Активность порфиринов металлов, содержащих антиоксидантные 2,6-ди-трет-бутилфенольные заместители, в процессе окисления углеводородов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Химический факультет

На правах рукописи

Герасимова Ольга Алексеевна

АКТИВНОСТЬ ПОРФИРИНОВ МЕТАЛЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ АНТИОКСИДАНТНЫЕ 2,6-ДИ-7У£Т-БУТИЛФЕНОЛЬНЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ, В ПРОЦЕССЕ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

02.00.08 - химия элементоорганическнх соединений 02.00.03 - органическая химия

г з мап ш

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2013

005060098

Работа выполнена на кафедре органической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: Мнлаева Елена Рудольфовна,

доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Федорова Ольга Анатольевна,

доктор химических наук, профессор (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт

элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова Российской академии наук», зав. лабораторией)

Грин Михаил Александрович, доктор химических наук (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный

университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова», профессор)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических

соединений» (ФГУП ГНИИХТЭОС)

Защита диссертации состоится 29 мая 2013 г. в II00 на заседании Диссертационного Совета Д 501.001.69 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, Химический факультет, д. 1, стр. 3, ауд. 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 26 апреля 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Т.В. Магдесиева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Порфирины входят в состав большого числа биохимических систем, их синтетические аналоги применяются в фармакологии и медицине. Так, например, РАо/сиои, Рйо/оЛе/и используются в фотодинамической терапии опухолевых заболеваний; синтетические порфирины железа и марганца (АЕОЬ 10150) как миметики супероксиддисмутазы проходят клинические испытания в качестве препаратов для борьбы с окислительным стрессом. Липофильные свойства свободных оснований порфиринов и их комплексов с различными металлами обеспечивают накопление этих соединений в липидном бислое клеточных мембран и транспорт в клетки живых организмов.

Однако структурное и функциональное сходство синтетических металлопорфиринов с активными центрами гемовых оксигеназ обусловливает их каталитическую активность в реакциях окисления органических субстратов. В результате, использование порфиринов, например, в качестве сенсибилизаторов в терапии и диагностике опухолевых заболеваний осложняется неконтролируемыми побочными процессами окисления важных биологических субстратов - компонентов белков, ДНК и липидов. В связи с этим возникает необходимость создания новых синтетических порфиринов с управляемой оксигеназной активностью. Данная задача может быть решена в результате получеши полифункциональных систем, в которых органическое лигандное окружение металла обеспечивает анти- или прооксидантное действие порфиринов металлов. К таким системам относятся порфирины, содержащие в качестве периферийных органических заместителей антиоксидантные фрагменты 2,6-диалкилфенолов.

Цель работы. Целью работы является направленный синтез порфиринов переходных металлов (Ре111, Мпш, Со", Си"), содержащих в .иезо-положениях макрокольца группы 2,6-ди-пгреш-бутилфенола, их иммобилизация на матрицу силикагеля для моделирования связывания активного центра аналога гема с белком и изучение их активности как гомогенных или гетерогенных катализаторов в окислительных процессах.

В задачи работы входило: (1) получение биомиметических полифункциональных систем, в состав молекул которых входят как каталитически активные центры порфирина металла, так и антиоксидантные 2,б-ди-/и/>е/и-бутилфенольные группы; (2) получение иммобилизованных на матрицу силикагеля порфиринов Ре"1, Мпш, Со", Си" с фенольными группами; (3) изучение их каталитической активности в процессах окисления, оксигенирования, эпоксидирования модельных органических субстратов; (4) установление роли фенольных групп в механизме действия данных порфиринов металлов в процессе окисления субстратов, а также влияния на направление процесса.

Научная новизна. Впервые получены комплексы порфиринов металлов (Реш, Мпш, Со", Си") с антиоксидантньгми 2,6-ди-тре/я-бутилфенольными заместителями в макроциклическом лиганде ([^РМ), иммобилизованные на матрице силикагеля с кремнийорганическими спейсерами, содержащими имидазол. Проведено сравнительное исследование активности неиммобилизованных (гомогенные условия) и иммобилизованных на поверхности силикагеля (гетерогенные условия) порфиринов металлов (Реш, Мпш, Со", Си") в процессах окисления, оксигенирования, эпоксидирования модельных углеводородов (алканов и алкенов) различными окислителями (Ыа1С>4, Н2О2 и О2). Показано, что окислительная активность порфиринов металлов зависит от природы металла; природы арильных заместителей в порфириновом лиганде; длины цепи элементоорганического спейсера и природы окислителя. С помощью методов электронной спектроскопии поглощения, масс-спектрометрии, ЭПР и анализа продуктов реакции изучен механизм окисления углеводородов периодатом натрия в присутствии порфиринов Реш и Мпш с 2,6-ди-тре/и-бутилфенольными группами. Показано образование интермедиатов - тг-катион-радикала оксокомплекса Ре (^РТ^Ю) и оксокомплекса Мп (^РМг^ИЭ), ответственных за механизм действия порфирина железа и марганца, соответственно. Впервые показано, что введение антиоксидантных 2,6-ди-т^еш-бутилфенольных групп в порфирин Ре приводит к усшеншо, а в порфирин Мп - к снижению окислительной (оксигеназной) активности.

Практическая ценность. Впервые показана принципиальная возможность управления оксигеназной активностью порфиринов путем введения антиоксидантных 2,6-да-трет-бутилфенольных групп: для порфирина железа наблюдается усиление, а для порфирина марганца - снижение активности. Показано, что иммобилизованный на поверхность силикагеля порфирин марганца, содержащий 2,6-ди-т/?ет-бутилфенольные группы, не проявляет значимой каталитической активности в процессах окисления органических субстратов N8104, Н2О2, а выступает в качестве антиоксиданга. Данное свойство является важным для дальнейших исследований, связанных с использованием порфиринов марганца с 2,6-ди-;ире/и-бутилфенольными группами в медицине.

Иммобилизованный на поверхность силикагеля порфирин железа, содержащий 2,6-ди-/лреот-бутилфенольные группы, обладает крайне высокой каталитической активностью в процессах окисления органических субстратов. Высказано предположение о том, что введение этого соединения в клетку может приводить к нежелательным побочным процессам окисления, что значительно ограничивает его использование в медицинских целях. С другой стороны, порфирины железа с фенольными заместителями представляют интерес для создания на их основе эффективных каталитических систем.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, были представлены на Vlb Conference "Clusters-2006" (Астрахань, Россия, 2006); конференции "Молекулярный дизайн и синтез веществ с заданной физиологической активностью" (Москва, Россия, 2006), 13th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (Vienna, Austria, 2007), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, Россия, 2011), 2nd European Conference on Chemistry for Life Sciences (Wroclaw, Poland, 2007), International Conference on Organometallic and Coordination Chemistry (Нижний Новгород, Россия, 2008), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, Россия, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и 7 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Материал диссертационной работы изложен на 177 страницах, включает 29 таблиц, 32 рисунка и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 335 наименования.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 06-03-32773, 09-03-00090) и Российско-Греческой межгосударственной Программы «Биоматериалы».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Обзор литературы посвящен применению и перспективам использования порфиринов в медицине, а также в качестве биомиметиков активных центров гемовых белков - гомогенных и гетерогенных катализаторов.

2. Обсуждение результатов.

2.1. Синтез порфиринов, содержащих 2,6-ди-третп-бутилфенольные заместители

Свободные основания л<езо-тетраарилпорфиринов (1,1а) синтезированы по методу Ротемунда и на их основе получены комплексы металлов 2-5,2а-5а (Со11, Си", FeIn, Мпш).

он

R«PM: 1-5 "" PWM: 1а-5а

R = 3,5-ди-трет-вутол-4-гидроксифенил; Р = порфирин М = НН (1,1а); Со" (2,2а); Си" (3,3а); Fe"'CI (4,4а); МпшС1 (5,5а)

Для установления роли фенольных групп в активности порфиринов исследованы две серии соединений с 2,6-ди-/ярет-бутил-4-гидроксифенильными (2-5) и фенильными (2а-5а) заместителями в л<езо-положе1шях порфиринового кольца.

Для моделирования сайтов с оксигеназной активностью получены порфирины металлов, иммобилизованные на матрице силикагеля. С этой целью синтезированы модифицированные силикагели, содержащие в качестве координирующих центров атомы N имидазольного кольца и различные спейсеры (Схема 1).

