Димерные и тримерные агрегаты хлоринов: координационные и фотохимические свойства

УДК 577.3

А. В. Лобанов, Г. В. Синько, Г. Г. Комиссаров,

Л. Ф. Стоянова, Г. Е. Заиков

ДИМЕРНЫЕ И ТРИМЕРНЫЕ АГРЕГАТЫ ХЛОРИНОВ: КООРДИНАЦИОННЫЕ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Ключевые слова: хлорофилл, агрегация, пероксид водорода.

Рассмотрены координационные и фотохимические свойства магниевых комплексов хлоринов и их агрегатов. С помощью квантово-химических расчетов оценены энергии связи НО и Н2О2 с хлорофиллом и хлорофиллидом в зависимости от формы пигмента (мономеры, димеры и тримеры). Показано, что с повышением степени агрегирования пигмента энергия связи с Н2О2 превосходит энергию связи с Н2О. Проведен анализ экспериментальных результатов по фотохимическому разложению пероксида водорода хлорофиллом.

Keywords: chlorophyll, aggregation, hydrogen peroxide.

Coordination and photochemical properties of magnesium complexes of chlorins and their aggregates towards hydrogen peroxide were considered. The binding energy of H2O and H2O2 with chlorophyll and chlorophyllide depending on their form (monomers, dimers and trimers) was estimated by quantum chemical calculations. It is shown that at an increase of the degree of the pigment aggregation binding energy of H2O2 was more than the energy of H2O. Analysis of experimental results of the photochemical decomposition of hydrogen peroxide using chlorophyll was carried out.

Введение

Гетерогенность хлорофилла в тилакоидных мембранах хлоропластов растений надежно установлена. Так, обнаруживается спектральная дискретность химически тождественных молекул пигментов, обусловленная различиями в характере и силе взаимодействия пигмент-микроокружение и пигмент-пигмент [1-3]. Эти формы различаются по расположению электронно-колебательных уровней и по фотохимическим свойствам [4]. По данным спектральных методов в хлоропластах хлорофилл представлен целым рядом надмолекулярных форм, каждая из которых обладает своей узкой полосой поглощения и флуоресценции в красной области спектра. Эти формы представляют собой термодинамически устойчивые агрегаты пигмента. Самосборку агрегатов с аналогичными или близкими спектральными свойствами удается проследить в пленках, монослоях и растворах пигментов [5]. Примечательно, что по данным флуоресцентной и адсорбционной спектроскопии в листьях растений хлорофилл даже при малых концентрациях сгруппирован в агрегаты [6].

В настоящей работе проведен сравнительный анализ электронных, фотофизических, координационных и фотохимических свойств молекулярных и ассоциированных хлоринов (рис. 1), - хлорофилла а (СЫ) и хлорофиллида а (Chld) в отношении пероксида водорода с помощью спектральных и физико-химических методов, а также квантово-химических расчетов. Моделирование взаимодействия Chl и Chld с молекулами H2O и Н2О2 проводили с использованием программы Gaussian 03 [7]. Расчеты выполнены с набором базисных функций 6-31G** в DFT-приближении, с использованием обменно-корреляционного функционала PBE1PBE. Геометрия всех показанных ниже молекул оптимизирована.

Граничные орбитали молекулы хлорофилла и особенности фотофизических свойств

Для выяснения особенностей фотофизических свойств металлокомплексов принципиально важно рассмотреть электронное строение их молекул и оценить вклад ее фрагментов. Геометрия макроколец СЫ и СИМ очень близка для обеих молекул. Макрогете-роциклы СЫ и СИМ после оптимизации геометрии в обоих случаях остаются практически плоскими. Расчеты показали, что у каждой из этих

СЫ: R = -ОСН2СН=С(СНз)(СН2)з[СН(СНз)(СНз)з]2СН(СНз)2 Chld: R = ОН

Рис. 1 - Молекула Chld в конформации 1

молекул существует, по крайней мере, две конфор-мации с полной энергией, близкой к минимуму. На рис. 1 показаны две эти конформациии для молекулы СИМ. Обозначим их как СЬШ и СЬЫ2. На рис. 1 окружностями выделены отличия в пространственном расположении заместителей в зависимости от конформации СИМ. Энергия молекулы хлорофилли-да в конформации СЬЫ1 на 5,9 ккал/моль выше энергии в конформации СЬЫ2.

