Zjawisko przeniesienia ładunku
CZĘŚĆ I. Kompleksy z przeniesieniem ładunku.
Zagadnienia do opracowania:
1. Elementarne ujęcie równania Schroedingera, energia elektronów w cząsteczce,
pojęcie orbitalu atomowego i molekularnego.
2. Absorpcja promieniowania UV-VIS: prawo Lamberta-Beera, pojęcie ekstynkcji
molarnej, absorpcja promieniowania a barwa związku, pojęcie polaryzacji światła.
3. Mechanizmy przenoszenia elektronów – pojęcie przewodnika, pólprzewodnika,
dielektryka.
WSTĘP TEORETYCZNY
Zjawisko przeniesienia (transferu) ładunku należy do podstawowych procesów
chemicznych i biologicznych, szczególnie intensywnie badane jest zjawisko
transferu elektronów w procesach fotosyntezy i fosforylacji oksydatywnej.
Na znaczenie tego typu procesów w układach biologicznych po raz pierwszy zwrócił
uwagę Szent-Gyórgyi, wskazując na możliwość, że niektóre aldehydy i ketony mogą
służyć jako akceptory elektronów o ile znajdują się w pobliżu łańcuchów
polipeptydowycha grupy –SH mogą oddawać elektrony do pasm przewodnictwa
białek.
Akt przeniesienia elektronu jest procesem o charakterze kwantowomechanicznym.
Używając pojęć prostej teorii orbitali molekularnch MO (MO - Molecular Orbitals)
stwierdzamy, że procesach transferu ładunku najważniejsza rolę odgrywają
położenia dwu układów orbitali cząsteczek uczestniczących w procesie transferu:
HOMO ( Highest Occupied Molecular Orbital) donatora elektronów i LUMO ( Lowest
Unoccupied Molecular Orbital) cząsteczki akceptora elektronów. W interpretacji
teorii MO akt utlenienia substancji zachodzi, gdy usuwamy jeden elektron z
HOMO, a redukcji poprzez dodanie elektronu na LUMO.
Zatem mówiąc o reaktywności układu w sensie transferu elektronów ( używamy
tutaj różnych mierników takich jak potencjał jonizacji, powinowactwo elektronowe,
stałe szybkości reakcji transferu elektronów, potencjały oksydacyjno redukcyjne)
wielkości te koreluja z wartościami HOMO i LUMO wyznaczonymi dla danego
układu.
Warunki panujące w komórkach i skład komórki, wskazują na fakt występowania w
komórkach ( w normalnych warunkach fizjologicznych) związków o umiarkowanych
zdolnościach donorowych ( np. związki suflhydrylowe) i akceptorowych ( karbonyle,
dikarbonyle, ketoaladehydy, - najsilniejszym akceptorem jest tlen).
Stąd też bierze się zainteresowanie układami stosunkowo słabych donorów i
akceptorów i ich rolą biologiczną. Spośród nich najciekawsze są tzw. kompleksy
z przeniesieniem ładunku ( ang. charge transfer complex – CTC) inaczej zwane
kompleksami donorowo-akceptorowymi ( DAC - ang. donor-acceptor complex, słabe
molekularne kompleksy, które formują silnie barwne mieszaniny w stanie stałym
i ciekłym, ale nie będące nowymi związkami chemicznymi, natomiast zachowującymi
własności chemiczne swoich składników. Teorię zachowania tego typu słabo
oddziałujących kompleksów molekularnych sformułował Mulliken.
Jakkolwiek nie ma bezpośrednich dowodów formowania się tzw. kompleksów
z przeniesieniem ładunku ( Charge - Transfer Complex- CTC) in vivo pomiędzy
biomolekułami, wiele aktywnych biologicznie związków tworzy takie kompleksy in
vitro.
