Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Донорно-акцепторное взаимодействие металлопорфиринов с лигандами. Биохимический аспект 8
1.2. Аксиальная координация 11
1.3. л-л-Комплексы металлопорфиринов 25
1.4. Аттрактивные взаимодействия 33
2. Экспериментальная часть
2. Методы исследования 50
2.1. Калориметрический метод 50
2.2. Термогравиметрический анализ 58
2.3. Объекты исследования 69
2.4. Методики подготовки образцов для исследований 70
3. Обсуждение результатов
3.1. Координационная способность металлопорфиринов группы крови по отношению к электронодонорным лигандам. Влияние структурных и сольватационных эффектов 72
3.1.1 Молекулярные комплексы цинк(П)порфиринов с нейтральными лигандами 72
3.1.2. Молекулярные комплексы железо(Ш)порфиринов с нейтральными лигандами 86
Основные итоги работы 99
- Аксиальная координация
- Аттрактивные взаимодействия
- Термогравиметрический анализ
- Молекулярные комплексы железо(Ш)порфиринов с нейтральными лигандами
Введение к работе
Актуальность темы. Металлопорфирины (MP) известны, в первую очередь, как простетические группы белков и некоторых ферментов, витамина В12, железопорфирины входят в состав гемоглобинов, миоглобинов, цитохромов. Известно большое количество жизненно важных биохимических процессов, в которых главенствующая роль отводится именно металлопорфиринам. В последнее десятилетие интерес к физико-химическим свойствам порфиринов группы крови существенно возрос, что связано с новыми фактами биохимической активности и возможностью практического использования металлопорфиринов группы крови в медицинских целях. Как было установлено в 1999г цинк(II)протопорфирин (ZnPP) образуется в организме в процессе метаболизма и биосинтеза гемина (Zinc Protoporphyrin: A Metabolite with a Mission Robert F. Labb, Hendrik J. Vreman and David K. Stevenson // 45: 2060-2072, 1999). При анемиях цинк становится альтернативой иону железа, ведя к возрастающему образованию ZnPP, при этом соотношение ZnPP/heme в эритроцитах отражает содержание железа в костном мозге. На основании определения содержания ZnРР в крови в настоящее время разрабатываются клинические методики. В ряде работ установлено, что, ZnPP может регулировать гемовый катаболизм при взаимодействии с гемоксигеназой- ферментом определяющим разложение молекул гема на билирубин и СО (Nephrology Dialysis Transplantation, Vol 11, Issue 3 492-497, 1996 by Oxford University Press). Таким образом, ZnPP имеет потенциальное терапевтическое применение как препарат, регулирующий функцию гемооксигеназы для предупреждения гипербилирубинемии (Archives of Disease in Childhood Fetal and Neonatal Edition 2002;87:F49-F51). Металлопорфирины группы крови обладают и противомалярийная активностью, не уступают широко применяемым лекарственным препаратам артемизину и хлорхинину (Wu, L; Wang, R; (1998). Direct Effect of Zinc Protoporphyrin-IX on Calcium Homeostasis of Vascular Smooth Muscle Cells. Presented at INABIS '98 - 5th Internet World Congress on Biomedical Sciences at McMaster University, Canada, Dec 7-16th. Invited Symposium). Добавки порфиринов группы крови, особенно ZnРР, к лекарственным препаратам, например, эритромицину, усиливают действие этого антибиотика в 7-10 раз. В основе биохимической активности металлопорфиринов лежит их способность участвовать в процессах молекулярного комплексообразования с различными по природе молекулами. Металлопорфирины, являясь макроциклическими молекулами, имеющими несколько центров специфической сольватации, находясь в биоструктурах, кроме процессов аксиальной координации могут участвовать в универсальных и других специфических взаимодействиях с молекулами растворителя (воды, электролитов крови и т.д.) или фрагментами псевдосольватного окружения. Исследование этих многоцентровых межмолекулярных взаимодействий в процессах молекулярного комплексообразования является одной из фундаментальных задач физической химии металлопорфиринов и представляет несомненный научный и практический интерес, так как позволяет глубже проникнуть в суть биохимических процессов, тонко управлять технологическими процессами, достигая требуемой селективности.
