A vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői

Az acetátpufferben képződő vas(II)-porfirin komplex, valamint összehasonlításképp a szabad porfirin ligandum abszorpciós színképei a 36. ábrán láthatóak. Az acetátionok, főleg nagyobb koncentrációknál hatással vannak a porfirinek moláris abszorpciós

koefficiensére, ugyanis csökkentik azt. Ennek oka többek között a porfirin gyűrűk között létrejövő aggregáció, melyet a megnövekedett ionerősség elősegít azáltal, hogy az azonos töltésű részecskék között fellépő elektrosztatikus taszítás csökken. Mivel a vas(II)-porfirin komplexet csak nagy acetát koncentráció mellett sikerült előállítani, a színképek összehasonlíthatósága miatt a szabad porfirin ligandum színképe is azonos acetát koncentráció mellett került felvételre. A vas(II)-porfirin komplex elnyelési maximumánál (421 nm), 0,3 M acetátpufferben meghatározott moláris abszorpciós koefficiense:

ε^FeIITPPS4-=3,07×10⁵ M^-1 cm^-1. Ezen érték meghatározásakor az acetátionok jelenlétében kis mértékben, de mégis képződő vas(III)-porfirin komplex (annak ismert moláris abszorpciós koefficiense révén, iterációs módszerrel számolt) mennyiségét korrekció szempontjából figyelembe vettem. Tekintettel arra, hogy a lassú kompleképződési reakció miatt az egyensúlyi állapot elérése nem feltétlenül volt teljes, ezen érték az egyensúlyi állandó értékéhez hasonlóan alulbecsült.

A vas(II)-porfirin intenzív elnyelést mutat 421 nm-nél, mely a B(0,0) átmenetnek, vagyis a Soret sávnak felel meg. Az ehhez az átmenethez tartozó vibrációs átmenet, a B(1,0) sáv 400 nm-nél figyelhető meg. Az egy nagyságrenddel kisebb intenzitású Q sávok, tehát a Q(0,0) 597 nm-nél, míg a Q(1,0) 556 nm-nél találhatóak, melyek a Qx állapothoz rendelhetőek. Azonban egy további, az említett Q sávoknál is gyengébb intenzitású, valószínűleg szintén S0→S1 elektronátmenetből származó abszorpciós csúcs észlelhető

36. ábra. Az 3×10^-6 M szabad porfirint, 1,5×10^-4 M FeSO₄-ot és 0,3 M nátrium-acetát puffert (piros vonal) tartalmazó oldat abszorpciós színképe, 48 órás állás után.

523 nm-nél, és feltételezhető 490 nm körül. E két elnyelési sáv feltételezhetően a Qy

állapothoz rendelhetőek. Az 523 nm-nél megjelenő csúcs még éppen kivehető az abszorpciós színképben, ám a 490 nm-nél megjelenő elnyelési sáv léte már csak színképre illesztett Lorentz függvények alapján feltételezhető (lásd 37. ábra). Mivel ez utóbbi csúcs még így is olyan kis intenzitású, hogy hibahatáron belül esik, léte nem tekinthető bizonyítottnak. Elképzelhető, hogy az 523 nm-nél megjelenő csúcs valójában a Qx állapot második vibrációs átmenete, mely összhangban lenne a metalloporfirinek esetében feltételezett szimmetria növekedéssel (vagyis a Q állapotok felhasadásának megszűnésével).

Viszont, mivel a vas(II)-porfirin komplex SAT típusú (vagyis a központi atom a gyűrű síkján kívül helyezkedik el), a fém-nitrogén kötéshosszak nem feltétlenül egyenértékűek, mely által a Q sávok felhasadása bizonyos mértékben megmaradhat. Ha viszont a Q sávok felhasadása nem szűnik meg teljesen, a szabad porfirinhez hasonlóan a vas(II)-porfirin esetében is négy Q sáv feltételezhető, melyek közül a Qy állapothoz rendelhetőek intenzitása igen kicsi (ezen megfontolások alapján feltételezhető a 490 nm-nél illesztéssel észlelt sáv léte). A vas(II)-porfirin komplex Soret sávja vörös eltolódást, míg a Q sávjai kék eltolódást szenvednek a szabad porfirin ligandum (H2TPPS^4-) megfelelő sávjaihoz képest (lásd 30.

