogicky byly vybrány koncentrace pro fluoromertická měření. Fluorescenční titraci lze provádět v oblasti nižších koncentrací ReO4-, než měření absorbance. Vlnová délka excitačního záření byla cca 420 nm, emisní spektra byla měřena pro vlnovou délku emitovaného záření 645 nm. Šířka štěrbiny byla v obou případech 2,3 nm. Homogenita měřeného vzorku byla dosažena promícháváním roztoku pomocí magnetického míchadla po dobu 2 min. Každá sada měření byla opakována minimálně dvakrát. Výsledky a diskuse Byla sledována tvorba komplexů iontu ReO4- s celou řadou porfyrinů a také s komplexy porfyrinů s kovy. Podrobněji byly sledovány porfyriny I – IV, jejichž strukturní vzorce jsou uvedeny na schématech 1–4, a také pro komplexy porfyrinů V a VI (schémata 5 a 6) s Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ a Co(III)Cl2+. Byly změřeny závislosti absorbancí sady roztoků o konstantní koncentraci Porfyrinu I na koncentraci přidaného KReO4. Tato závislost je pro Porfyrin I zobrazena na Obr. 1. Vedle toho byla změřena emisní a excitační spektra, rovněž pro titraci roztoků porfyrinu roztokem KReO4 (Obr. 2 a Obr. 3).
53
O H O
OCH3 OCH3
H N
O H
H
Br
H
H
N
N
O
N
Br N
N
H
OCH3
H N
OCH3 N Br N H H3CO
N
Br
H3CO
H3CO
N
H
O H
O
H H3CO
N
H
O H
O
Schéma 1 Strukturní vzorec Porfyrinu I, C132H137Br4N12O12 (MW =2403,19).
Schéma 2 Strukturní vzorec Porfyrinu II C140H138Br4N12O16 (MW = 2564,28).
Schéma 3 Strukturní vzorec Porfyrinu III, C246H240Br2N22O24 (MW=4527,90).
Schéma 4 Strukturní vzorec Porfyrinu IV C242H244Br8N22O24 (MW=4483,89).
54
0
2
0.015 1.8
0.030
1.6
0.045 0.060
A
1.4
0.075
1.2
0.089 0.104
1
0.146
0.8
0.174 0.227
0.6
0.279 0.4
Obr. 1 Spektrofotometrická titrace 1.54.10-5 mol/l roztoku Porfyrinu I roztokem KReO4 v porfyrinu. V legendě jsou uvedeny koncentrace KReO4, odpovídající jednotlivým křivkám v mmol/l.
0.423 0.512
0.2
0.614 0 380
0.708 400
420
440
λ
460
0.938
100000 0 90000
0.095
80000
0.183 0.266
70000
0.345 0.489
60000
I
0.555 50000
0.617 0.733
40000
Obr. 2 Emisní spektra 1,54.10-7 mol/l roztoku Porfyrinu I při titraci roztokem KReO4 rozpuštěném v porfyrinu téže koncentrace.
0.933 30000
1.172
20000 10000 0 600
620
640
660
680
700
720
λ 740
350000
0 0.14 0.28 0.40 0.52 0.63 0.74 0.93 1.10 1.26 1.40 1.53 1.76 2.13 2.52
300000
250000
200000
I 150000
100000
50000
Obr. 3 Excitační spektra 3,83.10-7 mol/l roztoku Porfyrinu I při titraci roztokem KReO4 rozpuštěném v porfyrinu téže koncentrace.
0
350
400
450
500
λ
550
Výsledky byly zpracovány pomocí programu LTGW-Spefo, odvozeného od programu Letagrop. Vstupem programu jsou závislosti absorbance nebo intenzity fluorescence roztoku porfyrinu na koncentraci KReO4. Program předpokládá, že ve sledovaném systému probíhají reakce p ReO4- + q L ⇔ (ReO4-)pLq ,
(1)
kde L značí porfyrin, takže rovnovážnou konstantu reakce (1) lze vyjádřit jako K ( p, q ) =
[(Re O −4 ) p L q ] [Re O 4− ]p [L]q
.
