Cinktique de la formation de la mktalloporphyrine Cu(1I) - hkmatoporphyrine IX dans l'acide acktique aqueux

GUY PAQUETTE ET MIKLOS ZADOR DPpartement de Chimie, Universiti de MontrPal, C.P. 6210, Station A, Monrre'al, QuPbec H3C3V1

R e ~ u le 28 fevrier, 1975

GUY PAQUETTE et MIKLOS ZADOR. Can. J. Chem. 53, 2375 (1975). La cinCtique de I'interaction de I'hCmatoporphyrine IX avec le Cu(I1) a CtC Ctudik dans un

m8ange acide adtique - eau (50%-50% vv/). La reaction est d'ordre un par rapport a la porphyrine et d'ordre inferieur ?I un par rapport au perchlorate cuivrique. Ceci est explique en tenant compte de I'interaction de I'ion CuZ+ avec I'acide acetique. Les espkces reactives sont CuZ+, CuOAc+ et la porphyrine libre. Le mecanisme de la reaction est compare a ceux proposts pour d'autres systkmes similaires.

GUY PAQUETTE and MIKLOS ZADOR. Can. J. Chem. 53, 2375 (1975). The kinetics of interaction of hematoporphyrin IX with Cu(I1) has been studied in an acetic

acid - water solvent (50%-50% v/v). The reaction is of first order with respect to the porphyrin whereas the order with respect to copper(I1) perchlorate is smaller than one. This is explained by taking into account the interaction between CuZ+ and acetic acid. The reactive species are CuZ+, CuOAc+, and free porphyrin. The mechanism of the reaction is compared to those proposed for similar systems.

Introduction Les mCtalloporphyrines jouent un rale im-

portant dans les organismes vivants, aussi bien animaux (e.g. 1'hCmoglobine dans le sang) que vCgttaux (e.g. la chlorophylle des plantes vertes). Le micanisme de formation des mCtalloporphy- rines n'est pas encore connu avec certitude (1). En gCnCral leur vitesse de formation est de plusieurs ordres de grandeur plus faible que celle de complexes impliquant des bases azotCes simples.

Dans l'ttude du mkcanisme de formation des mCtalloporphyrines, un des problkmes princi- paux vient du fait qu'en gtnCral les porphyrines sont trks peu solubles dans l'eau; l'utilisation d'autres solvants entraine des problkmes quant a la nature des espkces rkactives. I1 est difficile, par exemple, de comparer les rCsultats obtenus dans l'eau, avec une porphyrine soluble, avec ceux obtenus dans l'acide acttique glacial; dans ce dernier solvant la porphyrine (telle l'htmato- porphyrine IX) porte deux charges positives et, en plus, les ions mttalliques se trouvent souvent sous forme de dimkres (2-8).

Dans ce travail, les rCsultats concernant l'interaction de 1'hCmatoporphyrine IX avec le Cu(I1) dans l'acide acCtique aqueux (50% vv/), sont prCsentCs. Un des aspects de cette rCaction qui a CtC approfondi concerne l'influence des

interactions acide acttique - Cu(I1) sur la cinC- tique de la rCaction CtudiCe.

Partie experimentale RPactifs

La solution de perchlorate cuivrique a Cte obtenue en additionnant la quantite requise d'acide perchlorique (J. T. Baker) a la solution du sel double CuC03 . Cu(OH), (B.D.H.) en amenant le p H final a 4. L'hkmatoporphyrine IX (Nutritional Biochemicals) a Cte utilisQ sans purifi- cation.

Les solutions finales sont constituees d'eau et d'acide adtique (C-I-L, Reagent) 50%-50% (v/v).

Mithode cinktique Les rhctions sont BtudiQs a 45" par spectrophotometrie

en enreaistrant la diminution de l'absor~tion de la bande Soret de I'hCmatoporphyrine (h = 467 nm), due i la formation de la mCtalloporphyrine. Un spectrophoto- metre Zeiss PMQ 11, avec un compartiment a cellules thermostate a CtC utilisk. La temperature a l'inthieur des cellules a etC mesurQ a I'aide d'un thermocouple. Les resultats ont CtC enregistr6.s sur un enregistreur logarith- rnique Sargent Welsh modele SRLG. La concentration en porphyrine utilisQ Ctait de 4.0 x M, tandis que celle de Cu(I1) variait de 2.5 x a 2.5 x lo-' M. Les constantes de vitesse ont 6tC obtenues a partir de la relation kr = In [(Do - Dm)/(D - Dm)] oh Do, D et Dm representent les densites optiques au temps 0, t et infini, respectivement. On obtenait des relations linbires sur plus de trois demi-rhctions. La force ionique des solutions a ete maintenue constante (p = 0.5 M ) a l'aide de perchlorate de lithium (Alpha Inorganics). Ceci est indispensable, etant donnC que les expkriences ont montre que I'augmentation de la force ionique entraine une diminution de la vitesse de reaction.

