CC BY
4Porphyrins
Порфирины
Макрогетзроцикль]
http://mhc-isuct.ru
Paper Статья
DOI: 10.6060/mhc224421b
Кинетика протонного обмена внутрициклических NH групп диметилового эфира дейтеропорфирина IX и молекул воды в среде C6D6
А. Л. СтолыпкоЛ13 Д. В. Белых3@
Сыктывкарский государственный университет, Российская Федерация, 167000 Сыктывкар, Россия
ьИнститут химии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, 167982 Сыктывкар,
Россия
@Е-таН: [email protected]
В работе определены кинетические параметры протонного обмена внутрициклических групп NHдиметилового эфира дейтеропорфирина IX и молекул воды в среде C еОе. Показано, что процесс образования устойчивых ассоциатов «порфирин-вода»является лимитирующей стадией протонного обмена.
Ключевые слова: Порфирины, спектроскопия EXSY, протонный обмен, дейтеропрофирин IX, DOSY.
Proton Exchange Kinetics of Intracyclic NH Groups of Deuteroporphyrin IX Dimethyl Ester and Water Molecules in C6D6 Medium
Alexander L. Stolypko,a,b and Dmitriy V. Belykhb@
aSSyktyvkar State University, 167000 Syktyvkar, Russia
b Institute of Сhemistry of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 167000 Syktyvkar, Russia
@Corresponding author E-mail: [email protected]
In this work, we determined the kinetic parameters of the proton exchange of deuteroporphyrin IX dimethyl ether intracyclic NH groups and water molecules in a СбОб medium. It is shown that the formation of a stable associates "porphyrin-water" is the limiting stage ofproton exchange.
Keywords: Porphyrins, EXSY spectroscopy, proton exchange process, deuteroporphyrin IX, DOSY.
Введение
Протонный обмен и образование межмолекулярных водородных связей с участием протонов внутри-циклических групп ЫН порфиринов играют значительную роль в формировании супрамолекулярных систем с участием порфиринов и их аналогов (ассоциатов, различных агрегатов, молекулярных кристаллов, орга-но-неорганических систем, и др.).[1-6] Взаимодействия с участием групп ЫН играют знач ительную р оль при реализации рецепторной[4,5] и органо-каталитической[5,7] функ-
ций порфиринов и их аналогов. Кроме того, известно, что количественные характеристики реакционной способности внутрициклических групп ЫН могут быть использованы для оценки отклонения ароматических макроциклов порфиринов и их аналогов от плоского строения наряду прямыми структурными (рентгено-структурный анализ (РСА) и электронография), спектральными, (флуоресцентная спектроскопия, спектроскопия резонансного комбинационного рассеяния, спектроскопия ЯМР 1Н и др.) и расчетными методами.[8] Для исследования химического обмена в области
ЯМР Эрнстом и Джинером с сотрудниками!9-10! разработаны двухмерные методы: дифузионно упорядоченная спектроскопия (DOSY) и спектроскопия основанная на ядерном эффекте Оверхаузера (NOESY). В дальнейшем методы DOSY и NOESY успешно применялись во многих работах, например в цикле работ Бергера и Кабриты.[11,12]
Ранее нами исследовался протонный обмен в растворе диметилового эфира дейтеропорфирина IX в дейте-рированном бензоле методами DOSYt6,13] и ЫОЕ£У[14] Методом DOSY показано, что существует быстрый протонный обмен между содержащейся в дейтеробен-золе остаточной водой и внутрициклическими гру п-пами ЫИ дейтеропорфирина. Теоретическое описание двухстороннего протонного обмена для двухмерных методов ЯМР[9,10] предполагает единственную константу скорости обмена к. В то же время в работе[6] определенные экспериментально методом DOSY скорости переноса протона для молекул воды кш и дейтеропорфирина кот имели существенно различные величины: кш = 5.8 с-1 и кот = 0.67 с-1. При этом константа скорости, измеренная нами методом ЕХ8У в работе[13] имела величину к = 3.56 с-1. Для объяснения полученных результатов в работах^3-14! сделано предположение, что механизм протонного обмена включает стадию образования устойчивых ассоциатов молекул воды с молекулами порфирина. В работе[15] определены константы устойчивости для ассоциатов вода-порфирин. Ввиду того, что коэффициенты самодиффузии свободной воды в растворе Dfw и дейтеропорфирина Dp различаются по величине почти на порядок (Овш ~ 5.7-10-9 м2/с, Dp = 0.65-10-9 м2/с ), а коэффициент самодиффузии ассоциата "вода-порфирин" имеет величину близкую к Dp, вклады в скорость изменения коэффициента самодиффузии D(tт) молекул воды и порфирина не будут равнозначны, как это предполагается в модели двухстороннего обмена без учета ассоциации.