W celu lepszego zrozumienia problemu rozważmy za Mullikenem układ dwu
rodzajów molekuł A oraz D o określonych konfiguracjach elektronowych
oddziałujących pomiędzy sobą, co prowadzi do utworzenia asocjatu AD o niższej
energii. Trwałość połączenia będzie tym większa, im większa będzie różnica energii
pomiędzy połączeniem AD a A+D. Połączenie AD może powstać np. w warunkach,
gdy jeden z elektronów cząsteczki D (donora) zostaje przeniesiony na cząsteczkę A
( akceptora) co można opisać schematem
A+D
→ AD = A
+
+ D
-
( 1)
Przeniesienie elektronu w obrębie cząsteczki AD powoduje powstanie nowego
pasma w widmie absorpcyjnym, zwanego pasmem przeniesienia ładunku ( charge
transfer band).
Kompleks AD może istnieć w dwu stanach: podstawowym oraz wzbudzonym.
W stanie podstawowym molekuły składowe kompleksu doznają wpływu sił normalnie
występujących , gdy cząsteczki znajdują się blisko siebie np. sił van der Waalsa ,
dyspersyjnych itd. występuje także z dodatkowy wkład od ładunku częściowo
przeniesionego z donora na akceptor. Stan wzbudzony jest preferowany, gdy
kompleks pochłania światło o odpowiedniej długości fali, wtedy także elektron zostaje
w praktycznie w całości przeniesiony na akceptor pojawia się charakterystyczna
barwa. W celu wyjaśnienia tego faktu Mulliken użył teorii wiązań walencyjnych (VB -
Valence Bond)
Oznaczmy stan podstawowy układu
Ψ
N
gdzie
Ψ
(AD)
odpowiada strukturze bez wytworzenia wiązania , w której składniki
tworzą asocjat dzięki słabym oddziaływaniom międzycząsteczkowym, zaś
Ψ
(A-D+)
odpowiada strukturze, w której elektron został przeniesiony całkowicie na akceptor.
Dla większości kompleksów a>>b, co oznacza, że
Ψ
N
>>
Ψ
(AD)
Stan wzbudzony może być opisany funkcją:
Dla stanu wzbudzonego mamy b*>>a* i
Ψ
E
>>
Ψ
(A-D+)
.
Poziomy energii kompleksu można znaleźć rozwiązując równanie Schroedingera
Gdzie, H jest operatorem Hamiltona układu a W oznacza energię.
(
)
Ψ
Ψ
Ψ
N
A D
A D
a
b
a
b
=
+
−
+
,
, gdzie >>
(
)
(
)
Ψ
Ψ
Ψ
E
A D
A D
b
a
a
=
−
∗
∗
∗
∗
−
+
,
,
gdzie b >>
H
W
N
N
Ψ
Ψ
=
(
)
(
)
(
)
,
c
c
H W
a D
A D
Ψ
Ψ
1
2
0
+
−
=
−
+
Rozwiązując układ wariacyjną metodą Ritza otrzymujemy następujące równanie
wiekowe :
które posiada nietrywialne rozwiązania, o ile wyznacznik wiekowy jest równy zeru:
gdzie
Rozwiązanie równań pozwala na znalezienie dwu pierwiastków, mniejszy
odpowiadający wartości energii dla stanu podstawowego W
N
( odpowiada stanowi
AD) oraz większy odpowiadający energii stanu wzbudzonego W
E
( odpowiada
stanowi A
-
D
+
):
gdzie we wzorach zastąpiono H
00
przez W
0
oraz H
11
przez W
1
.
Różnica energii pomiędzy tymi stanami jest równa energii fotonu przejścia charge
transfer h
ν
CT
:
(
)
(
)
(
)
(
)
c H
W
c H
SW
c H
SW
c H
W
11
00
21
01
12
10
22
11
0
0
−
+
−
=
−
+
−
=
H
W
H
SW
H
SW
H
W
00
01
10
11
0
−
−
−
−
=
,
,
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
H
H
d
H
H
d
H
H
d
H
H
d
i S
d
A D
A D
A D
A D
A D
A D
A D
A D
A D
A D
00
01
10
11
=
=
=
=
=
∫
∫
∫
∫
∫
∗
−
+
−
+
−
+
−
+
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
Ψ
,
,
,
,
,
,
τ
τ
τ
τ
τ
(
)
(
)
W
W
W
H
W S
W W
i
W
W
W
H
W S
W W
N
E
=
=
−
−
−
<<
=
=
+
−
−
0
01
0
2
1
0
1
01
1
2
1
0
1
dla S
2
(
) (
)
h
W
W
W W
H
W S
H
W S
W W
CT
E
N
ν
=
−
=
−
+
−
+
−
−
1
0
01
1
2
01
0
2
1
0
W wyrażeniu różnica W
1
– W
0
= I
D
– E
A
-
∆, gdzie I
D
jest potencjałem jonizacyjnym
donora , tzn. energią potrzebną do usunięcia elektronu z najwyższego obsadzonego
orbitalu do nieskończoności, E
A
powinowactwem elektronowym akceptora tj.