Схема 1

Кремнийорганический фрагмент связан с имидазолом насыщенным углеводородньш мостиком (Ь2) или линкером с эфирной С-О-С связью и ОН группой (1^). Наличие связи С-Б1 обеспечивает устойчивость спейсеров, а вариабельность линкеров влияет на их растворимость. Выбор спейсеров с координирующими группами имидазола обусловлен моделированием природных гемовых систем, в которых атом железа связан с атомом N имидазольного кольца гистидина. В полученных иммобилизованных порфиринах металлов группы имидазола обеспечивают связь с аксиальными лигандами 1,1 и Ьг.

Идентификацию полученных порфиринов, модифицированных силикагелей и иммобилизованных порфиринов осуществляли по данным электронной спектроскопии поглощения, ИК-спектроскопии, спектрам диффузного отражения в УФ- и видимой области. Степень иммобилизации на поверхность силикагеля (содержание органической части) определяли методом термогравиметрического анализа (ТГА) при нагревании со скоростью 10 °С/мин при нормальном атмосферном давлении в температурном интервале от 20 до 700 °С.

»ллллллллллл »ллааллааАал

? ? ? «ллллллллл^чл

*ЛЛЛЛЛЛЛЛАЛЛ

о

- условное обозначение лорфиринового макрочикла

РЬцРМ!.

7 РИдРСо-Ц 7а

ЪРСиг, 8 РИ4РСиЦ 8а

ДОРе-Ц 9 РИдРРег, 9а

(^РМп!., 10 РИдРМпЦ 10а

Л.РСоЬг 11 РИдРСоЦ 11а

^РСиЦ 12 РИдРСиЦ 12а

^РРеЬз 13 РИдРРеЦ 13а

К,РМпЦ 14 РИдРМпЦ 14а

В Таблице 1 приведены характеристичные полосы Соре в спектрах диффузного отражения и данные ТГА полученных в работе порфиринов металлов, иммобилизованных на матрице силикагеля. Иммобилизованные порфирины металлов характеризуются наличием интенсивной полосы Соре.

Таблица 1. Данные спектров диффузного отражения и ТГА исследуемых в работе порфнринов, иммобилизованных на матрице силикагеля

№ Порфирины Полоса Соре, нм Степень иммобилизации (содержание органической части), % № Порфирины Полоса Соре, нм Степень иммобилизации (содержание органической части), %

7 ^РСо-Ь, 418 27,0±0,1 7а РЬ4РСо-Ь! 410 27,0±0,1

8 ^РСи-Ь] 422 25,0±0,2 8а РЬ4РСи-Ь1 419 25,0±0,2

9 ¡^РРе-Ь, 428 27,0±0,1 9а РЬ4РРе-Ь, 417 26,5±0,3

10 Я4РМп-Ь| 488 25,0±0,3 10а Р^РМп-Ь, 471 26,5±0,4

и Я4РСо-Ь2 418 11,0±0,2 11а РЬ4РСо-1.2 410 11,5±0,1

12 Я4РСи-Ь2 420 10,5±0,1 12а Р^РСи-Ь 416 10,5±0,2

13 ^РРе-Ьг 426 12,0±0,2 13а РЬ4РРе-Ь2 416 11,5±0,1

14 ^РМп-Ьг 488 11,5±0,1 14а РЫРМп-Ц 476 10,5±0,1

2.2. Изучение окислительной активности порфиринов металлов

Пространственно-затрудненные 2,6-диалкилфенолы являются применяемыми в промышленности и в медицине антиоксидантами. С другой стороны, известно, что комплексы металлов являются катализаторами окисления органических субстратов. Сочетание в одной молекуле 2,6-ди-трети-бутилфенола и металлосодержащего центра приводит к полифункциональным системам. Свойства 2,6-ди-тргт-бутилфенолов, связанных с порфириновым кольцом, как анти- или прооксидантов (либо катализаторов) к началу настоящей работы практически не были исследованы.

В качестве субстратов в работе использованы циклооктен, циклогексен, циклогексан, гексан, стирол, этилбензол, в качестве окислителей - Н2О2, КаЮч и О2.

2.2.1. Активность ненммобилизованных порфиринов металлов в процессах окисления углеводородов

Окисление углеводородов пероксидом водорода

Влияние порфиринов металлов 2-5 и 2а-5а на процессы окисления циклоокгена и циклогексана Н2О2 изучено в присутствии сокатализатора СНзСООМИ». Количественное содержание продуктов окисления определяли методом газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) с использованием внутреннего стандарта ацетофенона.

При окислении циклооктена Н2О2 в присутствии порфиринов металлов основным продуктом является 9-оксабицикло[6.1.0]нонан (эпоксициклооктан) (Схема 2).

Схема 2

О

НгО;. 1г,РМ, СНзСООМН)

В Таблице 2 представлены результаты для процесса окисления циклооктена Н202 в присутствии порфиринов Со11 (2,2а), Рега (4,4а) и Мпш (5,5а).

Таблица 2. Данные для процесса окисления циклооктена Н202 в присутствии порфиринов Со, Ее и Мп

№ Порфирнн Выход эпоксицнклооктана, % ТСЖ-Ю"' ч"'*

2 ЩРСо 0,4 0,01

2а Р1иРСо 0,5 0,01

4 0,4 0,91

4а РЬ4РРе 0,8 1,50

5 адМп 2,3 4,71

5а Р1г,РМп 71,9 143,92

♦ТОЙ - число оборотов реакции [ТОЙ = V (прореагировавшего субстрата) / (V (катализатора) ч)]; СН3СЫ/СН2С12 = 0,65/0,35 мл, [К4РМ]/[Н202]/[СНзС00ЫН4]/[5] = 1:20:10:800, время реакции 1 ч; Б — здесь и далее - субстрат

В присутствии РИ4РМп (5а) образование эпоксициклооктана происходит с высоким выходом (71,9%). Однако в случае использования порфирина с 2,6-ди-трет-бутилфенольными группами И^РМп (5) каталитическая активность не проявляется (рис. 1).

Рис. 1. Выходы эпоксициклооктана при окислении циклооктена Н2О2 в присутствии порфиринов марганца 5 (1) и

5а (2) (СН3СМ/СН2С12 = 0,65/0,35 мл, [^РМпМНгОгМСНзСОСЖЩ/И 1:20:10:800, 1 ч).

1 2

При окислении циклооктена Н202 в присутствии ^РРе (4) и РЬ4РРе (4а) наблюдается разложение окислителя, реакционная смесь меняет цвет с коричневого на зеленый, что свидетельствует о том, что порфирины Ре действуют как миметики каталазы (взаимодействуют с Н2О2), а не как катализаторы окисления субстрата.

При окислении циклогексана Н202 в присутствии порфиринов Со", Си", Ре1" и Мп"1 (2, 2а, 3, За, 4, 4а, 5, 5а) образуются спирт (циклогексанол) и кетон (циклогексанон) (Схема 3, Табл. 3).

Схема 3

Н2Ог, К,РМ. СН3СООМН4

Таблица 3. Данные для процесса окисления циклогексана Н2О2 в присутствии порфиринов Со, Си, Ее и Мп

№ Порфирин Выход продуктов окисления,% ТОЕЮ"4 ч"1

циклогексанол циклогексанон спирт кетон

2 Я4РСо 0,1 0,2 24 30

2а РЬ4РСо 0,1 0,2 26 32

3 ^РСи 0,1 - 24 -

За РЬ4РСи 0,1 - 22 -

4 Я4РРе 0,1 0,1 22 28

4а РЬ4РРе 0,1 - 22 -

5 Я4РМП 0,1 - 24 -

5а Р^РМп 0,2 0,7 48 142

СНзСЫ/СНгСЬ = 0,65/0,35 мл, [^РМИНгОгМСНзСОСМЩ/И = 1:20:10:800, 1 ч

Как видно из представленных данных, при окислении насыщенного циклоалкана (циклогексана) порфирины Со, Си, Ре и Мп практически не проявляют каталитической активности.

Окисление стирола N0104

Окисление стирола как модельного субстрата К'а1С>4 проводили при 20°С в присутствии порфиринов 2-5 и 2а-5а, сокатализатора - имидазола (1т), имитирующего связь с гисгидином в белках. Основными продуктами являются эпоксид (2-фенилоксиран) и альдегид (фенилацетальдегид) (Схема 4), образование которых определяли методом ГХ-МС с использованием внутреннего стандарта (ацетофенона).

