Эффекты комплексообразования и межмолекулярных взаимодействий в химии дипирринов и билирубина тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.01, кандидат наук Румянцев, Евгений Владимирович

• Румянцев, Евгений Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Румянцев, Евгений Владимирович

Оглавление

Благодарности 5

Введение 6

Глава 1 • Концептуальные основы химии билирубина, дипирринов и их бис-производных. Введение в проблематику исследований 22

1.1. Пиррол - главный структурный фрагмент и генетический

предшественник 22

1.2. Основы систематики и номенклатуры дипирринов

и их бис-производных 27

1.3. Структура молекул 29

1.3.1. Дипиррины, бис(дипиррины), их комплексы

и супрамолекулярные ансамбли 30

1.3.2. Билирубин 41

1.4. Ключевые аспекты биохимии билирубина 53

1.5. Обоснование направлений собственных исследований 62 Глава 2 • Закономерности образования в растворах, изменений термодинамической устойчивости, спектральных и фотофизических характеристик комплексов алкилированных дипирринов

с й- и /-элементами 69

2.1. Эффекты влияния структуры на основность координационных

центров дипирринов 69

2.2. Образование и устойчивость бис-дипирриновых комплексов

^-металлов в растворах 79

2.2.1. Спектральные эффекты 79

2.2.2. Анализ констант образования комплексов 81

2.2.3. Влияние бромида тетраэтиламмония на реакцию образования

и устойчивость бис-дипиррината цинка в диметилформамиде 83

2.3. Образование гетеролигандных комплексов дипирринов 88

2.3.1. Кинетика образования гетеролигандного комплекса никеля(П) 89

2.3.2. Образование гетеролигандных комплексов с анионами аминокислот 92

2.4. Закономерности образования и устойчивости трис-дипирриновых комплексов с лантанидами, Ga(Ш) и 1п(Ш) 96

2.5. Анализ термодинамических характеристик реакций

комплексообразования 101

2.6. Спектральные и фотофизические свойства

растворов комплексов дипирринов с й- и/элементами 105

Глава 3 • Борфторидные комплексы дипирринов:

механизм образования, спектральные и фотофизические свойства,

направления функционализации 114

3.1. Обзор направлений исследования и применения Bodipy 114

3.2. Механизм образования Bodipy 118

3.2.1. Основные подходы к синтезу Bodipy и комплексов дипирринов 118

3.2.2. Донорно-акцепторные комплексы дипирринов с BFз

и другими кислотами Льюиса 119

3.2.3. Кинетика трансформации донорно-акцепторного комплекса

дипиррина с трифторидом бора в Bodipy 129

3.3. Эффекты сольватации в спектроскопии и фотофизике

растворов Bodipy 130

3.3.1. Процессы возбуждения и дезактивации молекул Bodipy 131

3.3.2. Корреляции спектральных и фотофизических характеристик

растворов Bodipy с параметрами растворителей 134

3.3.3. Мезо-замещенные Bodipy как люминисцентные сенсоры вязкости 143

3.3.4. Потенциал использования Bodipy в диагностике процессов

свертывания крови 155

3.3.5. Другие развиваемые направления химии Во&ру 161 Глава 4 • Закономерности кинетической устойчивости

комплексов дипирринов к действию кислот 164

4.1. Протолитическая диссоциация комплексов цинка(П)

с алкилированными дипирринами 167

4.2. Протолитическая диссоциация комплексов палладия(П)

с дипиррином и его бис-производным 173

4.3. Протолитическая диссоциация бис-дипирриновых комплексов

меди(П) и никеля(П) в бензольных растворах уксусной кислоты 177

4.4. Закономерности кинетической устойчивости Bodipy

к действию кислот и оснований 181

4.4.1. Кинетическая устойчивость Bodipy к действию кислот 181

4.4.2. Начальные стадии протолитической диссоциации Bodipy:

квантовохимическое моделирование 187

4.4.3. Гидролиз и деструкция Bodipy в щелочных растворах 191

4.5. Заключительные положения 193 Глава 5 • Супрамолекулярные эффекты в проявлении антирадикальной, регулирующей и активирующей функций билирубина 195 5.1. Супрамолекулярные эффекты в кинетике

окислительных реакций билирубина 197

5.1.1. Билирубин как естественный антирадикал и антиоксидант 197

5.1.2. Реакции индивидуального окисления билирубина

и его альбуминового комплекса в водных растворах 203

5.1.3. Кинетика реакций совместного окисления билирубина

с аскорбиновой кислотой в водных растворах 210

5.1.4. Реакции окисления билирубина и его альбуминового комплекса

под действием органических инициаторов 213

5.1.5. Квантовохимический анализ наиболее вероятных

маршрутов окисления 218

5.2. Эффект «присутствия» билирубина в составе альбуминового комплекса на термодинамические и кинетические параметры

супрамолекулярных взаимодействий ряда биомолекул с альбумином 223

5.2.1. Параметры супрамолекулярных взаимодействий альбумина

с низкомолекулярными лигандами 223

5.2.2. Супрамолекулярное комплексообразование ряда лигандов

с бычьим сывороточным альбумином и его билирубиновым комплексом 227

5.3. Использование супрамолекулярного эффекта активации флуоресценции у белка UnaG для создания многофункциональных

наночастиц 240

Глава 6 • Использование подходов супрамолекулярной и золь-гель химии для создания эффективных адсорбентов билирубина 243

6.1. Влияние привитой функциональной группы

на структурно-морфологические и поверхностные характеристики модифицированных кремнеземов 246

6.2. Структурно-морфологические и поверхностные характеристики

сорбентов с включением природных и синтетических полимеров 254

6.2.1. Кремнеземы, модифицированные полигуанидинами 254

6.2.2. Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном

и альбумином 258

6.3. Сравнительный анализ адсорбционной способности

полученных материалов к билирубину из водных растворов 264

6.3.1. Органо-модифицированные кремнеземы 264

6.3.2. Кремнеземы, модифицированные поливинилпирролидоном

и альбумином 267

6.3.3. Кремнеземы, модифицированные полигуанидинами 269 Заключение 272 Список сокращений и условных обозначений 277 Список цитируемой литературы 279

Благодарности

Автор выражает большую благодарность за неизменное внимание, неоценимую помощь в процессе выполнения исследований и написания работы, ценные консультации, наставнические и дружеские советы д.х.н., профессору Антиной Е.В., д.х.н., профессору Березину М.Б., д.х.н., профессору Семейкину А.С., д.х.н., профессору Лефедовой О.В., к.х.н., в.н.с. Шейнину В.Б., к.х.н. Баланце-вой Е.В., к.х.н. Макаровой С.П., к.х.н. Десоки А., к.х.н. Соломонову А.В., к.х.н. Марфину Ю.С., к.х.н. Тимину А.С., к.х.н. Вашу-рину А.С., к.х.н. Усачевой Т.Р., к.х.н. Федоровой И.В., Алешину С.Н., Макарову Н.Н., а также всему коллективу кафедры неорганической химии и факультета Фундаментальной и прикладной химии ИГХТУ за всестороннюю поддержку.

Автор выражает искреннюю признательность своим коллегам из российских и зарубежных организаций: д.х.н., профессору Ха-шировой С.Ю., д.х.н., профессору Ланину С.Н., к.х.н. Иванову С.П., к.х.н. Масабирову И.И., к.х.н. Сергееву С.Н., к.х.н. Алекса-хиной Е.Л., д.м.н. Томиловой И.К., профессору Раденовик А. (Швейцария), доценту Берлайер Г. (Италия), профессору Кумагаи А. и исследователю Мияваки А. (Япония) за дружелюбие и любезное предоставление возможностей для совместной работы - объектов и инструментальных методов исследования.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить к.х.н. Чистякова Ю.В., бывшего декана Ивановского отделения Высшего химического колледжа РАН и члена-корреспондента РАН, Койфмана О.И., бывшего ректора, и, ныне, Президента ИГХТУ за посылы важных знаний и мудрые советы.

В особенности автор безмерно благодарен своей семье, и, в особенности, своей жене, за вдохновление на создание такого труда и за неустанную моральную поддержку при работе над ним.

Посвящается моим любимым родителям -Румянцевым Надежде и Владимиру, которые всегда верили в мой выбор, одобряли и поддерживали меня во всех начинаниях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты комплексообразования и межмолекулярных взаимодействий в химии дипирринов и билирубина»

Введение

Актуальность темы исследования. Желчные пигменты, их производные и синтетические аналоги составляют семейство чрезвычайно интересных мульти-функциональных гетероциклических соединений. Наиболее ярким их представителем является билирубин - основной метаболит гема крови, общий маркер и ключевой показатель функции печени. Если ранее билирубин рассматривался, в основном, как токсический продукт метаболизма, то в настоящее время его физиологические концентрации относят к жизненно необходимым [1, 2]. Согласно результатам исследований химиков, биологов и медиков, проведенных в последние три десятилетия, билирубин является высокоэффективным эндогенным антиоксидантом, и количество доказательств его защитной роли при различных патологиях стремительно растет. Таким образом, развитие химии билирубина и его аналогов имеет ключевое значение для повышения качества жизни и сохранения здоровья человека.

Уникальность билирубина предопределена, прежде всего, стабильностью его пространственной «ridge tile^-структуры (рис. В1, а), сформированной шестью водородными связями и имеющей на периферии тетрапиррольного остова несколько центров донорно-акцепторного взаимодействия. Этим обусловлена яркая палитра изменений физико-химических свойств пигмента в зависимости от условий и вызваны проявления ряда биологических эффектов. К наиболее важным из них следует отнести низкую растворимость и способность к спонтанной кристаллизации при физиологическом значении рН крови, переход в водорастворимые формы при освещении УФ светом, высокую структурно-пространственную комплементар-ность при взаимодействии с сайтами связывания белков и возможности реализации различных механизмов антиоксидантного действия. Удивительным фактом является то, что билирубин - типичный представитель животного мира, в 2009 году был впервые найден у растений (рис. В1б,в); механизм его образования в которых до конца невыяснен [3, 4]. В 2013 г. открытие способности

Рис. В1. «Ridge tile »-структура билирубина IXa с нумерацией атомов тетрапиррольного остова (а), внешний вид желчных камней, окраску которым, в основном, придает билирубин (б) и фотография семян растения «Райская птица» (Strelitzia reginae), оранжевый цвет которых обусловлен билирубином IXa.

билирубина выступать в роли хромофора в лиганд-активируемых флуоресцентных белках UnаG (семейство мышечных белков японского угря), сделанное японскими учеными [5], произвело революцию в экспериментальной биохимии и значительно усилило интерес исследователей к химии линейных олигопирролов (рис. В2).

Базовой структурной единицей билирубина, предопределяющей, по сути, структурные и физико-химические особенности всех его родственных соединений, является молекула дипиррина. Ее способность к формированию устойчивых хелат-ных узлов с различными металлами (рис. В3), а также ковалентных борфторидных (Bodipy) и фосфорильных (Podipy) комплексов предопределила стремительное развитие координационной химии линейных олигопирролов. Сочетание легко поляризуемой п-электронной системы лиганда и атома-комплексообразователя приводит к появлению внутримолекулярного переноса заряда, обусловливающего хромофорную активность и фотофизику у комплексов, которые удовлетворяют потребности современной лазерной техники, молекулярной сенсорики и фотоволь-таики [2, 6]. Широкое разнообразие типов металлоком-

Рис. В2. Трехмерная структура комплекса билирубина с белком UnaG и фотография «светящегося» японского угря в темноте (по материалам [5]).

Рис. В3. Схема, иллюстрирующая координационные возможности дипиррина - образование моно-, бис-и трис-дипирриновых комплексов.

