CC BY
65
№ 6 (159). С. 92-99 Физико-химическая биология 2016
УДК 547.979.733+547.233+541.124+541.121:536.7
ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ АНДРЕЕВ
доктор химических наук, профессор кафедры молекулярной биологии, биологической и органической химии эко-лого-биологического факультета, заведующий лабораторией биологически активных природных и синтетических органических соединений Института высоких биомедицинских технологий, Петрозаводский государственный университет (Петрозаводск, Российская Федерация) andreev@psu.karelia. ги
ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ СОБОЛЕВ
кандидат химических наук, доцент кафедры молекулярной биологии, биологической и органической химии эко-лого-биологического факультета, Петрозаводский государственный университет (Петрозаводск, Российская Федерация)
andгeev@psu.kaгelia. ги
АННА ВЛАДИМИРОВНА ЗАЧИНЯЕВА
доктор биологических наук, старший преподаватель кафедры микробиологии, Военно-медицинская академия имени С. М. Кирова (Санкт-Петербург, Российская Федерация) anvzanna@aol. сот
НУКЛЕОФИЛЬНОСТЬ ]]-ДОНОРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ХЛОРОФОРМЕ, ВОДЕ
И ГАЗОВОЙ ФАЗЕ
Рассматривается нуклеофильность п-донорных лигандов (амины, анилины, пиридины, К-оксиды пиридинов, спирты, простые эфиры, меркаптаны, органические сульфиды (тиоэфиры)) при взаимодействии с протоном в газовой фазе (ОБ - газовая основность, РА - сродство к протону) и цинк-тет-рафенилпорфирином (2п-ТФП) в хлороформе. Проводятся сравнения с водными системами. В газовой фазе при координации с протоном более важны электронные факторы, а в хлороформе при комплексообразовании с 2п-ТФП роль стерических факторов резко возрастает. Модельная система определения нуклеофильности п-донорных лигандов с 2п-ТФП в хлороформе позволяет оценить ОБ и РА в газовой фазе, а также реакционную способность порфиринсодержащих ферментов в водных системах.
Ключевые слова: металлопорфирины, пероксидазы, координация, нуклеофильность, основность, газовая фаза, апротон-ные и протонные растворители, электронная спектроскопия
Неослабевающий интерес к координационным свойствам металлопорфиринов (МП) обусловлен прежде всего их биологической значимостью. В биологических системах [4], [9] МП за счет образования молекулярных комплексов осуществляют такие жизненно важные процессы, как дыхание, ферментативный катализ и ингиби-рование, регуляторные функции, транспорт лекарственных препаратов и токсических веществ, ионный перенос и т. д.
Полагают, что именно процессами аксиальной координации обусловлена биологическая активность некоторых лекарственных веществ. Например, такие антималярийные хинолиновые препараты, как хинин, хлорохин, амодиахин и мефлохин, дают аддукты с гематином (который образуется в малярийном плазмодии из гема гемоглобина хозяина), оказывающие токсическое действие на малярийный плазмодий [10].
Кроме того, успешное использование металло-порфиринов в лечебной практике (при создании эффективных кровезаменителей, лекарственных
препаратов, транспортных агентов) требует наличия информации о зависимости влияния природы металлопорфирина на его комплексообразующие свойства по отношению к электронодонорным лигандам. Особенно это актуально в связи с обнаруженным усилением в 7-10 раз действия ряда лекарственных препаратов, вызванных добавлением цинкового комплекса протопорфирина [4].
Однако природа образования донорно-ак-цепторных связей МП с различными типами лигандов изучена к настоящему времени в недостаточной степени, что вызвано сложностью исследования межмолекулярных (специфических) взаимодействий в воде и плохой растворимостью природных МП (10-7-10-4 моль/л) в органических растворителях [2].
Поэтому вопросы образования, устойчивости и строения молекулярных комплексов как природных, так и синтетических металлопорфири-нов являются одной из актуальнейших проблем современной химии.
© Андреев В. П., Соболев П. С., Зачиняева А. В., 2016
Последние находят все большее применение в науке и технике (как правило, более устойчивы и доступны, чем природные), в медицине используются в качестве лекарственных препаратов, реагентов, усиливающих действие антибиотиков [4], при диагностике и терапии онкологических заболеваний. В последние годы существенно возрос интерес к данным макрогетероциклическим реагентам как к высокоселективным и эффективным катализаторам, сенсорам, аналитическим реагентам, фотосенсибилизаторам, полупроводниковым материалам и др. [4]. В связи с этим для решения указанных практических задач все более важным становится количественное сравнение электро-нодонорной способности органических нуклео-филов/оснований/лигандов по отношению к МП.
Ранее [1], [4] нами было предложено в качестве модельного процесса при исследовании нуклео-фильности реагентов использовать реакцию их комплексообразования с цинк-тетрафенилпорфи-рином (2п-ТФП) в хлороформе, а в качестве параметра нуклеофильности константу устойчивости молекулярного комплекса 2п-ТФПЬ состава 1 : 1 или величины смещения максимумов полос поглощения металлопорфирина в электронных спектрах в процессе координации.
