Синтез, термодинамические и кинетические закономерности образования и разложения унитиолатных комплексов Co(III), Co(II), Fe(II), Ni(II), Pb(II), Cu(II), Ag(I), Au(III) (стр. 1 )

УДК 544.18+544.3 На правах рукописи

СУГУРБЕКОВА ГУЛНАР КАЛМЕНОВНА

Синтез, термодинамические и кинетические закономерности образования и разложения унитиолатных комплексов Co(III), Co(II), Fe(II), Ni(II), Pb(II), Cu(II), Ag(I), Au(III)

02.00.01 - неорганическая химия

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Республика Казахстан

Караганда, 2007

Работа выполнена в Казахском национальном университете имени аль-Фараби, в Павлодарском государственном педагогическом институте

Научный консультант: доктор химических наук,

профессор

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор

доктор химических наук

профессор

доктор химических наук

профессор Назарбекова С.П.

Ведущая организация: ДГП «Институт химических наук им. » ЦНЗМО КН МОН РК

Защита состоится «31» января 2008 года в 1200 часов на заседании Диссертационного совета ОД 14.07.01 при Карагандинском государственном университете им. по адресу: г. Караганда, , химический факультет, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Карагандинского государственного университета им. .

Автореферат разослан « 25» ноября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ОД 14.07.01,

доктор химических наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Использование унитиола (2,3-димеркаптопропансульфоната натрия) как важнейшего регулятора многих физиологических процессов в организме человека явилось одним из значительных достижений современной мировой науки и привлекло большое внимание исследователей в области химии, биологии и медицины. В настоящее время ведется активный поиск новых соединений с целью создания лекарственных препаратов нового поколения для лечения социально-значимых заболеваний (онкологических, вирусных и последствий экологических катастроф) с широким спектром активности и уменьшенными побочными эффектами по сравнению с уже используемыми клиническими.

Особое место в этом ряду занимают разработка лекарственных и диагностических средств, уникальный набор характеристик которых позволяет успешно использовать их в медицине.

Способность металла выполнять свою биологическую роль зависит от способности иона металла к комплексообразованию, а также от геометрии и устойчивости образуемого комплекса.

Хелатирование свободных ионов металла полидентатными лигандами превращает их в устойчивые, более координационно насыщенные частицы, не способные разрушить биокомплексы, а, следовательно, малотоксичные. Они мембранопроницаемы, способны к транспортировке, и выведению из организма. Итак, токсичность элемента определяется его природой, дозой и молекулярной формой, в составе которой находится элемент. Микроэлементы в комплексонатной форме выступают в организме в качестве фактора, определяющего высокую чувствительность клеток к микроэлементам, стимулирующие процессы кроветворения и усиливающие процессы обмена веществ. Синергизм элементов в процессах кроветворения связан, возможно, с участием ионов этих элементов в различных этапах процесса синтеза ферментных элементов крови человека. Химизм токсичности можно объяснить способностью металлов блокировать сульфгидрильные группы ферментов и других биологически активных соединений.

Биологическое действие унитиола обусловлено присутствием атомов серы, которые выступают в качестве химически активных центров, доноров электронных пар, способных к образованию координационных связей с ионами металлов.

Комплексы переходных металлов являются источником микроэлементов в биологически активной форме, обладающих высокой ферментативной активностью. Они участвуют в защите организма от «окислительного стресса». Это связано с их участием в утилизации продуктов метаболизма, определяющих неконтролируемый процесс окисления (перекисями, свободными радикалами и другими кислородактивными частицами). Разрушительными для белков являются биотрансформации, связанные с действием сильных окислителей, которые переводят соединения серы до степени окисления +6. Такие окислители, как например, пероксид водорода, окисляют дисульфидные мостики и сульфгидрильные группы белков в сульфогруппы R-SO3H, что означает их денатурацию. Сульфидная группа может участвовать в гомолитических процессах с образованием мало реакционноспособных радикалов R-S. Это свойство служит защитой от действия свободнорадикальных частиц – продуктов радиолиза воды. Следовательно, равновесие тиол-дисульфид связано с регуляцией активности ферментов и гормонов, приспособлением тканей к действию окислителей, восстановителей и радикальных частиц.