плексных структур дипирринов, их бис- и трис-производных (гомо- и гетероли-гандные, гомо- и полиядерные комплексы, двух- и многодоменные геликаты) обеспечивают легкость самосборки таких молекул в супрамолекулярные трехмерные ансамбли (спирали, решетки, сетки), в полимерные пленки и наночастицы регулярного строения. В этой связи диапазон исследовательских возможностей для развития новых направлений в области супрамолекулярной химии и дизайна новых функциональных материалов на основе комплексов дипирринов и их производных существенно расширяется.

Резюмируя изложенное выше, химию билирубина и его аналогов в настоящее время можно отнести к высококонкурентной области современной науки. В последние десятилетия количество публикаций по билирубину, его синтетическим аналогам - дипирринам, бис(дипирринам), их борфторидным и металлокомплек-сам, супрамолекулярным ансамблям и гибридным материалам с их включением растет стремительными темпами (рис. В4).

Рис. В4. Гистограмма распределения числа публикаций, посвященных билирубину и борфторидным комплексам дипирринов (Bodipy) согласно библиографической и реферативной базе «Scopus» по состоянию на 07 ноября 2016 г.

Десятки лабораторий и ведущих университетов по всему миру работают в данном направлении. Число российских научных групп, занятых в области синтеза, координационной и физической химии, спектроскопии и фотофизики, биомедицины билирубина и его аналогов с каждым годом прибавляется. В результате исследователям все труднее становится найти новые идеи, и борьба за приоритет становится более жесткой.

В настоящей работе основные усилия сосредоточены на двух важнейших и взаимосвязанных аспектах химии билирубина и его аналогов. Первый охватывает исследования в области координационной химии дипирринов, которые, прежде всего, направлены на выявление закономерностей, имеющих прогностическое значение для управления устойчивостью и физико-химическими свойствами комплексов дипирринов различных типов. Направленное регулирование свойств комплексов дипирринов можно осуществить путем варьирования «внутренних», в основном, структурных факторов, и «внешних» условий (природа сольватного окружения в растворах или полимерных матриц в гибридных материалах). Таким образом, систематизация данных о механизмах образования и распада комплексов дипирри-нов, закономерностях их устойчивости и изменений спектральных и фотофизических характеристик при вариациях структурных и сольватационных факторов, результатах разработки методов направленной функционализации комплексов как за счет изменения их структуры, так и включения в разнообразные по природе гибридные материалы различной структуры и морфологии на основе полимерных матриц неорганической и органической природы, является актуальной междисциплинарной задачей современной химической науки, находящейся, преимущественно, на стыке неорганической и физической химии.

Второе направление, развиваемое в работе, связано с детализацией окислительных реакций билирубина и его супрамолекулярного комплекса с альбумином как основной транспортной его биоформы, выяснением его роли в процессах неко-валентного взаимодействия ряда биомолекул с белковыми носителями и созданием научно-обоснованной стратегии дизайна гибридных материалов на основе органо-модифицированных кремнеземов для высокоэффективной адсорбции билирубина и других токсинов из биологических жидкостей. Выявление физико-химических

принципов супрамолекулярного комплексообразования и, соответственно, высокоэффективных взаимодействий билирубина, составляет базисное начало для дальнейшего совершенствования теории и практики супрамолекулярной химии, биохимии, сенсорики и медицины.

Таким образом, настоящая работа объединяет развитые автором методологические подходы к установлению закономерностей образования, устойчивости, распада, проявлений спектральных эффектов и направлений функцио-нализации как индивидуальных соединений - дипирринов, их классических комплексов, билирубина и его супрамолекулярных комплексов, так и гибридных материалов различной природы на их основе, в единую стратегию. Это, в свою очередь, позволяет расширить имеющиеся представления о билирубине, его природных и синтетических эквивалентах как уникальных объектах современной химии, а также найти новые направления исследований.

Степень разработанности темы. Интерес к изучению дипирринов, их синтетических и природных производных нашел свое отражение в многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов (см. рис. В4). В настоящей работе были использованы и развиты существующие идеи относительно физико-химической интерпретации зависимостей устойчивости комплексов от электронной структуры атома-комплексообразователя, электронных эффектов заместителей в ароматических гетероциклических лигандах, природы растворителя, хелатного и поли-хелатного эффектов, принципа структурно-пространственной комплементарности при образовании супрамолекулярных комплексов, влияния «внешних» межмолекулярных взаимодействий на устойчивость и реакционную способность молекул и др. на примере объектов настоящего исследования. В диссертации проведена дискуссия с российскими и зарубежными учеными, исследовавшим реакции разрушения Bodipy в кислых растворах или материалах с повышенной концентрацией про-тонсодержащих частиц и механизмов антирадикальной активности билирубина. Изучение таких явлений, как эффект «присутствия» билирубина в реакциях неко-валентного взаимодействия ряда биомолекул, в том числе лекарственных препаратов с белками, существенное понижение скоростей реакций окисления билирубина

в составе альбуминового комплекса, влияние слабых межмолекулярных взаимодействий на спектральные и фотофизические характеристики комплексов дипир-ринов, потенциал использования красителей семейства Во&ру в диагностике процессов свертывания крови и их коллосальная устойчивость к протолитическим и сольвопротолитическим процессам не получила до наших работ подробного освещения ни в российской, ни в зарубежной литературе.

Изложенные выше позиции позволили обосновать направления исследований, представленных в диссертации.

Связь темы с плановыми исследованиями и финансовая поддержка работы. Работа выполнена в соответствии с планом НИР кафедры неорганической химии Ивановского государственного химико-технологического университета по теме «Разработка и оптимизация физико-химических параметров супрамолекулярных и наноразмерных систем и материалов на основе неорганических и координационных соединений». Разделы работы и отдельные ее этапы выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 12-03-31309, 13-03-90743, 14-03-31888, 15-43-03214, 15-33-20002, 16-03-01028), грантов Президента Российской Федерации для молодых российских ученых (проекты МК-313.2009.3, МК-401.2011.3 и МК-287.2014.3), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы (госконтракты № 14.740.11.0617, 02.740.11.0253, соглашение № 14.132.21.1448), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы) (проект № 2.1.1/827) и программы Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания для выполнения научно-исследовательских работ на 2014-2016 гг. (грант № 4.106.2014/К).

Цели и задачи работы. Цель исследования - выявление эффектов комплек-сообразования и межмолекулярных взаимодействий в химии родственных дипир-ринов и билирубина, включающего установление физико-химических принципов образования, распада, изменений устойчивости, спектральных и фотофизических свойств, межмолекулярных взаимодействий комплексов дипирринов с р-, и /элементами, а также окислительных реакций, межмолекулярных и адсорбционных взаимодействий билирубина и его альбуминового комплекса. В ходе исследований

решались следующие основные задачи экспериментального и теоретического характера:

• анализ спектроскопических, квантовохимических и термодинамических параметров основности координационных центров дипирринов и их бис-производ-ных;

• термодинамическое и кинетическое исследование процессов комплексооб-разования алкилированных дипирринов с солями и /-элементов в растворах, в том числе с изучением возможностей образования гетеролигандных комплексов;

• выявление механизма образования борфторидных комплексов дипирринов и их бис-производных через промежуточные донорно-акцепторные комплексы и установление факторов, оказывающих наибольшее влияние на их стабилизацию;

• установление закономерностей кинетической устойчивости и обоснование главных факторов стабилизации комплексов дипирринов в реакциях диссоциации под действием кислот;

• определение структурных и сольватационных факторов, оказывающих наиболее сильное влияние на спектральные и фотофизические характеристики комплексов дипирринов с р-, и /-элементами в различных по природе растворителях, в том числе выявление перспективных соединений для практических нужд;

• сравнительное экспериментальное и теоретическое исследование окислительных реакций билирубина и его супрамолекулярного комплекса с альбумином в растворах;

• изучение влияния присутствия «связанного» билирубина в молекуле альбумина на кинетические и термодинамические параметры супрамолекулярных взаимодействий важнейших биоактивных и практически значимых лигандов (аскорбиновой кислоты, урацила, 5-гидрокси-6-метилурацила, гидрохинона, водорастворимых порфиринов, Во&ру и др.) с белками;

• разработка методов получения органо-модифицированных кремнеземов различной структуры и морфологии для высокоэффективной адсорбции билирубина и других токсинов из биологических жидкостей, а также поиск вариантов их

направленной функционализации с использованием белка UnaG и ряда биоцидных полимеров.

Научная новизна состоит в развитии координационной и супрамолекуляр-ной химии дипирринов и их биологического производного - билирубина через выявление новых эффектов, сопровождающих фундаментальные процессы с их участием: кислотно-основные равновесия и комплексообразование, диссоциация комплексов, поглощение и испускание лучистой энергии, формированиие и разрушение межмолекулярных связей с растворителем и функциональными группами су-прамолекулярного окружения, окисление и др. Впервые, путем сравнительного анализа данных разных видов спектроскопии с привлечением термодинамических характеристик, установлены взаимные корреляции параметров основности координационных центров дипирринов, что позволило обосновать представления о закономерностях устойчивости их ониевых солей и изменения основности их реакционных центров. На основании данных по спектральным, термодинамическим и кинетическим (последние впервые) характеристикам реакций образования комплексов дипирринов с солями и /-элементов установлены ключевые закономерности влияния природы металлов и лигандов на стабилизацию комплексов и обнаружена взаимосвязь между их устойчивостью и силой поляризующего действия иона ком-плексообразователя на п-систему лиганда, что позволяет отнести дипиррины к своеобразным маркерам, указывающим на преобладание ионного или ковалент-ного вкладов в координационную связь. Впервые изучена кинетика образования гетеролигандного комплекса никеля(П) с дипиррином и показано, что скорость его образования лимитируется, главным образом, замещением молекул растворителя в сольватированном ионе металла на входящий хелатный лиганд. Установлен эффект кинетического торможения реакции комплексообразования дипирринов с солями цинка(П) в присутствии добавок бромида тетраэтиламмония, вызванный взаимодействием электроноизбыточного третичного атома азота дипиррина с катионом тетраэтиламмония. Обнаружено образование устойчивого донорно-акцептор-ного комплекса как промежуточного продукта в синтезе борфторидных комплексов дипирринов, что позволило предложить и теоретически обосновать механизм

реакции образования Во&ру. Показано, что изменения спектральных свойств комплексов дипирринов в растворах в значительной степени определяются природой сольватирующей среды с проявлением отрицательного сольватохромного эффекта и доминирующим влиянием специфических взаимодействий. Результаты спектральных исследований и квантовохимических расчетов позволили установить, что основное влияние на кинетическую устойчивость комплексов дипирринов с металлами к действию кислот оказывает способность координированных атомов азота лиганда к взаимодействию с молекулами кислоты, в то время как первая стадия протолитической диссоциации Во&ру - протонирование атомов ацидолиган-дов фтора. Показано, что иммобилизация комплексов дипирринов в неорганические и органические полимерные матрицы позволяет, при сохранении присущих индивидуальным соединениям спектральных характеристик, значительно увеличить их термическую и фотохимическую устойчивость. По результатам кинетических исследований окислительных реакций билирубина в водных и неводных растворах под действием различных инициаторов установлено влияние белкового окружения - эффект «белковой стабилизации», а также показано, что при совместном окислении билирубин ингибирует окисление аскорбиновой кислоты, что подтвердило результаты клинических исследований. Установлена регулирующая роль билирубина (эффект «присутствия») в составе альбуминового комплекса в процессах нековалентного взаимодействия биомолекул с белковыми носителями, проявляющаяся во влиянии на кинетические и термодинамические параметры супрамо-лекулярных взаимодействий со всеми изученными лигандами, за исключением урацилов. С использованием золь-гель технологии получены новые гибридные материалы на основе неорганической матрицы кремнезема с включением различных типов полимеров природного и синтетического происхождения: бычьего сывороточного альбумина, поливинилпирролидона и гуанидинсодержащих полимеров. Установлено, что поверхностные свойства и морфология конечного материала в значительной степени определяется типом закрепленного («включенного») полимера или органосилана. Полученные кремнеземы были применены в качестве сорбентов для адсорбции билирубина.