Применение хлороформа в качестве растворителя обусловлено его гораздо меньшей токсичностью по сравнению с бензолом и четыреххло-ристым углеродом [8], лучшей растворимостью в нем большинства полярных органических веществ и тем, что он, обладая способностью к образованию слабых водородных связей и комплексов с переносом заряда, может позволить использовать указанный параметр нуклеофильнос-ти к процессам, протекающим как в отсутствие, так и при наличии не очень сильных специфических взаимодействий.
Нами было показано [4], что между значениями констант устойчивости комплексов 2п-ТФП с анилинами в хлороформе (координационная химия), константами скоростей реакций нук-леофильного замещения с участием анилинов (органическая, физическая химия [12], [13]) и константами скоростей для стадии взаимодействия анилинов с соединением ср^П пероксидазы хрена (биологическая химия) в воде и органических растворителях выполняются линейные уравнения.
Чрезвычайно важно, что очень часто металло-порфирины выступают в качестве простетичес-кой группы ряда ферментов (например, перокси-даз, оксигеназ, оксидаз и т. д.), катализирующих реакции окисления.
В качестве ферментативной модельной реакции, позволяющей оценить возможность описанных выше корреляций, мы выбрали окисление анилинов (субстрат) пероксидазой хрена (хромо-протеид), для описания взаимодействия которой с различными субстратами в настоящее время
широко используется механизм, предложенный Родригес-Лопес [14] (схема).
Механизм взаимодействия пероксидазы хрена с различными субстратами, где cpd-0 - комплекс фермента с H2O2;
S - восстанавливающий субстрат; cpd-I-S и cpd-II-S -комплексы (соединения) I и II пероксидазы с субстратом;
S и R - генерируемый свободный радикал
Под табл. 1 приводятся корреляционные уравнения, которые показывают, что на основании физико-химических данных (pKa, о-констант, АХ, К) в органических растворителях можно предсказывать скорости ферментативных реакций в водных средах.
Кроме того, мы показали, что эти значения находятся в линейной зависимости от нуклеофиль-ности анилинов в различных международных шкалах (при взаимодействии со SbCl5, BF3, йодом [5] и кислотами Бренстеда - Лоури [6] в апротон-ных растворителях), то есть введенная нами новая шкала нуклеофильности/основности является универсальной при описании различных био-и физико-химических процессов, протекающих в растворах и связанных с изменением электронной плотности на гетероатоме.
В данной статье мы решили проверить, будут ли соблюдаться линейные корреляции между константами устойчивости комплексов Zn-ТФП с n-донорными лигандами в хлороформе, величинами газовой основности GB (Gase Basicity), о-константами Гаммета и о*-константами заместителей в анилинах, пиридинах, N-оксидах пи-ридинов, аминах, спиртах, простых эфирах, меркаптанах и органических сульфидах (тиоэфирах).
Известно, что для взаимодействия соединения М с протоном в газовой
М (г) + Н+ (г) ^ МН+(г) (1)
фазе основность GB выражается изменением стандартной свободной энергии AG (ккал/моль) этой реакции, взятой с отрицательным знаком. Основность в газовой фазе также часто выражают сродством РА (ккал/моль) молекулы М к протону, то есть энтальпией AH (ккал/моль) реакции (1), взятой с обратным знаком. Однако обычно эти величины довольно близки, так как энтропийный вклад очень мал [7].
Сначала мы проверили корреляции для анилинов (значения GB и РА взяты из обзора [10]). Оказалось (рис. 1), что зависимость GB в газовой фазе для 3- и 4-замещенных производных от
Таблица 1
Константы устойчивости (К) молекулярных комплексов 7п- ТФП с анилинами в хлороформе при 25 °С, смещения максимумов полос поглощения II (ДХИ) в электронном спектре 7п- ТФП при комплексообразовании, константы скорости (к) реакции окисления анилинов соединением ср<!-П пероксидазы хрена в фосфатном буфере, рН 7,0, о- и о + - константы Гаммета и Брауна соответственно, рКа анилинов
в воде при 25 °С [3], [4]
№ X К, л-моль-1 к, л-моль-1-сек-1 о о+ рКа, 25 °С ДХП, нм
1 4-ОСН3 343 ± 3 6670000 -0,268 -0,778 5,34 15,4
2 4-СН3 199 ± 2 610000 -0,170 -0,311 5,07 14,8
3 3-СН3 174 ± 3 179000 -0,069 -0,046 4,72 14,5
4 Н 141 ± 2 85900 0 0 4,60 13,9
5 3-ОСН3 112± 3 62600 0,115 0,047 4,23 13,7
6 3-С1 72 ± 2 1520 0,373 0,399 3,52 13,1
7 2-С1 36 ± 1 1010 - - 2,64 12,8
^К = -0,99о + 2,19 г = 0,97 ^К = -0,57о+ + 2,12 г = 0,98 ^К = 0,33 ДХц - 2,55 г = 0,97
^к = -5,19о + 5,11 г = 0,98
^к = - 2,96о+ + 4,78 г = 0,97
^к = 1,43 ДХп - 15,27 г = 0,98
1ёк = 4,14 ^К - 3,86 г = 0,97
о-констант Гаммета описывается двумя различными линейными уравнениями, то есть влияние электронных эффектов заместителей в этих положениях на нуклеофильность аминогруппы не подчиняется единому правилу.
