ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 6, с. 3-9
СТРОЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК 577.3
ГЕНЕРАЦИЯ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА ПРИ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАЦИИ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА ХЛОРОФИЛЛОМ И ЕГО АНАЛОГАМИ © 2014 г. А. В. Лобанов1*, Г. И. Кобзев2, К. С. Давыдов2, Г. Г. Комиссаров1
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Оренбургский государственный университет *Е-таИ: avlobanov@mail.ru Поступила в редакцию 20.09.2013
Определены кинетические и фотохимические параметры генерации активных форм кислорода, в том числе синглетного кислорода, фотосенсибилизированной хлорофиллом и его аналогами на основе магниевых комплексов тетрапирролов. Показано, что природа центрального иона металла является определяющим фактором в дезактивации образующегося синглетного кислорода. Продемонстрировано, что фотосенсибилизирующая активность тетрапиррольных металлокомплексов снижается при их агрегации.
Ключевые слова: хлорофилл, магниевые комплексы тетрапирролов, активные формы кислорода, синглетный кислород, пероксид водорода, фотосенсибилизация.
Б01: 10.7868/80207401X14060077
В эффективных фотохимических процессах возможность непрерывного образования долго-живущих возбужденных состояний имеет большое значение. В силу спинового запрета фосфоресценции (наиболее часто — это излучательный переход Т1—80) время жизни триплетных состояний обычно составляют 10-3 с и выше, тогда как характерное время жизни синглетных состояний оценивается как 10-9—10-8 с. В случае тетрапиррольных фотосенсибилизаторов (ТФС) генерация долгоживущих триплетных возбужденных состояний с высоким квантовым выходом характерна для безметальных порфиринов и родственных им соединений, а также их комплексов с металлами, не содержащих неспаренные ^-электроны. Важнейшие фотобиологические представители ТФС с непереходным металлом магнием — хлорофилл и ряд его природных и синтетических аналогов. Напротив, для комплексов ТФС с металлами с незаполненными ^-оболочками в результате сильного обменного взаимодействия неспаренных электронов металла с молекулярными орбиталями порфиринового макрогетероцикла наблюдаются высокие константы скорости безызлучательной дезактивации возбужденных состояний [1].
При фотовозбуждении хлорофилла а (М§-Хл) генерация первого триплетного состояния Т1 происходит с высоким квантовым выходом (~60%) [2]. Возбужденное состояние Т1 имеет энергию
11325 см-1 (1.37 эВ) и лежит на 3775 см-1 (0.50 эВ) ниже уровня [3]. Время жизни состояния Т1, измеренное при 77 К, оказалось равным 2.0-2.7 мс, а квантовый выход фосфоресценции из состояния Т1 крайне мал даже в твердых низкотемпературных матрицах этанола, эфира, пиридина, липосомаль-ных растворов и не превышает (1^3) • 10-5 [4] (для сравнения, квантовый выход флуоресценции М§-Хл из состояния 81 в зависимости от микроокружения составляет 0.20-0.35 при 293 К и 0.55 при 77 К). Таким образом, излучательные процессы из триплетных состояний М§-Хл практически не конкурируют с фотосенсибилизированными реакциями, и в присутствии кислорода воздуха происходит генерация синглетного кислорода 1О2 с квантовым выходом, близким к величине квантового выхода образования состояния Т1 [5].
Вместе с тем, по современным представлениям первичный фотохимический акт разделения зарядов в природном фотосинтезе осуществляются при участии М§-Хл и его надмолекулярных комплексов в первом синглетном возбужденном состоянии 81 [6-8]. Фотохимическая роль три-плетных состояний хлорофилла остается не до конца ясной в настоящее время, и наиболее часто с ней связывают патологические фотосенсибилизи-рованные деструктивно-модификационные реакции, опосредованные действием 1О2 и активными
радикальными и ион-радикальными продуктами его превращения. При этом полагают, что в норме в хлоропластах существуют механизмы эффективной дезактивации хО2 пигментами [2] и трансформации хО2 в физиологически важный перок-сид водорода [9].
Настоящая работа посвящена выявлению особенностей фотосенсибилизированной магниевыми комплексами ТФС генерации хО2, установлению механизма взаимодействия хО2 с М§-ТФС, а также установлению закономерностей накопления продуктов превращения хО2 в органической (на примере антрацена) и водной фазах с использованием физико-химических методов и кванто-вохимических расчетов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Хлорофилл а выделяли из листьев крапивы, высушенной на воздухе. Для этого 23 г крапивной муки, прогретой в течение 2 ч при 50°С, заливали 500 мл 80%-го водного раствора ацетона и интенсивно перемешивали в течение 5 мин. Экстракт отфильтровывали. В полученный экстракт пигментов добавляли 50 мл охлажденного диоксана. Смесь охлаждали на льду и по каплям добавляли 70 мл охлажденной воды, после чего оставляли в холодильнике на 2 сут при 4°С. Выпавший осадок отфильтровывали под вакуумом на водоструйном насосе. По результатам исследования методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) полученный осадок представляет собой смесь хлорофил-лов а и Ь, феофитина (Фф) и каротиноидов. В системе растворителей эфир—гексан (1 : 3) хлорофилл имеет значение отношения фронтов Щ 0.2, каротиноиды — Щ 0.8. Смесь пигментов смывали
с фильтра смесью эфира и гексана (3 : 7) под вакуумом. Получившийся раствор наносили по каплям на хроматографическую колонку с сахарозой (пудрой), предварительно прогретой при 100°C в течение 4 ч. Элюировали смесью эфира и гексана (3 : 7) до разделения и заметного распределения пигментов по колонке. Слои сахарозы, содержащие Mg-Хл и протохлорофилла (Mg-ПХл), механически извлекали из колонки, подсушивали на воздухе и подвергали экстракции эфиром. Растворы Mg-Хл и Mg-ПХл упаривали в темноте при комнатной температуре на роторном вакуумном испарителе. Также Фф получали мягким кислотным гидролизом Mg-Хл в этаноле путем добавления растворов HCl с последующей экстракцией эфиром.