Схема 4

В Таблице 4 представлены результаты для процесса окисления стирола в присутствии порфиринов Реш (4, 4а), Мпш (5, 5а), Со" (2, 2а) и Си" (3, За).

Таблица 4. Данные для процесса окисления стирола в присутствии порфиринов Со, Си, Ре и Мп

№ Порфирин Выход продуктов окисления ТОР 10"2 ч"1

(селективность), %

фенилацетальдегид 2-фенилокснран по альдегиду по эпоксиду

2 И^РСо 0,2 0,1 5 2

2а Р^РСо 0,2 0,1 5 1

3 ^РСи - - - -

За РЬ4РСи 0,2 - 4 -

4 ^РРе 4,2 (69) 1,9 (31) 97 43

4а РЬ4РРе 5,4 (85) 0,9 (15) 125 21

5 БЦРМп 0,3 (65) 0,2 (35) 7 4

5а РИ4РМП 10,3 (74) 3,6 (26) 238 82

СНзСЫ/НгО = 0,54/0,27 мл, [Я4РМ]/[ЫаЮ4]/[1т]/[8] = 1:46:10:23, 1 ч

Из таблицы 4 видно, что Г^РМп (5) не проявляет каталитической активности в процессе окисления стирола ЫаЮ4 в отличие от его фенильного аналога Р^РМп (5а), присутствие которого способствует более глубокому окислению стирола с образованием преимущественно фенилацетальдегида. Порфирины железа 4 и 4а также проявляют невысокую каталитическую активность с образованием преимущественно

фенилацетальдегида. Каталитическая активность порфиринов Со" (2, 2а) и Си" (3, За) в процессе окисления стирола крайне низкая, продукты образуются в следовых количествах.

Окисление этилбензола 02

Окисление этилбензола проводили в щелочной среде в присутствии порфиринов железа (4, 4а) и марганца (5, 5а) и аскорбиновой кислоты. Этилбензол использовали в качестве растворителя и субстрата. В реакционную смесь добавляли N801-1, 1М трис-НС1 буфер (Щч1С(СН2ОН)з) для поддержания постоянного рН=8,5, и ПАВ (СН3(СН2)15^СНз)зВг). Кислород медленно пропускали через реакционную смесь в течение 10 мин. Окисление этилбензола начиналось после добавления аскорбиновой кислоты и перемешивания под давлением 02 5 атм при 80°С. Образование продукта окисления -ацетофенона определяли методом ГХ-МС (рис. 2). Аскорбат натрия был выбран в качестве

восстановителя для активации 02, восстановления металла в порфирине (М1" -► М11) и

переноса электрона от М" к 02.

0

1 <0

i

14 12 10 8 6 4 2 О

2%

РИ4РРе

5,0%

Рис. 2.

Выходы ацетофенона при окислении этилбензола 02 в присутствии аскорбиновой кислоты и порфиринов

5(1), 5а (2), 4(3), 4а (4) (6 ч, 80°С, 0,43 мл этилбензола, [К4РМ]/|ТЧаОН]/[ПАВИаскорбиновая кислота] | = 1:100:2:100).

12 3 4 Полученные данные показывают, что в процессе окислении этилбензола активность порфиринов Ре и Мп (4, 5), содержащих 2,6-ди-шре/и-бутилфенольные группы, выше по сравнению с их фенильными аналогами (4а, 5а), что, по-видимому, определяется повышением устойчивости каталитически активных интермедиатов.

2.2.2. Изучение механизма окисления углеводородов N3104 в присутствии порфиринов Ре и Мп

С точки зрения изучения биомиметических особенностей механизма действия порфиринов Ие и Мп в процессах окисления субстратов особый интерес представляет система «субстрат - ЯдРМ - имидазол - окислитель».

Образование комплексов порфиринов ^ и Мп с имидазолом

Образование комплексов порфиринов Ре и Мп с имидазолом исследовали методами электронной спектроскопии поглощения и масс-спектрометрии. В Таблице 5 приведены характеристичные полосы поглощения порфиринов Ре и Мп и их комплексов с имидазолом. Видно, что при взаимодействии порфиринов с имидазолом наблюдается батохромный сдвиг полосы Соре и О-полос.

Таблица 5. Характеристичные полосы поглощения порфиринов Ре и Мп и их комплексов с имидазолом в системе растворителей СНзСК - НгО

Порфирины Хтах, нм

Полоса Соре ООН) 0(П) 0(0

РЫРРе 318,6; 405 569 608,5

Р1і4РРе(Іт) 319,2; 414 547 580(плечо) -

313;419 - 574 616

К4РРе(1т) 315; 421,5 - 578 622 (плечо)

И14РМП 379,6; 399,9; 466,6 516 565,5 601,7

Р1і4РМп(Іт) 379,5; 399,9; 469,6 519,9 571,9 606,9

&)РМп 342,1; 388,1; 409,8; 526,3 577,6 616

429,5; 473,1

ІІ4РМп(Іт) 343,7; 388,1; 410,3; 531 582 623

430,8; 476,2

СН3СЫ/Н20 = 0,54/0,27 мл, [ЯдРМИЬп] =1:10

Образование комплексов порфиринов Ре и Мп с имидазолом подтверждали также методом масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением в положительных ионах (Табл. 6).

Таблица 6. Характеристичные ионы порфирипов Ре и Мп и их комплексов с имидазолом

Порфирин Характеристичный ион порфирина [РМ]+, а.е.м. Характеристичный ион комплекса порфирина с имидазолом [РМ+1т]+, а.е.м.

[РІ1,РРЄ]+ 668 736

[ЪРРеГ 1181 1249

[РІІ4РМПГ 667 735

[Я4РМП]+ 1180 1248

СНзСМігО = 0,54/0,27 мл, [І^РМИІт] =1:10

Таким образом, показано, что взаимодействие порфиринов Ре и Мп с имидазолом приводит к образованию комплексов с аксиальным лигандом ІІ4РМ(Іт) и РІі4РМ(Іт), которые являются миметиками активного центра гема.

Исследование окисления порфирино< Fe и Мп NaI04 методом электронной спектроскопии поглощения

Сравнительное исследование методом электронной спектроскопии поглощения проводили для порфиринов металлов, комплексов порфиринов металлов с имидазолом, а также смеси порфирина металла с имидазолом и NaI04. Так, например, спектр комплекса RtPMnOm) характеризуется наличием узкой полосы Соре в области 476 им и тремя Q-полосами в области 531, 582 и 623 нм, соответственно. В течение 1 мин после добавления NaI04 к комплексу R4PMn(Im) наблюдается образование узкой полосы в области 412 нм и широких полос в области 484, 637 и 675 нм (рис. 3).

нм

Рис. 3. Изменение электронного спектра поглощения (1) КіРМпСІт), (2) через 1 мин после добавления имидазола и №104, (3) через 5 мин после добавления имидазола и Ма104 (СНзСШЪО = 2:1, [К4РМп]/[1т]/|>1аЮ4] = 1:10:40).

Известно, что спектры РЬ4РМп , оксокомплекса РЬ4РМпу=0 и катион-радикала оксокомплекса РЬ4Р'+Мп,%'=0 характеризуются характеристичными полосами Соре в области 478, 408 и 430 нм, соответственно. Таким образом, можно предположить, что полоса в области 412 нм соответствует комплексу ^РМг^Ю.

Важно отметить, что полоса при 484 нм соответствует, как известно, стабильному 2,6-ди-тпрет-бугилфеноксильному радикалу, который образуется на периферии порфиринового кольца при действии окислителя.

Проведение реакции КцРМп (5) с ЫаЮ4 в тех же условиях, но без добавления имидазола приводит к незначительным изменениям в спектре поглощения. Наблюдается падение интенсивности полосы Соре и появление широкой полосы в области 693 нм. Однако стабильной формы оксокомплекса Г^РМп^О в спектре не наблюдается, что свидетельствует о значительной роли аксиального лиганда имидазола в стабилизации оксокомплекса.

В случае комплекса Я^Фе (4) после добавления в реакционную смесь имидазола и окислителя происходит мгновенное изменение спектра поглощения (рис. 4). После добавления окислителя в спектре К4РРе(1т) полностью исчезает полоса Соре и образуются две широкие полосы в области 453 и 671 нм. Полоса в области 671 нм соответствует

хиноидной форме лиганда в комплексе порфирина Ее, которая образуется при окислении двух фенольных групп (см. далее Схему 7).