Рис. 1. Зависимость вБ в газовой фазе 4-замещенных ((1);
X = Н, Ме, ОМе, С1, Б, КМе2; вБ = -86,29 о + 851,4; г = 0,983, п = 6) и 3-замещенных ((2); X = ОМе, 8Ме, Бг, С1, Б, I, ОН, СБ3, СКТ, КН2; вБ = -127,8 о + 885,4; г = 0,983, п = 10) анилинов от о-констант Гаммета заместителей в бензольном кольце
Вообще с точки зрения механизмов индуктивного и мезомерного эффектов (в положении 4 действуют оба эффекта, а в положении 3 - только индуктивный) электронное влияние заместителей в ароматическом кольце должно описываться двумя типами констант Гаммета: опара и омета. Однако нуклеофильность анилинов в растворах с помощью этих констант обычно подчиняется единой прямой (без учета о+- и о-констант). На наш взгляд, это объясняется тем, что исходно численные значения о-констант Гаммета подбирали так, чтобы выполнялась единая линейная зависимость. Наличие же двух прямых в газовой
фазе, по-видимому, обусловлено отсутствием сольватации и связанными с этим различиями в статической поляризации молекул с заместителями в положениях 3 и 4. Удивительно другое: почему точка для незамещенного анилина находится именно на левой прямой (см. рис. 1), а не на пересечении обеих.
В дополнение мы прокоррелировали константы скорости (к) реакции окисления анилинов соединением срё-П пероксидазы хрена в фосфатном буфере, рН 7,0 (см. табл. 1) со значениями вБ и также обнаружили между ними линейную зависимость (^к = 0,0943 вБ - 75,6; г = 0,95; X = 4-ОМе, 4-Ме, 3-Ме, Н, 3-С1), то есть протони-рование анилинов в газовой фазе, так же как и реакция окисления их пероксидазой в водной среде и комплексообразование анилинов с 2п-ТФП в хлороформе, линейно связаны с электронной плотностью на атоме азота этих органических соединений.
Известно, что основность 3- и 4-замещен-ных анилинов в воде линейно коррелирует с о-константами Гаммета (рКа = -2,57о + 4,56; г = 0,99; п = 11), однако 3- и 4-галогенанилины (а также сам анилин) не подчиняются линейной зависимости рКа - вБ для других аналогов (рис. 2).
Интересно, что точка для 4-хлоранилина на рис. 1 также лежит выше прямой (без нее г = 0,995). Кроме того, значения вБ (835,5 - 846,8 ккал/моль) для 4-фтор-, 4-хлор- и 3-галогенани-линов довольно близки. Ввиду того что корреляция между рКа в воде и 1§К2п_ТФП в хлороформе для этих анилинов, включая галогенопроизводные, хорошая (г = 0,98), следует прийти к выводу, что необычное поведение галогенанилинов в газовой фазе связано именно с отсутствием сольватации, то есть с особенностями статической (в газовой фазе) и динамической (в растворе) поляризации этих молекул.
Рис. 2. Зависимость рКа в воде при 25 °С от вБ в газовой
фазе для 2-, 3- и 4-замещенных (треугольники, X = Н, 4-Б, 4-С1, 3-Б, 3-С1, 3-Бг, 3-1; кружочки, X = 4-Ме, 4-ОМе, 4-КН2, 3-Ме, 3-КЮ2, 2-Ме; рКа = 0,128 СБ - 105; г = 0,998; п= 6)анилинов
Для того чтобы детальнее понять особенности поведения атомов галогенов в качестве заместителей в ароматическом кольце, мы исследовали корреляции в ряду пиридинов.
Оказалось, что зависимость вБ в газовой фазе для 3-замещенных пиридинов (данных вЬ для 4-замещенных пиридинов нет в литературе) от о-констант Гаммета заместителей описывается прямой (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость вБ в газовой фазе 4- и 3-замещенных (X = Н, 4-КН2, 4-Ме, 3-Ме, 3-СО1КН2, 3-С1, 3-Бг, 3-1; вБ = -68,80 о + 900,3; г = 0,98; п = 8) пиридинов от о-констант Гаммета заместителей в ароматическом кольце
Однако, в отличие от анилинов (см. рис. 2), зависимость вБ в газовой фазе от рКа в воде (рис. 4) является линейной для всех пиридинов, включая 2- и 3-галогенопроизводные, то есть особое поведение галогенанилинов обусловлено их природой.
