Новые подходы к молекулярному дизайну органических аналитических реагентов и расчету строения координационных соединений. Применение комплексообразования "гость-хозяин" в аналитической химии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Плетнев Игорь Владимирович

Новые подходы к молекулярному дизайну органических аналитических реагентов и расчету строения координационных соединений. Применение комплексообразования «гость-хозяин» в аналитической химии

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора химических наук

02.00.02 - Аналитическая химия 02.00.01 - Неорганическая химия

Москва - 2005

Работа вьшолнена на кафедре аналитической химии Химического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор

Петрухин Олег Митрофанович

доктор химических наук, профессор

Петров Сергей Иосифович

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Кузьмина Наталья Петровна

Ведущая организация: Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН

Защита состоится 19 мая 2005 г. в 16 ч. 15 мин. в ауд. 344 на заседании диссертационного совета Д.501.001.88 по химическим наукам при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, Химический факультет.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ. '

Диссертация в виде научного доклада разослана апреля 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат химических наук

¿я/.

Торочешникова И. И.

Общая характеристика работы*

Органические аналитические реагенты - важнейший инструмент химиков с начала прошлого века. Несмотря на развитие современных приборных методов анализа, роль реагентов не уменьшается - они просто образуют химическую «подкладку» новых методов, своего рода chemware (по аналогии с hardware и software). Соответственно не снижается и интерес к теории действия и молекулярному дизайну новых органических реагентов; в этой области аналитическая химия непосредственно смыкается с координационной и структурной химией.

Теория действия органических реагентов и практические рекомендации по их применению составляют большой, хорошо устоявшийся раздел аналитической химии, в значительной мере разработанный усилиями отечественных ученых (Л. А. Чугаев, Л. М. Кульберг, В. И. Кузнецов, С. Б. Саввин, Ю. А. Золотое и многие другие). Следует, однако, сделать два замечания. Во-первых, речь идет в основном о комплексообразующих реагентах на ионы металлов. Комплексообразующие реагенты на органические ионы или молекулы гораздо менее распространены. Между тем комплексообразование (в данном случае это так называемое комплексообразование "гость-хозяин") и здесь сулит значительные аналитические достоинства: взаимодействие, протекающее без образования/разрыва ковалентных связей, возникающее благодаря водородным связям, ион-дипольным и т.п. взаимодействиям, должно происходить быстро, обратимо, в мягких условиях. Подбор реагента-"хозяина", комплементарного определяемому соединению-"гостю", может обеспечить высокую селективность связывания, а значит, и анализа.

Во-вторых, даже в случае комплексообразующих реагентов на ионы металлов наши 'теоретические представления далеки от завершенности. Создание реагента на заданный ион —'по-прежнему отнюдь не тривиальная

*Работа выполнена в рамках научной школы академика Ю. А. Золотова, которому автор глубоко признателен.

задача, особенно если предъявляются специальные требования по части, например, селективности или свойств образующегося комплекса.

Указанные проблемы актуальны и для аналитической химии, и для координационной, и для смежных областей (достаточно упомянуть, например, современные задачи создания металлокомплексных медицинских препаратов).

Соответственно, цель данной работы была двоякой и состояла в том,

чтобы:

в области аналитических реагентов на ионы металлов: разработать методы и подходы управления селективностью и эффективностью комплексообразования; разработать теоретические инструменты молекулярного дизайна реагентов и комплексов с заданными свойствами;

в области реагентов на органические соединения: провести поиск и опробование новых классов аналитических реагентов, образующих комплексы "гость-хозяин" с определяемыми веществами; установить закономерности связывания и, в разнообразных конкретных случаях, прояснить связь строения реагентов с аналитическими характеристиками; разработать соответствующие методики анализа.

Научная новизна работы определяется следующими положениями. Разработан ряд теоретических инструментов, помогающих прогнозировать возможность выделения и определения ионов металлов с органическими реагентами, проводить молекулярный дизайн реагентов и комплексов.

В частности:

Построена топологическая классификация пояидентатных компчексообразующих реагентов. Исследована совместимость возможных топологических схем с характерными координационными полиэдрами (до восьми вершин). Показана возможность использования топологического анализа в задачах молекулярного дизайна. Предложен подход к теоретическому конформационному анализу полихечатных координационных соединений, основанный на анализе конформационных возможностей отдельных хелатных циклов и их

"сшивки" на шаблоне - координационном полиэдре центрального атома. Его применение во многих случаях позволяет анализировать/предсказывать основные черты стереохимии комплексов без каких-либо расчетов. В качестве примера выполнен молекулярный дизайн макроцикла, фиксирующего заданную координационную геометрию; впоследствии зарубежными коллегами , независимо синтезированы аналоги данного реагента и проведен структурный анализ их комплексов, полностью подтвердивший предсказания. Предложен новый вариант метода молекулярной механцки для расчета геометрии и энергии координационных соединений, основанный на использовании модели Гиллеспи-Киперта для описания строения координационного окружения центрального атома. Предложен метод баланса сил на атомах для определения расчетных параметров. Определены параметры и рассчитаны сотни структур координационных соединений переходных (железо, никель, кобальт, хром) и послепереходных (цинк, кадмий) элементов, лантанидов и бора с реагентами, содержащими аминные, пиридильные, карбоксилатные, дикетонатаые и гидроксильные лигандные группы. Результаты расчетов использованы для анализа строения и устойчивости комплексов полидентатных реагентов.

Предложены "смешанные" (по лигандным группам) сорбенты с регулируемой селективностью по отношению к ионам металлов. Возможность регулирования - вплоть до полного обращения - рядов селективности доказана на ряде примеров.

Построена эмпирическая классификация, катионов металлов по их комтексообразующей способности (по выборке 15606 значений для комплексов 24 катионов металлов и протона с 3960 реагентами). Определены группы «родственных» катионов. Полученная классификация дополняет и корректирует схему ЖМКО Пирсона применительно к ионам металлов, что иллюстирируется рядом практических примеров.

Систематически исследованы возможности применения

комплексообразования «гость-хозяин» для выделения и определения органических соединений В частности:

Краун-эфиры и азамакроциклы использованы для связывания, извлечения и определения аминов и аминокислот, а также родственных соединений. Установлено, что замещение части атомов кислорода реагента на атомы азота позволяет повысить селективность связывания/определения. Показано, что при экстракционном выделении аминокислот перспективно применение нового класса органических растворителей - ионных жидкостей.

Для связывания и извлечения органических соединений использованы каликсарены. Разработан ряд способов определения соответствующих соединений. Фосфорилсодержащие поданды применены как экстрагенты и ионофоры для аминосодержащих соединений. Показано, что во многих случаях они не уступают макроциклам по экстракционной и ионофорной способности. Поданды-триподы (гидрофобные амины с

фосфиноксидными функциональными заместителями) использованы как ионофоры в мембранных электродах для определения анионов органических кислот.

Комплексы металлов применены как реагенты для связывания и определения аминов, аминосодержащих соединений и органических кислот В этом качестве предложено использовать металлокомплексы простых бидентатных лигандов -дикетоны, гидроксамовые кислоты), комплексы подандов и фталоцианаты металлов. Разработан ряд ионселективных электродов на соответствующие соединения. Борсодержащие реагенты использованы как экстрагенты, ионофоры и компоненты мембранных электродов для выделения и определения гидроксилсодержащих органических соединений (катехоламины, фенолокислоты и др.). Показана возможность экстракции аминокислот производными фенилборной кислоты.

Практическая значимость работы определяется следующим.

Предложен ряд теоретических инструментов, помогающих прогнозировать возможность выделения и определения ионов металлов с органическими реагентами, проводить молекулярный дизайн реагентов и комплексов (классификация ионов металлов по их комплексообразуюшим свойствам; теоретическое, методическое и программное обеспечение для конформационного анализа координационных соединений методом молекулярной механики, пригодное для практически важного случая комплексов с заметно искаженными координационными полиэдрами; расчетные параметры для широкого круга ионов-комплексообразователей и реагентов).

Предложены сорбенты смешанного по лигандным группам состава для динамического концентрирования ионов металлов.

При использовании нового класса органических растворителей - ионных жидкостей - достигнута количественная экстракция аминокислот с краун-эфиром дициклогексил-18-краун-6 Разработана методика экстракционного выделения аминокислот, показана возможность их определения в технологическом объекте - нативном растворе микробиологического производства - и в некоторых лекарственных препаратах.

Разработан ряд ионселективных электродов, использующих комплексообразование «гость-хозяин», для определения широкого круга органических ионов/ионогенных соединений. Электроды отличаются простотой конструкции, обладают малым временем отклика, хорошей селективностью, стабильностью, функционируют в широком интервале рН Предложены электроды для определения:

первичных аминов и родственных соединений - на основе оксаазамакроциклов, каликсаренов и подандов (методики* определения метиловых эфиров фенилаланина и фенилглицина в модельных растворах биокаталитического синтеза аспартама и ампициллина, новокаина в ампульной и фармацевтической формах), катионных ПАВ (КПАВ) - на основе подандов и каликсаренов для определения (методики: прямого потенциометрического определения КПАВ алкилтриметиламмониевого и алкилпиридиниевого рядов, потенциометрического титрования гомологов КПАВ, определения

критической концентрации мицеллообразования, изучения взаимодействия водорастворимых полиэлектролитов с ПАВ); анионов органических кислот - на основе азареагентов и металлофталоцианатов (методики: определения анионных ПАВ в косметико-гигиенической продукции, изучения равновесий в системе полиэлектролит-ПАВ, определения салицилата в напитках и ацетилсалициловой кислоты в таблетках; в последнем случае определение можно выполнять без предварительного гидролиза ацетилсалициловой кислоты, что значительно сокращает время анализа);

катехоламинов и фенолокислот - на основе производных борной кислоты (методики: определения лекарственного препарата добутамина в плазме крови, катехоламинов в моче, кофейной и салициловой кислот в лекарственных препаратах).

Апробация работы

Материалы работы докладывались на III Всесоюзном совещании по химии и биохимии макроциклических соединений (Иваново, 1988); VI Всесоюзной и VII Всероссийской конференции "Органические реагенты в аналитической химии" (Москва, 1989 и Саратов, 1999); на XV (Одесса, 1990) и XIX (Лоренс, США, 1994) Международных симпозиумах по химии макроциклов; IX (Адлер, 1991), X (Уфа, 1993) Всесоюзных конференциях по экстракции; XI, XII и XIII Российских конференциях по экстракции (Москва, 1998, 2001, 2004); IV, V и VI Всероссийской конференциях по электрохимическим методам анализа ЭМА (Москва, 1994 и 1999; Уфа, 2004); Всероссийских конференциях по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика" (Краснодар, 1996,1998,2000); на Ломоносовских чтениях МГУ (Москва, 1993, 2000, 2002); VI Всесоюзной конференции по аналитической химии органических веществ (Москва, 1991 г.); Международном симпозиуме по экстракции органических соединений ISECOS-92 (Воронеж, 1992); Московском семинаре по аналитической химии (1992); XI Международном симпозиуме по химии гетероциклических соединений (Прага, 1993); Международной конференции по жидкостной экстракции ISEC93 (Йорк, Великобритания, 1993); симпозиуме "Проточный анализ-94" (Москва, 1994); Международной конференции EuгoSensoгs VIII (Тулуза, Франция, 1994); Международном

симпозиуме "Computer assistance to chemical research" (Москва, 1996); XVIII Чугаевском совещании по химии координационных соединений (Москва, 1996); 8-м Российско-Японском симпозиуме по аналитической химии (Саратов, 1996); 1 Международной конференции по нанотехнологии и высокоорганизованным химическим веществам (Санкт-Петербург, 1996); сессии Научного совета РАН по аналитической химии (Москва, 1996); Международном конгрессе по аналитической химии (Москва, 1997); Международном симпозиуме по жидкостной экстракции в нефтехимической промышленности и биотехнологии (Москва, 1998); Фоковской школе по квантовой и вычислительной химии (Новгород, 1999); симпозиуме "Молекулярная механика комплексов металлов" (219 сессия Американского химического общества, Сан-Франциско, США, 2000), Международной конференции Electroanalysis 2000 (Бонн, Германия, 2000); Всероссийской конференции "Химический анализ веществ и материалов" (Москва, 2000); Международном симпозиуме по методам разделения и концентрирования (Краснодар, 2002); Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003); 2-ой конференции по аналитической химии стран Черноморского бассейна (Стамбул, Турция, 2003).

За теоретические и экспериментальные работы, вошедшие в диссертацию, автору присуждена Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники за 2000 год («Краун - соединения в химии и технологии»; коллектив авторов).

Публикации по материалам работы включают 6 обзоров и глав в монографиях, 54 оригинальные статьи, 2 патента и многочисленные тезисы докладов.

Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в формировании направления, активном участии во всех этапах исследования, постановке и решении конкретных задач, анализе и обсуждении (в ряде случаев - получении) расчетных и экспериментальных данных, а также в непосредственном создании расчетных методов и программ.

Автор глубоко признателен руководителю научной школы, к которой принадлежит - академику Ю. А. Золотову; сотрудникам и соавторам - Н. В. Шведене, И. И. Торочешниковой, М. Ю. Немиловой, С. Г. Дмитриенко, Е. И. Моросановой, Н. А. Пасековой; аспирантам - Л. П. Бердниковой, Ю. Н. Бликовой, В. В. Зернову, Н. Н. Лейзерович, И. В. Лютиковой, В. Л. Мельникову,

9

И. А. Назаровой, Д. С. Откидачу, М. М. Разумову, Н. В. Семеновой, С. В. Смирновой, Т. В. Шишкановой - и дипломникам; химикам-синтетикам - А. А. Формановскому, В. Е. Баулину, В. В. Ковалеву, И. В. Михуре, Л. Г. Томиловой, Э. А. Шоковой; коллегам, помогавшим своими ценными обсуждениями, советами (и реактивами) и поддержкой: Л. А. Грибову, Е. В. Юртову, Б. Я. Спивакову, Л. К. Шпигун, О. М. Петрухину, Ю. М. Дедкову, Н. В. Бовину, М. М. Райхштату, Н. П. Кузьминой, А. Л. Чугрееву; В. М. Иванову, И. А. Ревельскому, О. А. Шпигуну, П. Н. Нестеренко, С. Н. Ланину, И. Ф. Долмановой, покойным Н. М. Кузьмину, А. М. Розену, Л. П. Быковой; всем сотрудникам кафедры аналитической химии МГУ; зарубежным коллегам - Д. Бушу, Р. Хэнкоку и Б. Хэю.

