CC BY
16
УДК 547.979 733
ИНГИБИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ 2,6-ДИ-трет-БУТИЛФЕНСКЛЫIЫX ГРУПП В ПОРФИРИНАХ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА НА КАТАЛИТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ В ОКИСЛЕНИИ УГЛЕВОДОРОДОВ ПЕРЕКИСЬЮ ВОДОРОДА
О.А. Герасимова, Д.Б. Шпаковскин, Е.Р. Милаева, М. Лоулоуди*, Н. Хаджилнидпс*
(кафедра органической химии; e-mail: [email protected] )
Сиитезированы порфирпны же. ie:ia и марганца, содержащие 2,(>-л1-«г/;^«г-буп1.|фено.1ьные группы (R^PFeCI, R4PMnCl), с целью дальнейшей иммобилизации на поверхность силикаге-ля с различными спсйсорами. Изучено влияние этих соединений на процессы окисления ан.анов и алкепов нерекпсыо водорода. Показано, что присутствие 2,6-дн-дпрети-бутилфе-польных групп обусловливает снижение каталитической активности порфиринов в процессах окне тения.
Применение порфиринов и их комплексов с различными металлами в фармакологии и медицине обусловлено их липофильными свойствами, обеспечивающими накопление этих соединений в липидном бислое клеточных мембран и перенос в клетки живых организмов 11]. Однако структурное и функциональное родство синтетических м етал л оп о рфи ри нов с актив-ными центрами оксидоредуктаз определяет их каталитическую активность в реакциях окисления биосубстратов. В результате этих побочных процессов использование порфиринов. например в диагностике, осложняется нежелательными процессами окислительной деструкции биологических субстратов. В этом случае предлагается одновременное использование антиоксидантов. Ранее мы показали, что введение в порфирины и фталоцианины антиоксидантных групп 2,6-диалкилфенолов позволяет получать полифункциональные системы. Такие соединения проявляют свойства катализаторов или антиоксидантов в зависимости от природы металла и условий процесса [2].
Настоящая работа посвящена получению порфиринов железа и марганца с 2,6-ди-т/дат-бу тилфенольны-ми группами в макрокольце и изучению их каталитической активности в окислительных процессах. Дня моделирования оксигеназной активности были получены и изучены металлопорфирины, иммобилизованные на матрице силикагеля. Выбор спейсоров с координирующими группами имидазола был обусловлен моделированием природных гемовых систем, в которых атом железа связан с атомом азота имидазоль-ного кольца гистидина
Получение порфиринов, иммобилизованных на матрице силикагеля
В настоящей работе для установления роли антиоксидантных групп в кагат ити чес кой активности порфиринов использован! соединения с 3,5-ди-трет-бу-тил-4-гидроксифенильными заместителями в мезо-положениях. Свободное основание 5.10.15.20-тегра-кис(3.5-ди-т/ж/и-^тил-4-гидроксифенил)-2! Н:23Н-пор-фирин (1) синтезировано по методу Ротемунда конденсацией альдегида с пирролом в пропионовой кис-
ло
RjPM: 1-3
ОН
М -1 III (1); FeCI (2); MiiCl (3)
Рис. 1 Комплексы 5,10,15,20-тегракис(3,5-ли-ш;теш-бутил-4-г и дро кс и фен ил )-21Н .2 Я Н-порфири на (1) с металлами - Fe (2) и Ми (3)
^Университет г. Иоашшна, Иоаннина, I рения.
Схема 1
xii
С1-
5!02/ЕЮН
80"С,24 ч
А
-сп2н2с-
РЬС113,80°С
-^¡(ОМс)з
-С!Ь-
-С1Ь-СП2—XI
н:
с
/
-с п2
с—
"2
-*КОМс>з
ЯЮ,
/\ РЬСБЬЭО С
. / \ Н2 -
I , -I- Н,г-СН о С Х|{ОМеН
^ + " \/\/\/
С с С
и2 Пг Из
III
"г
СН О С Я1(ОМс),
/ \/\/\/ но г с с Н3 II, щ
ВОДЕЮН
24 ■!
"г
СН о с Я!^-—о
/ \/\/\/^0 но с с с
Нг Нг Н2
лоте, и на его основе получены комплексы с металлами (Ре, Мп) (2. 3) (рис. 1) [3-5] с выходом 70-80%, охарактеризованные данными электронной спектроскопии поглощения |4 9|.