Цель работы: Исследование процессов молекулярного комплексообразования металлокомплексов (Zn2+, Fe3+) тетрафенилпорфирина и порфиринов группы крови с электронодонорными лигандами (L) (пиридином, н-пропиламином, метиловым эфиром глицина) в среде бензола и хлороформа. В связи с этим в задачу исследования входило: 1) методом калориметрического титрования получение термодинамических характеристик процессов молекулярного комплексообразования цинк(II)порфиринов группы крови и цинк(II)тетрафенилпорфирина с н-пропиламином и метиловым эфиром глицина в среде бензола 2) оценка влияния структуры порфиринового макроцикла, электронодонорного лиганда и специфических p-p-взаимодействий металлопорфиринов с молекулами растворителя (бензола) на термодинамическую устойчивость молекулярных комплексов макроциклов с электронодонорными лигандами 3) создание термоаналитической установки и разработка пакета компьютерных программ, позволяющих на основании результатов термохимического исследования кристаллосольватов металлопорфиринов определять их состав, энергетическую и термическую устойчивость 4) провести термохимическое исследование кристаллосольватов железо(III)порфиринов группы крови с бензолом, при наличии устойчивых комплексов – определить их физико-химические характеристики 5)методом калориметрического титрования изучить термодинамику процессов координации пиридина железо(III)порфиринов группы крови в бензоле и хлороформе 6) с привлечением результатов термохимического исследования особенностей сольватационного взаимодействия железо(III)порфиринов - бензол, оценить влияние бензола на термодинамические характеристики процесса координации пиридина железо(III)порфиринами в среде бензола.
Научная новизна. Впервые были проведены исследования процессов молекулярного комплексообразования металлопорфиринов группы крови с н-пропиламином, метиловым эфиром глицина, пиридина.
Проанализировано влияние на термодинамическую устойчивость образующихся комплексов природы порфиринового макрокольца и сольватирующей среды. Установлено, что в составе железо(III)протопорфиринов винильные группы во 2.4-положениях макрокольца проявляют – С – электронный эффект замещения.
Впервые обнаружено, что в молекулярном комплексе цинк(II)гематопорфирина (ZnHP) с метиловым эфиром глицина наряду с образованием донорно-акцепторной связи Zn2+ N (метилового эфира глицина) реализуется аттрактивное взаимодействие между атомами кислорода сложноэфирной группы ZnHP и СН-атомами метоксиэтильной группы координированного лиганда, что приводит к значительному увеличению устойчивости молекулярного комплекса.
Установлено, что наличие специфических сольватационных взаимодействий металлопорфиринов с молекулами растворителя в ряде случаев может оказывать более существенное влияние на термодинамическую устойчивость молекулярных комплексов, чем модификация структуры макроцикла. Данный факт является важным, так как демонстрирует новую возможность повышения селективности процессов молекулярного комплексообразования, протекающих с участием металлопорфиринов, не связанную с химической модификацией макрогетероциклов.
Полученные термодинамические характеристики пополнят информационную базу данных, а установленные закономерности и зависимости позволят лучше понять природу и особенности донорно-акцепторного взаимодействия металлопорфирин – лиганд. Сделанные выводы и выявленные закономерности позволяют расширить представления о молекулярном распознавании.
Практическая значимость работы
Выявленные высокая термодинамическая устойчивость молекулярных комплексов цинк(II)порфиринов группы крови с метиловым эфиром глицина демонстрирует принципиальную возможность усиления действия лекарственного препарата - глицина при условии добавления в препарат цинк(II)протопорфирина. По сведениям (Celebuski J. E., Chorghade M. S., Lee E. C. // Tetrahedron Letters. 1994. V.35. P.3837) ZnPP используется в смеси с эритромицином, усиливая действие антибиотика в несколько раз. Поэтому можно предположить, что, являясь по своей природе эндогенным веществом ZnPP не будет оказывать негативного влияния на человека, а наоборот введение ZnРР будет уменьшать гемовый катаболизм (Sil S, Bose T, Roy D and Chakraborti A S 2004 Protoporphyrin IX-induced structural and functional changes in human red blood cells, haemoglobin and myoglobin; J. Biosci. 29 281–291 Nephrology Dialysis Transplantation, Vol 11, Issue 3 492-497, Copyright 1996 by Oxford University Press) тем самым, способствуя лучшей оксигенации структур мозга. Глицин, также является лекарственным препаратом и широко применяется в медицине. Поэтому можно предположить, что «комплекс» глицин- цинк(II)протопорфирин будет потенцировать и пролонгировать действие глицина, так как с одной стороны, ZnPP способствует лучшей оксигенации структур мозга, с другой за счет комплексообразования будет уменьшена скорость выведения глицина из организма.
Полученные в работе данные по многоцентровым взаимодействиям металлопорфиринов с лигандами и сведения о влиянии p-p-комплексообразования металлопорфиринов с ароматическими молекулами на процессы аксиальной координации будут полезны при создании на основе металлопорфиринов искусственных рецепторов.
Разработанный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для электронной регистрации сигналов дериватографа 1000D (Венгрия), а также пакет компьютерных программ, позволяющих проводить количественную обработку полученных результатов совместно с дериватографом 1000 D является современной универсальной установкой, позволяющей проводить различные исследования.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы, содержащиеся в диссертации докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Молодая наука – XXI веку» (Иваново 2001 г), XXII научная сессия Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов «Координационная химия металлопорфиринов с элементами VIII группы» (Иваново 2001г), V Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Звенигород 2002г.), Международной научной конференции “Физико-химический анализ жидкофазных систем” (Саратов 2003 г.), XXIV научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов. (Иваново 2003 г.), XIII Российской студенческой конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии». (Екатеринбург 2003 г.), IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль 2003 г.), III Конференции молодых ученых ИХР РАН, Всероссийский семинар «Крестовские чтения» (Иваново 2004 г.), Ивановском инновационном салоне “Инновации-2004” (Иваново 2004 г), Областной конференции молодых ученых “Молодая наука – развитию Ивановской области” (Иваново 2005г), European conference on calorimetry and thermal analysis for environment. (Zakopane, Poland. 2005г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 11 тезисов докладов.
