Электрокаталитическая активность тетрафенилпорфирина кобальта в реакции окисления оксида азота тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.00 ВАК РФ

62 11/96

& ^ Л ¥

КАНАДЗАВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНА КОБАЛЬТА В РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ОКСИДА АЗОТА

А.В.Кашевский

2002

Содержание

* Список сокращений 4

Глава 1. Введение 5

1-1. Роли оксида азота в биологических системах и методы, 6

применяемые для определения N0

1-2. Модифицирование электродов из углеродных материалов 9

металлопорфириновыми катализаторами редокс реакций N0

1-3. Представляемое исследование тетрафенилпорфирина 10 кобальта как катализатора окисления оксида азота

Список использованных источников 12

Рисунки 15

Глава 2. Поведение Н2ТРР и СоТРРС1 в нафионовой пленке и 17 каталитическая активность модифицированного электрода в реакции окисления оксида азота

2-1. Введение 18

2-2. Объекты и методы исследования 20

2-3. Результаты и обсуждение 23

2-3-1. Спектрофотометрические характеристики 23

тетрафенилпорфирина в растворах и в нафионовой пленке

2-3-2. Кислотно-основное равновесие Н2ТРР, допированного в 24

нафионовую пленку

2-3-3. Внедрение кобальта в Н2ТРР, допированный в нафион 27

2-3-4. Электрохимическое окисление оксида азота 29

2-3-5. Амперометрическое определение оксида азота 32

2-4. Тезисы 34

Список использованных источников Таблица и рисунки

35 38

Глава 3. Электрокаталитические свойства ляезо-тетрафенилпорфирина 50 кобальта в реакции окисления оксида азота в метанольном растворе и в нафионовой пленке

3-1. Введение 51

3-2. Объекты и методы исследования 53

3-3. Результаты и обсуждение 56

3-3-1. Взаимодействие порфиринового комплекса кобальта с 56

N0 в метанольных растворах

3-3-2. Взаимодействие порфиринового комплекса кобальта с 61 N0 в нафионовой пленке

3-4. Тезисы 65 Список использованных источников 66 Таблица, рисунки и схема 69

Глава 4. Заключительная 84

4-1. Выводы 85 4-2. Публикации и доклады 87

Благодарности 89

* Список сокращений

Bu, (butyl) бутил

ESR, (electron spin resonance) ЭПР

FTIR, (Fourier transform infra red) ИК спектроскопия с Фурье

преобразованием

GC, (glassy carbon) стеклоуглерод

PBS, (phosphate buffer solution) фосфатный буферный раствор

PET, (polyethylene terephthalate) полиэтилен терефталат

R, (alkyl) алкил

SCE, (saturated calomel electrode) насыщенный каломельный электрод

TB AP, (tetrabutylammonium Perchlorate) тетрабутиламмоний перхлорат

ТРР, (meso-Tetraphenylporphyrin) тиезо-Тетрафенилпорфирин

Глава 1. Введение

1-1. Роль оксида азота в биологических системах и методы, применяемые для определения N0

Многие макромолекулы, такие как белки, липиды и нуклеиновые кислоты, участвуют в большинстве биологических процессов, происходящих в природе, выполняя при этом регулирующую функцию. Однако, относительно недавно был открыт новый тип биологического регулятора. Было показано, что реакционноспособная, чрезвычайно нестабильная двухатомная молекула оксида азота (N0), который является газом в физиологических условиях, выполняет важные функции в физиологии млекопитающих [1-6].

Выделяют три важных функции N0, продуцируемого в живых организмах:

(1) обеспечение антимикробной и антиопухолевой активности лейкоцитов различных типов [4];

(2) вазодилатация (расширение сосудов), в которой N0 известен как расслабляющий фактор, производимый клетками эндотелия, ЕБЕР [7];

(3) участие в передаче нервных импульсов в головном мозге и периферийной нервной системе [6].

Прямым следствием последней функции является фундаментальная роль, которую N0 играет в невротически-стимулируемым физиологическом расслаблении кишечника [8] и в эрекции [5].