Can

. J. C

hem

. Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Suny

Gen

eseo

on

11/1

0/14

For

pers

onal

use

onl

y.

2376 CAN. J. CHEM. VOL. 53, 1975

RCsultats et discussion La rtaction de I'htmatoporphyrine IX (PH,)

avec le Cu(I1) se fait d'aprbs l'tquation:

Quand la rtaction est rtaliste en prtsence d'un grand excbs de Cu(II), on obtient une cinttique d'ordre un par rapport a la porphyrine.

La constante de vitesse exptrimentale, k,,, varie lintairement avec la concentration en Cu(I1) aux basses concentrations; a plus haute concentration en Cu(I1) on observe un tcart important a la lintaritt, comme I'indique la fig. 1.

Un ordre de rtaction inftrieur un par rap- port au sel mttallique a souvent tte observt dans l'acide acttique glacial (2-6); on l'a expliqut de manibre satisfaisante en admettant une dimtrisa- tion prononcte du sel utilist. La concentration du &onombre rtactif est donnte par la relation [Me(OAc),] = , / ~ [ (~e (oAc) , ) , ] , ce qui con- duit a un ordre 4. Dans un solvant, contenant 50% (vlv) d'eau i t 50% (v/v) d'acide acttique, on ne peut pas retenir cette explication. En effet les donntes concernant l'acide acttique aqueux, indiquent (7, 8) que dans nos conditions, mCme a la concentration la plus tlevte, il y a moins de 10% de dimbre.

On peut expliquer nos rtsultats en tenant compte de l'interaction du Cu(1T) avec le solvant, soit l'acide acttique. L'ion Cu2+, provenant du

FIG. 1. Influence de la concentration en Cu(I1) sur k,,,. T = 45", [pH2] = 4.0 x M; solvant: CH3COOH- H z 0 50%-50% (v~v).

perchlorate cuivrique utilist, rtagit avec l'acide acttique pour donner les espbces Cu(OAc)+ et Cu(OAc), .' [2] CuZ + + HOAc + CuOAc+ + H +

K1 = [CuOAC+]/[Cu2+][OAc-]

[3] CuOAc+ + HOAc $ Cu(0Ac)z + H + K2 = [CU(OAC)~]/[CUOAC+ :I[OAC-]

Les protons libtrts dans les rtactions 2 et 3 dtplacent l'tquilibre de protonation de la por- phyrine vers la formation de PH,Z+, d'aprbs la rtaction 4.

Dtjh dans I'acide acttique - eau 50%-50% (v/v), correspondant a une concentration en H + = 1.5 x lo-, M d'aprbs la constante dissociation de l'acide acttique obtenue par interpolation des valeurs de la litttrature (9), l'tquilibre 4 est dtplact vers la droite. En effet, la solution de l'htmatoporphyrine prtsente deux bandes dans le visible, ce qui est caracttristique du diacide, P H ~ + ; les rtsultats de la litttrature (10) in- diquent une constante de protonation (pK, = 4.7) qui serait en accord avec cette hypothbe.

La quantitt de protons libtrts augmente avec la concentration en Cu(II), contribuant ainsi a diminuer la concentration de la forme rtactive de la porphyrine, PH,. Ceci explique qualitative- ment l'ordre un basse concentration en Cu(I1) et l'tcart substquent la lintaritt a la fig. 1.

Pour confirmer ces hypothbses on a ttudit I'influence de l'acide perchlorique a basse con- centration en Cu(I1) (5 x M). Dans ces conditions, la quantitt de protons libtrts dans [2] et [3] est ntgligeable. Les rtsultats sont montrts a la fig. 2.