Данное исследование посвящено изучению кинетических и термодинамических закономерностей взаимодействия, реакционной способности, условий направленного синтеза и разложения комплексов металлов с унитиолом, что позволило выявить закономерности в устойчивости, прогнозировать реакционную способность и природу координационной связи, оценить возможность проведения их целенаправленного синтеза.

Разработка методов синтеза и физико-химического анализа обусловлена необходимостью дальнейшего развития теоретических и экспериментальных основ получения новых и улучшения имеющихся соединений металлов с тиолами.

Комплексные соединения с участием тиоловых лигандов обладают многими специфическими свойствами и занимают особое место в координационной химии. При синтезе подобных комплексов образуется большое число различающихся по составу и строению соединений, что позволяет повысить селективность аналитических реакций, использовать их в окислительно-восстановительных процессах, в технологии разделения смесей различных элементов. Сведения о строении, реакционной способности комплексов важны для изучения кинетики реакций замещения лигандов в координационных соединениях, а также многих каталитических процессов, идущих в их присутствии. В связи с этим представляется актуальным разработка методов синтеза и физико-химическое изучение процессов комплексообразования и термического разложения комплексных соединений солей переходных металлов с унитиолом.

Степень разработанности проблемы. Под руководством д. х.н., профессора на кафедре физической химии и электрохимии КазНУ имени аль-Фараби проводится систематическое изучение процессов комплексообразования металлов с тиоловыми лигандами. Без преувеличения можно сказать, что надежное моделирование условий синтеза и свойств унитиолатных комплексов металлов как межмолекулярных ассоциатов стало возможным благодаря этим замечательным достижениям, что является оригинальным направлением в теории химии координационных соединений переходных металлов с тиолами. Помимо прикладного значения, изучение унитиолатных комплексов металлов и реакций, идущих с их участием, способствует выяснению общих закономерностей изменения свойств и поведения систем под влиянием внешних факторов, развитию физико-химических аспектов процессов комплексообразования, расширению и углублению представлений о состоянии веществ в водных растворах и в твердом виде.

Связь с планом государственных программ. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры физической химии и электрохимии Казахского национального университета им. аль-Фараби, включенной в программу фундаментальных исследований ЦФХМА «Физико-химические основы создания и анализа новых материалов из минерального сырья Казахстана» гг. по теме «Комплексные исследования различных серо-, фосфорсодержащих соединений» (№ госрегистрации 0100 РК 00397, дата утверждения - 26.05.2000 г.), входящая в координационный план Министерства образования и науки РК.

Целью настоящей работы является установление условий существования, устойчивости, строения, изменения физико-химических свойств, закономерностей взаимодействия унитиолатных комплексов металлов, а также термодинамики и кинетики разложения синтезированных комплексов.

Для достижения этой цели необходимо было решить ряд задач:

· выполнить анализ физико-химических свойств унитиолатных комплексов в водных растворах;

· определить состав и рассчитать равновесные термодинамические свойства растворов комплексов;

· исследовать механизмы и кинетические закономерности взаимодействия;

· установить области существования всех комплексных соединений в зависимости от концентрации унитиола и рН среды;

· разработать методики синтеза и получить в индивидуальном состоянии комплексные соединения, определить некоторые физико-химические характеристики, установить строение и структуру синтезированных соединений;

· определить геометрические, электронные и энергетические характеристики комплексных частиц;

· исследовать поверхностную активность и адсорбционные свойства унитиолатных комплексов металлов;

· выполнить термодинамический и кинетический анализ термического разложения комплексов.

Научная новизна работы:

- Впервые установлена возможность управления чувствительностью реакций комплексообразования, реакционной способностью молекул путем варьирования состава и строения комплексообразователя и способа координации лиганда.

- Предложены физико-химические основы прогнозирования условий синтеза координационных соединений унитиола и металлов.

