Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Линейные олигопирролы: структурные, биохимические и физико-химические аспекты 8
1.1. Особенности строения, классификации и номенклатуры 8
1.2. Пути биосинтеза и биохимические функции 14
1.3. Физико-химические свойства 23
Глава 2. Физико-химические свойства используемых в работе органических растворителей 43
2.1. Системы классификации органических растворителей 43
2.2. Инертные апротонные растворители 46
2.3. Электронодонорные растворители 46
2.4. Протонодонорные растворители 48
Экспериментальная часть 49
Глава 3. Объекты и методы исследования 49
3.1. Подготовка объектов исследования .49
3.2. Методики очистки органических растворителей 49
3.3. Электронная спектроскопия 50
3.4. Колебательная спектроскопия 52
3.5. Калориметрия растворения 53
3.5.1. Конструкция калориметра и калориметрический эксперимент 53
3.5.2. Методика обработки экспериментальных данных 54
3.6. Метод молекулярной механики 57
3.7. Термогравиметрический анализ 58
Результаты и их обсуждение 62
Глава 4. Сольватационные эффекты в растворах билирубина и его модельных аналогов 62
Глава 5. Закономерности кислотно-основных и координационных ( свойств линейных олигопирролов 74
5.1. Сродство к протону алкилпроизводных дипирролилметена, биладиена-д,с и их аналогов 76
5.2. Колебательные спектры дипирролилиметенов 78
5.3. Термическая устойчивость солей ди- и тетрапирролов 83
5.4. Взаимосвязь физико-химических характеристик основности ди- и тетрапирролов 85
5.5. Кинетика сольволитической диссоциации дигидробромида алкилзамещенного биладиена-а,с 87
5.6. Особенности комплексообразования биладиена-я,с с ацетатами -металлов 92
Глава 6. Особенности термоокислительной деструкции билирубина и его синтетических аналогов 98
Основные итоги и выводы 105
Приложение 106
Список литературы
- Пути биосинтеза и биохимические функции
- Электронодонорные растворители
- Электронная спектроскопия
- Термическая устойчивость солей ди- и тетрапирролов
Введение к работе
Актуальность работы. Высокая биологическая активность и широкие возможности практического применения линейных олигопирролов - желчных пигментов и их аналогов - базируются на уникальном наборе их физико-химических свойств , в том числе: высокой хромофорной активности, способности к кислотно-основным взаимодействиям и селективному связыванию ионов й?-металлов, структурно-конформационной инвариантности и др. Свойства желчных пигментов в растворах существенно зависят от природы сольватного окружения, определяющей особенности специфической и универсальной сольватации тетрапиррольных молекул ' . Уникальное поведение билирубина на границе водной и органической фаз уже находит применение при моделировании мембранных структур клетки и для обучающей визуализации фотоинициируемых структурных изменений молекулы пигмента . Термодинамические и кинетические характеристики кислотно-основных и координационных взаимодействий структурных аналогов желчных пигментов - дипирролилметанов, дипирролилметенов, биладиенов-а,с - необходимы для оптимизации условий тем-платного синтеза порфиринов и корролов из линейных предшественников и разработки доступных спектрофотометрических методов обнаружения ионов металлов в виде комплексов с олигопирролами в водных и неводных растворах. Результаты исследований термической деструкции свободных лигандов ди- и тетрапирролов и их ониевых солей с минеральными кислотами в аэробных условиях представляют интерес как для поиска путей модернизации методик синтеза макроциклов, хранения и транспортировки лекарственных форм линейных олигопирролов, так и для понимания их фундаментальной роли в системах антиоксидантной защиты организмов .
В связи с этим исследование особенностей сольватации, кислотно-основных, координационных свойств и термоокислительной деструкции билирубина и его синтетических аналогов является актуальной задачей физической химии биологически активных соединений.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ кафедры неорганической химии ГОУ ВПО ИГХТУ и лаборатории «Физическая химия макроциклических соединений» ИХР РАН; поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 05-03-07006 и № 06-03-96341).
