Compounds of cobalt(II), copper(II) and zinc with malic acid and imidazole.pdf Введение Большинство процессов, протекающих в биологических системах, включают в себя взаимодействие ионов металла с несколькими лигандами, поэтому особый интерес для теоретической, координационной химии, практической химии, биологии и медицины представляют получение и изучение свойств смешанолигандных комплексов (СЛК) «металлов жизни» (Fe, Zn, Cu, Mn, Mo и Co) с биологически активными лигандами. Целью работы явилось получение соединений ионов некоторых J-металлов (Co2+, уч 2+ г-/ 2+\ ^ Cu , Zn ) в виде солей и комплексов в растворе с лигандами, содержащими донорные атомы азота и кислорода, к которым катионы J-металлов имеют сродство. В качестве кислородсодержащего лиганда взята оксикар-боновая кислота - кислота яблочная, азотсодержащего лиганда - имидазол. Синтезированные билигандные соединения представляют интерес с точки зрения дальнейших испытаний их на противовирусную и антимикробную активность. Изучение комплексообразования яблочной кислоты с ионами металлов (Mn , Fe , Co , Cu , Zn ), входящими в состав биологических объектов, имеет важное и биохимическое значение, поскольку эта кислота является типичным метаболитом, стимулирует обмен веществ, улучшает кровообращение. Молекула яблочной кислоты C4H6O5 (H2Mal) содержит два типа функциональных групп - две карбоксильных группы и одну гидроксильную: HOOC-CHOH-CH2-COOH. Оксикислоты могут координироваться ионами переходных металлов как посредством карбоксильных групп, так и с образованием хелатных циклов с участием атома кислорода а-оксигруппы. В литературе не много сведений о соединениях яблочной кислоты с ионами металлов. Имеются данные об устойчивости моноядерных комплексов J-металлов состава 1 : 1, 1 : 2 [1]. Ртуть(11) c яблочной кислотой в растворе образует комплексы HgMal, Hg(OH)Mal- и Hg(OH)2Mal2- (lgP; равны соответственно 6,28, 16,24 и 25,02) [2]. В процессе комплексообразования ионы ртути вытесняют протоны только карбоксильных групп яблочной кислоты, но не исключается координация и атома кислорода гидроксогруппы. Высокозарядные катионы металлов (Sc3+, Ga3+, Th4+, Fe3+, Се4) могут вытеснять не только протоны карбоксильных групп оксикислот, но и протон гидроксила [3], в то время как при отсутстствии таких ионов диссоциация протона гидрок-сильной группы яблочной кислоты возможна лишь в сильнощелочной среде (pK3 = 14,30). Методом ЯМР-спектроскопии экспериментально и квантовохимиче-скими неэмпирическими расчетами Z-малатных аквакомплексов лантана и иттрия показано наличие внутримолекулярных водородных связей между протоном гидроксогруппы и атомами кислорода карбоксильных групп Z-яблочной кислоты и межмолекулярных водородных связей между атомами кислорода гидрокси-, карбоксигрупп кислоты и протонами молекул воды первичной гидратной оболочки иона металла [4]. Описан электрохимический метод получения гетерометаллического ма-лата неодима(Ш) и железа(Ш) состава NdFe(C4H4O5)35H2O [5]. Индивидуальность полученного соединения подтверждена ИК-спектроско-пическим и термическим методами анализа. В соли полосы поглощения группы C=O яблочной кислоты в области 1700-1750 см 1 отсутствуют, а в области 1630-1500 см 1 появляются полосы поглощения асимметричных валентных колебаний аниона СОО-. В работе [6] представлены результаты исследования комплексообразо-вания германия(ГУ) с гидроксикарбоновыми кислотами, в том числе и с яблочной H3Mal. ^тезирован в твердом виде комплекс (HA)2[Ge(Mal)2]-H2O, где А - никотиновая кислота, никотинамид и др. В соединении комплексный анион связан с протонированными по азоту внешнесферными лигандами. Авторами работы [7] представлен обзор литературы, относящийся к комплексным соединениям олова(ГУ) с