چکیده تجمع ٨٥ استخلاف پورفیرینی مورد مطالعه قرار گرفته است. گزارشی از مطالعهی ترمودینامیکی و سینتیکی تجمع با تغییر استخلافات پورفیرین داده شده است. برای این کار از شبیه سازی دینامیک ملکولی، رابطهی کمی ساختار-ویژگی و داکینگ Docking)) استفاده شد. برای انجام این کار، شبیه سازی در دماهای مختلف تغییر یافته انجام شد. از داکینگ نیز برای به دست آوردن انرژی برهمکنش پورفیرین ها استفاده شد. از این انرژیها برای بهدست آوردن ثابت تعادل استفاده کردیم. رابطه ی کمی ساختار-ویژگی را برای ٨٥ ترکیب انجام داده و از دو روش رگرسیون خطی چندگانه ((MLR و آنالیز مولفه های اصلی ((PCA برای پیش بینیها استفاده کرده و به پیش بینیهای خوبی دست یافتیم. ضریب همبستگی برای پیشبینی ثابت سرعت و تعادل ٨٥ ترکیب به ترتیب ٦٣/۰ و ٩٢/٠ شد و با روشPCAباضریب همبستگی ٩٠/٠ توانستیم ثابت تعادل را پیش بینی کنیم. به منظور انجام پیش بینی بهتر ثابت سرعت، ترکیبات به دو دستهی اکسیژن دار و بدون اکسیژن تقسیم شد و و به ترتیب ضرایب رگرسیون ۸۹/0 و ۹٤/٠ برای آنها بهدست آمد. نتایج ارتباط کمی ساختار-ویژگی نشان داد که استخلافات دارای گروههای هیدروکربن بیشتر، مسطحتر، بزرگتر و هیدروفوبتر سرعت تجمع بالاتر ی دارد. واژه های کلیدی: تجمع پورفیرین، شبیه سازی دینامیک ملکولی، ثابت سرعت، ثابت تعادل و رابطه کمی ساختار-ویژگیمقدمه 1-1- پورفیرینپورفیرینها گروهی از ترکیبات آلی هستد که در طبیعت به صورت های مختلفی وجود دارند. یکی از معروف ترین پورفیرینهای شناخته شده،هم می باشد که همان رنگدانه ی موجوددر سلولهای خون است و کوفاکتور سلولهای هموگلوبین است. آن ماکرو سیکلهای هترو سیکلی است که از ٤ واحد پیرول تغییر یافته تشکیل شده است و اتم کربن آلفای آن از طریق پلهای متین به هم متصل شدهاند ]1.[هر چند که کمپلکسهای پورفیرین طبیعی برای زندگی ضروری هستند ولی پورفیرینهای سنتزی کاربردهای محدود تری دارند.به عنوان نمونه کمپلکسهای مزو-تترا فنیل پورفیرین، انواع مختلف واکنشها را در سنتز آلی کاتالیز میکنند ولی هیچ کدام از آن ها ارزش کاربردی ندارد. ترکیبات پورفیرینی در بلوکهای ساختمانی سوپرا ملکولی و الکترونی ملکولی مورد توجه زیادی قرار گرفتهاند. فتالوسیانینها که ساختار مشابه با پورفیرین دارند در مصارف تجاری به عنوان رنگها و کاتالیزورها به کار میروند. رنگهای پورفیرینی سنتزی که در طراحی سلهای خورشیدی به کار میروند موضوع جدید تحقیقات پیشرفته است. ساختار ملکولی پورفیرین در سال 1912 توسط کاستر پیشنهاد شد]2[. در آن زمان تصور میشد که چنین حلقه بزرگی ناپایدار است تا اینکه در سال 1929 فیشر[1] توانست با سنتز پروتوهم[2] این ساختار مولکولی را برای پورفیرین تایید کند [3]. سادهترین ساختار پورفیرین که فاقد استخلافهای جانبی میباشد و پورفین[3] نامیده میشود که در شکل 1-1 نشان داده شدهاست.