Полярографическое и спектрофотометрическое исследование комплексообразования меди (II) с глицином и гистодином тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

РОССИИСКИИ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

* /1 /1 о / Л/

* У У - си/ * /

ФАКУЛЬТЕТ ФЩИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ И

ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

На правах рукописи

ЭНГЕРАЙРЕС ВЕРОНИКА ВЛАДИМИРОВНА

ПОЛЯРОГРАФИЧЕСКОЕ И СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ МЕДИ(Н) С ГЛИЦИНОМ И ГИСТИДИНОМ

(02.00.01- неорганическая химия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научные руководители: доктор химических наук профессор Молодкин А.К кандидат химических наук доцент Дорофеева Г.И.

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Обозначения.......................................................................................................3

Введение...........................................................................................................4

1.Обзор литературы.......................................................................................12

1.1. Гистидин и глицин в качестве лигандов.................................................12

1.2.Комплексные соединения меди(Н) с гистидином....................................19

1.3. Комплексные соединения меди(Н) с глицином......................................29

1.4. Разнолигандные комплексы меди(П).......................................................33

2.Экспериментальная часть.........................................................................49

2.1. Исходные вещества...................................................................................49

2.2. Аппаратура...................................1............................................................49

2.3.Методика измерений и обработки результатов........................................51

З.Комплексообразование в водных растворах тройной системы

м едь(Н)-глицин-гистидин.................................................................... 5 3

3.1. Дентатность и координация глицина и гистидина в бинарных

комплексных соединениях меди(П)................................................................54

3.1.1 .Переменнотоковая полярография растворов бинарных комплексов

меди(Н) с глицином и гистидином.................................................................55

3.1.2. Спектрофотометрическое поведение бинарных комплексов меди(П) с глицином и гистидином...................................................................65

3.2. Разнолигандные комплексные соединения меди(П) с

глицином и гистидином..................................................................................69

3.2.1.Переменнотоковая полярография разнолигандных

комплексов меди(И) в системе СиНЫ* - С1у".................................................71

3.2.2. Переменнотоковая полярография разнолигандных

комплексов меди(И) в системе О^Шб^ - С1у"..............................................85

3.2.3.Переменнотоковая полярография разнолигандных

комплексов меди(Н) в системе CuGly+-Hist"..................................................94

3.2.4.Переменнотоковая полярография разнолигандных

комплексов меди(Н) в системе Cu(Gly)2 - Hist"...........................................113

3.2.5. Спектрофотометрическое поведение разнолигандных

комплексов меди(Н) в системе Cu(Gly)2 - Hist".............................................124

3.3.Синтез комплексных соединений меди(Н) с глицином и

гистидином и их некоторые физико-химические свойства.........................144

3.3.1 .Синтез комплексных соединений меди(П) с глицином и гистидином... ...Т. ...............7...............................................................144

3.3.2. Рентгенофазовый анализ.....................................................................147

\

3.3.3. Кристаллооптический анализ..............................................................147

3.3.4. Термогравиметрический анализ..........................................................150

3.3.5. Изучение ИК-спектров поглощения...................................................154

Выводы..........................................................................................................160

Литература....................................................................................................162

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Abu - аминомасляная кислота Ala - аланин

Asp - аспарагиновая кислота

Aspn- аспарагин

Bipy - бипиридин

En -этилендиамин

Et2En - N, N'- диэтилендиамин

Glu - глутаминовая кислота

Glun - глутамин

Gly - глицин

Hist - гистидин

Im - имидазол

L -лиганд

Leu - лейцин

Lys - лизин

M - металл

Met - метионин

Norv - норвалин

Ох - оксалат

Phe - фенилаланин

Phen - 1, 10 - фенантролин

Pro - пролин

Ser - серии

Thr - треонин

Тгр - триптофан

Туг - тирозин

Val - в алии

ВВЕДЕНИЕ

Значение комплексных соединений во всех отраслях химии как прикладного, так и теоретического характера постоянно возрастает. Химия координационных соединений давно уже вышла за рамки одного из разделов неорганической или бионеорганической химии. В настоящее время почти все неорганические соединения можно рассматривать как координационные, что объясняет возрастающий интерес к исследованию комплексных соединений в растворах, их синтезу и изучению свойств и строения.

