A vas(III)-porfirin komplex képződése vas(II)ionok jelenlétében

A szabad porfirint (H2TPPS^4-, 3×10^-6 M), valamint ötvenszeres feleslegben vas(II)-szulfátot (1,5×10^-4 M) tartalmazó oldatok elegyítésekor egyensúlyi reakcióban valamilyen metalloporfirin képződik a (19) reakció szerint (+2-es oxidációs fokú fémiont feltételezve), mivel a szabad porfirin kiindulási elnyelési színképe megváltozik (16. ábra).

M²⁺ + H2TPPS^4- → MTPPS^4- + 2H⁺ (19)

Ezek alapján feltételezhető, hogy a képződött metalloporfirin vas(II) központi fémiont tartalmaz. Ám az irodalomban megtalálható, metalloporfirinekkel kapcsolatos spektrális adatok alapján a képződő metalloporfirin vas(III) központi fémiont tartalmaz (mely komplex abszorpciós sávjai vizes oldatban a 393, 528, valamint a 651 nm-nél jelennek meg^108,123). Így látszólag a következő reakció megy végbe, meglepő módon:

Fe²⁺ + H2TPPS^4- → Fe^IIITPPS^3- + 2H⁺ (20)

E folyamat (20) összhangban van azokkal az irodalomban is közölt korábbi megfigyelésekkel, melyek szerint a szabad porfirin ligandumok és bármilyen vas(II)só reakciójában vas(III)-porfirin volt a termék. Továbbá, mint ahogy az már említésre került, az irodalomban a vas(III)-porfirin képződését az első lépésben képződő vas(II)-porfirinnek a jelenlévő molekuláris oxigén axiális koordinációjával, majd oxidációjával magyarázzák a következő bruttó folyamat szerint^103,104:

4 Fe^IIP + O2 → 2 [PFe^III – O – Fe^IIIP] (21)

E kísérleteket megismételtük olyan körülmények között is, amikor az oldatokat igen hatékonyan oxigénmentesítettük. Ezen eljárást az úgynevezett Schlenck technikával valósítottuk meg, mellyel még a nyomokban jelenlévő oxigén molekulák is eltávolíthatók.

Ám a képződő porfirin-komplex döntő többsége mégis vas(III) központi fémiont tartalmazott (17. ábra). Ebből arra a következtetésre jutottunk, hogy a képződött vas(III)-porfirin nem származhat az ideiglenesen létrejövő vas(II)-vas(III)-porfirin és a nyomnyi mennyiségben jelenlévő molekuláris oxigén reakciójából.

A vas(III)-porfirin előállításával kapcsolatos, az irodalomban megjelent szinte összes közleményben azt találtuk, hogy valamilyen vas(II)-vegyületet, valamint szabad porfirin

16. ábra. 3×10^-6 M szabad porfirint (H₂TPPS^4-) és 1,5×10^-4 M vas(II)-szulfátot tartalmazó oldat elnyelési színképének változása a 12 órás reakcióidő alatt .

protonált porfirin 

ligandumot használnak kiindulási vegyületként108,124,125. Ezek alapján felmerül a kérdés, hogy vajon a vas(III) vegyületek reagálnak-e egyáltalán a porfirin ligandummal vagy sem.

Kísérleteim során azt tapasztaltam, hogy a vas(III)ionok és a szabad porfirin ligandum között nem játszódik le komplexképződési reakció (még több napos reakcióidő alatt sem).

Ennek oka az lehet, hogy a vas(III)ionok ilyen reakciókörülmények (a pH 5,5~5,9 körüli volt a puffert nem tartalmazó oldatokban) között többmagvú, polimer hidroxo-komplexek (esetleg kolloid csapadék) formájában vannak jelen^126,127, valamint a porfirin gyűrű

„torzulatlan” állapota miatt a vas(III)-porfirin komplex kialakulása rendkívül lassú. A rendszer savanyításával csökkenthető lenne a polimer vas(III)-hidroxo részecskék aránya és növelhető a reaktívabb monomer formáké (pl. a mono-hidroxo vas(III) komplex), ám ekkor a porfirin ligandum kerülne protonált állapotba (~5,5 pH-tól kezdődően), ami által szintén lassú lenne a vas(III)-porfirin képződése. Mindezek alapján az a következtetés vonható le, hogy az irodalomban közölt reakciómechanizmustól (21) eltérő folyamatok felelősek a vas(III)-porfirin kialakulásáért.