Структура работы: диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных итогов работы, литературы и приложения.
Аксиальная координация
Как уже отмечалось выше, способность металлопорфиринов к дополнительной координации нейтральных лигандов обуславливает важнейшие биологические функции металлопорфиринов. Фотосинтез, перенос кислорода гемоглобином крови, ферментативные процессы связаны в первую очередь с фиксацией Н20, Ог, Н202, азотистых гетероциклов, белков и других молекул /18/. Каталитическая активность металлопорфиринов также обусловлена их способностью координировать молекулярные лиганды. В научной литературе встречаются различные названия подобных молекулярных комплексов. Например, процесс дополнительной координации металлопорфирином лигандов, занимающих пятое и шестое координационные места во внутренней сфере иона металла и располагающиеся над и под плоскостью исходного стабильного комплекса, авторы /19/ называют экстракоординацией, а комплекс такого типа -экстракомплексом. Авторы /20/ рассматривают процесс дополнительной координации лигандов на металлопорфиринах как сольватацию реакционного центра макроцикла. В координационной химии подобные комплексы с лигандами, присоединенными в пятое и шестое места по оси z, перпендикулярной плоскости молекулы принято называть аксиальными комплексами, а лиганды - аксиальными лигандами (рис.3). Следует отметить, что термин «аксиальный комплекс» широко используется, в том числе и в тех случаях, когда координируемые лиганды расположены не строго перпендикулярно плоскости макрокольца. В настоящее работе будем оперировать термином «аксиальный комплекс». Бесспорным доказательством природы донорно-акцепторной связи металлопорфирин-лиганд является наличие полосы переноса заряда (ППЗ) металлопорфиринсодержащих систем, вопрос о ППЗ молекулярных комплексов MP с лигандами обсуждался в единичных работах. Как правило, органические донорно-акцепторные молекулярные комплексы имеют ППЗ, расположенную в видимой части спектра, но для металлопорфиринсодержащих комплексов в видимой области ППЗ обнаружены не были /22/ . В связи с этим было выдвинуто предположение /23/, что поскольку MP обладают низкими потенциалами ионизации, то ППЗ молекулярных комплексов должны обнаруживаться в ближней ИК области спектра, а не в видимой /23/. ППЗ в комплексе этиопорфирина при комнатной температуре наблюдалась при 1400 нм /24/.
О наличии 11113 комплекса гематопорфирина с азотсодержащими основаниями сообщается в работе /25/. Однако ЭСП MP и их комплексов не приводятся, константы комплексообразования оценены ориентировочно в диапазоне 55-1240, молярный показатель поглощения возникающей полосы с максимумом при 502 нм изменяется от 9220 до 12230 л/(моль-см). В работе /26/ было проведено спектральное исследование растворов ZnTPhP более 30 различных органических лигандов и молекулярных комплексов ZnTPhP с указанными лигандами в бензоле и четыреххлористом углероде, что позволило авторам утверждать, что в спектральной области 700-1600 нм 11113 соответствующих молекулярных комплексов отсутствуют. Следовательно, ППЗ либо расположена в видимой части спектра и не регистрируется, так как MP имеют интенсивное поглощения в данной части спектра, либо донорно-акцепторное взаимодействие MP с лигандами настолько слабое, что происходит лишь незначительное смещение НЭП лиганда и ППЗ отсутствует. Действительно, представленные в научной литературе термодинамические характеристики процесса молекулярного комплексообразования металлопорфиринов с лигандами позволяют рассматривать в соответствии с классификацией /21/ образующиеся комплексы как слабые. В этом случае в процессах молекулярного комплексообразования, протекающих с участием MP, большее значение, чем донорные и акцепторные свойства, будут иметь другие характеристики взаимодействующих веществ. В общем случае, характер взаимодействия аксиального лиганда с центральным атомом металла комплекса порфирина будет определяться природой молекулярного лиганда, иона-комплексообразователя и порфиринового макрокольца. В настоящее время в основном изучаются аксиальные комплексы, молекулярные лиганды которых содержат в своем составе в качестве донорных атомов атомы азота и кислорода. Так, например, серия работ /27-33/ была посвящена систематическим спектральным и термохимическим исследованиям процессов молекулярного комплексообразования цинк(И)тетрафенилпорфирина с первичными, вторичными третичными аминами, эфирами, альдегидами, кетонами, моно- и динитралами, спиртами, азолами и их бензопроизводными при 298.5 К в среде бензола и четыреххлористого углерода. Авторами были получены корреляционные соотношения, связывающие устойчивость образующихся молекулярных комплексов ZnTPhP с лигандами с физико-химическими параметрами координируемых лигандов (электронной и. ориентационной поляризацией, электронодонорной способностью, Ван-дер-Ваальсовым объемом). Интересно отметить, что корреляционные зависимости, полученные для различных классов веществ, отличаются. Так, для алифатических и ароматических аминов доминируют параметры, отражающие электронодонорную способность и объем лиганда, а в случае кислородсодержащих лигандов параметры, отражающие поляризационные характеристики и электронодонорную способность. Общая корреляционная зависимость, включающая лиганды, принадлежащие к различным классам веществ, описывает устойчивость молекулярных комплексов металлопорфиринов с лигандами от физико-химических параметров лигандов гораздо с меньшей степенью достоверности. Можно заключить, что, в основном, устойчивость молекулярных комплексов синтетических симметричнозамещенных металлопорфиринов с лигандами определяется поляризационными свойствами лигандов и в меньшей степени зависит от электронодонорной способности и объема координируемых молекул.