[9,10] По -видимому, данная особенность механизма обмена может объяснить возникновение столь существенной «кажущейся» разницы между кш и кот, тогда как константа скорости обмена должна быть единственной. Существенным дополнением к кинетическому описанию обменных процессов является определение лимитирующей стадии. Судя по полученным нами ранее данным для энергии активации протонного обмена Еа,[16] лимитирующая стадия при переносе протона с молекулы воды на порфирин в процессе обмена связана с десольватацией молекулы воды. Поэтому можно предположить, что лимитирующей стадией в процессе переноса протона с воды на порфирин является именно образование ассоциата. Для проверки этого предположения в настоящей работе определены кинетические параметры обменных процессов в растворах с различной концентрацией диметилового эфира дейтеропорфирина IX в СбБб.
Эксперимент
Диметиловый эфир дейтеропорфирина IX (1) получен согласно работе,[17] спектральные характеристики совпадают с описанными нами ранее.[13] Исследуемый раствор запаян в стандартные ампулы ЯМР фирмы Бгикег диаметром 5 мм. Все ранее проведенные эксперименты для данного образца
показывают, что образцы стабильны в течение, по крайней мере, 24 месяцев. Измерения выполнены на спектрометре Bruker Avance II (рабочая частота на ядрах 'Н 300 МГц). Спектры ЯМР, DOSY и EXSY обрабатывались с использованием программы MestReNova 14.2.1-27684. Концентрация исследуемых соединений в CôDô 0.005-0.010 ммоль/мл. Концентрация воды в CôDô 0.01 ммоль/мл. Параметры эксперимента EXSY: импульсная последовательность noesyph фирмы Bruker, количество накоплений NS = 32, число градиентных спектров TD (F1) = 256, каждый спектр имеет частоту дискретизации 16384, время смешивания D8 варьировалось в интервале от 0 до 0.1 с; релаксационная задержка D1 = 5 c (времена релаксации для протонов воды и NH-протонов не превышают 1 и 1.2 с). Параметры эксперимента DOSY: импульсная последовательность «двойное стимулированное эхо с биполярными градиентными импульсами» реализована на спектрометре Bruker Avance II с помощью стандартной программы с компенсацией конвекции dstebpgp3s, время диффузии D20 варьировалось от 0.04 с до 1с, длительность градиентных импульсов Р30 - в пределах от 150 до 1200 мкс, количество накоплений NS = 64, число градиентных спектров td (F1) = 16, каждый спектр имеет частоту дискретизации 16384. Эксперименты проводились при стабилизации температуры и с использованием воздушной подушки для уменьшения влияния внешних вибраций. Скорость потока возду ха в термостате 670 л/ч.
Результаты и обсуждение
Необходимым условием протекания обмена является предварительное образование ассоциата молекул, участвующих в обмене за счет формирования межмолекулярных водородных связей.[18] Реализация протонного обмена через образование устойчивых ассоциатов как лимитирующей стадии предполагает второй порядок реакции для процесса переноса протона с молекулы воды на дейтеропорфирин. В то же время, описываемый в работах^-10] двухсторонний обмен A ^ B, исследуемый методами ЯМР, всегда имеет первый или «ква-зи-первый» порядок химической реакции (единственная константа скорости обмена к определяет скорость прямой kAB = Хвк и обратной реакции квА = XAk ,[6-13] здесь Xa и Xb - мольные доли компонент A и B). Определить реальный порядок химической реакции можно только экспериментально.