С целью иммобилизации порфиринов на матрице силикагеля впервые синтезированы модифицированные различными связывающими группами силикагеля металлопорфирины (схема 1) по аналогии с ранее описанными методами [6. 7]. Сначата были получены модифицированные силикагели. содержащие в каче-
стве координирующей группы имидазол (рис. 2). Модификацию порфиринами сидикагелевой матрицы осуществляли путем образования координационной связи между атомами азота имидазольного кольца и атомами металла макроциклической молекулы. По отношению к метатлопорфирину группы имидазола выс-тупают в качестве аксиатьных лигандов соответствующих спейсоров Ц и Ь2.
Идентификацию полученных в работе модифицированных силикагелей проводили по данным ИК-спек-
Р.РРеП!.. (4). К.РРеСП,, (5), Я4РМпС!1,, (6). Я4РМпС1Ц (7)
) ас
Метмлолйрфнрнн
Рис. 2, Комплексыл1езг?-тетракис(3,5-ди-л1^е/и-бутил-4-гидроксифенрш(порфирит (Р.)
16 13МУ хтшя, № 5
Схема 2
РМлш + Нт()т
РМп' =0 +
РМпш + 11202
РМп -О + «II
РМп -О + Н2()
РМп
РМп -О + Н30 РМп111 + КОП
РМп -О + Е1Н
ОН К
РМп
IV
к
РМп111 + ИОН
1 Г
продукты
троскопии. электронной спектроскопии поглощения И термодинамического анализа. Дтя всех соединений, содержащих фрагмент Ьх, характерны полосы валентных колебаний связей С-О в области 1510— 1520 см \ С=И в области 1675 см 1 некоординированного имидазша, а в случае комплексов с пор-фиринами набтюдается сдвиг полосы C=N в длинноволновую обтасть 1655-1630 см что свидетельствует о координации иона металла с атомом азота. Для группы О-Н наблюдается широкая полоса валентных колебаний в области 3300-3500 см для Ь, и иммобилизованных порфиринов (4. 6) и узкая полоса валентных колебаний связей О-Н в области 3600 см характерная для 2.6-ди-трет-бутилф енольных групп. Дтя соединений, содержащих фрагмент Ь2, характерны пол ось! валентных колебаний связей С=Ы в области 1671 см 1 некоординированного имидазола. а в случае комплексов Ь2 с порфиринами металлов наблюдается сдвиг полосы C=N в длинноволновую область 1630-1620 см V что, как и в случае соединений на основе Ьр свидетельству ет о координации иона металла с атомом азота.
Активность металлопорфнрннов в процессе
окисления алканов и алкенов пероксидом водорода
Известно, что тетраарил порфири ны железа и марганца прояатяют свойства кататизаторов в процессах
окисления алканов и эпоксидирования алкенов [10, 11]. Раннее было изу чено влияние л/езо-тетраарил порфиринов железа и марганца неяммобипизованных и иммобилизован ных на матрицу, на процессы окисления углеводородов перекисью водорода. Соединения, описанные в литературе, обладали каталитическим эффектом 12-14].
Подробно обсуждался механизм окисления аткенов. общие схемы процесса эпоксидирования алкенов и гидроксилирования алканов в присутствии порфиринов железа и марганца [12]. Действие порфирина марганца представлена следующими стадиями (схема 2). Дтя порфиринов марганца характерно образование каталитически активной частицы - оксокомплекса с металлом в степени окисления +5 (РМп1 =0). Такие частицы являются биомимегиками монооксигеназ, они осу ществляют перенос атома кислорода к молекуле субстрата,
Дтя порфирина железа характерно образование другого интермедиата - катион-радикальной формы лиганда в порфирине железа в степени окисления +4 (схема 3). Нами изучено влияние мегаллопорфиринов 2, 3 без носителей и порфиринов 4-7, иммобилизованных на силикагелевой матрице, на процессы окисления аткенов и алканов пероксидом водорода.
В табл. 1 представлены данные образования эпок-сидов при окислении циклооктена пероксидом водорода в присутствии добавок мегаллопорфиринов иммо-
Схема 3
РГе"1 + Н2(Ь
+РРе1У=0 +
+РК1-|У=0 + Н20
РРеш +
РКеШ + Н202 —
' +1>1'е|У=0 + кн
• ~РРе1У=0 + КН
• +[>]ч,уО + н2о
РГе
III
ОН
РГе
IV
111' Рке
1*ОН
К
+ ион
1'
продукты
бшшзованных на матрице силикагеля (4-7) и без носителей (2. 3).