Очевидно, что подобные закономерности для природных металлопорфиринов, характеризующихся несимметричным разнородным периферийным замещением, будут гораздо сложнее, что обусловлено влиянием электронных эффектов заместителей. Рассмотрим результаты работ, посвященных исследованию процессов комплексообразования металлопорфиринов группы крови. Для порфиринов биологического (природного) происхождения характерна асимметрия системы периферийных заместителей (рис.4). Порфирины группы крови, представленные на рис.4, имеют тривиальные названия: протопорфирин, мезопорфирин, дейтеропорфирин, гематопорфирин. В связи с несимметричностью замещения для природных порфириновых соединений характерно явление изомерии. Типы изомеров обозначают римскими буквами, которые соответствуют определенной комбинации периферийных заместителей. Например, гематопорфирин IX (Рис.4, А), дейтеропорфирин IX (Рис.4, В), мезопорфирин IX (Рис.4, С), протопорфирин IX (Рис.4, ). В формулах A-D на рисунке 4 приведены полные метиловые эфиры указанных соединений. Проведенный анализ литературных данных позволяет заключить, что наличие периферийных заместителей в порфириновом макрокольце существенным образом влияет на поляризацию я-ароматической системы макроцикла /34/, изменяет фотофизические свойства /35/, способность металл опорфиринов генерировать сингл етный кислород /36,37/ и взаимодействовать с белковыми мембранами /38/. Так, например, из порфиринов группы крови наибольшую фотосенсорную активность проявляет гематопорфирин. Судя по квантовохимическим расчетам /39,40/, природа и расположение периферийных заместителей макрокольца порфирина влияют на энергетический уровень тс-орбиталей макроцикла. Наличие, например, винильных групп обуславливает направленность некоторых химических реакций /41,42/. Однако, в контексте настоящей работы особый интерес представляют работы, посвященные оценке влияния природы заместителей порфиринов протогруппы на способность макрогетероциклов участвовать в специфических сольватационных взаимодействиях. Подобные сведения были получены в работах /43-45/ при изучении комплексообразующих свойств MP группы крови по отношению к пиридину (табл. 1-3).
Аттрактивные взаимодействия
Как уже отмечалось выше, металлопорфирины, являясь макроциклическими молекулами, имеющими несколько центров специфической сольватации, находясь в биоструктурах, кроме процессов аксиальной координации могут участвовать в универсальных и других специфических взаимодействиях с молекулами растворителя (воды, электролитов крови и т.д.) или фрагментами псевдосольватного окружения. Исследования подобных специфических взаимодействий металлопорфиринов с различными лигандами представляет несомненный научный и практический интерес, так как позволяет глубже проникнуть в суть биохимических процессов, тонко управлять технологическими процессами, достигая требуемой селективности. Именно поэтому за последние несколько лет в научной литературе появились работы, посвященные изучению этих слабых по энергетике взаимодействий. В зарубежной научной литературе для обозначения дополнительных специфических взаимодействий широко применяется термин аттрактивные (стягивающие) стабилизирующие комплекс взаимодействия. Схематично аттрактивные взаимодействия представлены на рис.9 /131/ Впервые о наличии дополнительной стабилизации аксиально координированного лиганда синтетическими металлопорфиринами, периферийные заместители которого объединены в так называемую корону или корзину ("picnic-basket"), сообщил Басоло /132/. К аналогичному выводу пришли авторы работы /133/, сообщившие, что в "picnic-basket" порфириновых комплексах аксиальный лиганд связывается сильнее, чем порфиринами, не содержащими объединенные периферийные заместители. В более ранних работах /134/ сообщалось, что взаимодействие изохинолина с цинк "picket-fence" порфирином приводит к образованию более устойчивого комплекса по сравнению в аналогичными комплексами с пиридином, причиной чего является увеличения Ван-дер-ваальсовых контактов между координированным лигандом (изохинолином) и периферийными заместителями макроцикла. Таким образом, как правило, увеличение размеров координируемых лигандов благоприятно сказывается на устойчивости образующихся комплексов с металлопорфиринами, о чем наглядно свидетельствуют также данные, полученные Сандерсом с коллегами /135/. В комплексообразовании аксиального лиганда с порфиринами аттрактивные взаимодействия между аксиальным лигандом и периферийными заместителями может служить как вторичный фактор молекулярного распознавания.