(2)
Uvažována byla tvorba komplexů (ReO4-)L, (ReO4-)2L a (ReO4-)2L. Pro UV-VIS data byly minimalizovány hodnoty absorbancí A, takže pro minimalizovanou sumu čtverců odchylek U platí
55
U = Σ(log Acalc - log Aexp)2 ,
(3)
kde Aexp je naměřená hodnota absorbance v daném bodě, Acalc hodnota absorbance vypočtená pro minimalizované hodnoty konstant K(p,q) za předpokladu platnosti LambertBeerova zákona. Pro fluorescenční data byl výpočet prováděn analogickým způsobem za předpokladu aditivity intenzity fluorescenčního záření emitovaného jednotlivými komplexy a volným porfyrinem a linearity závislosti intenzity záření, emitovaného danou složkou na její koncentraci, takže U = Σ(log Icalc - log Iexp)2 ,
(4)
kde I je intenzita emitovaného záření. Kritériem pro potvrzení přítomnosti dané sady komplexů byla jednak hodnota funkce U a dále grafická shoda teoretických závislostí hodnot A resp. I s naměřenými daty (viz Obr. 4-7,9). Obrázky obsahují naměřená experimentální data spolu s teoretickými křivkami, vypočtenými na základě spočtených rovnovážných konstant. Testovány byly i složitější modely ale bylo zjištěno, že experimentální data lze vysvětlit za předpokladu existence maximálně tří komplexů 1:1 (tj. ReO4-)L), 1:2 (tj. (ReO4-)L2) a 2:1 (tj. (ReO4-)2L) přičemž komplex (ReO4-)2L) za daných podmínek převládá.
Obr. 4 Spektrofotometrická titrace 1,54.10-5 Obr. 5 Spektrofotometrická titrace 2,446.10-6 mol/l roztoku Porfyrinu I roztokem KReO4. mol/l roztoku Porfyrinu II roztokem KReO4. λ = 397 nm ; λ = 414 nm; λ = 418 λ = 416 nm; λ = 420 nm; λ = nm; λ = 423 nm; λ = 432 nm. 433 nm. Pokud jsou tabelovány hodnoty konstant, získané pro jednotlivé titrace (Tab. 1, 2), je uvedena hodnota směrodatné odchylky pro průměr z veškerých měření, zahrnující jak spektrofotometrickou, tak fluorometrickou titraci. V ostatních případech se interval spolehlivosti týká měření jednou metodou a interval spolehlivosti je spočten programem Letagrop postupem, popsaným v práci 6. Závislost absorbance roztoku porfyrinu I na koncentraci přidaného KReO4 je na Obr. 4. Bylo zjištěno, že ve sledovaném systému existují komplexy 1:1, 1:2 i 2:1. Nalezené hodnoty konstant stability pro jednotlivá měření jsou shrnuty v Tab. 1, spolu s výsledky, získanými z excitačních a emisních spekter. Z tabulky je zřejmé, že hodnoty konstant, spočtených pro UV-VIS, emisní fluorescenční a excitační fluorescenční titraci jsou blízké, takže předpokládaný model dobře vystihuje experimentální data. 56
Porfyrinu I se podobá Porfyrin II, výsledky jehož spektrofotometrické titrace jsou zobrazeny na Obr. 5. Konstanty stability pro komplexy, předpokládané v systému s tímto porfyrinem jsou uvedeny v Tab. 2. Tab. 1 Konstanty stability K(p,q) komplexů (ReO4-)pLq s Porfyrinem I jako ligandem (L) Měření
log K (1,1)
Log K (1,2)
log K (2,1)
UV-VIS č 1
4,91
10,06
7,59
UV-VIS č 2
5,36
11,39
7,98
Emisní 1
4,31
11,71
7,45
Emisní 2
3,59
9,64
6,94
Excitační 1
4,84
11,29
8,03
Excitační 2
3,94
11,60
6,56
Průměr
4,49
10,95
7,42
Směr. odchylka průměru
0,27
0,36
0,24
Tab. 2 Konstanty stability K(p,q) komplexů (ReO4-)pLq s Porfyrinem II jako ligandem (L) Měření
log K (1,1)
log K (1,2)
log K (2,1)
UV-VIS č 1
-0,60
11,63
7,76
UV-VIS č 2
3,92
11,59
7,51
UV-VIS č 3
2,52
9,91
6,35
Emisní 1
-4,45
11,84
7,11
Emisní 2
5,05
13,93
7,70
Emisní 3
3,74
11,51
6,78
Průměr
1,70
11,73
7,20
Směr. odchylka průměru
1,46
0.53
0.23