17. ábra. 3×10^-6 M szabad porfirint (H₂TPPS^4-) és 1,5×10^-4 M vas(II)-szulfátot tartalmazó oldat elnyelési színképének változása, Schelnck tecnikával oxigémentesített

rendszerben, 12 órás reakcióidő alatt.

5.1.2 A vas(II)-porfirin komplex képződése acetátionok jelenlétében

Megismételtem az alap komplexképződési reakciót (vagyis a szabad H2TPPS^4- ligandum és a vas(II)-szulfát reakcióját) olyan körülmények között is, amelyek esetében egy kialakult metalloporfirin molekulához valamilyen axiálisan koordinálódni képes ligandum is jelen volt a rendszerben. E ligandumok az aszkorbinsav, a formaldehid, a nitrogén-monoxid, a szulfocianid, a D-glükóz, a nátrium-fluorid, valamint az acetátionok voltak. A továbbiakban az acetátionok jelenlétében történt vizsgálatok eredményeit részletezem (a többi ligandummal végzett kísérletek eredményeit lásd később).

Az acetátionok jelenléte jelentősen befolyásolta a H2TPPS^4- és a vas(II)-szulfát között végbemenő komplexképződési reakciót. A 0,3 M acetátpuffer hatására az oldat abszorpciós színképében a vas(III)-porfirin komplexre jellemző elnyelési sávok helyett más hullámhosszakon jelentek meg intenzív sávok, nevezetesen 421, 556 és 598 nm-eknél (18. ábra). Ezen új spektrum karakterisztikája igen jól egyezik az in situ módon redukált vas(III)-porfirin komplexek elnyelési színképével¹⁰⁸. Ezek alapján, valamint tekintettel arra, hogy a rendszerben vas(II)-fémionok vannak, az acetátionok jelenlétében megjelenő új abszorpciós sávokat a vas(II)-porfirin komplex abszorpciós színképének tulajdonítom.

Mivel az acetátionok nem redoxiaktívak (vagyis nem reduktívak), az esetlegesen jelenlévő

18. ábra. 3×10^-6 M-os vas(II)-porfirin oldat elnyelési színképe (piros vonal), valamint összehasonlítás végett a 3×10^-6 M-os H₂TPPS^4- (fekete vonal) elnyelési színképei, 0,3 M

acetátpuffert tartalmazó vizes oldatban.

molekuláris oxigént nem képesek megkötni reakció révén, így a vas(II)-porfirin komplex kialakulásában más módon játszanak szerepet.

Mindezek alapján úgy gondoljuk, hogy az acetát nélküli rendszerben képződött vas(III)-porfirin komplexek központi atomját a vas(II)sót tartalmazó oldatokban szennyezésként kis mennyiségben jelenlévő vas(III) adják. Ám, mivel a jelenlévő vas(III) részecskék (többmagvú, polimer vas(III)-hidroxo komplexek) közvetlenül nem képesek a porfirin ligandummal vas(III)-porfirint képezni, a jelenlévő viszonylag nagy mennyiségű vas(II)ionok valamiképp katalizálják, gyorsítják e – tehát a Fe(III) és a H2TPPS^4- ligandumok között lejátszódó – komplexképződési folyamatot. Így lehetséges az, hogy még a legalaposabban oxigénmentesített oldatban is vas(III)-porfirin komplex lesz a végtermék.