При этом основной движущей силой образования молекулярного комплекса является координационное донорно-акцепторное взаимодействие металл - лиганд /136/. Авторами работы /131/ предложено использовать константы термодинамической устойчивости молекулярных комплексов металлопорфиринов с лигандами для расчета констант молекулярного распознавания (KreCog) по формуле: Krec0g= [Кі_і(Р1-Ll)/K,.2(Pl-L2)]/[K2.i(P2-Ll)/K2.2(P2-L2), где L1 и L2 - координируемые лиганды, Р1 и Р2 - порфириновые системы, Км -термодинамическая устойчивость соответствующего молекулярного комплекса. Если при любой комбинации Р и L специфическое взаимодействие отсутствует, то величина Krecog равна единице. Однако, если наряду с аксиальной координацией L1 на Р1 реализуется аттрактивные взаимодействия, то Krecog будет больше единицы. В ряде работ указывается, что к аттрактивным взаимодействиям наряду со специфическими (водородная связь) следует относить и универсальные взаимодействия, которые несмотря на низкую энергию межмолекулярного взаимодействия дают существенный вклад в стабилизацию молекулярных комплексов. Наглядным подтверждением чего являются данные /131/, приведенные в таблице 5. Анализируя данные табл.5, авторы приходят к выводу, что аттрактивные взаимодействия комплексов цинк(И)порфиринов с ацетидином, диэтиламином и пирролидином сводятся преимущественно к неполярными взаимодействиям, таким как силы Лондона или СН-л взаимодействие /137/. В ряде работ при совместном анализе констант устойчивости образующихся молекулярных комплексов с их геометрического строения были получены доказательства наличия аттрактивных взаимодействий. Например, данные рентгеноструктурного анализа показывают, что плоскость имидазола в диокси-МЬ /138/ и в диокси-НЬ /139/, так же как в пяти- координированной модели гема /140/, расположена под углом почти 45 по отношению к аксиальной связи Fe-N. Путем экстенсивных вычислений /140/ установлено, что для данной ориентации лиганда стабилизирующим фактором является Ре-Ы(имидазол) тс-связь. В результате систематических исследования с привлечением рентгеноструктурного анализа, нейтронной дифракции и Рамановской спектроскопии систем, содержащих окси-Hb и окси-МЬ установлено, что аксиально координированный гемом 02 образует водородную связь с дистальным имидазольным протоном гистидина /141- 143/. Такое электростатическое межмолекулярное взаимодействие способствует стабилизации С -гем связи. Чанг и др. на основе тетрафенилпорфирина синтезировали металлопорфирины, являющиеся модельными соединениями гемов.
Периферийные заместители синтетических аналогов гемов содержат набор полярных групп, расположенных приблизительно так же, как в гемовом кармане /144/. На примере синтезированных металлопорфиринов было показано, что водородное связывание играет значительную роль в регулировании сродства Ог к гемам. Аналогичные исследования провел Куно с коллегами, синтезировавшими несколько модифицированных кобальт(П)тетрафенилпорфиринов, содержащих полярные и неполярные группы. Авторы обсудили взаимосвязь между сродством 02 и заместителями в составе порфирина /145/. Ранее Рид и др. синтезировал железопрофирины picket-fence типа, в которых одна из четырех пиваламидо групп (периферийный заместитель макрокольца) замещена на группу, склонную к образованию водородной связи, с целью определения сродства синтезированных макрогетероциклов к 02 /146/. Установлено, что при замещении одной пиваламидо группы TpivPP на фенилуреа группу устойчивость молекулярного комплекса металлопорфирина с кислородом увеличивается более чем в 10 раз. Выявленное увеличение устойчивости связано с образованием водородной связи между фенилуреа-заместителем и координированным на металлопорфирине кислородом. Кроме водородных связей важную роль в стабилизации молекулярных комплексов металлопорфиринов с лигандами играют я-л-взаимодействия между сопряженными ароматическими системами макрокольца (периферийных заместителей) и координированного лиганда. В работе /147/ исследованы процессы координации ряда аминов и аминокислот железо(Ш)порфирин микропероксидазой 8. Ряд лигандов был выбран для того, чтобы изучить влияние: изменения основности лиганда; стерических эффектов замещения при координируемом атоме азота и углерода, а, главное, наличия аттрактивных тс-тс-взаимодействий. Актуальность подобных исследований связана с тем, что практически во всех гемопротеинах реализуется тс-тс-взаимодействие между ті-ароматической системой макрокольца и ароматическим участком боковой цепи (аминокислотным остатком фенилаланина или триптофана) /148/. Микрос и др. /149/ ранее изучали водные растворы комплексов водорастворимых кобальт(Ш)порфиринов, с двумя аксиально координированными аминокислотами. Авторы использовали ЯМР спектроскопию для того, чтобы показать, что все координированные аминокислоты принимают сходную конформацию, которая отличается от конформационного состояния аминокислот в свободном виде. В составе аксиальных комплексов с металлопорфиринами ароматические аминокислоты стремятся принять такое строение, при котором становиться возможным аттрактивное п-ті- взаимодействие по гидрофобному типу (в случае лейцина) или по классическому тг-тс -типу с образованием гс-л-комплекса (в случае фенилаланина, тирозина и триптофана).
