SYTEZA I WIDMA ABSORPCYJE MEZO-TETRAFEYLOPORFIRYY (H 2 -TPP) I METALOPORFIRY M(TPP). Porfiryny stanowią ważną klasę naturalnie występujących związków, które biorą udział w różnych ważnych procesach biologicznych. Można tu wymienić procesy transportu tlenu, fotosyntezę, rożne przemiany katalityczne. Porfiryny możemy potraktować jako pochodne porfiny. Podstawową strukturę makrocyklu porfinowego tworzy 16 atomów w tym cztery atomy azotu. Porfinę można opisać jako cztery podjednostki pirolowe połączone mostkami metinowymi (CH). Ten aromatyczny makrocykl zawiera 22 elektrony π, jednak zgodnie z regułą Hückela delokalizacji ulega 18 spośród nich (4n+2, n=4). Rozmiar luki w tym makrocyklu jest R 3 H H R 2 M R 4 (a) R 1 (b) H H M H 2 -TPP M(TPP) Rys 1. Porfina (a); metaloporfiryna (b); tetrafenyloporfiryna (H 2 -TPP); metalotetrafenyloporfiryna M(TPP).
odpowiedni dla wiązania całego szeregu metali. Wymiana dwu atomów wodoru w H 2 - porfirynie na kation metalu prowadzi do powstania metaloporfiryny, związku kompleksowego, w którym makrocykl jest dwuujemnym anionem. Do najbardziej znanych metaloporfiryn należą związki Fe, Co, Zn, i. Przykładami porfiryn o szczególnym znaczeniu w układach biologicznych są hemy (kompleksy żelaza) i chlorofile (kompleksy magnezu). Witamina B 12 to kompleks kobaltu zawierający ligand korynowy, zbliżony strukturą do porfiryny. Hemoproteiny, zawierające żelazoporfiryny, służą do transportu tlenu (hemoglobina), magazynowania tlenu (mioglobina) oraz biorą udział w procesach przeniesienia elektronu (cytochromy b i c) i aktywacji O 2 (cytochrom P450). Chlorofile i feofityny(chlorofile pozbawione centralnego atomu magnezu) występują w aparacie fotosyntetycznym. Witamina B 12 katalizuje reakcje izomeryzacji i przeniesienia grupy metylowej w układach biologicznych. Zdolność metaloporfiryn do wiązania gazów została wykorzystana do konstruowania sensorów zbudowanych z filmu porfiryny na powierzchni metalu lub półprzewodnika. Porfiryny znalazły również zastosowanie przy wytwarzaniu nowoczesnych baterii słonecznych i w katalizie chemicznej. Rola jaką porfiryny odgrywają w procesie fotosyntezy, jak również w nowoczesnych ogniwach słonecznych, wiąże się z intensywną absorpcją promieniowania widzialnego przez te cząsteczki. Wiele prostych związków kompleksowych zawdzięcza swą barwę przejściom elektronowym z udziałem elektronów d metalu. Przejścia między orbitalami d są wzbronione ze względu na symetrię i charakteryzują się małą intensywnością. Inaczej ma się rzecz z kompleksami porfirynowymi, których widma absorpcyjne są zdominowane przez intensywne pasma odpowiadające przejściom π π* w ligandzie porfirynowym. Widma elektronowe porfiryn W widmie absorpcji porfiryny wyróżnia się intensywne pasmo Soreta (zwane inaczej pasmem B), położone przy ~ 400 nm. Przy większych długościach fali (450-700 nm) występują pasma Q (rys.2). pasmo Soreta Absorbancja pasma Q β α 400 λ (nm) 600
Rys. 2 Typowe widmo absorpcji porfiryny (H 2 -P). Według modelu Goutermana zasadnicze cechy widm porfiryn można wyjaśnić posługując się modelem czterech orbitali molekularnych: HOMO-1, HOMO, LUMO i LUMO+1. 1 Są to orbitale typu π makrocyklu. Schemat energii tych orbitali jest przedstawiony na rys. 3. Orbitale oznaczone są symbolami wynikającymi z ich symetrii. 2 E b 3g (π*) b 2g (π*) e g (π*) b 1u (π) b 3g (π) a u (π) a 2u (π) a 1u (π) b 1u (π) H 2 -TPP Zn II (TPP) Rys. 3 ajwyższe zapełnione (HOMO) i najniższe nieobsadzone orbitale molekularne (LUMO) H 2 TPP i Zn(TPP) wg. Goutermana.