к.х.н. А. Удальцов Научные интересы: фотосинтетические модельные системы, фотохимическое разложение воды
Введение. Растительный мир покрывает огромную территорию земного шара, но растения и водоросли используют лишь незначительную часть солнечной энергии, падающей на земную поверхность. Поэтому только очень малая доля энергии солнца утилизируется флорой для жизнедеятельности всех живых организмов, а солнце остается одним из основных источников энергии, еще не освоенных человечеством. Процессы трансформации энергии света в биологических системах осуществляются в фотосинтетическом аппарате растений и высших водорослей, где вода используется в качестве источника протонов и электронов для синтеза органических веществ. Искусственные фотосинтетические системы, моделирующие различные стадии фотосинтеза, являются в последние годы объектом интенсивных исследований с целью преобразования солнечной энергии в экологически чистые виды топлива [5-7]. Одна из главных проблем искусственного фотосинтеза в настоящее время – это фотоокислительное разложение воды. В растениях и высших водорослях процессы разложения воды осуществляются в фотосистеме II, где основным функциональным элементом является марганцевое ядро, состоящее из четырех атомов Mn и входящее в так называемый кислород-выделяющий комплекс [10]. Однако многие вопросы, касающиеся механизма процесса окисления в фотосистеме II, остаются пока не ясными несмотря на интенсивные исследования в этой области. Поэтому имитация процессов разложения воды в химических системах представляет интерес как для понимания механизмов окисления воды, так и для разработки искусственной системы с целью освоения дешевого источника энергии. Химические системы для имитации фотосинтетического разложения воды обычно конструируют на основе комплексов пигментов, комбинированных с би- или полиядерными комплексами марганца [7-10]. В отличие от синтетических комплексов, применяющихся с этой целью в большинстве лабораторий мира, наш подход основан на использовании уникальных свойств воды, благодаря которым вода играет важную роль в функционировании организованных молекулярных систем, таких, как мультиферментные системы или пигмент-белковые комплексы. Исследования фактически проводятся на уровне мультимолекулярных ансамблей, когда основную роль в организации структуры ансамбля играют кооперативные свойства воды и взаимодействия между водой и пигментом [15]. При таком подходе к проблеме имитации разложения воды удается избежать некоторых сложностей в конструировании системы, поскольку структура воды интегрируется с пигментным аппаратом. На этих принципах исследования была сконструирована модельная система нового типа, характерной чертой которой является самоорганизация структуры донорно-акцепторного комплекса в результате фотореакции [14]. Этот тип модельных систем фактически позволяет создавать комбинированные комплексы, содержащие ионы марганца в кластеризованном состоянии, и ориентированные на использование воды в качестве источника протонов и электронов, например, для синтеза молекулярного водорода. В связи с этим молекулярные основы для формирования таких модельных систем были предметом настоящего исследования. В настоящей статье представлены результаты исследования структуры и свойств комплексов, образующихся между водой и порфирином в димерном состоянии, а также более сложных комплексов, образующихся при комбинировании водно-порфириновых и амин-марганцевых комплексов с помощью абсорбционно-люминесцентной, ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Экспериментальная часть. Синтез порфиринов, мезо-тетрафенилпорфина (ТФП) и мезо-тетра(п-аминофенил)порфина (ТАФП) проводили в соответствии с методиками, описанными ранее [9]. Диметилформамид (ДМФ), тетрагидрофуран (ТГФ) и другие органические растворители дополнительно очищали по общепринятым методикам [1]. Фотореакцию, инициирующую перестройку донорно-акцепторного комплекса на основе ТАФП и триэтиламин-марганцевого комплекса, проводили при облучении в течение 20 мин с непрерывным изменением длины волны возбуждающего света начиная с красного (700 нм) и заканчивая ближним ультрафиолетовым светом (300 нм). Подробно условия эксперимента описаны в [14]. Электронные спектры растворов порфиринов получали на спектрофотометре Specord M-40. Спектры