<

0 0

Рис. 4. Изменение электронного спектра поглощения (1) К4РЕе(1т), (2) через 1 мин, (3) через 25 мин, (4) через 2 ч после добавления имидазола и ЫаЮ4 (СН3СЛ/Н20 = 2:1, [К4РЕе]/[1т]/[КаЮ4] = 1:10:40).

400 500 600 700 800

В работе также проведено исследование изменения спектра поглощения при добавлении к реакционной смеси субстрата (200-кратный избыток гексана) (рис. 5): в течение 70 мин наблюдается постепенное уменьшение интенсивности полосы Соре (421 нм) и рост интенсивности двух широких полос в области 453 нм и 670 нм. Этот факт подтверждает участие фенольных групп в образовании активного интермедиата порфирина железа.

1.00-,

Исследование окисления порфиринов Fe и Мп NaI04 методом масс-спектрометрии

Сравнительное исследование методом масс-спектрометрии проводили для порфиринов металлов, комплексов порфиринов металлов с имидазолом, а также смеси порфирина металла с имидазолом и NaI04.

Полученные результаты показывают, что в случае R4PMn (5) в масс-спектре наблюдается пик /и/г 1180 а.е.м., который соответствует иону [RtPMn]*. После добавления имидазола наблюдается пик m/z 1248 а.е.м., соответствующий иону [R4PMn(Im)]+, а после

421

Рис. 5. Изменение электронного спектра поглощения Я4РЕе(1ш) в течение 70 мин после добавления ЫаЮ4 и гексана (СН3СЫ/Н20 = 2:1, [Н4РЕе]/[1т]/рМаЮ4]/[гексан]

<

1:10:40:200).

300 «00 500 600 700 800

нм

добавления NaIC>4 пик с m/z 1246 а.е.м., который, по-видимому, соответствует образованию хиноидной формы лиганда (рис. 6).

В случае PluPMn (5а) (m/z 667 а.е.м.) после добавления имидазола наблюдается пик с m/z 735 а.е.м., который соответствует иону [Ph4PMn(Im)]+. После добавления окислителя масс-спектр практически не изменяется. Наиболее стабильным ионом является m/z 735 а.е.м., однако в масс-спектре появляется пик с m/z 683 а.е.м., который, вероятно, соответствует [Ph4PMnv=Of или [РЬ4Р'+Мп^=0] (рис. 7).

г—1—г*

700 720

Рис. 6. Масс-спектр реакционной смеси, Рис. 7. Масс-спектр реакционной смеси

содержащий R4PM11 (5), имидазол и NaIC>4 содержащий Ph4PMn (5а), имидазол и

(CH3CN/H20 = 2:1, [R4PMn]/[Im]/[NaI04] = NaI04 (CH3CN/H20 = 2:1,

1:10:40). [Ph4PMn]/[Im]/[NaI04] = 1:10:40).

В случае порфиринов железа наблюдается аналогичная картина. В масс-спектре R^PFe (4) присутствует пик с m/z 1181 а.е.м., который соответствует иону [R4PFe]+. После добавления имидазола в масс-спектре наблюдается пик с m/z 1249 а.е.м., [R4PFe(Im)]+. После добавления окислителя наблюдается пик с m/z 1247 а.е.м., соответствующий образованию, вероятно, хиноидной формы лиганда (рис. 8). В случае Pl^PFe1" картина аналогична PI^PMn"1 (рис. 9).

Iniens.

Х10®

»MS.17.emin »1175 736

684

•Vi-

sio 640 660 660 700 720 740 mlz

I IOU 1 ¿UU i ÎJ 1Z4U m/i »V "И ... SOU rwu I*« I.U 1111«

Рис. 8. Масс-спектр реакционной смеси, Рис. 9. Масс-спектр реакционной смеси,

содержащий ItiPFe (4), имидазол и NaI04 содержащий PJi(PFe (4а), имидазол и

(CH3CN/H20 =2:1, [R4PFe]/[Im]/[NaI04] = NaI04 (CH3CN/H20 = 2:1,

1:10:40). [PWe]/[Im]/[NaI04] = 1:10:40).

Исследование окисления порфирина Ре с 2,6-ди-трет-бутилфенольными группами методом ЭПР1

В настоящее время широко изучаются модельные системы, имитирующие каталитический центр гемовых ферментов. В таких системах оксокомплекс протопорфирина железа РРе™=0 выступает в качестве активного интермедиата в гемовых оксигеназах. Как правило, в каталитическом цикле участвуют два интермедиата: Р"+РеІУ=0 (СшрІ) и Ре1У=0 (СгарІІ).

Целью данной части работы является исследование методом ЭПР активного интермедиата К4Р"+Ре1У=0, образующегося в каталитическом цикле окисления углеводородов КаЮ4.

Спектр ЭПР іиТе111 в СН2СІ2 представлен на рис. 10 и характеризуется сигналом ЭПР (5=5/2) с gx= 6,13, яУ=5,77, &=1,99, что характерно для высокоспиновых (ВС) порфиринов Реш. После добавления 1 экв имидазола к І^РРе"1, интенсивность сигнала в спектре ЭПР ВС Ре'"(5=5/2) уменьшается (рис. 10 (б)), при добавлении 10 экв имидазола в спектре наблюдается переход железа в низкоспиновое (НС) состояние Реш(5=1/2) (рис. 10 (в)).

А Ж-У

г--н

(в) ^ У О (И --^ —ЇГН-НГЯ-Ві <—

«00 2000 3000 «СО 5000 Мадоейс ПеЫ (Саш«)

Рис. 10. Спектр ЭПР І^Те"1 (6 мМ): а) в СН2СІ2; выдерживание в течение 30 мин с б) б мМ имидазола; в) 60 мМ имидазола; г) 28 мМ №Ю4; д) увеличенный спектр г (4,2 К, 10 Гс, 100 КГц, СВЧ 0,7 мВт).

На рис. 11 представлено время перехода железа из ВС в НС. Данный процесс происходит достаточно быстро с около 100 с. Полный переход в НС состояние Б=5/2 Реп| происходит за 8 мин выдерживания реакционной смеси. Однако никаких сигналов, характерных для радикальных частиц в спектре, не наблюдается.

1 Исследования методом ЭПР проведены совместно с Я. Делигианакисом (Университет Иоаннины, Греция)

14

____о----□

г"

J

П

• A I U Я М

время (млн)

Рис. 11. Время перехода из высокоспинового (■) в низкоспшювое (□) состояние Ре1" комплекса Г^РРе"1 (6 мМ) в присутствии имидазола (60 мМ).

Величины значений §-факторов сигнала НС Реш, значения параметров ромбичности (V/А) и тетр атональности (ДА) для ^РРе'" и литературные данные представлены в Таблице 7. Два конформерных сигнала НС Ре"1 разрешаются с некоторой разницей g-фaктopoв, и далее будут обозначаться как НС (А) и НС (Б).

Таблица 7. Параметры спектров ЭПР для пизкоспинового ^РРе, цитохрома с и гемоглобина

Образец 8, 8, 8z АО. V/A а'+Ь'+с*

Цитохром с -имидазол 2,96 2,30 1,58 3,43 0,57 1,022 16,6

Гемоглобин-имидазол 2,91 2,26 1,53 3,32 0,58 1,002 15,9

R4PFe(Im)2 НС (А) 2,858 2,305 1,56 3,01 0,67 1,003 15,9

НС (Б) 2,850 2,285 1,60 3,40 0,63 1,004 15,9

£-фактор ±0,002

После образования НС Я^РРе111 добавляли ЫаЮ4: сигнал НС Ре"1 теряет интенсивность с образованием широкого сигнала в области около ¡¡=2 (рис. 10 (г)). Полученные данные могут свидетельствовать о том, что переход из НС состояния в ВС происходит в несколько стадий. Дальнейшее окисление ^РРе"1 в течение 20 мин приводит к уменьшению интенсивности широкого сигнала (рис. 12). Сигнал ИдР^Уе^НЭ, полученный методом ЭПР, представлен на рис. 13.

1000 2000 3000

Magnetic Field (Gauss)

Рис. 12. Время изменения сигнала НС Я4РРе(1ш)2 (■) и ^ = 2,0049 (□) после добавления 28 мМ ЫаЮ4.