В то же время зависимость вБ в газовой фазе от 1§К2п-ТФП в хлороформе для 3-замещенных пи-ридинов является линейной, но от нее отклоняются 2-галогенанилины (рис. 5, точки слева). Это, по-видимому, связано с различием в стерических препятствиях при координации пиридинов с протоном Н+ и металлопорфирином 2п-ТФП.
Рис. 4. Зависимость вБ в газовой фазе от рКа в воде для 2-, 3- и 4-замещенных (X = Н, 4-ЫН2, 4-Ме, 3-Ме, 3-СО1КН2, 3-С1, 3-Бг, 3-1, 2-Б, 2-С1, 2-Бг; вБ = 9,831 рКа + 851,7; г = 0,97; п = 11) пиридинов
Рис. 5. Зависимость вБ в газовой фазе от ^К2п-ТФП в хлороформе для 2- (слева - Б, С1, Бг), 4- и 3-замещенных (X = Н, 4-ЫН2, 4-Ме, 3-Ме, 3-СО1КН2, 3-С1, 3-Бг, 3-1; вБ = 54,93 1яК2п-ТФП + 707,4; г = 0,99; п = 8) пиридинов
Таким образом, различие в нуклеофильности анилинов и пиридинов в растворах и в газовой фазе по отношению к протону (основность) и ¿п-ТФП обусловлено как природой соединений, так и различиями в их сольватации (статическая и динамическая поляризация).
Nоксиды пиридинов
Нами показано, что между величинами вБ и о-константами Гаммета заместителей для К-оксидов пиридинов выполняется уравнение вБ = -76,6о + 893 (X = 4-С1, 4-СК 4-КО2, Н, 3-Ме, 3-Б, 3-СКГ; г = 0,99). Линейная зависимость наблюдается и между вБ и 1§К2п-ТФП в хлороформе (1§К2п-ТФи = 0,0132 вБ - 8,875; г = 0,97; п = 4) и АХП (ДХп = 0,0536 вБ - 34,6; г = 0,97; п = 4).
Амины
Для анилинов и пиридинов в большом количестве случаев атомы азота пространственно хорошо доступны для взаимодействия с электрофилами, в частности с протоном, но с аминами обычно стерические эффекты очень важны. Однако для первичных, вторичных и третичных аминов, как и для предыдущих классов соединений, выполняется великолепная линейная корреляция вБ - РА (вБ = 0,9875 РА + 43,796;
п = 108, г = 0,9997). Исключение составляют (табл. 2) диамины (первичные, вторичные и третичные), диолы, метоксиспирты, диметоксиал-каны, аминоспирты, дикетоны, сложные эфиры вида Х(СИ2)пУ (п = 2-7; Х,У = НК КНМе, Ме2К ОН, ОМе, МеСО, МеСОКН, СООМе), а также соединения РЬ(СН2)пРЬ (п = 4-6), для которых определены низкие значения Д8Р (РЛ-ОБ = -3,358Д8Р + 109,0; г =1; п = 36), понижающиеся с увеличением п от 2 до 4. Для них при этом также возрастают РЛ и ОБ: во всех случаях наблюдается последовательность 10 < 7 < 6 < 8 < 9 < 5 < 1 < 3 < 4 (1 < 2 < 4), то есть метоксиспирт < диол < диэфир < дикетон < аминоспирт < первичный диамин < вторичный диамин < третичный диамин (см. табл. 2).
Как и ожидалось, наиболее устойчивыми являются аминопроизводные, но при этом, в отличие от водных растворов, +1 эффект метильных групп более важен, чем стерические препятствия с их стороны процессу протонирования. Подчеркнем, что в случае соединений 6-8 нет такой простой зависимости.
При дальнейшем удлинении цепи (см. табл. 2, п > 4) значения РЛ, ОБ и Д8Р остаются постоянными (для соединения 8 убывают). Ввиду того что протонирование в газовой фазе аминокислот (например, гистамин, глутамин, гистидин, лизин, аргинин) и краун-эфиров (15- краун-5 и 18-краун-6), способных к образованию хелатов, также характеризуется низкими значениями Д8Р, следует сделать вывод, что во всех перечисленных случаях образуются циклические структуры типа
Х,У = Н2Ы, ЫНМе, Ме2Ы, ОН, ОМе,
15-СГО\/УП-5
МеСО, МеСОЫН, СООМе
Отметим, что при п = 4-7 в газовой фазе величина Д8Р практически постоянна для каждого типа соединений ввиду малой вероятности образования столь больших циклов.
Интересно, что в случае 2-хлор-, 2-фтор-, 2-бромэтанолов, 2-циано-, 2-метокси-, 2-фенил-этиламинов и терминальных тригалогенэтил- и тригалогенбутиламинов Д8Р мало отличается от нуля.