Одной из задач бионеорганической химии является изучение взаимодействия биометаллов с физиологически активными веществами с целью выяснения возможности образования биокомплексов, а также изучения состояния таких лигандов в биосистемах и, в общем, в живых организмах и объяснения механизма действия физиологически активных веществ.

Из всех биометаллов наиболее прочные комплексы с аминокислотами образует медь. [1] Несмотря на сравнительно небольшое содержание в биосистемах (в организме человека - 0.2г меди на 70кг веса [2]), медь играет огромную роль в жизнедеятельности организмов: активирует синтез гемоглобина, участвует в процессах клеточного дыхания, в синтезе белка, образовании костной ткани и пигмента кожных покровов. Ионы меди входят в состав медьсодержащих ферментов, а также участвуют в переносе электронов от одной молекулы к другой в процессе обмена веществ.В настоящее время уже установлено, что медь в живых и растительных организмах находится в виде комплексных соединений с различными типами биолигандов. [3]

Особый интерес вызывают разнолигандные комплексы, содержащие ионы биометаллов и биолиганды различной природы, так как данные системы являются важными моделями металлофермент-субстратных комплексов и различных редокс-процессов, протекающих в живом организме. [4-7]

Из всех комплексов меди с аминокислотами, содержащихся в плазме крови, более 98 % приходится на комплексы меди с гистидином, основная часть которых присутствует в виде разнолигандных комплексов с другими аминокислотами.

Гистидин, или а-амино-0-имидазолилпропионовая кислота относится к гетероциклическим аминокйслотам. Это одна из незаменимых а-аминокислот, входящих в состав белка. В относительно небольших количествах гистидин присутствует в белках человека таких, как казеин, фибриноген, миазин, яичный белок. Он входит в состав активного центра ферментов - эстераз [8]. Гистидин является связующим звеном между белком глобином и гемином - порфириновой структурой в гемоглобине. В гемоглобине он присутствует в относительно больших количествах. Он входит также в состав мышечных белков[9].

Гистидин - единственная аминокислота, встречающаяся в белках и имеющая в своем составе имидазольный цикл, который выступает в качестве лиганда по отношению к ионам переходных металлов в различных биохимически важных молекулах, включая комплексы меди, витамин Вп и его производные, некоторые металлопротеины. Гистидин относится к незаменимым для животных аминокислотам, так как животные неспособны осуществить синтез ядра имидазола. Однако, взрослый человек может обходиться без доставки ему гистидина с пищей.

Все найденные в белках аминокислоты принято делить на две категории: постоянно встречающиеся в белках и иногда встречающиеся в белках. Постоянно встречающихся аминокислот в белках насчитывается 19, среди них находится и глицин, простейшая а-аминокислота. Глицин (а -аминоуксусная кислота) содержится в миоглобине (5,85%) и гемоглобине (5,60%) лошади , в пепсине (6,4%), яичном альбумине(3,05%).

Актуальность изучения разнолигандных комплексов не ограничивается применением данных систем при исследовании процессов в живых организмах. Эти соединения используются также во многих чувствительных и избирательных методах анализа. При образовании разнолигандных комплексов более ярко проявляется индивидуальность элементов, что открывает перспективы повышения избирательности и чувствительности реакций отделения, определения и концентрирования компонентов.

Значение разнолигандных комплексов для аналитической химии обусловлено их большим разнообразием, так как это наиболее вероятная форма существования ионов в растворе.[10-12] Изучение этих комплексов позволяет получить информацию о промежуточных и конечных формах комплексных соединений и, таким образом, более полно представить механизм и кинетику аналитических реакций.[13,14]

Возросшая актуальность задач оздоровления биосферы, мониторинга и подготовки перспективных экологических прогнозов и рекомендаций вызывает необходимость широкого исследования термодинамических, кинетических и электрохимических характеристик разнолигандных комплексов, закономерностей и условий их образования при разработке и реализации соответствующих программ и мер по профилактике или ликвидации экологических катастроф.