Для выяснения порядка реакции протонного обмена в нашем случае проведена серия экспериментов EXSY для четырех различных концентраций раствора дейтеропорфирина в бензоле. Мольные доли для NH-протонов, участвующих в протонном обмене «порфи-рин-вода», соответственно номерам образцов: № 1: Xp = 0.125; № 2: Xp = 0.19; № 3: Xp = 0.318; № 4: Xp = 0.395. Здесь:
I,
Xp =
= S
X,
iw + ip
iw + ip
Xp + XW ~ Sp + SW ~ 1
1р и 1ш - интегралы линий ЫН дейтеропорфирина и воды в протонном спектре ЯМР, 5р и Sw - населенности соответствующих уровней энергии в системе обменивающихся спинов.
w
S
W
ä(«m)
0.3
0-2
o.i
1 1 1 4 J1
3 J
/ 2
1
—"o 1 1 1
0.025
0.05
0.075
«m (c)
0.1
порфирина в бензоле осуществляется путем химической реакции второго порядка. Что косвенно подтверждает предположение, сделанное ранее,[13,14] о механизме протонного о бмена, включ ающем о бразование ассоциа-тов "вода-порфирин". Процесс образования ассоциата описывается следующей обратимой химической реакции второго порядка:
H
/^'Hv
^n^ N
/ "H*
\L *H. Jj
/—N N
^Ji ^ //
(2)
13 (1)
Рисунок 1. Зависимости a(tm) для образцов раствора дейтеропорфирина в бензоле. № 1: Xp = 0.125, к = 1.32 с-1; № 2: Xp = 0.19, к = 2.18 с-1; № 3: Xp = 0.318, к = 3.53 с-1; № 4: Xp = 0.395, к = 4.43 с-1.
Протонный обмен внутри ассоциата Р-ЫН-Н-ОН можно представить как вырожденную обратимую реакцию:
H
O
H
O
OCH
O
OCH
Константы скорости определялись в приближении начальных скоростей. Спектры EXSY измерялись в интервале (0 - 0.1) (с) по времени смешивания tm с шагом 0.02 (с) (спектры приведены в Приложении). По методу, предложенному Мацурой (Macura S.),[19] для каждого tm вычислялась комбинация значений интегралов диагональных (Iaa, Ibb) пиков и недиагональных (Iab, Iba) кросс-пиков для линий воды (A) и NH-протонов порфирина (B) в спектре EXSY:
(3)
,{t ) =
\ m s
I
1 1
P1 AA + ~ SWIBB
2 2
(1)
В приближении начальных скоростей, когда к tm << 1, можно пренебречь влиянием спин-решеточной релаксации. Как экспериментально показано в работе,^4 вклад кросс-релаксации для нашего случая также пренебрежимо мал. Тогда, подставляя в (1) выражения для интегралов Iaa, Ibb и Iab из работы [9], при условии к tm << 1, получим для a(tm) ~ к tm, то есть теоретическое выражение для параметра (1), представляющее собой линейную зависимость a(tm). Тангенс угла наклона a(tm) численно равен константе «квазипервого» порядка для скорости протонного обмена к.
Из спектров EXSY (Рисунок 1) можно получить для образца № 1 к / Xp = (10.6 ± 0.9) с-1, для № 2, № 3 и № 4 соответственно (11.0 ± 0.7) с-1, (10.8 ± 0.7) с-1 и (11.2 ± 0.6) с-1. Поскольку отношения к / Xp в пределах погрешности совпадают по величине для всех четырех образцов, т.е. к линейно зависит от концентрации дейте-ропорфирина, то константу скорости обмена к можно представить как к = к 1Р0], где [P0] - равновесная концентрация дейтеропорфирина, не связанного с водой, к1 - постоянная скорости протонного обмена второго порядка. Зная концентрацию [P0], можно определить константу скорости второго порядка к 1. Для образца № 4: [P0] = 7.1210-3 моль-jr1; к 1 = (246 ± 14) л-моль-1-с-1.