Az irodalomban is ismeretes jelenség az, hogy bizonyos fémionok jelenlétében (mint például a Hg(II), Cd(II), Cu(II), valamint Pb(II) ionok) a kinetikailag inert, vagyis normál metalloporfirinek képződési sebessége jelentős mértékben megnő²⁹. Ezen katalitikus hatású fémionok tipikusan kinetikailag labilis, vagyis SAT jellegű komplexet képeznek porfirin ligandummal, akár csak átmenetileg (mint a Cu(II) ionok), akár időben állandóan (mint a Hg(II), Cd(II) és Pb(II) ionok). A SAT típusú metalloporfirinek esetében a központi atom

19. ábra. A vas(III)-porfirin képződés mechanizmusának egysz erűsített vázlata.

viszonylag nagy, így az a gyűrű síkján kívül helyezkedik el. Ezáltal a porfirin gyűrű torzul (nyereg, vagy kupola formájúvá), aminek eredményeképp koordinatíve jelentősen aktívabbá válik. A 19. ábra vázlatosan szemlélteti a vas(III)-porfirin katalitikus képződésének mechanizmusát (a porfirin gyűrű deformáltsága szándékosan eltúlzott, valamint a rajta található hidrogénatomok és a szulfonáto-fenil csoportok nem lettek feltüntetve). Jelen esetben tehát, az acetát nélküli rendszerben első lépesben a SAT típusú vas(II)-porfirin képződik. Ekkor bizonyos pirrol gyűrűk kifordulnak a síkból, a központi atommal átellenes oldalra. Így a rajtuk található nitrogén atomok σ donor molekulapályái könnyebben hozzáférhetőbbé válnak más fémionok, jelen esetben a vas(III)ionok számára. Mint már korábban említésre került, vas(III) vegyületből kiindulva közvetlenül nem alakul ki komplex a H2TPPS^4- ligandummal (legalábbis az általam alkalmazott egy hetes reakcióidő alatt), annak ellenére, hogy a vas(III)ion ionrádiusza alapján stabil, normál típusú (planáris) komplex képződhetne. Ám a porfirin gyűrű deformálódása után a vas(III)ionok könnyen koordinálódhatnak az első lépésben kialakult vas(II)-porfirin molekulához, mely során így (átmenetileg) egy kétmagvú, szendvics szerkezetű komplex képződik. Mivel a vas(III)ionok termodinamikailag jelentősen stabilabb komplexet képeznek a porfirin ligandummal (a megfelelő ionrádiusz miatt) mint a gyengén koordinálódó vas(II)ionok, a kétmagvú, átmenetileg képződő komplex hamar elbomlik. Ekkor a vas(II)ion disszociálódik, míg a vas(III)ionok elfoglalják a porfirin gyűrű közepét. E katalitikus folyamat addig tart, míg a porfirin ligandum teljes vagy jelentős mennyisége át nem alakul vas(III)-porfirinné. A porfirin ligandum torzulása által megnövekedett koordinációs hajlam egyébként igen jelentős. A porfirin ligandumhoz sztöchiometriai mennyiségben hozzáadott tallium(I)ionok (melyek szintén SAT komplexet képeznek a porfirinnel) esetében azt tapasztalták például, hogy kétmagvú (Tl(I)-HTTPS-Tl(I)) komplex képződött, míg a ligandum közel fele mennyisége szabadon maradt⁶⁸. Ez azt jelenti, hogy az első lépésben kialakuló SAT típusú Tl^IHTTPS^5- komplex koordinatíve aktívabb mint a szabad ligandum, így a még szabadon lévő Tl⁺ ionok inkább a SAT komplexhez kötődnek mint a szabad ligandumhoz. Ugyan a rendszerben jelenlévő vas(III)ionok jelentős mennyisége valószínűleg többmagvú, polimer vas(III)-hidroxo komplex formában van jelen, az előbbiek alapján a SAT típusú vas(II)-porfirin esetében is elképzelhető, hogy a megnövekedett koordinációs hajlam miatt az egyébként nem túl reakcióképes többmagvú vas(III)-hidroxo komplexeket megbontva stabil, normál típusú vas(III)-porfirint képezzen.