эмиссии снимали на спектрофлуориметре, собранном на кафедре физико-химической биологии Биологического факультета МГУ для измерения люминесценции синглетного кислорода. Возбуждение флуоресценции осуществляли монохроматическим светом в область полосы Соре с полушириной 12 нм. ИК-спектры порфиринов в тонких пленках, приготовленных на пластинах CaF2, регистрировали на спектрофотометре Specord M-80. Приготовление тонких пленок порфиринов подробно описано в других работах [13, 15]. Микрофотографии агрегатов протонированного ТФП получали с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-520. Тонкие пленки для электронной микроскопии приготовляли путем испарения растворителя под действием теплого потока воздуха. Для получения агрегатов, стабильных в условиях вакуума, обычно проводили два-три наслоения. Способ напыления образца, т.е. время напыления и величину тока подбирали таким образом, чтобы толщина слоя металла была около 150 Е. Для напыления был использован сплав платины и палладия. Все измерения проводили при температуре 298 K. Результаты и обсуждение. Агрегация протонированного ТФП в водно-органических растворах с образованием крупномасштабных ансамблей молекул наблюдается при повышенных концентрациях порфирина (с больше 5 ґ 10–5 м/л). Напротив, при малых концентрациях раствор выглядит гомогенным. В этом случае в спектре поглощения наблюдаются три полосы Соре с lmax = 403, 437 и 465 нм (рис. 1, кривая 1), которые соответствуют ди-протонированному димеру (lmax = 437 нм), а две другие – двум моно-протонированным формам димера, отличающимся конфигурацией [3]. В случае средних и высоких концентраций порфирина спектры поглощения существенно изменяются: интенсивность полосы Соре с lmax = 437 нм значительно падает и при высоких концентрациях (с больше 1,4 ґ 10–4 м/л) данная димерная форма в растворе присутствует в очень незначительном количестве, поскольку обнаруживается в спектре в виде плеча (кривая 2). Такие растворы имеют сильную опалесценцию и обычно содержат мелко диспергированные частицы, заметные даже визуально. В отличие от ТФП, его аминопроизводные сильно ассоциированы не только в водно-органических растворах, но даже в органических растворителях. В спектре мезо-тетра(п-аминофенил)порфина (ТАФП) (кривая 3) наблюдают широкую полосу Соре с lmax = 435 нм и три полосы в области квази-запрещенных электронных переходов в отличие от структуры мономерного ТФП, состоящей из четырех полос в этой области. Таким образом, спектры протонированного ТФП в агрегированном состоянии существенно отличаются по характеристикам от спектра ТАФП, ассоциированного в растворе. Вообще говоря, в димере ТФП возможны лишь две основных ориентации, когда дипольные моменты перехода в возбужденное состояние в соседних молекулах параллельны или антипараллельны. В первом случае энергия возбужденного состояния по сравнению с мономером увеличивается на величину DE, а во втором – уменьшается на такую же величину вследствие экситонных взаимодействий. Однократное протонирование порфиринового макроцикла обычно дестабилизирует его электронную структуру, которая однако, может быть стабилизирована за счет координации соседней молекулы порфирина через молекулы воды с образованием водородных связей [12]. Следует иметь ввиду, что для безметальных порфиринов известно такое явление как NH-таутомерия, когда возможны переходы между cis и trans NH-таутомерами, в которых атомы водорода находятся в cis- или trans-конфигурации соответственно. Стабильным состоянием является trans-таутомер, поэтому наиболее стабильный моно-протонированный димер порфирина также должен иметь trans NH-таутомерную конфигурацию, а дипольные моменты перехода в его соседних молекулах антипараллельны. Эта наиболее стабильная димерная форма порфирина (рис. 2) имеет полосу Соре с lmax = 465 нм и полосу в красной области спектра с максимумом при 694 нм. Первоначально, похожая структурная формула была предложена на основе анализа колебательной динамики димерных форм ТФП [12]. Однако она не учитывала влияния экситонных взаимодействий на стабилизацию структуры димера в возбужденном состоянии, поскольку спектры резонансного комбинационного рассеяния света были получены для основного состояния, но не возбужденного. Более поздние результаты показали наличие двух энергетических уровней в возбужденном