V tomto případě se ale nepodařilo prokázat existenci komplexu 1:1, jehož podíl ve sledovaných systémech vychází nízký a rozdíly v hodnotách příslušné rovnovážné konstanty mezi jednotlivými měřeními jsou vysoké. Jistá je jen existence komplexů (ReO4-)2L a pravděpodobně jsou přítomny i částice (ReO4-)L2. Třeba poznamenat, že existenci sendvičových komplexů, kde částice receptoru leží mezi dvěma ionty ReO4-) předpokládá i Katayev a spol.3 Porfyriny III a IV obsahují na rozdíl od porfyrinů I a II dva kruhy. Ačkoliv by se mohlo předpokládat, že dochází ke vzniku „sendvičových“ komplexů typu (ReO4-)L, naměřená data tento předpoklad nepotvrdila (Obr. 6 a 7). Ve sledované oblasti rovněž převládají komplexy (ReO4-)2L. Pro Porfyrin III byly při opakovaných měřeních zjištěny hodnoty log K(2,1) = 5,66±0,1 (UV-VIS, 5 měření, c(L) = 10-4 mol/l), log K(2,1) = 6,10±0,06 (emisní spektra, 3 57
měření, c(L) = 3,18.10-7 mol/l) a log K(2,1) = 6,10±0,06 (excitační spektra, 3 měření c(L) = 3,18.10-7 mol/l). Ačkoliv se zjištěné konstanty stability pro spektrofotometrická a fluorescenční měření liší, není vzhledem k rozdílu v koncentracích tento rozdíl výrazný. V případě Porfyrinu IV byly výsledky analogické jako pro Porfyrin III. Ze spektrofotometrických dat byla spočtena hodnota log K(2,1) = 5,14±0,07 (UV-VIS, 5 měření, c(L) = 6,16.10-6 mol/l). Z emisních spekter byla vypočtena hodnota log K(2,1) = 5,19±0,2 (4 měření, c(L) = 2,71-7 mol/l), z excitačních spekter log K(2,1) = 6,35±0.15 (4 měření, c(L) = 2,7.10-7 mol/l). V tomto případě dávají spektrofotometrická a emisní měření téměř shodné výsledky, zatímco hodnota konstanty stability zjištěná z excitačních měření je o řád vyšší. Pro Porfyrin IV nevystihuje však teoretická závislost plně experimentální data. Pokud byly k jednoduchému modelu přidány i komplexy (ReO4-)L2 a (ReO4-)L, shoda mezi teoretickými a naměřenými daty se sice zlepší, ale vypočtené hodnoty konstant stability jsou zatíženy velkou nejistotou, takže přítomnost těchto komplexů nelze považovat za prokázanou.
Obr. 6 Spektrofotometrická titrace 6,16.10-6 mol/l roztoku Porfyrinu III roztokem KReO4. λ = 387 nm; λ = 418 nm; λ = 422 nm; λ = 433 nm.
Obr. 7 Spektrofotometrická titrace 9,94.10-5 mol/l roztoku Porfyrinu IV roztokem KReO4. λ = 418 nm; λ = 423 nm; λ = 435 nm.
Vedle samotných porfyrinů tvoří komplexy s anionem ReO4- také komplexy porfyrinů s dvojmocnými kovy. Byla sledována tvorba komplexů anionu ReO4- s porfyriny, obsahujícími kation, pevně navázaný uprostřed kruhu. Bylo zjištěno, že tento komplex se chová velice podobně jako samotný porfyrin. Titrační závislosti pro Zn formu porfyrinu VI jsou uvedeny na Obr. 8 a 9. V případě těchto porfyrinů byla titrace prováděna ve vodných roztocích, pufrovaných pufrem HEPES ((4-(2hydroxyethyl)-1-piperazinethansulfonová kyselina) na pH = 7. Z obrazů je zřejmé, že kovové formy porfyrinu reagují s anionem ReO4- téměř stejně, jako samotný ligand. Složení a konstanty stability komplexů, které vytváří kovové formy porfyrinů a ReO4- jsou uvedeny v Tab. 3. Z tabulky je zřejmé, že sledované kovové formy porfyrinů se při komplexaci chovají stejně bez ohledu na centrální ion kovu. Ve všech případech převládají
58
částice log K((ReO4-)2L), jejichž konstanty stability mají přibližně stejnou hodnotu, log K = 6. V případě komplexů s Co2+ a Ni2+ byl pozorován i možný vznik komplexu log K(ReO4-L), jehož konstanta je však zatížena značnou nejistotou, takže jeho existenci nelze považovat za prokázanou.