Tekintettel arra, hogy a porfirin ligandum koncentrációja csak 10^-6 M, míg a hozzáadott vas(II)ionok koncentrációja közel két nagyságrenddel nagyobb ennél, a

szennyezésként jelenlévő vas(III) mennyisége elegendő arra, hogy a porfirin teljes mennyiségét komplexbe vigye. Viszont a vas(II)ion-koncentráció feleslegének csökkentése a komplexképződés sebességének jelentős csökkenéséhez vezet. A levegő oxigénje a vas(II)ionok oxidációja révén tovább növelheti a vas(III)ionok mennyiségét.

Ugyanakkor acetátpuffer jelenlétében, gyengén savas körülmények között (pH=6) az acetátionok a vas(III)ionokkal egy igen stabil, többmagvú hidroxo-acetáto-komplexet, míg a vas(II)ionokkal csak gyenge komplexet képeznek (lásd 3. táblázat)¹²⁸. Ez nem meglepő, hiszen a „kemény” savnak számító, oxigéntartalmú acetátionok a „kemény”

3 táblázat: A vas(III)- ás vas(II)-acetáto-komplexek egyensúlyi állandóinak tízes alapú logaritmus értékei különböző ionerősségek mellett¹²⁸.

bázisnak számító vas(III)ionokkal képesek stabil komplexet alkotni, míg a „lágy” bázisnak számító vas(II)ionokkal nem. Ezáltal a monomer vagy többmagvú vas(III) részecskék még inertebbé válnak, maszkírozódnak, míg a vas(II)ionok továbbra is képesek valamilyen ligandummal, például a porfirin ligandummal komplexet képezni. Ilyen körülmények között képes a vas(II)-porfirin komplex kialakulni acetátpufferben és még levegő jelenlétében is stabil maradni. Nyilvánvaló, hogy az acetátionok által kialakuló többmagvú vas(III)-acetáto-hidroxo komplexet is képes lehet megbontani a koordinatíve aktív SAT vas(II)-porfirin, ám az acetát ligandumok nagyobb mérete miatt ennek erős sztérikus akadályai vannak.

Ezáltal a vas(III)-porfirin képződése oly mértékben lelassulhat, hogy az egyébként lassan képződő vas(II)-porfirinnek van ideje kialakulni és feldúsulni. Továbbá, acetátionok jelenlétében kolloid csapadék is megfigyelhető, ami azt jelzi, hogy a makromolekuláris, többmagvú vas(III)-acetáto-hidroxo komplex kiválik az oldatból, növelve ezzel a vas(II)-porfirin komplex képződésének esélyét (ám valószínűleg valamennyi ligandumot és komplexet is „magával visz” a kiválás során).

21. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képződésének mértéke az acetátpuffer koncentrációjának függvényében. A 3×10^-6 M szabad porfirin ligandum a különböz ő koncentrációjú acetátpuffer és a 1,5×10^-4 M vas(II)-szulfát 3,5 órai állása után került a rendszerbe. Ezek után 12 óra volt a reakcióidő

minden esetben.

20. ábra. A vas(II)-porfirin komplex képz ődésének mértéke az acetátpuffer és a vas(II)-oldat reakcióidejének függvényében. A 3×10^-6 M szabad porfirin ligandum a 0,3 M acetátpuffer és a 1,5×10

-4 M vas(II)-sz ulfát különböző ideig tartó állása után került a rendsz erbe. Ezek után 12 óra volt a reakcióidő minden esetben.

Felmerül azonban annak a lehetősége is magyarázatként, hogy az acetát ligandumok a már kialakult vas(II)-porfirinhez koordinálódva akadályozzák meg a vas(III) részecskék közelkerülését, így a vas(III)ionok nem tudnak beépülni a porfirin gyűrűbe, vagyis nem képződik vas(III)-porfirin. Ám ezen érvelés azért nem állja meg a helyét, mert kvantumkémiai számítások során kiderült (lásd A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell fejezetet, 85. oldal), hogy a vas(II)-porfirin egy acetát ligandum megkötése után koordinatíve telítetté válik. Ám ezen egy acetát ligandum a porfirin gyűrű ugyanazon oldalán tartózkodik, amelyen a vas(II) központi atom is kilóg a gyűrű síkjából.