состоянии для разных по характеристикам моно-протонированных димеров ТФП [11]. В связи с этим ориентация молекул порфирина в димере и дипольных моментов перехода в структуре (рис. 2) изменена. Таким образом, данная структурная формула согласуется как с колебательными характеристиками димера, так и с его характеристиками в возбужденном состоянии. Агрегаты протонированного ТФП в тонких пленках обнаруживаются с использованием сканирующей электронной микроскопии как геометрические фигуры правильной и неправильной формы (рис. 3). Форма и размеры агрегатов варьируют от условий приготовления тонкой пленки (использованного органического растворителя, концентрации порфирина и т.д.), но обычно размеры находятся в пределах от одного до нескольких микрометров. В тонких пленках, приготовленных в отсутствие порфирина в растворе, никаких агрегатов не обнаружено. Агрегаты (рис. 3) очень не стабильны и легко разрушаются при нагревании или хранении при комнатной температуре. Как следует из результатов, представленных в этой статье и опубликованных ранее [15], данные крупномасштабные агрегаты порфирина являются организованными мультимолекулярными ансамблями и образуются из димерных форм протонированного ТФП в результате самосборки в водно-органических растворах. ИК-спектры агрегатов протонированного ТФП в тонких пленках показывают, что данные агрегаты в основном состоят из воды (рис. 4, кривая 1). Весовое содержание порфирина согласно оценкам концентраций воды и порфирина в тонких пленках составляет 5-7 % общего веса пленки. В ИК-спектре пленки наблюдают сильные полосы валентных и деформационных колебаний O-H связей воды и очень слабые полосы порфирина. Интересно, что для валентных и деформационных колебаний воды отмечают расщепление полос поглощения, что является редким явлением, поскольку вода обычно ведет себя как единая система благодаря тетраэдрической сетке водородных связей. Только в инертном растворителе можно наблюдать подобное расщепление полос. Однако, в данном случае в водно-порфириновой системе присутствуют связанные с порфирином протоны, которые изменяют характер донорно-акцепторных взаимодействий так, что все молекулы воды распределяются на две группы: протон-донирующие и протон-акцептирующие молекулы с максимумами полос в области деформационных колебаний при 1632 и 1610 см-1 соответственно. Хотя следует отметить, что в данном случае молекулы воды, в особенности донирующие протон, имеют несколько иную частоту по сравнению с частотой, наблюдаемой для протон-донирующих молекул воды (n2 = 1618 см-1) [6]. Различная интенсивность полос в области деформационных колебаний воды позволяет сделать ряд существенных замечаний, а именно, отнести более интенсивную составляющую дублета валентных колебаний при 3512 см-1 к протон-акцептирующим молекулам, а менее интенсивную при 3457 см-1 – к протон-донирующим молекулам воды. Хотя обычно составляющие дублета валентных колебаний воды относят к антисимметричным и симметричным колебаниям O-H связей [6]. Однако в случае воды, связанной в агрегатах порфирина, поведение воды объясняется стремлением ее структуры делокализовать заряды, присутствующие на молекулах порфирина, откуда вытекает и соответствующая интерпретация. В ИК-спектре (кривая 1) также наблюдается полоса при 2136 см-1, отсутствующая в ИК-спектре ассоциированного ТАФП, в тонкой пленке которого воды содержится очень мало. Причем в этом случае наряду с водой, которую характеризует полоса при 1653 см-1, в пленке присутствует органический растворитель (диметилформамид), о чем свидетельствует полоса при 1667 см-1. Следует отметить, что для невозмущенных молекул воды в жидком состоянии полоса деформационных колебаний сохраняет свои характеристики постоянными и ее наблюдают при 1645 ± 5 см-1 [2]. В отличие от спектра протонированного ТФП, демонстрирующего слабые полосы порфирина при 3220 и 1484 см-1, в ИК-спектре ТАФП полосы порфирина являются более интенсивными, чем растворителя (кривая 2). Наиболее интенсивными оказываются полосы при 1618 и 1604 -1, связанные с колебаниями боковых аминогрупп фенильных колец, которые сильно гидратированы, поскольку пик при 1618 см-1 формируется в большей степени благодаря вовлечению молекул воды в сольватную оболочку ассоциированного порфирина [13]. Свойства ТАФП в тонких пленках подробно