多取代鐵卟啉的軸向配位反應及熱力學常數測定

侯月平，王麗萍，房媛媛，黃廣鳳，歐忠平

（1．鎮江高等職業技術學校化工系，江蘇鎮江212003；2．江蘇大學化學化工學院，江蘇鎮江212013）

金屬卟啉廣泛存在于自然界的生物體中，例如細胞色素及過氧化酶中的血紅素就是一類特殊的鐵卟啉。由于鐵卟啉對生命過程中氧的傳輸、儲存和活化起著十分重要的作用，因此對這類化合物的合成及性質研究一直是化學領域的熱點課題［1－8］。鐵卟啉化合物的生物功能往往涉及與球蛋白和氧分子的軸向配位反應［9－11］，所以研究這類化合物的軸向配位反應對于模擬血紅素的生物功能，加深對細胞色素相關反應的認識均具有十分重要的意義。

鐵卟啉與咪唑（Im）及吡啶類小分子的軸向配位反應已有許多研究［11－17］，但對于在中位和β－位上均含有取代基的多取代鐵卟啉，其軸向配位反應的研究報道還很少。因此，本文采用微量光譜滴定法，研究了5，10，15，20－四－（4－甲苯基）卟啉氯化鐵（化合物1）、2－硝基－5，10，15，20－四－（4－甲苯基）卟啉氯化鐵（化合物2）、5，10，15，20－四－（3，5－二甲氧苯基）卟啉氯化鐵（化合物3）、2－硝基－5，10，15，20－四－（3，5－二甲氧苯基）卟啉氯化鐵（化合物4）4種新型的多取代鐵卟啉配合物（結構見圖1（a）），在不同溫度的三氯甲烷溶劑中與咪唑（Im）、4－甲基咪唑（4－MeIm）和4－甲基吡啶（4MePy）（結構見圖1（b））3種含氮堿的軸向配位反應，測定了反應的平衡常數（logβn）以及標準摩爾反應焓變（ΔrHθm）、標準摩爾反應熵變（ΔrSθm）和標準摩爾反應吉布斯自由能變（ΔrGθm）等熱力學常數，并討論了溫度、卟啉的取代基及含氮堿的結構對軸向配位反應平衡常數及熱力學常數的影響。

圖1 多取代鐵卟啉（a）和軸向配體含氮堿（b）的結構Fig．1 Structures of polysubstituted iron porphyrins（a）and the axial nitrogenous base ligands（b）

1 實驗部分

1．1 儀器及試劑

Agilent 8453分光光度計（美國，安捷倫科技公司）；光譜滴定池（1cm，自制）；SYC－15超級恒溫水浴（南京互川電子有限公司）；100μL微量進樣器（上海高鴿工貿有限公司）。

三氯甲烷溶劑在使用前經干燥蒸餾處理。多取代鐵卟啉化合物按文獻方法合成［18］。咪唑（Im）、4－甲基咪唑（4－MeIm）及4－甲基吡啶（4－MePy）均為分析純（上海國藥集團）。

1．2 實驗方法

采用逐級稀釋法，配制一系列含有不同濃度（1．0×10－1～1．0×10－5mol／L）含氮堿的三氯甲烷溶液作為滴定劑。稱取一定量的鐵卟啉配合物，以三氯甲烷為溶劑，配制濃度1．0×10－5～1．0×10－6mol／L的溶液，然后準確移取6mL置于光譜滴定池中待滴定。滴定時用微量進樣器將一定量的含氮堿滴定劑加入待滴定的卟啉溶液中，充分振蕩混勻，在一定溫度下恒溫后測定其紫外－可見吸收光譜。