La concentration en H + reprtsente celle a l'tquilibre, calculte en tenant compte de l'acide fort ajoutt et de la dissociation de l'acide actti- que. I1 y a une inhibition marqute, correspon- dant B un ordre approximatif -2 par rapport a H + . De plus, a haute concentration en HClO,, (1 M) la vitesse de rtaction est ntgligeable; 2 une concentration en Cu(I1) de 2.5 x lop2 M il y a moins de 19, de rtaction en deux jours. Ceci indique que pour l'htmatoporphyrine TX la pro-

'La constante d'kquilibre des rkactions 2 et 3 est relike aux constantes de stabilitk des complexes CuOAc+ et CU(OAC)~ en tenant cornpte de la dissociation de I'acide acktique.

Can

. J. C

hem

. Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Suny

Gen

eseo

on

11/1

0/14

For

pers

onal

use

onl

y.

PAQUETTE ET ZADOR: Cu(ll) - HEMATOPORPHYRINE IX 2377

FIG. 2. Influence de lYaciditC sur k,,, i basse concentra- tion en Cu(I1). T = 45", [PH,] = 4.0 x M, [Cu(II)] = 5.0 x M; solvant: CH3COOH-H,O 50%-50% (vlv).

tonation conduit a une espbce (pH4,+) trbs peu rtactive dont la contribution B la vitesse peut Ctre ntgligte, mCme B une aciditt de 0.1 M.

L'espbce monoprotonte, pH3+ ne semble pas avoir une contribution. Cette espbce a t t t observte dans l'acide acttique glacial en prtsence

d'ions mttalliques, mais disparait immediate- ment lors de l'addition d'eau au solvant (1 1). Dans notre cas les spectres observes sont ceux de pH4,+, et ceci m&me en prtsence de c u 2 + . Si pH3+ contribuait B la vitesse de manibre im- portante, l'inhibition par H + devrait corres- pondre A un ordre - 1, au lieu de l'ordre - 2 qui a t t t observe.

Quand on ttudie la rtaction B cette aciditt de 0.1 M la contribution des protons libtrts lors de l'interaction du Cu(I1) avec I'acide acttique est moins importante; l'ordre par rapport au Cu(l1) est alors trbs prbs de un dans toute la gamme de concentration (5 x B 2.5 x M). L'in- terprttation quantitative des rtsultats est donc baste sur les hypothkses suivantes: (i) PH, est la seule forme rtactive de la porphyrine; (ii) les espbces rtactives du Cu(1I) sont Cu2+, CuOAc+ et Cu(OAc),; ceci conduit B l'tq. 5.

[5] d [P . Cu(II)]/dt = (k, [cu2+] + k, [CuOAc' I + k3 [Cu(OAc),])[PH,]

En tenant compte des Cqs. 1-4 on obtient l'tq. 6.

Evidemment, pour que l'tq. 6 puisse &tre utiliste B haute concentration en Cu(Il), il faut tenir compte, dans le calcul de la concentration en H + B l'tquilibre, de la contribution des pro- tons liberts dans les rtactions 2 et 3. Mal- heureusement, on ne connait pas la valeur des constantes d'tquilibre K,, K , et K, dans le sol- vant utilise et B la force ionique de 0.5 M.

On a donc proctdt par une mtthode ittrative, en prenant, comme premibre approximation, les valeurs de constantes dans l'eau, c'est-B-dire K, = 46 etK, = 10 (12), etK,[HOAc] = 2.25 x

donnte pour ce solvant B force ionique nulle (9). De plus, on a ntgligt 1 d e v a n t ~ , [ ~ + ] ' , ce qui est justifie comme on l'a vu plus haut.

Pour pouvoir obtenir des valeurs sipnificatives des parambtres, les constantes de vitesse ont t t t dttermintes B huit aciditts difftrentes; B chaque aciditt on a ttudit sept concentrations en Cu(I1). L'ajustement final des parambtres a t t t effectut par ordinateur.'

'Le programme consiste a resoudre 1'equatio.n de quatritme degrk donnant la concentration en H+ ti

On a obtenu les valeurs suivantes des para- metres k,/K3 = 8.2 x Ms- ' , k,/K3 = 1.2 x M s-', K,[HOAc] = 1.6 x M,

K1 = 100 M-I, K, = 2 M-I. L'accord entre les rtsultats exptrimentaux et calcults est satis- faisant, comme on peut le constater sur le tableau 1. I1 est significatif que, dans un domaine oh les constantes de vitesse varient d'un facteur de plus de mille, on obtienne un bon accord. Compte tenu de l'erreur exptrimentale, la valeur de k3/K3 est ntgligeable devant les autres valeurs; Cu(OAc), n'a donc pas de contribution B la vitesse dans nos conditions. De plus, Cu(OAc), n'est pas une espbce dominante, ce qui rend im- possible la dttermination de k3/K3, dtjB petit.

l'tquilibre pour l'ensemble des parametres K,, K1 et K,; la concentration en H + et les parametres sont introduits dans 1'Cq. 6 et les valeurs de k,/K3, k,/K3 et k3/K3 sont obtenues par une mCthode de regression. L'Ccart entre les valeurs des constantes de vitesse calcultes a l'aide de 1'Cq. 6, et experimentales est minimis6 par une methode d'iteration. Le programme a CtB mis au point par le professeur Urs Maag, du departement d'inforrnatique de 11Universit6 de Montreal.