- Впервые дана оптическая характеристика комплексов и процессов комплексообразования в растворе, показано, что в системе образуются полиядерные смешаннолигандные комплексы переноса заряда псевдооктаэдрической конфигурации.

- Проведен синтез новых комплексных соединений Co(II), Co(III), Fe(II), Ni(II), Cu(II), Pb(II), Ag(I), Au(III) с унитиолом.

- На основе квантово-химических расчетов дано объяснение с позиций метода молекулярных орбиталей геометрических, электронных и энергетических характеристик комплексных частиц, образующихся в результате последовательного замещения ионов хлора, молекул воды, аммиака или этилендиамина в соединениях[Co(H2O)6]Cl2, [Co(NH3)6]Cl3 и [Co(en)3]Cl3 на унитиол и унитиолатного комплекса [Co(НUn)3]3-.

- Определены параметры кристаллического поля, показано увеличение степени ковалентности связи M-S по сравнению с М-N. Повышенная устойчивость смешаннолигандных комплексов в системах [Co(NH3)6]3+-унитиол и [Co(en)3]3+-унитиол объяснена с позиций об антисимбиозе лигандов.

- Впервые исследована поверхностная активность и адсорбционные характеристики унитиолатных комплексов. Предсказано образование в системе ассоциатов, представляющих собой полимерные комплексы, которые перспективны в качестве поверхностных пленок. Унитиолатные комплексы кобальта рассмотрены как модельные системы для синтеза биоактивных мембран.

- Разработаны научно-обоснованные подходы для прогнозирования термодинамических параметров реакций термолиза и кинетические закономерности разложения унитиолатных комплексов металлов. Найдена прямая корреляция между термодинамическими и кинетическими параметрами. Впервые установлена взаимосвязь между скоростью процесса термолиза и реакционной способностью комплексов.

Практическая ценность работы. Результаты исследований комплексных соединений позволили выявить закономерности в устойчивости и, как следствие, оценить возможность проведения их целенаправленного синтеза. Полученные результаты имеют большое значение для прогнозирования реакционной способности и природы координационной связи аналогичных комплексов в ряду сходных соединений.

Установление термодинамических и кинетических закономерностей взаимодействия, состава и определение условий существования и разложения унитиолатных комплексов металлов позволяют проводить научно-обоснованный поиск способов их практического использования. Способность ионов кобальта существовать в различных степенях окисления, высокая устойчивость таких соединений одновременно с кинетической инертностью предполагают принципиальную возможность применения комплексных соединений данных металлов в медицине, органическом катализе, в фотографических процессах, в разработке перспективных методов анализа.

Полученные данные о термодинамических, кинетических закономерностях процессов взаимодействия и разложения, а также понятия о поверхностной активности унитиолатных комплексов могут быть использованы в качестве справочного материала при создании новых лекарственных препаратов, а также вносит определенный вклад в области координационной химии и разработке теоретических основ направленного синтеза соединений с заданными физико-химическими свойствами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Термодинамические и кинетические закономерности процессов взаимодействия солей кобальта с унитиолом в водных растворах как основа направленного синтеза биологически-активных лекарственных препаратов.

2. Научные основы процессов образования комплексов Co(II), Co(III), Fe(II), Ni(II), Cu(II), Pb(II), Ag(I), Au(III).

3. Результаты исследования физико-химических свойств индивидуальных комплексных соединений (электропроводность, термическая устойчивость, ИК и электронные спектры поглощения).

4. Квантово-химический расчет геометрических, электронных и энергетических характеристик смешаннолигандных комплексных частиц, образующихся в результате реакций замещения.

5. Результаты исследования поверхностной активности и адсорбционных свойств унитиолатных комплексов металлов.

6. Термодинамические и кинетические закономерности процессов термолиза синтезированных соединений.