energią zyskiwaną, gdy elektron jest przeniesiony z nieskończoności na najniższy
nieobsadzony orbital), natomiast
∆ jest wkładem od innych oddziaływań , przede
wszystkim oddziaływań kulombowskich jonów donora D
+
i akceptora A
-
oraz energii
solwatacji.
Zatem wyrażenie przyjmuje postać:
W przypadku słabo związanego kompleksu H
01
>> S >> 0 i otrzymujemy relacje
liniową :
Oznacza to, ze dla serii słabo związanych kompleksów o tym samym akceptorze i
podobnych donatorach istnieje korelacja liniowa pomiędzy potencjałami
jonizacyjnymi donatorów i pozycją pasm przeniesienia ładunku.
RYS.1. Diagram poziomów energetycznych dla kompleksu z przeniesieniem ładunku
W
00
- energia dwu molekuł wzajemnie izolowanych
W
1
- energia molekuł w stanie, w którym elektron został przesunięty całkowicie na
akceptor
W
0
- energia molekuł w modzie nie związanym
W
E -
energia wzbudzonego stanu kompleksu
W
N
- energia stanu podstawowego kompleksu
W
00
-W
N
- całkowita energia wiązania kompleksu z przeniesieniem ładunku
W
0
- W
N
- energia wiązania spowodowana oddziaływaniem donorowo-
akceptorowym
W
00
- W
0
- energia wiązania spowodowana innymi oddziaływaniami np. siłami van
der Waalsa
h
ν
CT
=W
E
-W
N
( skala energii dowolna)
(
) (
)
h
W
W
W W
H
W S
H
W S
I
E
CT
E
N
D
A
ν
=
−
=
−
+
−
+
−
−
−
1
0
01
1
2
01
0
2
∆
h
I
E
CT
D
A
ν
= − −∆
Rys.2. Względne położenia HOMO i LUMO donora (D) oraz akceptora (A).
Z rysunku widać, że międzymolekularne przeniesienie ładunku wymaga mniej energii
aniżeli transfer ładunku w obrębie tej samej molekuły.
CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
Ćwiczenie I.
Aparatura: mikroskop z przystawką polaryzacyjną,
Odczynniki : hydrochinon, p-chinon, chinchydron,aceton, glukoza, ciekły azot,
metanol, kortyzon, chloroform, jod, płyn Lugola, ryboflawina, serotonina, kwas solny,
dwutionian sodu,
Szkło laboratoryjne: szkiełka mikroskopowe, probówki laboratoryjne
A.
1. Przygotować acetonowy roztwór p-chinonu, hydrochinonu oraz chinhydronu.
2. Nalać na szkiełko mikroskopowe kilka kropel przygotowanego roztworu p-chinonu
i odparować. Podobnie wykrystalizować na szkiełkach roztwory chinhydronu i
hydrochinonu.
3. Przeprowadzić obserwacje przygotowanych preparatów w mikroskopie
polaryzacyjnym, zmieniając ustawienie polaryzatora.
Opracowanie wyników:
1. Opisać obserwacje mikroskopowe preparatów uwzględniając kształt, barwę,
dwójłomność.
2. Objaśnić mechanizmy zachodzących zjawisk.
B.
1. Sporządzić następujące roztwory:
1a. 20 ml roztworu o stężeniu 10
-2
M hydrochinonu, p-chinonu, w wodzie.