(niektóre orbitale zostały pominięte). Zmiana symetrii z D 2h na D 4h prowadzi do pojawienia się degeneracji LUMO i zmniejszenia ilości pasm Q w widmie UV-vis 1 HOMO = eneretycznie najwyższy obsadzony orbital molekularny; LUMO = energetycznie najniższy nieobsadzony orbital molekularny 2 orbitale niezdegenerowane są oznaczane symbolami a, b...; litera a oznacza, że orbital jest symetryczny względem obrotu wokół głównej osi symetrii, b orbital antysymetryczny względem obrotu wokół tej osi; orbitale zdegenerowane oznaczamy literą e, indeks g oznacza, że orbital jest symetryczny względem środka symetrii (parzysty), natomiast u, że jest antysymetryczny (nieparzysty) Zwróć uwagę na fakt, że porfina ma środek symetrii
Stan singletowy o najniższej energii, S 0, jest utworzony z omówionych wyżej orbitali molekularnych. Stan wzbudzony o konfiguracji (a 2u ) 1 (e g ) 1 powstaje przez przejście jednego elektronu z orbitalu a 2u na orbital e g (π*). Podobnie wzbudzony stan singletowy o konfiguracji (a 1u ) 1 (a 2u ) 2 (e g ) 1 powstaje przez przejście jednego elektronu z orbitalu a 1u na orbital e g. Te stany singletowe mieszają się w zbliżonych proporcjach dając dwa nowe (wzbudzone) stany singletowe, S 1 i S 2 (rys. 4). Im bliższe (energetycznie) są sobie stany o konfiguracjach (a 2u ) 1 (e g ) 1 i (a 1u ) 1 (a 2u ) 2 (e g ) 1 tym ich mieszanie jest bardziej efektywne Przejście elektronowe do (mieszanego) singletowego stanu wzbudzonego o wyższej energii (stanu S 2 ) jest przejściem dozwolonym, natomiast przejście do stanu wzbudzonego o niższej energii (stanu S 1 ) jest w mniejszym stopniu dozwolone. Stąd intensywność pasma absorpcji odpowiadająca temu drugiemu przejściu jest mniejsza. Intensywne pasmo absorpcji (~400 nm) odpowiadające przejściu S 0 S 2 nazywamy pasmem Soreta lub pasmem B. atomiast położone przy większej długości fali słabsze pasmo absorpcji, związane z przejściem do stanu S 1, określamy jako pasmo α lub pasmo Q. Im silniejsze mieszanie stanów tym względna intensywność pasma α (względem pasma Soreta) jest mniejsza....(a 1u ) 1 (a 2u ) 2 (e g ) 1 S 2...(a 1u ) 2 (a 2u ) 1 (e g ) 1 S 1 pasmo α (Q) pasmo Soreta (B)...(a 1u ) 2 (a 2u ) 2 S 0 Rys.4 Schemat stanów elektronowych cząsteczki porfiryny i przejść odpowiedzialnych za absorpcję w zakresie widzialnym. W widmie absorpcyjnym porfiryn przy nieco krótszej fali niż pasmo α występuje również pasmo wibronowe β. Pasmo to odpowiada wzbudzeniu z zerowego poziomu oscylacyjnego stanu podstawowego S 0 na wzbudzony oscylacyjnie poziom stanu S 1 (Rys. 5). To pasmo wibronowe może pełnić rolę normalizacyjną w widmach porfiryn, w tym sensie, że względna intensywność pasma α względem pasma β jest miarą odległości energetycznej orbitali a 2u i a 1u. Można to wyjaśnić następująco: Jeśli energie orbitali a 2u i a 1u są bardzo zbliżone, wówczas stopień mieszania stanów (a 2u ) 1 (e g ) 1 i (a 1u ) 1 (a 2u ) 2 (e g ) 1 jest bardzo duży,
co będzie miało mały wpływ na pasmo β ale, jak wspomniano wyżej, spowoduje znaczne zmniejszenie intensywności pasma α i stosunek intensywności pasm α/β będzie mały. atomiast jeśli odległość energetyczna między orbitalami a 1u i a 2u będzie bardzo znaczna, wtedy pasmo α nie ulegnie osłabieniu i stosunek intensywności pasm α/β będzie relatywnie duży. S 2 S 1 S 0 β α pasmo Soreta Rys.5. Przejścia wibronowe odpowiedzialne za powstawanie pasm α i β w widmach porfiryn.