Личный вклад автора Ключевые проблемы, постановка задачи сформулированы лично автором. Вклад автора заключается в постановке целей и задач исследований, выборе объектов, физико-химических методов исследования, подходов к анализу и количественному описанию экспериментальных данных, непосредственном участии в проведении экспериментов и их математической обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 34 научные работы, в том числе одна монография, одно авторское свидетельство и 32 статьи и тезисов докладов на международных конференциях, из них 10 моностатей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на третьем Международном Беремжановском съезде по химии и химической технологии (г. Усть-Каменогорск, 2001), Международной научно-практической конференции «Термодинамика и кинетика равновесных и неравновесных химических процессов», посвященной 70-летию со дня рождения профессора (г. Алматы, 2002), Международном симпозиуме по аналитической химии Aisianalis VII (Гон-Конг, 2004), Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию академика (Караганда, 2005), III Международной конференции по теоретической и экспериментальной химии (Караганда, 2006), четвертом Международном Беремжановском съезде по химии и химической технологии (г. Алматы, 2006), 11th Conference on Environment and Mineral Processing (Ostrava – Poruba, Czech Republic, 2007), XXIII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Одесса, 2007), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, включающих литературный обзор и 5 экспериментальных частей, результатов и их обсуждения, заключения, списка использованных источников из 306 наименований. Материал изложен на 282 страницах текста, содержит 90 рисунков и 82 таблицы.

ОсновнОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, степень разработанности проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна, теоретическое и практическое значение работы. Дана краткая оценка состояния общей решаемой проблемы, обозначенной как синтез и термодинамические и кинетические закономерности процессов комплексообразования металлов с тиолами.

Выбор направления исследования обусловлен изучением комплексных соединений металлов c унитиолом, которые широко применяются в различных областях науки и техники и играют важную роль в жизнедеятельности организмов.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ХИМИИ КООРДИНАЦИОННЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ С ТИОЛАМИ

В первом разделе проведен анализ научной литературы, посвященной характеристике современного состояния химии координационных соединений переходных металлов с тиолами, их биологическая роль и взаимосвязь реакционной способности комплексов металлов с электронным строением металла-комплексообразователя. Обобщенный анализ литературных данных показал, что теоретическое обоснование реакционной способности комплексов, закономерности синтеза и разложения комплексов металлов с унитиолом требует систематизации и общего методологического подхода и интерпретации с точки зрения кинетических и термодинамических положений. Рассмотрено электронное строение и токсикологическое действие металлов и связывание токсикантов унитиолом в малотоксичный и более прочный комплекс, который не разрушается и легко выводится из организма через почки, что обеспечивает детоксикацию и сбалансированное минеральное питание.

Отмечено, что экспериментальные физико-химические методы исследования в совокупности с методами математической обработки данных, квантово-химических методов позволяют получить объяснение электронного строения, пространственной структуры и реакционной способности химических соединений. С их помощью стал возможным дизайн и конструирование систем с заданными свойствами, моделирование процессов взаимодействия биологически активных лигандов с биоактивными металлами.

Учитывая состояние исследований в области термического анализа унитиолатных комплексов металлов, можно прийти к тому, что знание кинетических и термодинамических параметров может пролить свет на химизм процесса термического разложения, являющегося сложным гетерогенным и многостадийным процессом. В этом же разделе диссертации описаны некоторые процедуры по поиску и выбору методов и объектов исследования.

2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАПРАВЛЕННОГО

СИНТЕЗА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Большой научный и практический интерес для синтеза биологически активных комплексов металлов представляет унитиол (2,3-димеркаптопропансульфонат натрия), который весьма успешно применяется в медицине. Научно-обоснованный поиск методов синтеза невозможен без систематического изучения условий взаимодействия, влияния различных факторов на процесс взаимодействия.

Во втором разделе представлено термодинамическое и кинетическое обоснование условий существования унитиолатных комплексов кобальта и закономерности процессов комплексообразования как физико-химические основы направленного синтеза биологически активных комплексных соединений.

Для получения термодинамической характеристики процессы взаимодействия солей Co (II) и Co (III) с унитиолом были изучены спектрофотометрическим и потенциометрическим методами. Были подобраны оптимальные условия существования, составы и структуры образующихся соединений реакций комплексообразования в системе унитиол – Co (II), Co (III) в водных растворах.