ábra). A színképben megjelenő elektronátmenetek nagyobb energiák irányába való elmozdulása, vagyis a HOMO-LUMO állapot közötti energia gát növekedése közvetve utal a fém-ligandum elektron pályák nagyobb fokú átfedésére, valamint ezáltal a komplex stabilitásának mértékére is. Így végeredményben nem meglepő, hogy a sík szerkezetű

37. ábra. A Fe(II)TPPS^4- komplex abszorpciós színképe, valamint annak sávjaira illesztett Lorentz függvények.

metalloporfirinek elnyelési sávjai kék eltolódást szenvednek. Ezzel szemben a sík szerkezettől eltérő, SAT típusú metalloporfirin komplexek abszorpciós viselkedése esetében a tapasztalat azt mutatja (pl. Hg²⁺, Tl⁺, Tl³⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ fémionok TPPS komplexei)^68,69,143,^, hogy a B sáv a kisebb energiák, míg a Q sávok a nagyobb energiák irányába tolódnak el a szabad porfirin sávjaihoz képest. Mivel e komplexek kinetikailag labilisak, ebből kifolyólag SAT típusúak, vagyis a B sáv vörös eltolódása nem meglepő.

A vas(II)-porfirin komplex viszonylag erős és karakterisztikus emissziót mutat. A két intenzív lumineszcencia sávot 608 nm és 656 nm-nél találjuk (lásd 38. ábra). E két emissziós sáv fluoreszcenciának tekinthető (S0←S1), mely az első szingulett gerjesztett állapotról a komplex alapállapotára, valamint annak vibrációs állapotára történő elektronátmenet eredménye. A vas(II)-porfirin komplex fluoreszcencia sávjai kék eltolódást szenvednek a szabad porfirin ligandum fluoreszcencia sávjaihoz képest, ami egyenes következménye az első szingulett gerjesztett állapot nagyobb energiák felé történt eltolódásának. A komplex fluoreszcenciájának kvantumhasznosítási tényezőjét meghatároztam mind a Soret sávon, mind az intenzívebb Q sávon gerjesztve (lásd 5. táblázat). Ehhez egy ismert kvantumhasznosítási tényezővel rendelkező vegyületet használtam referenciaként ([Ru(bpy)3]²⁺), a következő összefüggés alapján:

QFe(II)/QRu(II) = IFe(II)/IRu(II) × AFe(II)/ARu(II) × (nFe(II)/nRu(II))² (42)

38. ábra. A Fe(II)TPPS^4- komplex, valamint összehasonlítás képpen a H₂TPPS 4-ligandum korrigált emissziós színképe 0,3 M acetát pufferben (pH=6).

ahol a Q a kvantumhasznosítási tényező, I az emissziós csúcs alatti területe, A az adott komplex által elnyelt fényhányad, valamint n a komplexet tartalmazó közeg törésmutatója.

A fluoreszcencia hatásfoka – a várakozásnak megfelelően – a Q sávon (S1) történt gerjesztés esetén bizonyult nagyobbnak. Ez érthető, mivel az emisszió erről az állapotról következik be, tehát a B gerjesztett állapotból (S2) a lumineszkáló Q állapotra (S1) történő átmeneten kívül egyéb részfolyamatok is végbemehetnek, ami az emisszió hatásfokát csökkenti.

Egy fluoreszcenciát mutató molekula esetében egy adott elektronállapotához tartozó abszorpciós és emissziós sáv maximumainak különbségéből meghatározható a Stokes-féle eltolódás mértéke, vagyis a lumineszkáló állapot egyensúlyi magtávolságai és az alapállapotú komplex egyensúlyi magtávolságai közötti különbség. A vízoldható 5. táblázat: A Fe(II)TPPS^4- elnyelési- és kisugárzási színképeinek jellemző értékei, valamint a gerjesztett állapotú komplex és összehasonlításképp a H2TPPS^4- ligandum fotofizikai állandói.