С идентификации оксида азота как фактора расслабления (ЕОИЕ) начался лавинообразный процесс изучения N0 в биологических системах. Одна из трудностей, связанных с изучением и определением N0, - это малая величина периода его полураспада в физиологических растворах (приблизительно 6 с) [1], и то, что N0 может быть легко окислен кислородом до нитрита (N02") и нитрата (N03 ) [9]. Вследствие этого большинство известных методов определения N0 являются косвенными и основываются на химическом обнаружении продуктов окисления, выделяемых в биологических системах [10]. Известны, правда, и другие типы биодатчиков, использующие физиологические эффекты N0,

например, расслабление кровеносных сосудов [7,11], стимулирование гуанилат цикл азы [12] или антиагрегационной активности [13]. Измерения концентраций L-цитруллина, биопродукта синтеза N0, также использовались для оценки количества продуцируемого N0 [14]. Хемилюминесцентный метод, основанный на реакции N0 с Н2О2, считается одним из наиболее чувствительных и, кроме того, позволяет вести измерения в режиме реального времени [15]. Однако ни один из этих методов не может использоваться для мониторинга N0 ш vivo.

Имеется также обширная литература по определению N0 в воздухе как части общего контроля оксидов азота (N0X) применительно, прежде всего, к мониторингу загрязнения атмосферы [16-18].

Рост интереса к прямому определению NO in vivo требует высокочувствительного и селективного метода для измерения малых концентраций N0. Благодаря высокой чувствительности, электрохимические методы особенно перспективны для развития аналитических подходов к мониторингу NO, а использование микроэлектродов позволяет эффективно и неразрушительно вести измерения in vivo [19,20].

Окислительно-восстановительные свойства N0 позволяют проводить его прямое окисление при потенциалах близких к +0.80 В (относительно SCE), на платиновом электроде [21], хотя нитрит, аскорбат и другие (обычно анионные) частицы могут серьезно мешать количественному определению. Влияние нитрита наиболее велико, так как он не только окисляется при потенциалах, близких к потенциалам окисления N0, но и, кроме того, это - один из преобладающих продуктов окисления N0. С другой стороны, аскорбат, окисляется при значительно менее положительных потенциалах и, таким образом, обусловливает высокий фоновый ток. Кроме того, в измерениях in vivo адсорбция белков может также представлять трудности, блокируя поверхность электрода. Однако то, что N0 является газом, может служить основным фактором при создании аналитических методов для его селективного определения.

Известны несколько работ, нацеленных на развитие электрохимических

датчиков для определения N0. Так, в работе [22] сообщено о создании датчика, основанного на миниатюрном электроде Кларка, в котором платиновый электрод и серебряный электрод сравнения помещены внутри микропипетки, заполненной электролитом. Открытый конец пипетки запечатан тонкой мембраной из хлоропренового каучука, допускающей проникновение газов (в том числе N0) к рабочему электроду, одновременно исключая доступ других веществ. Определение основано на окислении N0 при +0.80 В. Использование такого датчика позволило получить данные о синтезе N0 в срезе ткани мозжечка крысы. Имеются, однако, некоторые существенные недостатки в этом проекте, среди которых трудность подготовки и недолговечность датчика являются наиболее существенными.

В работах [23,24] показано, что микроэлектроды из углеволокна, модифицированные электрополимеризацией на поверхности пленки тетракис(3-метокси-4-гидроксифенил)порфирина никеля и затем покрытые слоем нафиона, пригодны для ш vivo измерений N0 даже в отдельных клетках эндотелия легочной артерии свиней.

Принимая во внимание физико-химические свойства N0, существенным требованием к амперометрическому датчику является возможность создания на поверхности электрода покрытия, представляющего собой тонкий слой модификатора, который позволяет осуществлять транспорт через покрытие малых (но не больших) молекул. Кроме того, такой модифицирующий слой должен позволять осуществлять ионный транспорт, чтобы обеспечить проводимость слоя. Последнее условие делает необходимым использование для модификации ионообменников или композитных материалов, где, по крайней мере, один из компонентов ионный. Еще одним требованием является нерастворимость модифицирующего агента в водной фазе. Хотя, в принципе, ионообменный компонент может быть катионным или анионным, тот факт, что большинство веществ, мешающих определению N0, являются анионами (например N02") или отрицательно заряжены при физиологических значениях рН, делает

использование анионных модификаторов желательным и/или оптимальным.