Can

. J. C

hem

. Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Suny

Gen

eseo

on

11/1

0/14

For

pers

onal

use

onl

y.

TABLEAU 1 . Variation de la constante de vitesse d'ordre 1 avec la concentration en Cu(I1) a diverses concentrations en acide perchlorique*

[HCIO,] = 0 [ H C ~ O ~ ] = 5 x lo4 M [ H C ~ O ~ ] = 7.5 x lo-3 M [HC1O4] = 1.0 x lo-' M

'T = 45': [pH,] = 4.0 x M; solvant: acide adtique - eau 50%-5wo (vlv).

Can

. J. C

hem

. Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Suny

Gen

eseo

on

11/1

0/14

For

pers

onal

use

onl

y.

PAQUETTE E T ZADOR: Cu(l1) -HEMATOPORPHYRINE 1X 2379

Ceci n'exclue cependant pas la possibilitt que Cu(OAc), soit l'espbce responsable de l'incor- poration dans l'acide adtique glacial, tel que suggtrt par plusieurs auteurs (5, 6); dans ces conditions les concentrations en Cu2+ et

I CuOAc' seraient de loin infirieures A celle de Cu(OAc),, et malgrt une constante de vitesse plus faible, Cu(OAc), peut contribuer de manibre prkpondtrante a la rtaction dans ce solvant.

I1 faut Cgalement ajouter que la valeur de la constante de vitesse calculCe est relativement peu sensible a la valeur de K,; cette constante est donc entachte d'une erreur assez grande (* 100%).

L'tcart entre rksultats expkrimentaux et valeurs calcultes dtpend de manibre trbs sensible des valeurs de K , et de K,[HOAc]; ces con-

I stantes sont obtenues avec beaucoup moins d'incertitude (+ 20%); ceci est tgalement valable pour k,/K, et k,lK3. I1 est regrettable que K, ne puisse pas &tre connu, mais dans le solvant, l'htmatoporphyrine est dtja protonte. De plus, la valeur absolue obtenue dans l'eau, ou dans l'eau contenant 10% (v/v) d'tthanol (10) ne peut pas Ctre utiliste dans notre solvant, d'autant plus que la possibilitt de formation de dimeres, aux concentrations relativement Clevtes utilistes par les auteurs, ne peut pas Ctre exclue.

11 est inttressant de comparer nos rtsultats avec ceux de Hambright et collaborateurs (13) qui ont Ctudit ]'incorporation du Cu(I1) dans la ' tttra(p-sulfophCnyl)porphine, en prtsence d'acide acetique et d'ions acttate dans l'eau.

Tout d'abord on constate quelques analogies; dans les deux cas on a, comme especes rtactives, I'ion Cu2+ et 1e complexe CuOAc'. La cons- tante de vitesse de ces deux especes est identique chez les auteurs (k, = k,), tandis que nous trouvons une diffkrence, k, > k, ; les deux cons- tantes sont toutefois du m&me ordre de grandeur. I1 est h noter que ceci est probablement le rtsultat de la difftrence de charge entre les deux porphyrines. Dans notre cas, la porphyrine rtagissant n'est pas chargte et CuOAc' est le plus rtactionnel; les quatre charges nigatives des groupes -SO3- de la tttra(p-sulfophtny1)- porphine, devraient favoriser, sur la base d'interactions tlectrostatiques, l'espece ayant la charge la plus tlevte, c'est-a-dire le Cu2+; ceci

teurs trouvent une contribution importante a la vitesse d'incorporation, de l'espece diprotonte, correspondant a PH2'. En effet la constante de vitesse d'incorporation du CuOAc' ne diminue que d'un facteur d'environ 40 quand on passe de PH, a (13)., Ceci amkne les auteurs a proposer que l'acide adtique est un bon solvant pour la formation des mttalloporphyrines, parce que l'ion acttate prtsent catalyse la rtaction du Cu(I1) avec les porphyrines diprotontes.