Цель работы заключалась в изучении физико-химических свойств билирубина и его синтетических аналогов с различными типами алкильного и гетероатомного за-
I Folk Н. The Chemistry of Linear Oligopyrroles and Bile Pigments. N.-Y.: Wien. 1989. 567 p.2 Ландау M.А. Моле
кулярные механизмы действия физиологически активных соединений. М.: Наука, 1981. 262 с. 3 Lightner D.A.,
Adams Т.С., Ma J.S. II Tetrahedron. 1984. Vol. 40. P. 4253. 4 Xie A.J., Shen Y.H., Huang F.Z., Zhuang Y.L., Song Q.P.
II Chin. J. Appl. Chem. 2003. Vol. 20. P. 823-828.5 Yoko K., Tatsuo A. II Chem. and Educ. 2003. Vol. 51. P. 567-568.
6 Chepelev L., Beshara С et al. II J. Org. Chem. 2006. Vol. 71. P. 22-30.
4 мещения. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: 1) установить закономерности универсальной и специфической сольватации билирубина и его синтетических моделей - алкилзамещенных биладиена-а,с в органических растворителях различной природы с использованием данных по энтальпиям растворения и электронным спектрам поглощения; 2) провести анализ термодинамических и кинетических характеристик устойчивости протонированных форм ряда дипирролилмете-нов, их окса- и тиа-производных, а также биладиенов-а,с в различных агрегатных состояниях в зависимости от строения гетероциклического лиганда, природы среды и температуры по данным компьютерного моделирования, электронной и колебательной спектроскопии, дифференциального термического анализа; 3) исследовать реакции комплексообразования структурного аналога билирубина - алкилзамещенного биладиена-а,с с солями й?-металлов; 4) изучить процессы термоокислительной деструкции структурно-родственных линейных ди- и тетрапирролов для установления влияния природы периферийных групп, степени олигомеризации и солеобразования на их термическую устойчивость.
Научная новизна. С использованием калориметрии растворения, электронной и колебательной спектроскопии, дифференциального термического анализа и компьютерного моделирования исследованы важнейшие физико-химические свойства билирубина и его синтетических аналогов. Выявлены особенности сольватации билирубина индивидуальными и смешанными органическими растворителями; показана роль специфической сольватации в реакциях депротонирования дигидробромидов биладиенов-а,с. Обнаружены корреляции между величинами сродства к протону свободных лигандов линейных ди- и тетрапирролов в газовой фазе, частотами колебаний NH-связей в ИК-спектрах и энтальпиями термической диссоциации их солей. Выявлен новый класс биядерных комплексов биладиенов-а, с с ионами переходных металлов и обоснованы условия их формирования в органическом растворителе. Проанализировано влияние молекулярной структуры, в том числе природы периферийных заместителей и солеобразования, на термическую устойчивость ди- и тетрапиррольных соединений.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для развития теоретико-практических представлений в области физической химии растворов биологически активных соединений, координационной химии, органической химии (оптимизация темплатного синтеза порфиринов), аналитической химии (спектрофотометрическое обнаружение ионов й?-металлов), клинической биохимии (разработка методик аналитического определения желчных пигментов в биосредах) и др. Обнаруженные корреляции позволяют прогнозировать физико-химические свойства неизученных систем. Некоторые результаты настоящей работы предполагается использовать при проведении лабораторных занятий в бакалавриате и магистратуре Ивановского отделения Высшего химического колледжа РАН по курсам «Химия ко-
5 ординационных соединений» и «Сольватация и комплексообразование линейных и макроциклических олигопирролов». Кроме того, высокая точность и надежность полученных экспериментальных данных позволяет использовать их как материал справочного уровня.
