Huszánk Róbert okleveles vegyész

Átírás

1 Doktori (PhD) tézisfüzet VÍZBEN OLDÓDÓ, HEM TÍPUSÚ VAS(II)- ÉS VAS(III)-PORFIRINEK ELŐÁLLÍTÁSA, KÉPZŐDÉSI KINETIKÁJUK VALAMINT FOTOFIZIKAI ÉS FOTOKÉMIAI TULAJDONSÁGAIK VIZSGÁLATA Készítette: Huszánk Róbert okleveles vegyész Témavezető: Dr. Horváth Ottó egyetemi tanár Pannon Egyetem, Kémia Intézet Kémia Doktori Iskola Általános és Szervetlen Kémia Intézeti Tanszék Veszprém 2007

2

3 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 érzékelők és fényenergia hasznosítást megvalósító rendszerek (fénygyűjtő dendrimerek) előállítására, továbbá a tumor sejtek pusztítására képes fotodinamikus terápiához is. 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 citokrómok. A porfirin vegyületek rendkívüliségét tükrözi az a tény, hogy a természet mind a fényenergia átalakítására (fotoszintézis), mind az oxigén hordozására és aktiválására, valamint a szervezetekben lejátszódó redox folyamatok lebonyolítására egyaránt hatékonynak találta e molekulát. A biológiai rendszerekben szintén jelenlévő mono-oxigenáz enzim funkciós csoportja vas(iii)-porfirinből áll, mely egy oxigén molekulát olyan aktív állapotba juttat, ami képes szobahőmérsékleten egy szénhidrogén C-H kötésének szakítására vagy beékelődni abba. E funkció mesterséges utánzásának megvalósítása szintén intenzíven kutatott terület, mely iránt az ipar is érdeklődik. A lejátszódó folyamatok mechanizmusának megértéséhez, hatékonyságának javításához a vas(iii) központi atomot tartalmazó porfirin komplexek további vizsgálata szükséges. A vas-porfirinek mint biológiai funkciókat utánzó rendszerek megvalósításához mindenekelőtt szervetlen kémiai szempontból történő vizsgálatuk szükséges. Ugyanis e molekulák koordinációs kémiai, fotokémiai és fotofizikai, reakciókinetikai valamint egyensúlyi tulajdonságainak pontos ismerete nélkül e rendszerek megértése, tervezése és megvalósítása aligha járhat teljes sikerrel. 2. CÉLKITŰZÉS A doktori munkám elsődleges célja vízoldható vas(ii)- és vas(iii)-porfirinek előállítása majd ezek fotokémiai, fotofizikai, képződési kinetikai és egyensúlyi tulajdonságainak feltérképezése, majd ezt követően a vas(ii)-porfirin mint egyszerű hemoglobin modell vizsgálata. A hemoglobin modellezése olyan szintetikusan előállított vas(ii)-porfirint tartalmazó 1

4 vegyülettel, mely képes az oxigénszállításra vagy raktározásra, fiziológiás körülmények között, évtizedek óta megoldatlan probléma, mert már az egyszerű vas(ii)-porfirin előállítása is komoly nehézségekbe ütközik. A szerves közegben történt vizsgálatok szerint ugyanis a képződő vas(ii)-porfirin már nyomnyi mennyiségű, molekulárisan oldott oxigénnel is hatékonyan reagál (peroxo-hídon keresztül dimerizálódva), miközben biológiailag inaktív vas(iii)-porfirin képződik. Miután e komplex előállítását és reakcióit gyakorlatilag csak hidrofób oldószerben vizsgálták (valószínűleg azon okból kifolyólag, hogy a hemoglobinban található hem csoport is apoláros jellegű), kutatásaimat elsősorban a vizes közegben történő előállítására, valamint termikus, fotofizikai és -kémiai reakcióinak tanulmányozására fókuszáltam. Célom volt továbbá a komplexképződés kinetikájának vizsgálata, valamint az előállított komplex molekuláris oxigént megkötő hatásának felderítése is. 3. KÍSÉRLETI ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK A porfirin-komplexek előállítása (Fe(II)TPPS 4-, Fe(III)TPPS 3- [H 2 TPPS 4 =5,10,15,20-tetrakis(4-szulfonátofenil)-porfirin]) minden esetben egyensúlyi, in situ reakciókban történt fémion felesleget alkalmazva. Az alapállapotú abszorpciós színképeket, valamint a reakciókinetikai vizsgálatokhoz szükséges időbeni színképváltozásokat egy Specord S100 UV-Vis típusú egyutas, diódasoros spektrofotométerrel vettem fel. Az emissziós színképek felvétele pedig egy Perkin-Elmer LS 50 B típusú, Hamamatsu 1P28 ( nm) illetve R928 ( nm) fotoelektron-sokszorozóval ellátott spektrofluoriméterrel történt. Az emissziós lecsengési élettartamokat PicoQuant időkorrelált egy-foton számláló készülékkel (~1 ns félértékszélességű impulzus), valamint Quantel Brilliant Nd-YAG szilárdtest lézerrel (532 nm és 355 nm hullámhosszú, ~5 ns félértékszélességű impulzus) és Tektronix TDS 684A digitális oszcilloszkóppal ellátott lézervillanófény fotolízis berendezéssel vizsgáltam. A különböző hullámhosszakon, folytonos besugárzással végzett fotolízis vizsgálatok 150 W-os, nagynyomású Xe-Hg lámpával és monokromátorral rendelkező AMKO LTI típusú készülékkel történtek. A vas(ii)-porfirin komplex és annak különböző axiális ligandumokkal képzett származékainak, valamint azok szingulett, triplett és kvintett állapotainak szerkezetét és energiáját sűrűségfunkcionál-elmélet (density functional theory, DFT) módszerek alapján kaptuk meg. A számítások a B3LYP (függvény kombinációval), valamint LANL2DZ báziskészlet használatával zajlottak a Gaussian98 programcsomag segítségével. 2