Термогравиметрический анализ
Одним из наиболее распространенных приборов для термогравиметрического анализа являются дериватографы фирмы MOM, Венгрия, в частности дериватограф 1000D, который позволяет фиксировать четыре кривых: изменения температуры (Т), изменения массы образца (TG) под действием температуры во времени, скорость изменения массы (DTG) и кривую дифференциального термического анализа (DTA). Погрешность термогравиметрических данных определяется правильностью работы прибора и точностью оценки дериватограмм. Повысить точность измеряемых параметров можно за счет компиляции результатов измерений в электронной форме. Поэтому для повышения точности измеряемых величин нами был разработан программно-аппаратный комплекс (комплекс), который предназначен для измерения и регистрации выходных сигналов от датчиков дериватографа 1000 D (MOM, Венгрия), а также пакет компьютерных программ, предназначенных для количественной обработки дериватограмм (кривых Т, TG, DTG, DTA). Структурная схема комплекса приведена на рис 17. В состав комплекса входят: - инструментальный усилитель с коффициентом усиления Ку = 500; - 5-ти канальный аналогоцифровой преобразователь (АЦП); - програмное обеспечение ADC RQ.exe предназначенное для работы на IBM - совместимом компьютере с операционной системой WINDOWS 98 и выше. Диапазоны входных сигналов определялись настройкой прибора, которая выполнялась с помощью программы TestADC7.exe. Величины входных сигналов, приведенные в разделе «Технические характеристики» выбирались на основании максимальных выходных значений датчиков дериватографа. Выходным значением комплекса является шестнадцати разрядный код АЦП. Преобразование измеряемых параметров в показание физических величин производилось с помощью функций, которые вводятся на закладке «коэффициенты» программы ADC RQ.exe. Предполагалась жесткая привязка датчиков дериватографа измерительным каналам АЦП: - 1 канал - вход датчика дифференциальной термогравиметрии (DTG); - 2 канал - вход датчика температуры (Т); - 3 канал - вход датчика термогравиметрии (TG); - 4 канал - вход датчика дифференциального термического анализа (DTA); - 5 канал - вход эталонного датчика температуры.
Технические характеристики программно - аппаратного комплекса: Условия эксплуатации: рабочий диапазон температур от 0 до +55 С; относительная влажность при 25 С - до 80 %; Количество измерительных каналов - 5; Диапазон измеряемых входных напряжений: канал 1 (-1000 -е- 1000) мкВ; канал 2 (-200 -ь 4800) мкВ; канал 3 (-1000 -ь 1000) мкВ; канал 4 (-1000 -г 1000) мкВ; канал 5 (-2-Ю5 4-2-105) мкВ; Пределы допускаемой приведенной относительной погрешности по каналам - 0.2%; Выходной сигнал - цифровой последовательный код 16 бит; Питание - 5 вольт ± 5%; Габаритные размеры - 220 х 155 х 136 мм. Калибровка комплекса осуществлялась следующим образом: 1. Запускалась программа калибровки. 2. На закладке «Показания» устанавливался режем «Auto» и запускалась процедура "Request". 3. К входу измерительного канала 1 вместо датчика подключался потенциометр постоянного тока Р4831 ГОСТ23 737-79 (0.02/2-10"6) в соответствии со схемой подключения, приведенной на рис.18. АЦП; D - диапазон измеряемой величины выраженный в мкВ; 65535 - число дискрет кода АЦП; Х0= 0 - показания АЦП в мкВ, при замкнутом входе на момент начала калибровки. 5. Замыкался вход Хп и записывалась величина показания Х0 в функцию преобразования. 6. Последовательно задавая ток, при помощи потенциометра постоянного тока, регистрировались входные сигналы каналов. По уравнению (7) для каждого показания рассчитывалась основная приведенная погрешность: где: Хуст - устанавливаемое относительное значение параметра в заданной контрольной точке; Хизм - измеренное проверяемым прибором относительное значение параметра в заданной контрольной точке; Х„ - нормирующее значение, равное разности между верхним и нижним пределами диапазона измерения. Наибольшее из рассчитанных значений приведенной погрешности не превышает ± 0,2 %. Калибровка датчика температуры В виду сложности демонтажа термопары из корпуса дериватографа предлагалась следующая методика: 1. В рабочую зону дериватографа в непосредственной близости от рабочей термопары (L 0,2 мм), помещалась термопара (ТХК (L)) с известными статическими характеристиками преобразования, которая подключалась к 5-му измерительному каналу комплекса. 2. На закладке «Коэффициенты» записывалась в функцию преобразования 2-го и 5-го измерительного канала Х0 равным текущим показанием т. Е. обеспечивались нулевые показания по обоим каналам. 3. Включался дериватограф в режиме нагрева, и, тем самым, обеспечивалось повышение температуры в рабочей зоне. 4. На основании результатов измерения строилась справочная таблица перевода термо-ЭДС рабочей термопары в единицы измерения температуры. Начальной температурой является температура окружающего воздуха, измеренная с точностью до 0,1 С в момент начала измерений. Все дальнейшие вычисления велись относительно этого значения температуры. 5. Абсолютная погрешность измерения температуры равна ± 0,5 С. 6. Результаты калибровки проверялись по реперным веществам (табл. 11).