Вклад автора. Экспериментальное исследование всех представленных систем проведено лично. Планирование эксперимента, обработка и обсуждение результатов выполнены совместно с научным руководителем к.х.н., ст.н.с. Е.В. Антиной.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXIV, XXV, XXVI научных сессиях Российского семинара по химии порфи-ринов и их аналогов (Иваново, 2003, 2004, 2005); XXI и XXII Международных Чуга-евских конференциях по координационной химии (Киев, 2003; Кишинев, 2005); IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003); Юбилейной научной конференции «Герасимовские чтения» (Москва, 2003); XI и XIII Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2004, 2006); XV Международной конференции по химической термодинамике (Москва, 2005); Европейской конференции по калориметрии и термическому анализу для окружающей среды (Польша, Закопане, 2005); Международной конференции по химии гетероциклических соединений (Москва, 2005); III Международной конференции «Экстракция органических соединений» (Воронеж, 2005); XII Международном симпозиуме по феномену растворимости и родственным равновесным процессам (Германия, Фрейберг, 2006) и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях, 6 депонированных рукописях и тезисах 22 докладов, представленных на Международных и Российских научных мероприятиях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 130 страницах, содержит 23 таблицы, 49 рисунков и состоит из введения, 6 глав, основных итогов и выводов, приложений, библиографического списка, содержащего 194 ссылки на цитируемые литературные источники отечественных и зарубежных авторов.
Пути биосинтеза и биохимические функции
Основной путь образования биливердина и билирубина (рис. 1.4) протекает через стадию окисления гема крови в клетках макрофагов, в частности, в звездчатых ретикулоэндотелиоцитах, а также в Рис 14 Специфический путь катаболизма гистиоцитах соединительной ткани гема с образованием желчных пигментов. любого органа [30]. Кроме того, ферментативное окисление цитохромов, ката-лазы, триптофанпирролазы и др. также проходит через стадии образования желчных пигментов, но их роль в пигментном обмене печени не велика [31]. Изучению химизма постадийного окисления гема посвящено большое число работ [30-35]; однако вопросы образования промежуточных форм и участия коферментов в этом процессе до сих пор остаются открытыми.
Первая реакция окисления гема катализируется гем-оксигеназой - ферментом эндоплазматического ретикулума. При участии НАДФН один из мете-новых мостиков тетрапиррольной структуры гема окисляется кислородом, при этом углерод метеновой связи превращается в монооксид углерода СО. В общем случае продуктом реакции является биливердин - желчный пигмент зеленого цвета. Предполагают, что возможными интермедиатами ферментативного окисления гема в биливердин являются комплексы железа(И) с оксофлорином (а) и его пероксидным производным (б):
Некоторые данные также указывают на расщепление метановой связи гема до биливердина без потери ионов Fe2+; при этом еще одним промежуточным продуктом служит металлокомплекс биливердина, который в дальнейшем подвергается гидролизу [36]. Имеются некоторые экспериментальные доказательства того, что на первой стадии окисления гема принимают участие аскорбиновая кислота, ионы Fe2+ и другие кофакторы [37,38].
Следующей стадией распада гема является восстановление биливердина до красно-коричневого билирубина при участии биливердинредуктазы цитозо-ля. Образовавшийся билирубин называют непрямым (неконъюгированным); он не растворим в нейтральных водных растворах. Высокая липофильность билирубина преодолевается с помощью транспортного белка плазмы крови - альбумина, способного связывать до 60-ти молекул билирубина при избыточном поступлении последнего в кровь [2]. В виде макромолекулярного комплекса с альбумином билирубин транспортируется кровью в печень, где происходит его коньюгация с глюкуроновой кислотой с образованием моноглюкуронидов (см. рис. 1.4). Эта реакция катализируется билирубин-УДФ-глюкуронилтрансферазой, синтезируемой в эндоплазматическом ретикулуме; при этом во взаимодействие вступает УДФ-глюкуронат. Может также происходить синтез диглюкуронидов билирубина, образование которых из моноглюкуронидов обсуждается как с позиции возможности их спонтанного синтеза [32], так и переноса глюкуроната [35]. Кроме того, отмечается [37], что в реакциях конъюгации билирубина могут участвовать сахароза, монноза и другие простые сахара. Коньюгаты билирубина («прямой» билирубин) растворимы в воде и легко выводятся с желчью в кишечник.
По мнению некоторых авторов [39], более правильно именовать билирубин, образующийся непосредственно при распаде гема, свободным, или неконъюгированным. Соответственно, конъюгаты билирубина - связанным, или конъюгированным билирубином.
