Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1. Основные подходы к синтезу порфиразинов 5
1.2. Специфика молекулярной структуры порфиразинов 9
1.3. Кислотные свойства порфиразинов 16
1.3.1. Термодинамическая кислотность 16
1.3.2. Электронные спектры поглощения молекулярных и анионных форм порфиринов и порфиразинов 23
1.3.3. Кинетическая кислотность 29
2. Экспериментальная часть
2.1. Подготовка исходных веществ 34
2.2. Синтез порфиразинов 35
2.2.1. Синтез октафенилпорфиразина 35
2.2.2. Синтез окта(л-бромфенил)порфиразина 36
2.2.3. Синтез тетра(4-/и/?ет-бутил)фталоцианина 37
2.2.4. Синтез тетра(3-нитро-5-трет-бутил)фталоцианина 38
2.2.5. Синтез октафенилтетрапиразинопорфиразина 38
2.3. Методика кинетических измерений и расчет кинетических па раметров 40
3. Обсуждение результатов
3.1. Кислотно-основные взаимодействия октафенилзамещенных порфиразинов с азотистыми основаниями в системе бензол — дим етил сульфоксид 42
3.2. Образование и устойчивость комплексов с переносом протонов замещенных фталоцианина в системах азотистое основание - бензол и азотистое основание — диметилсульфоксид 49
3.3. Кинетическая устойчивость комплекса октафенилтетрапира-зинопорфиразина с диметилсульфоксидом в протоноакцеп-торных средах 61
3.4. Особенности межмолекулярного переноса протонов NH-rpynn октафенилпорфиразина и окта(и-бромфенил)порфиразина к азотистому основанию в системе диметилсульфоксид - бензол 72
3.5. Межмолекулярный перенос протонов замещенных фтало-цианина в системах азотистое основание — бензол и азотистое основание - диметилсульфоксид 87
Выводы 98
Список литературы 99
- Специфика молекулярной структуры порфиразинов
- Синтез порфиразинов
- Методика кинетических измерений и расчет кинетических па раметров
- Образование и устойчивость комплексов с переносом протонов замещенных фталоцианина в системах азотистое основание - бензол и азотистое основание — диметилсульфоксид
Введение к работе
Актуальность работы. Среди огромного количества биологически активных соединений, принимающих участие в различных метаболических процессах, особое место занимают макроциклы порфиринового типа, которые функционируют in vivo в сложном многокомпонентном органическом окружении. Несмотря на многочисленные исследования биопорфиринов в ряде жизненноважных процессов, кислотно-основные взаимодействия, протекающие с их участием и играющие важную роль при образовании молекулярных комплексов, до сих пор остаются мало изученными. В связи с этим весьма актуальной научной проблемой является всестороннее исследование кислотных свойств природных порфиринов первоначально на модельных соединениях, в качестве которых могут быть использованы порфиразины, содержащие два протонодонорных центра, включенных в ароматическую систему макроцикла. Сведения о кислотности порфиразиновых молекул имеют важное самостоятельное значение. Они позволят не только расширить представления о реакциях межмолекулярного переноса протона, которые играют ключевую роль в биоэнергетике и ряде ферментативных процессов, но и решать проблемы дальнейшего развития теории реакционной способности сложных органических молекул.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию состояния (З-замещенных и |3,(3-аннелированных порфиразинов в протоноакцепторных средах и выявлению закономерностей, влияющих на их реакционную способность в процессах кислотно-основного взаимодействия.
Научная новизна. Впервые изучены процессы кислотно-основного взаимодействия р-замещенных и р,р-аннелированных порфиразинов с протоноакцептор-ными органическими молекулами в бензоле, диметилсульфоксиде и системе бензол - диметилсульфоксид.
Показано, что в основных средах исследованные порфиразины ведут себя как двухосновные NH-кислоты, и образуют различные по кинетической устойчивости комплексы с переносом протонов.