H2TPPS^4- ligandum esetében ezen érték igen kicsi (lásd: 5. táblázat). Ez nem meglepő, mivel az elektronátmenet során az elektron egy kiterjedt, aromás, delokalizált molekulaorbitálról (π), egy hasonló molekulaorbitálra kerül (π*), így a gerjesztés során a teljes molekula szimmetriája (vagyis az egyensúlyi magtávolság) csak kis mértékben változik. A vas(II)-porfirin komplex esetében ezen érték kissé növekszik a szabad ligandumhoz képest, melynek oka az, hogy a porfirin gyűrű a SAT szerkezet miatt torzult, így a gerjesztés következtében a molekula szimmetriája, vagyis az egyensúlyi magtávolság effektíve nagyobb mértékben változik. Az S2 fluoreszcencia Stokes-féle eltolódása már nagyobb, ami az S2 gerjesztett állapot nagyobb energiájának, vagyis kiterjedtebb voltának következménye.

Egy további, igen gyenge emissziós sáv figyelhető meg a vas(II)-porfirin komplex emissziós színképében (390 nm-es gerjesztő fény hatására), 433 nm körül (lásd 38. ábra).

Ezen lumineszcenciás sáv a második szingulett gerjesztett állapotról az alapállapotra történő (S2→S0) elektronátmenetnek tulajdonítható. Az ilyen jellegű, magasabb energiájú gerjesztett állapotokról történő emisszió igen ritka jelenségnek számít. Hasonló emissziót figyeltek meg azonban többek között a hidrofób oldószerekben oldódó Zn(II)TPP¹⁴⁵ és H2TPP¹⁴⁶ (a vízoldható H2TPPS^4- ligandum esetében viszont nem tapasztaltam S2 emissziót), valamint a vízoldható Tl(III)TPPS^3- komplex esetében is¹⁴⁴. Az S2 emisszió hatékonyságának meghatározásában a komplex S1 emissziójának a már meghatározott kvantumhasznosítási tényezője használható belső referenciaként, szintén a (42) összefüggés alapján. Az S2

állapotról történő emisszió kvantumhasznosítási tényezője igen csekély (lásd 5. táblázat), mely összhangban van azzal a megfigyeléssel, hogy a gerjesztett állapot és az alapállapot közötti energiagát növekedésével a sugárzásos elektronátmenet valószínűsége, ezáltal az állapot élettartama és a folyamat kvantumhatásfoka is rohamosan csökken.

A vas(II)-porfirin komplex fluoreszcenciájának élettartamát időfelbontásos lézer-spektroszkópiai módszerrel határoztam meg. A szabad porfirinek fluoreszcencia élettartama az irodalomban megjelent tanulmányok alapján 10 ns körül van. A metalloporfirinek esetében ezen érték csökken, körülbelül 2 ns-ra⁴³. Így a vas(II)-porfirin komplex fluoreszcencia élettartama esetében is ehhez közeli érték várható. Tekintettel az igen rövid élettartamokra, a vizsgálathoz nem volt szükség speciális előkészületekre, mint az igen hatékony oxigénmentesítés. A vizsgálatokat két különböző lézer rendszeren is elvégeztem, egy nagyobb félértékszélességű (~5 ns), valamint egy kisebb félértékszélességű impulzus generálására alkalmas, jobb feloldású rendszeren (~1 ns). A rosszabb feloldású rendszer esetében, mivel a vizsgált élettartam rövidebb, mint a lézer impulzus, a mérési eredmények

kiértékeléséhez dekonvolúciós eljárás alkalmazása is szükséges. Erre a célra a konvolúciós integrál használata alkalmasnak bizonyult, a következő összefüggés alapján:

(43)

ahol D(t) a mért jel, E(x) a gerjesztő lézerjel függvénye, a maradék tag pedig az exponenciális válaszfüggvény, melyben τ a keresett élettartam, K egy állandó, t az időskála és x a lézerjel x tengelyen vett helyzete.