В кишечнике моно- и диглюкурониды билирубина под действием бактериальных ферментов гидролизуются, а вновь образовавшийся билирубин восстанавливается по двойным связям, образуя две группы тетрапиррольных продуктов - уробилиногенов и стеркобилиногенов. Основная масса этих веществ (около 95%) выводится с калом. Остальная часть уробилиногенов и стеркобилиногенов всасывается из кишечника в кровь и затем вновь попадает в желчь, а также частично выводится через почки. Уробилиногены и стеркобилиногены -бесцветные соединения; в кале и выпущенной моче они окисляются кислородом воздуха с образованием уробилинов и стеркобилинов, имеющих желтую окраску.
В биохимической литературе продукты превращений билирубина называют желчными пигментами независимо от того, имеют они окраску или нет; все они в тех или иных количествах обнаруживаются в желчи [30]. Здоровый взрослый человек ежедневно выделяет 200-300 мг желчных пигментов с калом и 1-2 мг - с мочой. Желчные пигменты практически всегда содержатся в желчных камнях, а примерно в ХЦ случаев являются их основным компонентом. Определение концентрации желчных пигментов в крови и моче применяют для выяснения происхождения различного рода желтух [40].
Другим, менее важным путем образования линейных тетрапирролов является биосинтез гема, хлорофиллов, витамина Bj2 и др. тетрапиррольных пигментов; к настоящему времени расшифрована общая картина данных процессов [21]. Начальным этапом синтеза тетрапиррольной циклической структуры является конденсация глицина с сукцинил-коэнзимом А с образованием 8-аминолевулиновой кислоты (5-АЛК):
Электронодонорные растворители
Образование водородных связей, как известно, играет решающую роль в проявлении биомолекулами жизненных функций. Поэтому изучение атомно-молекулярных группировок - центров образования Н-связей в молекулах биологически и физиологически активных веществ в рамках структурно-термодинамического подхода позволяет решить задачу «структура +- свойство - биохимическая функция».
Водородная связь широко распространена и сильно влияет на свойства растворителей. Причем водородную связь могут образовывать атомы не только с сильным сродством к электрону, но и со слабым сродством, как, например, атомы инертных газов, а также молекулы ранее считавшегося инертным растворителя ССЦ.
Растворители по способности к образованию Н-связей, определяющих структурированность среды, подразделяют на пять групп [124]: 1) способные к образованию благодаря ассоциации их молекул объемной сетки водородных связей; характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью при сравнительно малом дипольном моменте (вода, глицерин и др.); 2) способные к образованию двухмерной сетки Н-связей (спирты, фенолы); 3) не образующие сеток Н-связей, но способные к образованию водородных связей с протонодоно-. рами (амины, эфиры, альдегиды и др.); 4) способные к образованию Н-связей, но не имеющие атомов с ярко выраженными свойствами акцепторов протонов (хлороформ, дихлорэтан); 5) не способные к образованию Н-связей.
Для настоящего исследования важно также подразделить растворители с позиции координационной химии на координирующиеся и некоординирую-щиеся [125]. В рамках данного подхода растворители, способные к образованию координационных связей с электроноакцепторами, называются донорными (преимущественно сольватируют ионы металлов), а растворители, образующие координационные связи с электронодонорами, - акцепторными растворителями (преимущественно сольватируют анионы).
Количественные критерии донорной способности растворителей измеряются их химическим сродством к любому акцептору электронной пары. В экспериментальном плане наиболее доступными являются донорные числа (DN) по Гутману [126]. Эти числа - безразмерные величины, численно равные изменению энтальпии, взятой с обратным знаком, при донорно-акцепторном взаимодействии SbCls с одним молем кислород- и азотсодержащих растворителей в дихлорэтане. При этом предполагается, что в растворах не происходит авто-комплексообразование: 2SbCb - [SbCy- + [SbCLj]"1"; протонное сродство СГ лигандов во внутренней координационной сфере SbCls не зависит от природы растворителя; сольволиз связей Sb-Cl отсутствует; нет стерических препятствий процессу взаимодействия растворителя с SbCls. Фактический материал по этому вопросу свидетельствует о том, что во многих случаях перечисленные процессы действительно не проявляются. Наличие линейной корреляции энтальпий и свободных энергий реакций SbCls + Solv [SbCls Solv] означает, что изменение энтропии в ходе этой реакции мало зависит от природы растворителя, поэтому величину АН (DN) можно принять за относительную меру химического сродства SbCl5 к растворителю. Важно отметить, что шкала донор-ных чисел по Гутману хорошо коррелирует с другими калориметрическими шкалами донорности, поэтому является вполне самодостаточной для анализа известных типов донорно-акцепторных взаимодействий в растворах [127].