Рис. 13. К4РРе(1ш)2 после выдерживания в течение 30 мин с 28 мМ ЫаЮ4 (4,2 К, 10 Гс, 100 кГц, СВЧ 0,7 мВт).

Таким образом, методом ЭПР показано, что при окислении ^РРе"1 образуется интермедиат, содержащий Ре"'. Данные спектров ЭПР свидетельствуют о том, что при окислении ^РРе с фенольными группами КаЮ4 в присутствии имидазола, как и в случае гемовых оксигеназ, образуется ответственный за окислительную активность высокоактивный интермедиат 114Р'+Реп''=0, аналогичный Стр1 цитохромов. Полученные данные позволяют высказать предположение о том, что высокая оксигеназная активность порфирина Ре с фенольными группами (4) в отличие от РЬ4РРе (4а) обусловлена именно возможностью генерирования интермедиата типа Стр1.

2.23. Активность иммобилизованных порфиринов металлов в процессах окисления углеводородов

Окисление углеводородов пероксидом водорода

В работе изучено влияние порфиринов металлов 7-14 и 7а-14а, иммобилизованных на силикагелевую матрицу, на процессы окисления алкенов и алканов (циклооктен, циклогексен, циклогексан и гексан) Н2О2. Содержание продуктов определяли методом ГХ-МС. При окислении циклооктена Н2О2 в присутствии иммобилизованных порфиринов металлов, также как и в случае их неиммобилизованных аналогов, основным продуктом является 9-оксабицикло[6.1.0]нонан (эпоксициклооктан) (Табл. 8). Показано, что иммобилизованные на матрице порфирины Со, Си, Мп и Ре с 2,6-ди -трет-бутилфенольными группами каталитической активности не проявляют.

Таблица 8. Данные для процесса окисления циклооктена Н2О2 в присутствии иммобилизованных порфиринов Со, Си, Ре н Мп

№ Порфирин Выход эпокснцнклооктана, % ТОРЮ"4 ч'1

7 Ы4РСоЬ, - -

8 КдРСиЬ] 0,7 1,44

9 ^РРеГ., 1,0 8,00

10 ^РМпЬ] 0,5 4,00

10а РЬ4РМпЬ1 15,6 130,00

11 ^РСоЬг 0,3 0,03

12 ИдРСиЬг 0,7 1,32

13 ЪРРеЬз 0,5 4,00

14 ^РМпЬг 1,9 16,00

14а РЬ4РМпЬ2 0,9 7,00

СНзСЫ/СН2С12=0,65/0,35 мл, [К4РМ]/[Н2О2]/[СНзСО(ЖН4]/[5]=1:20:10:800,24 ч

При окислении циклогексена Н202 в присутствии иммобилизованных порфиринов металлов образуются 7-оксабицикло[4.1.0]гептан (эпоксициклогексан) и циклогексенон (рис. 14), при этом активность Р^РМ выше, также как и в случае окисления циклооктена (Табл. 8).

Таблица 10. Данные для процесса окисления гексана Н202 в присутствии иммобилизованных порфиринов Со, Си, Ре и Мп

№ Порфирин Выход продуктов окисления, % Селективность, %

2-гексанол 2-гексанон общий по спирту по кетону

7 R4PC0L1 5,8 2,8 8,6 67 33

7а Ph4PCoL, 6,1 2,8 8,9 68 32

8 I^PCuL, 7,0 3,2 10,2 69 31

8а Ph4PCuL, 7,5 3,4 10,9 69 31

9 R^PFeLi 5,8 2,8 8,6 67 33

9а Ph4PFeL, 6,4 2,9 9,3 68 32

10 R4PM11L1 7,4 3,6 10,9 67 33

10а PtMPMnLi 5,5 2,8 8,3 66 34

CH3CN/CH2C12 = 0,65/0,35 мл, [R4PM]/[H202]/[CH3C00NH4]/[S] = 1:20:10:800, 24 ч

Окисление углеводородов NaI04

Окисление ненасыщенных углеводородов (стирол, циклооктен) КаЮ4 проводили при комнатной температуре в присутствии иммобилизованных порфиринов Fe, Мп, Со, Си и имидазола. При окислении циклооктена NaI04 в присутствии иммобилизованных порфиринов металлов преимущественно образуется один продукт - 9-оксабицикло[6.1.0]нонан (эпоксициклооктан) (рис. 15).

Рис. 15.

Выходы эпоксициклооктана при окислении циклооктена NaI04 в присутствии соединений 9 (1), 9а (2), 13 (3), 13а (4), 10 (5), 10а (6) (CH3CN/H20 = 0,54/0,27 мл, [R4PM]/[NaI04]/[Im]/[S] 1:46:10:23,24 ч).

Значительной активностью обладают порфирины Ре, содержащие 2,6-ди-трет-бутилфенольные группы (9,13). При этом для К4РРеЬ] с длинным спейсером (9) наблюдается высокая селективность процесса (~ 100%), выход эпоксициклооктана составляет 95,7%. В то же время добавки 9а, 13а приводят к невысоким выходам эпоксициклооктана (13,9 и 11,2% соответственно). В случае порфиринов Мп картина меняется: выход эпоксициклооктана составляет 74,5% для РЬ4РМпЬ[ (10а) и 17,1% для К^РМпЬ! (10) соответственно. Такую закономерность можно объяснить тем, что в случае порфиринов Ре в системе образуются интермедиа™ Р'Тх^О, которые являются активными частицами в переносе атома

При окислении циклогексена №Ю4 в присутствии иммобилизованных порфиринов Ре и Мп образуется несколько продуктов окисления: 7-оксабицикло[4.1.0]гептан (эпоксициклогексан), циклогексенол и циклогексенон (рис. 16). Как видно из представленных данных, Р^РМпЬ, (10а), обладает ярко выраженной каталитической активностью. Основным продуктом является эпоксициклогексан, выход которого составляет 59,2%. Однако более высокой активностью и селективностью процесса обладает ^РРе^ (9) (Табл. 12). Также как в случае окисления циклооктена наблюдается значительное снижение каталитической активное™ в случае порфиринов Ре и Мп, нанесенных на поверхность

Рис. 16.

Выходы эпоксициклогексана при окислении циклогексена №Ю4 в присутствии соединений 9 (1), 9а (2), 10 (3), 10а (4) (СНзСИ/НгО = 0,54/0,27 мл, [Я4РМ]/|>іаЮ4]/[Іш]/[8] = 1:46:10:23,24 ч).

силикагеля с помощью коротких спейсеров (13, 14а).

Таблица 12. Селективность при окислении циклогексена N8104 в присутствии порфиринов Ее и Мп

№ Порфнрин Селективность, %

по эпоксициклогексаиу по циклогексенолу по циклогексенону

9 І^РРеЬі 94 3 3

9а РІііРРеЬ, 26 11 63

10 І^РМпЬі 19 ЗО 51

10а Р^РМпЬ, 84 9 7

13 І^РРеЬг 69 19 12

13а РЬ,РРеЬ2 3 17 80

14 І^РМпЬг 7 38 55

14а Р1і4РМпЬ2 2 41 57

СН3СЫ/Н20 = 0,54/0,27 мл, Р^ММЫа104М1т]/[8] = 1:46:10:23, 24 ч.

Видно, что добавка порфирина Ре, содержащего 2,6-ди-т^ет-бутилфенольные группы (9), иммобилизованного на поверхность силикагеля с помощью длинного спейсера 1*1, в отличие от РЬ4РРе Ьі (9а) приводит к практически полному окислению циклогексена до эпоксициклогексана. В случае комплексов Мп наблюдается обратная картина: порфирины марганца с 2,6-ди-/яре/я-бутилфенольными группами (10, 14) не проявляют каталитической активности при окислении циклогексена.

Таким образом, полученные данные позволяют установить зависимость окислительной (оксигеназной) активности порфиринов металлов в процессах окисления углеводородов от следующих факторов:

(1) природа заместителя в мезо-положениях порфиринового кольца

(2,6-ди-тяр>ет-бушлфенол, фенил);

(2) природа металла (Ре, Мп, Со, Си);

(3) природа аксиального лиганда (имидазол, фрагмент имидазола,

связанного с силикагелевой матрицей спейсером);

(4) длина спейсера;

(5) природа окислителя.