Известно, что в такой системе хлорзамещенный л /оо-тетрафен ил пор фи ри н марганца проявляет каталитическую активность [8]. В случае же использования порфирина Мп, содержащего 2.б-да-т/хте-бу тилфеноль-ные группы (3). каталитический эффект практически не проявляется как дтя неиммобилизованных, так и
Таблица 1
Выходы эиоксидов при окислении цикпоокгеиа Н,0, в присутствии металлопорфиринов, иммобилизованных на матрице силикагеля с различными спейсорамн (4-7) и По носителей (2,3)"
1 Горфирин Эпоксиды, % ТОРхЮ"2
Я ,РГсС1 (2) >1 0.86
Ь^РМпа (3) 2 4.68
Г^РРеСП., (4) 1 0,08
Я.РГоСИ: (5) >1 0,04
Я|РМиС1Ь, (6) >1 0,04
Б^РМпОЬз (7) 2 0,16
♦Время реакции с нанесенными металло порфирина ми составляет 24 ч, без носителя 1 ч; условия приведены в экспериментальной части.
для иммобилизованных порфиринов. Порфнрины железа (2. 4. 5) практически не оказывают влияния на образование эпоксидов циклооктена при окислении Н202.
В табл. 2 представлены данные окисления цикло-гексена Н20, в присутствии металлопорфиринов, иммобилизованных на носителе (4—7). В ходе реакции образуются эпоксиды циклогексена и циклогек-санон-2-ен.
Иммобилизованный на силикагель с дтинным спей-сором (Ц) порфирин марганца содержащий 2,6-ди-трет-О^тилфенольные группы (6), проявляет каталитическую активность, но менее выраженную, чем в случае его фенильного аналога 114]. при этом процессы не я&ляются селективными. В присутствии иммобилизованных на носителях с длинной (Лм) и короткой (Ь2) цепью порфиринов железа 4, 5 образуется циклогекса-нон-2-ен с селективностью близкой к 1(Х)%, но выходы продуктов являются незначительными.
В табл. 3 представлены данные окисления цикло-гексана Н202 в присутствии метатлопорфиринов (2-7). В ходе реакции образуются циклогексанол и цик-логексанон.
Все добавки порфиринов оказывают незначительное влияние на образование продуктов окисления, но важно отметить, что все металлопорфирины, не связанные с носителем, обладают более выраженными каталитическими свойствами, чем их иммобилизованные аналоги. Такие данные соответствуют литератур-
17 ВМУ. химия, № 5
Таблица 2
Выходы продуктов II селективность при окислении циклогскссна Н,0, в присутствии металлопорфиринов с различными снемсорами, иммобил иювянньгс на носителе (4-7)
Порфирин Эпоксид (%) Кетон (%) Общий выход продуктов (%) Селективность по эпоксиду (%) Селективность по кетону (%)
ИДТеСН., (4) 0 9 9 0 100
БЦРРеИЬг (5) >1 8 9 5,6 94,4
Р|РМпСП.|(6) 6 13 18 30,5 69,5
Я ,РМпСИ: (7) 2 5 7 32,0 68,0
*Время реакции с нанесенными металлопорфиринами составляет^ ч, условия приведены в экспериментальной части.
Г а б л и и а 3
Выходы продуктов прн окислении циклогексана Н,0, к присутствии металлопорфиринов 2—7
11орфирин Циклогексанол (%) Цик.'югексанон (%) ТОРх10 1 (спирт) ТОР* 10"* (кетон)
К,Р1сС1 (2) >1 >1 22,0 28,0
1*.,РМпС1 (3) >1 0 24,0 0
^РРсСН,, (4) >1 >1 5,0 3.8
Р.1РРеС11,3(5) >1 >1 5,4 1,3
1*4РМпС11., (6) 1 0 8,0 0
ИдРМпСИ^ (7) >1 1 3,0 11,5
"Время реакции с нанесенными металлопорфиринами составляет 24 ч, без носителя- I ч; условия приведены и экспериментальной части.