-2- خواص پورفیرینهاپورفیرینها آروماتیک هستد و به دلیل آروماتیسیته از قانون هوکل پیروی میکنند. دارای 4n+2=π الکترون هستند که در ماکروسیکل مستقر شده است. بنابر این ماکروسیلها، سیستم های فوق العاده مزدوج هستند در نتیجه ی این امر، باندهای جذبی قوی در ناحیهی مرئی دارند و شدیدا رنگی میباشند. اندازهگیری گرمای سوختن و طیف بینی NMR پورفیرینها، آروماتیک بودن آنها را نشان میدهد[4]. نام پورفیرین از کلمه ی یونانی purple به معنای بنفش آمده است. ماکروسیل آن ٢٦الکترون پای دارد.امروزه دادههای بلورشناسی نشان میدهند که مولکول پورفیرین به طور کامل سخت و انعطافناپذیر نیست، بلکه یک سیستم انعطاف پذیر با سد انرژی پایین برای تغییر شکلهای خارجصفحهای[1] است و شکل هندسی آن به طور قابل توجهی تحت تاثیر برهم کنشهای بلوری بین مولکولی میباشد به طوری که ساختار پورفیرین کاملا مسطح[2] بوده و ساختار تترافنیل پورفیرین کاملا چینخورده[3] میباشد [5].با جایگزینی گروههای مختلف در موقعیتهای مختلف β پیرولی یا مزو، از مولکول پورفین به پورفیرین میرسیم.از طرفی ویژگی الکترونی استخلافها از جمله الکترون کشندگی یا الکترون دهندگی سبب تغییر خواص پورفیرینها میشود [6]. ترکیبات پورفیرینی که دارای دو هیدروژن بر روی نیتروژنها هستند، باز آزاد[4] نامیده میشوند (شکل ١-2 الف). افزایش یک پروتون، منجر به تشکیل مونواسید[5] یا مونوکاتیون (شکل ١-2 ب) میشود و افزایش یک پروتون دیگر، تشکیل دیاسید[6]یا دیکاتیون (شکل ١-2 ج) را میدهد که در آن پورفیرین دارای بار ٢+ است. پورفیرینها میتوانند با از دست دادن دو هیدروژن خود در حالت باز آزاد، به صورت دی آنیون درآیند که در فرم دیآنیون قادرند با یونهای فلزی ٢+ و ٣+ کمپلکسهای فلزی پورفیرینها را تشکیل دهند.-3- پورفیرینها و ترکیبات مرتبطپورفیرین بدون فلز در حفره اش نیز باز آزاد نامیده میشود. بعضی از پورفیرینهای حاوی آهن هم نامیده میشوند. هم حاوی پروتئین ها هموپروتئینها میباشد که به طور گستردهای در طبیعت یافت میشود.هموگلوبین و میوگلوبین دو پروتئین پیوندی اکسیژن هستند که حاوی پورفیرینهای آهن دار میباشند. چندین هتروسیکل دیگر در ارتباط با پورفیرین وجود دارد. این هتروسیکلها شامل کورینها، کلرینها، باکتریوکلرفیلها و کورفینها میباشد.از شبه پورفیرینهای طبیعی میتوان به کورینها[1] شکل(١-3) اشاره کرد. کورینها ماکروسیکلهایی متشکل از چهار حلقه پیرولی هستند که از چهار اتم نیتروژن خود برای اتصال به فلز استفاده میکنند. کورینها در این حالت تقریبا شکل مسطح مربعی دارند. تفاوت اصلی کورین با پورفیرین، نبود یک اتم کربن متین است که اتصال دهنده دو تا از حلقههای پیرول است. این عامل، سبب به هم ریختن هندسه فلز مرکزی است و نیز باعث به وجود آمدن برخی خواص جالب برای کمپلکس مذکور است.کلرینها بیشتر احیا شده، هیدروژن بیشتری نسبت به پورفیرین دارند و زیر واحد پیرولینی دارند. این ساختار در کلروفیل رخ میدهد. جایگزینی دو زیر واحد از چهار زیر واحد پیرولی با زیر واحد پیرولینی، منجر به باکتریوکلرینها میشود که در باکتریهای فتوسنتز کننده یافت میشود. پروتوپورفیرین[1] (شکل١- 4) یکی از فراوانترین پورفیرینهای موجود در طبیعت است. از جانشین کردن کربنهای ٥، ١٠، ١٥و٢٠ پورفین با نیتروژن و اتصال حلقههای پیرول با چهارحلقه بنزن ترکیب معروف رنگی، به نام فتالوسیانین (شکل١-5) حاصل میشود. دوترکیب مهم دیگر موجود در طبیعت کلروفیل[2] (شکل١-6) و ویتامینB12 [7] (شکل١-7) میباشند.