Таким образом, экспериментально доказано, что протонный обмен вода-порфирин в растворе дейтеро-
Перенос намагниченности с внутрициклических групп NH порфирина на молекулу воды связан с распадом ассоциата:
H *
N, N *И
\\ *И, // ■ Л
N N ^Л H
+ O,
(4)
Кинетические уравнения протонного обмена, описывающие реакции (2-4) с учетом образования и распада ассоциатов «вода - порфирин» можно записать, следуя методике, описанной в монографии,[10] а также статье Ершова с соавторами.[20] В работе[20] рассмотрен метод составления уравнений «квази-первого порядка» для амплитуд намагниченностей в случае химических реакций второго порядка:
д S„
д t
Л [P0 ]• SW + k 2 ■ SW
(5)
д S„
д t
■=- k 0 - SPW ]+ k ! [P0 V SW - k 2 ^ SWP (6)
H
H
H
O
O C H
O
O C H
H
O CH
O
O
OCH
8 S ,
81
к „-[S„ - Srw ]+ кl .[w „ ]• SP - к 2S
8 S ,
81
- к ! .[W „ ]• Sr + к 2 .S,
(7)
(8)
Здесь Sp и Sw - населенности спиновых уровней энергии в системе обменивающихся протонов для воды и группы NH дейтеропорфирина. Swp и Spw — населенности для протонов ассоциатов "вода-порфирин", причем для Swp и Spw наблюдаемый протон соответствует первой букве индекса. Swp — населенность для случая наблюдения ЯМР на воде, Spw — на NH-протонах дейтеропорфирина. [WoJ-и [Po] — равновесные концентрации воды и дейтеропорфирина, не входящих в состав ассоциатов. Согласно работе,[20] коэффициенты скоростей прямой и обратной реакции можно заменить: kab = k1 ■ [Po] и kBA = k1 ■ [Wo], что и использовалось для составления уравнений квази-первого порядка (5—8).
В растворе для обратимой реакции ассоциации-диссоциации, описываемой уравнением (2), устанавливается динамическое равновесие. При этом количество образовавшихся ассоциатов "вода-порфирин" (WP), т.е. "доля связанной воды", будет постоянным во времени. Величину равновесной концентрации ассоциатов "во-да-порфирин" [WP] œ можно определить из условия динамического химического равновесия:
8[wr ]
81
к ! • ([W „ ]- [wr ])• ([r„ ]- [wr ])- к 2 • [wr ] = „ , (9)
где - концентрация ассоциатов воды и дейтеро-
порфирина.
Тогда для константы равновесия реакции имеем:
K =
[wr ].
к2 ([w„]-[wr ]J.([r„]-[wP ]J
(10)
Метод DOSY позволяет измерить коэффициент самодиффузии воды Dw при условии, что t m стремится к 0, т.е. протонный обмен не начался. Поскольку молекулы воды, ассоциированные с порфирином, имеют коэффициент самодиффузии совпадающий с коэффициентом самодиффузии Dp для порфирина, то наблюдаемый, усредненный по свободным и ассоциированным молекулам воды, коэффициент самодиффузии воды Dw(0) для tm ^ 0 можно выразить соотношением:
Dw (0) = • (1 - bw ) + Dp-bw , (11)
Dwf- коэффициент самодиффузии воды в бензоле, измеренный в отсутствие порфирина ("свободная вода"), bw - доля связанной воды. Зная bw, можно найти [WP]œ = [W0]® bw, откуда константа равновесия для образца № 4: Kc = 0.383 лмоль-1.
Решение уравнений (5-8) производилось численным методом по алгоритму Булирша-Штера с начальными условиями (для образца №4):
1) в случае наблюдения линии ЯМР воды: Sw + Swp = 1, Spw = Sp = 0. С учетом рассчитанной из (11) доли связанной воды Sw = 0.89, Swp = bw = 0.11;
2) в случае наблюдения линии ЯМР группы ЫН: + 5шр = 0, 5Рш = £р = 1; £рш = [Шо]-Ьи>/[Ро] = 0.17, 5Р = 0.83.