Наконец, нам хотелось бы остановиться на некоторых особенностях комплексообразова-ния диаминов в газовой фазе и растворах. Как было отмечено выше, в газовой фазе с увеличением числа метиленовых групп от 2 до 4 возрастает основность соединений Н2К(СН2)пКН2 (см.
табл. 2). Аналогичное изменение наблюдается и в ацетонитриле, и в воде, но в меньшей степени (табл. 3). При этом в газовой фазе (большое понижение энтропии) диамины являются более сильными основаниями, чем н-пропиламин (небольшое понижение энтропии).
При координации подобных аминов с 2п-ТФП в хлороформе устойчивость комплексов изменяется более сложным образом: Ме2К(СН2)2КМе2 < н-СэН71ЧН2 < ^N(№2)2^2 < Н^С^^Щ В этом случае стерические факторы столь существенны, что тетраметильное производное (наиболее сильное из них основание в газовой фазе), несмотря на самое низкое значение ДН (см. табл. 3) из-за отрицательного Д8, образует наименее стабильный ассоциат. Для остальных трех комплексов порядок устойчивости в хлороформе соответствует изменению основности в газовой фазе (не совпадает с тем, который наблюдается в воде) и сопровождается положительными изменениями энтропии.
Мы решили проверить, насколько хорошо для аминов выполняются корреляции между ОБ в газовой фазе и ^К2п-тфп в хлороформе. Оказалось, что точки образуют три основных группы (18 первичных, 7 вторичных и 6 третичных аминов) в соответствии с их стерическими факторами. Вместе с первичными аминами группируются вторичные диметиламин, морфолин и пиперидин; со вторичными диэтил-, ди-н-пропил- и ди-н-бутиламинами объединяются третичные триметиламин, диметилаллил- и бензиламины; вторичный диизопропиламин группируется с третичными триэтил-, триаллил-и три-н-бутиламином.
Первичные амины (за исключением трет-бу-тиламина) ложатся на две прямые. Одна включает метил-, этил-, н-пропил-, н-бутил-, н-пентил-, н-гексил-, н-гептил-, н-децил-, изо-бутиламины и этилендиамин (г = 0,91; п = 10), другая - изо-про-пил-, втор-бутил-, циклогексил-, аллил-, пропар-гил-, бензиламины и 2-аминоэтанол (г = 0,89; п = 7). При этом наибольшей нуклеофильностью при протонировании в газовой фазе (ОБ) и при взаимодействии с 2п-ТФП в хлороформе (К) обладает этилендиамин (образует циклическую структуру (ОБ)), а наименьшей - пропаргиламин (8Р-гибридизация атома углерода). В обоих случаях в соответствии с +1 эффектом нуклеофильность возрастает в ряду МеКН < п-Б11ЧН2 < п-Рг1ЧН2 < п-БиКН2.
Однако величины ОБ увеличиваются (+1 эффект) от н-пропил- к изо-пропиламину и в ряду н-бутиламин < изо-бутиламин < втор-бутила-мин < трет-бутиламин, в то время как значения ^К2п-ТФП в хлороформе изменяются в обратной последовательности: изо-пропиламин < н-пропи-ламин; трет-бутиламин < втор-бутиламин < изо-бутиламин < н-бутиламин, указывая во втором случае на большее значение стерических фак-
Таблица 2
Значения Д8р для протонирования лигандов в газовой фазе в зависимости от количества метиленовых групп (п) в соединении
№ Лиганд / n (А / Б / В*) 2 3 4 5 6 7
1 H2N(CH2)„NH2 912,5/951,6/-22,1 940 /987/-49 954,3/1005,6/-63 946,2/ 999,6/-70 946,2/999,5/-70 944,9/998,5/-71
2 H2N(CH2)nNMe2 - 975,3/1025/-58 - - - -
3 MeNH(CH2)nNHMe 946,9/989,2/-33 - - - - -
4 Me2N(CH2)nNMe2 970/1012,8/-33 985,4/1035,2/-58 992,2/1046,3/-71 946,2/999,6/-71 - -
5 H2N(CH2)nOH 896,8/930,3/-3,3 917,3/962,5/-43 932,1/984,5/-67 872,5/931,3/-70 - -
6 HO(CH2)nOH 773,6/815,9/-33 825,9/876,2/-60 854,9/915,6/-95 - - -
7 MeO(CH2)nOH 729,8/768,8/-22 - - - - -
8 MeO(CH2)nOMe 820,2/858,0/-18 858,6/897,2/-20,6 880,6/931,5/-62 879,5/931,3/-65 - -
9 MeCO(CH2)nOCMe 851,8/892,0/-26 - - - - -
10 Ph(CH2)nPh - - 779,8/822,0/-33 782,4/824,7/-33 783,8/826,1/-33 -
Примечание. * А / Б / В - это ОБ (ДН ккал/моль) / РА (ДО ккал/моль ) / ДБр кал/моль/град.; для н-пропиламина эти величины равны 883,9, 917,8 и -8 единиц соответственно.