Впервые установлено, что в присутствии азотистых оснований комплексы октафенилтетрапиразинопорфиразина и тетра(3-нитро-5-т/>е/я-бутил)фталоци-анина с диметилсульфоксидом подвергаются распаду с течением времени. Пред-чожен механизм деструкции этих комплексов, и обоснована причина потери их стабильности в сильноосновных средах.
Установлено, что межмолекулярный перенос протонов NH-групп от октафе-нилзамещенных и бензоаннелированных порфиразинов к циклическим и ациклическим аминам относится к числу необычно медленных процессов.
Выявлена зависимость кинетической NH-кислотности порфиразиновых макроциклов от силы и стерических возможностей протоноакцепторных молекул, а также от основности и полярности растворителя.
Практическая значимость. Полученные в работе экспериментальные данные являются новым вкладом в развитие химии циклических ароматических по-
і РОС.
МАЦИОНА*' Н' '
БИБЛИОТЕК' '
лиаминов и теории реакционной способности сложных органических молекул Данные о состоянии порфиразиновых макроциклов в протоноакцепторных средах могут быть использованы при выборе оптимальных условий синтеза металлоком-плексов, а сведения об их кинетической NH - кислотности могут быть полезны для более полного понимания специфики переноса протона в биосистемах
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003); XXV и XXVI Российских семинарах по химии порфиринов и их аналогов (Иваново, 2004); V Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Санкт-Пстербурі, 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы (150 наименований) Материалы работы изложены на 112 страницах и содержат 21 таблицу и 38 рисунков и схем
Специфика молекулярной структуры порфиразинов
Порфиразины являются близкими структурными аналогами порфири-нов, в которых метановые (=СН-) фрагменты замещены на атомы азота.
Их молекулярная структура включает в себя геометрическую структуру органического лиганда, структуру металла и его окружения в металло-порфирази нах, а также электронную структуру тетрапиррольного макроцикла и взаимодействующих с ним периферических фрагментов молекулы.
Наиболее объективную информацию о геометрическом строении молекул в твердом состоянии можно получить при использовании данных рент-геноструктурного анализа (РСА). Так, было изучено геометрическое строение порфина (Н2Р) и фталоцианина (Н2Рс) [30-35]. Согласно полученным данным, порфириновое кольцо имеет плоское строение (отклонение С и N атомов от средней плоскости макроцикла не превышает 0.06 А). Химические связи, образованные 16-членным макроциклом, при переходе от порфирина к было проведено рентгеноструктурное исследование ряда комплексов металлов с порфиразинами [21, 36, 37]. Сравнение полученных структурных данных с данными по соответствующим комплексам порфиринов [38-40], тетра-бензопорфина [41] и фталоцианина [42, 43] позволило установить влияние тетрааза — и тетрабензозамещения на геометрические параметры макроцикла.
Согласно [21, 36, 42], при полном азазамещении углы, образованные мости-ковым атомом сокращаются, а длины связей, составляющие внутреннее 16 — членное кольцо, уменьшаются. В случае порфиринов связи между Са и мезо — атомом уменьшаются особенно сильно. Следует отметить, что геометрия пиррольных фрагментов изменяется за счет существенного увеличения изоляции этиленовых двойных связей, в то время как в изоиндольных фрагментах значительно изменяется только связи Np - Са.
Влияние тетраазазамещения на изменение в длинах связей и углах подтверждается данными квантовохимических расчетов, полученными в работе [44]. При замене метановых групп на мезо-ътомы азота связи Са - Np и С«- Nm укорачиваются на 0.03А и 0.08А, а валентный угол CaNmCu уменьшается на 2. Одновременно происходит менее заметное удлинение связей Са - Ср на фоне увеличения валентных углов NmCaNp и CaNpCa. Это приводит к уменьшению размера координационной полости порфиразина по сравнению с порфирином на 0.24А.
Тетрабензозамещение в Н2РА, судя по данным [33, 44], не оказывает существенного влияния на величины длин связей и углов в молекуле фтало-цианина, что подтверждается данными нейтронографии, приведенными в [45]. Напротив, в порфиринах связи и углы, сформированные мостиковым атомом углерода, значительно уменьшаются.