(1,2) Сравнительный анализ механизма окисления субстратов в присутствии порфиринов Ре и Мп, содержащих 2,6-ди-от^е/л-бутилфенольные и фенильные заместители, показывает, что введение фенольных групп в порфирин Ре приводит к резкому возрастанию оксигеназной активности, в то время как порфирин Мп приобретает свойства антиокислителя. Данный факт можно объяснить различием в механизме действия порфиринов Ре и Мп, а также участием 2,6-ди-т/>ет-бугил фенола в образовании активных интермедиатов (Схемы 5,6).

В случае порфиринов Ре и Мп равновесие между ЯдРМп^О и ^Р^Мп'^О смещено в сторону я-катион-радикала, который образует малоактивный интермедиат Мп [К4РМп1У(ОН)]> но высоко реакционноспособный интермедиат Ре [^Р'Те^О].

Схема 5

1т

N-N

/ / - порфириновый лиганд

N-N

Схема 6

о

^РРе -Іт

№||(Ч N"11—N _

>Ви

ОН 'МЗи

N1-

-М

/

N-1—N

1т

i

N-5—N / їе /

N-1—N

1т

Р1,РРет-1т о

а

6и

л

0*0

он

н > / р /

о

/ /

порфириновый лиганд

N-N

Однако при образовании я-катион-радикала 1*4Р"М™=0 возможны внутримолекулярные процессы, с отрывом атомов Н от фенольних групп и образованием бирадикала, который превращается в л»езо-тетра(3,5-ди-от/»е/п-бутил-4-хинометид)порфириноген (Схема 7).

Схема 7

он о о" о' о

•-Ви І-Ви^к^-Ви ЬВи-^к^ЬВи І-Ви^к^-Ви

II I ТТ ТТ

Л Я

1 хх

І-Ви" ^ •-В" І-Ви'^У^І-Ви І-Ви^^^^-Ви »-Ви^П^^-Ви

ОН ОН О. О. о

л+ . т

уи +УЗ у« к

М = Ре и Мп

Таким образом, 2,6-ди-тпрет-бутилфенольные группы стабилизируют я-катион-радикалы Я^Р^М^Ю, которые в случае порфиринов Ре активны, но образование которых в случае порфиринов Мп приводит к дезактивации процесса.

В ряду порфиринов Ре, Мп, Со, Си максимальной оксигеназной активностью обладают аналоги гема - порфирины Ре.

(3) Присутствие имидазола, выступающего в качестве аксиального лиганда, стабилизирует активные интермедиа™ и таким образом способствует возрастанию активности металлопорфмршюв.

(4) Порфирины металлов, иммобилизованные на матрицу с помощью спейсера Ьь обеспечивающего более высокую растворимость, обладают более высокой активностью.

(5) Использование окислителя (ЫаЮО, при взаимодействии с которым металлопорфирины образуют наиболее активные интермедиаты, благоприятствует их более высокой активности.

Выводы

1. Впервые получены порфирины металлов (Я^РМ и РЬдРМ; М = Ре, Мп, Со, Си) с антиоксндантными 2,6-ди-т/7еш-бутилфенольными группами или фенильными заместителями, иммобилизованные на матрице силикагеля с элементоорганическими спенсерами на основе имидазола.

2. Проведено сравнительное исследование активности неиммобилизованных и иммобилизованных на поверхности силикагеля порфиринов металлов (Ре, Мп, Со, Си) в процессах окисления, оксигенирования, эпоксидирования модельных углеводородов (алканов и алкенов) различными окислителями (Ыа1С>4, Н2О2 и О2).

3. Выявлена зависимость окислительной активности порфиринов металлов от природы металла; природы арильных заместителей в порфириновом макрокольце (фенольная гаи фенильная группа); длины цепи спейсера и природы окислителя.

4. С использованием методов электронной спектроскопии поглощения, масс-спектрометрии, ЭПР и анализа продуктов реакции изучен механизм окисления углеводородов периодатом натрия в присутствии порфиринов Ре и Мп с 2,6-ш-трет-бутилфенольными группами и установлены активные интермедиаты.

5. Показано образование я-катион-радикала оксокомплекса ЯдР Ие^О, ответственного за механизм действия порфирина железа, и оксокомплекса ГиРМг^-О, ответственного за механизм действия порфирина марганца.

6. Впервые показана принципиальная возможность управления оксигеназной активностью порфиринов путем введение антиоксидантных 2,6-ди-ш/зет-бутилфенольных групп: для порфир1ша железа наблюдается усиление, а для порфирина марганца - снижение активности.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. О.А. Герасимова, Е.Р. Милаева, М. Лоулоуди. Оксидазная активность порфиринов железа и марганца с антиоксидантными 2,6-ди-трет-бутилфенольными группами. Макрогетероциклы, 2013, том 6, вып. 1, с. 77-81.

2. О.А. Герасимова, Е.Р. Милаева, Д.Б. Шпаковский, М. Лоулоди, Я. Делигианнакис, Н. Хаджилиадис. Металлопорфирины с 2,6-ди-трет-бутилфенольными группами как биомиметики гемовых протеинов. XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. 25-30 сентября 2011, Волгоград, Россия, Т. 1, с. 493.

3. О.А. Герасимова, Д.Б. Шпаковский, Е.Р. Милаева, Окислительная активность биомиметиков на основе иммобилизованных на матрице металлопорфиринов с 2,6-ди-трет-бутилфенольными группами. XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии, 6-11 июня 2011, Суздаль, Россия, с. 464-465.

4. E.R. Milaeva, О.А. Gerasimova, Zhang Jingwei, D.B. Shpakovsky, S.A. Syrbu, A.S. Semeykin, O.I. Koifman, E.G. Kireeva, E.F. Shevtsova, S.O. Bachurin, N.S. Zefirov. Synthesis and antioxidative activity of metalloporphyrins bearing 2,6-di-/ert-butylphenol pendants. J. Inorg. Biochem., 2008, vol. 102, p. 1348-1358.

5. O.A. Gerasimova, E.R. Milaeva, M. Louloudi, N. Hadjiliadis. Biomimetic metalloporphyrins with antioxidative 2,6-di-rert-butylphenol pendants immobilized on silica. International Conference on Organometallic and Coordination chemistry, 2-8 September, Nizhny Novgorod, Russia, 2008, P33.

6. E.R. Milaeva, O.A. Gerasimova, A.L. Maximov, E.A. Ivanova, E.A. Karakhanov, M. Louloudi, N. Hadjiliadis. The catalytic activity of immobilized on modified silica metalloporphyrins bearing antioxidative phenol pendants. Cat. Comm., 2007, vol. 8, p. 2069-2073.

7. О .А. Герасимова, Д.Б. Шпаковский, Е.Р. Милаева, М. Лоулоуди, Н. Хаджилиадис. Ингибирующее влияние 2,6-ди-тре/и-бутилфенольных групп в порфиринах железа и марганца на каталитическую активность в окислении углеводородов перекисью водорода. Вестник Московского Университета. Сер.2. Химия, 2007, т. 48, вып. 5, с. 322-328.

8. О.А. Gerasimova, E.R. Milaeva, М. Louloudi, N. Hadjiliadis. Metalloporphyrins with 2,6-di-/erf-butylphenol pendants immobilized on modified silica as biomimetic catalysts. 13th international conference of biological inorganic chemistry (ICBICXIII), 15-20 July 2007, Vienna, Austria, P344.

9. O.A. Gerasimova, E.R. Milaeva, D.B. Shpakovsky, M. Louloudi, N. Hadjiliadis. Immobilized on silica biomimetic metalloporphyrins with 2,6-di-/ert-butylphenol groups. 2nd European Conference on Chemistry for Life Sciences, Wroclaw, Poland, 4-8 Sept. 2007, p. 178.

10. O.A. Gerasimova, E.R. Milaeva, A.L. Maximov, E.A. Ivanova, E.A. Karakhanov, M. Louloudi, N. Hadjiliadis. The polytopic synthetic metalloporphyrins - biomimetics of oxidoreductases and their catalytic activity in oxidation. Vth Conference "CIusters-2006". Russia, Astrakhan, 4-8 September, 2006, P27.

11. O.A. Gerasimova, E.R. Milaeva, M. Louloudi, N. Hadjiliadis. The dual effect of 2,6-di-iert-butylphenol fragments in metalloporphyrins on their catalytic activity in oxidation. International Conference "From Molecules towards Materials". 3-10 September 2005, Nizhny Novgorod, Russia, P30.