Теоретическая и практическая значимость. Выявленные закономерности влияния природы комплексообразователя, лиганда и сольватирующей среды на ассоциативные, кислотно-основные и координационные свойства дипирринов имеют важное практическое значение для целенаправленного создания металлокомплекс-ных структур с заданными характеристиками. Установленные корреляции между устойчивостью координационных соединений дипирринов и силой поляризующего действия иона металла на хромофорную систему дипиррольного лиганда позволяют прогнозировать устойчивость комплексов в рядах структурно родственных соединений. Понимание механизмов образования координационных соединений дипирринов, способов эффективной их иммобилизации в полимерные матрицы, а также факторов, регулирующих спектральные и фотофизические свойства, позволяет определить оптимальные методы получения необходимых для практики соединений и материалов на их основе. Выявленные физико-химические закономерности взаимовлияния структурных и сольватационных факторов вносят значительный вклад в формирование теоретической базы, необходимой для создания на основе металлокомплексов дипирринов соединений и материалов для оптики и молекулярной сенсорики. Обнаруженное повышение термической и фотохимической устойчивости комплексов дипирринов в составе полимерных матриц позволяет рекомендовать гибридные материалы в качестве эффективной замены жидкофазных систем в практических целях. Понимание механизмов антиоксидантного и антирадикального дйствия билирубина позволит развить существующие и создать новые представления о биохимических функциях соединений на основе тетрапиррольной структуры. Полученные данные по окислению билирубина с активными формами кислорода в водных и неводных растворах смогут найти применение при моделировании мембранных структур клетки, в особенности при условиях окислительного стресса, позволяя глубже понять процессы старения. Выявленные закономерности в области влияния билирубина на физико-химические параметры связывания низкомолекулярных веществ с белками вносят вклад в формирование базы, необходимой для развития медицинской и супрамолекулярной химии. Разработанные технологии иммобилизации белковых молекул и синтетических полимеров в золь-гель синтезе открывают перспективу создания новых биосовместимых материалов

на основе неорганических матриц в качестве перспективных сорбентов и носителей лекарственных препаратов, обладающих высокой связывающей способностью к билирубину и другим гетероциклическим биообъектам. Проведенные исследования по адсорбции билирубина из его водных растворов позволяют рекомендовать используемые подходы для производства новых высокоэффективных гемосорбен-тов и их применение в системах очистки плазмы крови.

Полученные результаты использованы при разработке учебных программ, лабораторных практикумов, курсов лекций и фондов оценочных средств по дисциплинам «Неорганическая химия», «Координационная химия», «Современные проблемы координационной и супрамолекулярной химии», «Актуальные задачи современной химии» для обучающихся по образовательной программе 04.00.00 Химия (уровни бакалавриата, магистратуры и аспирантуры), реализуемой в Ивановском государственном химико-технологическом университете.

Основные положения, выносимые на защиту: линейные корреляции между различными параметрами основности донорных атомов азота алкилирован-ных дипирринов и их бис-производных и представления об изменениях устойчивости протонированных форм лигандов и, соответственно, их координирующей способности в зависимости от структуры; анализ констант образования гомо- и гете-ролигандных комплексов дипирринов с Си(11), N1(11), Со(11), Zn(II), Сё(П), Н£(11), 1п(111), La(Ш), Рг(Ш), Sm(Ш), Dy(Ш), Но(Ш), Ег(Ш) и Yb(Ш) вместе с данными электронной спектроскопии растворов комплексов и реакционных смесей, позволивший установить, что образование и устойчивость гетеролигандных комплексов дипирринов определяется электронным сродством атома-комплексообразователя к донорным атомам лиганда, а формированию гомолигандных комплексов препятствуют стерические факторы; корреляции устойчивости трис(дипирринатных) комплексов лантанидов и энтальпий образования с ионными радиусами, взаимосвязь между устойчивостью комплексов дипирринов с р-, ^ и /-элементами и силой поляризующего действия атома-комплексообразователя на хромофорную п-си-стему дипиррина, что позволило отнести последние к своеобразным зондам, высокочувствительным к изменениям соотношения между ионным и ковалентным вкладами в координационные взаимодействия; результаты регрессионного анализа

спектральных и фотофизических характеристик растворов комплексов дипирринов с р- (Bodipy), ^ и /-элементами в растворителях различной природы; возможности использования мезо-замещенных Bodipy в качестве диагностических сенсоров и агентов визуализации в системах свертывания крови; результаты, показывающие, что формирование донорно-акцепторного комплекса дипирринов с BFз, стабилизированного водородной связью N-№^-8 является первой стадией образования Bodipy, а фактором, определяющим различия в энтальпиях образования донорно-акцепторных комплексов дипирринов с галогенидами B(Ш), Al(Ш), Ga(Ш), !п(Ш), As(Ш) и Sb(Ш), является взаимная компенсация энергий образования донорно-ак-цепторных связей N^3 и N-H•••Hal-Э, причем последняя вносит существенный вклад в стабилизацию комплексов с фторидами ^-элементов; результаты спектральных, кинетических исследований устойчивости комплексов дипирринов к действию кислот с использованием квантовохимических расчетов; вероятный механизм первой стадии протолитической диссоциации Вodipy, объясняющий колло-сальную устойчивость комплексов к протолитическим процессам; модель антирадикального действия билирубина через механизм обменного взаимодействия водородных атомов КИ-группы с пероксильным и гидроксильными радикалами в воде и полярных электронодонорных растворителях; наблюдаемый супрамолекулярный эффект «белковой защиты», проявляющегося в двух- и трехкратном уменьшении реакционной способности (для гидроксильных и пероксильных радикалов соответственно) комплекса билирубина с альбумином по сравнению с индивидуальным пигментом, что наблюдается для всех типов реакционных систем; наличие эффективного торможения реакции окисления аскорбиновой кислоты в присутствии билирубина, что связано с конкуренцией субстратов за активные формы кислорода и позволило объяснить с химической точки зрения данные клинических исследований; супрамолекулярный эффект «присутствия» билирубина, т. е. различия устойчивости комплексов ряда молекул с альбумином и его коньюгатом с тетрапирроль-ным пигментом; методики получения высокочувствительных наночастиц-сенсоров на билирубин с использованием супрамолекулярного эффекта активации флуоресценции белка UnaG, закрепленного на внешней оболочке частиц, а также модифи-

цированных кремнеземов - сорбентов билирубина - с привитыми октильными, фе-нильными, уринопропильными группами, а также содержащие полигуанидины, по-ливинилпирролидон и бычий сывороточный альбумин и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Румянцев, Евгений Владимирович, 2017 год

Ч - Л

V 4т~ у

т

(здесь А0, Ада и Ат - оптическая плотность растворов на максимуме поглощения в начальный, конечный и промежуточный моменты времени соответственно),

ТТ кТ

Еа = 19.1-^8—, ДГ = 19.Ив кТ + Еа/ Т - 19.Ив Т - 205.

Т2 - Т к

ЭСП исследуемых комплексов характеризуются интенсивной полосой поглощения при ~ 500 нм, вызванной электронным переходом 50-51, и низкоинтенсивной полосой в ближней УФ-области при ~ 370 нм, соответствующей переносу заряда, а спектры флуоресценции являются «зеркальным» отражением спектров поглощения. На рис. 4.1 представлены типичные изменения в ЭСП и спектрах флуоресценции бензольных растворов исследуемых комплексов при добавлении уксусной кислоты. В ЭСП происходит понижение интенсивности длинноволнового максимума поглощения (Хаь8 = 497-506 нм) и появление полосы протонированного лиганда Н^рт+ при 485-488 нм. В спектрах флуоресценции наблюдается уменьшение интенсивности полосы испускания (Хд) комплекса; протонированная форма лиганда не проявляет признаков флуоресцирующего соединения. Таким образом, реакции протолитической диссоциации ^п^рт)2] протекают с образованием протониро-ванной формы лигандов - Н^рт+.

При добавлении минимального количества кислоты к комплексу ^п^рт1)^ происходит его мгновенная диссоциация и процесс носит равновесный характер. Полученные данные позволили определить константу равновесия протолитиче-ской диссоциации, включающей протонирование лигандов согласно схеме:

^п^рт1^] + 4НАсО = Zn(AcO)2 + . .АсО-].

Константа данного равновесия составила 5 10-6 л2/моль2, что согласуется с известными данными по термодинамической устойчивости комплексов [462].

(а) (б)

450 470 490 510 530 550 490 510 530

Рис. 4.1. а - Изменения в ЭСП бензольного раствора [Zn(dpm3)2] при добавлении АсОН (с = 0.78 моль/л) (1 - 0 мин, 9 - 30 мин); б - Изменения в спектрах флуоресценции бензольного раствора ^п^т2)2] при добавлении АсОН (с = 0.7 моль/л) (1 - 0 мин, 9 - 30 мин).

Рис. 4.2. Кинетические зависимости в полулогарифмических координатах для диссоциации комплекса при различных концентрациях АсОН (1 - 0.78 моль/л, 2 - 0.67 моль/л, 3 - 0.54 моль/л, 4 -0.39 моль/л, 5 - 0.21 моль/л).

Прямолинейные кинетические зависимости, построенные в полулогарифмических координатах (рис. 4.2) свидетельствуют о первом порядке по концентрации комплексов. Зависимость наблюдаемых констант скорости от концентрации НАсО имеет вид: коЪ!. = ке^с0. В исследуемом диапазоне концентраций кислоты (0.210.78 моль/л) последняя, согласно данным [463, 464], линейно зависит от функции кислотности Гаммета, что свидетельствует о близости значений активности кислоты и ее концентрации.

Таким образом, протолитическая диссоциация протекает однотипно с образованием протонированных форм лигандов и подчиняется кинетическому уравнению суммарного третьего порядка:

^С[7п(арш)2] _ , 2

^ ""оЬ^п^рш^ ]САсОН •

Полученные данные согласуются с имеющимися в литературе и позволяют обосновать участие в лимитирующей стадии реакции двух частиц кислоты. Аналогичный механизм характерен для реакций протолитической диссоциации металлопор-фиринов [465], имеющих сходное с бис-дипирриновыми комплексами строение координационного узла. Значения кт при различных температурах и соответствующие активационные параметры реакции приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Кинетические и активационные параметры реакции протолитической диссоциации [2п^рш)2] в смеси СбНб-АсОН.

Т, К к, л2/(моль2с) Еа, кДж/молЬ А^, Дж/(мольК) АНФ, кДж/моль

^п(арш2>2]

298 0.0001

308 0.0002 61.2±2.3 -119.6±10.3 58.7±2.2

318 0.0005

^п(арш3ь]

298 0.0003

308 0.0005 52.3±3.2 -141.1±12.4 49.8±3.2

318 0.0007

бис(4,4'-дибутил-3,3',5,5'-тетраметил-2,2'-дипирринат) цинка! II) [461]

298 0.0006

303 313 0.00099 0.00171 51.4 -142.3 48.9

318 0.00232

Образование по реакции диссоциации комплексов протонированных форм лигандов Н2Ь+, а также полученные кинетические уравнения третьего порядка позволяют рассматривать процесс протолитической диссоциации комплексов как совокупность трех стадий, включающих последовательное протонирование лиганда по донорным атомам азота:

к

[2п(арш)2] + 2НАсО < 1 > {[гп(арт) 2-2Н]2+..,2АсО }; медленно, (1)

{[гп(арт)2-2Н]2+.. ,2АсО-} < > 2Шрт + гп(АсО)2; быстро, (2)

к

Шрт + НАсО-^ [Н2ёрт+.АсО-]; быстро,

(3)

где НАсО - протонирующие частицы кислоты. Кинетическое уравнение для реакции протолитической диссоциации [7п(ёрт)2] в условиях квазистационарности будет иметь вид:

йс^^ п ( кхк2

"[гп(арт)2] _

йт

С[2^п(ёрт)2]^" ИЛеО' (4)

V к-1 + к2 J

что соответствует экспериментально найденному уравнению. Принимая допущение, что обратимая стадия реакции (1) с константой скорости к-\ в условиях проведения эксперимента практически не протекает, т. е. кинетически незначима, уравнение (4) преобразуется к виду: йс

йС[гп(арт)2] у 2 (5)

^ к1С[гп(арт)2]СИЛеО- (5)

Таким образом, основной вклад в общую скорость реакции вносит лимитирующая стадия (1). Сделанные выводы согласуются со значениями активационных параметров. Отрицательные энтропии активации характеризуют формирование переходного состояния в реакции образования интермедиата {[7п(ёрш)2-2Н]2+...2АсО-} как высокоупорядоченной системы по сравнению с реагирующими молекулами.