Таблица 4
Выходы продуктов и селективность при окислении гексана Н,0, в присутствии металлопорфиринов, иммобилизованных на носителе с длинном связывающей пенью (Ц) (4, 6)
Порфирин Спирт(%) Кетон (%) Общий выход продуктов (%) Селективность по спирту (%) Селективность по кетону (%)
ИДТеСЛ,! (4) 6 3 9 67,2 32,8
[?4РМпС11,| (6) 7 4 11 67,3 32,7
♦Время реакции с нанесенными металлопорфиринами составляет 24 ч.
ным ¡!5| и объясняются, по-видимому, блокированием аксиальных положений металлопорфиринов при координации с группами имидазола спейсора
В табл. 4 представлены данные, полу ченные при окислении гексана Н202 в присутствии металлопорфиринов, иммобилизованных на носителе с длинной
связывающей цепью (L,) (4, 6). В процессе окисления образу ются гекеанол-2 и гексанон-2.
Из полученных данных следует; что кагатитическая активность порфиринов определяется несколькими факторами природой металла, наличием антиоксидант-Hbix фенольньк групп, иммобилизацией на поверхность носится и природой связывающей группы носителя. Объяснение полученных нами экспериментальных результатов связано, по-видимому, с образованием разных промежуточных частиц в случае порфиринов с фенольными группами. На основании предварительных данных можно высказать предположение, что основным направлением является участие в данном процессе антиоксидантной фенольной группы: по механизму меж- или внутримолекулярного переноса электрона и протона.
Таким образом, можно предположить, что введение 2,6-ди-/и/ж/и-£лтилфеншьных групп в порфирины Мл и Fe приводит к резкой1 снижению их каталитической активности.
Экспериментальная часть
Электронные спектры поглощения регистрировав на спектрофотометре "Cari-219 Varían " (UV/VIS/ NÍR Jasco), И K-спектры поглощения записывали на спектрофотометре "ИКАР" с преобразованием Фурье в таблетках KBr, "Spectrum GX Perkin-Elmer FT-IR system". Термодинамический анализ (ТДА) выполняли на приборе "Shimadzu DTG-60". Хрома-тографический анализ проводили на приборе "Shimadzu GC-17A" (газовый хроматограф в сочетании с масс-спектрометром "GCMS-QP5000"). Тонкослойную хроматографию осуществляли на пластинках "Silufol UV-254". Колоночную хроматографию проводили с использованием окиси алюминия (нейтратьная по Брокману) и силикагеля (40/100).
Порфирины 1, 2 и 3 были синтезированы по описанным раннее методикам [3-5], очистку проводили методом колоночной хроматографии на силикагеле, в качестве элюанта использовали СНСЦ и смесь, состоящую из 80% CHClj и 20% гексана.
Модифицирование силикагеля (3-глицидилок-сипропил)триметоксисиланом (L}) проводили по методике 16J. К раствору 3 ммоль (0,204 г) имидазо-ла в 50 мл толуола добавляли 3 ммоль (0,663 мл) (3-глицидилоксипропил)тримегоксисилана кипятили при перемешивании при 80°С в течение суток. К реакционной смеси добавляли 1,5 г Si02 и 5 мл этилового спирта и перемешивати при 80°С еще 24 ч. Смесь охлаждали, осадок отфильтровывали, многократно
промывали этанолом, ацетоном и высушивати в вакууме. Выход составил 1,6 г По данным ТДА, содержание органической части составило 20%. ИК: у/см"1: 1510 (С-О); 1630 (С=1Ч): 3400 (О-Н).
Модифицирование силикагеля (3-хлоропро-пил)триметоксисиланом (Ь2) проводили по методике [7]. К раствору 3 ммоль (0,204 г) имидазола в 50 мл толуола добавляли 3 ммоль (0,552 мл) (3-хло-ропропил)-тримегоксисилана кипятили при перемешивании при 80°С в течение суток. К реакционной смеси добавляли !,5 г 8Ю-, и 5 мл этилового спирта и перемешивали при 80°С еще 24 ч. Смесь охлаждали, осадок отфильтровывали, многократно промывали этанолом, ацетоном и высушивали в вакууме. Выход составил 1,58 г По данным ТДА, содержание органической части составило 8,5%. ИК: v/cм~1:1631 (С=Ю.