С высокой степенью точности электронодонорные свойства растворителей измеряются энергиями их присоединения к газообразным акцепторам электронной пары [123]. Когда в качестве электроноакцептора используется Н+, измеряемая величина АН есть сродство к протону (РА). Сродство к протону - абсолютная мера охэлектронной донорности растворителя, равно как и.любого другого соединения. В этом случае полностью исключается вклад прямой и обратной дативной тг-связи, стерических эффектов.
Как показано в Главе 1, универсальные и специфические взаимодействия с протоно- и электронодонорами, а также с ароматическими молекулами и их фрагментами во многом определяют физико-химические свойства и биохимические функции линейных олигопирролов. Поэтому для полноты представлений о характере сольватации подобных соединений в натурном эксперименте необходимо использовать растворители различной химической природы, моделирующие основные типы универсальных и специфических взаимодействий с молекулами объектов исследования.
На основе теоретически предполагаемых взаимодействий в испытуемых растворных системах и с учетом растворимости исследуемых соединений в данной работе в качестве сольватирующей среды выбраны индивидуальные органические растворители, которые целесообразно разделить на три группы: 1. Инертные апротонные растворители (С6Нб, ССЦ). 2. Электронодонорные растворители (ДМФА, ДМСО, Ру, MeCN). 3. Протонодонорные растворители (СНС13).
Рассмотрим важнейшие физико-химические свойства перечисленных растворителей. Бензол (С6Нб) - бесцветная жидкость с х рактерным запахом. Молекула бензола представ ляет собой правильный шестиугольник с внутрен НИМИ углами 120 И межатомным расстоянием Структурная формула бензола 0.139 нм. Бензол - родоначальник углеводородов ароматического ряда. Химические свойства бензола определяются наличием в его молекуле стабильной замкнутой системы я-элекгронов. Он склонен к донорно-акцепторному взаимодействию с соединениями, имеющими дефицит или избыток электронов; в результате образуются я-комплексы [128]. Как растворитель бензол представляет собой смесь димеров, тримеров, тетрамеров, образованных за счет взаимодействия двух атомов водорода одной молекулы с я-электронным облаком другой [129]. Энтальпия образования димера составляет 10 кДж/моль. Установлено, что при 293 К около 35% молекул бензола входит в состав тримеров и 36% - в состав димеров. На основании
Строение димера бензола исследований дипольной релаксации в бензоле [130] сделан вывод, что ассоциаты бензола имеют дипольный момент 0.02 D. Перенос заряда в ассоциатах, по-видимому, обусловлен донорно-акцепторным характером связи. При разведении бензола четыреххлористым углеродом, циклогексаном, метанолом и другими растворителями ассоциаты бензола разрушаются.
Тетрахлорид углерода (ССЦ) - бесцветная негорючая жидкость со сладковатым запахом. Как и бензол, ССЦ является неполярным апротонным растворителем. Не координирующийся растворитель, но вследствие полярности связи С-С1 проявляет слабые электронодонорные свойства. С сильными протонодо-норами образует слабую водородную связь с энергией 2-г4 кДж/моль [131].
Электронная спектроскопия
Как следует из анализа литературных источников (Глава 1), данные по структуре линейных олигопирролов, в особенности их разнообразных производных и аналогов, в настоящее время довольно скудны и относятся лишь к незначительному числу соединений, в то же время они необходимы для обсуждения результатов натурного эксперимента. Кроме того, сравнительно высокая достоверность результатов расчета молекулярных параметров порфина и его протонированных форм, полученных ранее в работе [155] методом молекулярной механики, позволяет предпринять попытку использования аналогичного подхода с целью получения соответствующих данных для линейных ди- и тет-рапиррольных соединений.
Для вычисления молекулярных параметров использована компьютерная программа ММХ [156], основанная на молекулярной механике Эллинджера.