Также автор благодарен за поддержку Российскому фонду фундаментальных исследований (проекты 94-03-09856, 95-03-08881, 96-0333589, 98-07-90155, 99-03-32826, 01-07-90383, 02-03-32340) и Международному научному фонду (проекты МТ 7000, МТ 7300).

Положения, выносимые на защиту:

1. Топологическая классификация полидентатных реагентов; результаты анализа совместимости топологии реагента и координационного полиэдра при различной дентатности, схема применения топологической информации в задачах молекулярного дизайна.

2. Подход к теоретическому конформационному анализу полихелатных координационных соединений, основанный на анализе конформаций отдельных хелатных циклов и возможности их "сшивки" на координационном полиэдре центрального атома. Результаты применения подхода для анализа/предсказания стереохимии комплексов и молекулярного дизайна с независимым экспериментальным подтверждением.

3. Новый вариант метода молекулярной механики для расчета геометрии и энергии координационных соединений, основанный на использовании модели Гиллеспи-Киперта для описания строения координационной сферы.

4. Расчетные параметры и результаты применения метода молекулярной механики к координационным соединениям переходных (железо,

никель, кобальт, хром) и послепереходных (цинк, кадмий) элементов, лантанидов и бора с реагентами, содержащими аминные, пиридильные, карбоксилатные, дикетонатные и гидроксильные лигандные группы.

5 Теоретические основы создания и демонстрация возможностей "смешанных" ' сорбентов с регулируемой селективностью по отношению к ионам металлов.

6. Эмпирическая классификация катионов металлов по их комплексообразующей способности.

7. Результаты исследования краун-эфиров и азамакроциклов как реагентов для связывания, извлечения и определения аминов и аминокислот, а также родственных соединений; данные о связи строения реагентов с селективностью и эффективностью связывания; методики определения соответствующих соединений (экстракция в сочетании с различными методами определения, ионселективные электроды).

8. Результаты применения нового класса органических растворителей -ионных жидкостей - для экстракционного выделения аминокислот.

9. Результаты исследования фосфорилсодержащих подандов и. каликсаренов как экстрагентов и ионофоров по отношению к аминосодержащим соединениям (амины, аминокислоты, гуанидиний, аммиакаты металлов); соответствующие методики анализа.

10. Результаты исследования металлокомплексов как реагентов для связывания и определения аминов и анионов органических кислот. Данные о возможности использования в этом качестве комплексов бидентатных лигандов (дикетоны, гидроксамовые кислоты) и подандов, фталоцианатов металлов,

11. Результаты исследования борсодержащих соединений (арилборные кислоты, соединения борной кислоты с гидроксамовыми кислотами) как экстрагентов и ионофоров на катехоламины и другие гидроксилсодержащие соединения.

Часть I. Новые подходы к молекулярному дизайну органических реагентов и расчету строения координационных соединений

Цель данной части работы состояла в том, чтобы разработать методы и подходы к управлению селективностью и эффективностью комплексообразования; предложить теоретические инструменты молекулярного дизайна реагентов и комплексов с заданными свойствами.

При этом основное внимание уделялось стереохимии комплексообразования. Во многом это объясняется тем интересом, который к моменту начала работы (середина 80-х гг.) привлекли к себе макроциклические и другие предорганизованные, стереохимически жесткие реагенты. До этого координационная и особенно аналитическая химия в основном имели дело с относительно простыми моно- и бидентатными реагентами, свойства которых в первую очередь определяются характеристиками донорных атомов (даже комплексоны и подобные им открытоцепочечные реагенты вряд ли дают много исключений). Лишь появление краун-эфиров дало толчок к формулированию общих концепций предорганизации и структурного соответствия, а затем и к повсеместному распространению стереохимического взгляда на картину комплексообразования (в этом смысле краун-эфиры сыграли для координационной химии ту же роль, что циклоалканы для органической химии, а углеводы - для биохимии).

Знаменитый принцип структурного соответствия утверждает, что наиболее устойчивые комплексы образуются, когда размеры полости макроцикла и иона металла близки. Оставляя в стороне вопрос о справедливости и универсальности этого принципа (он подробно обсуждался многими исследователями, в том числе и автором - в написанной им главе в книге "Macrocyclic compounds in analytical chemistry"), отметим как несомненный факт то, что селективность макроциклов невозможно понять, не рассматривая стереохимию реагентов и комплексов. Распространение структурно усложненных, стереохимически жестких реагентов позволило поставить (или обострить) задачу теоретического анализа их стереохимических возможностей и молекулярного дизайна новых реагентов и комплексов с заданными свойствами.

Топология полидентатных реагентов и комплексообразующие свойства

Еще до стереохимического анализа имеет смысл остановиться на топологическом аспекте взаимодействия металлов с полидентатными реагентами. Топология, т. е. (в данном контексте) молекулярная схема связности полидентатного реагента жестко детерминирует его координационные свойства. Общие концепции хелатного и макроциклического эффекта естественным образом интерпретируются в терминах возрастающих топологических ограничений координационных возможностей лигандов. Ряд аспектов селективности также можно рассматривать с чисто топологической точки зрения. Так, распространенные триаза- (триокса- и т.п.) макроциклы неспособны давать плоско-квадратные или /яег-октаэдрические комплексы по чисто топологическим причинам (невозможно "надеть" реагент на полиэдр так, чтобы соседние гетероатомы первого оказались в соседних вершинах последнего).

В, связи с этим возникают два общих вопроса:

- сколько топологические схем и какие именно возможны для полидентатного реагента заданной дентатности?

- совместимы ли те или иные топологические схемы с координационными полиэдрами разной топологии? Если да, то сколько при координации возникает изомеров и какие именно?

Ясно, что ответ на эти вопросы (а они очевидны только в простейших ситуациях) позволяет грубым, но общим образом обрисовать координационно-стереохимические свойства разных реагентов.

Возможные топологические схемы. Мы генерировали топологические схемы реагентов ,заданной дентатности, от три- до октадентатных, основываясь на алгоритмах комбинаторного анализа и теории графов. Основные результаты суммирует следующая табл. 1 (здесь и ниже - цифры являются оценками снизу, поскольку получены в предположении об одинаковости сортов донорных атомов и мостиков между ними).

Таблица 1

Число топологически различных 4-8-дентатных реагентов

Число топологически различных реагентов Дентатность

4 5 6 7 8

Всего 6 10 29 64 194

Нециклические 2 2 4 6 И

Содержащие циклы 4 8 25 58 183

макс, размера:

3-членные 1 2 5 9 20

4-членные 3 3 6 12 33

5-членные 3 5 11 26

6-членные - 9 14 35

7-членные - - 12 37

8-членные - - - 32

Совместимость с координационными полиэдрами разных видов и изомерия. Топологически различимые реагенты проверяли на совместимость с типичными координационными полиэдрами. Рассматривались: тетраэдр и квадрат, п=4; квадратная пирамида и тригональная бипирамида, п=5; октаэдр и тригональная призма, п=6; пентагональная бипирамида, п=7; квадратная антипризма, двухшапочная тригональна призма и тригональный додекаэдр, и=8. Соответствующий формализм основан на анализе групп перестановок лигандного набора и вершин полиэдра (разработали и использовали соответствующее программное обеспечение).

Для каждого топологически различимого реагента получено число изомеров, возможных при данном способе координации, и сгенерированы сами изомерные структуры. В качестве примера на рис. 1 даны топологические схемы гексадентатных реагентов и число изомеров, возникающих при их октаэдрической и тригонапьйо-призматической координации (такая же картинка для октадентатных молекул занимает не один лист). Такого рода "карты" могут использоваться при решении конкретных задач молекулярного дизайна.

Рис. 1. Топологические схемы гексадентатных реагентов и их совместимость с октаэдрической и тригонально-призматической координацией (показано число изомеров для этих способов координации). Кружки обозначают донорные атомы реагента, линии - мостики между ними.

Полуколичественный анализ стереохимии комплексов: конформационные возможности хелатных циклов и их «сшивка»

Топологический анализ позволяет оценить, совместим ли данный реагент с данным полиэдром в принципе, и если да - то какие изомеры при этом возникают. Ответ на эти вопросы неочевиден и важен в случае высоких координационных чисел и высокой дентатности реагента; в более простых случаях он полезен хотя бы в целях классификации. Однако качественное рассмотрение ничего не говорит о примерной выгодности разных изомеров или о - даже грубых - деталях их структуры.

Один из наиболее эвристичных, на наш взгляд, подходов к полуколичественному стереохимическому анализу и молекулярному дизайну связан с учетом закономерностей в стереохимии отдельных хелатных циклов и их взаимного влияния.

Хорошо известны предпочтительные конформации многих хелатных циклов. Так, для чрезвычайно распространенного этилендиаминового цикла оптимальна симметричная гош-форма (возможны две хиральности): для триметилендиаминового цикла возможные конформации повторяют известные для циклогексана и т.д.

Удобно рассматривать определяющие конформацию цикла углы вращения вокруг связей гетероатом - металл (в нашей терминологии - ведущие торсионные углы) и соответствующие Ньюменовские проекции. Оптимальной гош-форме этилендиаминового хелатного цикла отвечает пара значений ведущих углов около 15° (что означает отклонение атомов углерода на

м м

одинаковую величину по разные стороны плоскости К-М-К): Форму кресла триметилендиаминового хелатного цикла характеризуют ведущие углы по «45° разного знака и т.д.

В полихелатной конструкции конформации отдельных циклов должны сшиваться (по общим связям) в цельную структуру. Естественно, при этом конформации отдельных циклов становятся взаимозависимыми (эффект

«зацепления») и могут искажаться, например, для этилендиаминового цикла - в сторону энергетически менее выгодного «конверта». Существенно, однако, что искажение идеальной формы хелатного цикла (вдоль пути псевдовращения соответствующего конформационного семейства) протекает предсказуемо и имеет место достаточно четкая зависимость между парой ведущих торсионных углов цикла. На рис. 2 это показано для пары ведущих углов этилендиаминового хелатного цикла.

Рис, 2. Взаимосвязь ведущих углов этилендиаминового хелатного цикла, (ср,*С; график построен по данным для более чем 13000 индивидуальных циклов в структурах из Кембриджского банка).

Показанная зависимость построена по экспериментальным данным. Достаточно очевидно, что ее можно найти и расчетным путем, методом молекулярной механики: такие расчеты для хелатных циклов выполняли и мы, и другие исследователи.

Очевидно, что наиболее выгодная структура комплекса содержит масимально возможное число хелатных циклов в оптимальных конформациях. Возможность реализации такой структуры - и, если она невозможна, других структур - зависит в первую очередь от возможности "сшить" все хелатные циклы вместе по общим ребрам (координационным связям). Последняя, в свою очередь, определяется конформациями соседних хелатных циклов и

характерной торсионной структурой координационных связей (т.е. стереохимической конфигурацией донорных атомов - тетраэдрической, плоской тригональной и т.д.).

В результате, зная только конформации отдельных циклов и пути их искажения, схему связности реагента и стереохимию координационного полиэдра, можно проанализировать варианты зацепления/искажения конформаций, т. е. определить основные черты всей структуры комплекса (с точностью до изомеров). Можно сказать, на каких полиэдрах удастся «собрать» комплекс данного реагента, а на каких — нет (селективность); можно и сконструировать реагент, предназначенный для конкретного полиэдра.

Такой простейший анализ позволяет определить возможные конформации координированного реагента в комплексах с различной координационной геометрией и даже грубо ранжировать их по стерической напряженности, что показано нами на ряде примеров.

Так, мы проанализировали строение шестикоординационных бис-комплексов триазациклононана и показали, что оно полностью определяется стремлением всех хелатных циклов принять оптимальную конформацию и условием «сшивки» всех циклов на октаэдрическом шаблоне в цельную структуру. Удалось также «вслепую» предсказать основные черты строения комплексов трис-пендантных производных триазациклононана, которые полностью согласуются со структурным экспериментом (здесь и ниже имеется в виду согласие предсказанных и экспериментальных значений ведущих торсионных углов хелатных циклов; разумеется, в части передачи строения удаленных от координационного узла фрагментов молекулы анализ малоинформативен).

Практически гораздо более интересна обратная задача - найти такое сочетание хелатных циклов, которое стабилизирует данную координационную геометрию - то есть сконструировать реагент с заданной стереохимией комплексообразования.

В качестве примера молекулярного дизайна, основанного на «сшивке» хелатных циклов, мы сконструировали (на бумаге) реагент I, фиксирующий бисфеноидальную координационную геометрию («качели» - фрагмент цис-октаэдрической, квадратно-пирамидальной или искаженной тригонально-бипирамидальной координации) и не допускающий квадратной.

18

СП

и

п

I

В бисфеноидальном комплексе этого реагента все хелатные циклы должны принимать оптимальные конформации, гош- для 5-членных и кресла для 6-членных.

Эта работа была нами опубликована в 1988 г. Существенно позже зарубежные коллеги синтезировали такой реагент (точнее, его аналоги - по причинам удобства синтеза два азота макроцикла, не связанные мостиком, несут заместители), а затем и получили комплексы с различными ионами металлов и выполнили рентгеноструктурный анализ (1996-1999 гг.).

Прогноз полностью подтвердился - во всех шести известных структурах реагент обеспечивает бисфеноидальную координацию, причем значения ведущих торсионных углов, т.е. строение отдельных хелатных циклов, весьма близки к предсказанным. В качестве примера на рис. 3 показана структура [Си(Вг12-1)С1]+.

Мег-1

Ме8-1

вг12-1

Рис. 3. Структура комплекса по рентгеноструктурным данным

[G.R.Weisman, E.H.Wong, D.CHill, M.E.Rogers, D.P.Reed, J.C.Calabrese. Chem.Commun., 1996,947]. Четыре атома азота занимают вершины бисфеноида. Возле атомов углерода проставлены экспериментальные (в скобках -предсказанные) значения ведущих торсионных углов хелатных циклов.

Интересен комплекс палладия(И) - хорошо известно, что этот металл склонен к квадратной координации, которую реагент должен запрещать. Оказывается, что комплекс - квадратно-пирамидальный, причем базовый квадрат

образован не четырьмя азотами макроцикла - они как раз расположены по вершинам бисфеноида!

Отметим - как достоинство - что молекулярный дизайн, по-существу, не использовал никаких расчетных методов; лишь итоговую структуру проверяли на отсутствие неблагоприятных стерических контактов.