Полученные константы скорости и активационные параметры позволили впервые обосновать влияние природы алкильного замещения на кинетическую устойчивость комплексов дипирринов. Отсутствие заместителя в а-положении пиррольного кольца приводит к значительному увеличению лабильности комплекса. Следовательно, значительное влияние на диссоциацию связей 2п-Ы оказывает индукционный эффект (+1) алкильной группы, находящейся в а-положении. Это согласуется с предложенным механизмом реакции, поскольку устойчивость интермедиата {[7п(ёрш)2'2Н]2+...2АсО-} определяется, главным образом, силами двух межмолекулярных водородных связей, зависящих от электронной плотности на координированных атомах азота лиганда. Усиление +/-эффекта заместителей, наиболее ярко проявляющегося при а-замещении, способствует увеличению эффективности таких взаимодействий. Увеличение протяженности алкильных групп приводит к затуханию +/-эффекта, и, соответственно, уменьшению устойчивости промежуточного комплекса, что подтверждается полученными результатами для комплекса [7п(ёрш3)2] и литературными данными для комплекса с дибутилзаме-щенным дипиррина [461] (см. табл. 4.1). Таким образом, доминирующее влияние на кинетическую устойчивость дипирриновых комплексов оказывает способность координированных атомов азота лиганда к взаимодействию с молекулами кислоты. Последнее определяется электронодонорными свойствами атомов азота, которые существенно меняются при варьировании места, числа и протяженности алкиль-ных групп.

Сопоставление данных по устойчивости к действию кислот и фотохимической устойчивости цинковых комплексов было проведено нами в работе [460]. Фотохимическая деструкция комплексов [Zn(dpm1)2], [Zn(dpm2)2], [Zn(dpm3)2] была изучена в сравнении с фотолизом свободного лиганда дипиррина и его гидрофторида в этаноле. Изучение фотохимической деструкции растворов соединений в EtOH проводили, используя ультрафиолетовый облучатель ОУФБ-04. Облученность в эффективном спектральном диапазоне (180-275 нм) составляла 11.4 Вт/м2. Наблюдаемые константы скорости фотохимической деструкции соединений рассчитывали, исходя из изменений ЭСП растворов во времени. Спектры 1Н ЯМР растворов соединений в CDQ3 записывали на спектрометре Вгикег AVANCE-500 (Германия) с рабочей частотой 500 МГц. Во всех случаях разрушение хромофорных систем сопровождается уменьшением оптической плотности на максимумах поглощения в видимой области ЭСП с одновременным ростом интенсивности при ~ 315 нм (рис. 4.3).

Анализ ЭСП и 1Н ЯМР спектров (растворы в CDQ3) растворов соединений до и после облучения позволяет предположить, что разрушение дипиррольной системы протекает, в основном, за счет окислительного гидроксилирования при участии синглетного кислорода алкильных групп и спейсера с образованием монопир-рольных продуктов. В спектрах ^ ЯМР после фотолиза появляются сигналы протонов, принадлежащих гидроксильным группам (1.25, 3.74, 7.39, 7.49 и 8.01 м.д.), связанным с алкильными группами пирролов. Наблюдаемые константы

250 300 350 400 450 500 550

Рис. 4.3. Изменения в ЭСП раствора комплекса [Zn(dpm3)2] в этаноле в зависимости от времени облучения раствора (1 - 0 мин., 8 - 24 мин) и зависимости относительной оптической плотности от времени облучения (a - соединение [Zn(dpm2)2], b - соединение [Zn(dpm1)2], c - соединение [Zn(dpm3)2]).

скорости фотодеструкции составили (8±3)10-2, (3.4±0.5)10-2 и (10±3)10-2 мин-1 для соединений [Zn(dpm1)2], [Zn(dpm2)2] и [Zn(dpm3)2] соответственно. Таким образом, скорость фотолиза возрастает при увеличении степени алкилирования; природа заместителя в Р-положении пиррольного кольца лиганда оказывает более значительное влияние на устойчивость соединения. Наблюдаемые константы скорости разрушения свободного лиганда и его гидрофторида имеют значения (16.7±0.9)10-2 и (8±2)10-2 мин-1 соответственно. Таким образом, как и следовало ожидать, дипиррин в отсутствие кислотно-основных и координационных взаимодействий, обладающий наибольшей электронной плотностью в п-системе, наименее устойчив к фотохимической деструкции.

4.2. Протолитическая диссоциация комплексов палладия(П)

с дипиррином и его #ис-производным

Плоскостное строение лигандов дипирринов в сочетании с высокой подвижностью системы п-электронного сопряжения, вызывают интерес при проведении поисковых исследований металлокомплексов дипирринов в качестве противораковых препаратов, способных интеркалировать двойную спираль ДНК. Платиновые и палладиевые комплексы с неорганическими и органическими лигандами вследствие плоско-квадратного строения способны эффективно встраиваться между парами азотистых оснований в двойной спирали ДНК. В отличие от сравнительно хорошо изученных комплексов дипирринов с 3^-элементами, комплексам с элементами 4^-ряда не уделено внимания. Также, в фундаментальном аспекте большой интерес представляют сравнительные исследования физико-химических свойств комплексов металлов с однотипным координационным окружением, но различным строением лигандов. Например, переход от дипирриновых комплексов к биладиеновым связан с появлением третьего хелатного металлоцикла, и, соответственно, появляется возможность оценки дифференциального полихелатного эффекта, как это было сделано ранее [329].

Синтезированы комплексы Pd(II) с алкилиро-ванными дипиррином

(Hdpm) и его бис-производ-ным - биладиеном-а,с (H2bd), получены их спектральные характеристики

(см. главу 2) и изучена кинетическая устойчивость к действию кислот [337, 466].

М(

Ме Ме

-К

\ /

ра

м^ / \

Ме Ме

Ме Ме

Предварительные эксперименты показали, что полученные комплексы абсолютно инертны к протолитической диссоциации в смесях С6Н6-АсОН. Таким образом, в отличие от аналогичных комплексов с 3 ^-металлами, комплексы палла-дия(П) гораздо более устойчивы к протолитической диссоциации. Для изучения этих реакций, и, соответственно, определения диапазонов их кинетической устойчивости, были использованы смеси на основе бензола и трихлоруксусной кислоты. Использование трихлоруксусной кислоты в качестве протонирующего агента было связано с удобством изучения кинетики реакции - диссоциация комплексов протекает с измеримой скоростью уже при 298 К. Изменения в ЭСП реакционных смесей при протекании протолитической диссоциации представлены на рис. 4.4а. Появление, а затем закономерный рост максимума поглощения при 485 нм указывает на разрушение металлокомплексов под действием кислоты с образованием протони-рованных форм лигандов.

(а) (б)

(е)

Рис. 4.4. а - Изменения в ЭСП раствора [Pd(bd)] при протолитической диссоциации при 298.15 К; т (с): 1 - 0 (с); 2 - 2820 (с), стрелками указаны направления изменения интенсивности анализируемых полос поглощения во времени; б - Кинетические зависимости для реакции протолитической диссоциации [Pd(bd)] при 298 К, Ссс1соон ,104, моль/л: 6 (1), 5.3 (2), 4 (3), 2.8 (4), 1.3 (5); е - Зависимости Ьы от с^соон (Т = 298

К) для (1) и [Pd(dpm)2] (2).

Линейные зависимости в полулогарифмических координатах, представленные на рис. 4.4б, соответствуют первому порядку по металлокомплексу, а зависимость наблюдаемых констант скорости реакции (коЬз) от концентрации кислоты (рис. 4.4в) указывает на второй порядок по СС13СООН:

к = кс2 (1)

коЬ ксСС13СООН' 4 7

Таким образом, протолитическая диссоциация протекает однотипно с образованием протонированных форм лигандов и подчиняется кинетическому уравнению суммарного третьего порядка:

^с[ра(арш)2] , 2 (2)

= кс с

^ кс[Ра(ёрш)2]сСС13СООН'

^с[ра(ьа)] _ * 2 (3)

^ кС[ра(ьа)]сСС13С00н-

Кинетические и активационные параметры реакции приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2. Кинетические и активационные параметры реакции протолитической диссоциации [Pd(dpm)2] и [Pd(bd)] в смеси СбШ-ССЬСООН.

Т, К к Еа, кДж/моль А^, Дж/(мольК) АЯ^, кДж/ моль

[ра(арш)2]

298 4700±200

308 7320±360 52.4±2.3 -6.0±0.3 44.8±2.2

318 18788±393

[Рй(ьа)]

298 1120±50

308 5210±190 65.8±3.2 25.7±0.5 65.3±3.2

318 5860±280

Образование по реакции диссоциации комплексов протонированных лигандов Н^рт+ и H4bd2+, а также полученные кинетические уравнения третьего порядка, позволили, по аналогии с другими бис-дипирриновыми комплексами, рассматривать процесс протолитической диссоциации как совокупность трех стадий, включающих последовательное протонирование лиганда по донорным атомам азота (на примере реакции с ^^рт)2]):

к

^^рт)2] + 2Н+...А- ——— {[Pd(dpm)2 2Н]2+...2А-};медленно, (4)

-1

{^^рт)2 2Н]2+. 2А-} — > 2Hdpm + PdA2; быстро, (5)

Hdpm + Н+.. .А- —^ [Н^рт+.. .А-]; быстро,

(6)

где H+_ A- - протонирующие частицы кислоты.

Кинетическое уравнение для реакции протолитической диссоциации [Pd(dpm)2] в условиях квазистационарности будет иметь вид:

ис[ра(арш)2] _

г кк Л

с[ра(арш)2]сн+...л-' (7)

V К-1 + К2 у

что соответствует экспериментально найденным уравнениям (2, 3). Принимая допущение, что обратимая стадия реакции (4) с константой скорости к-1 в условиях проведения эксперимента практически не протекает, т. е. кинетически незначима, уравнение (7) преобразуется к виду:

^6'[1Ч1(с1рт)2] _ , 2 /т

- К1С[Рё(ёрш)2]Сн+...Л- * (8)

Таким образом, основной вклад в общую скорость реакции вносит лимитирующая стадия (4), и полученные активационные параметры относятся к образованию соответствующего предполагаемого переходного состояния (учтена возможность взаимодействия центрального атома Pd(II) с анионом кислоты): для [Pd(dpm)2] для

Н+..Л- Н+..Л-

i i i i

I : I :

|5-| |5-|

( \ 15^ N I \ 15^ N.

.Рё^ N 1 .Рё-

\ 5-у |\ 5

V N ■

I

■ i

Л..Н+ Л..Н+

Сравнительный анализ кинетических и активационных параметров для реакций протолитической диссоциации [Pd(dpm)2] и [Pd(bd)] приводит к выводу о кинетическом проявлении дифференциального полихелатного эффекта. Константа скорости реакции взаимодействия [Pd(dpm)2] с кислотой в 4.2 раза (Т = 298 К) выше, чем в аналогичной реакции с комплексом [Pd(bd)]. Энергия активации, требуемая для протолитической диссоциации [Pd(bd)] примерно в 1.3 раза выше по сравнению с [Pd(dpm)2]. Это связано с более жестким экранированием координационного узла комплекса со стороны полихелатного лиганда биладиена, что препятствует эффективному взаимодействию протонов кислоты с координированными атомами азота. С данным выводом согласуются полученные значения энтропии и энтальпии активации.