Hipsoporfiryny Jak wspomniano, za absorpcję światła przez porfiryny odpowiada głównie układ elektronów π w pierścieniu. Obecność metalu prowadzi jednak do pewnych modyfikacji w widmie, świadczących o oddziaływaniu elektronów d metalu z orbitalami π pierścienia. Siła tego oddziaływania zależy od ilości elektronów d. Z tego punktu widzenia można wyróżnić dwie grupy metaloporfiryn: 1. "ormalne" metaloporfiryny, zawierające zamkniętopowłokowe jony metalu (czyli d 0 lub d 10 ), przykładem których może być Zn II (TPP). W tych kompleksach jon metalu ma mały wpływ na widma absorpcyjne, gdyż orbitale o symetrii d π, czyli orbitale d xz i d yz, mają małą energię i nie oddziałują z orbitalami π* liganda porfirynowego. 2. Tzw. hipsoporfiryny, w których jony centralne mają konfigurację d 6 do d 9. W tych kompleksach zachodzi dość silne oddziaływanie orbitali d π z orbitalem π* liganda (zwane też wiązaniem zwrotnym π) powodujące wzrost energii tego orbitalu (rys. 6). W efekcie rośnie przerwa energetyczna między orbitalami π i π* i pasmo absorpcji jest obserwowane przy krótszej fali, czyli występuje przesunięcie hipsochromowe. orbital d π metalu orbital π makrocykla porfirynowego π d x 2 -y 2 d z 2 E d xz d yz π d xy Rys. 6. Oddziaływanie orbitalu d π (d xz, d yz, oś z prostopadła do płaszczyzny pierścienia) z układem elektronów π porfiryny. Mieszanie orbitali π* i d występujące w hipsoporfirynach prowadzi do zaniku fluorescencji. Ten brak flourescencji jest charakterystyczną cechą hipsoporfiryn. Porfina i porfiryny, jeśli nie mają objętościowych podstawników, są na ogół związkami trudno rozpuszczalnymi, na skutek asocjacji wywołanej oddziaływaniami π π między makrocyklami. Do porfiryn dobrze rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych
należą oktaetyloporfiryna i mezo-tetrafenyloporfiryna (H 2 -TPP), jak również metaloporfiryny - pochodne tych związków. Synteza mezo-tetrafenyloporfiryny (H 2 -TPP) Kolbę kulistą na 100 ml zaopatrzoną w chłodnicę z płaszczem wodnym instaluje się w czaszy grzejnej. Do kolby wlewa się 50 ml kwasu propionowego i doprowadza ciecz do wrzenia (~ 141 C). Za pomocą pipety wielomiarowej do kolby dodaje się 0,4 ml benzaldehydu a następnie z (innej ) pipety 0,16 ml pirolu. 34 Zawartość kolby zabarwia się na pomarańczowo, a następnie ciemnieje w miarę postępu reakcji do zabarwienia ciemnobrązowego. Mieszaninę ogrzewa się do wrzenia pod chłodnicą zwrotną w sumie przez 30 min. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej zawartość kolby wylewa się do kolbki stożkowej na 100 ml zawierającej 30 ml metanolu. Za pomocą następnych 10 ml metanolu wymywa się pozostałość z kolby reakcyjnej. astępnie połączone roztwory w kolbie stożkowej chłodzi się, mieszając, w łaźni z lodem. Pocierając ściankę kolby bagietką indukuje się krystalizację produktu reakcji. Proces krystalizacji zachodzi w ciągu 20-30 min. Ciemnofioletowe kryształy H 2 -TPP odsącza się na małym lejku Büchnera lub lejku piankowym. Kryształy przemywa się trzema kilkumililitrowymi porcjami metanolu, później kilkakrotnie gorącą wodą destylowaną, i na koniec znów metanolem, następnie suszy się w lejku filtracyjnym przepuszczając powietrze. Gdy sączek (w lejku Büchnera) wyschnie przenosi się go wraz z zawartością na szalkę Petriego i przechowuje się do następnych zajęć. Przybliżona wydajność produktu wynosi 50 mg. Zn II (TPP) ~3 mg H 2 (TPP) rozpuszcza się w 10 ml dimetyloformamidu (DMF) w 50 ml kolbce ze szlifem.do kolbki należy wrzucić jeden czysty kawałek porcelanki. astępnie dodaje się 20 mg bezwodnego ZnCl 2, naczynie reakcyjne zaopatruje się w chłodnicę i łagodnie ogrzewa do wrzenia przez 30 min. Otrzymany roztwór, po ostudzeniu, można rozcieńczać DMF celem otrzymania widma w zakresie widzialnym. i II (TPP) Do syntezy potrzebny jest bezwodny chlorek niklu., który w odróżnieniu od zielonego hydratu icl 2 6H 2 O jest żółty. Synteza i II (TPP) przebiega z użyciem 20 mg bezwodnego icl 2 analogicznie jak synteza Zn II (TPP). Badania spektroskopowe Widma absorpcji ależy wykonać widma widzialne w zakresie 450 do 900 nm roztworów H 2 (TPP), TPP 2-, 5 Zn II (TPP) i i II (TPP) w DMF (o stężeniu ~0,1 mg/ml). Jeśli intensywność pasm Q przekracza 1,5 należy roztwór rozcieńczyć za pomocą DMF. ależy zanotować λ max pasm absorpcji i wartość absorbancji dla każdego z nich. astępnie otrzymaj widma w zakresie 300 do 900 nm celem zmierzenia pasma Soreta. Roztwory rozcieńczamy tak, aby intensywność pasma Soreta (B) była mniejsza niż 1,5. Odnotowujemy położenie pasma Soreta i mierzymy intensywności każdego z pasm absorpcji. Fluorescencja - proste próby jakościowe 4 Pirol powinien być pobrany ze świeżo otwartego pojemnika lub destylowany pod zmniejszonym ciśnieniem (30-40 mm Hg) przynajmniej kilka dni przed syntezą. 5 roztwór ten otrzymuje się przez zalkalizowanie roztworu H 2 (TPP)
Można sprawdzić czy te same roztwory fluoryzują. Prostą, jakościową próbę najlepiej przeprowadzić w ciemnym pomieszczeniu naświetlając roztwory lampą UV. H 2 (TPP) i Zn II (TPP) fluoryzują, natomiast i II (TPP) nie fluoryzuje. UWAGA a fluorescencję duży wpływ wywiera obecność tlenu. Dlatego dokładniejsze badania fluorescencji wymagają stosowania roztworów odtlenionych. Widma fluorescencji (na fluorymetrze) Zarejestruj widma wzbudzenia i emisji odtlenionych roztworów H 2 TPP, TPP 2-, Zn(TPP) i i(tpp) używając pasma Soreta i pierwszego pasma Q. Roztwory umieszczone w kuwecie odtlenia się przepuszczając azot przez ~ 3 minuty. Dla Zn(TPP) otrzymaj również widma wzbudzenia