Таким образом, сравнение рентге но структурных данных металлокомп-лексов, а также данных квантовохимических расчетов показывает, что тет-раазазамещение оказывает более сильное влияние на геометрические параметры молекулы, чем бензозамещение. Его эффект более выражен в порфиринах и их алкил- и ар илпро из водных, чем в тетрабензопорфиринах. Усредненные структурные данные Н2Р, Н2РА и Н2Рс представлены в таблице 1.1,
В работе [47] приведены результаты геометрической оптимизации порфиразинового макроцикла, содержащего аннелированные шестичленпые ароматические гетероциклы. Во всех случаях макроцикл при аннелировании остается плоским и испытывает изменения, аналогичные таковым при тетра-бензозамещении в порфиразине. Наблюдается укорочение связей Са-Ср в пирролениновых кольцах на 0.02 А и связей Cn-Nm, смежных с пирроль-ными кольцами. Это отражает существенное взаимодействие тг-системы порфиразинового макроцикла с аннелированными ароматическими гетеро-циклами, а именно, длина связи Ср- Ср возрастает по сравнению с Н2РА. При аннелировании увеличивается угол образованный внутрициклическими атомами азота на 2-3, что приводит к увеличению размеров координационной полости по сравнению с незамещенным Н2РА.
Синтез порфиразинов
Октафенилпорфиразин был получен нами по методике, разработанной Линстедом [9]. Дифенилмалеинодинитрил. Холодный раствор 18.4 г (0.8 моля) натрия в 300 мл метанола добавляли при охлаждении в течении 30 минут к хорошо перемешиваемой смеси 101.6 г (0.4 моля) иода в 270 мл метанола, 46.8 г (0.39 моля) бензилцианида и 1500 мл диэтилового эфира. Через 20-25 минут образовавшийся желтоватый осадок отфильтровывали, промывали водой, разбавленным раствором тиосульфата натрия, снова водой, сушили и пере-кристаллизовывали из бензола. Выход 31 г. (68%), Тпл=431 К. Магниевый комплекс октафенилпорфиразина. Тонкоизмельченную смесь 1 г (0.0043 моль) дифенилмалеинодинитрил а и 0.1 г (0.0041 моль) металлического магния помещали в длинную пробирку из тугоплавкого стекла и нагревали в бане со сплавом Вуда 10 мин. при 545 К. Образовавшийся комплекс экстрагировали пиридином, экстракт упаривали, сухой остаток растворяли в бензоле и хроматографировали на А1203 II степени активности (элю-энт- пиридин : диэтиловый эфир (1:1)). Затем раствор концентрировали, выливали в горячую воду. Выпавший осадок отфильтровывали и сушили. После повторной хроматографии продукт высушивали в вакууме при 420 К. Выход: 80%. Октафенилпорфиразин. 0.6 г (6.25 10 моля) магниевого комплекса ок-тафенилпорфиразина растворяли в 20 мл пиридина, добавляли 80 мл уксусной кислоты. Затем нагревали 1 час при 350 К, выливали в горячую воду, отфильтровывали, промывали водой и этанолом и сушили в вакууме при 420 К. Выход: 0.48 г (80%). Данные элементного анализа: найдено, (%): С 83.20; Н 4.61; N 12.12, вычислено (C64H42N8), (%): С 83.29; Н 4.56; N 12.15. Характеристика электронного спектра поглощения (ЭСП) октафе-нилпорфиразина в хлороформе =б77нм (lgsi—4.48), Хц=617нм (lgEn=4.32), XcoPe=370HM(lge=4.63). Данные ИК-спектроскопии приведены в таблице 2.3. Окта(/7-бромфенил)порфиразин был синтезирован нами по методике, приведенной в [119]. 