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
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
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 (200-650 nm) illetve R928 (200-860 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
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. 1.1. 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. 1.2. 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. 1.3. A vas(ii)-porfirin komplex egyensúlyi állandójának meghatározása Bizonyítottam, hogy a nem tisztán egyensúlyi folyamatban képződő vas(ii)- porfirin komplex a SAT típusú komplexekre jellemző látszólagos egyensúlyi állandóval rendelkezik. 1.4. A vas(ii)-porfirin komplex képződése egyéb ligandumot tartalmazó közegben Kimutattam, hogy különböző mértékben más ligandumok jelenlétében is képződik a vas(ii)-porfirin komplex (aszkorbinsav (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
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. 2.1. 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. 2.2. 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. 2.3. 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. 3.1. A vas(ii)-porfirin SAT jellege Az ionrádiuszaikból következően bizonyosan SAT jellegű komplexek abszorpciós és emissziós színképeivel való teljes mértékű egyezés alapján is megállapítottam, hogy a vas(ii)-porfirin szintén SAT típusúnak, valamint ebből kifolyólag nagy-spinszámúnak tekinthető. 3.2. A vas(ii)-porfirin fotofizikai állandói Meghatároztam a vas(ii)-porfirin komplex fontosabb fotofizikai állandóit, mint a moláris abszorpciós koefficiensét (350 nm-től 800 nm-ig), a Stokes-féle eltolódásokat, időfelbontásos spektroszkópiai technikával a fluoreszcencia 4
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. 3.3. 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. 3.4. A vas(iii)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői Megerősítettem, hogy a vas(iii)-porfirin komplex az irodalomban megjelent tanulmányokkal összhangban nem mutat semmilyen jellegű lumineszcenciát, továbbá a metalloporfirinekre jellemző hullámhosszaknál tranziens abszorpció sem figyelhető meg. 3.5. A vas(ii)-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. 4.1. A vas(ii)-porfirin és a molekuláris oxigén Megállapítottam, hogy a vas(ii)-porfirint tartalmazó oldatban az oldott molekuláris oxigén nem okoz látható színképváltozást. DFT számítások segítségével kimutattuk, hogy acetátionok vagy víz molekulák jelenlétében az oldott oxigén molekula nem képes kötődni a vas(ii)-porfirinhez, mely így eltérően a hemoglobintól nem alkalmas reverzibilis oxigén szállítására. 5
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, 224-226. 2. Ottó Horváth, Róbert Huszánk, Zsolt Valicsek, György Lendvay Photophysics and photochemsitry of kinetically labile, water-soluble porphyrin complexes Coord. Chem. Rev., 2006, 250, 1792-1803. 3. 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, 681-690. 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, 960-966. 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 7-8. 2. 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 7-11. 3. 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
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 5-9. 5. 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, 2002. április 25-26. 2. Horváth O., Huszánk R., Valicsek Zs. A központi fémion oxidációs állapotának hatása metalloporfirinek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságaira XXXVIII. Komplexkémiai Kollokvium, Gyula, 2003. május 21-23. 3. Horváth O., Huszánk R., Valicsek Zs. Vízoldható metalloporfirinek egyensúlyi, fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai MB ülése, Balatonalmádi, 2004. április 29-30. 4. Horváth O., Huszánk R., Lendvay Gy., Valicsek Zs. "Különböző összetételű vízoldható porfirin-komplexek szerkezetének és fotoindukált viselkedésének vizsgálata", XL. Komplexkémiai Kollokvium, Dobogókő, 2005. május 18-20. 5. 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, 2006. április 27-28. A disszertáció elektronikusan elérhető a következő webcímen: http://huszank.atomki.hu/~huszank/hr-phd.pdf 7