Следует отметить, что ранее были проведены исследования кинетики прото-литической диссоциации комплекса платины(Ш) с биливердином - природным би-латриеном [467]. Оказалось, что комплекс устойчив в растворах АсОН в ДМСО

вплоть до сЛсОН = 16.85 моль/л, но диссоциирует при замене АсОН на H2SO4; реакция имеет равновесный характер. Полученные кинетические данные и сравнение необходимой для диссоциации комплексов биливердина и протопорфирина IX кислотности среды позволили оценить макроциклический эффект: кинетическая устойчивость комплекса протопорфирина IX по сравнению с биливердиновым возрастает в 104 раз. Аналогичные данные были получены для комплексов мар-ганца(Ш): макроциклический эффект стабилизирует комплекс протопорфирина марганца(Ш) в 17.3 107 раз [468]. Таким образом, полученные результаты и имеющиеся данные литературы позволяют обратить внимание на кинетическое проявление полихелатного и макроциклического эффектов как важнейших факторов стабилизации координационных соединений. В кинетике протолитической диссоциации комплексов металлов полихелатный и макроциклический эффекты проявляются в резком уменьшении констант скоростей реакций при переходе от комплексов с хелатными лигандами, к соединениям с несколькими хелатными металлоцик-лами, и, наконец, к макроциклическим аналогам.

4.3. Протолитическая диссоциация #ис-дипирриновых комплексов меди(11) и никеля(11) в бензольных растворах уксусной кислоты

Как уже отмечалось в главе 2, медь и никель с дипирринами, наряду с били-гандными комплексами [M(dpm)2], образуют прочные гетеролигандные комплексы [Mdpm(X)]. Последние отличаются высокой термодинамической устойчивостью = 7^10). Логично предположить, что промежуточными продуктами реакций протолитической диссоциации [M(dpm)2] будут соединения со смешанной координационной сферой [Mdpm(X)], что уже было зафиксировано на медном комплексе с бутилзамещенным дипиррина [469]. Результаты исследования протолитической диссоциации комплексов меди(П) и никеля(П) в бензольных растворах уксусной кислоты были опубликованы в работе [461] и позволили, с привлечением полученных ранее результатов по аналогичным реакциям с комплексами других металлов, а также борфторидными комплексами, провести сравнительный анализ кинетической устойчивости дипирриновых комплексов к действию кислот.

Ме-

-К N \ /

М / \

Ме

Ме Ме

Я

Ме

Ме Ме

[№^рт)2]: М = N1, Я = Бг [Cu(dpm)2]: М = Си, Я = Ме

ЭСП бензольных растворов [Си^рт)2] и [М^рт)2] характеризуются тремя максимумами поглощения: первый, высокоинтенсивный при 527-530 нм, второй при 460-464 нм, и третий, в области 300 нм, соответствующий переносу заряда (рис. 4.5а). При добавлении небольших количеств уксусной кислоты (сАсОН = 0.04 моль/л) к раствору [Си^рт)2] в ЭСП наблюдаются мгновенные изменения - значительное уменьшение интенсивности полос поглощения комплекса и появление

высокоинтенсивной полосы поглощения протонированной формы лиганда Н^рт+ при 488 нм (рис. 4.5б).

Добавление в реакционную смесь триэтиламина приводит к обратному процессу - образованию [Си^рт)2]. Таким образом, диссоциация [Си^рт)2] в данных условиях является равновесной и обратимой. Это позволило методом спектрофо-тометрического титрования определить константу равновесия:

[Си^рт>] + 4АсОН = 2^рт](АсО) + Си(АсО>. Среднее значение константы составило (7.55±0.4)х10-7 л2/моль2, что согласуется с данными по термодинамической устойчивости комплекса меди(П). В отличие от комплекса меди с бутилзамещенным дипиррином, для которого при низких концентрациях кислоты наблюдается образование гетеролигандного комплекса [461], при диссоциации исследуемого в настоящей работе полностью метилированного аналога даже при добавлении ничтожных количеств кислоты образования смешанной координационной сферы не фиксируется.

(а)

2 1,6 1,2 0,8 0,4 0

300

460 530 \

464

Ч 1

X, нм

0,4

0,3

0,2

0,1

(б) 488

2

X, нм

400

500

600

360 410 460 510 560 Рис. 4.5. а - ЭСП бензольных растворов [№^рт)2] (7) и [Си^рт)2] (2); б - Изменения в ЭСП бензольного раствора [Си^рт)2] в зависимости от сасон, моль/л: 0.02 (7), 0.12 (2).

0

В отличие от [Cu(dpm)2], протолитическая диссоциация комплекса никеля(П) - кинетически контролируемая реакция, протекает с измеримой скоростью в диапазоне концентраций кислоты от 2.4Х10-4 до 0.2 моль/л. При добавлении АсОН к раствору комплекса во времени наблюдается уменьшение полосы поглощения при 530 нм и рост интенсивности максимума при 493 нм, соответствующего образованию протонированного лиганда (рис. 4.6а). При малых добавках кислоты (сАсОН < 2*10-3 моль/л) в ЭСП фиксируются полосы, соответствующие поглощению гетеро-лигандного комплекса. При более высоких концентрациях кислоты (сАсОН > 2*10-3 моль/л) гетеролигандный комплекс в реакционной системе уже не фиксируется и [Ni(dpm)2] подвергается полной диссоциации.

Кинетические зависимости в полулогарифмических координатах свидетельствуют о первом порядке по комплексу, а линейная зависимость наблюдаемых констант скорости от концентрации кислоты - о первом порядке по кислоте (рис. 4.6б), что соответствует следующему кинетическому уравнению:

dc

[Ni(dpm)2]

dr

kobs C[Ni(dpm)2 ] CAcOH,

где c[Ni(dpm)2 ] - концентрация комплекса, c kobs - наблюдаемая константа скорости.

AcOH

концентрация уксусной кислоты,

0,6

0,4

0,2

350

400

464 f

450

530

А, нм

500

550

0

(б)

kobs-10"

CA пп нх104, моль/л

0

3

6

9

12

Рис. 4.6. а - Изменения в ЭСП бензольного раствора [Ni(dpm)2] при добавлении уксусной кислоты: 1 -в начальный момент времени, 2 - в конце реакции; б - Зависимость наблюдаемых констант скорости реакции протолитической диссоциации [Ni(dpm)2] от саоон.

6

4

2

0

Таким образом, каждое из двух равновесий протолитической диссоциации [М^рт)2] можно представить в виде кинетической модели, включающей последовательное протонирование координированных атомов азота лиганда. Для равновесия с образованием гетеролигандного комплекса:

[М^рт>] + 2АсОН = [М^рт)(АсО)] + ВДрт](АсО) кинетическая схема включает стадии:

к

[Ni(dpm)2] + АсОН — 1 > {М^рт)2(АсОН)}^, медленно,

к-1

{М^рт)2(АсОН)}^ —2 > [М^рт)(АсО)] + Hdpm, быстро,

Шрт + АсОН - > [Н2dpm](AcO), быстро. Для равновесия диссоциации гетеролигандного комплекса: [Ni(dpm)(AcO)] + 2АсОН = М(АсО> + [H2dpm](AcO) кинетическая схема имеет вид:

, *

[МШт)(АсО)] + АсОН — к > {Мтрт)(АсО)(АсОН)}^, медленно,

к*

{№^рт)(АсО)(АсОН)}* ——Ni(AcO)2 + Шрт, быстро,

Шрт + АсОН - > [Н^рт](АсО), быстро. Наблюдаемый первый порядок по кислоте свидетельствует, что образование гете-ролигандного комплекса лимитирует весь процесс диссоциации, что позволяет пренебречь скоростью его диссоциации. Кинетическое уравнение при принятии допущения о квазистационарности будет иметь вид:

йс........ ^ к к ^

"[К1(арт)2]

йт

Г 2

V к-1 + к2 У

с с

[М(арт)2 ] АсОН ,

что соответствует экспериментально найденному уравнению (к ь = , к|к\ ).

к^+к2

Из температурных зависимостей констант скорости были определены акти-вационные параметры реакции (табл. 4.3). По сравнению с никелевым комплексом дибутилзамещенного дипиррина [461], энергия активации для исследуемого выше. Таким образом, вследствие более сильного индукционного эффекта метильных и этильных групп, и, соответственно, более высокой электронодонорности пирроль-ных атомов азота, кинетическая устойчивость соединений возрастает.

Таблица 4.3. Кинетические и активационные параметры реакции протолитической диссоциации [Ni(dpm)2] в бензольных растворах уксусной кислоты.

Т, К к Еа, кДж/моль Дж/(мольК) АЯ^, кДж/ моль

dpm = анион 3,3',4,5,5'-пентаметил-4,-этил-2,2,-дипиррина

298 318 328 0.29±0.02 0.42±0.03 0.83±0.05 43.9±2.7 -115.2±12.7 41.4±2.5

dpm = анион 3,3',5,5'-тетраметил-4 ,4'-дибутил-2,2'-дипиррина [461]

298 303 313 318 2279±3 2660±3 4541±5 5272±11 35±3 -72.14±13 32.5±3.8

4.4. Закономерности кинетической устойчивости ВоШру

к действию кислот и оснований

Как уже отмечалось в самом начале главы, наряду с исследованиями спектральных и фотофизических свойств Bodipy (см. главу 3), необходимыми для выбора оптимальных с практической точки зрения структур, являются сведения о химической устойчивости данных соединений к действию света и агрессивных сред. До появлений наших работ [375, 470-472] было лишь известно, что Bodipy, в отличие от комплексов дипирринов с ^-элементами, обладают колоссальной устойчивостью к сольволитической диссоциации, в то время как реакции протолитической и сольвопротолитической диссоциации были не изучены и соответствующие количественные характеристики отсутствовали. Однако, как уже отмечалось выше, устойчивость комплексов дипирринов и их производных при изменении кислотности среды является одним из определяющих факторов их дальнейшего практического использования.

4.4.1. Кинетическая устойчивость ВоШру к действию кислот

Изучена кинетическая устойчивость к действию кислот борфторидных комплексов 3,3',5,5'-тетраметил-4,4'-диэтил-2,2'-дипиррина (Hdpm1), ^-фенил-3,3',5,5'-тетраметил-4,4'-диэтил-2,2'-дипиррина (Hdpm2) и натриевой соли ^-метил-3,3',5,5'-тетраметил-4,4'-дисульфо-2,2'-дипиррина (Hdpm3) в индивидуальных и смешанных растворителях на основе бензола, этанола, воды, уксусной, трихлоруксусной, три-фторуксусной, серной и хлороводородной кислот.

Ме я2

^ я1 ^ёрш1]: Я1 = Б1, Я2 = Н

^ N—4 [ВБ2ёрш2]: Я1 = Б1, Я2 = РИ

Ме [ВБ2ёрш3]: Я1 = БОзКа, Я2 = Ме ^ '""г

Комплекс [ВБ2ёрш3], содержащий в 4 и 4'-положениях пиррольных колец сульфо-группы, растворим в воде. Это позволило изучить кинетику диссоциации в водном растворе.

Растворы всех комплексов характеризуются высокоинтенсивными максимумами поглощения при 528, 523 и 491 нм соответственно и полосой переноса заряда (рис. 4.6). Спектр поглощения сульфозамещенного комплекса отличается от алки-лированных более коротковолновым максимумом - 491 нм.

Данные электронной и флуоресцентной спектроскопии растворов свидетельствуют, что при 298 К органорастворимый комплекс [ВБ2ёрш1] не проявляет признаков диссоциации под действием уксусной и трихлоруксусной кислот в их смесях с бензолом и этанолом. Та же ситуация наблюдается в растворах индивидуальных кислот. Нагревание и последующее кипячение реакционных смесей в течение 20-30 мин показывает абсолютную устойчивость комплекса к действию уксусной кислоты, в то время как в растворах на основе трихлоруксусной кислоты наблюдаются изменения в ЭСП - понижение интенсивности максимума поглощения при 528 нм и появление полосы протонированного лиганда Н2Ь+ при 485 нм.