Для проверки точности измерения изменения энтальпии при испарении растворителей были использованы следующие реперные вещества: бидистиллированная вода, пиридин, ДМФА, бензол, гексан, ацетон, этанол и хлороформ. -Используемые органические растворители марки «ос. Ч.» подвергали дополнительной очистке /214/. Полученные данные совместно с литературными сведениями представлены в табл.12. В качестве примера на рис.21 приведена дериватограмма пиридина. Оценка погрешности измерения &испН растворителей термогравиметрическим методом. Результат измерения имеет ценность лишь тогда, когда можно оценить его интервал неопределенности, т.е. степень достоверности. Погрешность результата измерения зависит от многих факторов, но в первую очередь определяется погрешностью используемых средств измерения. Поэтому, в первом приближении, погрешность результата измерений можно оценить из погрешностей, которыми в точке диапазона измерений характеризуются данные средства измерений. Расчет погрешности результатов косвенных измерений производился путем суммирования ее составляющих по правилам суммирования случайных погрешностей с учетом их законов распределения. Законы распределения суммируемых погрешностей в данной работе учитывались через энтропийные коэффициенты, как рекомендовано в работе /220/. Неплохое согласие относительных погрешностей измерения вычисленных как путем суммирования составляющих, так и из статистической обработки серии параллельных измерений дает возможность в дальнейшем оценивать погрешность измерения, для любых систем исходя только из погрешности средств измерений.
Молекулярные комплексы железо(Ш)порфиринов с нейтральными лигандами
В биологических системах все жизненно важные биологические функции железопорфирины осуществляют за счет донорно-акцепторных взаимодействий с различными по природе молекулярными лигандами или с аминокислотными остатками белка. Причем, известно, что селективность процесса комплексообразования (объем гемового кармана /241,242/ и устойчивость образующихся молекулярных комплексов железопорфиринов с лигандами определяются природой порфиринового макрокольца /241/ и существенно зависят от специфических взаимодействий железопорфиринов с фрагментами псевдосольватного окружения /242/. Усиленное внимание к проблемам корреляции «структура металлопорфирина - координационная способность» объясняет достаточно большое количество работ в этой области химии. Хромофорные свойства, ароматический характер порфиринового макроцикла, а также присутствие атома железа позволяют изучать координационные свойства железопорфиринов, применяя такие методы исследования, как электронная спектроскопия в видимой и УФ-области, ЯМР-, РІК- и ЭПР-спектроскопия, спектры КД, а также измерения магнитной восприимчивости /241,242/. Проведенный анализ литературных данных (глава литературного обзора) по термодинамическим и кинетическим характеристикам межмолекулярных специфических взаимодействий с участием металлопорфиринов выявил ряд проблем в области исследований координационных свойств металлопорфиринов. К ним следует отнести: 1) расхождения в величинах термодинамических констант устойчивости комплексов МП-nL, опубликованных различными авторами, 2) отнесение термодинамических характеристик, определенных в условиях сообщения системе энергии электронного возбуждения (методы электронной спектроскопии) к основному состоянию, 3) трудности учета и разделения спектральных изменений, обусловленных координационными взаимодействиями и сольватохромным эффектом, а также изменением свойств среды (диэлектрической проницаемости). Наряду с указанными проблемами исследования координационных свойств железопорфиринов часто осложняется агрегацией или ассоциацией металлопорфиринов или диссоциацией и обменом лигандов. Как правило, это приводит к образованию смеси комплексов различного строения и не позволяет провести однозначную корреляцию между структурой и свойствами исследуемых соединений.