гидроксикарбоновыми кислотами. Указывается, что в ИК спектре комплекса оловоорганического соединения с яблочной кислотой отсутствуют полосы v(OH) и v(C=0) (3 416 и 1 731 см 1 соответственно), имеющиеся в спектре свободной яблочной кислоты, и появляются полосы vas(COO) 1568 см 1 и vs(COO) 1402 см свидетельствующие о том, что в результате комплексообразования с оло-вом(ГУ) произошло депротонирование гидроксильной и двух карбоксильных групп яблочной кислоты. Синтезированное соединение бис(^-малато) оксо-ванадил(ГУ) VO(HMalat)2 (брутто-формула С8Н10О11У) авторы работы [8] рассматривают как перспективное соединение для лечения сахарного диабета. Малаты металлов находят применение для восполнения дефицита микроэлементов в кормах животных и птицы [9], поскольку неорганические соли металлов имеют низкую биодоступность. Усвоение биометалла будет происходить в том случае, если он будет прочно связан с хелатиру-ющим агентом, являющимся участником процессов метаболизма: аминокислотами, многоосновными кислотами (лимонной, глюконовой, яблочной, янтарной), витаминами. Необходимо отметить усиление синергизма в смешанолигандных комплексах J-металлов, содержащих два биоактивных лиганда. В качестве таких лигандов могут выступать карбоновые кислоты, аминокислоты, ок-сикислоты и гетероциклические соединения, среди которых азолы занимают одно из ведущих мест. Интерес к химии азолов обусловлен чрезвычайно широким диапазоном их реакционной способности и многообразием проявляемой ими биологической активности. Имидазол QH4N2 - пяти-членный гетероцикл с двумя гетероатомами азота Н Н Im обладает амфотерными свойствами (по N(1) - слабая кислота, по N(3) - основание). Жестко ориентированная в пространстве неподеленная электронная пара пиридинового атома азота N(3) способна к протонированию (lgBi имеет значения в интервале 7-7,7; B1 - константа протонизации ими-дазола) и координации иона металла. В литературе нами не обнаружено данных по СЛК с имидазолом и яблочной кислотой. Авторами работы [10] изучена устойчивость в растворе комплексов кадмия, никеля и кобальта(ГГ) с имидазолом, бензимидазолом и анионом лимонной кислоты (H3Cit) состава [MCitlm(benzIm)] . Экспериментальная часть В работе объектами исследования являются соединения кобальта(ГГ), меди(ГГ) и цинка с яблочной кислотой и имидазолом в виде твердых солей и комплексных соединений в растворе. Для анализа и изучения свойств синтезированных билигандных солей, установления состава и устойчивости СЛК в растворе использованы методы химического, термического, термогравиметрического анализа, pH-потенциометрии, фото- и спектрофо-тометрии, ИК-спектроскопии. Исходными соединениями для получения имидазолмалатов служили ма-латы двухвалентных металлов. Для получения малатов меди(ГГ) и цинка взяты их карбонаты, синтезированные по данным работ [11, 12] соответственно. В табл. 1 приведены результаты трилонометрического и термического (прокаливание солей при 900°С) анализа синтезированных карбонатов. Т а б л и ц а 1 Данные титрометрического и термического анализа карбонатов цинка и меди(П) Формула соли М2+, % ZnO, CuO, % Н В Н В ZnCO3 53,4 52,15 66,4 64,91 (CuOH)2CO3-H2O 26,2 26,57 67,9 66,54 Примечание. Здесь и далее в таблицах: Н - найдено, В - вычислено. Малаты цинка и меди(ГГ) получены взаимодействием их карбонатов с яблочной кислотой. Для этого навеску карбоната помещали в небольшой объем воды (10 мл), во взвесь вносили навеску кислоты; если карбонат полностью не растворялся, то смесь до полного растворения выдерживали на бане, охлаждали прозрачный раствор и малаты из водного раствора выделяли добавлением ацетона. Синтез малата кобальта(ГГ) проводили из концентрированных водных растворов хлорида кобальта(ГГ) и яблочной кислоты, частично нейтрализованной раствором гидроксида натрия CoCl2 + H2Malat + 1,8NaOH ^ CoMalatj, окончательное значение pH 4,5-5,0 смеси создавали с помощью растворов NaOH или HCl. После кристаллизации соль фильтровали, промывали ледяной водой, сушили на воздухе. Синтез смешанолигандных соединений осуществляли по реакции MMalat (т) + xIm = MImxMalat Навеску малата металла помещали в небольшой объем воды (8-10 мл) и вносили рассчитанное количество имидазола, создавая мольное соотношение MMalat : Im, равное 1 : 1, 1 : 2 и т.