В качестве исходных реагентов были взяты [Co(H2O)6]Cl2, [Co(NH3)6]Cl3, [Co(еn)3]Cl3, цис-[Co(en)2Cl2]C1, транс[Co(en)2Cl2]C1, CoBr2 и унитиол.

Кривые светопоглощения исследуемых растворов при различных рН имеют полосы поглощения с максимумами при 330, 380 и 460 нм для Со2+ и спектры для Со3+ из двух полос поглощения с максимумами в области 370-440 нм и 490-550 нм. Окраска растворов меняется от розовой для аквокомплексов Co(II), от желто-оранжевой, характерной для аминокомплексов Со(III), до темно-коричневой (рисунок 1).

Рисунок 1 - Электронные спектры поглощения системы Co–унитиол: 1-Co2+; 2- Co2+:Un; 3- Co3+:Un

Процесс взаимодействия унитиола с ионами кобальта носит сложный характер в связи с особенностями электронного строения лиганда и металла-комлексообразователя. Анализ показал, что концентрация исходных продуктов влияет на состав образующихся комплексов и в исследуемых системах протекают процессы последовательного замещения молекул воды, аммиака и этилендиамина на унитиол, в результате которых образуются продукты с различными спектральными параметрами.

Комплексы СоС12 с унитиолом начинают образовываться при рН растворов меньше 2 и имеют максимальный выход при рН ≥ 6.

Таким образом, можно предположить, что по мере увеличения соотношения концентрации унитиола и Со(II) и Со(III) и при повышении рН среды, также приводящего к увеличению доли диссоциированных по SH-группам форм унитиола, в исследуемых системах протекают процессы ступенчатого замещения лигандов во внутренней сфере. В ходе реакций образуются смешаннолигандные комплексы. Конечным продуктом замещения может выступать унитиолатный комплекс трехвалентного кобальта состава Со(III):унитиол = 1:3.

Для выбора химической модели протекающих реакций было определено общее число частиц, находящихся в равновесных растворах с помощью программы TRIANG методом определения ранга матрицы. Число типов частиц в растворе соответствует образованию в растворе трех комплексных частиц 1:1, 1:2, 2:3 и исходной соли Со. Определение числа полос в электронном спектре с точки зрения теории кристаллического поля лигандов позволяет судить о симметрии ближайшего окружения иона- комплексообразователя. Для этой цели электронные спектры изомолярной серии были разложены на кривые Гаусса и сделано отнесение полос (рисунок 2 а, б).

Левая ветвь всех изомолярных кривых (рисунок 2б) имеет вогнутый характер, что свидетельствует об образовании комплексов эквимолекулярного состава с меньшим коэффициентом экстинкции, чем у комплекса состава 1:2, соответствующего максимуму кривых, т. е. при избытке Со2+ может быть обусловлен только взаимодействием между Со2+ и [Со(HUn)2]2- с образованием слабоокрашенного продукта:

[Со(HUn)2]2- + Со2+→ 2 [Со(HUn)] (1)

а) б)

Рисунок 2- Разложение спектра поглощения раствора с молярным отношением Со: Un = 3:7 на гауссовские компоненты: +●- гауссовские полосы; б-зависимость высот полос поглощения от состава изомолярных растворов: ● - для полосы при 19000 см-1, ■ - 22000 см-1 и ▲ - 29000 см-1

Подобный ход кривых, возможно, объясняется различием геометрии комплексов. Как известно, СоС12.6Н2О розового цвета в растворе находится в виде октаэдрического комплекса. Присоединение одной молекулы унитиола существенно не меняет октаэдрического окружения, тогда как присоединение последующих молекул ведет к искажению октаэдрической структуры.

Каждый спектр изомолярной серии поглощения раствора Со2+-Un имеет три полосы поглощения при 19000, 22000 и 29000 см-1, которые относятся к переходам между d-подуровнями центрального атома. Полоса при I9000 см-1 отнесена к переходу 4T1(F) → 4T1(P), что характерно для полос d → d переходов и для октаэдрической конфигурации. Эта полоса расщепляется на две компоненты, присущие псевдооктаэдрическим комплексам, что также указывает на процесс смешаннолигандного образования комплексов. Полоса при 29000 см-1 соответствует полосе переноса заряда от серы к кобальту.