Константы скорости химических реакций к0, к1 и к2 определялись путем аппроксимации по методу наименьших квадратов экспериментальных зависимостей коэффициентов самодиффузии Б(11т) расчетными кривыми (Рисунок 2). Поскольку к 1 и к 2 связаны через константу равновесия (к2 = к 1/ Кс), то варьировались только два параметра: к 1 и к 0.
Процедура аппроксимации заключалась в пошаговом изменении параметров к 1 и к0 (с шагом 0.02), численном решении для каждой пары параметров системы дифференциальных уравнений (5 - 8) и вычислении стандартного отклонения У(к0, к 1) кривых 2 и 3 (Рисунок 2) от экспериментальных значений при соответствующих отсчетах времен диффузии V Зависимости Б(11т) для воды и группы ЫН рассчитывались аналогично работам :[6,13]
Dr
= Dr •(Sr X + Dr .(Srw )1 +
+ Dr -(Swr )1 + Dwf •(Sw )1 DNH = Dr -(Sr ) 2 + Dr • (Srw ) 2 +
+ Dr -(Swr )2 + Dwf (Sw )2 ,
(12)
(13)
где Sp, Sw, Swp, Spw с индексами 1 — решения уравнений (5—8) с начальными условиями: Sw + Swp = 1, Spw = = Sp = 0 (наблюдается сигнал ЯМР воды); Sp, Sw, Swp, Spw с индексами 2 — решения уравнений (5—8) с начальными условиями Spw + Sp = 1, Sw = Swp = 0 (наблюдается линия ЯМР группы NH дейтеропорфирина).
Рисунок 2. Экспериментальные (точки) и расчетные (линии) зависимости коэффициентов самодиффузии Б от времени диффузии 11т для образца №№ 4. 1: Бшб - для свободной воды; 2: Бш - для линии ЯМР воды; 3: Бын - для группы ЫН дейтеропорфирина; 4: Бр - коэффициент самодиффузии протонов при атомах углерода дейтеропорфирина.
Трехмерный график стандартного отклонения У(к о,к 1) расчетных зависимостей Ош(1т) и Окы(1т) от экспериментальных кривых показан на Рисунке 3. Поверхность У(ко,к 1) имеет седлообразную форму, минимум функции У(ко,к 1) соответствует значениям ко = (30 ± 9) с-1, к 1 = (233 ± 18) л-моль-1-с-1, к2 = (10.9 ± 0.8) с-1.
kO,c
Рисунок 3. Зависимость стандартного отклонения У(ко, к1) от коэффициентов скоростей протонного обмена ко и к 1.
Как видно из Рисунка 3, поверхность V(h 0,к 1) имеет слабовыраженный минимум по переменной к0, чем обусловлены довольно значительные погрешности определения константы скорости к0. Однако точности, полученной для к1 , достаточно, чтобы утверждать, что в данном случае лимитирующим процессом для протонного обмена является стадия образования ассоциа-тов "вода-порфирин", скорость которой определяется константой второго порядка к 1 = (233 ± 18) л-моль-1-с-1. Константа к 1 = 233 л-моль-1-с-1 , согласно,[20] для образца № 4 эквивалентна константе «квази-первого» порядка к = к 1[P0] = 4.2 с-1 и является наименьшей, т.е. лимитирующей, по сравнению с константами скорости химической реакции « квази-первого» порядка к 0 = 30 с-1 и к 2 = 10.9 с-1. Дополнительно в пользу такого вывода говорит совпадение в пределах погрешности данного результата с константой скорости обмена к1 = (246 ± 14) л-моль-1 -с-1, измеренной независимым методом EXSY для того же образца № 4 (см. Рисунок 1).
Заключение
Таким образом, в настоящей работе определены кинетические параметры протонного обмена внутри-циклических групп NH диметилового эфира дейтеропорфирина IX и молекул воды в среде C6D6. Показано, что процесс образования устойчивых ассоциатов «пор-фирин-вода» является лимитирующей стадией протонного обмена.