Коротко приведем еще один пример молекулярного дизайна, для которого пока нет экспериментальной проверки. Речь идет о создании реагентов, пригодных для связывания иона трехвалентного гадолиния с последующим применением комплекса как контрастного агента в ЯМР-томографии (Magnetic Resonance Imsging, MRI). Анализ литературы показывает, что искомый реагент должен: 1) включать циклическую платформу (предорганизация); 2) бьпь октадентатным (заполнить координационную сферу металла, оставив место ровно для одной молекулы воды - необходимой для ЯМР-применения); 3) содержать точно три анионогенных группы, чтобы скомпенсировать заряд металла (гиперосмолярность); 4) иметь этиленовые мостики между донорными центрами (5-членные хелатные циклы, сродство к иону большого размера; селективность Gd/Ca, Gd/Zn); 5) обеспечивать топологию и стереохимию, подходящие для образования квадратно-антипризматических комплексов (как в комплексах наилучшего из уже известных реагентов, К,Ы',Ы",>Г-тетракарбрксиметилтетраазациклододекана, DOTA; это стабильный 8-координационный полиэдр, легко достраивающийся до одношапочной квадратной антипризмы, что дает возможность внутрисферной координации одной молекулы воды). По практическим соображениям, реагент должен принадлежать к классу комплексонатов, т.е. быть построен "из этилендиамина и глицина".

Топологический анализ показал, что существует 27 топологически различных октадентатных реагентов, удовлетворяющих названным требованиям; из них 1 несовместим с квадратно-антипризматической координацией (любопытно, что из оставшихся 26 только три ранее тестировались в связи с задачей MRI) Анализ "сшивания" хелатных колец показал, что далеко не все реагенты подходят для квадратно-антипризматической координации стереохимически (так, непригоден любой реагент, содержащий фрагмент

триазациклононана); для некоторых же реагентов - включая и DOTA, как и должно быть - «сшивка» возможна

Кстати, комплексы DOTA с известной, из эксперимента структурой позволили провести очередную проверку справедливости анализа сшивки хелатных циклов) Предсказанные анализом значения ведущих торсионных углов в этилендиаминовых циклах

составляют 15°, в глициновых - 30°. Экспериментальные значения (РСА, среднее по пяти структурам) -14 6° и 26 7°, соответственно

После предварительной оценки отсутствия невыгодных межатомных контактов в комплексах методом молекулярной механики выделен один кандидат

Количественный анализ стереохимии комплексов:

метод молекулярной механики на основе модели Гиллеспи-Киперта

, Качественный и полуколичественный стерехимический анализ и молекулярный дизайн реагентов/комплексов должны дополняться количественными расчетами. На наш взгляд, одним из наилучших (по соотношению эффективностьхтоимость) для координационных соединений расчетным методом является метод молекулярной механики, ММ.

Метод рассматривает молекулу как классическую механическую систему, состоящую из взаимодействующих между собой атомов, причем потенциалы взаимодействий переносимы от молекулы к молекуле. Эти потенциалы определяют выгодность тех или иных конформаций. Параметры потенциалов подбирают эмпирически, чтобы наилучшим образом передать геометрию (в ряде случаев и энергию) широкой выборки экспериментальных структур.

В рамках обычного подхода считают, что в потенциальную энергию вносят вклад: сжатие/растяжение связей, деформация валентных углов, вращение вокруг связей, взаимодействия валентно несвязанных атомов, неплоские деформации для сопряженных систем. Общая конформационная

энергия (энергия напряжения) молекулы складывается из суммы энергий всех таких взаимодействий:

Е = ХЕь + 2£а + S£t + + Ümp

Для нахождения наиболее выгодных конформаций используют программу нахождения минимума энергии Е, оптимизируя геометрические параметры молекулы.

Первоначально метод был предназначался для расчетов строения и энергии простых органических соединений, особенно углеводородов. К настоящему времени он стал стандартным средством конформационного анализа органических молекул и биополимеров; разработан ряд наборов параметров (силовых полей) общего назначения, тестированных на огромном количестве молекул.

В последние десятилетия метод ММ все шире используется и для анализа строения и устойчивости комплексов металлов, влияния стерического фактора на комплексообразование аналитических реагентов. Если к началу наших работ (середина 1980-х гг.) молекулярной механике комплексов металлов был посвящен один обзор и несколько десятков публикаций (в кандидатской диссертации автора цитировано около 40), то сегодня имеется ряд книг и обзоров, несколько сот журнальных статей. В 2001 г. вышел специальный выпуск журнала Coordination Chemistry Reviews, целиком посвященный ММ координационных соединений. В 2000 г. состоялся первый симпозиум по молекулярной механике комплексов металлов (автор был приглашен на него с докладом), в 2005 г. состоится второй.

Это не означает отсутствия проблем, связанных прежде всего со спецификой координационных соединений. Главные трудности вызывает описание строения координационной сферы, часто представляющее наибольший интерес. Если органический конформационный анализ имеет дело со сравнительно небольшим числом типов атомов, стереохимия которых достаточно жестко детерминирована (например, углерод в состояниях гибридизации sp3, sp2, sp; тетраэдрический и тригональный азот и т.п.), то в координационной химии многообразие и атомов, и их стереохимических характеристик куда больше.

Тем не менее до недавнего времени для координационных соединений использовали стандартный подход В его рамках предполагают наличие у металла определенной «идеальной» координационной геометрии (тетраэдр, октаэдр, квадрат и т.п) и соответствующих "идеальных" значений углов (109.5° в тетраэдре, 90° и 180° в октаэдре и квадрате и т.п.). Отклонения от идеала, как принято в методе ММ, описывают квадратичными потенциальными функциями

Этот подход стал традиционным в применении ММ к координационным соединениям и привел к определенным успехам (он применялся и нами на первом этапе работы для анализа селективности макроциклических реагентов) Однако и анализ литературы, и собственный опыт показывали, что обычный метод ММ хорошо пригоден лишь для узкого круга комплексов ионов металлов с достаточно четко выраженной характерной координационной геометрией (например, октаэдрические комплексы Co(III), Ni(II) и т.п.) Для расчета же комплексов металлов со сравнительно искаженными координационными полиэдрами стандартный вариант плохо приспособлен. Принципиальные затруднения связаны как раз с учетом искажений координационного полиэдра. Лишь при небольших искажениях потенциальная поверхность удовлетворительно аппроксимируется в описанном выше приближении (валентное силовое поле + квадратичные потенциалы изменения длин связей и валентных углов). Тем более сложно описать реорганизации координационного полиэдра

Однако заметные искажения идеальных координационных полиэдров скорее правило, чем исключение во многих интересующих аналитиков и неоргаников комплексах. Так, реагенты класса 2,2'-бипиридила и 1,10-фенантролина (особенно алкилзамещенные), макроциклы, их производные обычно вызывают стерические затруднения в комплексах Собственно, эти стерические затруднения часто и обуславливают необходимую аналитикам селективность взаимодействия реагент-металл Многие проблемы собственно координационной химии также требуют умения правильно описывать энергию и геометрию комплексов с искаженными координационными полиэдрами.

Еще одна, на первый взгляд, техническая, проблема связана с необходимостью параметризации большого числа угловых термов в координационной сфере при кч. >6 (в соответствующих идеальных координационных полиэдрах много разнотипных валентных углов)

23

Наконец, в рамках обычного подхода невозможно описать комплексы металлов с разными координационными числами при помощи одного набора параметров (разные к.ч. - это и разные идеальные геометрии металла) - а при использовании разных наборов параметров теряется возможность корректного сопоставления результатов.

Таким образом, возможности классического варианта ММ недостаточны как раз в отношении наиболее практически важных и теоретически интересных систем и явлений. В рамках данной работы удалось в значительной степени исправить ситуацию.

• Разумеется, и другие исследователи, примерно с того же времени (середина 1980-х гг.) предпринимали ряд попыток модифицировать традиционную молекулярно-механическую схему. Почти всегда оставляли неизменным гармонический потенциал для деформации длин связей металл-лиганд (исключения см. ниже) и модифицировали угловую часть силового поля. Очевидное направление модификации вида потенциальных функций - замена гармонического потенциала на периодический или потенциал с двумя минимумами. Есть примеры использования этого приема, не приведшие, однако, к значительным успехам. Более популярный вариант модификации схемы ММ - ihmiimíí отказ от использования потенциала деформации валентных углов X-M-Y в пользу учета невалентных 1,3 взаимодействий атомов X и Y в координационной сфере при помощи обычных невалентных потенциалов. Это так называемая модель "точек на сфере" (points-on-a-sphere, POS) к настоящему времени широко распространилась. Однако эта модель уязвима для критики как с теоретических, так и практических позиций; в ряде случаев она должна приводить к принципиально неверным выводам (подробно соответствующие примеры рассматриваются в статьях автора).

Для решения проблемы мы предложили "встроить" в метод ММ модель "отталкивания" координационных связей, восходящую к работам Гиллеспи и Киперта.

Качественная модель Гиллеспи [Гиллеспи Р., Харгиттаи И. Модель отталкивания электронных пар валентной оболочки и строение молекул. М.:Мир, 1992], применительно к координационным соединениям доведенная до полуколичественного уровня Кипертом [Киперт Д. Неорганическая стереохимия. М.: Мир, 1985], прекрасно зарекомендовала себя именно как инструмент объяснения и предсказания геометрии координационной сферы в огромном числе соединений. В многочисленных работах Киперта на примере более чем тысячи различных комплексов металлов с моно- и полидентатными лигандами с координационными числами от четырех до двенадцати показано, что теория, как правило, хорошо согласуется с экспериментом, в том числе и при существенных отклонениях от идеальных координационных полиэдров. Слабость модели в том, что она практически игнорирует детали строения комплекса за пределами координационной сферы (например, хелатные циклы

полагаются жесткими) - т. е. как раз те части структуры, которые хорошо воспроизводит обычный метод ММ. Иными словами, их объединение напрашивается.

Мы дополнили систему потенциальных функций ММ термом, учитывающим межсвязевые "отталкивания" в координационной сфере (рис. 4). Предполагается, согласно Киперту 'что отталкивание имеет место между эффективными центрами, расположенными на'линии металл - донорный атом, причем положение центра - константа для данного типа связи. Предполагается также, что отталкивание описывается простым степенным законом, обычно оно пропорционально расстоянию между эффективными центрами в минус шестой степени (предварительные эксперименты подтвердили возможность использования такой - предложенной Кипертом - формы).

Еск = Ац * К,^"4

Рис. 4. Терм Гиллеспи-Киперта в молекулярной механике.

Все расчеты проводили с использованием программы ММРС, написанной автором. Начальную геометрию комплексов брали из экспериментальных данных (РСА) или строили из фрагментов, пользуясь соответствующими программами рисования/построения молекул. Силовое поле, т.е. набор параметров потенциальных функций, строили как комбинацию двух частей: "органической", относящейся к реагентам (на основе известного силового поля CHARMM) и "металл-зависимой", включающей набор параметров для координационной сферы металла.' Параметры силового поля

подбирали так, чтобы добиться наилучшего согласия с экспериментальными (РСА) эталонными структурами вручную или при помощи предложенного нами метода баланса сил.

Метод баланса сил для определения параметров расчета. Если в «органической» части силового поля обычно можно положиться на существующие параметризации, то металл-зависимые параметры приходится подбирать. Как правило, для этого выбирают ряд эталонных соединений, для которых имеются экспериментальные структурные данные (РСА) и методом проб и ошибок, итеративно изменяя параметры, добиваются наилучшего согласия расчетной геометрии эталонов с экспериментом. Естественно, это трудоемкий процесс, поскольку в его ходе приходится многократно выполнять оптимизации геометрии эталонных молекул.

Автоматизация калибровки параметров силового поля была бы крайне желательны. Помимо облегчения работы, автоматическая процедура позволяла бы получать искомые параметры однозначным образом - в то время как ручной подбор неминуемо зависит от субъективных факторов. Имеющиеся в литературе подходы к автоматической калибровке силовых полей, опирающиеся на генетические алгоритмы или иные процедуры минимизации, ничуть не устраняют (а в сравнении с ручным подбором опытным исследователем, пожалуй, и усиливают) потребность в длительных расчетах, поскольку по-прежнему требуют множества оптимизаций геометрии на каждом шаге.

Мы предложили метод автоматического определения недостающих параметров силового поля, отличающийся простотой и быстротой. Он основан на анализе сил, действующих на атомы в молекулах эталонных соединений. Силы, действующие "со стороны" уже откалиброванной части силового поля (например, органической части, в случае комплексов органических реагентов) легко вычислить - а затем параметризовать "недостающие" потенциальные функции (металл-зависимые), рассматривая условие равенства нулю общих сил на атомах молекулы. Действительно, в равновесной геометрии силы, определяемые неизвестной металл-зависимой частью силового поля, должны в точности компенсировать силы, определяемые известной, «органической» его частью. Разумеется, при вычислении сил придется предположить, что

экспериментальные структурные данные отвечают равновесной геометрии.

26

Такой анализ во многих практически важных случаях приводит к переопределенной системе линейных уравнений, которую легко разрешить относительно неизвестных параметров силового поля методом наименьших квадратов Существенно, что эти вычисления не требуют множества оптимизаций геометрии - они производятся в рамках единичного расчета энергии и ее градиента для заданной геометрии

Для проверки предложенного подхода рассматривали шестикоордина-ционные комплексы никеля(11) с аминосодержащими реагентами. Это один из наиболее тщательно исследованных обычным методом ММ классов координационных соединений, прежде всего, благодаря многолетней работе Хэнкока с соавт. Представлялось любопытным сравнить полученные в результате автоматической процедуры параметры (и точность основанных на них расчетов) с результатом тонкой "ручной" настройки. Литературные металл-зависимые параметры Хэнкока таковы (это обычный, «гармонический» вариант

MM)1 /o.Ni Nam = 2 10А, Kip, Nam /2 = 48 9 ккал моль'1 A"2, and К® Nam.N, Nam/2 = 216 ккал моль'1 рад"2. Анализ сил на атомах привел к следующим параметрам- /о№-Nam = 2 12А, К\ Ni-Nam/2 = 36 1 ККЭЛ МОЛЬ"1 А"2, АТ0, Nam-Ni Nam /2 = 4 8 ККЭЛ МОЛЬ

рад-2 (набор параметров А) Естественно, при этом использовалось органическое силовое поле Хэнкока с соавт Провели также параметризацию с использованием в качестве органической части силового поля CHARMM

Получены следующие параметры. /o,n. Nam= 2.145А, A'i.n, n™ /2 = 38.9 ккал моль' '•A'2, Kq Nam-Ni-Nam/2 = 76 ккал моль'1 рад2 (набор параметров В).