Таким же в точности образом отличаются и подобные конформации молекул хлорофилла. Необходимо отметить, что гидрофобный остаток фитола после оптимизации геометрии молекулы в обеих конформациях занимает несколько отличающееся положение.

Рассмотрим особенности природы граничных молекулярных орбиталей СЫ. Длинноцепочеч-ный фитольный заместитель не должен существенно определять сопряжение двойных связей макрогете-роциклического лиганда (ароматичность), что было подтверждено квантово-химическими расчетами. По этой причине особенности электронного строения хлоринов СЫ и СИМ крайне близки, а, следовательно, подобны и их фотофизические свойства, определяемые электронными переходами, главным образом, энергетической щелью ВЗМО-НСМО. На рис. 2 показаны граничные молекулярные орбитали ВЗМО и НСМО хлорофилла а.

41

Л

Л •

>4*

4 "

ЛР

i «

í

-'

Рис. 2 - Граничные молекулярные орбитали ВЗМО (вверху) и НСМО (внизу) СЫ

Из рис. 2 видно, что как ВЗМО, так и НСМО хлорофилла локализованы исключительно на хлориновом макрогетероцикле и не охватывают центральный ион магния. Такая особенность природы граничных орбиталей связана с отсутствием у иона магния неспаренных й-электронов. Известно, что для комплексов тетрапиррольных пигментов с ионами металлов с частично заполненными й-

оболочками в результате сильного обменного взаимодействия неспаренных электронов металла с молекулярными орбиталями порфиринового макроге-тероцикла наблюдаются высокие константы скорости безызлучательной дезактивации возбужденных состояний [8]. В то же время для безметальных пор-фиринов и родственных им соединений, а также их комплексов с металлами, не содержащими неспа-ренные й-электроны (таких как хлорофиллы а и Ь) характерна генерация долгоживущих (до 1 мс) три-плетных возбужденных состояний с высоким (6090%) квантовым выходом. Способность к генерации долгоживущих возбужденных состояний играет важнейшую роль в фотохимических реакциях ме-таллокомплексов. Другим следствием лиганд-центрированной локализации граничных орбиталей является то, что электронные переходы имеют чистую природу л^п* и не являются полосами переноса заряда. Таким образом, возбужденные состояния, являясь высоко реакционноспособными и кинетически неустойчивыми, обладают в то же время высокой термодинамической стабильностью. Кроме того, энергетика подобных электронных переходов и соответствующие спектральные характеристики чувствительны лишь к координационным взаимодействиям макроциклического лиганда.

Электронное строение молекул СЫ и СИМ чрезвычайно близко, обе молекулы имеют одинаковые особенности локализации граничных орбиталей и природу электронных переходов. Крайне близки и фотофизические свойства СЫ и СЬЫ. Для упрощения расчетов большинства процессов координирования и фотохимического взаимодействия в качестве модельного фотоактивного соединения мы использовали СЬИ. При сравнении взаимодействия СИМ с водой и пероксидом водорода квантовохими-ческие расчеты мы провели с использованием кон-формаций СЬЫ1 и CЫd2. В случае СЫ результаты получены только для имеющей наименьшую энергию конформации СЫ2, обозначаемую далее в тексте как СЫ.

Димерные агрегаты хлорофиллида

Спектрально наблюдаемые димеры металлоком-плексов хлоринов теоретически могут быть образованы из молекул под разными двугранными углами [9]. Расчеты показывают, что энергетически наиболее выгодно располагать молекулы хлорофиллида друг над другом. Однако, и таких конфигураций может быть множество. Поэтому были проведены расчеты нескольких комплексов из двух молекул хлорофиллида, из которых для дальнейших расчетов выбирали один, имеющий наибольшую энергию связи. На рис. 3 показан такой комплекс из двух молекул хлорофиллидов в конформации СЬЫ1. Энергия связи димерного комплекса СЬЫ1...СЬЫ1 равна 38,8 ккал/моль, что, по крайней мере, на 1,2 ккал/моль больше всех остальных рассмотренных конфигураций этого ассоциата. Энергия связи диме-ра хлорофиллида СЬЫ2...СЬЫ2 несколько больше и равна 42,9 ккал/моль.