Таблица 3
Константы устойчивости (К), термодинамические константы (ДН, Д 8) образования молекулярных комплексов 2п-ТФП с аминами в хлороформе при 25 °С и значения основности (рКа) аминов в воде при 25 °С
К -ДН Д8 pKa (H2O)*
Me2N(CH2)2NMe2 2380±50 20,48 ± 0,43 -3,8 ± 0,4 -
h-C3H7NH2 11130 ± 260 12,68 ± 0,28 34,6 ± 1,5 10,53 [4]
H2N(CH2)2NH2 19750±230 11,52 ± 0,16 43,5 ± 1,6 10,09 [7]
H2N(CH2)4NH2 32700 ± 260 16,96 ± 0,4 29,5 ± 1,3 10,80 [7]
Примечание. * - значения рКа (Н2О) 1,3-диаминопропана 10,62, 1,5-диаминопентана 10,86 [7].
торов по сравнению с электронными. Это вполне объяснимо с точки зрения различий в размерах протона и молекулы цинк-тетрафенилпор-фирина.
Спирты и простые эфиры
Значения вЬ и РА в газовой фазе предельных спиртов возрастают в следующей последовательности:
метанол < этанол < н-пропанол < н-бутанол < изо-пропанол, изо-бутанол < нео-пентанол < трет-бутанол < втор-бутанол,
то есть симбатно увеличению +1 эффекта ал-кильных групп. Однако в случае трет-бутанола стерические факторы становятся столь существенными, что он проявляет более слабые нукле-офильные свойства по отношению к протону, чем втор-бутанол.
При анализе рис. 6 видно, что за исключением трет-бутанола и изо-пропанола (звездочка) предельные спирты подчиняются одной линейной зависимости вЬ - о* (квадратики), а при наличии электроноакцепторных заместителей (атомов галогенов или бензильной группы) или циклогек-санового кольца - другой (крестики). При этом
Рис. 6. Зависимость ОЬ в газовой фазе спиртов (квадратики: метанол, этанол, пропанол-1, бутанол-1, 2-метил-пропанол-1, бутанол-2, 3-метилбутанол, 2,2-диметилпро-панол-1; крестики: циклогексилкарбинол, 2-хлорэтанол-1, 2,2,2-трифторэтанол-1, бензиловый спирт, бутанол-2; звездочки: трет-бутанол, пропанол-2) и простых эфиров (кружочки: диметиловый, метилэтиловый, метил-изо-пропиловый, метил-н-пропиловый, диэтиловый, этил-изо-пропиловый, метил-трет-бутиловый, ди-изо-пропи-ловый, ди-н-пропиловый, изо-пропил-трет-бутиловый, ди-н-бутиловый, ди-трет-бутиловый, ди-втор-бутиловый и метил-н-бутиловый эфиры, пентагидропиран, тетрагидро-фуран; ромбики: метиловый эфир циклогексилкарбинола, метилбензиловый, 1,4-диоксан, этокси-2,2,2-трифторэтан, метокси-2,2,2-трифторэтан, 2,2,2-трифторэтокси-2,2,2-трифторэтан, метоксициклогексан) от о*-констант
бутанол-2 подчиняется как одному, так и другому математическому уравнению.
Более или менее аналогичные зависимости выполняются и для простых эфиров: большинство из них подчиняются одному уравнению зависимости ОЬ - Ео* (кружочки), но при появлении атомов галогена, кислорода, бензильного заместителя или циклогексанового кольца (ромбики) - другому. При этом точка для диизопро-пилового эфира находится на пересечении этих прямых.
Следует отметить, что в случае простых эфи-ров стерические факторы уже играют меньшую роль по сравнению с электронными. Гораздо большее значение в этом смысле циклогекса-нового кольца по сравнению с трет-бутильной группой (и циклопентановым кольцом) как для спиртов, так и для эфиров вызывает некоторое удивление.
Меркаптаны и простые тиоэфиры (органические сульфиды)
Значения ОЬ и РЛ в газовой фазе предельных меркаптанов возрастают практически в той же последовательности, что и для спиртов:
метилмеркаптан < < этилмеркаптан < н-про-пилмеркаптан < н-бутилмеркаптан < изобутил-меркаптан < изо-пропилмеркаптан < неопентил-меркаптан < трет-бутилмеркаптан.
Однако зависимость ОЬ - Ео* для меркаптанов и тиоэфиров описывается единой математической зависимостью, причем, как и в случае спир-
720 -'-1-'->-1-'-1-
-0,8 -0,0 -0,4 0,2 0 0,2 0,4 о.й 0,8
Рис. 7. Зависимость ОЬ в газовой фазе меркаптанов (ромбики: метил-, этил-, н-пропил-, изо-пропил-, н-бу-тил-, изо-бутил-, трет-бутил- и нео-пентилмеркаптаны) и тиоэфиров (треугольники: диметил-, метилэтил-, диэтил-, ди-н-пропил-, ди-н-бутил-, метилциклогексил- и ди-трет-бутилсульфиды, тетрагидротиофен) от о*-констант
тов и простых эфиров, точки для меркаптанов и сульфидов, содержащих циклогексановое кольцо, сильно отклоняются от прямой.