Выделение Mg-ПХл проводили по методике, описанной выше для Mg-Хл, из 10-дневных проростков кукурузы, выросших в темноте. Предварительно 5 г зеленых листьев выдерживали 2 мин над горячим паром, помещали в ступку с небольшим количеством 0.1 н NH4OH и растирали с песком и 80%-ным ацетоном. Затем проводили очистку полученного Mg-ПХл.
Бактериохлорофилл (Mg-БХл) был выделен из биомассы фототрофных бактерий в МИТХТ (Москва, Россия). Магниевый комплекс фтало-цианина (Mg-Фц) был синтезирован в ИГХТУ (Иваново, Россия).
Чистоту пигментов контролировали методом ТСХ и по электронным абсорбционным спектрам с помощью спектрофотометра DR/4000V (HACH-Lange, США) в диапазоне длин волн X = = 320-800 нм.
Ниже приведены структурные формулы вышеописанных веществ:
СзИ-
R1 \
СИз
Г7
• С2И5
YnA /
N N-
17J
СИ2
I 2 I O
СИ2 C(O)OCH3
C(O)R2
М = Mg, R1 = -СН=СН2, где R2 = -OCH2CH=C(CH3)(CH2)3[CH(CH3)(CH3)3]2CH(CH3)2, двойная связь С7-С8 (Mg-Хл); М = Mg, R1 = -C(0)CT3, R2 = -OCH^H^CH^KCH^CH^CH^^CH^CH^CH^ (Mg-БХл); Mg-ПХл: то же, что и Mg-Хл, но двойная связь С17-С18; Фф: то же, что и Mg-Хл, но М = 2Н;
.К
\
-К
N МЕ N
^ \ /
N К" N
М§-Фц
М§-Пф
Эксперименты по фотоокислительной генерации эндопероксида антрацена (АнО2) и/или Н2О2 проводили в стандартных кварцевых кюветах толщиной (1 см) светом галогенной лампы (150 Вт) в комплекте с линзами, конденсором и светофильтром КС-13, отсекающим излучение с
< 630 нм. Мощность светового потока составляла 10 мВт/см2. Фотолизу подвергали растворы антрацена (8.9 • 10-4 моль/л) и М£-Хл в СС14, смеси СС14/Н2О (1 : 1), СНС13, ЕЮИ/Н2О (1 : 50), водно-мицеллярной системе 1%-ного Тритона Х-100 (ТХ-100) и не содержащие Ан суспензии силикагеля (Сг) с нанесенными М£-Хл или Фф (1 • 10-8 моль пигмента на 1 мл раствора) в воде (или D2O) и в водных растворах триэтил-амина (ТЭА), морфолина (Морф) и гистидина (Гис) в концентрациях 0.1 моль/л. В некоторых из приведенных систем вместо М£-Хл были использованы М£-ВХл, М£-ПХл и М£-Фц (в том числе в ДМФА/Н2О (1 : 50)). Количество пигментов во всех случаях составляло 1 • 10-5 моль/л для растворов или 1 • 10-8 моль пигмента на 1 мл суспензии. Значение рН (или pD) водной фазы поддерживали равным 12.4. Иммобилизацию пигментов на Сг проводили по методике, изложенной в [9]. За кинетикой окисления антрацена (Ан) следили по убыли оптической плотности его растворов в полосах поглощения с Хтах = 360 и 378 нм. Концентрацию образующегося Н2О2 определяли методом иодометрического титрования в сочетании со спектрофотометрией [9]. Квантовые выходы (Ф) образования АнО2 и Н2О2 определяли как отношение числа их образовавшихся молекул к числу квантов света, поглощенных ФС в начальный фиксированный промежуток времени [10]. Погрешность определения Ф составляла ±10%.
В качестве молекулярной модели тетрапир-рольного комплекса магния был выбран магниевый порфирин (М£-Пф). Расчеты геометрических параметров комплексов М£-Пф, 02...М£-Пф, 02...М£-Пф...Гис проводили с помощью программы GAMESS (США) [11]. Оптимизацию геометрических характеристик осуществляли с помощью теории функционала плотности при использовании гибридного функционала В3ЬУР в
10
[Ан] • 104, моль/л
-Д----Д
-А4
Ъэ
10
20
30
40
мин
Рис. 1. Кинетические кривые окисления Ан в присутствии Mg-Хл в СС14 (1), Mg-ПХл в Б2О при добавлении 1% ТХ-100 (2) и в чистом ССЦ (Э—5) в случае фотолиза светом с < 630 (7—3), 350—800 нм (4) и в отсутствие освещения (5).
методе Хартри—Фока для открытых оболочек; для атомов молекулы кислорода использован базис 6-3Ю^), для других атомов — базис 6-3Ю.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оценку эффективности генерации *О2 во многих случаях, например для непрозрачных систем, удобно проводить по анализу кинетики накопления стабильных продуктов его превращений. Применительно к органическим средам тестовой реакцией на генерацию *О2 является фотоокисление Ан до эндопероксида [12]:
Полосы поглощения Ан соответствуют Хтах = 326, 340, 362 и 378 нм. Спектр растворов Ан/ТФС представляет собой простую суперпозицию индивидуальных спектров без изменения положения исходных полос и экстинкции. В этом диапазоне спектра АнО2 не имеет полос поглощения. Фотолиз систем Ан/ТФС проводили светом с Хрк < 630 нм, так что свет поглощ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.