Рис. 3 - Димерный комплекс хлорофиллида СЬШ...СЬИ1

Тримерные агрегаты хлорофиллида

В тримерах Chld энергетически предпочтительное расположение макрогетероциклов определили для молекул только в конформации СИЫ2. Было рассмотрено несколько возможных конфигураций тримерного хлоринового агрегата СИЫ2...СИШ...СИШ. На рис. 4 показан тример, имеющий наибольшую энергию связи. Энергия связи молекул в этом ассоциате равна 68,2 ккал/моль, что, по крайней мере, на 3,3 ккал/моль больше, чем у всех остальных рассмотренных комбинаций трех молекул хлорофиллида.

* *> • А 9 Ал *

]

Рис. 4 - Тримерный комплекс хлорофиллида СЬШ2...СЬШ2...СЬШ2

Координационные свойства молекулярного и агрегированного хлорофиллида при взаимодействии с Н20 и Н2О2

Рассмотрим сначала взаимодействие одной молекулы хлорофиллида с молекулой воды и с молекулой пероксида. Существует множество возможностей разместить молекулу Н20 или Н202 в окрестности хлорофиллида. Расчеты показали, что наиболее по энергии связи положение молекулы Н20 и Н202 находится в центре макрокольца в окрестности иона магния. Рассчитанная для таких структур энер-

гия связи как минимум на 40% больше, чем для любого другого положения.

Исходя из полученных расчетных конфигураций комплексов СИЫ1...Н20 и СИЫ1...Н202, малые молекулы связаны не с хлориновым макрогете-роциклом, а внутрисферно координированы ионом магния при участии неподеленных электронных пар атома(ов) кислорода. Этот вывод подтверждается методом электронной спектроскопии. Последовательное добавление Н202 к раствору СЫ приводит к изменению электронного спектра. При этом изменяется лишь экстинкция полос, тогда как их положение по энергетической шкале остается неизменным. Это говорит о том, что координирование Н202 происходит без участия фрагментов хлоринового мак-рогетероцикла и не меняет строение граничных ор-биталей ВЗМО и НСМО.

Кроме этого, по данным квантовохимиче-ских расчетов вблизи иона магния для молекулы Н202 существуют несколько локальных минимумов. Они отличаются по энергии связи не более чем на 2,5 ккал/моль, изменяясь в интервале 16,8-21,3 ккал/моль. Для обеих конформаций СИЫ1 и СИЫ2 наибольшую энергию связи молекула хлорофиллида имеет с водой.

Рассмотрим теперь взаимодействие хлорофилла с молекулами Н20 или Н202. Для СЫ так же, как и для Сим наиболее привлекательным с точки зрения энергии связи является окрестность иона магния. Для координационных ассоциатов СЫ...Н20 и СЫ...Н202 значения энергии связи молекул воды и пероксида водорода с металлоком-плексом составляют 19,4 и 17,2 ккал/моль соответственно. Как видно, энергия связи хлорофилла с водой больше, чем с пероксидом примерно на 2,2 ккал/моль, что вполне согласуется с результатами по хлорофиллиду, где комплекс с водой также имеет наибольшую энергию связи.

Для того, чтобы учесть влияние коллективного взаимодействия нескольких молекул хлоро-филлида при взаимодействии с водой либо с перок-сидом водорода, были рассмотрены димеры СИМ, взаимодействующие с молекулой Н202 или Н20. Молекулы пероксида водорода могут находиться как по периферии димера (в данном случае СИЫ1) по типу СИЫ...СИЫ...Н202 (с внешней стороны одного из макроколец), так и между двумя молекул внутри димера хлорофиллида (структура типа СИЫ...Н202...СИЫ). Аналогичным образом может быть координирована и молекула воды димерами хлорофиллида.

В табл. 1 приведены рассчитанные энергии связи комплексов из двух молекул хлорофиллидов, Н20 и Н202. Как видно из данных табл. 1, молекула Н202, размещенная между макрогетероциклами хлорофиллидов внутри димера имеет заметно большую энергию связи, чем помещенная туда молекула Н20. Это справедливо как для димеров хлорофилли-да в конформации СИЫ1, так и в конформации СИЫ2. При размещении же с внешней стороны ди-мера результаты расчета энергии, полученные для СИШ и СИЫ2, различны. Видно, что комплекс, состоящий из молекул в конформации СИЫ2, имеет

ненамного, на ~0,1 ккал/моль, но большую энергию связи с пероксидом водорода, чем с водой. В то время, как для конформации Chldl ситуация обратная.