0.1 г магниевого комплекса октафенилпорфиразина растворяли в 20 мл три фтору ксу с ной кислоты, добавляли 0.24 мл брома в 15 мл кислоты и выдерживали при комнатной температуре 8 суток. Реакционную смесь выливали в дистиллированную воду. Осадок отфильтровывали, промывали водой, ССЦ, высушивали в вакууме, после чего проводили очистку методом колоночного хроматографирования на силикагеле, используя в качестве проявителя смесь хлороформа и четыреххлористого углерода в соотношении 1:4. Очищенное соединение образует одну полосу при хроматографии. Выход 0.12 г (71%). Rf- 0.79 Данные элементного анализа: найдено, (%): С 49.78; Н 2.16; Вг 41.02; N 6.83, вычислено (C64H34Br8N8), (%): С 49.46; Н 2.20; Вг 41.13; N 7.21. ЭСП окта(«-бромфенил)порфиразина в хлороформе: Х=670нм ( =4.96), чг=602нм (lgsir=4.75), Хсорс=371нм (lgs=4.95) В ИК спектре окта(«-бромфенил)порфиразина наблюдаются полосы поглощения, характерные для соединения октафенилпорфиразина, а также для связи С-Вг (660-290 см-1). В спектре ПМР полученного соединения в области 8.20-6.65 м. д. имеются сигналы орто- и мето- протонов фенильных колец. Смесь Зг. (16.3-ммоль) 4-/ярет-бутилфталонитрила, 0.12г. (17.1 л/атом) лития и 20 мл свежеперегнанного хинолина, кипятили в течение Зч., затем охлаждали и выливали в смесь 30 мл концентрированной НС1 и 150 мл воды. Осадок отфильтровывали, промывали водой и высушивали. Для очистки тет-щ(4-трет-бутил)фталоцианина, его растворяли в небольшом количестве хлороформа и хроматографировали дважды на АЬОз третьей степени активности по Брокману. Элюат упаривали и продукт осаждали метанолом. Выход составил 0.77г. (35%). Rf (силуфол)=0.52 (хлороформ-гексан: 3:1). Н ЯМР (8, м.д.): 9.16 м. (4Н, 6-Н), 8.86 м. (4Н, 3-Н), 8.15 м. (4Н, 5-Н), 1.90 с. (36Н, Ви1), 2.60 уш. с. (2Н) (CDC13, вн. ст. ТМС). Характеристики ЭСП тетра(4-т/?е/«-бутил)фталоцианина в хлороформе и диметилсульфоксиде: Хі=701нм (lgef=5.10), щ=664нм (Ign=5.03), ч:0рЄ=342нм (lge=4.81), ч=698нм (lgc!=5.04), ХІГ-665нм (lgen=4.96), ч:оре 340нм (lge-4.83) соответственно. Смесь 1.0 г (4.36 лшоль) 3-нитро-5-т/?ет-бутилфталодинитрила, 0.3 г (5.61 лшоль) хлорида аммония, 0.02 г (0.1 лшоль) молибдата аммония и 0.25 г (1.12 лшоль) оксида свинца нагревали при 513 К в течение 2 ч., затем охлаждали, промывали водой и растворяли в хлористом метилене, подкисленном трифторуксусной кислотой. Полученный тетра(3-нитро-5-т/?ет-бутил)фтало-цианин хроматографировали на А120з третьей степени активности по Брок-ману, элюируя хлористым метиленом. Элюат упаривали и продукт осаждали метанолом. Выход составил 0.05 г (4.99%). Rf (силуфол)= 0.15 (бензол).