Хорошие перспективы имеются для применения разнолигандных комплексов в медицине, что убедительно доказывают достигнутые результаты при лечении опухолевых заболеваний, воспалительных процессов, анемии, гипоксии и др. и использовании комплексов для диагностики многих заболеваний. При этом направленное конструирование внутренней координационной сферы и введение в состав комплекса двух, трех и более полезных компонентов, синтез комплексов с заданными физико-химическими и физическими параметрами делают возможным получение высокоэффективных, высокоспецифичных терапевтических препаратов и средств диагностики для медицины, а также ветеринарии,

Эти же подходы могут быть использованы и для получения высокоэффективных экологически безопасных препаратов для защиты растений, регуляторов роста, удобрений.

В настоящее время уже доказана антивоспалительная активность хелатов меди(П)[15,16], рассматривается возможность использования разнолигандного комплекса меди(И) с гистидином и аминосульфоновой кислотой при лечении ревматоидного артрита [17], а также получен новый противоопухолевый препарат Си-2 - комплекс меди(И) с двумя аминокислотными остатками [18]. Таким образом, в связи с высокой биологической активностью исследование координационных соединений меди(П) с аминокислотами представляет интерес для решения проблем бионеорганической химии и медицины [19].

Целью настоящей работы являлось изучение особенностей образования разнолигандных глицин-гистидиновых комплексов меди(П) и соответствующих аналитичесих сигналов на переменнотоковых полярограммах и спектрах поглощения растворов меди(И) и расчет на их основе состава и констант образования ее комплексных соединений.

Для достижения поставленной задачи необходимо было: -выбрать оптимальные условия для изучения комплексообразования меди(Н) с глицином и гистидином методами переменнотоковой полярографии и спектрофотометрии (в УФ-области спектра);

-изучить структуру переменнотоковых полярограмм и спектров поглощения растворов меди(П) в присутствии глицина или гистидина в широком интервале мольного отношения реагирующих компонентов при исследовании образования комплексных соединений;

-изучить структуру переменнотоковых полярограмм и спектров поглощения растворов комплексных соединений меди(Н) с глицином или гистидином СиЬ+ и СиЬ2 в присутствии второго лиганда;

-выбрать на переменнотоковых полярограммах и спектрах поглощения характеристики аналитических сигналов, пригодные для установления состава и расчета констант образования комплексных соединений меди(П);

-провести анализ кривых аналитический сигнал - мольное отношение реагирующих компонентов для определения состава комплексных соединений меди(Н), вывести уравнения и рассчитать константы образования комплексных соединений;

-синтезировать разнолигандные комплексные соединения меди(И) с глицином и гистидином и изучить их физико-химические свойства. Научная новизна работы состоит в следующем: -впервые показано, что образование бинарных комплексов меди(Н) с глицином, гистидином или разнолигандных комплексов на их основе приводит к изменению числа электрохимических стадий восстановления меди(П) и их степени обратимости, фиксируемых методом переменнотоковой полярографии;

-установлено, что высоты появившегося на полярограмме нового переменнотокового полярографического пика или последнего двухэлектронного пика электровосстановления меди(П) можно использовать для определения состава ее комплексов и расчета констант образования;

-методами переменнотоковой полярографии и спектрофотометрии установлено образование кроме ранее известных моно-, ди- и трилигандных комплексов меди(П) с глицином и гистидином новых соединений, содержащих 4-6 молекул лигандов;

-методами переменнотоковой полярографии и спектрофотометрии показано образование в водных растворах систем: CuGly+ - Hist", CuHist+-Gly", Cu(Gly")2 - ffist", Cu(Hist")2 - Gly" разнолигандных комплексов состава Cu(Gly")n(Hist")m2"(n+m) и Cu(Hist")n(Gly")m2"(n+m) при п=1, m=l, 2, 3, 4 и при n=2, т=1, 2, в которых лиганды могут изменять свою дентатность;

