شبیه سازی دینامیک ملکولی استخلافات پورفیرین و مطالعه کمی ساختار و ویژگی در … |
:
1-1- پورفیرین
پورفیرینها گروهی از ترکیبات آلی هستد که در طبیعت به صورت های مختلفی وجود دارند. یکی از معروف ترین پورفیرینهای شناخته شده، هم می باشد که همان رنگدانه ی موجوددر سلولهای خون است و کوفاکتور سلولهای هموگلوبین است. آن ماکرو سیکلهای هترو سیکلی است که از ٤ واحد پیرول تغییر یافته تشکیل شده است و اتم کربن آلفای آن از طریق پلهای متین به هم متصل شدهاند ]1.[
2-1- خواص پورفیرین ها
پورفیرینها آروماتیک هستد و به دلیل آروماتیسیته از قانون هوکل پیروی میکنند. دارای 4n+2=π الکترون هستند که در ماکروسیکل مستقر شده است. بنابر این ماکروسیلها، سیستم های فوق العاده مزدوج هستند در نتیجه ی این امر، باندهای جذبی قوی در ناحیهی مرئی دارند و شدیدا رنگی میباشند. اندازهگیری گرمای سوختن و طیف بینی NMR پورفیرینها، آروماتیک بودن آنها را نشان میدهد[4]. نام پورفیرین از کلمه ی یونانی purple به معنای بنفش آمده است. ماکروسیل آن ٢٦الکترون پای دارد.
امروزه دادههای بلورشناسی نشان میدهند که مولکول پورفیرین به طور کامل سخت و انعطافناپذیر نیست، بلکه یک سیستم انعطاف پذیر با سد انرژی پایین برای تغییر شکلهای خارجصفحهای[1] است و شکل هندسی آن به طور قابل توجهی تحت تاثیر برهم کنشهای بلوری بین مولکولی میباشد به طوری که ساختار پورفیرین کاملا مسطح[2] بوده و ساختار تترافنیل پورفیرین کاملا چینخورده[3] میباشد [5].
با جایگزینی گروههای مختلف در موقعیتهای مختلف β پیرولی یا مزو، از مولکول پورفین به پورفیرین میرسیم. از طرفی ویژگی الکترونی استخلافها از جمله الکترون کشندگی یا الکترون دهندگی سبب تغییر خواص پورفیرینها میشود [6]. ترکیبات پورفیرینی که دارای دو هیدروژن بر روی نیتروژنها هستند، باز آزاد[4] نامیده میشوند (شکل ١-2 الف). افزایش یک پروتون، منجر به تشکیل مونواسید[5] یا مونوکاتیون (شکل ١-2 ب) میشود و افزایش یک پروتون دیگر، تشکیل دیاسید[6] یا دیکاتیون (شکل ١-2 ج) را میدهد که در آن پورفیرین دارای بار ٢+ است. پورفیرینها میتوانند با از دست دادن دو هیدروژن خود در حالت باز آزاد، به صورت دی آنیون درآیند که در فرم دیآنیون قادرند با یونهای فلزی ٢+ و ٣+ کمپلکسهای فلزی پورفیرینها را تشکیل دهند.
3-1- پورفیرین ها و ترکیبات مرتبط
پورفیرین بدون فلز در حفره اش نیز باز آزاد نامیده میشود. بعضی از پورفیرینهای حاوی آهن هم نامیده میشوند. هم حاوی پروتئین ها هموپروتئینها میباشد که به طور گستردهای در طبیعت یافت میشود. هموگلوبین و میوگلوبین دو پروتئین پیوندی اکسیژن هستند که حاوی پورفیرینهای آهن دار میباشند. چندین هتروسیکل دیگر در ارتباط با پورفیرین وجود دارد. این هتروسیکلها شامل کورینها، کلرینها، باکتریوکلرفیلها و کورفینها میباشد.
از شبه پورفیرینهای طبیعی میتوان به کورینها[1] شکل(١-3) اشاره کرد. کورینها ماکروسیکلهایی متشکل از چهار حلقه پیرولی هستند که از چهار اتم نیتروژن خود برای اتصال به فلز استفاده میکنند. کورینها در این حالت تقریبا شکل مسطح مربعی دارند. تفاوت اصلی کورین با پورفیرین، نبود یک اتم کربن متین است که اتصال دهنده دو تا از حلقههای پیرول است. این عامل، سبب به هم ریختن هندسه فلز مرکزی است و نیز باعث به وجود آمدن برخی خواص جالب برای کمپلکس مذکور است.