Благодарности. Спектральные данные получены при помощи оборудования ЦКП «Химия» Института химии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар).
Список литературы References
1. Thomas K.E., McCormick L.J., Vazquez-Lima H., Ghosh A. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10088-10092. DOI: 10.1002/anie.201701965.
2. Udal'tsov A.V., Kazarin L.A., Sinani V.A., Sweshnikov A.A. J. Photochem. Photobiol. A 2002, 151, 105-119. DOI: 10.1016/S1010-6030(02)00145-4.
3. Udal'tsov A.V., Bolshakova A.V., Vos J.G. J.Mol.Struct. 2014, 1065-1066, 170-178. DOI: 10.1016/j.molstruc2014.02.055.
4. Yang J., Wang Z., Hu K., Li Y., Feng J., Shi J., Gu J. ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 11956-11964. DOI: 10.1021/acsami.5b01946.
5. Kielmann M., Senge M.O. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 418 - 441. DOI: 10.1002/anie.201806281.
6. Stolypko A.L., Belykh D.V. Macroheterocycles 2018, 11, 383-389. DOI: 10.6060/mhc180689b.
7. Hikal W.M., Harmon H.J. J. Hazard. Mater. 2008, 154, 826-831. DOI:10.1016/j..jhazmat.2007.10.098.
8. Berezin D.B. Macrocyclic Effect and Structural Chemistry of Porphyrins [Березин Д.Б. Макроциклический эффект и структурная химия порфиринов], Мoscow: Krasand, 2010. 424 с.
9. Jeener J., Meier B.H., Bachmann P., Ernst R.R. J. Chem. Phys. 1979, 71, 4546-4553. DOI: 10.1063/1.438208.
10. Ernst R.R., Bodenhausen G., Wokaun A., Redfield A. Principles of nuclear magnetic resonance in one and two dimensions, 1987. DOI:10.1063/1.2811094 [Эрнст Р., Боденхау-зен Дж., Вокаун А. ЯМР в одном и двух измерениях. Пер. с англ. - М: Мир, 1990, 711 с.].
11. Cabrita E.J.,Berger S. Magn. Reson. Chem. 2002, 40, S122-S127. DOI: 10.1002/mrc.1082.
12. Brand T., Cabrita E.J., Morris G.A., Günther R., Hofmann H.-J., Berger S. J. Mag. Reson. 2007, 187, 97-104. DOI: 10.1016/j..jmr.2007.03.021.
13. Belykh D.V., Stolypko A.L. Macroheterocycles 2019, 12, 392-397. DOI: 10.6060/mhc190444b.
14. Stolypko A.L., Belykh D.V. Macroheterocycles 2021, 14, 147-152. DOI: 10.6060/mhc210129b.
15. Belykh D.V., Stolypko A.L. Macroheterocycles 2021, 14, 213-217. DOI: 10.6060/mhc213945b.
16. Stolypko A.L., Belykh D.V. Macroheterocycles 2019, 12, 398-402. DOI: 10.6060/mhc191280b.
17. Porphyrins: Structure, Properties, Synthesis (Enikolopyan N.S., Ed.), Moscow: Nauka, 1985. 334 p. [Порфирины: структура, свойства, синтез (Ениколопян Н.С., ред.), М.: Наука, 1985. 334 с.].
18. Gragerov I.P., Pogorely V.K., Franchuk I.F. Hydrogen Bond and Fast Proton Exchange. Kyiv: Nauk. Dumka, 1978. 215 p. [Грагеров И.П., Погорелый В.К., Франчук И.Ф. Водородная связь и быстрый протонный обмен. Киев: Наук. думка, 1978. 215 с.].
19. Macura S., Farmer II B.T., Brown L.R. J. Magn. Reson. 1986, 70, 493-499. DOI: 10.1016/0022-2364(86)90143-5.
20. Lee J.-S., Jerschow A., Regatte R.R. Concepts Magn. Reson. A 2017, 1-13. DOI: 10.26434/chemrxiv.7011707.
Received 10.05.2022 Accepted 12.09.2022