Как видно, принятый метод параметризации автоматически учитывает разницу в органической части силового поля и находит несколько разные значения металл-зависимых параметров Для проверки качества параметризаци рассчитали геометрию эталонных и нескольких иных молекул и сравнили ее с экспериментальными и литературными расчетными данными Показано, что точность расчета с силовыми полями, калиброванным "вручную" (Хэнкок) и при помощи метода баланса сил, практически одинакова

Приведем длины связей Ni-N для комплексов с различным лигандным набором (указаны данные для невдентичных по симметрии связей РСА/расчеты с силовым полем Хэнкока/наш расчет А/наш расчет В) бис(1,4,7-триазациклононан) 2 10/2 09/2 11/2 11, бис(бис(2-аминозгил)амин) 2 06,2 14,2 16/2 06,2 16/ 2 09,2 15,2 18/2 10,2 16,2 18, |,4,7-трис(3-амино-пропил)-1,4,7-триазацикло-нонан :2 14/2 14/2 15/2 15, бис(1,4,7-триазацикло-декан) 2 10,2 13/ 2 07,2 12/2 11,2 14*2 11,2 13, 6,13-диамино-6,13-диметил-1,4,8,11-те1раазадикло-

тетрадекан 2.07,2.12/2.04,2.08/2.04,2.11/2.04,2.10; трис (этилендиамин) 2.13/2.12/2.13/2.14; трис (1,3-диаминопропан) 2.15/2,13, 2.16/2.17/2.17; бис(ди(3-аминопропил)амин) 2.12,2.17,2.23/2.11,2.20/2.14,2.19,2.22/2.15,2.18,2.21; бис(цис,цис-1,3,5-триаминоциклогексан) 2.13/2.12/2.13/2.14.

Сравнение различных вариантов ММ при расчете строения координационных соединенений (на примере комплексов хрома(НГ), кобальта(Ш) и цинка(И) с полиаминами). Метод баланса сил, примененный для параметризации различных вариантов ММ, позволяет провести их объективное сравнение (обычно сравнение затруднено - неизбежен субъективизм при "ручном" подборе металл-зависимых параметров разными исследователями). Особенно интересно сравнение стандартного варианта ММ (валентное силовое поле, гармоническое приближение; VFF-H), широко распространенного метода POS и нашего варианта (ММГК).

Мы провели такое сравнение. Для этого определили методом баланса сил параметры всех трех названных вариантов ММ для ряда

шестикоординационных комплексов полиаминов с хромом(Ш), кобальта(Ш) и цинка(П) (с использованием силового поля CHARMM для органической части молекул) .Набор эталонов включал 28 структур для хрома, 65 для кобальта и 11 для цинка. Экспериментальные данные извлекали из Кембриджского банка, CSD; 'шифры CSD и R-факторы приведены в табл. 2.

В той же таблице представлены все три полученных силовых поля и показано, насколько расчеты с их использованием согласуются с данными РСА. Как видно, во всех трех случаях достигнут приемлемый уровень согласия.

Для комплексов хрома и кобальта качество всех трех параметризаций практически не различается; среднеквадратичное отклонение расчет-эксперимент составляет примерно 0.02 А по длинам координационных связей, 2° по валентным углам вокруг металла и 4° по торсионным углам. Эти значения следует признать хорошими. Для цинка параметризация POS несколько лучше VFF-H, a MM-GK. - лучше POS. Этот результат легко объяснить - цинк(И) наименее стереохимически "жесткий" из исследованных катионов металлов (его координационный полиэдр наиболее подвержен искажениям).

Таблица 2

Найденные методом баланса сил параметры силового поля для различных вариантов ММ и точность расчета геометрии (среднеквадратическое отклонение расчет-эксперимент) полиаминных комплексов хрома(Ш) кобальта(Ш) и цинка(И)

Модель Параметры" Среднеквадр. отклонение

Длины ,. связей (М-N), А ' - /Валентны е углы '(N-M-N),0 Торс, углы (без Н),°

Cr(III): 28 структур"

VFF-H К,| /2 = 43.0; /о = 2.060; Кв/2 = 7.0 0.016 1.8 4.1

POS Ki/2= 19.8; /0 =1.936 0.021 2.1 4.3

MM-GK К, /2 = 38.7; /о = 1.966; ¿Vn = 26.93 0.017 1.9 4.2

Со(Ш): 65 структур'

VFF-H Ki 12 = 44.9; k = 1 -892; Кв12=12.8 0.020 2.1 4.1

POS Kt /2 = 31.8; /о =1.735 0.021 2.2 4.4

MM-GK К\ 12 = 31.1; /0 = 1.680; ^VN = 28.14 0.022 2.4 4.5

Zn(II): 11 структург

VFF-H ÄTi /2 = 26.4; /0 = 2.225; К© /2 = 2.4 0.029 3.1 5.6

POS К /2 = 20.7; /0 = 2.198 0.026 2.6 5.4

MM-GK Ki /2 = 20.5; /о = 2.087; /IVN = 29.48 0.024 2.2 4.9

' В качестве органического силового поля применяли CHARMM.

4 Коды CSD и R-факторы: CRENCL01 7.70, CRENCL01(2) 7.70, CRENTC 6.90, CRHENC 5.90, CRTENC 6.10, DENCRB 4.82, DOGRUM 3.13, EDCRCN 6.90, EDCRCN(2) 6.90, ETDHCO 6.10, FEMTAS 8.00, HAHLOR 3.50, JATTAZ 4.11, JATTAZ(2) 4.11, JATTIH 3.96, KUHJOM 4.10, LEBRUF 7.80, REVXUL 2.10, SOLFH 5.00, SUKFEJ 6.39, SUKFEJ01 6.70, SUKFIN 6.17, TENCR1 3.50, VUFVAT 7.30, WAMWOW7.30, YUMDIT 4.80, YUMDOZ N/A, YUMFOB N/A. ' CSD: AMCOTN 4.30, ВЕВЛВ 2.64, BEKJOQ 3.90, BEYKAR 6.90, B1GNOU 2.10, BULLEZ 5.80, BUTP1P01 3.50, CEKLEJ 3.70, CHXNCO 3.10, CHXNCO10 2.50, CIXNIG 4.62, CIXWOV 3.80, CODSIX 5.85, COLHAM 3.80, COPENT10 8.30, DABCOB 6.20, DAJWAM 2.80, DEXJ1Z 5.30, DEXJOF 4.50, D1ENCO 3.50, FEBZOB 2.90, FEBZOB10 2.90, FELNIT 5.90, FUVYOK 2.20, GAPHUA 2.50, GECDIB 2.57, HAKZEY 6.54, JAHDEB 4.00, JAHDIF 3.80, JAHDIF(2) 3.80, JESCIT 3.80, JESCOZ 4.90, KARFAK 3.50, KOHPEC 180, LHIH 5.60, PEHACO 3.10. PRDCOH 3.20, RATDUL 4.38, REZSUK 4.60, SOZFIW 2.50, TADCÖT10 5.70, TAMTAR 2.50, TEACOC 4.80, TZCECO 5.20,VIMWÖD 4.70,WANGIB 8.97,WEGTAD 5.40,WIRGEJ 2.78,YOZSAH 3.72, ZEKNIM 5.30, ZEKNOS 4.90, ZEKNUY 3.10, ZEKPEK 5.70, ZEKPIO 4.10, ZEKPOU 4.00, ZUSCIZ 5.86.

' CSD: BIDWAM 4.80, CAXRAU 7.40, CIBKON 5.50, DETAZN 6.40, JUNNAH 5.80, LEJRAT 3.00, BAVJAZ 2.46,VAPKAY 2.50, VISSUL 4.40, YIVSUR 3.10, ZALGAU 2.80.

Ниже приведена сводка наших результатов по калибровке параметров нового метода (ММГК - молекулярная механика на основе модели Гиллеспи-Киперта), доказательству его адекватности и расчетам координационных соединений с различными центральными ионами.

29

Комплексы никеля(Н). Первым объектом применения/тестирования метода ММГК стали комплексы двухвалентного никеля (высокоспиновое состояние) с реагентами, содержащими донорные атомы азота, алифатические и пиридильные. Некоторые реагенты показаны ниже.

Выбор реагентов обусловлен их практической важностью и распространенностью; существенно, что аминные фрагменты входят во многие более сложные аналитические реагенты, например, комплексоны. Выбор же никеля(И) обусловлен тем, что наиболее распространенные шестикоордина-ционные высокоспиновые комплексы этого иона, как правило, имеют регулярную октаэдрическую стуктуру и представляют собой сравнительно простой тестовый объект. Для аминных комплексов никеля имеется большое число экспериментально определенных структур. Ряд аминных (но не пиридильных) комплексов изучен и расчетно - стандартным методом молекулярной механики (многочисленные работы Хэнкока с соавт., обзор [Hancock R.D. Prog.Inorg.Chem. 1989, 37, 187]). Это удобно для целей сравнения -следовало проверить, будет ли качество описания «простых» тестовых структур при помощи ММГК, как минимум, не ниже полученного ранее. Важно было также проверить, удастся ли совместно описать комплексы аминных, пиридильных и амино-пиридильных соединений.

Параметры расчета находили, как описано выше. Рассчитали 44 структуры 23 шестикоординационных комплексов никеля (И)*.

Достигнута высокая точность расчета. Отклонение в длинах связей в координационной сфере металла составляет 0.01-0.02 А, что соответствует точности расчета с общепринятыми силовыми полями, углы же описываются заметно точнее - ошибка составляет 1-2° (в "гармоническом" приближении -около 3°). Общее среднее среднеквадратичное отклонение составляет (для связей и углов, не «кончающихся» атомом водорода):

длины координационных связей 0.016 А

валентные углы 2.0°

торсионные углы 4.6°

Существенно, что метод ММГК позволяет, используя лишь один набор металл-зависимых параметров силового поля, рассчитывать геометрию комплексов как только с аминными или только с пиридильными атомами азота, так и со смешанной координационной сферой. В рамках стандартного подхода это затруднительно - приходится вводить разные параметры для разного состава лигандного набора. Важно также, что подход позволяет рассчитывать геометрию комплексов с разными координационными числами в рамках единого силового поля (т.е. с одним набором параметров). В рамках стандартного подхода это принципиально неосуществимо. Так, мы рассчитали структуры двух пятикоординационных комплексов никеля.

' Коды Кембриджского банка СГК30Е1, ОЕЫНАР, 01ЮМАТ2, ЕЫ1АСН, РЮвОО!, Р100002, ТОБОЛ,, ИРШОН, ЬАНУГС, ЫНСЕК, ТЕА>Ш, ТЕАМ1№)1, ТЕЫШО!, 0АМРМ2,

амрюшо, лгосм, вдгкы!, ижреб, гиссиу, риувоо, ювуии, сесоон1,

СЕС00Н2, АЕАШПО, ЛвТЮ, КЮХОЫ, КиШ, ЬАРХГС, ЬАРХОР, ЗЕгСОТ, ТАШЫ, \yATFUS, РЕВгиН, РЕВгиШО, PEHWOO, BPYNIS, ЭЕгКОХ, ООгСЕА, БШКОТ, гЕЫОР, TAWQEN, НА"ПАК \УЮРиХ, ЛЛчСОК

СОШЛИ 0,023; 1.2;2.4 РУЕЕМПО 0,023; 4.0; 4.7

СОКриН2 0,020; 1.2; 2.7

Как видно из приведенных под структурами характеристик (среднеквадратичное отклонение расчет-РСА по длинам связей; валентным углам на металле; торсионным углам) строение комплексов хорошо воспроизводится. Это тем более существенно, что данные рентгеноструктурного анализа получены уже после опубликования параметров силового поля (откалиброванного только по шестикоординационым комплексам).

Комплексы железа(Н). Исследование строения комплексов железа(И) с азотсодержащими реагентами представляет значительный интерес по целому ряду причин. Селективное определение меди® замещенными производными бипиридила и фенантролина на фоне большого количества железа возможно именно из-за наличия стерических препятствий в комплексах с железом. Кроме того, такие препятствия могут приводить к изменению спинового состояния железа(И); из-за значительных искажений в координационной сфере выгоднее оказывается не низкоспиновый комплекс, а высокоспиновый, в котором эти искажения существенно меньше из-за большего размера иона. Изучение перехода Fe(II) в комплексах из низкоспинового состояния в высокоспиновое, и наоборот, - самостоятельная и важная координационно-химическая задача. Методом ММ строение комплексов железа(П) с азотсодержащими реагентами (к моменту начала наших работ) не изучалось, однако в литературе имеется достаточно экспериментальных данных.

Мы исследовали структуру восьми низкоспиновых комплексов железа (II) с реагентами, содержащими аминные и пиридильные атомы азота.

Параметры метода ММГК подбирали так, чтобы воспроизвести геометрию эталонных структур. Результаты расчета находятся в хорошем согласии с экспериментом. Среднее значение для среднеквадратичных отклонений между расчетом и экспериментом составило 0 02 А по длинам связей, 1.4° по валентным углам и 3.3° по торсионным углам.

Для валентных углов в координационной сфере металла различие между расчетом и экспериментом, как правило, меньше 1°, и это при том, что абсолютные значения углов достигают 80°, что на 10° отклоняется от "идеального" октаэдрического значения 90°. Столь заметные деформации редко удается описать в рамках "гармонического" подхода.

Как и в случае комплексов никеля(И), расчет хорошо воспроизводит геометрию комплексов не только с "гомогенной" (алифатические или ароматические атомы азота), но и с "гетерогенной" (смешанной амино-пиридильной) координационной сферой, не требуя при этом изменения параметров.

В рамках работы были определены и расчетные параметры для высокоспиновых комплексов железа(П). Эту параметризацию следует, однако, считать лишь пробной: экспериментальные данные о пространственном строении высокоспиновых комплексов железа(Н) крайне немногочисленны, вряд ли высока и надежность силового поля. В целом, точность расчета существенно ниже достигнутой для других ионов.

Комплексы кобальта(Ш) Определена параметризация и выполнены расчеты 65 структур 41 шестикоординационного комплекса кобальта(Ш) с аминосодержащими регентами (см. также раздел о сравнении вариантов метода ММ)

Достигнута высокая точность расчетов: для всей выборки соединений среднее значение среднеквадратичного отклонения расчета от эксперимента составляет 0 02 А по длинам связей, 2.1° по валентным углам (0.02 А и 2.1° по по длинам связей и валентным углам в координационной сфере) и 4.5° по торсионным углам.