Viszont a porfirin gyűrű a torzulás módja alapján éppen az ellenkező oldalán válik koordinatíve aktívabbá, amihez egy vas(III) részecske továbbra is gondtalanul közel férkőzhetne. Ezek alapján sokkal valószínűbb, hogy a vas(III) részecskék maszkírozódása a magyarázat arra, hogy acetátpuffer jelenlétében képződik vas(II)-porfirin.

A vas(III)ionok „megkötődésének”, valamint a vas(II)ionok „szabadon”

maradásának mértéke erősen függ a reakció körülményektől, úgy mint az acetátpuffer koncentrációjától, annak pH értékétől, sőt, még a puffer és a vas(II)ionok reakciójának idejétől is (azaz, hogy az acetátpuffer és a kiindulási vas(II) oldat elegyítésétől számítva mennyi idő után kerül a rendszerbe a porfirin ligandum). A puffer pH értékének növelésével a hidroxidion koncentráció növekedése végett, már a vas(II)ionok is erősebben kötötté válnak, ami lényegesen lelassíthatja a vas(II)-porfirin kialakulását. Az alkalmazott puffer koncentráció szintén fontos jellemző, mert bizonyos mennyiség fölött az acetátionok már a vas(II)ionokat is intenzíven megkötik, bizonyos mennyiség alatt viszont a vas(III)ionokat sem kötik meg elfogadható időn belül. Az acetátionok és a vasionok reakcióidejének hasonló hatásai vannak, vagyis túl hosszú reakcióidő miatt a vas(II)ionok is maszkírozódnak, míg rövid reakcióidők esetén a vas(III)ionok sem kötődnek meg megfelelően. Vagyis, ha túl nagy az acetátpuffer koncentrációja, vagy túl sokáig állt a puffer előzőleg a vas(II)-oldattal, a komplexképződési reakció a hozzáadott H2TPPS^4- ligandummal oly mértékben lelassul, hogy a 24 órás reakcióidő alatt gyakorlatilag nem képződik semmilyen komplex (vas(II)-porfirin sem). A 20. és a 21. ábra szemlélteti a vas(II)-porfirin komplex képződésének mértékét a vas(II)-szulfát és a puffer különböző reakcióidői, valamint a különböző acetátpuffer koncentráció mellett. A vas(II)-porfirin komplex legnagyobb mennyiségben 0,3 M acetátpuffer, valamint a vas(II)ionok és az acetátionok 3,5 órás reakciója mellett képződött (a H2TPPS^4- koncentráció a szokásos 3×10^-6 M, míg a kiindulási vas(II)-szulfát koncentráció ennek 50-szeres feleslege, vagyis 1,5×10^-4 M volt minden esetben).

A vas(II)ionok normál porfirinek képződését katalizáló tulajdonságához hasonló, úgynevezett „önkatalitikus” jelenséget figyeltek meg többek között például réz(I)ionok esetében is¹²⁹. Észrevették, hogy a réz(II)-porfirin komplexek képződésének sebességét akár négy nagyságrenddel (×10⁴) is gyorsíthatja az oldathoz adott fém réz. Ekkor ugyanis a fém réz és a jelenlévő réz(II)ionok szinproporcionálódási reakciójában Cu(I) ionok képződnek.

Mivel a réz(I)ionok (a viszonylag nagy ionrádiuszuk miatt) a porfirin ligandummal kinetikailag labilis, SAT jellegű komplexet képeznek, a porfirin gyűrű deformálódása által a Cu(II) ionok gyűrűbe ékelődése könnyebben végbemehet¹³⁰.