-установлено, что в системах Cu(Gly")n - Hist" (п=1,2) при 30-40-кратном избытке гистидина происходит вытеснение глицина из координационной сферы промежуточных разнолигандных комплексов Cu(Gly")(Hist")43" и Cu(Gly-)2(Hist")22- с образованием гексагистидинового комплексного соединения меди(П);

-определены величины ступенчатых констант образования ранее неизвестных разнолигандных глицин-гистидиновых комплексов меди(П) на основе данных переменнотоковой полярографии и спектрофотометрии;

-проведен синтез и изучены некоторые физико-химические свойства новых глицин-гистидиновых комплексов меди(И) состава CuGlyHist4H20. Na[CuGly2Hist] ЗН20 и Na[CuGlyHist2] ЗН20 Методами химического, рентгенофазового, кристаллооптического, термогравиметрического, ИК-спектроскопического анализов проведена их идентификация.

Практическая значимость работы. Показано, что в качестве аналитического сигнала при определении состава комплексных соединений меди(Н) и расчете их констант образования могут быть использованы высоты первого пика, соответствующего одноэлектронному восстановлению ионов меди(Н) или последнего на полярограмме пика, характеризующего один и тот же электродный процесс восстановления меди(Н) с неизменным числом электронов, равным двум. При переходе от одного состава комплексного соединения меди(И) к другому меняется обратимость электродного процесса, что приводит к заметному изменению высоты пика.

Положения, выносимые на защиту:

-использование зависимости высот первого или последнего на полярограмме переменнотоковых пиков, соответствующих одно- или двухэлектронному неизменным процессам восстановления меди(Н), от концентрации полярографически неактивного лиганда (глицина, гистидина) для определения состава и ступенчатых констант образования комплексов;

-использование оптической плотности при постоянной длине волны спектра поглощения растворов реагирующих компонентов (Си(01у")п - Н^Г и Си(Н1БГ)п - С1у") для определения состава и ступенчатых констант образования разнолигандных глицин-гистидиновых комплексов меди(И);

-использование зависимости высот первого или последнего на полярограмме переменнотоковых пиков акваионов меди(П) и оптической плотности растворов при постоянной длине волны от концентрации глицина или гистидина для доказательства изменения дентатности указанных лигандов;

-условия образования разнолигандных комплексов меди(П) с глицином и гистидином;

-выведенные уравнения и рассчитанные на их основе величины ступенчатых констант образования разнолигандных глицин-гистидиновых комплексов меди(И) по данным переменнотоковой полярографии и УФ-спектрофотометрии;

-состав и физико-химические свойства синтезированных разнолигандных глицин-гистидиновых комплексов меди(П).

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Гистидин и глицин в качестве лигандов

Гистидин и глицин наряду с другими аминокислотами являются важнейшими биологическими объектами, входящими в состав белков. Огромное влияние на химическое поведение гистидинового фрагмента в протеинах и энзимах оказывает присутствие имидазольного остатка, способного выступать в качестве донора и акцептора протона в области биологических значений рН ~7.[20]

При физиологических значениях рН имидазольное кольцо гистидина может существовать в нейтральной и протонированной формах. Имидазольный остаток содержит два атома азота, один из которых а-Ых (пирролоподобный) связан с тремя атомами, находящимися практически в одной плоскости. Пирролоподобный атом азота отдает два электрона делокализованной п - орбитальной системе гетероароматического кольца. Другой - (пиридиноподобный) связан с двумя атомами, этот атом отдает только один электрон делокализованной я - системе и имеет одну неподелённую электронную пару. Таким образом, молекула гистидина может существовать в двух таутомерных формах:

С целью выяснения вклада таутомерных форм гистидина при различных значениях рН проведено значительное число исследований методами ЯМР ]Н [21-23], 13С [24,25], [26,27] и 15Ы [28-30].

Было установлено [24, 28], что в растворе с рН 6.2-9.3 молекулы гистидина находятся преимущественно