Комплексы хрома(Ш) Определена параметризация и выполнены расчеты 28 структур 17 шестикоординационных комплексов хрома(Ш) с

33

аминосодержащими регентами (см. также раздел о сравнении вариантов метода ММ).

Для всей выборки результатов среднее значение среднеквадратичного отклонения расчета от эксперимента составляет 0.02 А по длинам связей, 1.9 по валентным углам (те же цифры получены для взятых отдельно отклонений по длинам координационных связей и валентных углов на центральном ионе) и 4.2° по торсионным углам.

Комплексы цинка(Н). Цинк - один из важнейших биометаллов и, одновременно, один из экотоксикантов, что вызывает естественный интерес к строению и свойствам его комплексов. Экспериментальные структурные данные указывают на высокую стереохимическую пластичность металла -распространены комплексы с координационными числами 4 (тетраэдр), 5 (тригональная бипирамида и квадратная пирамида) и 6 (прежде всего, октаэдр). Во многих случаях механизм действия цинксодержащих биологически-активных веществ (например, фермента карбоангидразы) включает в себя стадию изменения координационного числа металла. Метод ММГК особенно подходит для анализа столь пластичных комплексов.

Этот тезис подтвержден ниже на примере 23 структур* комплексов цинка(И) с амино- и пиридилсодержащими реагентами. Особо подчеркнем, что все расчеты комплексов с к. ч. центрального иона 4, 5 и 6 выполнены в рамках единого силового поля (хотя в данной работе такая задача и не ставилась, существует принципиальная возможность расчетного анализа процессов, протекающих с изменением координации металла).

Металл-зависимые параметры подбирали так, чтобы воспроизвести эталонные структуры, геометрия которых известна из рентгеноструктурных данных (использовали часть соединений). Последующими расчетами показано, что экспериментальные структуры воспроизводятся с высокой точностью. Для всей выборки результатов (соединения табл. 3) среднее значение среднеквадратичного отклонения расчета от эксперимента составляет 0.02 А по

' Коды Кембриджского банка: БОТЗСи, ЗОСБАЕ, УАХУОР, YUL.IIУ, УАХУШ,, вДКОАХ, РИЫЕО, РиВТО, С1ВКОЫ, ОЕТАгК СЕ]УЕУ, ДЖЫАН, гни^, УГСБиЦ уигар, \VIFWOX, РОЫУШ, КитаЕБ, ООБУА!, КАНВиО, ТА\У(31К, ГиР<ЗЕМ; также данные [Р.СотЬа » а1., [по^ СИет. 1985,24,2327].

длинам связей, 1.8° по валентным углам и 4.0° по торсионным углам.

Ниже представлены, в сравнении со структурным экспериментом, расчетные геометрические характеристики некоторых комплексов.

Комплексы кадмия(И). Комплексы кадмия хорошо изучены экспериментально, но практически не исследовались ранее методом молекулярной механики. Мы определили параметризацию ММГК и рассчитали структуры восьми комплексов Сй(П) с с амино- и пиридилсодержащими реагентами *.

Согласие с экспериментом хорошее. Среднее значение для среднеквадратичных отклонений между расчетом и экспериментом составило 0.02 А по длинам связей, 3.0° по валентным углам и 4.2° по торсионным углам. Отметим, что среди комплексов присутствовали сильно искаженные. Например, в трис-фенантролинатном комплексе QAJKAN "внутрилигандные" валентные углы на металле составляют 71-72°; расчет дает 69°.

В случае комплексов кадмия метод ММГК был подвергнут еще одному тесту - мы рассчитали с теми же параметрами, что использовали для шестикоординационных соединений, структуру восьмикоординационного комплекса со стерически затрудненным реагентом, азакриптандом (шифр Кембриджского банка

гшвик).

Оказалось, что и здесь расчет неплохо воспроизводит экспериментальную структуру. Среднеквадратичное отклонение расчет-эксперимент по валентным углам

координационной сферы составило 2,9° (по всем валентным углам - 2,4°), по торсионным углам - 3.4°. Полностью воспроизведено удлинение связей кадмий-азот по сравнению с шестикоординационными комплексами: среднее расчетное значение 2.59 А против 2.58 А в экспериментальной структуре.

Комплексы лантанидов. Комплексы лантанидов, в частности, дикетонаты представляют значительный интерес для аналитической и координационной химии. Это обусловлено широким их применением в ряде практически значимых областей. Дикетоны, в частности - классические экстракционные реагенты для выделения лантанидов, активно применяемые с 60-х гг. В

Коды Кембриджского банка: БАЖЕУ, БОТХП, УОРЬЕЯ, /АХМиО, PONZAT, КЦШАО, QAJKAN; также данные [Р.СошЪа е1 а1., 1пощ.СЬеш. 1985,24,2327].

последнее время из применений комплексов лантанидов наиболее важны получение покрытий осаждением из газовой фазы и магнитно-резонансная томография.

Исследование строения и свойств комплексов, молекулярный дизайн новых соединений нуждаются в адекватных средствах молекулярного моделирования. Однако комплексы лантанидов - весьма сложный объект для любого расчета. Связано это с высокими координационными числами и чрезвычайно высокой пластичностью координационных полиэдров.

Метод молекулярной механики применяют для изучения комплексов лантанидов сравнительно недавно. В литературе представлены разрозненные работы, обычно имеющие дело с небольшим числом структур, не дающие высокой точности (часто сравнение со структурным экспериментом вообще не приводят). Кроме того, литературные данные касаются аква- или полиаминокарбоксилатных комплексов; дикетонаты лантанидов предметом расчетного изучения практически не были. Представляло большой интерес тестировать метод ММГК на дикетонатных комплексах лантанидов.

Мы выполнили параметризацию и расчетное исследование широкого круга дикетонатных, аква и смешанных аква-дикетонатных комплексов лантанидов*.

Отметим, что мы также попытались параметризовать модель POS. При этом удалось найти параметры, дающие ту же точность, что метод ММГК при расчете аквакомплексов лантанидов - однако не удалось подобрать адекватные параметры для бета-дикетонатов комплексах (возможные причины обсуждаются в соответствующей статье)

Использовали специфический прием: рассматривали металл-зависимые связевые параметры как функцию радиуса соответствующего элемента. Это резко облегчает параметризацию (в литературе такой подход не употребляли). Для определения параметров широко применяли метод баланса сил.

* Коды Кембриджского банка- BUVVIX, SUDDAW, ZILVIZ, ZZZAQP01, BUVWEU01, CIBSAH, SUDDEA, APRETS01, APRETS02, BUVWIY01, BUVWOEOl, BUVWOE02, BUVWOE03, SUDDIE, ZZZAQS01, BUVWUK01,. DEYYIP, ZZZAQVOI, BUVXAR01, BUVXARU, ZZZAQY01, BAXNIX, BUWOD, BUVV0D01ZZZARA01 BUVXEV01, YECSOO, ZZZARD01, BUVXIZ01, FOPNAZ, ZZZARGOI, BUVX0F01, H0ESUL02, AERETS02, AERETS, YICCIW, ZZZARJ01, BUVYEW01, ESULYB, ESULYB01, BUVVUJ, BUVVUJ01, FOPPOP, GIPCOX, ZZZARM01, EUBZAC10, PIEUAC20, PIEUAC01, FIDNIP, FIDNOV, PIGDBA10, TMHDER, FEBGAU, LUTMHP, AQACAL, CAZGUF, NDACAT10, CAZHAM, EUACAC10, CEXPIE, QQQDQG01, CEXPUQ, CEXRAY, ZASTIW.

Эталонные структуры включали четырнадцать нонааква комплексов (от Ьа до Ьи, исключая Рт) и пять - октааква комплексов (Оё, ТЬ, Эу, Ег, Ьи); один трис-ацетилацетонат (УЬ), два тетракис-дибензоилметаната (Еи), два тетракис-дибензоилацетоната (Еи, Оё) и четыре диаква-трис-ацетилацетоната (Ьа, Рг, ТЬ, Ег). Структуры отбирали по Я-фактору, стараясь покрыть весь ряд лантанидов.

Рассчитали структуры 39 нонааква комплексов, 6 октааква и 18 дикетонатных и аква-дикетонатных комплексов.

Для всех (кроме одной) структуры аквакомплексов с координацией по типу трехшапочной тригональной призмы, ТСТР, экспериментальная геометрия воспроизводится расчетом превосходно: среднеквадратичное отклонение для связей Ьп-О составляет 0.015 А, для валентных углов - около 2°. Строение остальных аквакомплексов, восьми- и девятикоординационных, воспроизводится несколько хуже; однако в большинстве случаев расхождение средних расстояний Ьп-О по данным расчета и эксперимента не превышает 0.02 А.

Для комплексов состава Ьп(ё1ке1;опа1е)4 и Ьп(Шке1опа1е)3 также достигнута высокая точность расчета. Важная характеристика геометрии дикетонатных комплексов - угол перегиба хелатного цикла по линии О-О. Расчет хорошо воспроизводит неплоскостность дикетонатного хелатного цикла в рассматриваемых структурах. Среднее значение угла составляет 25° против 23° в эксперименте.

Поскольку в -дикетонатных комплексах лантанидов координационные полиэдры, вследствие влияния стерического фактора, искажены сильнее, чем в аквакомлексах, представляло интерес сравнить экспериментальную и расчетную форму полиэдров. Для этого мы использовали известные критерии Порай-Кошица-Асланова и Мьюттертиза (критерии характеризуют форму полиэдра набором специально выбранных двугранных углов). Расчет верно передает форму полиэдров в трис- и тетракис-Р-дикетонатах. И экспериментальные, и расчетные полиэдры, как правило, близки к двухшапочной тригональной призме для тетракис-дикетонатов и к тригональной призме - для трис-дикетонатов.

В случае диаква-трис-ацетилацетонатах валентные углы и длины связей

также расчетом воспроизводятся неплохо. Складчатость хелатных циклов

характеризуется, по данным расчета, значениями угла перегиба по линии 0-0 от

15° до 20°. Эксперимент дает 6—21° со средним 14°. Что касается

38

координационных полиэдров, экспериментальные данные указывают на форму, близкую к двухшапочной тригональной призме. Расчет, однако, приводит к структурам, заметно искаженным в направлении квадратной антипризмы (причины пока неясны; возможно, дело в эффектах кристаллической упаковки).

Помимо расчетов строения комплексов, проводили анализ сравнительной устойчивости изомеров комплексных соединений - на примере изомерных (различаются тем, какие ребра полиэдра заняты хелатными циклами) тетракис-дибензоилметанатов европия и диаква-трис-ацетилацетонатов ланнтанидов. И в первом (двухшапочная тригональная призма, три изомера), и во втором (квадратная антипризма, восемь изомеров) случаях расчет предсказывает наибольшую "устойчивость для изомеров, обнаруженных экспериментально.

Соединения бора. Борная кислота и ее производные образуют устойчивые комплексы с' гидроксйлсодержащими соединениями. Перспективы использования борсодержащих фрагментов в синтетических рецепторах на соответствующие соединения (наши работы в этой области описаны ниже) вызывают и интерес к теоретическим средствам конформационного анализа производных борных кислот и их эфиров (комплексов). И здесь метод ММ - вне конкуренции по соотношению эффективность/ресурсоемкость.

В литературе отсутствуют примеры достаточно универсальных силовых

полей, пригодных для работы с соединениями бора, особенно если учесть

необходимость в параметризациях, пригодных и для трех, и для

четырехкоординационного атома бора. Имеющиеся работы касаются лишь

узкого круга соединений. Казалось бы, калибровка метода ММ для соединений

элементов-неметаллов не должна вызывать затруднений. Однако анализ

структурных данных указывает на' высокую изменчивость длин связей и

валентных углов у бора в зависимости от его окружения. Наши

предварительные эксперименты показали, что обычный вариант метода ММ

плохо применим к данным системам. Основная проблема состоит в том, что для

разного окружения приходится вводить разные параметры, в частности,

различать множество типов связанных с бором атомов в зависимости от их

соседей (не просто "связанный с бором эфирный кислород", а "связанный с

бором эфирный, кислород, с которым в координационной сфере бора

соседствует ароматический и алифатический углерод" и т.д.). Можно было

39

полагать, что метод ММГК, в котором межлигандное взаимодействие учитывается явно, будет более адекватным. Мы провели соответствующие расчеты.

Рассматривали соединения, содержащие как трехкоординационный (нейтральный), так и четырехкоординационный атом бора (анионный центр). Экспериментальные структуры извлекали из Кембриджского банка и Базы данных кристаллических структур неорганических соединений (1С8Э)*.

Анализ экспериментальных структурных данных указывает на следующие тенденции в длинах связи при атоме бора (которые должны воспроизводиться при ММ расчете).

1) Средняя длина связи В-ОН в борат-ионе (27316) составляет 1.49 А . Она увеличивается до 1.60 А в трифенилборате и укорачивается до 1.42 А в трис-замещенных комплексах бората со спиртами. В первом случае можно предположить, что удлинение вызвано стерической загроможденностью, но объяснение такого рода не подходит во втором случае. Эффект, однако, легко интерпретируется в рамках модели Гиллеспи. 2) В отличие от тенденции, проявляющейся для боратов, для соединений трехкоординационного бора длина связи В-ОЯ остается примерно постоянной (1.36 А) ив ряду В(ОН)з - арил-В(ОН)2- арил2ВОН, и в ряду В(ОН)3- В(ОЯ)2ОН. 3) В соединениях арилВ(ОЯ)2 при уменьшении угла О-В-0 длина связи В-С также уменьшается, в соответствии с положениями концепции Гиллеспи.

Параметры силового поля для фрагментов, включающих атом бора, подбирали так, чтобы наилучшим образом воспроизвести геометрию эталонных молекул. Затем рассчитали геометрию 39 структур, содержащих тригональный атом бора, 17 - тетраэдрический и 11 структур, содержащих атомы бора в обоих состояниях (32,10 и 7 уникальных соединений, соответственно).

Показано, что модель Гиллеспи-Киперта с найденными параметрами адекватно описывает изменение длин связей при боре в различном окружении, а

* Коды ICSD и Кембриджского банка: 60, 4219, 16545, 24711, 27316, 29438, 35090, 100662; COMDUD, CUBFAG, DUHVOR, F1BYIY (2 entries), GILFAI, HAGSEN, HAWCEN, JOHZOV (2 entries), JOLCES, JULHUT, KENZIM, KTPHEB, KUBLOI, LEHCUW, L1CSAR (2 entries), MANBOS, MATPHB, NAINST, PBXBOR, PEJXIL, PEJXUX, PEVZOF, PHBORA (2 entries), PMSBAC, POCJUM, QQQGZM01, RBORMY, ROGMEF, SIKBOD, SOYWOS, TAVMIM, TEKMEB, TEPLIJ (2 entries), TIWZEE, TIWZII (2 entries), TMXBNA (2 entries), TPHBOR, WAXVUM, WETRUI, YETREU, YEVVEA, YIHKOP, YITGAJ, YOVSOR, ZADQEA, ZANMUW (2 entries), ZANNAD (2 entries), ZANNEH, ZEZQUQ, ZILBEB.