Молекулярная механика (ММ) - это широко используемый метод точного априорного расчета геометрического строения молекул и их энергии [157]. В методе ММ молекулу рассматривают как набор атомов, управляемый потенциальными функциями. Метод использует основополагающие формулировки колебательной спектроскопии. Некоторые из основных идей, заложенных в расчетной схеме, восходят к работе Эндрюса, опубликованной в 1930 г. Одной из таких идей является представление о том, что химические связи характеризуются некоторыми «естественными» длинами и валентными углами, а молекулы строятся так, чтобы в простых случаях сохранить эти величины. Кроме того, пространственные взаимодействия рассматриваются с помощью функций Ван-дер-Ваальса. Если же система напряжена, то молекула деформируется в предсказуемом направлении согласно энергии «напряжения», и эта деформация может быть точно рассчитана.
Программа ММХ, помимо геометрических параметров молекул, рассчитывает л-взаимодействия методом МО в приближении ЛКАО МО ССП, а также параметры водородных связей. Кроме того, она позволяет выполнять расчет межчастичных взаимодействий [158]. Эллинджеровский базис ММХ, созданный на параметрах небольших молекул, даёт хорошие результаты при расчете не только простых молекул, но и столь сложных сопряженных гетероциклов, какими являются порфирины и их структурные аналоги. Обычная точность расчетного эксперимента довольно высока. Энтальпия образования соединения может быть вычислена с погрешностью до 2 ккал/моль, а в ряде случаев даже намного лучше. Расхождения с литературными данными по геометрическим параметрам лежат в пределах 0.002 нм по длинам связей, 2 град по углам (среднеквадратичные отклонения).
Для расчета геометрических параметров и энтальпий образования нейтральных (В) и протонированных (НВ+ и Н2В2+) молекул использована исходная оптимизированная модель молекулы В (гипотетическая неподвижная молекула, находящаяся в вакууме при температуре 298.15 К) с заменой третичных атомов азота ( N:) на иминные ( N+-H) так, как это было предложено в работах [155].
Величины сродства к протону (РА) для алкилзамещенных дипирролилме-тенов были вычислены в соответствии с законом Гесса, как алгебраическая разность энтальпий образования А/Н исходных и конечных продуктов реакции протонирования:
Перед началом эксперимента образцы исследуемых соединений измельчали и высушивали до постоянной массы при пониженном давлении. Навеску соответствующего кристаллического образца массой 15-20 мг помещали в платиновый тигель. В неизотермических условиях проведения эксперимента для соблюдения квазиравновесности процесса были выбраны минимальные скорости нагрева массы образцов 0.6,1.25 или 5 град/мин в температурном интервале 15-гЮ00С. Небольшие навески опытных образцов и низкая скорость нагрева позволили свести к минимуму погрешности, связанные с влиянием температурного градиента на протекание процесса термодеструкции. Температура начала процесса термодеструкции определялась по резкому изменению угла наклона кривой ТГ. Для улучшения точности результатов и получения удобных для анализа дериватограмм были выбраны следующие услрвия записи первичных данных: запись температуры в интервале 15-гЮ00С на 250 мм шкалы самописца, чувствительность гальванометра для записи сигнала ДТГ составляла 1 мВ, ДТА - 250 мВ. При этом чувствительность термовесов составляла 100 мг на 250 мм шкалы прибора. Точность измерения температуры контролировали по характеристическим температурам реперных веществ [161, 162], при выбранных условиях эксперимента она составила ±0.5С. Точность измерения массы образца была не менее ±0.2 мг.
В настоящей работе в качестве теоретической базы для расчета энтальпий термической диссоциации твердых солей дипирролилметенов и биладиенов-д,с с удалением НВг в газовую фазу была взята функциональная зависимость скорости испарения и давления насыщенного пара газообразного компонента, находящегося в квазиравновесии с твердой фазой образца соли [163, 164]. При проведении термогравиметрического исследования с минимальной скоростью нагрева справедливы допущения относительно равновесности процесса испарения и идеальности газа, что позволяет применить к изучаемому процессу уравнения Кнудсена: М и Клаузиуса-Клайперона (3.6.2): RT Их совместное решение дает следующее выражение: где: NA - число Авогадро; М- молярная масса испаряемого вещества; ак - коэффициент ак комодации; R - универсальная газовая постоянная; S - площадь испарения; Р - давление на сыщенного пара при температуре образца Т; скорость убыли массы, пропорциональ ная отклонению сигнала ДТГ от нулевой линии; АтрН - изменение энтальпии при испарении; В и С - постоянные члены.