A komplex fluoreszcencia élettartamát a fenti összefüggés alapján, iterációs módszerrel (Microsoft Office Excell, Solver modul) határoztam meg, míg a jobb feloldású PicoQuant berendezésen mért eredmények kiértékelése a készülék saját szoftverével, a Fluofittel történt. A 39. ábra szemlélteti a két lézerrendszerrel mért fluoreszcencia lecsengéseket, a

39. ábra. A Fe(II)TPPS^4- komplex fluoreszcencia állapotának idő spektruma 0,3 M acetátpufferben (pH=6), 1 ns-os (a) valamint 4 ns-os félértékszélességű lézer

impulzus esetében.

Dt=

∫

0 t

ExKexp[−t−x/]dx

lézerjeleket (a és b ábra), valamint a konvolúciós integrál alapján illesztett függvényt (b. ábra), az idő függvényében. A fluoreszcencia élettartamok mind a két lézer rendszer esetében közel azonosnak bizonyultak (lásd 6. táblázat), mely jelzi, hogy a lézerimpulzusnál rövidebb élettartamok is biztonságosan meghatározhatóak pontos dekonvolúciós eljárás segítségével. A vas(II)-porfirin komplex mért fluoreszcencia élettartama majdnem egy nagyságrenddel kisebb mint a szabad ligandumé.

6. táblázat: A Fe(II)TPPS^4- komplex és összehasonlításképp a H2TPPS^4- ligandum fluoreszcencia élettartamai különböző lézerrendszeren mérve.

Ám ezen értékek a bruttó lecsengési folyamatra jellemzők, nem pedig az adott sugárzó, molekuláris részfolyamatra, így nem összehasonlíthatóak. A fluoreszcencia, vagyis az S1→S0 átmenet sebességi együtthatója (kS1), majd az alapján annak radiatív élettartama (természetes élettartam) meghatározható a fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezőjéből (ΦS1) és a mért, bruttó élettartamból (τm) a következő összefüggések alapján:

(44) (45) A vas(II)-porfirin komplexre, valamint a H2TPPS^4- ligandumra kapott radiatív fluoreszcencia (τS1) értékek (lásd 6. táblázat) alapján látható, hogy a lumineszkáló S1

elektronállapot élettartama valójában nő a komplexben. Ez azt jelenti, hogy a vas(II)-porfirin S1 gerjesztett állapotának energiavesztési folyamataiban előtérbe kerülnek az egyéb, sugárzásmentes átmenetek.

A képződött vas(II)-porfirin komplex nagy valószínűséggel nagyspinszámú központi atomot tartalmaz, mivel UV-VIS abszorpciós színképe megegyezik a nagy ionrádiuszú Hg(II) vagy Tl(I)-porfirin komplexekével, valamint a vas(II)ionok különböző

k_S1=Φ_S1/τ_m τ_S1=k

S1−1

spinmiltiplicitású állapotai közül csak a nagyspinszámú az, mely esetében SAT szerkezetű komplex képes kialakulni (kisspinszámú központi atom esetén normál, sík szerkezetű komplexnek kellene képződnie^8,9,120).

A 40. ábra reprezentálja a vas(II)-porfirin komplex általam javasolt energiaszint diagramját, melyen a magasabb energiájú, UV tartományba eső átmeneteket nem tüntettem fel. Mivel a komplex nem mutat foszforeszenciát, az első triplett gerjesztett állapot (T1) energiája csak tájékoztató jellegű, továbbá tranziens abszorpciós vizsgálatok híján a T1-Tx

átmenetek energiái is csak becsültek. Ám irodalmi adatok^43,51,147 és a nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelékező, szintén SAT szerkezetű cink-porfirin vizsgálata alapján (a méréseket Valicsek Zsolt PhD hallgató végezte) a triplett állapotok jelenléte, továbbá a 460 nm körüli tranziens abszorpciós maximum (T1-T3 átmenet) valószínűsíthető a vas(II)-porfirin esetében is.