1．3 平衡常數及熱力學常數的測定

多取代鐵卟啉（以（Por）FeCl表示）與含氮堿（以L表示，L＝Im、4－MeIm或4－MePy）的軸向配位反應如式（1）所示：

當反應達到平衡時，溶液的吸光度與L平衡濃度之間的關系可用式（2）表示：

式中，A0為鐵卟啉沒有發生軸向配位反應時的吸光度；Af為鐵卟啉完全發生軸向配位反應后的吸光度；Ai則為滴定過程中任意一點時溶液的吸光度。

以log（（Ai－A0）／（Af－Ai））對log［L］作圖，由所得直線的斜率和截距，可求得鐵卟啉接受的軸向配體數n和反應的平衡常數logβn。若n＝1，表明鐵卟啉在軸向配位了一個含氮堿分子，反應平衡常數為logβ1；若n＝2，則軸向配位了兩個含氮堿分子，其反應平衡常數為logβ2。

根據在不同溫度下測得的反應平衡常數，利用Van’t Hoff方程（式3），以lnβn對1／T做圖，可求得鐵卟啉與含氮堿的軸向配位反應熱力學常數

2 結果與討論

2．1 平衡常數的測定

在一定的溫度（283～308K，測定間隔5K）下，用已知濃度的含氮堿對每個鐵卟啉進行滴定，并記錄溶液的光譜。結果表明：隨著滴定劑的加入，卟啉溶液的光譜均具有明顯的變化。圖2給出的是在溫度293K下用4－MeIm滴定5，10，15，20－四－（3，5－二甲氧苯基）卟啉氯化鐵（化合物3）時所得到的光譜變化情況。由圖可見，隨著滴定劑4－MeIm的不斷加入，卟啉化合物3、在378nm、512nm波長處兩個吸收峰的強度逐漸降低直至完全消失。與此同時，在421nm波長處的吸收峰強度不斷增強，在551nm波長處有一個新峰生成，說明在滴定過程中鐵卟啉與4－MeIm發生了軸向配位反應。從圖2也可看到，由log（（Ai－A0）／（Af－Ai））對log［4－MeIm］作圖，直線的斜率為2．0，說明在三氯甲烷中該卟啉與兩個4－MeIm分子發生了軸向配位反應，其反應平衡常數logβ2＝6．26。根據相同的實驗方法，求算了每個卟啉配合物在不同溫度下采用不同的含氮堿滴定時的反應平衡常數，結果見表1。

圖2 在氯仿中293K時用4－MeIm滴定5，10，15，20－四（3，5－二甲氧苯基）卟啉氯化鐵（化合物3）時得到的光譜變化圖以及用于求算平衡常數的Hill曲線Fig．2 Spectral changes obtained during a titration of 5，10，15，20－（3，5－diCH3OPh）4PorFeCl（3）with 4－MeIm in CHCl3at 293Kand the Hill plot（inserted）used to calculate the equilibrium constant

表1 多取代鐵卟啉在三氯甲烷中于不同溫度（283～308K）下與含氮堿的軸向配位反應平衡常數Table 1 Equilibrium constants of the axial coordination reactions between polysubstituted iron porphyrins and nitrogenous bases in CHCl3at different temperature（283－308K）

2．2 含氮堿結構對軸向配位反應的影響

從表1可知，在一定溫度下，同一種卟啉與不同結構的含氮堿發生配位反應時，其接受軸向配體的數目以及平衡常數的大小均存在明顯的差異，表明含氮堿的結構對卟啉的軸向配位反應具有顯著的影響。例如：卟啉化合物1與Im和4－MeIm反應時均接受了兩個軸向配體（n＝2），但是與4－MeIm反應時的累積平衡常數logβ2的數值比用Im時的要小，這是由于4－MeIm中的甲基位于配位氮原子的鄰位所造成的位阻效應大于其給電子效應，導致了甲基的存在不利于4－MeIm與鐵卟啉的軸向配位反應。根據表1的數據可以看到，4－MePy與每種鐵卟啉反應時其軸向配體數n均為1，而且其平衡常數比用咪唑類軸向配體時要小得多。對于一種給定的鐵卟啉化合物，在283～308K溫度范圍內所用含氮堿軸向配位能力的大小依次為：Im＞4－MeIm＞4－MePy。