Методика кинетических измерений и расчет кинетических па раметров
Для измерения скорости реакции межмолекулярного переноса протонов использовался спектрофотометрический метод, поскольку в ЭСП молекулярных и кислотно-основных форм порфиразинов имеются значительные различия (см. раздел 1.3.2) Кинетические измерения проводили следующим образом: в кварцевые кюветы со шлифами помещали свежеприготовленные растворы порфиразинов с постоянной концентрацией и азотистого основания с различной концентрацией в бензоле (ДМСО, системе бензол — ДМСО). После этого выдерживали кюветы в течение 20 мин в термостатируемой ячейке спектрофотометра "U-2001". Затем растворы быстро смешивали и проводили измерения оптической плотности через определенные промежутки времени. При этом колебания температуры не превышали ±0.5. Во всех случаях начальная концентрация (с ) порфиразина составляла —10" моль/л. Текущую (с) и конечную концентрации порфиразинов определяли по уравнениям: где Ао, Ат и А - оптические плотности растворов в начальный момент времени то , в момент времени т и после завершения реакции z,rj. Все кинетические измерения проводили при большом избытке основания, что соответствует условиям реакции псевдопервого порядка. Поэтому эффективные константы скорости реакции рассчитывали по формуле: В уравнение (2.4) к — истинная константа скорости переноса протона; п — порядок реакции по основанию (В). Энергию активации определяли из температурной зависимости по уравнению Аррениуса Еа = ( ЛпШт)/КТ2, (2.5) которое в интегральной форме имеет вид: где: к\, кг - эффективные константы скорости реакции, полученные по уравнению (2.3) при температурах Ті и Т2 соответственно. Значение энтропии активации (AS ) рассчитывали по основному уравнению теории переходного состояния, преобразованному к виду: Точность кинетических параметров в процессах переноса протона оценивалась с помощью обычных методов математической статистики при доверительном интервале 95%. Использование метода Стьюдента позволило определить относительную ошибку в значениях констант скоростей, которая составила от 2 до 6%, а в определении энергии и энтропии активации не более 15%. Ранее сообщалось (раздел 1.3.1), что порфиразины в отличие от пор-фиринов обладают более выраженной кислотностью по внутрициклическим NH-связям, благодаря чему они вступают в необычное взаимодействие с различными по природе органическими основаниями. Впервые эта реакция была описана для порфиразина в работе [122]. Было показано, что депротонирование 16-членного (C8N8) макроцикла происходит под влиянием пиридина только при фотооблучении раствора. Введение электроноакцепторных заместителей в пиррольные кольца порфиразина способствует росту кислотных свойств молекулы и, как следствие, облегчает этот процесс. Так, тетрабромпорфиразин [103] и тетрахлор-порфиразин [113] вступают во взаимодействие с различными по протоноак-цепторной способности аминами, в среде малополярного растворителя (бензол) даже при комнатной температуре. Напротив, октафенилпорфиразин (P PAPhg), согласно данным [123], депротонируется в достаточно жестких условиях. Требуется кипячение пиридинового раствора H2PAPhs в течение нескольких часов. Иначе обстоит дело в случае окта(л-бромфенил)порфиразина (H2PA(PhBr)g), У которого подвижность внутрициклических протонов NH-групп оказывается выше, чем у H2PAPhg. В бензольном растворе он достаточно легко взаимодействует с н-бутиламином [124], хотя в реакции с морфолином, бензиламином, диэтиламином и триэтиламином оказывается химически неактивным [125]. Согласно современным представлениям [93, 94], положение кислотно-основного равновесия во многом определяется свойствами растворителя, а, именно, его диэлектрической проницаемостью (с). В подавляющем большинстве случаев увеличение є растворителя инициирует взаимодействие между протолитами.