также валентные углы Х-В-Х. Так, изменение длины связи В-ОН следует экспериментальной тенденции (см. выше): 1.44 А в комплексах борат-иона со спиртами, 1.48 А в борате и 1.56 А в трифенилборате (заметим, что попытки откалибровать и использовать ММ модель обычного вида привели к расчетной длине связи 1.49 А во всех указанных соединениях). Отметим также, что расчеты верно передают зависимость длин связей при боре от соответствующих валентных углов. В целом, согласие расчета с экспериментом для 67 структур (49 уникальных соединений) - безусловно, хорошее. Общее среднеквадратическое отклонение расчет-эксперимент (РСА) составило 0.017 А, 1.88°и 7.58° для длин связей приборе, валентных углов при боре и торсионных углов, соответственно.

Примеры применения метода для исследования особенностей строения комплексов и селективности полидентатных реагентов Исследование, влияния пространственного строения комплексов на различные аспекты комплексообразования - задача, важная как для аналитической, так и для координационной химии.

Предложенный выше вариант метода молекулярной механики использовали для исследования, в частности, размерной селективности полихелатных реагентов (определения предпочтительного для взаимодействия размера иона). Такой анализ наиболее интересен для макроциклов, но полезен и при рассмотрении свойств обычных реагентов.

Для определения размерных предпочтений того или иного реагента проводили серию расчетов комплексов с центральным ионом разного размера (меняли «идеальное» значение /0 для координационных связей) и определяли, как изменяется конформационная энергия Значения прочих металл-зависимых параметров поддерживали постоянными (равными таковым для цинка) Предварительная проверка показала, что обшая картина зависимости энергии от размера иона при этом существенно не отличалась от полученной более строгим путем (с индивидуальным для каждого металла набором параметров) Расчетную энергию напряжения £ представляли в виде зависимости от длин связей металл-азот в исследуемых комплексах

Ниже приведено лишь три примера.

Строение бис-комплексов 1,4,7-триазациююнонана (tacn) и размерная сечективность реагента Триазациклононан и его производные представляют значительный теоретический и практический интерес. Так, реагент TACNTA проявляет беспрецедентную селективность на никель: log Kni=28.3, log Kcu=19.5

(обращение ряда Ирвинга-Вильямса), а реагент TACN-HP образует самый устойчивый из известных комплексов железа(Ш), log K=50.0:

Размерную селективность реагента, то есть зависимость конформационной энергии от размера иона металла для бис-комплексов M(tacn)2, изучали методом в рамках "гармонического" подхода Хэнкок и др. Представляло интерес провести исследования с использованием нашего метода и сравнить результаты. Полученные данные представлены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость энергии напряжения бис-комплексов триазациклононана (/) и гексамминов (2) в зависимости от длины связи металл-азот.

Как видно, минимум энергии приходится на 2.00 А. Иными словами, наименее стерически напряжены комплексы, в которых длина связи металл-азот близка к этой величине. Таковы, например, низкоспиновые комплексы Fe(II), Fe(Ш), Со(Ш); в них /(М-№) = 2.00,2.03,1.97 А, соответственно. Можно сказать, что расчет предсказывает селективность лиганда по отношению к сравнительно небольшим ионам металлов.

Интересно отметить, что описанные в литературе расчеты, проведенные в рамках "обычной" ММ модели, дают более высокое значение - 2.07 - 2.08 А. Было бы интересно сопоставить эти результаты с данными о сравнительной устойчивости соответствующих комплексов. К сожалению, несмотря на большое число публикаций по комплексам tacn, данные о константе устойчивости есть только для никеля(П), Однако наши расчеты хорошо согласуются с имеющимися электрохимическими данными. Так, расчет предсказывает относительную стабилизацию иона меньшего размера - Со3+ в редокс паре [Со(Часп)2]3*'2*. Характерная длина связи в аминных комплексах Со(Ш)-Ы около 1.97 А, что гораздо ближе к оптимальному значению 2.00 А, чем характерная длина связи Со(П)-Ы, 2.21 А. Действительно, редокс-потенциал пары для [Со(ЫНз)б] равен +0.10 В (отн. н.к.э.), тогда как в

(Со(1асп)2]5*^+ он составляет -0.41 В (отн. н.к.э.).

Наконец, расчет предсказывает тенденцию в изменении длин координационных связей в комплексах триазациклононана по сравнению с аммиачными: для сравнительно крупных ионов металлов связи должны сжиматься, приближаясь к диктуемому реагентом значению, 2.00 А. Этот эффект иллюстрирует рис. 5. Действительно, при переходе от комплексов М(ЫНз)бк М(Ъсп)2 экспериментально измеренные длины связей М^ укорачиваются с 2.22 до 2.17 А для цинка и с 2.21 до 2.16 А для кобальта(П), тогда как для малых ионов практически не изменяются (железо(И): 2.04 и 2.03 А, железо(Ш): 2.00 и 2.00 А).

Тригональный твист в шестикоордтационных комплексах 1,4,7-трис-(2-пиридшметил)-1,4,7- триазациклононана 0рКп). На примере комплексов металлов с 1,4,7-трис-(2-пиридилметил)- 1,4,7-триазациклононаном ^р^п) исследовали применимость предложенной модели для описания существенного искажения, в пределе — реорганизации координационного полиэдра. В ряду этих комплексов проявляется тригональный твист Бейлара - скручивание октаэдра в тригональную призму (ТП) вдоль оси Сз. Мерой такого скручивания служит угол со (в октаэдре со =60°, в ТП - 0°).

Стандартный "гармонический" подход в методе ММ принципиально не позволяет описать такую реорганизацию координационного полиэдра, так как предполагает наличие у металла "идеальной" геометрии (либо октаэдрической, либо тригонально-

экспериментально

установленное значение со изменяется от 19.6° (комплекс Мп(11)) до 49.0° (комплекс Fe(II).

Реагент в комплексах может существовать в двух изомерных формах, А и В, различающихся конформациями хелатных колец. Методом РСА

определено, что комплексы с Fe(II), N1(11) относятся к типу А, а с Мп(11) - к типу

В. (Нами показано, что существование этих двух изомеров обусловлено различными вариантами сочленения хелатных циклов в их оптимальных конформациях).

Мы определили размерные предпочтения каждого из изомеров. Полученные кривые селективности Е—^Г^, где Г, - ионный радиус металла, представлены на рис. 6. Там же приведены расчетные кривые для углов тригонального твиста и их связь с экспериментальными данными.

Рис. 6. Расчетные зависимости энергии напряжения (а) и угла тригонального твиста (б) для изомеров А и В комплексов M(tptcn) от ионного радиуса металла

Очевидно различие как в размерных, так и в стереохимических предпочтениях двух изомерных форм. Оптимальный размер иона в комплексах изомера А равен 0.62 А, в комплексах изомера В - 0.68 А (оо при этом равны 44° и 27 соответственно). Наблюдается, однако, общая тенденция: при увеличении размера центрального иона значение угла скручивания уменьшается, то есть с металлами большего радиуса предпочтительно образование структуры более тригонально-призматической, нежели октаэдрической. Особенно это заметно в случае изомера В - со на 15-20° меньше.

Из рис. 6 видно, что при ионном радиусе металла меньшем, чем 0.83А, образование комплекса с изомером А сопровождается меньшими стерическими

затруднениями; при больших г, менее напряжен изомер В. Очевидно, что это должно приводить к резкому изменению величины со при ионном радиусе металла около 0.8 А.

Данные расчета полностью согласуются с результатами РСА - в комплексах Ре(П) (Г|-0.61А) и никеля (0.69А) 1р1еп находится в форме А (оо =49.0° и 46.8° соответственно). В комплексе Мп(11) (0.83А)- в форме В (со = 19.6°), т.е. . происходит «переключение» с октаэдрической на тригонально-призматическую координацию с одновременной сменой конформации координированного реагента.

Цинк-кадмиевая селективность макроциклических реагентов. Из литературных данных известно, что, несмотря на большое различие в ионных радиусах (Я, (2п2+) = 0.75А, Я, (С112+) = 0.95А по Шэннону), устойчивость большинства комплексов цинка(И) и кадмия(П) практически одинакова; различие обычно в пределах одной логарифмической единицы. Тем интереснее причины существенных различий в устойчивости, наблюдаемых для некоторых реагентов. Азамакроцикл насколько нам известно, практически

единственный реагент, комплекс которого с кадмием значительно устойчивее комплекса с цинком (^К=16.8 и 13.3, соответственно). Устойчивость же комплексов с неметилированным аналогом, [18]апе№, практически одинакова, ^К=17.9 для кадмия и 17.2 для цинка.

[18]апеК6 Ме4-[18]апеЫ6

Естественно связать эти факты с действием стерического фактора. Дело в том, что при переходе от [18]апеЫбкМе4-[18]апеКбнаблюдается резкое падение устойчивости и для цинка, и для кадмия, вероятно, вследствие стерических препятствий, вызванных четырьмя метальными заместителями. Однако для большего по размеру кадмия падение меньше - что и приводит к появлению кадмиевой селективности.

Интересно было проверить, удастся ли количественно оценить величину скачка устойчивости по стереохимическим расчетам. Для этого определили размерные предпочтения реагентов и разницу в энергиях напряжения (в каждом случае учитывали возможность существования изомеров).

На рис. 7 приведен график зависимости изменения логарифма константы устойчивости от изменения

энергии напряжения

для комплексов металлов различного размера.

Как видно, наблюдается хорошая корреляция. Для кадмия рост стерического напряжения при переходе от меньше -

что и приводит, в согласии с экспериментом, к появлению кадмиевой селективности.

delta(lgK)

#Со(Н)

#2h<in

\ Ni(ll)

Cd(ll)

-8 -6 -4 -2

йеКа(Еконф)

Рис. 7. Зависимость изменения устойчивости комплексов от расчетной

разницы энергий напряжения комплексов реагентов

* * *

Подведем итоги. В результате проделанной работы предложен и параметризован (в том числе при помощи предложенного метода баланса сил на атомах) новый вариант метода молекулярной механики, ориентированный на координационные соединения. Этот метод, молекулярная механика на основе модели Гиллеспи-Киперта, доказал свою эффективность при применении к

широкому кругу соединений. Ниже приведена сводка достигнутых при расчете разнообразных структур характеристик (сравнение с РСА).

Рассчи- Среднее среднеквадратичное

тано отклонение расчет-эксперимент

структур коорд. связи,А вал. углы, ° торс, углы, °

Комплексы никеля 46 0 016 2.0 4.6

Комплексы кобальта 65 0.02 2.1 4.5

Комплексы хрома 28 0.02 1.9 42

Комплексы цинка 23 0.02 1.8 4.3

Комплексы железа 8 0.02 1.4 3.3

Комплексы кадмия 8 0.02 3.0 4.2

Комплексы лантанидов 63 0.02 3.5 6.0

Соединения бора 67 0.017 1.9 7.6

В целом >300 ~0.02 ~2.5 ~5

В большинстве случаев достигнутая точность выше той, что дает обычный вариант молекулярной механики и близка к характерной для органического конформационного анализа. На ряде примеров показано, что метод ММГК позволяет также успешно исследовать процессы реорганизации координационных полиэдров и другие структурные эффекты, недоступные классическому варианту ММ. Наконец, метод (с очевидными оговорками насчет возможностей конформационных расчетов вообще) позволяет оценивать сравнительную устойчивость комплексов металлов и анализировать селективность полидентатных реагентов.

«Смешанные» сорбенты

Предыдущая часть работы касалась роли стерического фактора в комплексообразовании; конечная цель состояла в разработке инструментов молекулярного дизайна селективных реагентов. Нельзя, однако, не отметить, что стерический фактор, несмотря на всю его важность, лишь в некоторм смысле "дополнительный" - на эффективность и селективность

комплексообразования влияет прежде всего состав донорного набора реагента (сродство донорный атом-металл).

Нами предложен способ плавного регулирования селективности путем изменения донорного набора.

Действительно, реагенты с донорным набором ХУ обычно ведут себя как промежуточные по свойствам между X и У реагентами. Часто есть количественная связь ^К (ЕХпУш) ~ nlgK(LX) + ш^К(ЬУ), как будто мы имеем «эффективный» лигандный атом Ъ - смесь X и У (например, N3028 : Уг N + 1/3 О + 1/6 8). Меняя пропорцию, можно изменять селективность реагента в широких пределах. К сожалению, "смешать атомы" в произвольной пропорции в молекуле реагента невозможно - но это возможно в случае сорбентов с комплексообразующими группами.

Рассмотрим сорбент на основе двух реагентов (привитых или нековалентно иммобилизованных) Ь1 и Ь2. Пусть Ь1 - "мягкий" реагент, например, содержащий в своем составе донорные атомы серы; Ь2 - "жесткий", содержащий донорные атомы кислорода. Пусть металлы М1, М2 и МЗ соответственно "мягкий", "жесткий" и промежуточный по свойствам согласно концепции Пирсона. Мягкий металл проявляет наибольшее сродство к мягкому лиганду, жесткий - к жесткому. Удерживание металлов на сорбенте, меняется в зависимости от состава смеси Ь1 с Ь2. Отметим, что удерживание промежуточного металла М2 не изменяется, и в диапазоне смеси АВ (схема) металл М2 удерживается на смешанном сорбенте сильнее М1 и МЗ.

Ууд Ууд

1-1

М1 М2

МЗ

Как видно, использование смешанного сорбента должно давать возможность регулировать разделение металлов и выделять отдельные металлы Как ни странно, в литературе такие "смешанные" сорбенты описаны не были

На ряде примеров показано, что такой подход действительно позволяет регулировать селективность комплексообразующих сорбентов Так, на рис 8 показано, как изменяется удерживание кадмия, кобальта и магния на сорбенте смешвнного состава (силикагель, нековалентно модифицированный смесью октаэтилпорфирина и диаза- 18-краун-6)

Рис. 8. Удерживание Сё, Со и Mg на сорбенте смешанного состава в зависимости от соотношения октаэтилпорфирина (ОЕР) и диаза- 18-краун-6 (ЭАС) в модифицирующем растворе (колонка 8,0X1,0 см, суммарная конц 5X10-3 М, л, элюент - ац буф р-р, рН 6,7; у=1 мл/мин)

Классификация ионов металлов по их комплексообразующей способности

Оценки (и предсказания) селективности взаимодействия органических реагентов с ионами металлов неизбежно опираются на представления о свойствах самих этих ионов. Так, при анализе роли стерического фактора рассматривались ионные радиусы металлов, характерные координационные полидры.