Dans notre cas la rtactivitt de PH," n'est pas mesurable. Si l'on tient compte du fait que CuOAc' reprCsente environ 16% du Cu(I1) a une concentration en HClO, de 0.1 M il est clair que l'absence de contribution d'une rtaction entre pH4,+ et CuOAc' est due au fait que la forme diprotonte de l'htmatoporphyrine IX est inerte. D'ailleurs c'ttait Cgalement la conclusion d'une ttude prtcCdente de Hambright et James sur cette porphyrine (6). La rtactivitt relative- ment Clevte de la forme diprotonte de la tttra(p-sulfophCny1)porphine est facile A com- prendre, si l'on tient compte de la dtlocalisation des charges dans ce systeme conjugut; en effet, la charge totale est de -2 (entre pH 3.5 et 5), si l'on tient compte des quatre charges ntgatives; il est normal alors qu'elle soit rtactive. I1 est normal aussi que, relativement au cas de la forme non- protonte, l'ion CuOAc' soit plus rtactif que l'ion Cu2+. Evidemment, il n'est pas facile d'expliquer pourquoi la rtactivitC tombe a ztro pour le CuZ+ (13).

La comparaison de nos rtsultats avec ceux impliquant d'une part l'htmatoporphyrine IX dans I'acide acttique glacial (5, 6) et, d'autre part, la tttra(p-sulfophCny1)porphine dans l'eau (13) indique qu'il n'est pas possible de faire des gCnCralisations quant au mtcanisme d'incorpora- tion du mttal. Notamment la nature exacte des especes rtactives dtpend de la porphyrine con- sidtrte et du solvant utilist.

Les auteurs remercient le Conseil national de recherches du Canada pour la subvention accordCe (M.Z.) et pour la bourse d'etudes post-gradukes (G.P.). Le Ministkre de ]'Education du Quebec est remercie pour la subvention accordte (M.Z.). Le professeur Urs Maag, du ddparte- ment d'informatique, de I'Universitd de Montreal est remercit pour avoir mis au point le programme utilise.

explique donc qualitativement les difftrences ' 3L'explication originale des auteurs (12) implique une

observtes. rdaction avec CuZ+, catalyske par l'ion OAc-, qui ne peut 11 y a toutefois des difftrences considtrables atre distinguee cinetiauement d'une reaction im-

entre les deux syst&mes4. Hambright et collabora- pliquant CUOA~+.

Can

. J. C

hem

. Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Suny

Gen

eseo

on

11/1

0/14

For

pers

onal

use

onl

y.

2380 CAN. J. CHEM. VOL. 53, 1975

1. P. HAMBRIGHT. Coord. Chem. Rev. 6,247 (1971). 2. E. B. FLEISCHER et E. I. CHOI. Inorg. Chem. 2, 94

(1963). 3. D. A. BRISBIN et R. J. BALAHURA. Can. J . Chem. 44,

2157 (1966). 4. D. A. BRISBIN et D. J . KINGHAM. Inorg. Chern:9,

2034 (1970). 5. D. A. BRISBIN et G. D. RICHARDS. Inorg. Chem. 11,

2849 (1972). 6. P. HAMBRIGHT et J . JAMES. Inorg. Chern. 12, 474

(1973). 7. J. K. KOCHI et R. V. SUBRAMANIAN. Inorg. Chem. 4,

1527 (1965).

8. A. T. A. CHENG et R. A. HOWALD. Inorg. Chern. 7, 2100 (1968).

9. H. S. HARNED et B. B. OWEN. J . Am. Chem. Soc. 52, 5079 (1930).

10. R. C. SRIVASTANA, V. D. ANAND et W. R. CARPER. Appl. Spectrosc. 27,444 (1973).

11. D. A. BRISBIN et R. J. BALAHURA. Can. J . Chem. 46, 3431 (1968).

12. L. G. SILLEN et A. E. MARTELL. (RCdacteurs). Stabil- ity constants. Special Publication No. 17, The Chemi- cal Society, London. 1964. p. 365.

13. N. JOHNSON, R. KHOSROPOUR et P. HAMBRIGHT. Inorg. Nucl. Chem. Lett. 8,1063 (1972).

Can

. J. C

hem

. Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Suny

Gen

eseo

on

11/1

0/14

For

pers

onal

use

onl

y.