описаны ранее [4, 13]. Здесь же следует отметить, что, несмотря на различие спектров протонированного ТФП и ассоциированного ТАФП, взаимодействие данных порфиринов с водой оказывается сходным. Об этом свидетельствуют вышеупомянутые полосы деформационных колебаний воды и валентных колебаний (nN-H) пиррольных колец порфирина, частоты которых совпадают для обоих порфиринов, nN-H = 3220 см-1. Таким образом, данные результаты показывают, что структура ассоциата ТАФП образуется аналогично структуре димера протонированного ТФП, а именно, координация соседних в ассоциате молекул порфирина осуществляется через молекулы воды с образованием водородных связей. Сходный характер взаимодействия между водой и порфирином, обнаруженный для разных порфиринов, предполагает возможность вовлечения воды в структуру более сложных комплексов. Поэтому была предпринята попытка скомбинировать два различных комплекса, один из которых основан на порфирине в ассоциированном состоянии и включает воду в свою структуру. Другой является донорно-акцепторным комплексом, образованным между алифатическим амином и хлоридом марганца. Последний комплекс содержит марганец в кластеризованном состоянии, т.е. по крайней мере, биядерные ансамбли марганца. Согласно предыдущим результатам [11], мы полагаем, что для реализации фотохимического разложения воды необходима некая стадия активации, которую можно осуществить при действии света и сформировать фотоактивный комплекс. Эта попытка комбинации двух комплексов оказалась успешной при инициации фотореакции красным светом [14], т.е. в полосу поглощения донорно-акцепторного комплекса, образованного водой и аминопорфирином. Результатом фотореакции было кардинальное изменение структуры комплекса с образованием нового, комбинированного комплекса. Из спектра поглощения комбинированного комплекса (рис. 5, кривая 1) видно, что мы имеем дело с комплексом совершенно другой структуры (ср. со спектром, кривая 2). Данный комплекс (кривая 1) состоит из мономера ТАФП с lmax = 417 нм, координированного с димером ТАФП (lmax = 467 нм), который взаимодействует с ионами марганца при внеплоскостной их координации, в результате чего формируется новое низколежащее состояние с широкой и интенсивной полосой поглощения при 778 нм. Следует отметить, что по предварительным оценкам степень ассоциации порфирина в спектре (кривая 2) близка к состоянию тримера. Принимая во внимание вышеизложенные результаты по структуре димеров ТФП, предполагаемая структура комбинированного комплекса может быть изображена следующим образом (рис. 5, вставка). Данная структурная формула содержит основные компоненты, участвующие в формировании комплекса, тогда как координационные оболочки 4-ядерного ансамбля марганца (III) не показаны, чтобы упростить рисунок. Следует отметить, что в состоянии комплекса с алифатическим амином марганец(II) переходит в ЭПР-неактивную форму, вероятнее всего Mn(III), спин которого составляет 5/2, и не регистрируется при обычных условиях измерения. Таким образом, в результате фотореакции, инициируемой красным светом, происходит перестройка структуры исходного водно-порфиринового комплекса с вовлечением новых компонентов и образованием новой структуры комплекса, включающего в себя поли-ядерный ансамбль марганца. Селективное возбуждение комбинированного комплекса (см. его спектр на рис. 5, кривая 1) дает совершенно различные спектры флуоресценции (рис. 6). При возбуждении в полосу мономерного ТАФП (lex = 403 нм) обнаруживается спектр флуоресценции мономера (lmax = 655 и 718 нм) и слабое свечение в области с lmax =890 нм (кривая 2). Напротив, при возбуждении в полосу димера ТАФП (lex = 465 нм) наблюдается сильная флуоресценция с lmax = 890 нм и очень слабая флуоресценция мономера порфирина (кривая 3). Данное ближнее ИК-свечение (с lmax = 890 нм) имеет зеркальную симметрию со спектром поглощения комбинированного комплекса (lmax = 778 нм). Причем обе полосы, и поглощения и эмиссии – широкие, что характерно для донорно-акцепторных комплексов. Энергия данного низколежащего возбужденного состояния составляет 1.5 эВ (оценка по 0-0 электронному переходу), следовательно данный комплекс может быть ловушкой электронного возбуждения. Однако, дальнейшее осуществление процесса фотохимического разложения воды в данном случае заблокировано отсутствием необходимых переносчиков, в результате чего наблюдается сильная флуоресценция комбинированного комплекса, т.