Датчик для прямого определения N0, основанный на его окислении на электродах, модифицированных нафионом (рис. 1-1 А), удовлетворяет вышеупомянутым требованиям. Роль нафионовой пленки состоит в том, чтобы исключить анионные частицы типа N02", которые, как указано выше, мешают количественному определению оксида азота. Применимость электродов, модифицированных нафионом, для исключения отрицательно заряженных частиц, была продемонстрирована ранее в работах [25-27].

1-2. Модифицирование электродов из углеродных материалов металлопорфириновыми катализаторами редокс реакций N0

Металлофталоцианины и металлопорфирины нашли широкое применение в качестве электрохимических катализаторов, позволяющих улучшить вольтамперометрический отклик N0 [28-30]. Тем не менее механизм катализа и, особенно, роль металла в гетероцикле до сих пор остаются не выясненными. Металлопротеины, такие, как цитохром с [31], гемоглобин и миоглобин [32-34], также использовались как электрокатализаторы при определении N0. Недавнее исследование витамина В12 [35] является одним из немногих примеров использования кобальт-содержащего электрокатализатора для восстановления и окисления N0.

Несколько методов иммобилизации металлопорфиринов на электродной поверхности были специально разработаны применительно к электрокатализу редокс реакций N0. Среди них электрополимеризация металлопорфиринов и полипироллов, допированных (специальным образом дополненных) металлопорфиринами, использовалась наиболее широко [23,29,30,36-40]. Имеются противоречивые данные о необходимости наличия металла в таких электрополимеризованных катализаторах [36,39]. Альтернативные методы

модификации электродов основаны на использовании интересной и перспективной стратегии покрытия поверхности электрода ионообменным полимером, допированным редокс катализатором [41]. В этом методе модифицирования электрода металлопорфирины применялись для катализа различных редокс реакций [40,42-44]. Применительно к исследованиям N0 упомянутая стратегия реализовывалась либо посредством сорбции положительно заряженных водорастворимых порфиринов сульфонатными группами нафиона [43], либо приготовлением раствора, содержащего и нафион, и металлопорфирин, с последующим осаждением пленки допированного нафиона [44]. Преимущество последнего метода - его применимость для металлокомплексов гидрофобных и незаряженных порфиринов, таких, как л^езо-тетрафенилпорфирин (Н2ТРР) (рис. 1-1Б).

Особый интерес представляет тактика внедрения ионов металла в порфириновое кольцо, предварительно иммобилизованное на поверхности, позволяющая получить модифицирующую пленку с заданными свойствами. Такое постадийное приготовление пленок, обладающих каталитической активностью, было успешно реализовано в различных системах, например, для порфиринов, распределенных в полимерных материалах [42,45], и даже для порфиринов, образующих монослой на электродной поверхности [46]. Во всех случаях металлирование осуществлялось при относительно высоких температурах.

1-3. Представляемое исследование тетрафенилпорфирина кобальта как катализатора окисления оксида азота

В настоящем исследовании пленка нафиона использовалась и как мембрана, препятствующая побочным процессам окисления нитрит ионов, и как носитель катализатора, распределенного в объеме пленки (рис. 1-1В). Для приготовления

модифицирующей пленки на поверхности стеклоуглеродного электрода был предложен новый способ допирования нафиона тетрафенилпорфирином кобальта [47]. Этот двустадийный метод состоит из 1) пред-допирования пленки нафиона Н2ТРР и 2) металлирования порфиринового кольца посредством выдержки пленки в водном растворе СоС12 (рис. 1-2). Эта пошаговая методика предотвращает деметаллирование металлопорфирина и позволяет, таким образом, преодолеть возможный недостаток одностадийного допирования [44]. С другой стороны, в отличие от метода Ансона [45], предлагаемая дву стадийная методика ведет к импрегнированию металлопорфирина как в гидрофильную, так и в гидрофобную части пленки нафиона.

В Главе 2 кислотно-основное равновесие Н2ТРР, допированного в пленку нафиона, было исследовано с помощью титрования в буферных растворах. Внедрение кобальта в кольцо порфирина, распределенного в пленке нафиона, было достигнуто при комнатной температуре. Методом циклической вольтамперометрии была исследована электрокаталитическая активность полученной пленки в реакции окисления N0 на модифицированном стеклоуглеродном электроде в сравнении с другими способами приготовления модифицирующей пленки. Было подтверждено участие центров кобальта в электрокаталитическом окислении N0. Результаты этого электрохимического исследования были использованы для выработки условий амперометрического определения N0 в деаэрированном фосфатном буферном растворе и позволили улучшить чувствительность сенсорного электрода по сравнению с таковой для стеклоуглеродного электрода, покрытого пленкой чистого нафиона.