Подписано в печать. Формат А4 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 150экз. Заказ № 6254 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-т, д.28 Тел. 8(495)782-88-39

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Химический факультет Кафедра органической химии

На правах рукописи

04201356548

Герасимова Ольга Алексеевна

АКТИВНОСТЬ ПОРФИРИНОВ МЕТАЛЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ АНТИОКСИДАНТНЫЕ 2,6-ДИ-7Р£Т-БУТИЛФЕНОЛЬНЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ, В ПРОЦЕССЕ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

02.00.08 - химия элементоорганических соединений 02.00.03 - органическая химия

Диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель

Е.Р. Милаева доктор химических наук, профессор

Москва - 2013

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

4

Глава 1. Обзор литературы 6

1.1. Порфирины в медицине 7

1.2. Порфирины металлов - биомиметики активных центров гемовых белков 9

1.2.1. Биомиметики супероксиддисмутазы на основе порфиринов металлов 10

1.2.2. Биомиметики оксигеназ на основе порфиринов железа и марганца 16

1.2.2.1. Биомиметики оксигеназ на основе порфиринов металлов как гомогенные катализаторы 25

1.2.2.2. Биомиметики оксигеназ на основе иммобилизованных порфиринов железа и марганца как гетерогенные катализаторы 49

Глава 2. Обсуждение результатов 65

2.1. Получение порфиринов, иммобилизованных на матрице силикагеля 65

2.1.1. Синтез и спектральные свойства порфиринов металлов 65

2.1.2. Синтез и характеристики порфиринов металлов,

иммобилизованных на матрице силикагеля 71

2.2. Изучение окислительной активности порфиринов металлов 75

2.2.1. Активность неиммобилизованных порфиринов металлов в процессах окисления углеводородов 76

2.2.2. Изучение механизма окисления углеводородов №104 в присутствии порфиринов Бе и Мп 86

2.2.2.1. Образование комплексов порфиринов Бе и Мп с имидазолом 87

2.2.2.2. Исследование окисления порфиринов Бе и Мп ЫаЮ4 методом электронной спектроскопии поглощения 91

2.2.2.3. Исследование окисления порфиринов Бе и Мп №Ю4 методом масс-спектрометрии 98

2.2.2.4. Исследование окисления порфирина Бе с 2,6-ди-трет-бутилфенольными группами методом ЭПР 101

2.2.3. Активность иммобилизованных порфиринов металлов в процессах окисления углеводородов 106

2.2.4. Сравнительный анализ механизма окисления углеводородов в присутствии порфиринов Бе и Мп, содержащих 2,6-]щ-трет-бутилфенольные и фенильные заместители 117

Глава 3. Экспериментальная часть 125

3.1. Синтез порфиринов 126

3.2. Иммобилизация порфиринов металлов на матрице силикагеля 130

3.3. Окисление углеводородов пероксидом водорода 136

3.4. Окисление углеводородов периодатом натрия 137

3.5. Окисление этилбензола Ог 138

3.6. Исследование методом газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) 138

3.7. Исследование окисления порфирина железа методом ЭПР 139

3.8. Исследование окисления порфиринов железа и марганца методом электронной спектроскопии поглощения 139

3.9. Исследование окисления порфиринов железа и марганца методом масс-спектрометрии 140

Выводы 141

Литература 142

ВВЕДЕНИЕ

Порфирины входят в состав большого числа биохимических систем, их синтетические аналоги применяются в фармакологии и медицине. Так, например, РкоШап, Рко^кет используются в фотодинамической терапии опухолевых заболеваний; синтетические порфирины железа и марганца {АЕОЬ 10150) как миметики супероксиддисмутазы проходят клинические испытания в качестве препаратов для борьбы с окислительным стрессом. Липофильные свойства свободных оснований порфиринов и их комплексов с различными металлами обеспечивают накопление этих соединений в липидном бислое клеточных мембран и транспорт в клетки живых организмов.

Однако структурное и функциональное сходство синтетических металлопорфиринов с активными центрами гемовых оксигеназ обусловливает их каталитическую активность в реакциях окисления органических субстратов. В результате, использование порфиринов, например, в качестве сенсибилизаторов в терапии и диагностике опухолевых заболеваний осложняется неконтролируемыми побочными процессами окисления важных биологических субстратов - компонентов белков, ДНК и липидов. В связи с этим возникает необходимость создания новых синтетических порфиринов с управляемой оксигеназной активностью. Данная задача может быть решена в результате получения полифункциональных систем, в которых органическое лигандное окружение металла обеспечивает анти- или прооксидантное действие порфиринов металлов. К таким системам относятся порфирины, содержащие в качестве периферийных органических заместителей антиоксидантные фрагменты 2,6-диалкилфенолов.

Целью работы является направленный синтез порфиринов переходных металлов (Ре111, Мпш, Со", Си11), содержащих в .мезо-положениях макрокольца группы 2,6-ди-т/?ега-бутилфенола, их иммобилизация на матрицу силикагеля

для моделирования связывания активного центра аналога тема с белком и изучение их активности как гомогенных или гетерогенных катализаторов в окислительных процессах.

В задачи работы входило: (1) получение биомиметических полифункциональных систем, в состав молекул которых входят как каталитически активные центры порфирина металла, так и антиоксидантные 2,6-ди-трега-бутилфенольные группы; (2) получение иммобилизованных на матрицу силикагеля порфиринов Бе111, Мпи|, Со11, Си11 с фенольными группами; (3) изучение их каталитической активности в процессах окисления, оксигенирования, эпоксидирования модельных органических субстратов; (4) установление роли фенольных групп в механизме действия данных порфиринов металлов в процессе окисления субстратов, а также влияния на направление процесса.

В работе использованы методы электронной спектроскопии поглощения, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса, ЭПР, газовой хроматографии с масс-детектированием и масс-спектрометрии.

Полученные результаты могут быть использованы для формирования новых подходов к созданию нетривиальных про- и антиоксидантов на основе порфиринов металлов, содержащих пространственно-затрудненные фенолы, с переменным эффектом действия.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 06-03-32773, 09-0300090) и Российско-Греческой межгосударственной Программы «Биоматериалы».

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Порфирины и их комплексы с металлами широко распространены в природе и имеют большое биологическое значение. Протопорфирин IX является природным свободным основанием порфирина (рис. 1), а его комплекс железа - гем - входит в состав таких белков, как гемоглобин и миоглобин, ферментов класса оксидоредуктаз (каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза, семейств различных цитохромов и др.) (рис. 2).

он но

Рис. 1. Структурная формула протопорфирина IX.

Каталаза Цитохром С

Миоглобин Гемоглобин

Рис. 2. Каталаза, цитохром с, миоглобин и гемоглобин.

Функции гемовых белков разнообразны. Гемоглобин и миоглобин участвуют в транспорте и запасании молекулярного кислорода и в обеспечении клетки энергией [1-5]. Ферменты, содержащие гем, относятся к классу оксидоредуктаз и катализируют множество биохимических реакций окисления, оксигенирования, дегидрирования/гидрирования и т.д. [1, 5-6].

Важную роль играет семейство ферментов цитохромов Р450, ответственных за выведение из организма многих токсичных веществ, таких как этанол (гидроксилирование), никотин (С5-гидроксилирование), кокаин (N-деметилирование), морфин (О-деметилирование), а также многих других соединений, которые попадают в организм из окружающей среды [7-11].

В последние десятилетия получено огромное число синтетических порфиринов [12]. Разработка лекарственных препаратов и биологически активных веществ на основе порфиринов - аналогов природных систем, является одним из перспективных направлений их использования.

1.1. Порфирины в медицине

История медицинских исследований порфиринов началась более ста лет назад вскоре после их выделения из природного сырья и идентификации структуры. Одним из первых был выделен из крови протопорфирин IX (рис. 1).

В 1911 г. W. Hausmann обнаружил [13], что добавление протопорфирина в культуру простейших Paramecia увеличивало ее чувствительность к свету. Вскоре в 1913 г. F. Meyer-Betz продемонстрировал тот же фотодинамический эффект на себе [14]. Он ввел внутривенно солевой раствор протопорфирина IX в количестве 200 мг и через некоторое время наблюдал четкое проявление сенсибилизирующего действия на солнце: увеличение пигментации, шелушение кожи и отек. В 1924 г. А. Policard впервые обнаружил способность протопорфирина IX концентрироваться в опухолях и флуоресцировать после облучения опухоли УФ-светом [15]. Позднее было высказано предположение, что данное свойство природных порфиринов может быть использовано в целях диагностики и терапии

7

опухолей [16-18]. В 1942 г. Н. Auler и G. Banzer доказали [19], что фото динамическое воздействие вызывает некроз опухолей. В 1948 г. F. Figge и соавторы показали [20], что протопорфирин IX и его комплекс с Zn накапливаются в опухолях мышей и регенерирующей ткани ран. В 1961 г. R. Lipson с соавторами сообщили о фотодинамическом лечении рецидива опухоли грудной железы с применением производных протопорфирина IX [21].