ماکروسیکلهای تتراپیرولی، که پورفیرینها دستهای از آنها هستند، در طبیعت جهت اتصال فلز در سیستمهای آنزیمی و کمپلکسهای مربوطه استفاده میشوند و عهدهدار کارهای زیادی هستند. توانایی کاتالیزوری پورفیرینها به وضعیت الکترونی فلز مرکزی، هندسه حلقه پورفیرین و طبیعت لیگاندهای محوری بستگی دارد [8].کمپلکسهای پورفیرین با آهن، کبالت، منگنز، مس و نیکل به عنوان فعال کننده O2 شناخته میشوند و فعالیت آنها در شیمی آلی فلزی بررسی شده است. به عنوان مثال میتوان از سیستمهای پورفیرینی استفادهشده در اکسایش کاتالیزوری از طریق اتصال با O2 نام برد. سیتوکروم ٤٥٠P-، یک پورفیرین آهن موجود در سیستمهای زیستی، از مهمترین آنزیمهای اکسنده مورد مطالعه است. این آنزیم مدلی برای اکسایشهای شبهزیستی[1] است [8].با در نظرگرفتن مطالعات مربوط به مشتقات گوناگون پورفیرینها، فاصلهها و زاویهها در اسکلت پورفیرین مقدار تقریبا ثابتی میباشد. پورفیرین مسطح با توجه به قاعده زاویه و فاصله یک محور تقارن درجه چهار دارد.پورفیرینها شامل انواع مسطح و تغییرشکلیافته میباشند. این ماکرومولکولها دارای خاصیت انعطافپذیری هستند. پورفیرین در حالت مسطح در پایینترین سطح انرژی خود قرار دارد. از آنجا که انرژی کمی برای تغییر شکل پورفیرین لازم است، تحت شرایط مختلف نمیتوان ساختار آن را به سادگی پیشبینی کرد. همچنین ساختار پورفیرین در محلول به دلیل نامشخص بودن برهمکنشهای دقیق آن با حلال قابل پیشبینی نیست. 1-4- یونیزه شدن پورفیرینهابا افزایش قدرت الکترون کشندگی زنجیرههای جانبی پورفیرین خاصیت بازی آن کاهشمی یابد. هسته پورفیرین با دو اتم نیتروژن پیرولینی (=N–) که توانایی جذب پروتون را دارند، به عنوان یک مرکز بازی دو ظرفیتی و با دواتم نیتروژن NH)–) پیرولی، که توانایی از دست دادن پروتون را دارند، به عنوان یک مرکز اسیدی دو ظرفیتی عمل میکند. بنابراین هسته پورفیرین میتواند هر دو نقش اسیدی و بازی را ایفا کند.پورفیرینها به عنوان اسیدهایخیلی ضعیف عمل میکنند. حالتهای خنثی حتی درمحلول های هیدروکسید سدیم غلیظ پایدارند ولی در حضور سدیم آلکوکسیدها، طیف جذبی حضور دیآنیون را نشان میدهد. قدرت بازی نیتروژنهای پیرولینی، از طریق یک ساختار رزونانسی، تحت تاثیر زوج الکترونهای غیر پیوندی نیتروژنهای پیرولی قرار میگیرد. 