В Главе 3 реакция N0 с тетрафенилпорфирином кобальта была изучена в модельных метанол-содержащих растворах и в нафионовой пленке. Образование комплекса Со11ТРР(1ЧО) в реакции восстановительного нитрозолирования и последующее электроокисление этого комплекса были исследованы различными методами, что позволило предложить схему возможного механизма окисления N0 в изученных условиях.

Список использованных источников

[1] S.H. Snyder, D.S. Bredt, Sei. Am., May (1992) 68.

[2] M.A. Marietta, Trends Biochem. Sei., 14 (1989) 488.

[3] J.S. Stamler, D.J. Singel, J. Loscaizo, Science, 258 (1992) 1898.

[4] C.F. Nathan, J.B. Hibbs, Curr. Opinion Immunol., 3 (1991) 65.

[5] A.L. Burnett, C.J. Lowenstein, D.S. Bredt, T.S.K. Chang, S.H. Snyder, Science, 257(1992) 401.

[6] S.R. Vincent, B.T. Hope, Trends Neurosci., 15 (1992) 108.

[7] R.M.J. Palmer, A.G. Ferrige, S. Moncada, Nature, 327 (1987) 524.

[8] J. Garthwaite, Trends Neurosci., 14 (1991) 60.

[9] M. Keim, M. Feclish, R. Spahr, H.M. Piper, E. Noak, E. Schurader, J. Biochem. Biophys. Res. Commun., 154 (1988) 236.

[10] L.C. Green, D.A. Wagner, J. Glogowski, P.L. Skipper, J.S. Wishnok, S.R. Tannenbaum, Anal. Biochem., 126 (1982) 131.

[11] R.M.J. Palmer, D.S. Ashton, S. Moncada, Nature, 333 (1988) 664.

[12] R.G. Knowles, M. Palacios, R.M.J. Palmer, S. Moncada, Proc. Natl. Acad. Sei. USA, 86 (1989) 5159.

[13] D. Salvemini, G. De Nucci, R.J. Gryglewski, J.R. Vane, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 86 (1989) 6328.

[14] G. Guthorlein, J. Knappe, Anal. Biochem., 26 (1968) 188.

[15] K. Kikuchi, T. Negano, H. Hayakawa, Y. Hirata, M. Hirobe, Anal. Chem., 65 (1993)1794.

[16] M.K. Freeman, L.G. Bachas, Anal. Chim. Acta, 256 (1992) 269.

[17] K. Eguchi, T. Hashiguchi, K. Sumiyoshi, H. Arai, Sensors Actuators B, 1 (1990) 154.

[18] M.S. Nieuwenhuizen, A.T. Nederlof, Anal. Chem., 60 (1988)236.

[19] F. Bailey, T. Malinski, F. Kiechle, Anal. Chem., 63 (1991) 395.

12

[20] T.K. Chen, Y.Y. Lau, D.K.Y. Wong, A.G. Ewing, Anal Chem., 64 (1992) 1264.

[21] J.T. Maloy, A.J. Bard, R. Parsons, T. Jordan (Eds.), Standard Potentials in Aqueous Solution, Marcel Dekker, New York, 1985, Chapter 7.

[22] K. Shibuki, Neurosci. Res., 9 (1990) 69.

[23] T. Malinski, Z. Taha, Nature, 358 (1992) 676;

[24] T. Malinski, Z. Taha, S. Grunfeld, A. Burewicz, P. Tomboulian, F. Kiechele, Anal Chim. Acta, 279 (1993) 135.

[25] R.M. Wightman, C. Amatore, R.C. Engstrom, P.D. Hale, E.W. Kristensen, W.G. Kuhr, L.J. May, Neuroscience, 25 (1988) 513.

[26] E.W. Kristensen, W.G. Kuhr, R.M. Wightman, Anal. Chem., 59 (1987) 1752.

[27] F. Pariente, J.L. Alonso, H.D. Abruna, J. Electroanal. Chem., 379 (1994) 191.