По-видимому, описанные выше особенности поведения кислород- и серусодержащих соединений (см. рис. 6, 7) объясняются прежде всего различием в размерах этих атомов, а следовательно, и различиями в их электроотрицательности, поляризуемости и пространственной доступности (при наличии одинаковых заместителей).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреев В. П., Нижник Я П., Лебедева Н. Ш. Новая шкала основности/нуклеофильности, основывающаяся на параметрах, характеризующих образование аксиальных (nv-типа) комплексов Zn-ТФП с лигандами (основаниями/ нуклеофилами) // Журнал органической химии. 2008. Т. 44. № 6. С. 914-922.
2. Андреев В. П. Влияние электронных факторов на реакционную способность гетероароматических N-оксидов // ХГС. 2010. № 2. С. 227-242.
3. Андреев В. П., Соболев П. С. Количественные корреляции, связывающие взаимодействие Zn(II)-тетрафенилпорфина и пероксидазы хрена с аминами // Биоорганическая химия. 2012. Т. 38. № 2. С. 242-250.
4. Андреев В. П., Соболев П. С. Молекулярные комплексы металлопорфиринов как модельная система исследования донорно-акцепторных взаимодействий п,у-типа. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2015. 355 с.
5. Андреев В. П., Соболев П. С., Мухина Н. И. Сравнение нуклеофильности n-донорных лигандов при взаимодействии с Zn-ТФП, SbCl5, BF3 и йодом в апротонных растворителях // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2015. № 4 (149). С. 98-103.
6. Андреев В. П., Соболев П. С. Сравнение нуклеофильности n-донорных лигандов при взаимодействии с кислотами Бренстеда - Лоури и цинк-тетрафинилпорфином в апротонных растворителях // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2016. № 2 (155). С. 98-104.
7. Кабачник М. И. Новое в теории кислот и оснований // Успехи химии. 1979. Т. 48. Вып. 9. С. 1523-1547.
8. Титце Л., Айхер Т. Препаративная органическая химия: реакции и синтезы в практикуме органической химии и научно-исследовательской лаборатории. М.: Мир, 1999. C. 17.
9. Эндрюс Л., Кифер Р. Молекулярные комплексы в органической химии. М.: Мир, 1967. 207 с.
10. Egan T. J., Hunter R., Kaschula C. H., Marques H. M., Misplon A., Walden J. Structure-function relationships in aminoquinolines: effect of amino and chloro groups on quinoline-hematine complex formation, inhibition of P-hematin formation, and antiplasmodial activity // J. Med. Chem. 2000. Vol. 43. № 2. P. 283-291.
11. Hunter E. P. L., Lias Sh. G. Evaluated gas phas basicities and proton affinities of molecules: an update // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1998. Vol. 27. № 3. P. 413-656.
12. Lee I., S o h n S. C., K a n g C. H., Oh Y. J. Nucleophilic substitution of benzyl benzenesulphonates with anilines in methanol-acetonitrile mixtures. Part 2.Variation in transition-state structure // Chem. Soc. Perkin. Trans. II. 1986. № 10. P. 1631-1634.
13. Lee B. C., Yoon J. H., Lee C. G., Lee I. Kinetics and mechanism of aminolisis of benzoic anhydrides // J. Phys. Org. Chem. 1994. Vol. 7. P. 273-279.
14. R o d r i g u e z - L o p e z J. N., G i l a b e r t M. A., T u d e l a J., T h o r n e l e y R. N. F., G a r c i a - C a n o v a s F. Reactivity of horseradish peroxidase compound II toward for a two-step mechanism // Biochem. 2000. Vol. 39. P. 13201-13209.
Andreev V. P., Petrozavodsk State University (Petrozavodsk, Russian Federation) Sobolev P. S., Petrozavodsk State University (Petrozavodsk, Russian Federation) Zachinyaeva A. V., S. M. Kirov Military Medical Academy (St. Petersburg, Russian Federation)
NUCLEOPHILICITY OF THE N-DONOR COMPOUNDS IN CHLOROFORM,
WATER AND GAS PHASES
Nucleophilicity of the n-donor ligands (amines, anilines, pyridines, pyridines, pyridine N-oxides, alcohols, ethers, mercaptans, organic sulfides (tioethers)) interacting with protons in the gas phase (GB - gas basicity, PA - proton affinity) and zinc-tetraphe-nylporphyrin (Zn-TPhP) in the chloroform environs is studied. Comparisons with water systems are conducted. Electronic factors play a much more significant role in the gas phase coordinated with the proton. In chloroform environs, after complexation with Zn-TPhP , the role of steric factors increases dramatically. The model system, which determines nucleophilicity level of the n-donor ligands with Zn- TPhP in chloroform environs, allows estimation of GB and PA in the gas phase. The system also helps to define the level of porphyrin-containing enzymes' reactivity in aqueous systems.