i emisji roztworu nieodtlenionego. Oblicz stężenia używanych roztworów, korzystając ze znanych wartości absorpcyjności molowej (molowego współczynnika ekstynkcji/absorpcji), znajdujących się w tabeli na końcu opisu ćwiczenia. Korzystając z otrzymanych danych, utwórz tabelę (według poniższego wzoru) dla widm absorpcji dla każdego związku, zawierającą zarówno położenia wszystkich pasm jak absorpcyjności molowe (molowe współczynniki ekstynkcji). Oznacz każde pasmo odpowiednią nazwą nawiązującą do przejścia elektronowego (konfiguracja i typ, np. 2e g a 1u, Soret) "azwa porfiryny" λ max (nm) ν (cm -1 ) E* (kj/mol) ε (cm -1 dm 3 mol -1 ) przejście elektronowe (dominujące) nazwa np. 400 25000 299.... 2e g a 1u Soret.............................. * 1 cm -1 = 11,96 J/mol; 1 ev/cząsteczkę = 96,5 kj/mol Przedyskutuj różnice między widmami absorpcji H 2 TPP, TPP 2- i Zn(TPP). Jakie zmiany powoduje deprotonacja lub metalacja? Czym różnią się widma absorpcji Zn(TPP) and i(tpp)? Jak można te różnice wytłumaczyć? (Ile elektronów d mają jony i 2+ i Zn 2+?) Porównaj ilość pasm w widmach Zn(TPP), TPP 2- i H 2 -TPP? Wyjaśnij zaobserwowane różnice, pamiętając o generalnej zasadzie obowiązującej w spektroskopii odnoszącej się do symetrii cząsteczki: większa symetria prowadzi do prostszego widma. Jakie elementy symetrii ma cząsteczka H 2 -TPP a jakie mają Zn(TPP), TPP 2-. Zamień długości fali każdego pasma w widmach H 2 TPP, Zn(TPP) i i(tpp) na cm -1 i kj/mol (tabele). Podobnie, korzystając z załączonego diagramu zamień energie HOMO-1, HOMO, LUMO i LUMO+1 (wyniki obliczeń teoretycznych) z ev na kj/mol. 1 ev/cząsteczkę = 96,5 kj/mol. Model Goutermana sugeruje, że obserwowane pasma absorpcji odpowiadają przejściom 2e g a 1u i 2e g a 2u. Czy obserwowane energie dobrze odpowiadają wartościom teoretycznym (poziom teorii AM1)? Patrz diagram zamieszczony na końcu dokumentu. Z wartości absorbancji pasm α i β wyznacz ilorazy intensywności α/β. Porównaj te wartości dla różnych związków i na tej podstawie określ jak metalacja wpływa na energie orbitali a 1u i a 2u. Dlaczego roztwory i(tpp) nie wykazują luminescencji?
Orbitale molekularne porfiryn (poziom teorii AM1) e g LUMO e g Energia (ev) a 2u a 2u HOMO i HOMO-1 a 1u a 1u H 2 -porfiryna Zn(porfiryna) e g a 1u a 2u
Molowe współczynniki absorpcji wybranych metaloporfiryn w toluenie. (Metalo)porfiryna Masa molowa Długość fali (nm), pasmo Soreta Molowy współczynnik absorpcji (mm -1 cm -1 ) H 2 TPP 614.74 418 444 i II (TPP) 673.44 414 177 VO II (TPP) 681.68 424 528 Cu II (TPP) 678.29 416 480 Zn II (TPP) 678.11 423 573 Materiały źródłowe:.s.foster i współautorzy, Organic Geochemistry Vol. 33 (2002) strony 907-919 oraz internet: essex.ac.uk/guest/organix/products/p0/tetraphenyporhyrins.htm