При разложении спектра поглощения раствора аммиаката кобальта (III) с унитиолом на компоненты Гаусса, были получены полосы при 37000, 38000, 39000 см-1. Эти полосы отнесены к полосам переноса заряда от серы к кобальту. По значениям энергии стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) замещаемые лиганды располагаются в следующий ряд:

CoCl2 :Un < [Co(NH3)6]Cl3< CoBr2 : Un <

цис - [(Co(en)2)]Cl2 Un < транс-[(Co(en)2)]Cl2: Un

Энергия расщепления гексаакваунитиолатного комплекса наименьшая, что обусловлено полярностью молекул воды, причем замещение молекул воды на молекулы унитиола по сравнению с остальными замещаемыми лигандами более облегчено и аквокомплекс более лабилен. Наиболее высокая энергия расщепления наблюдается у комплекса с транс-[Co(en)2]Cl2:Un, т. е. пространственное замещение унитиолом в молекуле транс-изомера наиболее затруднено энергетически. Приведенный ряд по силе лиганда позволяет прогнозировать условия синтеза координационных соединений унитиола и металлов, а также предполагать возможную пространственную структуру веществ. Таким образом, комплекс транс-[Co(en)2]Cl2 - Un должен быть наиболее устойчив. Согласно теореме Яна - Теллера при снятии электронного вырождения образуется более стабильная конфигурация, которая приводит к различным искажениям и образованию комплексов псевдооктаэдрической конфигурации. Итак, в данных системах взаимодействие «металл-лиганд» носит сложный характер и сопряжено с параллельно протекающими окислительно-восстановительными процессами, образованием смешаннолигандных, протонированных и гидроксокомплексов.

Кривые образования волнообразны с явно выраженными плато, что указывает на ступенчатый характер комплексообразования (рисунок 3а, б).

а) б)

Рисунок 3 - Кривые образования для системы Со2+ - унитиол при рН=6: а) CCо – 1.10-4 М, 2.10-4 М, μ = 0,2; б) 1- CCо – 1.10-4 М, 0,4.10-4 М, μ = 0,4; 2- CCо – 0,4.10-4 М, 0,8.10-4 М, μ = 0,4

При изменении ионной силы раствора кривые 1 и 2 параллельны (рисунок 3 б). Изменение формы кривой образования с уменьшением общей концентрации кобальта обусловлено изменением механизма процессов в системе и связано с образованием в системе полиядерных комплексов, т. к. с ростом равновесной концентрации лиганда кривая стремится к бесконечности.

Равновесие в системе Со (II) и Со(III): - унитиол подвижно и зависит от концентрации реагирующих веществ и ионной силы раствора. Учитывая особенности электронного строения унитиола, не исключено, что в системе могут протекать оба процесса одновременно, т. е. унитиол способен образовывать мостиковые связи между двумя атомами металла и к хелатообразованию.

Устойчивость унитиолатных комплексов кобальта рассчитывали, используя значения ñ и равновесную концентрацию лиганда, по методу исключения неизвестного (таблица 1).

Таблица 1 - Ступенчатые константы образования унитиолатных комплексов кобальта (II) в водных растворах при рН = 6, Т= 293 К

Константы образования	Ионная сила раствора, μ
μ = 0,1	μ = 0,2	μ = 0,4
lg β1	4,18 ± 0,15	4,58 ± 0,05	4,45 ± 0,10
lg β2	8,02 ± 0,14	8,64 ± 0,07	8,56 ± 0,09
lg β	12,20 ± 0,15	13,22 ± 0,07	13,01 ± 0.10

Константы образования комплексов в системе [Со(H2O)6]2+-унитиол, определенные потенциометрическим методом хорошо согласуются с константами, определенными спектрофотометрически Kn = 8,12.10-14; p Kn = 13,09; Kn = 6,46.10-14; pKn = 13,20.