A vas(III)-porfirin komplex képződésének egy másik lehetséges módja is elképzelhető, mégpedig oly módon, hogy az első lépésben kialakuló vas(II)-porfirin komplex központi atomja, valamint egy, az oldatban szennyezésként jelenlévő valamilyen vas(III) részecske között elektronátadási reakció megy végbe. Tekintettel arra, hogy egy elektron átmenete a vas(II)-porfirinről egy, az őt megközelítő szabad vas(III)ionra elvileg könnyebben végbemehet, mint a két fémion komplett kicserélődése, továbbá, a standard redoxipotenciálok alapján még hajtóereje is van ezen elektronátadási folyamatnak, e lehetséges mechanizmust nem hagyhatjuk figyelmen kívül. A standard redoxipotenciálok értékei a következők: E(Fe^III(H2O)n/Fe^II(H2O)n=0,77 V)¹³¹ és E[Fe^III(H2O)TPPS] 3-/[Fe^II(H2O)TPPS]^4-=0,01 V)¹⁰⁸. Mivel a vas(II)-porfirin/vas(III)-porfirin pár standard redoxipotenciálja közel nulla, továbbá a hidratált vas(II)ion esetében a +2-es oxidációs állapot kedvezőbb, ezen elektronátmenet a vas(II)-porfirin és a vas(III)ionok között elvileg hatékonyan végbemehet. Azonban az acetátionok jelenlétében képződött vas(II)-porfirin komplex stabilnak bizonyult még a levegő oxigénjével valamint tiszta oxigénnel szemben is (pedig az acetátionok nem reduktívak, tehát az oxigént nem képesek megkötni). Ugyan ez még önmagában nem bizonyítja a szubsztitúciós folyamatot, tekintettel arra, hogy az acetátionok a kialakult vas(II)-porfirin komplexek axiális pozícióit lekötik, megakadályozva ezzel a molekuláris oxigén koordinációját, gátolva ezzel az oxidációt (lásd A vas(II)-porfirin komplex mint lehetséges hemoglobin modell fejezetet is, 85. oldal). Ám az a tény, hogy más, olyan nagy ionrádiuszú fémionok is katalizálják a normál porfirinek képződését, melyek szintén kinetikailag labilis, SAT típusú komplexet képeznek porfirin ligandummal, valamint elektronleadásra biztosan nem képesek (például a Hg²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺ ionok), ugyancsak a szubsztitúciós mechanizmust támasztják alá²⁹. Ráadásul, a Hg²⁺ ionokat mint ilyen jellegű katalizátort sikeresen alkalmazták például a vas(III)ionok meso-BrTPPS^6- komplexének előállításában is¹³². Mindezek alapján úgy gondolom, hogy ezen bizonyos elektronátmenet a Fe(II)TPPS^4- komplexről a Fe³⁺ ionokra mégsem kedvezményezett.

Az emberi szervezetben a molekuláris oxigén reverzibilis megkötése és szállítása semleges közegben (a pH értéke 7 körül van) zajlik. Ám, mivel az oxigén molekula megfelelő helyen történő leadása hidrogén-ion koncentráció által vezérelt (azáltal, hogy a koordinálódott oxigén molekulához közel eső hisztidin származék pirrol gyűrűjének nitrogén atomja protonálódik⁹), a pH értékének kitüntetett szerepe van e folyamatban.

Továbbá, kimutatták, hogy szerves közegben a vas(II)-porfirin csak akkor képes megkötni a molekuláris oxigént, ha az egyik axiális pozíciójában egy nitrogéndonor molekula, például egy imidazol molekula koordinálódott¹³³. Így hemoglobin funkciójának modellezésekor ezen tényeket figyelembe kell venni, vagyis célszerű hasonló körülményeket alkalmazni.

Továbbá a nitrogén donorként alkalmazott imidazol szintén csak 7-es pH érték körül tud ligandumként funkcionálni, ugyanis kisebb pH-n protonált formában van jelen. Viszont a nagyobb pH érték a vas(II)-porfirin komplex előállítása szempontjából nem előnyös, ugyanis a pH növekedésével nő a protonálatlan acetátionok és hidroxidionok koncentrációja, melyek a szabad vas(II)ionokat komplex képződés (acetáto és hidroxid) révén oly mértékben maszkírozzák, hogy a vas(II)-porfirin komplex képződése rendkívül lelassul. E reakciók visszaszoríthatók a rendszerhez nagy koncentrációban adott, a vas(II)ionokkal gyenge ionpárt képző kloridionokkal. Így a vas(II)-porfirin előállítása sikerült 7-es pH-jú, 0,3 M acetátpuffert tartalmazó rendszerben, mely 1 M NaCl -ot is