2．3 卟啉取代基對軸向配位反應的影響

實驗結果表明：卟啉大環周邊的取代基對軸向配位反應也有重要影響，其影響程度與取代基的種類及其在卟啉大環上的位置有關。由表1可知：在一定的溫度下與給定的含氮堿發生軸向配位反應時，卟啉大環β－位上具有硝基比相應的沒有硝基的鐵卟啉具有更大的平衡常數。例如：在溫度298K下，具有硝基的化合物2和4與咪唑反應的平衡常數（logβ2分別為6．79和6．63）均大于其相應的沒有硝基的化合物1和3（logβ2分別為6．52和6．47）。

需要指出的是，具有硝基取代基的鐵卟啉化合物2和4與4－MeIm反應時僅僅只能接受一個軸向配體，而沒有象與Im反應時那樣能夠接受兩個軸向配體。這說明在β－位上具有硝基的卟啉和軸向配體4－MeIm的結構特點共同影響了它們之間發生的軸向配位反應性質。

2．4 溫度對軸向配位反應的影響

研究結果表明：溫度對軸向配位反應平衡常數的影響較大。由表1可見，鐵卟啉化合物與含氮堿發生軸向配位反應時，其平衡常數隨著溫度的上升而逐漸減小。例如：在283K時化合物1與咪唑的軸向配位反應平衡常數logβ2為7．05，但是在308K時logβ2減小至6．19。說明鐵卟啉與含氮堿的軸向配位是放熱反應，如果反應體系的溫度上升，則不利于軸向配位化合物的生成。

2．5 熱力學常數的測定

根據Van’t Hoff方程，以lnβn對1／T作圖，可得一直線，根據直線的斜率和截距，可求得各種卟啉與不同的含氮堿進行軸向配位反應的焓變）及熵變然后根據吉布斯自由能方程（式4），可以求得各軸向配位反應的吉布斯自由能變

圖3是以5，10，15，20－四－（3，5－二甲氧苯基）卟啉氯化鐵（化合物3）與4－MeIm反應的lnβ2對1／T作圖，所得到的Van’t Hoff曲線，由曲線斜率和截距，可以求得焓變分別為－109．12kJ／mol和－253．3J／（K·mol），由公式4計算得到的吉布斯自由能變為－33．67kJ／mol。

利用同樣的方法，可求得各種鐵卟啉與不同含氮堿發生軸向配位反應的熱力學常數，結果見表2。由表2可見，配位反應的焓變ΔrHθm和熵變ΔrSθm均為負值，說明軸向配位反應為放熱、產物有序性增加的過程，而且各軸向配位反應的ΔrGθm＜0，表明所研究的每個取代鐵卟啉與含氮堿Im、4－MeIm和4－MePy在給定條件下的軸向配位反應均為自發過程。

圖3 5，10，15，20－四－（3，5－二甲氧苯基）卟啉氯化鐵（化合物3）與4－甲基咪唑反應的lnβ2－1／T曲線Fig．3 Plot of lnβ2－1／T for 5，10，15，20－（3，5－diCH3OPh）4PorFeCl（3）reaction with 4－MeIm

表2 多取代鐵卟啉在三氯甲烷中與含氮堿的軸向配位反應熱力學常數Table 2 Thermodynamic constants of the axial coordination reactions between polysubstituted iron porphyrins and nitrogenous bases in CHCl3

3 結論

本文采用微量光譜滴定法，研究了4種多取代鐵卟啉與Im、4－MeIm和4－MePy 3種含氮堿在三氯甲烷中的軸向配位反應，測定了溫度在283～308K范圍內反應的平衡常數以及熱力學常數。研究結果表明：鐵卟啉的軸向配位反應能力與其含有的取代基及含氮堿的結構有關，也與反應體系的溫度有關。具有硝基取代基的鐵卟啉比沒有硝基取代基的鐵卟啉具有更強的軸向配位能力；對于同一種鐵卟啉，含氮堿的軸向配位反應能力為：Im＞4MeIm＞4－MePy；在給定的實驗條件下，溫度越高，軸向配位反應的平衡常數越小，其ΔrHθm、ΔrSθm及ΔrGθm值均小于零，說明每種鐵卟啉與含氮堿的軸向配位反應均為放熱的、產物有序性增加的自發反應。