е. дезактивация возбужденного состояния излучательным путем. Таким образом, изучение путей деградации энергии возбуждения показывает, что мономер и димер ТАФП находятся на небольшом удалении друг от друга и скорее всего координированы через какой-либо компонент комбинированного комплекса. Особенности представленных здесь спектров предполагают, что интенсивное свечение в ближней ИК-области является флуоресценцией комбинированного донорно-акцепторного комплекса, включающего в себя полиядерный ансамбль марганца. Заключение. Результаты, представленные в данной работе, показывают, что самоорганизация донорно-акцепторных систем в результате осуществления фотореакции основана на вовлечении воды во взаимодействие с порфирином. Сходное взаимодействие между водой и протонированным ТФП наряду с кооперативными свойствами воды приводят к образованию упорядоченных агрегатов порфирина с размерами от одного до нескольких микрометров, т.е. фактически самосборке в основном из двух типов димеров с разной конфигурацией. Сходство взаимодействия вода-порфирин в агрегатах протонированного ТФП и ассоциатах ТАФП обнаруживается по их ИК-спектрам. Хотя структура и механизм образования амин-марганцевых комплексов еще не исследованы, однако трансформация кластеризованного Mn(II), по-видимому, в Mn(III) в составе комплекса а также промежуточные продукты, стабильные в течение нескольких дней [14], предполагают вовлечение воды в процессы ее фотоокислительного разложения. Таким образом, данные результаты создают основу для фундаментальных исследований в области искусственных фотосинтетических систем с целью преобразования солнечной энергии в дешевые источники, такие, как молекулярный водород или электрическая энергия. ЛИТЕРАТУРА 1. Гордон А., Форд Р. Спутник химика / Под ред. Е.Л. Розенберга, С.И. Коппель. М.: Мир, 1976. 437 c. 2. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М.: изд-во МГУ, 1987. 170 с. 3. Удальцов А.В. Абсорбционная и люминесцент-ная спектроскопия ограниченно протонированных димерных форм порфирина // Биохимия, 1997. Т. 62. С. 1197-1205. 4. Удальцов А.В., Казарин Л.А. Влияние воды на спектральные свойства ассоциатов порфирина в тонких пленках // Биохимия, 1996. Т. 61. С. 496-504. 5. Энергетические ресурсы сквозь призму фотохимии и катализа / Под ред. А.Е. Шилова, К.И. Замараева. М.: Мир, 1986. 629 с. 6. Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М.: Наука, 1973. 206 с. 7. Bilsel O., Rodriguez J., D. Holten. Picosecond relaxation of strongly coupled porphyrin dimmers // J. Phys. Chem., 1990. Vol. 94. P. 3508-3512. 8. Binuclear ruthenium-manganese complexes as simple artificial model for photosystem II in green plants / Sun L., Berglund H., Davydov R. et al. // J. Am. Chem. Soc., 1997. Vol. 19. P. 6996-7004. 9. Fuhrhop J.-H., Smith K.M. Laboratory methods // Porphyrins and Metalloporphyrins / Ed. K.M. Smith. Amsterdam: Elsevier, 1975. P. 869. 10. Messinger J., Nugent J.H.A., Evans M.C.W. Detection of an EPR multilane signal for the So* state in photosystem II // Biochem., 1997. Vol. 36. P.11055-11060. 11. Udal’tsov A.V. Initial steps of photosynthetic water splitting by associates of porphyrin // J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1999. Vol. P. 130 21-33. 12. Udal’tsov A.V., Churin A.A. Molecular complexes between dimeric forms of porphyrin and water and their vibrational dynamics // Internet Photochem. Photobiol., 1998 (http://www.photobiology.com/IUPAC98/Udaltsov/index.htm). 13. Udal’tsov A.V., Kazarin L.A. Stabilization of donor-acceptor complexes formed by associated porphyrins in thin films // J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1996. Vol. 96. P. 99-107. 14. Udal’tsov A.V., Kovalev Yu.V. Photoinduced self-organization of donor-acceptor complex intended for oxidative splitting of water // J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2000. Vol. 135. P. 93-202. 15. Udal’tsov A.V., Kazarin L.A., Sweshnikov A.A. Self-assembly of large-scale aggregates of porphyrin from its dimers and their absorption and luminescence properties // J. Mol. Struct., 2001. Vol. 562. P. 227-239.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 4515 посещений с 10.10.2001 |