5 4. TÉZISEK 1. A vas(ii)-porfirin komplex előállítása A vízoldható, hem-típusú (hemoglobin analóg), nagy-spinszámú Fe(II)TPPS 4- előállítását valósítottam meg semleges valamint gyengén savas oldatban, acetátpuffer, majd különböző típusú reduktív és nitrogéntartalmú ligandumok jelenlétében A vas(iii)-porfirin komplex képződése vas(ii)ionok jelenlétében Kimutattam, hogy a vas(ii)ionok és a H 2 TPPS 4- 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 A vas(ii)-porfirin komplex képződése acetátionok jelenlétében Kimutattam, hogy a vas(ii)-porfirin komplex előállítása acetátpuffer jelenlétében, megvalósítható. A puffer a ph-érték beállításán túlmenően acetátokomplex képződése révén blokkolta, maszkírozta a nyomnyi mennyiségben jelenlévő szabad vas(iii)ionokat, mely nélkül a kialakult vas(ii)-porfirin komplex a megfelelő vas(iii) formává alakult volna. Az előállított vas(ii)- porfirin stabilnak bizonyult levegőn és tiszta oxigén jelenlétében is, az eddig megjelent közlemények alapján egyedüli módon 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 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 (C 6 H 8 O 6 ), formaldehid (H 2 CO), D-glükóz (C 6 H 12 O 6 ), nitrogén-monoxid (NO), szulfo-cianid (SCN - ), valamint fluorid (F - ) ligandumok). 3

6 2. A vas(ii)- és vas(iii)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa és kinetikája Spektrofotometriás technikával követve vizsgáltam a vas(ii)- és vas(iii)-porfirin képződésének kinetikáját valamint mechanizmusát A vas(ii)- és vas(iii)-porfirin komplexek képződésének mechanizmusa Igazoltam a vas(ii)ionok és a H 2 TPPS 4- ligandum reakciójában végtermékként megjelenő vas(iii)-porfirin képződésének mechanizmusát, melyben a vas(ii)- porfirin átmenetileg képződik és a vas(ii)-ionok katalizátorai e folyamatnak A vas(ii)- és vas(iii)-porfirin komplexek képződésének sebességi állandói A kvalitatív kísérleti eredmények alapján feltételezett modell mechanizmus az acetátpuffert nem tartalmazó és tartalmazó rendszerben mért színképsorozatokra történt illesztésével meghatároztam a komplexek képződésének sebességi állandóit, valamint ezek alapján megállapítottam, hogy vas(iii)-porfirin több mint két nagyságrenddel gyorsabban képződik mint a vas(ii)-porfirin. A modell illeszkedése megerősítette továbbá a vas(ii)- és vas(iii)-porfirin komplexek képződésének feltételezett mechanizmusát is Az átmenetileg képződő többmagvú metalloporfirin A reakció egy adott időpontjában rögzített színképre történt Lorentz függvények illesztésével valószínűsítettem, hogy legalább egy köztitermék részecske képződik, mely Fe(II)-TPPS-Fe(III) kétmagvú komplexként jellemezhető. 3. A vas(ii)- és vas(iii)-porfirin komplexek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai Tanulmányoztam és összehasonlítottam a vas(ii)- és vas(iii)-porfirin komplexek abszorpciós és emissziós tulajdonságait, valamint a fotoindukált kémiai reakcióit A vas(ii)-porfirin SAT jellege Az ionrádiuszaikból következően bizonyosan SAT jellegű komplexek abszorpciós és emissziós színképeivel való teljes mértékű egyezés alapján is megállapítottam, hogy a vas(ii)-porfirin szintén SAT típusúnak, valamint ebből kifolyólag nagy-spinszámúnak tekinthető 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 4