Key words: metalloporphyrins, peroxidases, coordination, nucleophilicity, basicity, gas phase, and proton aprotic solvents, electron spectroscopy
REFERENCES
1. Andreev V. P., Nizhnik Ya. P., Lebedeva N. Sh. New Basicity/Nucleophilicity Scale on the Basis of Parameters of Formation of Axial n,v-Complexes Derived from Tetraphenylporphyrinatozinc(II) and Base/Nucleophile as Ligands. Russian journal of organic chemistry. 2008. Vol. 44. № 6. P. 906-915.
2. Andreev V. P. The Effect of electronic factors on the reactivity of heteroaromatic N-oxides. Chemistry of heterocyclic Compounds. 2010. Vol. 46. № 2. P. 184-195.
3. Andreev V. P., Sobolev P. S. Quantitative Correlations Related to the Interaction of Zn(II)-Tetraphenylporphine and Horseradish Peroxidase with Amines. Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2012. Vol. 38. № 2. P. 211-218.
4. Andreev V. P.,Sobolev P. S. Molekulyarnye kompleksy metalloporfirinov kak model 'naya sistema issledovaniya donor-no-aktseptornykh vzaimodeystviy n,v-tipa [Molecular complexes of metaloporphyrins as a model system of investigation of donor-aceptor interactions of n,v-type]. Petrozavodsk, 2015. 355 p.
5. Andreev V. P., Sobolev P. S. Comparison of nucleophilicity of n-donor ligands in the interaction with Zn-TOn, SbCl5, BF3 and iodine in an aprotic solvent [Sravnenie nukleofil'nosti n-donornykh ligandov pri vzaimodeystvii s Zn-TOn, SbCl5, BF3 i iodom v aprotonnykh rastvoritelyakh]. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta [Proceedings of Petrozavodsk State University]. 2015. № 4 (149). P. 98-103.
6. Andreev V. P., Sobolev P. S. Comparison of nucleophilicity of n-donor ligands in the interaction with acids of Bronsted-Lowry and zinc-tetraphenylporphine in aprotic solvents. [Sravnenie nukleofil'nosti n-donornykh ligandov pri vzaimodeystvii s kislotami Brensteda - Louri i tsink-tetrafenilporfinom v aprotonnykh rastvoritelyakh]. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta [Proceedings of Petrozavodsk State University]. 2016. № 2 (155). P. 98-104.
7. K a b a c h n i k M. I. New in the theory of acids and substrata [Novoe v teorii kislot i osnovaniy]. Uspekhi khimii. 1979. Vol. 48. Issue 9. P. 1523-1547.
8. Tittse L., Aykher T. Preparativnaya organicheskaya khimiya: reaktsii i sintezy v praktikume organicheskoy khimii i nauchno-issledovatel'skoy laboratorii [Preparative organic chemistry: reactions and syntheses in the organic chemistry workshop and research laboratories]. Moscow, Mir Publ., 1999. P. 17.
9. E n d r y u s L., K i f e r P. Molekulyarnye kompleksy v organicheskoy khimii [Molecular complexes in organic chemistry]. Moscow, Mir Publ., 1967. 207 p.
10. Eg an T. J., Hunter R., Kaschula C. H., Marques H. M., Misplon A., Walden J. Structure-function relationships in aminoquinolines: effect of amino and chloro groups on quinoline-hematine complex formation, inhibition of b-hematin formation, and antiplasmodial activity // J. Med. Chem. 2000. Vol. 43. № 2. P. 283-291.
11. Hunter E. P. L., Lias Sh. G. Evaluated gas phas basicities and proton affinities of molecules: an update // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1998. Vol. 27. № 3. P. 413-656.
12. Lee I., S o h n S. C., K a n g C. H., Oh Y. J. Nucleophilic substitution of benzyl benzenesulphonates with anilines in methanol-acetonitrile mixtures. Part 2.Variation in transition-state structure // Chem. Soc. Perkin. Trans. II. 1986. № 10. P. 1631-1634.
13. Lee B. C., Yoon J. H., Lee C. G., Lee I. Kinetics and mechanism of aminolisis of benzoic anhydrides // J. Phys. Org. Chem. 1994. Vol. 7. P. 273-279.
14. Rodriguez-Lopez J. N., Gilabert M. A., Tudela J., Thorneley R. N. F., Garcia-Canovas F. Reactivity of horseradish peroxidase compound II toward a two-step mechanism // Biochem. 2000. Vol. 39. P. 13201-13209.
Поступила в редакцию 15.03.2016