Как известно [159], AvapH включает два основных вклада: энергию на преодоление межмолекулярных взаимодействий и работу расширения при переходе в газ, характеризующуюся незначительной величиной (до 1-3 кДж/моль). Поэтому можно считать, что величина AvapH гидробромида из соли ди- или тетрапиррола является достаточно точной характеристикой энергии связи N-H-Br. Таким образом, анализ величин AvapH для различных солей позволяет оценить энергию водородной связи в кристаллических солях ди- и тет-рапирролов в зависимости от структуры хромофора. В серии работ, обобщенных в монографиях [159, 160], была показана хорошая согласованность величин AvapH растворителя из специфических сольватокомплексов порфиринов (кристаллосольватов), полученных из данных термогравиметрии, и энтальпий специфической сольватации, определенных термохимическим методом, что подтверждает надежность и работоспособность представленного подхода. Воспроизводимость дериватограмм и расчетных данных по АтрН контролировалась пятикратным и более повторением исследования для одного соединения.
Термическая устойчивость солей ди- и тетрапирролов
Взаимосвязь кислотно-основных и координационных свойств линейных олигопирролов с их молекулярной структурой систематически не изучена. Ме жду тем, как показано в Главе 1, при обсуждении биохимических и физико химических свойств билирубина и его аналогов, подобные исследования акту альны и необходимы для решения проблем, касающихся биологической актив ности и реакционной способности соединений данного класса. В этой связи следует еще раз отметить, что кислотно-основные взаимодействия линейных тетрапирролов - билинов лежат в основе первичных фотосинтетических процессов [53-57], а в препаративной практике кинетическая и термодинамическая устойчивость солей ди- и тетрапирролов определяет эффективность синтеза макроциклов [60]. На данном этапе развития химии олигопирролов очевидно, что за счет модернизации структуры соединений можно существенно влиять на координационные свойства производных биладиена-я,с [19].
Наличие в молекулах линейных ди- и тетрапирролов, как минимум, двух координационных центров ( N: и NH) с противоположными кислотно-основными свойствами, определяет способность этих лигандов координироваться с ионами металлов. Как известно [175], важным показателем потенциальной способности связывания иона металла с тем или иным электронодонор-ным центром, является его основность. Если линейный ди- или тетрапиррол не содержит дополнительных центров кислотно-основного взаимодействия в составе периферийных заместителей, то в первую очередь необходимо рассмотреть основность третичных атомов азота ( N:) пиррольных фрагментов, наличие неподеленной электронной пары на которых и определяет основность молекулы в целом. В качестве физико-химических характеристик основности могут быть использованы следующие данные: энтальпии протонирования молекул в газовой фазе [123]; изменения в электронных спектрах растворов лигандов при их протонировании (депротонировании) [144]; сдвиги частот в ИК-спектрах свободных лигандов и их протонированных форм [148].
Важной особенностью линейных ди- и тетрапирролов является их неустойчивость к действию кислорода воздуха и света, в то время как их соли с неорганическими кислотами характеризуются большей устойчивостью к окислению [15, 78, 81]. В связи с этим методики синтеза данных соединений предусматривают их выделение из реакционной смеси в виде солей, как правило, гидробромидов [76]. Результаты термогравиметрического анализа кристаллических образцов гидробромидов дипирролилметенов и биладиенов указывают на принципиальную возможность точной оценки энергии кислотно-основных взаимодействий в солях олигопирролов с использованием величин энтальпий их термического разложения с удалением НВг [78].
В данной главе проанализированы результаты исследований кислотно-основных и координационных свойств широкого ряда алкилзамещенных дипирролилметенов и биладиенов-а,с (структурные формулы представлены на рис. 5.1), полученные с использованием данных молекулярной механики, электронной и колебательной спектроскопии, термического анализа.