7 élettartamát valamint annak kvantumhasznosítási tényezőjét a jellemző Soret és Q sávokon gerjesztve. Megállapítottam, hogy a Q sávon történt gerjesztés során nagyobb a fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezője. Összeállítottam továbbá a vas(ii)-porfirin komplett energiaszint (Jablonski) diagramját A vas(ii)-porfirin S 2 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 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 A vas(ii)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői Megállapítottam, hogy a vas(ii)-porfirin fotoindukált töltésátvitel (LMCT) révén irreverzibilis, gyűrűnyíláshoz vezető fotokémiai átalakulást szenved, melynek mechanizmusára javaslatot tettem. Kimutattam, hogy e fotokémiai reakció bruttó kvantumhasznosítási tényezője a Q sávokon gerjesztve a nagyobb. 4. A vas(ii)-porfirin komplex mint lehetséges hem modell Kísérleteket végeztem annak kiderítésére, hogy a vas(ii)-porfirin komplex vajon alkalmazható-e a hemoglobin szintetikus analógjaként 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. 5

8 5. TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK ÉS ELŐADÁSOK Az értekezés alapját képző tudományos publikációk 1. Róbert Huszánk, Ottó Horváth A heme-like, water-soluble iron(ii) porphyrin: thermal and photoinduced properties, evidences for sitting-atop structure Chem. Commun. 2005, Ottó Horváth, Róbert Huszánk, Zsolt Valicsek, György Lendvay Photophysics and photochemsitry of kinetically labile, water-soluble porphyrin complexes Coord. Chem. Rev., 2006, 250, Róbert Huszánk, György Lendvay, Ottó Horváth Air-stable, heme-like water-soluble iron(ii)-porphyrin: in situ preparation and characterization J. Biol. Inorg. Chem., 2007, 12, A dolgozat témájához kapcsolódó tudományos publikációk 1. Ottó Horváth, Róbert Huszánk Degradation of surfactants by hydroxyl radicals photogenerated from hydroxoiron(iii) complexes Photochem. Photobiol. Sci., 2003, 2, Tudományos előadások, poszterek nemzetközi konferenciákon 1. R. Huszánk, O. Horváth Oxidative degradation of organic pollutants by photocatalytically generated hydroxyl radicals microcad 2002 International Scientific Conference, Miskolc, Hungary, 2002, March R. Huszánk, O. Horváth Formation, thermal and photoinduced reactions of a water-soluble iron(ii)-porphyrin Tetranational Conference Perspectives of Photochemistry in the New Millennium Badgastein, Austria, 2004, March O. Horváth, R. Huszánk, Z. Valicsek Photophysics and Photochemistry of Kinetically Labile, Water-Soluble Porphyrin Complexes 16th International Symposium on Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds (ISPPCC), Asilomar, USA, 2005, July 2-6, (Abst. O-44). 6

9 4. O. Horváth, Z. Valicsek, G. Lendvay, R. Huszánk Photophysics and photochemistry of water-soluble sitting-atop metalloporphyrins Central European Conference on Photochemistry 2006 Bad Hofgastein, Austria, 2006, March O. Horváth, Z. Valicsek, G. Lendvay, R. Huszánk The Role of Sitting-Atop Coordination in the Photoinduced Properties of Water-Soluble Metalloporphyrins 17th International Symposium on Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds (ISPPCC), Dublin, Ireland, 2007, June 24-28, (Abst. O 29, p. 100). Tudományos előadások hazai konferenciákon 1. Huszánk R., Horváth O. Felületaktív anyagok oxidatív lebontása fotokatalitikusan előállított hidroxilgyökökkel MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai MB ülése, Balatonalmádi, április Horváth O., Huszánk R., Valicsek Zs. A központi fémion oxidációs állapotának hatása metalloporfirinek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságaira XXXVIII. Komplexkémiai Kollokvium, Gyula, május Horváth O., Huszánk R., Valicsek Zs. Vízoldható metalloporfirinek egyensúlyi, fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai MB ülése, Balatonalmádi, április Horváth O., Huszánk R., Lendvay Gy., Valicsek Zs. "Különböző összetételű vízoldható porfirin-komplexek szerkezetének és fotoindukált viselkedésének vizsgálata", XL. Komplexkémiai Kollokvium, Dobogókő, május Huszánk R., Horváth O. Hem típusú vas(ii)- és vas(iii)-porfirinek előállítása, termikus, fotofizikai és fotokémiai tulajdonságainak vizsgálata MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai MB ülése, Balatonalmádi, április A disszertáció elektronikusan elérhető a következő webcímen: 7