[28] S. Moncada, R.J.J. Palmer, E.A. Higgs, Biochem. Pharmacol., 38 (1989) 1709.

[29] S. Trevin, F. Bedioui, J. Devynck, Talanta, 43 (1996) 303.

[30] F. Bedioui, S. Trevin, V.Albin, M.G.G. Villegas, J. Devynck, Anal. Chim. Acta, 341(1997)177.

[31] D.J. Blyth, J.W. Ayott, J.W.B. Moir, D.J. Richardson, D.A. Russell, Analyst, 124 (1999) 129.

[32] E.H. Lan, B.C. Dave, J.M. Fukuto, B. Dunn, J.I. Zink, J.S. Valentine, J. Mater. Chem., 9 (1999) 45.

[33] M. Bayachou, R. Lin, W. Cho, P. Farmer, J. Am, Chem. Soc., 120 (1998) 9888.

[34] R. Lin, M. Bayachou, J. Greaves, P.J.Farmer, J. Am. Chem. Soc., 119 (1997) 12698.

[35] S.L. Vilakazi, T. Nyokong, Electrochim. Acta, 46 (2000) 453.

[36] F. Lantoine, S. Trevin, F. Bedioui, J. Devynck, J. Electroanal. Chem., 392 (1995) 85.

[37] S. Trevin, F. Bedioui, J. Devynck, J. Electroanal. Chem., 408 (1996) 261.

[38] Ciszewski, E. Kubaszewski, L. Lozynski, Electroanalysis, 8 (1996) 293.

[39] D.A. Wink, D. Christodoulou, M. Ho, M.C. Krishna, J.A. Cook, H. Haut., J.K. Randolph, M. Sullivan, G. Coia, R. Murray, T. Meyer, Methods, 7 (1995) 71.

[40] F. Bedioui, Y. Boucher, C. Sorel, J. Devynck, L. Coche-Guerente, A. Deronzeir, J. C. Moutet, Electrochim. Acta, 38 (1993) 2485.

[41] R.W. Murray, in: R.W. Murray (Ed.), Molecular Design of Electrode Surfaces, Techniques of Chemistry Series, vol.XXII, Wiley, New York, 1992, Ch. 1.

[42] O. Ikeda, K. Okabayashi, N. Yoshida, H. Tamura, J. Electroanal. Chem., 191 (1985) 157.

[43] J. Hayon, D. Ozer, J. Rishpon, A. Bettelheim, J. Chem. Soc. Chem. Commun., (1994) 619.

[44] Kitajima, M. Miyake, T. Kobayashi, H. Koyama, O. Ikeda, K. Kijima, T. Komura, A. Uno, A. Yamatodani, Electrochemistry, 67 (1999) 784.

[45] D.A. Buttry, F.C. Anson, J. Am. Chem. Soc., 106 (1984) 59.

[46] N. Nishimura, M. Ooi, K. Shimazu, H. Fujii, K. Uosaki, J. Electroanal. Chem., 473 (1999) 75.

[47] A.V. Kashevskii, A.Y. Safronov, O. Ikeda, J. Electroanal. Chem., 510 (2001) 86.

в

са. 40А

1К1 1>1>

Гидрофильный канал нафиона

- 80; J

1М"Р1> ч-

П-.ТГЧ'

........—

1ЫРР

11 Г Р Р

77////'/// / /

/ / / / Поверхность электрода / / / /

Рис. 1-1. Химические структуры нафиона (А), /иезо-тетрафенил порфирина (Б) и схематическое строение нафионовой пленки, допированной катализатором (В).

Одностадийный метод

1. Пред-допярование нафиона металлированным СоТРРС!

Двустадийный (предлагаемый) метод

1. Пред-допирование Н2ТРР

2. Пост-металлирование

Трехстадайный метод (Ансона)

1. Приготовление пленки чистого нафиона

2. Пост-допирование Н2ТРР

3. Пост-металлирование

Раствор нафнон+СоТРРС!

Раствор нафион+Н2ТРР

растворителя

Нафионовая пленка, дотированная СоТРР (возможность деметаллирования)

Выпаривание растворителя

1

пленка нафиона, допированная ЩТРР2+

Металлирование I в водном растворе

\ СоС12 /

\ /

Нафионовая пленка, допированная СоТРР

растворителя

Допирование Н4ТР