1-5- عوامل موثر بر فعاليت پورفیرینهابسیاری از مطالعات انجام شده که به بررسی تاثیر عوامل موثر بر فعالت پورفیرین ها پرداخته است. تقريباً تمام واکنش‌هايي که توسط آنزيمها کاتاليز مي‌گردند توسط متالوپورفيرينها نيز کاتاليز مي‌شوند. گزارشهای زيادي در مورد واکنش‌هاي هيدروکسيلدار کردن هيدروکربن‌هاي اشباع، اپوکسايش آلکن‌ها، اکسيژندار کردن آلکين‌ها، اکسايش سولفيدها، هيدروکسيلدار کردن ترکيبات نيتروژن‌دار، اکسايش الکل‌ها و آلدئيدها و بسياري از واکنش‌هاي ديگر وجود دارد. مهم‌ترين اين عوامل موثر عبارت است از پایداری متالو پورفیرین، نوع گونه حدواسط تشکيل شده، تاثیر استخلافات گروه های مختلف با وضعيت‌هاي متنوع الکتروني و فضايي بر روي حلقه پورفيرين که ممکن است اتصال به حلقه‌هاي پيرولي يا حلقه‌هاي فنيلی باشد، اثر فلز مرکزی، تاثیر نوع اکسنده، - اثر ليگاندهاي محوري[2] متفاوت از نظر الکتروني و فضايي و همچنین اثر غلظت ليگاند محوري به کار رفته و اثر حلال که مورد توجه زیادی قرار دارد. 1-6- تجمع پورفیرینفرایند تجمع ملکولهای رنگ دانه مربوط به طبقهی پورفیرینها و فتالو سیانینها در زمینههای مختلف شامل فوتوشیمی، بیوشیمی و الکترونیک نوری توجه زیادی را به خود جلب کرده است ].10-16.[ کنترل تجمع رنگدانه با هندسهی سازمان یافته خاص یکی از اهداف پیشرفت دانش بسیاری از واحدهای جمع آوری نور در فتوسنتز است. معیار اصلی برای فرآیند تجمع، نوع بر هم کنشهای غیر کووالانسی شامل تاثیرات خارجی و محیطی است که فرایند رخ میدهد. توازن این بر هم کنشها میتواند نوع تجمی که رنگدانه میتواند در مجموعهی سوپرا ملکول مفروض فرض کند را تعیین کند.دریافته اند که باز آزاد و متالو پورفیرین می تواند تجمعات مختلفی را شکل دهد و نیروی پیش برنده برای این کمپلکسهای ملکولی غیر کووالانسی میتواند پیوندهای هیدروژنی، بر هم کنشهای واندر والسی، الکترواستاتیکی و تاثیرات هیدروفوبی باشد. این بر هم کنش ها نو آرایی ساختاری مونومرهایی از قبیل بلوکهای ساختمانی برای ساختن تجمعات پورفیرینی را اجرا میکند ]17[.بنابر این تجمع میتواند از طریق خود تجمعی در محلول هموژن شکل گیرد یا توسط تجمع در بعضی از محیطهای هتروژن مثل مایسلها لیپوزومها، پروتئینها، دندریمرها، مونو لایرها یا فیلمهای بولجت-لانگمویر القا شود.در ساختار ملکولی تجمع یافته، ملکولهای مونومر به شیوهای آرایش مییابند که ممان دو قطبی گذار بتواند به شدت بر هم کنش کرده و ودر نهایت باعث تغییر برجستهای در طیف الکترونی تجمع میشود. در حقیقت طبق تئوری تهییج کاشا، جفت شدن ممانهای گذار دو قطبی ملکولها که موازی با خط اتصال مراکز ملکولی تراز یافته در تجمع است منجر به تجمع از نوعJ میشود. از طرف دیگر، تجمع نوع H زمانی سبقت میگیرد که ممانهای گذار دو قطبی عمود به خط مراکز منجر به گذار الکترونی شیفت آبی مربوط به باند جذبی مونومر شود.پورفیرینها طبقهی مهمی از ترکیبات شیمیایی را تشکیل میدهند و گاهی اوقات از آنها به عنوانProbe های طیف سنجی برای مطالعه ی پویایی و ساختار اسید های نوکلئیک استفاده می شود. مکانیسم بر هم کنش با DNA و BSA بسیار جالب است. این گونه خواص به طور مفصل تر مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته و به عنوان اتصال ساده، داخلی و خارجی با خود تجمعی طبقه بندی شده است. طبیعت بر هم کنش وابسته به تعداد پارامترها، از قبیل ساختار پورفیرین، ترکیب DNA، قدرت یونی و حلال است. یک رفتار جالب در ترانس- بیس(N متیل پیریدینیوم ٤- ایل) دی فنیل پورفیرین اثبات شده که تمایل بیشتری نسبت به پورفیرینهای مشابه ساختاری اش نشان می دهد.