Рис. 4.6. Спектры поглощения (7, 2) и флуоресценции (7', 2') растворов соединений [ВБ2арш2] и [ВБ2арш3] в этаноле и воде.

При 298 К комплекс [ВБгёрт1] подвергается диссоциации с измеримой скоростью в смесях ЕЮН-СБзСООН, ЕЮН-Н28О4. Комплекс [ВБгёрт2] подвергается протолитической диссоциации в смеси С6Н6-СС13СООН уже при 298 К, что позволило изучить кинетику процесса. Реакции протолитической (для смеси С6Н6-СС13СООН) и сольвопротолитической (в системах ЕЮН-СС13СООН, ЕЮН-СБзСООН, ЕЮН-Н28О4) диссоциации комплексов [ВБ2ёрт1] и [Вр2ёрт2] протекают с образованием протонированных форм лигандов - Н2Ь+. Водорастворимый комплекс [ВБгёрт3] в диапазоне рН от 7 до 0 (водные растворы хлороводородной кислоты) практически не подвергается диссоциации. Даже при крайне низких значениях рН реакционной смеси по истечении длительного времени (~ 24 ч) изменения в интенсивностях максимумов поглощения незначительны. Диссоциация комплекса [ВБгёрт3] протекает с измеримой скоростью только при сНС1 = 2 моль/л, продуктом реакции также является протонированная форма лиганда Н2Ь+.

Таким образом, взаимодействие Во&ру с протонодонорами приводит к разрушению комплексов с образованием протонированного лиганда, т. е. протолитической или сольвопротолитической диссоциации. Это является крайне важным при анализе спектральных и фотофизических характеристик материалов на основе данных соединений, полученных при изменении кислотности среды. Изменение спектральных характеристик комплексов дипирринов при помещении в силикатные матрицы и подкисленные растворы является результатом диссоциации, а не специфических взаимодействий, как это указано в работах [452, 453].

Типичные изменения в спектрах поглощения и флуоресценции реакционных смесей, содержащих Во&ру при добавлении кислот, показаны на рис. 4.7.

(а) (б)

0,2

800

0,1

600

400

200

420

470

520

X, нм

570

495

505

515

525

535

545

Рис. 4.7. а - Изменения в ЭСП растворов при диссоциации [BF2dpm1] в бинарном растворителе ЕЮН-

СБзСООН (С,

CF3COOH

= 3.73 моль/л) при 298.15 К, т, с: 0 (1), 2700 (2); б - Эволюция спектра флуорес-

ценции при диссоциации [BF2dpm3] в бинарном растворителе ЕЮН-Ш8О4.

0

0

Рис. 4.8. а - Полулогарифмические кинетические зависимости для реакции диссоциации [BF2dpm1] в бинарном растворителе EtOH-CFsCOOH (T = 298.15 K), Ccfcooh, моль/л: 0.384 (7), 0.62 (2), 1.23 (3); б -

Зависимость наблюдаемых констант скорости диссоциации (kobs) [BF2dpm1] от концентрации кислот в этаноле: 7 - CF3COOH, 2 - H2SO4; в - Зависимость наблюдаемой константы скорости диссоциации [BF2dpm3] от активности ионов H+ в водном растворе HCl.

Аналогичная ситуация наблюдается при формально-кинетическом анализе экспериментальных данных для реакции диссоциации водорастворимого комплекса [BF2dpm3]: реакция подчиняется первому порядку по концентрации комплекса и наблюдаемая константа скорости прямо пропорциональна активности ионов водорода (рис. 4.8б):

kobs = const ан +. (1)

Значения я рассчитаны из справочных данных по коэффициентам активности ионов водорода в водных растворах HCl [473].

Таким образом, реакции диссоциации исследуемых комплексов протекают в соответствии с кинетическими уравнениями второго порядка:

^ ^/^С о

[ВЕ^рш1-2] _ 7 [В^рш3] _ , т

/ т ^С[Вр2ёрш1,2]СНА' ^ ЛС[ВР2арш3]"и+' (2)

Полученные кинетические уравнения и спектральные данные позволяют рассматривать процесс диссоциации как двухкратное протонирование комплекса в соответствии со схемой (Н+...А- - протонирующие частицы кислоты, [ВБ2ёрт] -борфторидный комплекс):

к

[ВБ2ёрт] + Н+...А- < 1 > {[ВЕ2ёрт-Н]+...А-}, быстро, (3)

к-\

{[ВЕ2ёрт Н]+.А-} ——^ Шрт + [ВБ2+.А-], медленно, (4)

Шрт + Н+...А- кз > [Н2ёрт+.А-], быстро. (5)

Кинетическое уравнение при принятии допущения о квазистационарности будет иметь вид:

йс^,^ ( к к Л

[ВР2арш]

йт

12

V к-1 + к2у

С[В^йрш]СИА (6)

и соответствует экспериментально найденному уравнению (2) (к = кк\ ). При до-

к_х + к2

пущении, что реакция в стадии (3) в условиях эксперимента равновесна, основной вклад в общую скорость реакции вносит реакция (4).

Кинетические и активационные параметры исследуемых реакций приведены в табл. 4.4. В соответствии с изложенным выше, диссоциация комплексов протекает по бимолекулярному 5,Ем2-механизму (Н+... А- - реагенты электрофильно-нук-леофильной природы). В отличие от комплексов с ^-металлами, для которых единственно возможным путем атаки протонодонорными частицами является протони-рование координированных атомов азота лиганда, для Во&ру не исключается возможность взаимодействия на начальной стадии диссоциации лигандов фтора с про-тонодонором. Поскольку экспериментальным путем это установить крайне сложно, нами был выполнен квантовохимический расчет энергетических профилей для двух предполагаемых маршрутов (см. раздел 4.4.2). В результате было установлено, что наиболее вероятный механизм первой стадии протолитической диссоциации Во&ру - протонирование атомов Б с последующим отщеплением молекулы НБ, что принципиально не меняет кинетическую модель процесса, предложенную здесь.

Таблица 4.4. Кинетические и активационные параметры реакций диссоциации Bodipy под действием кислот.

Соединение Т, К £103, л/(мольс) Еа, кДж/моль АНФ, кДж/моль А^, Дж/(мольК)

EtOH-C FзCOOH

[BF2dpm1] 298 0.20±0.01 - - -

EtOH-H2SO4

[BF2dpm1] 298 308 318 0.10±0.01 0.40±0.02 1.4±0.1 104±6 102±6 20±1

С6Н6-CClзCOOH

[BF2dpm2] 298 0.50±0.03 - - -

EtOH-H2SO4

[BF2dpm2] 298 308 318 0.050±0.003 0.090±0.005 0.70±0.004 103±6 101±5 12.0±0.6

H2O-HCl

[BF2dpm3] 298 0.070±0.004 - - -

Полученные результаты позволили установить следующие закономерности влияния структурных и сольватационных факторов на кинетическую устойчивость Bodipy. В бензольных растворах кислот комплексы [BF2dpm1] и [BF2dpm2] подвергаются диссоциации только при сильном нагревании вследствие смещения равновесия «мономер ^ димер» для карбоновых кислот, и, соответственно, низкой активности сольватированного протона [474]. Также, если в чистой CF3COOH диссоциация [BF2dpm1] не происходит, то благодаря появлению в растворе протона, сольватированного молекулой этанола (EtOH+) в смеси EtOH-СF3COOH, реакция диссоциации протекает с измеримой скоростью при 298 К. Скорость реакции диссоциации [BF2dpm1] примерно в два раза выше в смеси EtOH-CF3COOH, по сравнению с системой ЕЮН-Н2БО4 при примерно одинаковых концентрациях кислот. Таким образом, скорость реакции диссоциации комплексов увеличивается с ростом кислотности используемых протонирующих смесей. Скорость диссоциации соединения [BF2dpm1] при температуре 298 К в системе ЕЮН-Н2БО4 в два раза выше, по сравнению с соединением [BF2dpm2] при одинаковых концентрациях кислоты, что связано с уменьшением эффективного заряда на координирующих атомах азота ли-ганда вследствие влияния фенильной группы.

Приведенные данные показывают, что Bodipy является уникальным соединением по кинетической устойчивости к протолитической и сольвопротолитической

диссоциации. Так, если протолитическая диссоциация комплексов ^-элементов с дипирринами в смеси С6Н6-СН3СООН характеризуется константами скорости 0.0006-2280 л2/(моль2с) в зависимости от природы ^-металла, а для комплексов Си(11) вообще является равновесным, термодинамически контролируемым процессом, то борфторидные комплексы в таких условиях не подвергается диссоциации. Этому способствуют, в первую очередь, ковалентный характер связей В-Ы и увеличение стабильности координационного узла вследствие хелатного эффекта. Также, как будет показано далее, первая стадия протолитической диссоциации Вodipy - протонирование атомов F с последующим отщеплением молекулы НР, что отличает данные соединения от комплексов с и /-элементами. Полученные данные позволяют расширить круг протонодонорных растворителей и смесей на их основе для решения ряда препаративных (синтез, очистка и выделение Bodipy) и технических задач.

4.4.2. Начальные стадии протолитической диссоциации Bodipy:

квантовохимическое моделирование

Как следует из обсуждаемых ранее результатов, в отличие от комплексов ди-пирринов с ^-металлами, для которых единственно возможным путем атаки прото-нодонорными частицами является протонирование координированных атомов азота лиганда, для Bodipy не исключается возможность взаимодействия на начальной стадии диссоциации лигандов фтора с протонодонором. Поскольку экспериментальным путем это установить крайне сложно, нами были произведены кванто-вохимические расчеты энергетических профилей для двух предполагаемых маршрутов начальных стадий реакций протолитической диссоциации Bodipy (рис. 4.9). Квантовохимические расчеты также, как и в предыдущипх случаях, проводили с использованием пакетов прикладных программ GAUSSIAN03W и ^регСИет 8.0.3. Для предварительной оптимизации геометрии, а также для построения сечений поверхности потенциальной энергии (ППЭ) был использован полуэмпирический метод РМ3, хорошо зарекомендовавший себя при расчетах крупных органических молекул, а также как наиболее адекватно воспроизводящий данные рентге-ноструктурного анализа, выполненных для дипирринов, их комплексов и других родственных соединений. Более точные данные по геометрическим и энергетическим параметрам молекул были получены с использованием метода функционала плотности в версии В3ЬУР/3-2Ш^,р).

Рис. 4.9. Схемы предполагаемых механизмов начальных стадий протолитической диссоциации Bodipy, используемых в расчетах.

Первый включает протонирование атома азота координированного лиганда, второй - через образование водородной связи между лигандами фтора и частицами кислоты с последующим элиминированием молекулы HF.

При расчете энергетических профилей предполагаемых маршрутов исследуемой реакции в качестве ее координаты выбраны длины связи N-H (для первого механизма) и F-H (для второго механизма) (см. рис. 4.9). Рассчитанные заряды на атомах N и F (табл. 4.5) свидетельствуют в пользу реализации второго из возможных механизмов - протонирование атомов F энергетически более предпочтительно, чем атомов N. Оптимизированные модели Bodipy, его однократно и двухкратно протонированной форм, представлены на рис. 4.10. Расстояние между атомами H и F в структуре 2 составляет 0.957 Â, угол B-F-H равен 155.0 град. Аналогичным образом происходит присоединение протона ко второму атому F (структура 3). При протонировании первого, а затем и второго атомов F происходит перераспределение электронной плотности в молекуле Bodipy: отрицательный заряд на атомах F меняется на незначительный положительный с одновременным уменьшением положительного заряда на координированных атомах N. Протонирование атомов F приводит также к геометрическим изменениям молекулы комплекса -длина связи B-F увеличивается (с 1.352 Â в исходном комплексе до 1.521 Â после протонирования). Также почти в 2 раза (с 0.9685 до 0.5202) уменьшается кратность связи B-F, что объясняет ее последующую дестабилизацию и разрыв на следующей стадии протолитической диссоциации.