Таблица 1 - Энергии связи димеров хлорофиллида в конформациях Chldl и Chld2 с молекулой воды и пероксида водорода

Комплекс Ккал/моль

Chld1.Chld1.H2O 17,4

Chld1.Chld1.H2O2 16,2

Chld1.H2O.Chld1 13,6

Chld1 .H2O2. Chld1 16,4

Chld2 . Chld2.H2O 12,7

Chld2.Chld2.H2O2 12,8

Chld2 .H2O . Chld2 9,2

Chld2 . H2O2. Chld2 11,8

Также были выполнены квантовохимиче-ские расчеты координационных комплексов три-мерных агрегатов хлорофиллида с пероксидом водорода и водой. Расчеты проводили только для молекул в наиболее стабильной конформации Chld2. Как показали расчеты, молекулы воды либо пероксида водорода по аналогии со случаем димеров могут быть координированы как с внешней стороны тримеров (структура типа Chld...Chld...Chld...H2O2 в случае пероксида водорода), так и располагаться между молекулами хлорофиллида (структура типа Chld...Chld...H2O2...Chld), как это было сделано в наших расчетах на примере молекулы пероксида водорода. В табл. 2 приведены энергии связи воды и пероксида водородав комплексах, состоящих из трех молекул хлорофиллида и молекулы H2O и H2O2.

Таблица 2 - Энергии связи молекул воды и пероксида водорода с тримерными комплексами хлорофиллида

Комплекс Ккал/моль

Chld. .Chld. ..Chld. ..H2O 9,4

Chld. .Chld. .Chld. H2O2 10,2

Chld. .Chld. ..H2O. Chld 10,4

Chld. .Chld. .H2O2. Chld 12,4

Из результатов, представленных в табл. 2, видно, что наибольшую энергию связи с комплексом, содержащим три молекулы Chld, имеет молекула пероксида водорода, внедренная между макро-гетероциклами. Следует отметить, что при координировании воды и пероксида водорода внешней частью тримера превышение энергии связи H2O2 над энергией связи H2O немного возросло по сравнению со связыванием с димерными комплексами Chld и составило ~0,8 ккал/моль против ~0,1 ккал/моль.

На следующем этапе расчетов было проведено дополнительное варьирование конфигурации комплексов, образованных из двух молекул хлоро-филлида и молекул H2O и H2O2, проводившегося с целью найти структуру комплекса с возможно большей энергией связи молекулы H2O2 (H2O). Молекулы хлорофиллида, как и выше, были взяты в конформациях Chldl и Chld2. Найденные значения энергии связи показали, что максимальная энергия связи, с которой пероксид водорода связан с диме-ром Chld, может достигать 26,0 ккал/моль (молекулы хлорофиллида, образующие димер, в этом комплексе находятся в конформации Chld2). Это значение примерно на 3,9 ккал/моль превосходит максимальную энергию связи воды, 22,1 ккал/моль, имеющую место в аналогичном по конфигурации комплексе. Кроме этого, оказалось, что в случае конформации хлорофиллида Chld2 в каждой из рассмотренных конфигураций комплекса с малыми молекулами пероксид водорода всегда имеет большую энергию связи, чем вода.

Фотокаталитическое разложение Н2О2

в присутствии молекулярного

и агрегированного хлорофилла

Ранее мы показали, что хлорофилл проявляет фотокаталитическую и фотосенсибилизирующую активность в процессах образования и распада пе-роксида водорода [3]. Нами рассмотрены кинетические особенности разложения пероксида водорода при облучении видимым светом водных суспензий НО^Ы. Облучение проводили светом галогенной лампы в комплекте с линзами, конденсором и светофильтром КС-13, отсекающим излучение с X < 630 нм, в кварцевых кюветах толщиной 1 см. Мощность светового потока составляла 80 мВт/см2. Распад Н2О2 можно было описать моноэкспоненциальной кинетической зависимостью. Фотокаталитическая активность растворенного и адсорбированного Chl экстремально увеличивалась с ростом его содержания (концентрации), в том числе и в интервалах существования агрегатов Chl. Так, в двухфазных растворах CClz/вода с концентрацией Chl 30 мкМ, когда 60% молекул агрегировано в димеры, можно наблюдать максимальную скорость распада Н2О2.