д. до полного растворения соли или полного перехода исходного малата в новую фазу (pH находился в интервале 6,5-8,7). Выделение осадков имидазолмалатов кобальта и цинка происходило из водных растворов, билигандную соль меди(ГГ) выделяли из водного раствора добавлением ацетона. Малаты, имидазолмалаты металлов анализировали термическим методом на содержание воды, оксида нагреванием солей в течение 2 ч при 140 и 900°С соответственно. В малатах цинка и меди(ГГ) содержание малат-иона определено по разработанной нами фотометрической методике, основанной на поглощении окрашенного малатного комплекса железа(Ш) (cFe = 0,014 моль/л; Смаы = 8 • 10 4-5 • 10 3 моль/л; Хэф = 440 нм; l = 10 мм; рH = 1,80). Ошибка фотометрического определения аниона яблочной кислоты составила ~2% из-за невысокого коэффициента молярного поглощения малатного комплекса железа(Ш). В соли CoMalat-3H2O и билигандных солях термогравиметрически определено содержание воды, малат-иона, имидазола и оксида металла, поскольку удаление воды, разрушение аниона, имидазола и образование соответствующего оксида металла происходит в различных температурных интервалах (табл. 2). Результаты анализа моно- и билигандных солей помещены в табл. 3. Данные по массовому содержанию в солях оксида и воды являются усредненными по результатам термического и термогравиметрического анализов. Т а б л и ц а 2 Анализ термограмм солей CuImMal-2H2O и ZnImMal-3H2O № Характер эффекта Температурный интервал, °С Потеря массы (от нач.), % Н | В Соответствующий процесс CuM^^^O 1 Группа эндо-эффектов 25-175 11,4 12,01 Потеря воды 2 Группа эндо-эффектов 175-400 43,6 44,07 Потеря малат-иона 3 Экзоэффект 400-575 22,8; 27,1 22,71; 26,54 Потеря имидазола, образование оксида 1 Эндоэффект 50-175 17,1 16,89 Потеря воды 2 Экзоэффект 275-375 21,5 21,30 Потеря имидазола 3 Экзоэффект 375-600 41,2; 24,7 41,33; 25,47 Потеря малат-иона, образование оксида Т а б л и ц а 3 Результаты термического, термогравиметрического, фотометрического анализа моно- и билигандных солей кобальта(П), меди(П) и цинка Формула соединения MxOy, % H20, % МаМ2-, % Гт, % Н В Н В Н В Н В CoC4H4O53H2O 31,8 32,76 21,3 22,04 51,6 53,91 - - Co(C3H,N2)3C4H4O5 20,7 20,31 0,5 0,00 32,7 33,42 49,1 51,67 CuC4H4O53H2O 31,8 31,86 20,3 21,63 53,6 52,91 - - Cu(C3H4N2)C4H4O5 2H2O 27,1 26,54 11,5 12,01 43,6 44,07 22,8 22,71 ZnC4H4O53H2O 32,7 31,63 19,8 21,47 50,7 52,53 - - Zn(C3H4N2)C4H4O5-3H2O 25,0 25,47 17,0 16,89 41,2 41,33 21,5 21,30 Методом изомолярных серий (pH 6,5-7,3) в бинарных системах Co2+(Cu2+)-Im установлено доминирование в растворе имидазолатных комплексов состава 1 : 2 (рис. 1, отсутствие точек до мольной доли лиганда Nl = 0,3 связано с выделением осадков в растворе), а в системах Co2+(Cu2+)-Malat2- (pH 6,5) - комплексов состава 1 : 1. Метод кривых насыщения в тройных системах МСЬ-^гМаЫ-хГт (pH 6,8) указывает на ступенчатый характер комплексообразования (образуются комплексы М1тхМаЫ состава 1 : 1 : 1, 1 : 2 : 1, 1 : 3 : 1) и перекрывание областей доминирования этих комплексов. По данным кривых насыщения систем МСЬ-^гМаЫ-хГт (M2+-Co2+, Cu2+) рассчитаны константы устойчивости рш и вт СЛК состава МГтМаЫ и МГт2МаЫ соответственно по