1b. 10 % roztwór glukozy
2. Nalać do probówki 2 ml 10
-2
M roztwór hydrochinonu ostrożnie zamrozić
w ciekłym azocie. Następnie rozmrozić przez powolne zanurzenie probówki w zlewce
z wodą
2. Wykonać podobne doświadczenie dla roztworu p-chinonu.
3. W probówce zmieszać następujące roztwory: 1ml 10
–2
M roztwór hydrochinonu,
1 ml 10
–2
M roztworu p-chinonu oraz 1 ml 10 % roztworu glukozy. Powtórzyć
procedurę zamrażania i odmrażania dla tak sporządzonego roztworu.
UWAGA: Przy zamrażaniu próbek w ciekłym azocie używać okularów
ochronnych.
Opracowanie wyników:
1. Opisać obserwacje zmian barwy roztworów podczas zamrażania i ogrzewania
roztworów.
2. Objaśnić mechanizmy zaobserwowanych zjawisk.
C.
1. Sporządzić 10
–2
M metanolowy roztwór hydrochinonu. Zanurzyć w roztworze
pasek bibuły i poczekać na odparowanie roztworu.
2. Zwilżyć wysuszoną bibułę wodą i zamrozić przez zanurzenie w ciekłym azocie
następnie ogrzać.
3. Obserwować zmiany własności optycznych substancji ma bibule podczas
zamrażania i ogrzewania.
Opracowanie wyników:
1. Wyjaśnić zmiany własności optycznych obserwowanych podczas doświadczenia.
D.
1. Przygotować 10
–2
M roztwory kortyzonu i jodu w chloroformie oraz roztwór płynu
Lugola.
2. Zmieszać po 1 ml roztworu kortyzonu z roztworem jodu.
3. Zanurzyć w przygotowanej mieszaninie pasek bibuły i poczekać do odparowania
chloroformu. Zaobserwować barwę plamy.
4. Zwilżyć zabarwione miejsce płynem Lugola i zaobserwować barwę.
Opracowanie wyników:
1. Wyjaśnić zmiany własności optycznych obserwowanych podczas doświadczenia.
E.
1. Sporządzić 5* 10
-4
M wodny roztwór ryboflawiny oraz serotoniny. Roztwory te
będą używane w kilku następnych doświadczeniach
2. Do probówki dodać 2 ml roztworu ryboflawiny, zamrozić w ciekłym azocie,
następnie ogrzać. Obserwować zmiany barwy podczas procesu zamrażania
i ogrzewania.
3. Podobne doświadczenie przeprowadzić z roztworem serotoniny.
4. W probówce zmieszać po 1 ml roztworów ryboflawiny i serotoniny. Powtórzyć
procedurę z punktu 2.
5. Do roztworu jak w punkcie 4. Dodać kilka kropel stężonego kwasu solnego i
przeprowadzić analogiczne doświadczenie.
6. Do probówki zawierającej 1 ml roztworu ryboflawiny oraz kila kropel stężonego
HCl dodać niewielką ilość dwutionianu sodu ( reduktor). Obserwować zmiany
barwy przed i po dodaniu reduktora.
7. Do 2 ml roztworu ryboflawiny dodać nieco płynu Lugola. Zaobserowoać zmiany
barwy przed zamrożeniem w ciekłym azocie i po.
Opracowanie wyników
1. Opisać obserwacje i podać cel każdego z przeprowadzonych doświadczeń,
objaśniając zaobserwowane zjawiska.
Literatura:
1. Szent-Gyorgyi, A., Wstęp do biologii submolekulernej, PWN, Warszawa, 1968.
2. Slifkin, M.A., Charge Transfer Interactions of Biomolecules,, Academic Press,
New-York –London, 1961.
3. Szent-Gyorgyi, A., Bioelectronics, Academic Press, New York, London,1968 (
wyd. ros. Izd. Mir, 1971).
4. Szent-Gyorgyi, A. , Submolecular Biology and Cancer, M. Dekker, New York-
Basel, 1976.
5. Hrsgeg. von, Hoppe, W., Lohmann, W., Markl, H., Ziegler, H Biophysik, Ein
Lehrbuch, Springer-Verlag, Berlin- Heidelberg-New York., 1978.
6. Matuszak, Z., Biolektrochemia. Procesy transferu elektronów. Wykłady
i ćwiczenia. ( w przygotowaniu)