Данные исследования продемонстрировали возможность флуоресцентной диагностики опухолей с помощью производных протопорфирина. Однако применение их в качестве фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии (ФДТ) было затруднено из-за высокой кожной фототоксичности [16].

Большой вклад в применение ФДТ для лечения опухолей внес Т. Dougherty. В 1978 г. он сообщил о результатах успешного применения метода ФДТ с фотосенсибилизатором «Photofrin I» (смесь производных гематопорфирина, в основном тримеров) для лечения 25 больных с плоско- и базальноклеточным раком кожи, метастазами меланомы и рака молочной железы [22]. В 1984 г. Т. Dougherty с соавторами [23] выделили активную фракцию протопорфирина и дали ей название «Photofrin II», которая отличалась от «Photofrin I» не только повышенной селективностью накопления в опухолях, но и более выраженным противоопухолевым эффектом, что позволило снизить вводимую дозу фотосенсибилизатора без ущерба для эффективности лечения.

В современных клинических исследованиях установлено, что многие порфирины проявляют положительный эффект при лечении и диагностики рака [24-32], радиационных поражений [33-35], неврологических нарушений [36-40], кожных, глазных, бактериальных [41-43], вирусных заболеваний [4447], а также малярии [48, 49], то есть в тех областях практической медицины, где наиболее актуален поиск новых специфических средств лечения и профилактики трудно излечимых болезней.

Применяемые в клинической практике препараты, содержащие порфирин, представляют собой, в основном, соединения, выделенные из природного сырья или близкие по строению к природным веществам.

В настоящее время в медицине в качестве фотосенсибилизаторов для ФДТ применяются препараты на основе протопорфирина IX - «Photofrin» для лечения синдрома Баррета, эндобронхиального рака легкого, обструктивного рака пищевода, аденокарциноми пищевода, рака и дисплазии шейки матки, рака мочевого пузыря [50]. «Photofrin» также проходит предклинические исследования для лечения ранней стадии рака пищевода, рака мозга и шеи, как вспомогательное вещество при терапии опухоли мозга, плевральной мезотелиомы (внутригрудной опухоли), внутрибрюшной опухоли и холангиокарциномы [18, 51]; «Photosan» - для лечения дисплазии шейки матки [50], «Photohem» - для лечения рака шейки матки, рака легкого, поверхностного рака желудка, эзофагальной аденокарциномы пищевода, (поверхностного рака мочевого пузыря) [50]. Препарат на основе тетра(.мет£г-гидроксифенил)хлорина - «Fosean», применяется для лечения паллиативного рака мозга и горла, а также проходит в настоящее время клинические испытания для лечения карциномы носоглотки [51]. Производные тетрабензопорфирина - «Visudyne» и «Verteporfin» испытывают для лечения возрастной макулярной дегенерации, а также для лечения рака поджелудочной железы, рака головного мозга, базально-клеточной карциномы, меланомы, опухоли головного мозга и центральной нервной системы [31, 51].

Множество оригинальных новых синтетических порфиринов остаются до сих пор неизученными как потенциальные физиологически активные вещества.

1.2. Порфирины металлов - биомиметики активных центров гемовых белков

Являясь аналогами (биомиметиками) активных центров оксидоредуктаз, порфирины находят в то же время широкое применение как

9

катализаторы окисления органических субстратов молекулярным кислородом [52], антиоксиданты - благодаря связыванию активных метаболитов кислорода, имитируя действие супероксиддисмутазы (СОД) и катал азы [38, 53-56], прооксиданты в железо-индуцированом пероксидном окислении липидов [57]. Основное внимание уделяется биомиметикам супероксиддисмутазы.

1.2.1. Биомиметики супероксиддисмутазы на основе порфиринов металлов

Гемовый белок СОД является необходимым ферментом, защищающим клетки от повреждающего действия супероксид анион-радикала (О2'), который относится к активным метаболитам кислорода (АМК) [58, 59]. Избыточное количество АМК и нарушение нормального функционирования систем антиоксидантной защиты вызывают усиленное окислительное повреждение биомолекул, что приводит к развитию дисфункции клеток и тканей организма (окислительному стрессу). Ряд биомолекул (Схема 1), входящих в состав мембран (ненасыщенные жирные кислоты, холестерин, боковые цепи аминокислот, таких как, триптофан, метионин и гистидин), быстро реагируют с кислородом и его активными метаболитами, поэтому мембраны считаются наиболее вероятными первичными мишенями, поражение которых ведёт к повреждению и гибели клеток [60-62].

Окислительное повреждение тканей играет ключевую роль в развитии многих заболеваний, является причиной повреждения ДНК, РНК, липидов, белков, и может быть прямым или непрямым инициатором развития опухолей, нейродегенеративных болезней (Альцгеймера, Паркинсона и др.), рассеянного склероза, ишемической болезни сердца, диабетических ангиопатий, аутоиммунных заболеваний, катаракты, сосудистых осложнений при сахарном диабете, заболеваний печени, других болезней тканей и некроза клеток [63-65].

н,с

н,с

холестерин

ненасыщенные жирные кислоты липидов

Н2М

ООН

-N4

гистидин

О",

о;

ын2 он

о ын2

мн^^о

триптофан

Большие перспективы в медицинском применении имеют биомиметики СОД и глутатионпероксидазы. Предпринимаются также попытки создания аналогов каталазы, способных функционировать в физиологических условиях.

СОД является ферментом, катализирующим дисмутацию супероксид анион-радикала (02'~) (уравнение 1):

2 02'~ + 2І-Ґ-►Ог + НгОг (1)

Высокоактивными и малотоксичными биомиметиками СОД являются комплексы некоторых азотсодержащих органических соединений с Мп, Бе, Zn, Си, и в первую очередь порфирины металлов, наиболее интенсивно изучаемые с точки зрения перспектив фармакологического применения. Значительный интерес вызывает возможность выявления антиоксидантов, специфически действующих на конкретные звенья процесса цепного

свободнорадикалыюго окисления, в целом, и пероксидного окисления липидов, в частности. Для дальнейших предклинических испытаний важен поиск таких веществ, которые, наряду с высокой эффективностью антиоксидантного действия, проявляли бы минимум побочных эффектов. Таким образом, важной задачей является получение веществ, которые сочетают действие различных классов антиоксидантов [66].

Характер действия комплексов порфиринов с металлами в качестве катализаторов и (или) ингибиторов зависит от природы металла. В реакциях окисления молекулы биосубстрата, промежуточные продукты и кислород могут активироваться путем координации, например, по атому железа или кобальта [52, 67]. Множество высокоэффективных систем, имитирующих действие СОД, представляют собой порфирины марганца, содержащие карбокси-, сульфо- и ТчГ-алкилпиридильные группы [68-72]. Обратимость редокс-превращении Мп"/Мпш в комплексе с порфиринами позволяет использовать их как мультиэлектронные акцепторы по отношению к Ог*. Найдено, что ,мезо-тетра(Тч1-метил-2-пиридил)порфирин Мп111 проявляет антиокислительный эффект по отношению к синергическому токсичному действию смеси железа и арахидоновой кислоты [57]. Порфирины металлов ингибируют пероксидное окисление липидов [71]. В то же время обнаружено, что .мезо-тетракарбоксипорфирины Ре1", Мп111, Со111, 2пи при действии противоракового препарата, образующего 02* и Н202 в присутствии О2, промотируют окислительный стресс в клетках кардиомиоцитов [73]. Кроме того, и2* связывается порфиринами железа и марганца, в отличие от комплексов с кобальтом и цинком.

Для объяснения активности данных соединений, предотвращающих апоптоз или некроз клетки, предполагается более сложный механизм, чем связывание реакционноспособных кислородных метаболитов. Экспериментальные данные позволяют предположить, что порфирины могут применяться при лечении заболеваний, связанных с возникновением

окислительного стресса организма, вызванного, например, х