پدیده ی تجمع از طریق روش های تجربی متنوع از قبیل طیف سنجیUV-VIS ،پراکندگی نور رزونانس (RLS)و دورنگ نمایی دورانی، (CD) آشکار شده است]18-21[.هر چند که این روشها اطلاعات روشنی از ساختارهای بزرگ ایجاد شده از ملکولهای پورفیرین میدهد ولی اطلاعات دیگری از سینتیک تجمع پیش برنده و طبیعت کلاسترهای موجود نمیدهد و بر این اساس ما شبیه سازی دینامیک ملکولی و مطالعهی سینتیکی تجمعات پورفیرینی را در این جا در نظر گرفتهایم.تجمع پورفیرین ها برای تشکیل کلاسترهای بزرگ به طور گستردهای به دلیل علاقه در زمینههای شیمی و اهداف دارویی مورد توجه خاصی قرار گرفته است ]22-23[ . نیروی اصلی پیش برنده در این تجمع بر هم کنشهای تجمعی л-л، بر هم کنشهای پیوند هیدروژنی بین ملکولی و واندروالس است. برهم کنشها به طور موثری با تغییرات ساختاری گونههای درگیر مثل تغییر گروههای عاملی روی ماکروسیل پورفیرین، یا طبیعت و ریخت شناسی ترکیبات تنظیم میشود ]17[. خواص ویژه آنها باعث شده که از پورفیرینها به عنوان ترکیبات فعال در رادیولوژی و تصویر برداری رزونانس مغناطیسی برای تشخیص سرطان و به عنوان فتوسنتز کننده در درمان فتودینامیکی استفاده شود. پورفیرین ها فعالیت ضد ویروسی و ضد عفونتهای بیماری زا مثل HIV نشان میدهند ]25.[مساحت نسبتاً بالای صفحه مولکولی پورفیرین سبب بر همکنشهای بین مولکولی جهت داری میشود که با تجمع مولکولهای پورفیرین همراه است [27-26]. با تجمع مولکولهای پورفیرین، خواص شیمیایی و نورشیمیایی آنها نیز تحت تأثیر قرار میگیرد. برای مثال مراحل جذب نور و انتقال بار در فرایند فتوسنتز در گونههای تجمع یافته کلروفیلها صورت میگیرد [28]. تجمع جهتدار پورفیرینها ممکن است با بروز خواص مغناطیسی، رسانایی و کاتالیزوری بدیهی همراه باشد. تجمع پورفیرینها ممکن است در داخل محلول و یا در سطح يك بيوپليمر نظير DNA پليپپتيد صورت گيرد [29].علاوه بر اين گزارشهايي مبني بر بهرهگيري از فرایند تچمع پورفیرینها در سطح پلیپپتید به عنوان حسگرهای شیمیایی در اندازهگیری DNA و مقادير كم برخي از فلزات واسطه گزارش شده است [30]. تجمع مولكولي پورفيرين آزاد، ناشي از برهمكنش هاي p-p و از نوع بر همكنشهاي غيركووالانس واندروالسي است. بطور كلي خود تجمعی پورفيرينها و متالوپورفيرينها از عوامل تعیین كننده خواص فيزيكوشيميايي آنهاست. خود تجمعی پورفيرينها و متالوپورفيرينها ممكن است با تشكيل ديمر، اوليگومر و يا پليمر همراه باشد [31]. قطبيت حلال، نوع استخلافهاي جانبي، قدرت يوني و pH از عوامل تعيين كننده در ميزان و نوع تجمع پورفيرينهاست [28]. تجمع پورفيرينها ممكن است با تشكيل تجمعهاي منظم يا بينظم همراه باشد. تجمعهاي منظم از دو نوعند[29]: تجمع نوع H و تجمع نوعJ.. آرايش هندسي اين دو نوع تجمع منظم در شكل 1-8 نشان داده شده است.