Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Высокоспнновые и низкоспиновые состояния атома железа

Прежде чем обсуждать сигналы ЭПР, наблюдаемые на гемо­глобине и его производных, следует рассмотреть вопрос о том, в it а них состояниях может находиться центральный атом железа гема и каково распределение энергетических уровней для каж­дого из них. Атом железа может существовать либо в двух-, либо в трехвалентном состоянии, и в первом приближении можно считать, что в каждом из этих состояний он может образовывать как ионную, так и ковалентную связь. Таким образом, сущест­вуют четыре возможных варианта распределения внешних элек­тронов атома железа по 3d - и 4«-орбиталям. Эти электронные кон­фигурации показаны ■ в табл. 4, где орбитали обозначены кру­жочками, а электроны—стрелками, направление которых ука­зывает ориентацию электронного спина. Ион двухвалентного железа Fe2+ имеет на Зй-орбиталях шесть электронов, а ион Fe3+ — пять.

В случае связи ионного типа лигандные атомы и атом железа не имеют неподеленных электронов и, следовательно, все Зй-орби - тали атома железа заполнены Зй-электронами самого атома железа. Согласно правилу Хунда, заполнение орбиталей происходит таким образом, чтобы полный спин оболочки был максимальным. Сле­довательно, в производных трехвалентного железа все пять 3D- Электронов занимают пять различных Зй-орбиталей; их спины параллельны, так что полный электронный спин S = 5/'2- В ионе Fe2+ шестой электрон попадает на орбиталь, уже содержащую один электрон; так как спины этих двух электронов антипарал - лельны, результирующий спин этого уровня равен нулю, а пол­ный электронный спин оболочки S == 2.

Если атом железа соединен сильной ковалентной связью с октаэдром лигандных атомов в шести координацинных положе­ниях, атом я;елеза и атомы лигандов обладают общей орбиталью CPsp3, состоящей из двух высших Зй-орбиталей атома железа и внеш­них 4,?-орбнталей (см. табл. 4). При наличии такой ковалентной

Связи шесть электронов двухвалентного железа вынуждены занять три оставшиеся Зй-орбитали, так что все они спарены и полный спин S = 0 (соединение диамагнитно). В производных трехва­лентного железа на этих трех орбиталях размещаются пять элект­ронов, т. е. один спин остается неспаренным и полный спин S = х/2.

Различие между ионной и ковалентной связями, представлен­ное в табл. 4, можно также рассмотреть на основе диаграммы рас­пределения энергетических уровней, изображенной на фиг. 89, В.

15—И 82

Как уже было сказано при обсуждении этбй схемы, основное дей­ствие молекулярного окружения, обладающего кубической сим­метрией, на Зй-орбитали заключается в разделении этих орби­талей на две группы; в одну из них входят орбитали с более низ­кой энергией (Dxy, D,JZ и Dzx), во вторую — орбитали с более высокой энергией (Dx2_У2 и Dz2). Распределение электронов по этим орбиталям зависит от величины расщепления между двумя группами, а также от взаимодействия между самими электронами. Так, если рас­щепление между группами относительно невелико (ионная связь), каждый электрон занимает отдельную орбиталь, и линц> после того, как все Зй-орбитали окажутся занятыми, электроны начнут спариваться. Если же расщепление между двумя группами орби­талей значительно (ковалентная связь), для помещения электро­нов на орбитали верхней группы требуется большая энергия, чем для того, чтобы спарить их на орбиталях нижней группы; поэтому очевидно, что будет иметь место последний процесс, со­провождающийся соответственно уменьшением полного спина.

Из всего сказанного следует, что производные двух - и трех­валентного железа можно подразделить на «высоко-» и «низко­спиновые» соединения в зависимости от силы связывания атомов железа с окружающими лигандами. Как мы увидим ниже, такую классификацию можно принять лишь в качестве первого прибли­жения, хотя она и дает некоторую предварительную информацию о характере связей атома железа.

Рассмотрим сначала случай низкоспиновых производных, так как он сравнительно несложен. При ковалентном типе связи пол­ный электронный спин двухвалентного железа равен нулю; сле­довательно, все соединения, содержащие ковалентно связанное двухвалентное железо, диамагнитны и не будут давать спектров ЭПР. В производных трехвалентного железа каждый атом железа обладает одним неспаренным электроном и, следовательно, един­ственным вырожденным энергетическим уровнем. При наложении внешнего магнитного поля этот энергетический уровень расще­пится, как обычно, и возникнет набор значений g-фактора, рас­полагающихся около g-фактора свободного электрона. Наблю­даемая анизотропия g-фактора отражает характер молекулярного окружения атома железа и может быть использована для опреде­ления симметрии этого окружения (см. ниже).

Случай высокоспиновых производных гораздо более сложен, и следует внимательно проанализировать производные как двух-, так и трехвалентного железа. Согласно общей теореме Крамерса [13], при нечетном числе электронов в атоме внутренние электро­статические поля ни при каких условиях не могут полностью снять вырождение энергетических уровней и поэтому всегда будет иметь место по меньшей мере двукратное вырождение, которое может быть снято только внешним магнитным полем. Если же парамагнитный атом содержит четное число неспаренных элект­ронов, внутреннее молекулярное поле может полностью снять вырождение всех уровней, так что даже уровни, соответствующие Ms = ±х/2, расщепятся в отсутствие внешнего магнитного поля. Более того, может оказаться, что величина расщепления в нулевом поле превышает энергию микроволнового кванта, используемого в ЭПР-спектрометре. В этом случае наблюдать ЭПР-поглощение в данной системе энергетических уровней невозможно, так как энергия имеющегося кванта недостаточна для того, чтобы вызвать переходы между двумя самыми нижними уровнями. В произ­водных двухвалентного железа, содержащих ионные связи, это бывает довольно часто, и метод ЭПР оказывается практически бес­полезным для исследования таких соединений.

К производным трехвалентного железа это не относится, так как оно содержит нечетное число неспаренных электронов и к нему применима теорема Крамерса, т. е. каждый его уровень в отсутствие внешнего магнитного поля двукратно вырожден.