Еще более важны данные о "сродстве" различных ионов к донорным атомов различных типов. Один из ценнейших инструментов в связи с этим -широко используемая классификация металлов на "жесткие" и "мягкие" по Пирсону. Эта и другие подобные классификации, помимо других достоинств, позволяют взглянуть на проблему селективности под новым углом зрения (не "реагентоцентрическим", а "металл оцентрическим"): если известно, что катионы сходны с друг другом и относятся к одной группе в классификации, можно делать вывод и о подобии в комплексообразующих свойствах по отношению к конкретным реагентам.

Отметим, что концепция ЖМКО и другие классификации ионов металлов построены по относительно небольшим выборкам данных. Интересно было попытаться провести новую классификацию, пользуясь накопленным к сегодняшнему дню огромным экспериментальным материалом о константах устойчивости комплексных соединений. Мы провели такую работу.

Экспериментальные данные по первым константам устойчивости lgK извлекли из базы данных IUPAC Stability Constants DataBase. Выделили эксперименты в следующих условиях: ионная сила I < 0.5, температура 20 - 30°С; провели коррекцию на I = 0 по уравнению Дэвиса.

На дснове получившейся таблицы значений lgK1 (36 катионов, 4650 реагентов, 19794 значений lgK1) построили корреляционную матрицу (симметричную матрицу 36 х 36), каждый элемент которой - коэффициент корреляции по Пирсону, показывающий сходство поведения двух катионов при комплексообразовании (со всеми реагентами, для которых измерены константы для данной пары ионов).

Провели статистический анализ (анализ главных компонентов, нелинейное картирование, нейронные сети,кластерный анализ) этих данных. В результате получена устойчивая классификация катионов, визуально

представленная на рис 9 (тн карта Кохонена, подобные друг другу по комплексообразующим свойствам находятся на карте рядом друг с другом)

Рис 9 Карта сходства ионов по их комплексообразующим свойствам

На группы исследованные ионы металлов разбиваются так

I

II Ag+Hg2+

III H+Be2+(A13+)

IV UO22+ VO2+ Fe2+ ^3+) (Al3+)

V Co2+Cu2+Ni2+Zn2+(Cd2+)

VI Ba2+ Sг2* Ca2+ Mg2+ Mn2+ Pb2+ La3+ Y3+ Ce3+ ^3+) (Cd2+)

(в скобках указаны ионы, «мигрирующие» между группами)

Как видно, схема в основном согласуется с представленими ЖМКО, однако уточняет и дополняет классификацию Пирсона Приведем один пример Двухвалентный свинец по Пирсону - «промежуточный» ион Соответственно, его комплексообразующие свойства должны коррелировать со свойствами других ионов этого класса, например, №2+ Корреляция констант устойчивости,

однако, плохая (рис. 10а). По нашей классификации свинец относится к группе VI и должен быть сходен (рис. 9), например, с Мп2+ - результат достаточно неожиданный Однако, как видно из рис. 10б, константы устойчивости комплексов различных реагентов со свинцом действительно гораздо лучше коррелируют с константами для марганца.

-4 26 кфК]

РЬ2+

Рис. 10. Корреляция констант устойчивости ^К для комплексов различных реагентов со свинцом(П) и никелем(И) (а), маранцем(И) (б).

Часть II. Применение комплексообразования «гость-хозяин» в аналитической химии

Первая часть работы касалась комплексообразующих реагентов для неорганического анализа. Богатая история этой области и огромный накопленный химиками - аналитиками и неорганиками - опыт позволили ставить и решать широкий круг задач теоретического исследования и молекулярного дизайна. Иное положение существовало в области реагентов для анализа органического, которым посвящена вторая часть: примеров их применения к началу нашей работы было сравнительно немного, что обусловило необходимость систематического экспериментального исследования, «скрининга» реагентов различных классов. Оговоримся: речь, конечно, идет не о реагентах в широком смысле слова (как участниках химических реакций), а о комплексообразующих реагентах, способных к нековалентной ассоциации с определяемым веществом.

Такие реагенты - и само явление комплексообразования «гость-хозяин» - стали предметом активных исследований после пионерских работ Крама, Лена и Педерсена. В отличие от многих обычных органических реакций, давно и широко используемых в анализе, нековалентная ассоциация, как правило, протекает быстро, обратимо и в мягких условиях; это важнейшее достоинство. Из движущих сил комплексообразования «гость-хозяин» наиболее важны водородные связи, ион-ионные («солевые») взаимодействия, ион-дипольные взаимодействия, катион- взаимодействия, координационные связи с металлами, стекинг-взаимодействия и т.н. гидрофобные взаимодействия. Заметим, что те же силы управляют селективными и эффективными взаимодействиями в природе (ферменты, иммуноглобулины и т.п.) - что позволяет рассчитывать и на селективность анализа. Если реагент-«хозяин» достаточно гидрофобен, связанный «гость» можно экстрагировать или перенести через неполярную мембрану. Очевидны открывающиеся перспективы для концентрирования и определения (например, экстракционно-фотометрического или потенциометрического, с пластифицированными мембранными электродами). Примеров аналитического применения комплексообразования «гость-хозяин», однако, почти не было.

Цель данной части работы состояла в том, чтобы провести поиск и опробование новых классов аналитических реагентов, образующих комплексы "гость-хозяин" с органическими соединениями; установить закономерности связывания и, в разнообразных конкретных случаях, прояснить связь строения реагентов с аналитическими характеристиками; разработать соответствующие методики анализа.

Краун-эфиры как реагенты-«хозяева»

Первым" исследованным классом реагентов стали краун-эфиры. Со времен первых работ Педерсена и Крама с сотр. известно, что эти соединения образуют устойчивые комплексы с протонированными аминами - благодаря

водородным связям и ион-дипольным взаимодействиям. Существенно, что комплексообразование (и экстракция) селективно: вторичные, третичные и четвертичные амины связываются заметно слабее первичных. Имеет место и высокая эффективность связывания; ниже приведены определенные нами константы экстракция бензиламмония (противоион - пикрат) в различные растворители.

ОС18С60 + 1ШНЗ+» + Рк\, = БС18С61ШНЗ+ Р1с"о, Кп

СНаСЬ 7.1 и-слсь 7.4

СНС13 6.7 1,1,2,2-С2Н2С14 7.8

Мы разработали несколько методик определения аминов (экстракционно-фотометрического и потенциометрического) с краун-эфиром дициклогексил-18-краун-6 (ДЦГ18К6; использовали смесь диастереомеров).

Помимо аминов, с краун-эфирами можно выделять и определять и другие соединения, содержащие аминогруппу, особенно первичную - например, аминокислоты и их эфиры. Мы исследовали экстракцию аминокислот с ДЦГ18К6 с различными противоионами, в частности - анионами динонилнафталинсульфокислоты (ДННСК ) и ди-2-этилгексилфосфорной кислоты (ДЭГФК).

Аминокислоты экстрагируются по катионообменному механизму динонилнафталинсульфокислотой в отсутствие и в присутствии дициклогексил-18-краун-6 в гептан и хлороформ. Стехиометрическое по отношению к аминокислоте количество краун-эфира обеспечивает количественное извлечение при рН 1,0-2,5. Для Trp, Phe, Ile, Gly соотношение аминокислота:ДННСК:ДЦП8К6 в экстрагирующихся соединениях составляет 1:1:1, для Lys - 1:2:2. Рассчитаны значения констант экстракции. Изучено мешающее влияние катионов щелочных, щелочноземельных металлов, аминов.

Аминокислоты также экстрагируются из водных растворов ди-2-этилгексилфосфорной кислотой в хлороформ. В области рН 1,5-3,5 извлекаются катионы, а при рН 3,0-5,5 - цвиттер-ионы Trp, Phe, Ile,, Leu, Ala, Gly. Glu извлекается в области рН 2-4 в виде цвиттер-иона, Lys и Arg - в катионной форме при рН 3-7. Соотношение аминокислота : Д2ЭГФК в экстрагирующихся соединениях для всех аминокислот составило 1:1. Рассчитаны значения констант экстракции. Введение ДЦГ18К6 в экстракционную систему позволяет сократить время достижения экстракционного равновесия с тридцати до пяти минут и повысить степень извлечения на 15-30%.

Наиболее интересны результаты, полученные при экстракции аминокислот с краун-эфиром без противоиона - с использованием растворителей нового типа, ионных жидкостей (мы использовали гексафторфосфат метилбутилимидазолия). Ионные жидкости на основе гексафторфосфата имидазолия устойчивы на воздухе, влагостойки, не смешиваются с водой, растворяют в высокой степени многочисленные неорганические и органические вещества, обладают невысокой вязкостью,

кроме этого, для них характерно практически полное отсутствие давления пара.

Применение ионной жидкости в качестве растворителя для экстракции аминокислот позволило добиться практически количественного извлечения. Важно отметить, что экстракция является количественной даже для глицина и других весьма гидрофильных аминокислот. В ионную жидкость краун-эфиром можно количественно экстрагировать смеси аминокислот, причем независимо от гидрофобности аминокислоты. Гидрофильные аминокислоты, например глицин, количественно экстрагируются в присутствии гидрофобных аминокислот.

Аминокислоты (2-10-5-Н0-3М) экстрагируются в ионную жидкость в присутствии краун-эфира в катионной форме. Области максимальной экстракции соответствуют интервалам существования аминокислот в виде катионов (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость экстракции аминокислот (Ы0'4М) ДЦГ18К6 в ионную жидкость от рН (а) и от концентрации краун-эфира (б)

Экстракция является количественной (концентрация аминокислот 2-Ю'5 -НО^М) при концентрациях ДЦГ18К6 выше 0,05М, при более высоких концентрациях аминокислоты требуемая концентрация краун-

эфира составила Для аминокислот Trp, Leu, Gly, Ala соотношение

аминокислота : ДЦГ18К6 в экстрагирующемся соединении составляет 1:1, для Lys и Arg на одну молекулу лизина или аргинина приходится две молекулы краун-эфира (при рН 2 основная часть этих аминокислот присутствует в растворе в виде двухзарядных катионов). Время достижения экстракционного равновесия не превышает 15 мин.

В экстракционную систему анионы-партнеры специально не вводили. Уравнение, описывающее экстракцию следует представить в виде обменной реакции, в результате которой катион аминокислоты переходит в органическую, а катион имидазолия - в водную фазу:

АтНД,, + ДЦГ18Кб(0) + 1т+(0) — АтНг"!" ДЦГ18К6(0) + 1т+(в)

Аминокислоты количественно реэкстрагируются щелочными водными растворами (рН>9), время реэкстракции - не более 20 минут.

Предложен метод экстракционного выделения аминокислот из технологического раствора микробиологического производства (культуральной жидкости) и флуориметрического определения аминокислот после реэкстракции. Аминокислоты количественно экстрагируются краун-эфиром (ДЦП8К6) в ионную жидкость - гекафторфосфат метилбутилимидазолия - из нативного раствора и количественно реэкстрагируются щелочными водными растворами. Показана возможность экстракционного выделения аминокислот с последующей количественной реэкстракцией и определением в лекарственных препаратах.

Азамакроциклы как реагенты-«хозяева»

Недостаток краун-эфиров как реагентов — склонность к (мешающему) взаимодействию с «жесткими» катионами металлов. Иногда этот недостаток является достоинством - можно, например, использовать конкуренцию амина и металла за реагент, чтобы косвенно определять органическое соединение по металлу - если использовать чувствительное определение металла. Так, мы показали, что амины можно определять радиометрически на уровне микромолей

90 с

с использованием йг и радиометрического определения.

Однако в большинстве случаев влияние металлов - помеха. Натрий, кальций и калий часто содержатся в (био)объектах, интересных для экстракции и анализа. На рис. 12а на примере экстракционно-фотометрического определения бензиламина с ДЦГ18К6 и пикрата показано, как определению амина мешают катионы щелочных и щелочноземельных металлов (рис. 12а).

Для устранения мешающего влияния катионов щелочных и щелочноземельных металлов можно попытаться использовать в качестве экстрагента макроцикл, в котором часть атомов кислорода замещена на атомы азота: такие соединения дают менее устойчивые комплексы с «жесткими» металлами, но сохраняют способность к

образованию водородных связей с протонированным амином. Показано, что бензиламин можно определять с триоксатриазамакроциклом (ТОТА) в интервале 5-100 мкг/мл с пределом обнаружения 1 мкг/мл, при этом определению не мешает присутствие калия и аммония, больших количеств натрия, а также некоторых алифатических, ароматических аминов и аминокислот (рис 126).

Рис. 12. Градуировочные графики для экстракционно-фотометрического определения бензиламина с ДЦГ18К6 (а) и реагентом ТОТА (б) и пикратом CL -110"3М Хлороформ), СНР1, = 5 10°М

На основе реагента ТОТА разработан также ионселективный электрод для определения аминов, столь же выгодно отличающийся по селективности от основанных на краун-эфирах (рис. 13).

Na+ K+ NH4+ MeNHü+ Me3NH+ Bu2NH2+

IgKpot 1/j 0

-0.5 -

-1 --

-1.5 -

BzNH3+

-2 -

Me2NH2+

-2.5

a ДБ18К6

катионы

a TOTA

Рис. 13. Коэффициенты потенциометрической селективности ИСЭ на октиламмоний на основе краун-эфира и азамакроцикла.

Поданды как реагенты-«хозяева»

Еще один класс реагентов, существенно расширяющий возможности комплексообраования «гость-хозяин» - открытоцепные полиэфиры, поданды Поданды легко синтезируются и модифицируются; они более доступны и дешевы, чем макроциклы. Из-за отсутствия макроциклической платформы для них, конечно, в меньшей степени характерна предорганизация; однако компенсировать ее отсутствие можно, вводя в молекулу терминальные группы с высоким сродством к связываемому соединению. Наш интерес привлекли, в частности, поданды с фосфоросодержащими терминальными группами, которые отличаются высокой основностью. К моменту начала наших работ было известно, что эти реагенты - хорошие комплексообразователи по отношению к некоторым ионам металлов; мы предположили, что такие поданды (некоторые из них показаны ниже) должны быть эффективны и для связывания аммонийных соединений.