Процессы ассоциации и обмена лигандов, приводящие к появлению различных комплексов, особенно часто проявляются в водных средах /243,244/. Так, железо(Ш)протопорфирин в водном растворе при различных значениях рН и добавках других растворителей образует несколько комплексов /244/. В связи с этим обсуждение полученных результатов и отнесение наблюдаемых закономерностей к влиянию, например, природы макроцикла вызывает определенные трудности. Поэтому в данной работе, для того, чтобы достичь наибольшего соответствия в интерпретации влияния электронных и пространственных эффектов периферийных заместителей железо(Ш)порфиринов на их координационную способность по отношению к пиридину, использованы эфиры железо(Ш)порфиринов протогруппы. Исследования проводили в среде органических растворителей (бензол, хлороформ), в которых взаимодействие железо(Ш)порфиринов с лигандом приводит к образованию аксиальных комплексов /221, 245/. Следует отметить, что в данном случае неводные системы можно рассматривать как физиологические, так как в биосистемах остаток гемина в гемсодержащих белках в большей степени окружен аминокислотными остатками белка, чем молекулами воды /241,242/. Как было показано выше, на примере металлопорфиринов, содержащих 2-ух зарядный ион металла, специфическая сольватация металлопорфиринов ароматическими молекулами существенно влияет на процессы аксиальной координации молекулярных лигандов. В связи с отсутствием сведений о характере межмолекулярного взаимодействия железо(Ш)порфиринов протогруппы с бензолом было проведено термогравиметрическое исследование кристаллосольватов данных природных железопорфиринов с бензолом. Все изученные хлорид железо(Ш)протопорфирины образуют энергетически и термически устойчивые комплексы с молекулами бензола (таблица 16). В качестве примера на рис.28-30 представлены дериватограммы кристаллосольватов FeP с бензолом. Процесс удаления молекул бензола из соответствующих кристаллосольватов протекал в несколько этапов. Величина АИСПН молекул растворителя на первом этапе практически не отличается от величины АИСПН из чистого растворителя /246/, что свидетельствует о разрушении сольватных структур, сформированных за счет универсальных взаимодействий. Напротив, отдельные пики, наблюдаемые при более высоких температурах характеризуются величиной AWC„H существенно отличающейся от АИСПН чистого растворителя и свидетельствуют о разрушении специфического молекулярного комплекса. Следует отметить, что определяемая величина АИСПН содержит два вклада: энергетические затраты, связанные с разрывом связей железо(Ш)порфирин - бензол и работу на расширение при переходе вещества а газообразное состояние, последний вклад составляет 2-3 кДж/моль и им можно пренебречь /228/. Таким образом, величины изменения энтальпии при испарении молекул бензола из соответствующих кристаллосольватов отражают энергетическую прочность связи железо(Ш)порфирин - бензол.
Четкий стехиометрический состав, высокая термическая и энергетическая устойчивость позволяют сделать вывод, о том, что образующиеся комплексы по своей природе не являются комплексами внедрения. Как видно из представленных данных энергетическая составляющая межмолекулярного взаимодействия FeP с молекулами бензола увеличивается в следующем ряду железо(Ш)порфиринов: ClFeDP ClFePP ClFeHP (7) В соответствии с современными научными представлениями прочность образующихся я-л-комплексов является результирующей ст-7Т-стягивания и 7г-7г-отталкивания между ароматическими молекулами. Исследуемые железо(Ш)порфирины отличаются только природой заместителей в 2,4-положениях порфиринового макрокольца, поэтому обнаруженное уменьшение энергетических характеристик специфического взаимодействия железо(Ш)порфиринов с 71-донорными молекулами бензола может быть связано только с электронными эффектами периферийных заместителей. Так введение кислородсодержащего заместителя -СН(ОСНз)СНз из-за наличия изолятора сопряжения -СН-группы, способного проявлять по отношению к макроциклу только -I-электронный эффект замещения, уменьшает т-электронную плотность в порфириновом макрокольце и способствует комплексообразованию с ти-донорными молекулами бензола. Хорошо известно, что, знак электронного эффекта заместителя или электроотрицательность того или иного элемента зависит от характера партнера, с которым он связан /247/. В общем случае, винильная группа наряду с +1-эффектом может проявлять как +С, так и -С-электронный эффект замещения. Например, в составе Н2РР и NiPP винильная группа является проводником -С-эффекта /128/, в то время как в составе ZnPP характеризуется положительным эффектом сопряжения /45/. При этом, в общем случае, положительный эффект сопряжения будет препятствовать 71-7г-комплексообразованию с бензолом, а -С-эффект, наоборот, способствовать. Положение ClFePP в указанном выше ряду (7) позволяет сделать вывод о том, что в составе ClFePP заместители во 2 и 4-положениях проявляют -С-эффект. Таким образом, полученные данные наглядно демонстрируют, что не всегда можно оценивать влияние центрального иона металла порфирина на способность макрогетероциклов участвовать в образовании гс-тс-комплексов только с позиции наличия остаточного заряда. Особенно это заметно при сравнении физико-химических характеристик п-п-комплексов бензола с железо(Ш)- и цинк(П)порфиринами (табл.13 и 16).