Иммобилизация металлопорфиринов 2, 3 на поверхность силикагеля (К4РеРЬр К4РеРЬ2, К4МпРЬ,, К4МпЬ2). К раствору металлопорфиринов (Я4РеРС1, К4МпРС!) в СН2С12 добавляли Ц и Ц. Реакцию проводили при постоянном перемешивании в течение 24 ч. Реакционную смесь отфильтровати и многократно промыва!и СН2С!2 и высушиваш в течение 3 ч при 60°С.
Окисление алканов и алкенов перекисью водорода [8]. Каталитическое окисление циклогек-сена. циклооктена. цикл о гексана и гексана перекисью водорода проводили в стеклянных реакторах при высокой скорости перемешивания, исключающей наличие диффузионных ограничений при постоянной температуре реакционной среды 20°С. В качестве растворителей использовали СН^СЫ и СН2С12. Анализ продуктов проводили методами ГЖХ и масс-спектрометрии. Для проведения реакции в стеклянные реакторы помешали металло-порфирин на носителе или без носителя в количестве ! мкмоль, после чего добавляли 650 мкл СН3СМ и 350 мкл СН2С!2. Далее в реакционную смесь поочередно добавляли сокатализатор, СН.,СООМН4 в количестве 0.77 мг (0.01 ммоль) и субстрат в количестве 0,8 ммоль. Затем добавляли эта:? он - 23,2 мкл (0,1 М) раствора ацетофено-на в ацетонитриле. И последним в реакционную смесь добавляли окислитель, 20 мкл 0,1 М раствора пероксида водорода в ацетонитриле. В случае использования добавок металлопорфиринов на носителях реакцию проводили 24 ч, а в случае металлопорфиринов. не иммобилизованных на носителях - в течение 1 ч.
18 13 МУ химия. № 5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Keppler В. /I Métal Complexes m Cancer Chemotherapy. N.Y., 1993.
2. Milaeva E., Shpàkovsky D. Il Macrovol. Svmp. 2003. 2У4.
P 191.
3.MilgromL.R. //Tetrahedron. 1983.39.P. 3895.
4. Milgrom LJt, Jones С.C., Harriman A. Il i. Chcin. Soc. Pcrkin
Trans2. 1988.1. P 71.
5. JonesR.D.,SummervilleDA.,BasoloF.II J. Am. Chein. Soc.
1978.100. P. 4416.
6. Armaiti.s G.S., Salmas C.E., Louloudi M. et al. И Lailgmuir.
2003.19.P. 3128.
7. Louloudi M., Mitopoulou A'.. Evaggelou E. et al. H j. Mol.
Catal. A: Chemical.2003.198. P.23!.
8. Martinez-Lorenie M. A., Battioni R, Kleemiss W. et al. H J.
Mol. Calai. A: Chcmical. 1996.113. P. 343.
9. Edwards L, Dolphin D.Il., Gourer man M, Adler A.D. H j.
Mol. Spectrosc. 1971.38(1)P. 16.
10. Battioni R, Renaud J. P., Bartoli J. F. et ai II J. Am. Che m Soc. 1988.110. P. 8462.
11.Baciochi E„ Boshi T., GalliC. et al. //Tetrahedron. 1997.53 N12. P. 4497.
12. MetaHopoiphyiins in Catalytic OxidatioR N.Y., 1994. P. 343.
13. Doro EG., Lindsay Smith J.R., Ferreira A.G. et al. Il i. Mol. Calai. A: Chemical. 2000.164. P. 97.
14. Vinhado ES., Rrado-Manso C.M.C... Sacco U.C., lama-moto Y. H Mol. Catal. A: Chemical. 2001.174. P. 279.
nocryriHJiau peflaKipno 09.04.07
THE INHIBITORY EFFECT OF 2,6-DI-TERT-BUTYEPHENOE GROUPS IN IRON AND MANGANESE PORPHYRINS ON THEIR CATALYTIC ACTIVITY IN HYDROCARBON OXIDATION BY HYDROGEN PEROXIDE
O.A. Gerasimova, D.B. Shpakovsky, E.R. Milaeva, M. Louloudi, N. Hadjiliadis
(Division of Organic Chemistry)
Iron and manganese porphyrins with 2,6-di-tert-butyij}fienaI groups (R4PfeCi, R4PMnCI) were synthesized for the immobilization on silica surface via coordination with spacers. The activity of these compounds in aikanes and alkenes oxidation was studied.