В адсорбционных системах, для которых даже при содержании меньше монослоя Chl адсорбируется в виде «островков», также увеличивается фотокаталитическая активность с увеличением содержания пигмента. Концентрационные зависимости фотоактивности пигментов имеют экстремальный характер, и, по-видимому, сложные многомолекулярные агрегаты Chl, а также полностью сформированные монослои фотохимически малоактивны, тогда как активность небольших агрегатов (димеров и мультимеров) выше по сравнению с изолированными молекулами.

Наблюдаемый эффект обусловлен тремя причинами. Во-первых, как было показано выше, в агрегатах Chl облегчается координация молекул пероксида водорода. Во-вторых, известно, что при димеризации Chl наблюдается отрицательный сдвиг редокс-потенциала в возбужденном состоянии [10],

и, следовательно, повышается изменение теплоты реакции переноса электрона с СЫ на Н2О2. В-третьих, в составе агрегата образующийся в ходе отрыва электрона катион-радикал хлорофилла, по всей видимости, стабилизирован взаимодействием с соседними молекулами пигмента.

Таким образом, рассмотрение координационных и фотохимических свойства магниевых комплексов хлоринов показывает, что с повышением степени агрегирования пигмента энергия связи с Н2О2 превосходит энергию связи с Н2О, а также увеличивается фотокаталитическая активность растворенного и адсорбированного хлорофилла в процессе разложения пероксида водорода.

Работа выполнена при финансировании РФФИ (проект № 14-03-00194-а), программой Президиума РАН № 28 и Ведущей научной школой (грант № 6605.2012.3).

Литература

1. Г.Г. Комиссаров, Фотосинтез: физико-химический подход. Эдиториал УРСС, Москва, 2003. 224 с.

2. А.В. Лобанов, Н.А. Рубцова, Ю.А. Веденеева, Г.Г. Комиссаров, ДАН, 421, 6, 773-776 (2008).

3. Проблемы зарождения и эволюции биосферы (под ред. Э.М. Галимова). Книжный дом «Либроком», Москва, 2008. 552 с.

4. А.Б. Рубин, Биофизика. Книжный дом «Университет», Москва, 2000. 467 с.

5. С.В. Конев, И.Д. Волотовский, Введение в молекулярную фотобиологию. Наука и техника, Минск, 1971. 232 с.

6. Г.Г. Комиссаров,Хим. физика, 22, 1, 24-54 (2003).

7. M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, J.A. Montgomery, Jr., T. Vre-ven, K.N. Kudin, J.C. Burant, J.M. Millam, S.S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G.A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J.E. Knox, H.P. Hratchian, J.B. Cross, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R.E. Stratmann, O. Yazyev, A.J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J.W. Ochterski, P.Y. Ayala, K. Moro-kuma, G.A. Voth, P. Salvador, J.J. Dannenberg, V.G. Zakr-zewski, S. Dapprich, A.D. Daniels, M.C. Strain, O. Farkas, D.K. Malick, A.D. Rabuck, K. Raghavachari, J.B. Foresman, J.V. Ortiz, Q. Cui, A.G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B.B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R.L. Martin, D.J. Fox, T. Keith, M.A. Al-Laham, C.Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P.M.W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M.W. Wong, C. Gonzalez, J.A. Pople, Gaussian 03, Revision B.01. Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003.

8. Порфирины: спектроскопия, электрохимия, применение (Под ред. Н.С. Ениколопяна). Наука, Москва, 1987. 384 с.

9. D. Zevenhuijzen, P.J. Zandstra, Biophys. Chem., 19, 2, 121129 (1984).

10. Y. Kuroiwa, Y. Kato, T. Watanabe, J. Photochem. Photo-biol. A: Chem., 202, 2-3, 191-195 (2009).

© А. В. Лобанов - к.х.н., ст.н.с., зам. зав. лаб. фотобионики Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, avlobanov@mail.ru; Г. В. Синько - д.х.н., в.н.с., выч. центр, Российский Федеральный ядерный центр - Всерос. научно-исслед. институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина, gevas@uniterra.ru; Г. Г. Комиссаров - д.х.н., проф., зав. лаб. фотобионики Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, gkomiss@yandex.ru; Л. Ф. Стоянова - к.т.н., доц. каф. общей химической технологии КНИТУ; Г. Е. Заиков - д.х.н., проф. каф. технологии пластических масс КНИТУ.