методике, описанной в [13]. Так, для равновесия с участием двух поглощающих при одной длине волны комплексов ММаЫ и МГт2МаЫ MMalat + 2Im MIm2Malat (для удобства заряды опущены), константа равновесия К с константами устойчивости Pi монолигандного MMalat и Pi2i смешанолигандного MIm2Malat комплексов связана соотношением р121 = К х р1. При использовании фотометрических данных для каждой точки кривой насыщения имеем Р121 = P^af Im)/((1 - аш) х (cim - 2a 1, а константа устойчивости СЛК больше среднего арифметического из констант устойчивости монолигандных комплексов. Можно показать, что в комплексе CoImMalat лиганды совместимы, так как lgkd = 5,25 - 0,5 • 4,40 - 0,5 • 4,65 = 0,73 и kd = 5,4, т.е. kd > 1 (lgp(CoIm2) = = 4,40, lgp(CoMalat2) = 4,65 по [15]), а lgp(CoImMalat) > / (lgp(CoIm2) + + lgp(CoMalat2)). Электронные спектры поглощения (ЭСП) одинарных, двойных и тройных систем подтверждают образование СЛК. Значительное смещение максимумов поглощения в системах с моно- и билигандными комплексами по сравнению с исходным водным раствором хлорида меди(П) в коротковолновую область свидетельствует об образовании новых комплексных частиц (рис. 2). Замещение молекул воды в координационной сфере иона Cu2+ на более прочно связываемые лиганды (лучшие доноры электронных пар) увеличивает разность энергий расщепленных d-подуровней комплексообразовате-ля, и его d-d-полоса поглощения смещается в сторону более коротких длин волн (гипсохромный эффект). 0.4 - 0.3 - 0,1 - 500 600 700 800 Рис. 2. Зависимость D-X в системах: 1 - Cu2+-H2O (X^ = 824 нм); 2 - Cu2+-Malat2 (Xmax = 694 нм); 3 - Cu2+-Im (Xmax = 742 нм); 4 - Cu2+-Malat2--Im (Xmax = 688 нм) при pH 6,7 (c, = 1 • 10-2 моль/л) 9'/.' X, нм D 0.400 0.350 Рис. 3. Электронный спектр поглощения имидазола, cIm = 0,12 моль/л X, нм Из ЭСП имидазола (рис. 3), моно- и билигандных копмлексов кобальта с имидазолом и малат-анионом (рис. 4) видно, что низкоинтенсивная полоса поглощения имидазола около 300 нм, которая относится к * ~ n ^ п -переходу электронов неподеленнои пары азота, исчезает при вхождении имидазола в комплекс. Это может служить доказательством участия пиридинового атома азота имидазола в связи с ионом металла. D Рис. 4. Электронные спектры поглощения систем: 1 - CoC12; 2 - Na2Ma1at; 3 - Im; 4 - CoC12-Ma1at2-; 5 - CoC12-Im; 6 - CoC12-Ma1at2--Im (ci = 0,06 моль/л; cIm = 0,12 моль/л; pH = 6,8) Образование смешанолигандных солей и комплексов в растворе связа- 1 2+ уч 2+ г-г 2+ но со сродством а-катионов Cu , Со и Zn как к донорным атомам азота, так и кислорода выбранных лигандов - имидазола и яблочной кислоты. ИК спектры солей и ЭСП растворов комплексов этот факт подтверждают. Заключение 1. В интервале pH 6,5-8,7 водного раствора, в котором доминирует нейтральная молекула имидазола HIm, из исходных малатов кобальта(П), меди(П) и цинка состава MMa1at3H2O получены смешанолигандные ими-дазолмалаты состава MImxMa1at nH2O указанных металлов, образование которых подтверждено химическим, термическим, термогравиметрическим, ИК-спектроскопическим методами. 2. В водном растворе двойных систем методом изомолярных серий при pH 6,5-7,3 установлено доминирование комплексов состава MIm22+, MMa1at; в тройных системах в том же интервале pH метод кривых насыщения указывает на наличие ступенчатого комплексообразования, рассчитаны константы устойчивости комплексов состава 1 : 1 : 1 MImMa1at, 1 : 2 : 1 MIm2Ma1at (М-Co2+, Cu2+). 3. На основании ЭСП растворов одинарных, двойных и тройных систем в УФ и видимой частях спектра, ИК спектров синтезированных солей сделан вывод об участии в комплексообразовании пиридинового атома азота имидазола и атомов кислорода карбоксильных групп аниона яблочной кислоты.

Скачать электронную версию публикации