کلرینها بیشتر احیا شده، هیدروژن بیشتری نسبت به پورفیرین دارند و زیر واحد پیرولینی دارند. این ساختار در کلروفیل رخ میدهد. جایگزینی دو زیر واحد از چهار زیر واحد پیرولی با زیر واحد پیرولینی، منجر به باکتریوکلرینها میشود که در باکتریهای فتوسنتز کننده یافت میشود. پروتوپورفیرین[1] (شکل١- 4) یکی از فراوانترین پورفیرینهای موجود در طبیعت است. از جانشین کردن کربنهای ٥، ١٠، ١٥و٢٠ پورفین با نیتروژن و اتصال حلقههای پیرول با چهار حلقه بنزن ترکیب معروف رنگی، به نام فتالوسیانین (شکل١-5) حاصل میشود. دو ترکیب مهم دیگر موجود در طبیعت کلروفیل[2] (شکل١-6) و ویتامین B12 [7] (شکل١-7) میباشند.
ماکروسیکلهای تتراپیرولی، که پورفیرینها دستهای از آنها هستند، در طبیعت جهت اتصال فلز در سیستمهای آنزیمی و کمپلکسهای مربوطه استفاده میشوند و عهدهدار کارهای زیادی هستند. توانایی کاتالیزوری پورفیرینها به وضعیت الکترونی فلز مرکزی، هندسه حلقه پورفیرین و طبیعت لیگاندهای محوری بستگی دارد [8].
با در نظرگرفتن مطالعات مربوط به مشتقات گوناگون پورفیرینها، فاصله ها و زاویه ها در اسکلت پورفیرین مقدار تقریبا ثابتی میباشد. پورفیرین مسطح با توجه به قاعده زاویه و فاصله یک محور تقارن درجه چهار دارد.
خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir
پورفیرینها شامل انواع مسطح و تغییرشکلیافته میباشند. این ماکرومولکولها دارای خاصیت انعطافپذیری هستند. پورفیرین در حالت مسطح در پایین ترین سطح انرژی خود قرار دارد. از آنجا که انرژی کمی برای تغییر شکل پورفیرین لازم است، تحت شرایط مختلف نمیتوان ساختار آن را به سادگی پیشبینی کرد. همچنین ساختار پورفیرین در محلول به دلیل نامشخص بودن برهمکنشهای دقیق آن با حلال قابل پیشبینی نیست.
4-1- یونیزه شدن پورفیرین ها
5-1- عوامل موثر بر فعالیت پورفیرین ها
بسیاری از مطالعات انجام شده که به بررسی تاثیر عوامل موثر بر فعالت پورفیرین ها پرداخته است. تقریباً تمام واکنشهایی که توسط آنزیمها کاتالیز میگردند توسط متالوپورفیرینها نیز کاتالیز میشوند. گزارشهای زیادی در مورد واکنشهای هیدروکسیلدار کردن هیدروکربنهای اشباع، اپوکسایش آلکنها، اکسیژندار کردن آلکینها، اکسایش سولفیدها، هیدروکسیلدار کردن ترکیبات نیتروژندار، اکسایش الکلها و آلدئیدها و بسیاری از واکنشهای دیگر وجود دارد. مهمترین این عوامل موثر عبارت است از پایداری متالو پورفیرین، نوع گونه حدواسط تشکیل شده، تاثیر استخلافات گروه های مختلف با وضعیتهای متنوع الکترونی و فضایی بر روی حلقه پورفیرین که ممکن است اتصال به حلقههای پیرولی یا حلقههای فنیلی باشد، اثر فلز مرکزی، تاثیر نوع اکسنده، – اثر لیگاندهای محوری[1] متفاوت از نظر الکترونی و فضایی و همچنین اثر غلظت لیگاند محوری به کار رفته و اثر حلال که مورد توجه زیادی قرار دارد.
6-1- تجمع پورفیرین
فرایند تجمع ملکولهای رنگ دانه مربوط به طبقهی پورفیرینها و فتالو سیانینها در زمینههای مختلف شامل فوتوشیمی، بیوشیمی و الکترونیک نوری توجه زیادی را به خود جلب کرده است ].10-16.[ کنترل تجمع رنگدانه با هندسهی سازمان یافته خاص یکی از اهداف پیشرفت دانش بسیاری از واحدهای جمع آوری نور در فتوسنتز است. معیار اصلی برای فرآیند تجمع، نوع بر هم کنشهای غیر کووالانسی شامل تاثیرات خارجی و محیطی است که فرایند رخ میدهد. توازن این بر هم کنشها میتواند نوع تجمی که رنگدانه میتواند در مجموعهی سوپرا ملکول مفروض فرض کند را تعیین کند.