22. ábra. Az 1,5×10^-6 M H₂TPPS^4--t, 0,3 M acetátpuffert (pH=6) és 1 M NaCl-ot tartalmazó oldat abszorpciós színképe különböző idők elteltével.

tartalmazott. A 22. ábra szemlélteti a vas(II)ionokat, szabad porfirin ligandumot, acetátpuffert, valamint 1 M nátrium-kloridot tartalmazó oldat elnyelési színképét. A 6-os pH-jú rendszerhez képest látványosan nagyobb az alapvonal emelkedés a rövidebb hullámhosszaknál. Ez valószínűleg azért van, mert a nagyobb hidroxidion és acetátion koncentráció miatt a kivált kolloid vas(III)-acetáto komplex mennyisége is nagyobb. A 465 nm köröl megjelenő kis elnyelési csúcs valamiféle szennyezés lehet, melynek eredetét nem sikerült azonosítanunk.

5.1.3 A vas(II)-porfirin komplex egyensúlyi állandójának meghatározása

A 0,3 M acetátpuffert tartalmazó oldatban képződött Fe(II)TPPS^4- komplex 421, 557, valamint 597 nm-nél mutat erős fényabszorpciót (a részletes jellemzést lásd a vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői fejezetben, 69. oldal). A komplex kinetikailag labilisnak bizonyult, mivel a rendszer vízzel történő hígítása során alkotóira disszociált.

Képződése a következő reakcióegyenlettel írható le (21):

Ezen folyamat látszólagos egyensúlyi állandója (K') a tömeghatás törvényének megfelelően az egyensúlyi koncentrációk segítségével fejezhető ki a (23) egyenlet alapján. Mivel a tanulmányozott oldatokban a pH-t állandó értéken tartottam, a számolásoknál a hidrogén-ion koncentrációt ([H⁺]) nem vettem figyelembe.

Így a szabad porfirin ligandum egyensúlyi móltörtje (α0) kifejezhető az egyensúlyi szabad vas(II)ion koncentráció ([Fe²⁺]) és a látszólagos egyensúlyi állandó függvényeként (24).

A komplex látszólagos egyensúlyi állandójának (K') meghatározása egy olyan módszerrel történt, mely során a porfirin ligandum koncentrációja állandó volt, míg az abszolút vas(II)ion-koncentrációt változtattam. A Fe(II)TPPS^4- komplex képződés során, nem-egyensúlyi reakcióban az acetátionok jelenléte ellenére is képződik valamennyi vas(III)-porfirin komplex. Ez a szabad porfirin ligandum koncentrációjának csökkenését vonja maga után, vagyis az nem vehető állandónak a továbbiakban. Így a vas(II)ion és a

porfirin ligandum kompleképződési reakciója nem tekinthető tisztán egyensúlyi folyamatnak. Ezáltal a komplex egyensúlyi állandójának meghatározása az ilyen célokra kifejlesztett és egyébként igen jól használható, numerikus módszereket alkalmazó kiértékelő szoftverekkel (mint például a Psequad¹³⁴) nem lehetséges. Ugyanakkor a rendszerben megtalálható valamennyi porfirin ligandumot tartalmazó részecske egyensúlyi koncentrációja meghatározható közvetlen spektrofotometriás eljárással, mivel ismert azok moláris abszorpciós koefficiense (a Fe(II)TPPS^4- komplex moláris abszorpciós koefficiensét előzőleg meghatároztam, lásd A vas(II)-porfirin komplex fotofizikai jellemzői fejezetet, 69. oldal). Az egyensúlyi szabad vas(II)ion-koncentráció pedig számolható az adott kiindulási vas(II)-koncentráció valamint a képződött vas(II)-porfirin komplex koncentrációjának különbségéből (25) feltételezve, hogy (az egyébként argonnal oxigénmentesített oldatokban) a folyamat során oxidáció révén nem változik a vas(II)ionok koncentrációja.