(а) (б) (в)

Рис. 4.10. Оптимизированные по геометрии структуры Bodipy (а), его однократно (б) и двухкратно (в) протонированной форм.

Таблица 4.5. Заряды по Малликену на атомах в молекулах Во&ру (а), его однократно (б) и двухкратно (в) протонированной форм (расчет РМ3).

Атом Структура (см. рис. 4.10)

(а) (б) (в)

N1 0.307 0.219 0.077

N2 0.307 0.218 0.077

-0.21 0.052 0.072

Б2 -0.209 -0.158 0.071

В 0.06 0.13 0.021

И1 0.307 0.323

И2 0.323

На рис. 4.11 показаны профили ППЭ для обоих предложенных маршрутов. Энергетический активационный барьер для стадии протонирования координированного атома N составляет 18 кДж/моль. В данном случае наблюдаются значительные изменения геометрии молекулы - нарушается планарность ароматической системы лиганда (двугранный угол ЭДС5С7№ увеличивается от ~ 0 град в исходной молекуле до 15.6 град в переходном состоянии).

На сечении ППЭ для случая отрыва молекулы ИБ (в качестве координаты реакции используется изменение расстояния между атомами В и Б) наблюдается два минимума: первый соответствует исходному Во&ру, второй - промежуточному продукту реакции, с треугольной конфигурацией координационного узла. По геометрии переходное состояние мало отличается от начального, за исключением увеличения угла В-Б-И, а также уменьшения длины связи И-Б (от 0.963 до 0.947 А, связь упрочняется). Активационный барьер в данном случае составляет 12 кДж и его преодоление связано с переходом бора(Ш) из тетраэдрической в треугольную конфигурацию; последняя не может быть реализована в конденсированной фазе из-за наличия ацидолигандов.

01 21 3456789 10

Рис. 4.11. Профили ППЭ для первого (а) и второго (б) маршрутов. Для первого - координата реакции -расстояние Ш-Н; для второго - расстояние В-Р1; по оси у - шкала относительных энергий АЕотн, нулевой уровень соответствует начальной конфигурации молекулы Bodipy.

В результате проведенного квантовохимического исследования установлено, что более вероятный механизм первой стадии протолитической диссоциации Вodipy - протонирование атомов F с последующим отщеплением молекулы ОТ, что принципиально не меняет кинетическую модель процесса, предложенную ранее. В этом состоит главное отличие Bodipy от комплексов дипирринов с и элементами, у которых диссоциация происходит за счет атаки протоном координированных атомов азота и рассмотренный маршрут реакции объясняет чрезвычайно высокую устойчивость Bodipy к протолитической диссоциации.

4.4.3. Гидролиз и деструкция ВоШру в щелочных растворах

Как уже неоднократно отмечалось, важное значение имеют количественные характеристики устойчивости индивидуальных Bodipy к действию компонентов реакционных смесей, из которых формируются гибридные материалы. В щелочных растворах устойчивость Bodipy до появления нашей первой работы [470] не была изучена. Кинетическая устойчивость натриевой соли борфторидного комплекса метил-3,3',5,5'-тетраметил-4,4'-дисульфо-2,2'-дипиррина [BF2dpm] в водных растворах NaOH при различных значениях рН была исследована методами электронной спектроскопии поглощения и флуоресценции.

Водные растворы [BF2dpm] характеризуются высокоинтенсивным максимумом поглощения при 491 нм (рис. 4.12а). ЭСП растворов практически не зависят от рН раствора в диапазоне значений 7-9.

(а)

(б)

А

I

0.25

491 |

.-I

0

400

500

600 Я. нм

190

290

390

Рис. 4.12 - начало

3

6

1п{Л0А)

?

О

О

500 1000

2000

Рис. 4.12. а - Электронные спектры поглощения (7) и флуоресценции (2) водных растворов [BF2dpm] (рН 7.0); б - Изменения в ЭСП раствора [BF2dpm] при добавлении NaOH при 298 К; в - Кинетические зависимости процесса деструкции [BF2dpm] при 298 К и зависимость наблюдаемых констант скорости деструкции от рОН раствора.

При увеличении рН с 7 до 9 в спектрах растворов в течение 24 ч не фиксируется каких-либо изменений. Процесс разрушения комплекса становится заметен только при рН > 10: в ЭСП наблюдается уменьшение интенсивности максимума поглощения с одновременным ростом полосы при 206 нм в УФ-области, отвечающего мо-нопиррольным продуктам (см. рис. 4.12б). Аналогичные изменения происходят в спектрах флуоресценции. Реакция значительно ускоряется в области значений рН, равных 10^12. Линеаризация экспериментальных зависимостей в координатах реакции первого порядка свидетельствуют о подчинении реакции первому порядку по комплексу (см. рис. 3.1в), а зависимость наблюдаемых констант скорости от рОН свидетельствует о порядке по гидроксид-иону, который близок к двум. Добавление кислоты (HCl), т. е. уменьшение рН реакционной смеси, приводит к спектру, соответствующего исходному комплексу. Это позволяет предположить, что взаимодействие [BF2dpm] с гидроксид-ионом является обратимым и первая реакция деструктивного распада [BF2dpm] - его щелочной гидролиз с образованием неустойчивого аниона лиганда, который в дальнейшем распадается до монопиррольных продуктов. Предполагаемая схема превращений [BF2dpm] может отвечать следующей последовательности:

1 k ,, [BF2dpm]2- + 2OH- ——— [BF2(OH)2]- + dpm3-,

dpm3 —^ бесцветные монопиррольные продукты,

"ОЗБ-

ёрш3 = \ / \ Ц

Ме Ме

Формально-кинетическое уравнение в соответствии с предложенной схемой может быть записано в виде: Iйт = кы,С\п\ Ат\, где коЫ □ с(2ш . Примене-

ние метода квазистационарных концентраций для данной схемы приводит к выражению къ = (к1к2 / к—1)сон -, которое соответствует экспериментально найденной зависимости. Тогда выражение для скорости реакции будет иметь вид:

—^с[вг2арш] / = {к^о / ^-1)с[вр2арш]сон- •

Полученные результаты свидетельствует о достаточно высокой устойчивости Bodipy к действию щелочей, что расширяет диапазон рН используемых реакционных смесей для получения соответствующих гибридных материалов. Спектральные и кинетические данные позволили предположить механизм гидролитического распада Bodipy в щелочных растворах. Представленные результаты можно использовать при решении ряда практических экспериментальных задач с целью предотвращения разрушения структуры исходных комплексов добавлением кислотных добавок.

4.5. Заключительные положения

Полученные данные позволяют дополнить сведения о кинетической устойчивости комплексов дипирринов в кислых средах и сделать следующие выводы. Влияние природы алкильного замещения лиганда на кинетическую устойчивость комплексов определяется в значительной мере индукционным эффектом заместителей, определяющим, в свою очередь, электронную плотность на координирующих атомах азота лиганда. Увеличение протяженности алкильных групп приводит к затуханию +/-эффекта, и, соответственно, уменьшению устойчивости промежуточного комплекса, что подтверждается полученными результатами. Таким образом, доминирующее влияние на кинетическую устойчивость комплексов дипирри-нов оказывает способность координированных атомов азота лиганда к взаимодействию с молекулами кислоты. Последнее определяется электронодонорными свойствами атомов азота, которые существенно меняются при варьировании места, числа и протяженности заместителей. Природа комплексообразователя определяет

не только устойчивость комплекса к взаимодействию с кислотой, но и маршрут реакции. Относительно устойчивыми являются комплексы цинка(П) и никеля(П). Для последнего протолитическая диссоциация приводит к образованию гетеролиганд-ного комплекса. Сравнительно устойчивыми являются комплексы кобальта(П) - в работе [475] удалось получить соответствующие кинетические характеристики. Их устойчивость примерно такая же, как и у комплексов цинка. Гораздо более устойчивыми являются комплексы палладия(П) - для их диссоциации требуется трифто-руксусная кислота. Уникальными по устойчивости к протолитической и сольво-протолитической диссоциации являются борфторидные комплексы дипирринов, для разрыва координационных связей и протонирования лиганда которых необходимы сильные кислоты. Этому способствуют, в первую очередь, ковалентный характер связей B-N и увеличение стабильности координационного узла вследствие хелатного эффекта. Как показывают результаты квантовохимических расчетов, первая стадия протолитической диссоциации Bodipy - протонирование атомов F с последующим отщеплением молекулы ИР, что отличает данные соединения от комплексов с и /-элементами.

Результаты исследования кинетической устойчивости Bodipy к действию щелочи в водном растворе показали, что первой стадией деструктивного распада является щелочной гидролиз координационного центра комплекса. На следующей стадии происходит распад аниона лиганда до монопиррольных продуктов. Предложена последовательная схема превращений, кинетическое описание которой соответствует экспериментально найденному уравнению скорости.

В заключение также следует отметить, что в настоящее время ведутся исследования устойчивости к действию кислот различных по структуре комплексов бис(дипирринов) с использованием спектральных методов и квантовохимических расчетов [476-478]. В общем случае такие комплексы более лабильны в реакциях протолитической диссоциации, в основном используются бензольные растворы уксусной кислоты. Увеличение числа акцепторных центров для протона (протонсо-держащих частиц) усложняет кинетическую схему процесса, но, при принятии ряда допущений («синхронность» протолиза двух координационных узлов и пр.) кинетические уравнения аналогичны таковым для дипирриновых комплексов. Отмечается, что лабильность геликатов - биядерных комплексов бис(дипирринов) в кислых средах увеличивается, если лиганды не содержат заместителей в терминальных пиррольных кольцах.

Глава 5

Супрамолекулярные эффекты в проявлении антирадикальной, регулирующей и активирующей функций билирубина

Супрамолекулярная химия, базирующаяся на представлениях о молекулярном распознавании и нековалентных взаимодействиях, стремительно развивается [479, 480]. Результаты, полученные в данной области, внесли существенный вклад в теорию и практику ферментативного катализа и утвердили первостепенную роль селективных межмолекулярных взаимодействий в биохимических процессах. Интерес к химии супрамолекулярных комплексов, сформированных по типу «гость - хозяин», непрерывно растет. Это очевидно, поскольку потребности современной индустрии требуют разработки новых, высокоэффективных технологий аналитического определения и разделения веществ, создания более совершенных, адресных систем доставки лекарств, получения капсулированных форм биологически активных соединений с улучшенными свойствами и перспективных материалов на их основе.