В данной работе в качестве критериев основности взяты величины сродства к протону (РА), а не, например, константы основности К, характеризующие глубину протекания процесса протонирования, что обосновано следующим. Значения Къ можно определить экспериментальным путем, но, как следует из приведенного ниже термодинамического цикла, их численные значения опосредованы эффектами сольватирующей среды LAGsoiv): где K - значение константы равновесия в растворе; A G - свободная энергия реакции в растворе; AbGg) - свободная энергия реакции в газовой фазе; LAGsoM - алгебраическая сумма свободных энергий сольватации реагентов.
По этой причине, реакция в растворе характеризуется низкой (по сравнению с газовой) «чувствительностью» в отношении молекулярной структуры свободных оснований. Поэтому расчет термодинамических параметров газофазных реакций, в частности параметра сродства к протону, позволяет более строго оценить влияние периферийного замещения на основность линейных ди- и тетрапирролов («дифференцирующее» действие газовой фазы [176]). К сожалению, данные по теплотам образования линейных ди- и тетрапирролов и их протонированных форм, необходимые для расчета величин РА в настоящее время отсутствуют, что связано с известными затруднениями их экспериментального определения. Но данная задача оказалась вполне решаемой с использованием подхода, в котором в качестве альтернативы могут быть использованы теплоты образования (Д/й)» вычисленные методами компьютерной химии. В однотипных газовых реакциях значения AfH приблизительно пропорциональны величинам сродства к протону. Методика расчета величины сродства к протону представлена в Главе 3. В работе [155] показано, что компьютерный эксперимент позволяет получить хороший результат при расчете не только простых молекул, но и таких сложных сопряженных гетероциклов, какими являются порфирины и родственные им соединения. Хорошая согласованность результатов компьютерного эксперимента и РСА для дипирролилметена и порфина [176] позволила предпринять аналогичную попытку для расчета параметров производных дипирролилметена и биладиена-д,с.
С использованием метода молекулярной механики нами были рассчитаны молекулярные параметры а,а-, а,рЧ р,р-дипирролилметенов, 2-фуранил-2 -пирролилметена, 2-тиенил-2 -пирролилметена, биладиена-я,с и его производных с различной степенью алкильного замещения (табл. 5.1).
Сродство к протону для лигандов - важная в энергетике координационных взаимодействий величина, поскольку оно характеризует тенденцию данного лиганда к присоединению катиона минимальных размеров. Анализ численных значений РА, представленных в табл. 5.1, показывает, что лиганды алкил-замещенных дипирролилметенов и биладиенов-а,с проявляют большее сродство к протону, чем аналогичные производные порфина [27], что обусловлено, главным образом, отсутствием макроциклического эффекта в линейных пред шественниках порфиринов. Кроме того, исследуемые соединения характеризу ются более высокой основностью, чем монодентатный аммиак (для NH3 РА со » ставляет 209.1 ккал/моль [177]). Вполне очевидно, что следует ожидать прояв ления этих различий в разной устойчивости соответствующих координационных соединений.
В работе [178] приведены результаты расчета для гипотетических молекул, сравнение молекулярных параметров которых позволило выявить некоторые закономерности влияния алкильных заместителей через индукционные эффекты на основность иминных атомов азота ди- или тетрапиррола. Приведены также инкременты АРА от метильных групп при различных атомах молекулы дипирролилметена и его производных, вычисленные в единицах РА. Отмечено, что эффекты от метильных групп в 1,2,3,4,5,2 ,3 ,4 ,5 -положениях характеризуются различными значениями АРА относительно незамещенных изомеров дипирролилметена. Показано, что значения АРА подчиняются правилу аддитивности и могут быть вычислены, как алгебраическая сумма инкрементов метильных групп в составе молекулы. Кроме того, компьютерный эксперимент позволил выявить-наличие внутримолекулярной водородной связи, что характерно для нейтральных молекул а,а-дипирролилметена, его алкилзамещенных и ряда производных биладиена-#,с. Природа и расположение алкильных замес-тителей не оказывают заметного влияния на длину внутримолекулярной Н-связи, которая в силовом поле ММХ рассматривается как результат электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Расчет показал, что для а,а-дипирролилметена и его алкилзамещенных длина внутримолекулярной Н-связи колеблется в пределах от 1.82 до 1.90 А.