A látszólagos egyensúlyi állandó (23) összefüggését átalakítva (24) formára, a 1/α0

lineárisan korrelálni fog a szabad vas(II)ion-koncentrációval ([Fe²⁺]). Ekkor az egyenes meredeksége közvetlenül megadja a látszólagos egyensúlyi állandót (K'). Így ezen eljárással K' meghatározható egy olyan oldatsorozat abszorpciós színképeiből, melyekben állandó porfirin-koncentráció mellett különböző a vas(II)-koncentráció (lásd 23. ábra).

Az folyamatban résztvevő egyedi részecskék, a H2TPPS^4-, a Fe(II)TPPS^4-, és a Fe(III)TPPS

3-23. ábra. Az 1,5×10^-6 M H₂TPPS^4--t, 0,3 M acetátpuffert (pH=6) és különböző koncentrációjú Fe²⁺ ionokat tartalmazó oldatsorozat abszorpciós sz ínképe, 48 órás reakcióidő után. Az

alapvonal korrekcióhoz (amely görbénél szükséges volt) egy exponenciális függvényt alkalmaztam az illesz tés során (szürke vonal).

egyensúlyi koncentrációjának meghatározása az abszorpciós színkép alapján, az ismert moláris abszorpciók ismeretében, a Soret sávok tartományában történt egy nem-lineáris, a legkisebb négyzetek módszerét alkalmazó eljárással (a Microsoft Office Excel programjának Solver kiegészítőjével). Az egyensúly beállására 48 órát hagytam. Az illesztések során bizonyos spektrumok esetében alapvonal-korrekcióra volt szükség, mivel a vas(III)ionok az acetátionokkal – mint már korábban említésre került – rosszul oldódó, többmagvú komplexet képeznek, melyek kolloid csapadékként kiválhatnak az oldatból, megemelve ezzel a háttér-elnyelést. Alapvonalként egy exponenciális jellegű függvényt alkalmaztam (mivel a fény szóródása exponenciális összefüggésben van a hullámhosszal), mely segítségével az elnyelési sávok igen pontos illeszkedését sikerült megvalósítani a mért színkép teljes 350-550 nm-es hullámhossz-tartományára. Az egyes oldatok színképeiből kapott aktuális [H2TPPS^4-] és [Fe(II)TPPS^4-] koncentráció-értékekből a szabad [Fe²⁺] koncentrációját a (25) egyenlet alapján, míg a 1/α0-t a (24) egyenlet alapján számítható valamennyi oldat esetében. Ábrázolva a kapott 1/α0 értékeket a [Fe²⁺] függvényében, a 24.

ábrán látható pontsorozatot kapjuk. Ezen pontokra egyenest illesztve, majd számolva annak meredekségét, megkapjuk a várt látszólagos egyensúlyi állandót, a K'-t. Az egyensúlyi állandó értéke: K’= 2,3±0,6×10⁴ M^-1. Tekintettel arra, hogy a lassú kompleképződési reakció miatt az egyensúlyi állapot elérése nem feltétlenül volt teljes (vagyis a 48 órás reakcióidő esetleg kevésnek bizonyult), az egyensúlyi állandó értéke alulbecsült. A kisebb [Fe²⁺] koncentrációk esetében kapott mérési pontok szisztematikus eltérése az illesztett egyenestől

24. ábra. A sz ámított 1/α₀ a számított [Fe²⁺] koncentráció függvényében. Az egyenes meredeksége adja meg a K' értékét.

abból adódik, hogy kisebb kezdeti vas(II) koncentrációknál lassabban áll be az egyensúly.

Ezért, noha az utolsó mérési pont ([Fe²⁺]=3×10^-4 M) tűnik kiugró értéknek, mégis figyelembe vettem az illesztéshez, ugyanis ezen érték áll a legközelebb az egyensúlyi állapothoz.