H3CO
OCH3
H3CO
O
O N N
Br
Br
N N
O
M
O N
Br
Br N
O
OCH3
N
H3CO
O
N
OCH3 N
N
OCH3
N
N
H3CO
H3CO
N
O OCH3
OCH3
O
N
O H3CO
H3CO
OCH3
M
H3CO
OCH3
N
O
N
O
N
N
O
N N
N
O
N O Br
N
N
O
Br
O Br
Schéma 5 Strukturní vzorec Porfyrinu V.
Br
Schéma 6 Strukturní vzorec Porfyrinu VI.
1 0 0.00022 0.00043 0.00063 0.00083 0.00102 0.00120 0.00138 0.00154 0.00187 0.00217 0.00245
0.9
A 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400
420
440
λ
460
Obr. 8 Spektrofotometrická titrace 2.10-6 mol/l roztoku Zn komplexu Porfyrinu VI roztokem KReO4.. V legendě jsou uvedeny koncentrace KReO4., odpovídající jednotlivým křivkám v mmol/l.
59
Obr. 9 Spektrofotometrická titrace 2.10-6 mol/l roztoku Zn komplexu Porfyrinu VI roztokem KReO4.. λ = 418 nm; λ = 435 nm; λ= 420 nm; λ = 440 nm.
Tab. 3 Tvorba komplexů sloučenin porfyrin – kov s anionem ReO4- ve vodě za přítomnosti pufru, tvořeného 0,02 M roztokem HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazinethansulfonová kyselina) Porfyrin
Iont
Mr
log K((ReO4-)L)
log K((ReO4-)2L)
VI
Zn2+
2627,65
-
6,09 ± 0,14
V
Cu2+
2625,81
-
5,83 ±0,24
VI
Co2+
2621,20
1,66 (1,89)
5,06 ±0,05
V
Ni2+
2620,96
2,68 (3,08)
6,27(6,60)
VI
Ni2+
2620,96
-
5,70 ± 0,11
V
Co(III)Cl 2656,65
-
6,04 ±0,12
VI
Fe3+
-
6,01±0,09
2618,11
Závěr Bylo prokázáno, že řada porfyrinů vytváří a anionem ReO4- ve vodě poměrně pevné komplexy. Přestože pravděpodobně vznikají i komplexy K(ReO4-L) a ReO4-)L2, za podmínek, kdy je anion v přebytku převládají komplexy (ReO4-)2L, které byly jednoznačně prokázány pro všechny sledované porfyriny a také pro komplexy porfyrinů s dvojmocnými ionty přechodných kovů (Zn2+, Cu2+, Co2+, Ni2+), s iontem Fe3+ a také s částicí Co(III)Cl2+. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Katayev E. A., Kolesnikov G. V., Sessler J. L., Chem. Soc. Rev., 38 (2009) 1572. Gorden A. E. V., Davis J., Sessler J. L., Král V., Keogh D. W., Schroeder N. L., Supramolecular Chemistry, 16 (2004) 91. Katayev E. A., Kolesnikov G. V., Khrustalev V. N., Antipin M. Yu., Askerov R. K., Maharramov A. M., German K. E., Kirakosyan G. A., Tananaev I. G., Timofeeva T.V., J. Radioanal. Nucl. Chem., 282 (2009) 385. Kolesnikov G. V., German K. E., Kirakosyan G., Tananaev I. G., Ustynyuk Y. A., Khrustalev V. N., Katayev E. A., Org. Biomol. Chem., 9 (2011) 7358. Král V., Pataridis S., Setnička V., Záruba K., Urbanová M., Volka K., Tetrahedron, 61 (2005) 5499. Sillén L. G., Warnqvist B., Arkiv Kemi, 31 (1969) 315.
Complexes of perrhenate anion with porphyrins Vladimír Král, Petr Vaňura, Jitka Koukolová Department of Analytical Chemistry, Institute of Chemical Technology in Prague, Prague, Czech Republic Complex formation of perrhenate anion with porphyrins and porphyrin – metal complexes was investigated by means of spectrophotometric and fluorescence titrations. It was found that (ReO4-)L, (ReO4-)L2 and (ReO4-)2L complexes are formed in the systems under study and the complex (ReO4-)2L prevails. The stability constants of the above complexes have been calculated by the least-squares minimizing program Letagrop-Spefo.
60