В данной главе обобщены результаты собственных исследований [231, 481493] с привлечением необходимых данных литературы, посвященных установлению закономерностей окислительных реакций билирубина и выяснению его роли в процессах невалентных или супрамолекулярных взаимодействий с белковыми носителями. Сведения о структуре, важнейших физико-химических свойствах и биологических функциях билирубина были приведены в главе 1. В предыдущих главах обсуждались результаты исследований классических комплексов дипирри-нов, образованных донорными атомами азота, при отсутствии донорно-акцепторных заместителей на периферии молекулы. Появление последних влечет за собой способность к образованию супрамолекулярных комплексов («структур», «ансамблей») с другими низко- и высокомолекулярными соединениями, что для природного билирубина предопределило его важнейшую биологическую роль. И, если функционально замещенные дипиррины, бис(дипиррины) и их производные пока только исследуются человеком в качестве активных компонентов сенсорных и оптических материалов «будущего», то Природа уже использовала все способности к формированию донорно-акцепторных связей периферии молекулы билирубина как минимум, 216 млн лет назад [494]. Разрыв и образование внутри- и межмолекулярных водородных связей - причины биологических и фи-

зико-химических эффектов билирубина и содержащих его систем. Следует напомнить, что билирубин, находясь в несвязанном с белком виде, в высоких концентрациях нейротоксичен, легко растворяясь в липидах мембран клеток и, проникая в митохондрии, нарушает процессы окислительного фосфорилирования, синтеза белка, изменяет поток ионов калия через мембрану клетки и органелл, проникает через гемато-энцефалический барьер, вызывая нейродеградацию. Поэтому, с биомедицинской точки зрения, перспективными являются разработки в области исследования процессов взаимодействия билирубина и белков-носителей в условиях умеренно высокой концентрации токсина в плазме крови, а также при недостаточной активности высокоафинных участков альбумина, что особенно актуально при диагностике и лечении различного рода гипербилирубинемий и гепатитов, а также снятии симптомов ряда генетических заболеваний, связанных с высоким содержанием пигмента в плазме (синдром Жильбера, Ротора, Дабина-Джонсона, Криглера-Найяра). Таким образом, изучение супрамолекулярных взаимодействий билирубина было и будет приоритетом развития химии желчных пигментов и их аналогов. Механизмам связывания пигмента с сывороточным альбумином и другими транспортными белками крови посвящено множество работ, например [495-499]. Исследования [500, 501] посвящены образованию слабых су-прамолекулярных комплексов билирубина с оптически активными аминами и их производными, циклодекстринами, аминокислотами, гормонами, ферментами, са-харами и другими биологически активными соединениями. Доминирующий фактор, или движущая сила супрамолекулярного комплексообразования билирубина - образование водородных связей. В стабилизации супрамолекул принимают также п-взаимодействия ароматических дипирриновых фрагментов с аналогичными фрагментами белков или молекул-рецепторов.

Супрамолекулярные взаимодействия билирубина с белковым окружением -функциональными группами аминокислотных остатков полипептидной цепи, как будет показано далее по результатам наших исследований с привлечением данных литературы, оказывают значительное влияние на проявление билирубином антирадикальных и антиоксидантных свойств, а также регулирующего действия, проявляющегося в его влиянии на кинетические и термодинамические параметры образования супрамолекулярных комплексов ряда биологически активных веществ с альбумином. Революционная находка японцев - активация флуоресценции мышечных белков Unag билирубином, не только убеждает в полной правоте принципов супрамолекулярной химии, сформулированных Жан Мари Леном, а

ставит перед исследователями новые цели по созданию молекулярных конструкций, селективных и чувствительных к даже самым слабым взаимодействиям. Мы не могли оставаться в стороне от изучения подобных явлений, связанных с билирубином, и закономерно переходили от изучения «классических» комплексов его структурных аналогов к супрамолекулярным комплексам желчного пигмента. Перед нами стояли следующие задачи: 1) исследование процессов окисления билирубина и его комплекса с альбумином в различных модельных системах, инициирующих свободные радикалы; 2) выявление закономерностей в реакциях окисления тетрапиррольного пигмента, а также сравнение кинетических параметров реакций окисления в зависимости от природы и концентрации хромофоров и окислителей, белкового окружения, природы растворителя; 3) квантовохимическое моделирование реакций окисления билирубина в газовой и жидкой фазах, определение энергетически и структурно предпочтительных маршрутов реакций; 4) изучение влияния присутствия билирубина в молекуле альбумина на кинетические и термодинамические параметры связывания низкомолекулярных биологически активных лигандов - аскорбиновой кислоты (АA), гидрохинона (Н^), ура-цила (Ц), 5-гидрокси-6-метилурацила (5Ц), .мезотетракис-«-сульфофенилпорфина (TSPP), Во&ру и др. с белками; 5) использование супрамолекулярного эффекта активации флуоресценции у белка ЦпаО для создания многофункциональных на-ночастиц.

5.1. Супрамолекулярные эффекты

в кинетике окислительных реакций билирубина

5.1.1. Билирубин как естественный антирадикал и антиоксидант

Все возрастающее понимание роли многокомпонентной антирадикальной системы для защиты организма от негативного действия радикалов внешней и внутренней среды провоцирует огромный интерес ученых разных специальностей к проблемам антиоксидантов. Многочисленными исследованиями показаны биологические функции и метаболизм активных форм кислорода в организме человека и животных [502]. Установлено, что в основе канцерогенеза, атеросклероза, хронических воспалений, нервных дегенеративных заболеваний лежит токсичное действие вторичных радикалов, образовавшихся в результате метаболических процессов [503]. Однако еще очень многие стороны антиоксидантной защиты ор-

ганизма остаются малоизученными. Например, радикалы из внешней среды поступают через открытые системы организма (дыхательную, пищеварительную, мочеполовую), однако механизмы антирадикальной защиты этих систем мало известны. В настоящее время установлены антиоксидантные функции многих ферментов (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза, глутатионредуктаза и др.), продуктов метаболизма (белки сыворотки крови, стероидные гормоны, женские половые гормоны, убихинон и др.), пищевых веществ и напитков (фрукты, овощи, зеленый чай, растительные масла и др.). Однако для некоторых тканей и систем пока не установлены конкретные носители антиоксидантной активности, т. е. не определены прямые корреляции между уровнем антиоксидантной активности той или иной системы и ее структурными компонентами. Реакции образования и удаления активных форм кислорода и других радикалов (гидроксильный радикал, супероксид, липоксильный радикал, пероксинитрит и другие) обеспечиваются различными механизмами, объединенными в антиоксидантную систему организма.

Как уже неоднократно отмечалось, долгое время билирубин считался исключительно токсичным и балластным продуктом метаболизма. Большой массив имеющихся результатов биомедицинских исследований надежно доказывает, что это не так. Даже метаболизм птиц, рептилий и амфибий показывает жизненную необходимость билирубина [504]. Конечным продуктом окисления гема их крови является водорастворимый биливердин, который затем подвергается гидрированию с образованием гидрофобного билирубина. Наблюдаемое противоречие между токсичностью билирубина и необходимостью энергозатрат на его синтез может быть объяснено только существованием важной причины - жизненно необходимой функции пигмента.

В середине XX века было установлено, что билирубин способен защищать от перекисного окисления линолевую кислоту и витамин А [505-507]. Переломным этапом в понимании функционала желчных пигментов стал 1965 г., когда Вишингрэд с коллегами установили, что гипербилирубинемия у недоношенных детей не так вредна, как считалось ранее [508, 509]. В это же время было обнаружено, что многие люди с синдромом Криглера-Наяра ведут нормальный образ жизни без каких-либо вторичных патологий [510]. Высказывались предположения, что свободный билирубин может быть физиологически полезен, так как способен проникать через плаценту из зародыша в кровь матери [511-513]. При этом изомеры у матери и ребенка различаются, что исключает возможность использо-

вания билирубина матери в организме ребенка [514, 515]. В 1980-х гг. Эймс с коллегами показали, что билирубин, в ряде случаев, является более активным ан-тиоксидантом, чем витамин Е [516, 517]. Обзор известных биомедицинских исследований свидетельствует о значительном прогрессе в понимании биохимических функций желчных пигментов, достигнутом за последние 20-30 лет [518]. Антирадикальные и антиоксидантные свойства билирубина клинически проявляются при самых различных патологиях - ишемии-реперфузии, атеросклерозе, геморрагическом инсульте, анафилактических реакциях, химическом мутагенезе [519-523]. Установлено, что на окислительные стимулы клетка отвечает многократным повышением гем-оксигеназной активности, а система «билирубин - гем-оксигеназа» является одной из важнейших составляющих антиперекисной защиты наряду с супероксиддисмутазой, каталазой, глутатионпероксидазой, водо- и жирорастворимыми витаминами. Эти открытия - основа новых методов лечения кардиологических, онкологических и нейродегеративных заболеваний. Имеются предположения об отрицательном воздействии билирубина на апоптоз клеток, что также связано с его антиоксидантными свойствами. Гипербилирубинемия понижает эффективность противораковой терапии (радио-, хемо- и фотодинамическая терапия), направленной на индукцию окислительного стресса, вызывающего гибель опухолевых клеток путем апоптоза. Наряду с антиоксидантной функцией, билирубин принимает участие в качестве эндогенного посредника в активации экспрессии одного из цитохромов под действием ультразвука [524, 525].

Над выяснением роли и значения пигмента для формирования защитных механизмов при патогенезе заболеваний печени и желчевыводящих путей, сопровождаемых гипербилирубинемией, работают группы американских, канадских, индийских, аргентинских ученых. В России впервые физиологическая роль билирубина как эндогенного антиоксиданта была установлена в 1985 г. В серии работ [526-529] представлено новое научное направление - физико-химическая регуляция билирубином процессов перекисного окисления липидов. Антиоксидантное действие билирубина продемонстрировано на объектах различной сложности (окисление простых химических веществ, введение билирубина подопытным животным, моделирование поражений печени и желчевыводящих путей), а также в клинических испытаниях. Впервые обнаружен факт угнетения билирубином процессов апоптоза; показано, что антиапоптотическое действие билирубина определяется не только его антиоксидантными свойствами, но и влиянием на функционирование сфингомиелинового цикла, генерирующего вторичные посредники

сигнала апоптоза. Обнаружено, что повышение уровня билирубина является компенсаторным механизмом, позволяющим регулировать протекание реакций пе-роксидного окисления липидов при патологии печени и желчевыводящих путей. Работы [530-535] свидетельствуют, что помимо непосредственного антиокси-дантного действия в реакциях свободно-радикального окисления и защиты липи-дов мембран, билирубин, возможно, играет определенную роль в ингибировании сфингомиелиназы и, таким образом, влияет на апоптотическую гибель клеток.

Проблема установления механизма антиоксидантного и антирадикального действия билирубина связана с особенностями его молекулярной структуры, которые создают возможности окисления пигмента по нескольким маршрутам. Окисление по центральному метиленовому спейсеру приводит к образованию би-ливердина. Эта реакция является обратной ферментативному восстановлению би-ливердина до билирубина в катаболическом пути гема крови и широко используется не только для получения биливердина, но и для синтеза дипирринов из соответствующих дипиррометанов. Образование биливердина из билирубина наблюдается при химическом, электрохимическом окислении, действии мягкого фото- и ионизирующего излучения. Методом импульсного радиолиза изучены реакции окисления билирубина хлорсодержащими пероксильными радикалами в водных растворах с рН 11.0, содержащих 20 % трет-бутанола [536]. С использованием оптической регистрации короткоживущих частиц, измерены константы скоростей реакций окисления, значения которых составили (*10-7 лмоль-1с-1): 150, 34, 15, 59, 26, 19, 8.4 для радикалов ССЪСЮ^, СНСЪОСТ, СН2С100% СН3ССЪ00% СНС12СНС100% СН2С1СНС100^ и СН2С1СН200^ соответственно. Реакция окисления билирубина до биливердина в нейтральных растворах протекает по радикальному механизму, а в кислых - по гетеролитическому со всеми признаками кислотного катализа. Механизмы реакций обобщены в монографии [2].

Анализ продуктов окисления билирубина в системах с неравновесным режимом образования активных форм кислорода показывает отсутствие стадии образования зеленого биливердина. В частности, это было зафиксировано нами при исследовании плазмохимического окисления в водных растворах [537]. Даже при самых малых концентрациях продуктов радиолиза воды окисление тетрапирроль-ного пигмента приводит к образованию только монопиррольных продуктов. Исходя из результатов по исследованию окисления билирубина в метилолеатной модели методом хемилюминисценции [538], предложен маршрут реакции окисления через образование тетрапиррольного радикала при присоединении свобод-

ного радикала к атому углерода в положении 9 (рис. 5.1а). Квантовохимические расчеты предполагаемых радикальных структур интермедиатов свидетельствуют в пользу механизма обмена протонами МН-групп с пероксильными радикалами, причем наличие внутримолекулярной водородной связи оказывает сильное влияние на проявление соединениями антиоксидантной активности.

(а)

(б)

Уп Ме

О О

сн2 К 10 2

ноос

К

нс

соо