A Fe(II)TPPS^4- komplex esetében tapasztalt viszonylag intenzív fluoreszcencia, valamint annak viszonylag hosszú élettartama némiképp meglepő, ugyanis a nyílt elektronhéjú központi atomot tartalmazó metalloporfirinek általában nem, vagy csak rendkívül gyenge, 10^-4-nél is kisebb kvantumhasznosítási tényezőjű lumineszcenciát

40. ábra. A Fe(II)TPPS^4- komplex Jablonski típusú energiaszint diagramja (a triplett álllapotok csak feltételez ettek).

mutatnak^148,149 . Azonban, bizonyos esetekben még a paramágneses központi atomot tartalmazó porfírin komplexek is mutatnak számottevő fluoreszcenciát (ΦS1 < 10^-3), mint például a mangán(II)¹⁵⁰, vagy a lantán(III)¹⁵¹ porfirinek. A normál típusú, szabályos sík szerkezetű metalloporfirinek esetében tapasztalt, meglehetősen gyenge fluoreszcencia azzal magyarázható, hogy a központi atom betöltött eg(dπ) orbitáljai részben átfednek a porfirin ligandum üres π pályáival, növelve ezzel a spin-pálya csatolás mértékét, mely a fluoreszkáló S1 állapot élettartamának csökkenéséhez, valamint a nem sugárzó energiavesztési folyamatok előtérbe kerüléséhez vezet¹⁵². Viszont a vízoldható, a sík szerkezettől eltérő, SAT típusú metalloporfirinek esetében a központi atom és a porfirin gyűrű közötti gyengébb kölcsönhatás miatt (mely a nagyobb kötéstávolság és torzult kötés szögek következménye) a ligandum elektronszerkezetében csak kismértékű perturbáció jön létre. Így ezen komplexek fotofizikai és kémiai tulajdonságait elsősorban a porfirin gyűrű π elektronrendszere, valamint a gyűrű torzulásának mértéke határozza meg, befolyásolva ezzel a π és π*

elektronállapotok energiaszintjeit is. Ezen feltételezést több, különböző nehéz fémionokat tartalmazó metalloporfirin komplexen végzett tanulmány is megerősíti, mint például Pd(II)TPPS^4-, Pt(II)TPPS^4-153, Hg(II)TPPS^4-143, valamint a Tl(I)2TPPS^{4- 78} komplexek. Az utóbbi két komplex tipikusan SAT szerkezetű metalloporfirin, vagyis a központi atom a gyűrű síkján kívül helyezkedik el. E komplexek fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezője, a vas(II)-porfirin komplexéhez hasonlóan, a szabad porfirin ligandum kvantumhasznosítási tényezőjével azonos nagyságrendű. E vízoldható metalloporfirineknek az abszorpciós és az emissziós színképe is nagy fokú hasonlóságot mutat (vagyis a jellemző sávok azonos hullámhossznál találhatók), mely jelzi, hogy a komplexek azonos (SAT) szerkezettel rendelkeznek. Továbbá ezen eredmény megerősíti a vas(II)-porfirin SAT szerkezetének, valamint nagy-spinszámú elektronszerkezetének voltát is. Ugyanakkor a fenti feltételezéssel összhangban, a Tl(III)TPPS^3- komplex emissziójának kvantumhasznosítási tényezője már több mint két nagyságrenddel kisebb, mint a fent említett komplexeké⁶⁸. Ebben az esetben ugyanis a komplex szerkezete már közel azonos a normál típusú, sík szerkezetű komplexekével, így a központi atom és a porfirin ligandum között kialakuló erősebb kölcsönhatás miatt nő a spin-pálya csatolás mértéke is.

Tekintettel arra, hogy a vas(II)-porfirin komplex csak kis mennyiségben állt rendelkezésre, valamint a komplex fény hatására hatékonyan és irreverzibilisen elbomlik (lásd a vas(II)-porfirin komplex fotokémiai jellemzői fejezetet, 81. oldal), tranziens abszorpciós vizsgálatokra nem került sor.