دریافته اند که باز آزاد و متالو پورفیرین می تواند تجمعات مختلفی را شکل دهد و نیروی پیش برنده برای این کمپلکسهای ملکولی غیر کووالانسی میتواند پیوندهای هیدروژنی، بر هم کنشهای واندر والسی، الکترواستاتیکی و تاثیرات هیدروفوبی باشد. این بر هم کنش ها نو آرایی ساختاری مونومرهایی از قبیل بلوکهای ساختمانی برای ساختن تجمعات پورفیرینی را اجرا میکند ]17[.
بنابر این تجمع میتواند از طریق خود تجمعی در محلول هموژن شکل گیرد یا توسط تجمع در بعضی از محیطهای هتروژن مثل مایسلها لیپوزومها، پروتئینها، دندریمرها، مونو لایرها یا فیلمهای بولجت-لانگمویر القا شود.
در ساختار ملکولی تجمع یافته، ملکولهای مونومر به شیوهای آرایش مییابند که ممان دو قطبی گذار بتواند به شدت بر هم کنش کرده و ودر نهایت باعث تغییر برجستهای در طیف الکترونی تجمع میشود. در حقیقت طبق تئوری تهییج کاشا، جفت شدن ممانهای گذار دو قطبی ملکولها که موازی با خط اتصال مراکز ملکولی تراز یافته در تجمع است منجر به تجمع از نوعJ میشود. از طرف دیگر، تجمع نوع H زمانی سبقت میگیرد که ممانهای گذار دو قطبی عمود به خط مراکز منجر به گذار الکترونی شیفت آبی مربوط به باند جذبی مونومر شود.
هر چند که این روشها اطلاعات روشنی از ساختارهای بزرگ ایجاد شده از ملکولهای پورفیرین میدهد ولی اطلاعات دیگری از سینتیک تجمع پیش برنده و طبیعت کلاسترهای موجود نمیدهد و بر این اساس ما شبیه سازی دینامیک ملکولی و مطالعهی سینتیکی تجمعات پورفیرینی را در این جا در نظر گرفتهایم.
مساحت نسبتاً بالای صفحه مولکولی پورفیرین سبب بر همکنشهای بین مولکولی جهت داری میشود که با تجمع مولکولهای پورفیرین همراه است [27-26]. با تجمع مولکولهای پورفیرین، خواص شیمیایی و نورشیمیایی آنها نیز تحت تأثیر قرار میگیرد. برای مثال مراحل جذب نور و انتقال بار در فرایند فتوسنتز در گونههای تجمع یافته کلروفیلها صورت میگیرد [28]. تجمع جهتدار پورفیرینها ممکن است با بروز خواص مغناطیسی، رسانایی و کاتالیزوری بدیهی همراه باشد. تجمع پورفیرینها ممکن است در داخل محلول و یا در سطح یك بیوپلیمر نظیر DNA پلیپپتید صورت گیرد [29].
جهت تشخیص خود تجمعی پورفیرینها و متالوپورفیرینها از تكنیكهای متنوعی میتوان استفاده كرد كه از مهمترین آنها طیف جذبی الکترونی، طیف نشری و پراكندگی تشدید یافته نور[1] است [32[.
رفتار پورفیرینها در حضور یونهای فلزی و یونهای مقابل آنها (, NO3– , Cl– SO42–) بررسی شده است. مشخص شده است که در حضور یونهای فلزی و در قدرتهای یونی پایین پورفیرینها به صورت J تجمع مییابند و در حضور یونهای مقابل و در قدرتهای یونی بالا هر دو تجمع نوع J و Hمشاهده شده است. با توجه به این نتایج پیشنهاد شده است كه یونهای مقابل نقش مهمی در تشكیل این دو تجمع و تبدیل آنها به یكدیگر دارند [33].
فرایند تجمع شامل دو مرحله است: ابتدا تجمعهای H تشكیل میشوند كه با افزایش بیشتر قدرتیونی به حالت J منتقل میشوند. این اطلاعات توسط دادههای RLS و فلوئورسانس تأیید شده است [34].
[1]- Resonance Light Scattering
[1]. Axial
[1]. biomimetic
[1]. portoporphyrin ΙΧ
[2]. chlorophyll
[1]. corrins
[1]. out-of-plane deformations
[2]. planar
[3]. ruffled
[4]. porphyrin free base
[5]. monoacid
[6]. diacid or dication
[1]. Fisher
فرم در حال بارگذاری ...
[جمعه 1400-05-15] [ 05:20:00 ب.ظ ]
|