Образование и устойчивость комплексов с переносом протонов замещенных фталоцианина в системах азотистое основание - бензол и азотистое основание — диметилсульфоксид
Как уже упоминалось в предыдущих разделах, кислотные свойства тетрапиррольных макроциклов находятся в непосредственной зависимости от особенностей их электронного и геометрического строения. Согласно расчетным данным [47], при 3, Р-бензоаннелировании в пор-фиразине на фоне роста ароматичности молекулы и увеличивающейся изоляции Ср- Ср — связей пиррольных колец от 16-членного хромофора [48, 49, 52] возрастает подвижность внутрициклических протонов NH-групп. Несмотря на это, ЭСП фталоцианина (Н2Рс) в растворителях основного характера (пиридина, ДМСО) аналогичен таковому в нейтральных растворителях [136] и типичен для порфиразинов с D2h - симметрией. В случае тетра(4-/я/?е/и-бутил)фталоцианина (H2Pc(Bul)4) наблюдается аналогичная картина. В диметилсульфоксиде, диметилформамиде и пиридине его ЭСП имеет расщепленную Q-полосу [127]. Нерасщепленная Q-полоса, характерная для О -симметрии хромофора, проявляется только в более основных аммиаке, диметиламине и пиперидине, что свидетельствует о депро-тонировании данного соединения. Проведенные нами более детальные исследования этого процесса показали, что кислотно-основное взаимодействие Н2Рс(Ви% даже с достаточно сильным акцептором протона- пиперидином не наблюдается, если в качестве растворителя использовать инертный малополярный бензол. Однако при замене бензола на диметилсульфоксид повышение симметрии макроцикли-ческого хромофора от D2h до D , происходящее в результате изменения энергии я-молекулярных орбиталей [137], имеет место в присутствии менее сильных, чем пиперидин, оснований (морфолин, бензиламин). При СМоГ 4.30 моль/л и CBZNH2! 7.1 моль/л в ДМСО расщепление Q-полосы исчезает с течением времени (рис. 3.4), в результате чего ЭСП (рис. 3.5) становится идентичным спектру металлокомплекса [52]. -С(СН3)з Интересным оказался тот факт, что при переходе от ДМСО к бинарному растворителю (бензол - 50% ДМСО) с меньшей полярностью и сольвати-рующей способностью перенос протонов NH-групп от Н2Рс(Ви )4 к морфоли-ну и бензиламину не наблюдается в отличие от H2PAPh8 и H2PA(PhBr)8. Полученные данные не являются неожиданными, если принять во внимание, что октафенильное замещение в порфиразине оказывает более сильное влияние на кислотные свойства, чем тетрабензозамещение. Для H2PAPhg и Н2Рс значения pKaJ составляют 10.36 [47] и 11.23 [47] соответственно. При введении в фе-нильные кольца электроноакцепторных атомов брома протонодонорные свойства H2PA(PhBr)s усиливаются [125]. Напротив, при переходе от Н2Рс к Н2Рс(Ви1)4 наблюдается дальнейший рост ковалентности связей NH за счет действия +1-эффекта со стороны четырех трет-бутильных групп. Полученные результаты с учетом данных [47, 125] позволяют сделать вывод что в ряду H2PA(PhBr)8 — НгРАРЬз —» Н2Рс — Н2Рс(Ви )4 протонизация внутрицик-лических NH-связей уменьшается, в результате чего кислотные свойства молекулы ослабевают. Исследования состояния тетра(3-нитро-5-тре/и-бутил)фталоцианина (Н2Рс(Ы02)4(Ви1)4) в различных по основности протоноакцепторных средах показало, что Н2Рс(Ы02)4(Ви1)4 в отличие от Н2Рс(Ви% вступает во взаимодействие с азотистыми основаниями даже в среде малополярного бензола. Так, под влиянием морфолина, бензиламина и диэтиламина в ЭСП Н2Рс(Ы02)4(Ви1)4 регистрируется одновременное уменьшение интенсивности полос поглощения X] и А,» и рост интенсивности полосы поглощения при 1=678 нм (рис. 3.6). Спектральные изменения, сопровождающие реакцию, идентичны таковым для H2PAPh8 и H2PA(PhBr)8 в системе В - бензол - ДМСО (рис. 3.1) и Н2Рс(Ви,)4 в системе В - ДМСО (рис. 3.4). Это означает, что Н2Рс( ГО2)4(Ви )4 по отношению к В также проявляет двухосновный NH-кислотный характер, а D — симметрия, образующихся соединений (рис. 3.7), указывает на перенос из плоскости макроцикла двух протонов NH-групп H2Pc(N02)4(Bul)4 к молекулам азотистых оснований.
