Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Сверхтонкая структура, обусловленная взаимодействием с несколькими ядрами

Выше мы рассмотрели ионы марганца и меди, в которых неспа - реиный электрон взаимодействует только с одним ядром. Но и большинстве случаев, встречающихся в биохимических и био­логических исследованиях, орбиталь неспаренного электрона охва­тывает несколько атомов и, следовательно, электрон взаимодей­ствует одновременно с несколькими ядрами. В этом случае сверх­гонкая структура, являющаяся отражением такого взаимодей­ствия, может оказаться весьма сложной. На практике, однако,, встречаются обычно только две основные формы такого много - лдерного взаимодействия: либо неспарениый электрон взаимо­действует в равной степени с несколькими сходными по своим свойствам ядрами (как это часто бывает в случае свободных радика­лов), либо взаимодействие его с одним ядром оказывается значи­тельно более сильным, чем с ядрами окружающих лигандных. атомов (как, например, в ферментах, содержащих ионы металлов переходной группы). Для иллюстрации сверхтонкой структуры,, характерной для каждой из этих форм, рассмотрим два следующих: примера.

Начнем с первой формы и рассмотрим взаимодействие неспа­ренного электрона с переменным числом ядер водорода, или про­гонов, так как чаще всего именно атомы водорода присоединены к углеродным кольцам и цепям в органических молекулах. Здесь следует заметить, что нормальный изотоп углерода не обладает, ядерным спином и, следовательно, магнитным моментом, и по­этому в его спектре ЭПР сверхтонкая структура отсутствует; по­этому можно считать, что в спектре соединения, состоящего только из углерода и водорода, сверхтонкая структура целиком обу­словлена ядрами водорода, или протонами. В биохимических исследованиях очень часто приходится иметь дело с ароматиче­скими соединениями, и потому есть смысл рассмотреть в каче­стве иллюстрации простое бензосемихинонное кольцо.

Свободный радикал бензосемихинона (фиг. 13, А, V) может существовать в стабильной форме. В этом шестичленном угле­родном кольце всегда содержатся два атома кислорода в пара - Положении, а остальные четыре положения заняты протонами, каждый из которых может быть замещен на атом хлора. На ■фиг. 13, А приведены четыре возможные формы хлорпронзвод - ных бензосемихинона начиная от тетрахлорпроизводного I, а также простой бензосемихинон V, у которого атомы хлора от­сутствуют. Взаимодействие между неспаренным электроном, вра­щающимся по молекулярной орбитали вокруг углеродного кольца, и атомами, присоединенными к кольцу, показано на фпг. 13, Б В виде диаграммы электронных уровней. Переходы между этими энергетическими уровнями приводят к появлению спектров ЭПР, приведенных на фиг. 13, В под соответствующими диаграммами энергетических уровней. Следует заметить, что здесь в каждом случае изображена первая производная от линии поглощения и что между атомами хлора и неспаренным электроном нет зна­чительного взаимодействия, вследствие чего никакой сверхтон­кой структуры не наблюдается.

В тетрахлорпроизводиом бензосемихинона, где протоны отсут­ствуют, неспаренный электрон не испытывает действия добавоч­ных магнитных полей и, следовательно, существуют только два первоначальных электронных энергетических уровня. В резуль­тате, как показано, наблюдается одиночная линия поглощения. Если же один из атомов хлора заместить на атом водорода (слу­чай II), неспаренный электрон будет взаимодействовать с этим единственным протоном и каждый из двух электронных уровней расщепится на два (поскольку сам протон может располагаться вдоль или против направления электронного спина). Спин протона /= 1/2, и, следовательно, разрешены только две ориентации: Mr = V2 или — V2. Таким образом, этот радикал подчиня­ется упомянутому ранее простому (21 + 1)-правилу, и в спектре будет наблюдаться дублетная сверхтонкая структура (фиг. 13, В, II).

Если заместить атомами водорода два атома хлора (случай III), То неспаренный электрон будет взаимодействовать уже с двумя протонами и, исходя из симметрии системы, эти взаимодействия будут равны. Каждый из уровней, который уже был расщеплен на два подуровня в результате взаимодействия с первым прото­ном, расщепится еще на два при взаимодействии со вторым про­тоном. В результате каждому из двух электронных состояний будут соответствовать три различных энергетических уровня, причем можно видеть, что в каждом случае центральный уровень складывается из двух компонент. Переходы между этими уров­нями дадут теперь триплетную сверхтонкую структуру с цен­тральной линией вдвое большей интенсивности, чем у боковых линий. Таким образом, взаимодействие с двумя эквивалентными протонами дает спектр из трех линий с соотношением интенсивно - стей 1:2:1.

"Л" "ГГ

A а

«гф—:

■ Фг"

М,—Is.______________________

2

Сверхтонкое

Взаимодействие

Отсутствует

Mi—4

2 г ,,—г

ML

Если заместить на атомы водорода три атома хлора (случг IV), То неспаренный электрон будет взаимодействовать уже не с двумя, а с тремя протонами и произойдет дальнейшее расщепление линид В результате, как видно из фиг. 13, Б, IV, для каждого электрон­ного состояния возникнет четыре различных энергетических уров­ня, причем два центральных складываются из трех компонент. Переходы между этими уровнями дают сверхтонкую структур, из четырех линий с соотношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1. Если заместить на атомы водорода все четыре атома хлора (слу­чай У), то неспаренный электрон будет в равной степени взаимо­действовать уже с четырьмя протонами; результатом явится даль нейшее расщепление уровней, так что для каждого электронного состояния возникнет пять отдельных групп уровней, переходы между которыми приводят, как показано, к возникновению сверг: тонкой структуры с соотношением интенсивностей 1 : 4 : 6 : 4 : 1. Подобный ход рассуждений можно, естественно, распространить на любое число эквивалентных протонов, и, таким образом, в об­щем случае неспаренный электрон, одинаково взаимодействую­щий с 11 протонами, будет давать спектр ЭПР со сверхтонкой структурой, состоящей из (п -]- 1) линий, интенсивность которых изменяется по биномиальному закону. Такое соотношение интен­сивностей линий сверхтонкой структуры сразу же позволяет идентифицировать неспаренный электрон, движущийся по моле­кулярной орбитали и взаимодействующий с несколькими ядрами. Спектр такого типа легко отличить от спектра, в котором сверх­тонкая структура состоит из (21 -]- 1) линий одинаковой интен­сивности, т. е. спектра, получаемого при взаимодействии неспа ренного электрона только с одним ядром.

Подобная сверхтонкая структура, возникающая при взаимо­действии электрона с несколькими сходными ядрами, часто встре­чается в спектрах органических радикалов и будет подробно рассмотрена в гл. 4. Сверхтонкая структура другого типа, о котором следует упомянуть, возникает в том случае, когда орбиталь неспаренного электрона включает два ядра или две различные груп­пы ядер, сила взаимодействия которых с электроном различна. Такая структура часто встречается и в свободнорадикальных спектрах. Может, например, случиться, что п протонов одинаково сильно взаимодействуют с неспаренный электроном, а т других протонов, находящихся в других частях молекулярной орбитали, взаимодействуют с ним значительно слабее. Очевидно, что в этом случае спектр будет состоять из (п + 1) главных линий, но каж­дая из них в результате слабого взаимодействия с другой группой протонов будет в свою очередь расщепляться на (т + 1) линий. Этот довольно распространенный вид спектра будет детально рас­смотрен позже (см., например, фиг. 52).