0=Р РЬг "

О'

/'Ч

РИ,Р=0

п

п = 0-6

п=3 МОЗ

5 М06

Поданды исследовали как экстрагенты и переносчики в мембранах ионселективных электродов, прежде всего — для аминов. Показано, что эти реагенты практически не уступают краун-эфирам. Они так же способны различать первичные и вторичные/третичные амины, демонстрируя селективность к первым (данные об экстракции). Исследована экстракция пикратов аминов широким кругом подандов и сделаны выводы о связи строения реагентов с экстракционной способностью (наилучшую эффективность - и селективность в присутствии посторонних веществ - демонстрируют поданды с тремя полиэфирными атомами кислорода и короткими/стеричести жесткими мостиками «цепь-терминальная группа», например, поданд МОЗ (отметим, что именно для этого поданда может реализоваться оптимальная схема связывания протонов "гостя" атомами кислорода "через один" с участием обоих фосфорильных, наиболее основных, атомов)

Разработаны методики экстракционно-фотометрического определения октиламина и амфетамина с подавдами и пикраюм Амфетамин можно определять в интервале содержаний (О 3-5 0) 103 М, Сп1и - 1 5 10-6 М) Определению не мешают 1000-кратные количества калия и натрия, 7500-кратные - мочевины и 250-кратные - глюкозы, что позволяет рекомендовать разработанный метод для анализа биологических жидкостей

Поданды -хорошие ионофоры Так, для всех исследованных подандов МОП получены мембранные ИСЭ, демонстрирующие теоретический отклик по отношению к октиламмонию (для мембран на основе трифенилфосфиноксида -модели терминальных групп подандов - электродная функция намного хуже) Среди всех изученных мембрана на основе поданда МОЗ наиболее селективна в присутствии посторонних ионов

Помимо аминов, с подандами можно экстрагировать и определять другие соединения. Интересный пример - гуанидиний. Ион гуанидиния несет три аминогруппы при общем катионном центре => может образовать 6 водородных связей. Длинноцепочечный поданд МО6 с 8 атомами кислорода (шесть полиэфирных и два фосфорильных) обеспечивает полную комплементарность (предполагаемая схема связывания показана в сравнении с известной - по данным РСА - для краун-эфиров).

На основе поданда М06 получен и лучший ИСЭ на гуанидиний (рис. 14).

О 1456789 10

МитЬег ей охудепз (ро!уе№ег+2)

Рис. 14. Наклон электродной функции гуанидиний-селективных ИСЭ на основе подандов МОп в зависимости от длины полиэфирной цепи переносчика.

Другой пример использования подандов для определения соединений, отличных от первичных аминов, анализ на катионные поверхностно-активные вещества (КЛАВ) тетраалкиламмониевого и алкилпиридиниевого ряда.

Несмотря на отсутствие у этих соединений способных к образованию

водородных связей протонов, можно было рассчитывать на эффективное связывание гибкими реагентами, содержащими сравнительно много электронодонорных центров (благодаря ион-дипольным взаимодействиям). Мы использовали длинноцепочечные фосфорилсодержащие поданды..

Установлено, что открытоцепочечные полиэфиры эффективно переносят катионы додецилпиридиния (ДДП) и додецилтриметиламмония (ДЦТМА) через жидкие малополярные мембраны, причем общие закономерности транспорта сходны как для алифатического, так и пиридиниевого "гостя"; чем длиннее полиэфирная цепь, тем лучше. Заметим, что скорость транспорта выше, чем для также исследованных нами каликсаренов и краун-эфира ДБ18К6.

Любопытно возрастание ионофорной активности (данные для наиболее активного переносчика - поданда М05; бромиды КЛАВ) в ряду субстратов одинаковой гидрофобности, но отличающихся природой гидрофильной «головы»: C^fysNHj* (6 мкмсль/час) < C12H25NC5H54 (9 мкмоль/час) < С|2Н25М(СНз)з* (12 мкмоль/час). Учитывая возможность образования водородных связей алкиламмония с "хозяином", а также более стерически доступный положительный заряд у алкилпиридиния, мы должны были бы получить прямо противоположную последовательность. Мы изучили экстракционные свойства подандов по отношению к КПАВ; как оказалось, лучше всего (как и должно быть) экстрагируется моноалкиламмоний, за ним следуют алкилпиридиний и тетраалкиламмоний. Таким образом, ряд транспортной селективности обратен экстракционному; вероятно торможение реэкстракции «гостя» в фазу приемника для слишком хорошо связывающихся соединений.

На основе длинноцепочечных подандов разработаны ИСЭ для определения КПАВ. Показаны их преимущества перед ИСЭ на основе простого катионообменника и краун-эфира: ниже пределы обнаружения, выше селективность.

Разработанные ИСЭ применены для определения катионных пав методами прямой потенциометрии и потенциометрического титрования (анализ водопроводой и речной воды, определения КПАВ в продукции парфюмерной промышленности, определение критической концентрации мицеллообразования КПАВ, контроля связывания ПАВ в растворах полиэлектролитов). Малое время отклика ИСЭ позволило использовать их для детектирования КПАВ в проточно-инжекционном и хроматографическом анализе.

Отметим в заключение, что поданды использованы также для экстракции и экстракции/определения некоторых других соединений (новокаин, эфиры аминокислот и даже аммиакаты металлов).

Поданды с анионогенными терминальными группами

И в экстракции, и в потенциометрии наибольшие трудности вызывают гидрофильные соединения, содержащие несколько полярных групп -

аминокислоты, их эфиры, катехоламины. Так, если даже удается получить ИСЭ приемлемого качества, для улучшения потенциометрического отклика приходится вводить в мембрану липофильную ионогенную добавку (что может привести к ухудшению селективности).

Перспективны реагенты с анионогенными группами, которые могут обеспечить образование нейтральных ассоциатов. Мы исследовали возможности подандов с анионогенными терминальными группами в ИСЭ на органические соединения. На примере подандов с обычными нейтральными терминальными группами и (ди)кислотных показано, что наличие в молекуле высокоосновных анионогенных терминальных групп действительно существенно улучшает электродные характеристики в растворах аммонийных соединений (октиламин - рис. 15; метиловый эфир фенилаланина) и позволяет проводить определение без введения в мембрану анионогенной добавки.

е.

60

30

20

50

40

10

0

р

5

4

3

2

Рис. 15. Вид электродной функции в растворах октиламмония в зависимости от присутствия анионогенных групп в структуре поданда-ионофора.

Каликсарены как реагенты-«хозяева»

Каликсарены - макроциклические олигомеры фенола и формальдегида -содержат бензольные кольца с объемными заместителями в пара-положениях ("верхний обод"). Размеры и гидрофобность полости каликсарена можно варьировать, изменяя количество бензольных колец и природу заместителей; можно модифицировать реагент введением в "нижний обод" эфирных, сложноэфирных, амидных. тиоамидных и других групп, способных участвовать в образовании водородных связей и в ион-дипольном взаимодействии с молекулами "гостей". Часто для каликсаренов при взаимодействии с ионами или молекулами реализуется конформация "конус" или "чаша" - своего рода "молекулярная корзина".

Мы исследовали ионофорные и электродные свойства калиго [8] аренов с различными заместителями в "верхнем" и "нижнем ободе".

"2

Ви8Е 1-Ви СН2СООС2Н5

Ас18Е А<1 СН2СООС2Н5 Ас18ЕМ Ас! СН2СОО(СН2)2ОСН3

Адамантильный реагент использовали как экстрагент и электродноактивный компонент ИСЭ на первичные амины и КЛАВ Преимущества перед краун-эфирами меньше сродство к «жестким» катионам и выше липофильность (время жизни ИСЭ) Наиболее эффективным электродноактивным соединением для всех исследованных "гостей" является адамантилкаликс[8]ррен Лё8Е со сложноэфирным заместителем в "нижнем ободе" (метоксикарбонилэтокси-группа)

Разработаны ИСЭ дня определения окгиламмония (Стт= 2 105 моль/л), эфиров аминокислот (Сгшп= 5 105 моль/л) и новокаина (Стш= 2 105 моль/л) Коэффициенты селективности составляют (К1™1,/, *Ю2 -105) в присутствии щелочных, щелочноземельных и некоторых органических катионов

В отличие от подандов, каликс[8]арены до некоторой степени «различают» алифатические и пиридиниевые КЛАВ Так, для алкиламмониевого иона высокие скорости переноса получены в случае использования каликс[8]аренов с объемными адамантильными заместителями. В случае пиридиниевого "гостя" максимальная скорость переноса достигается с простейшим и "наименее замещенным" октаметилированным каликсареном. Для ИСЭ на основе последнего реагента коэффициент селективности додецилпиридиний/ додецилтриметиламмоний составляет 0 4.

Интересно, что поданды и каликсарены способны - до определенной степени - к мембранному транспорту моно- и олигосахаридов (через хлороформную мембрану, несомненно, вследствие образования водородных связей)

Металлокомплексные и элементоорганические соединения как

реагенты-"хозяева"

Металлокомплексные и элементоорганические рецепторы потенциально чрезвычайно перспективны для целей выделения и определения органических соединений Центральный атом представляет собой мощный центр связывания подходящих по природе органических соединений или их групп, например, азотсодержащих и карбоксигрупп Замена центрального атома (обычно металла) позволяет варьировать сродство'рецептора к различным субстратам; входящие в рецептор лиганды могут модифицировать свойства центрального атома, влиять на селективность и другие аналитические свойства рецептора, а также содержать дополнительные центры связывания полифункциональных соединений

Использование металлокомплексных рецепторов часто позволяет, в принципе, заменить процедуру органического синтеза реагента — обычно весьма непростую и трудоемкую — процедурой синтеза комплекса. Особенно интересен наиболее простой и удобный вариант — получение комплекса m situ, например, в экстракционной системе либо мембране селективного электрода Очень интересная особенность металлокомплексных и элементоорганические реагентов - возможность связывания как катионов, так и анионов; важно лишь наличие подходящих координационно-активных групп.

Разумеется, ион металла в металлокомплексном рецепторе должен быть способен к повышению координационного числа или лигандному обмену.

Заметим, что металлокомплексные реагенты в аналитической химии фактически используются в лигандообменной хроматография, где разделение органических веществ проводят с помощью привитых на поверхность металлокомплексов. Еще интереснее параллель с синергетической экстракцией, использующей добавки подходящих органических веществ-синергентов. для улучшения извлечения координационно-ненасыщенных комплексов металлов, например, Р-дикетонатов. В сущности, опыт синергетической экстракции подсказывает, какие комплексы можно использовать как реагенты на органические соединения.

Р-Дикетонаты металлов

р-Дикетоны - широко известные аналитические реагенты и экстрагенты, для которых во многих системах описана синергетическая экстракция. Мы использовали в качестве реагентов на органические соединения различные дикетонаты кадмия и никеля. Эти комплексы часто экстрагируются довольно плохо, однако извлечение заметно увеличивается в присутствии синергентов -азотсодержащих соединений - вытесняющих воду из координационной сферы металла. Увеличение степени извлечения металла в присутствии "гостя" (по сравнению с обычной - без добавки - экстракционной системой; использовали хлороформ) позволяло судить о концентрации "гостя" (содержание металла определяли атомно-абсорбционньм методом).

Искомый эффект - увеличение концентрации металла в экстракте, пропорциональное концентрации определяемого вещества получен для

комплексов обоих металлов; в случае кадмия аналитические характеристики лучше из-за большей чувствительности атомно-абсорбционного детектирования. Наилучшим реагентом оказался теноилтрифторацетонат кадмия. Изучена экстракция аминов разного строения и показано, что ее эффективность определяется гидрофобностью, основностью и стерической затрудненностью органической молекулы. Наличие второго координационного центра способстввует экстракции; например, в присутствии не очень гидрофобного этилендиамина экстракция увеличивается заметно - вследствие бидентатной координации, (при этом сравнимый по гидрофобности моноэтаноламин, содержащий в качестве второго донорного атома кислород, не влияет на экстракцию; таким образом, металлокомплекс распознает соединения, содержащие амино-, а не гидроксигруппы).

Теноилтрифторацетонат кадмия использован для косвенного определения эфедрина. Молекула эфедрина достаточно гидрофобна, содержит основный атом азота и два донорных атома кислорода, поэтому влияние эфедрина на экстракцию велико. Линейный участок градуировочного графика лежит в интервале концентраций эфедрина 8 10 М.

Металлокомплексы гидроксамовых кислот. Гидроксамовые кислоты (ГК)

- важнейший класс аналитических реагентов на ионы металлов; устойчивость и

гидрофобность образующихся хелатов открывает перспективы их применения в

качестве рецепторов, особенно если металл координационно ненасыщен

(молекулами ГК). Исследовали возможность о

применения таких рецепторов в мембранных // \

п—\ п—' N—он ионселективных электродах. Для работы выбрали // \_// /_ •

одну из самых гидрофобных гидроксамовых 4 п

кислот - 3-стирилакрилоилфенилгидроксиламин

(САФГА).

Металлокомплексные переносчики получали in situ (пластифицированные мембраны на основе САФГА кондиционировали в растворе соли металла; образование металлокомплексов САФГА подтверждено спектрами диффузного отражения). Для сравнения в ряде случаев получали металлокомплекс препаративно и выделенное соединение вводили в мембрану". Оказалось, что оба варианта практически равнозначны.

68

Определяли следующие соединения: аминокислоты фенилаланин (Phe), триптофан (Тгр), аспарагиновая (Asp) и глутаминовая (Glu) кислота; метиловый эфир фенилаланина (МЭФА); салициловая кислота (салицилат-ион).

Изучили электрохимическое . поведение мембран на основе металлокомплексов САФГА с ионами Fe(III), Cu(II), UO2(II), Cd(II), Pb(II), La(III) в растворах метилового эфира фенилаланина, МЭФА, при рН 5.5 - 6.0 (катионная форма). Ионы металлов выбирали так, чтобы обеспечить образование устойчи-вых хелатов с САФГА и прочных (предположительно) аддуктов этих хелатов с карбоксилсодержашим субстратом. Во всех случаях, кроме комплекса лантана, наблюдается катионный отклик; наилучшими характеристиками обладает электрод на основе комплекса уранила (для немодифицированных ионами металлов мембран отклик в растворах МЭФА отсутствует): крутизна электродной функции достигает теоретического значения, интервал линейности М04-1 •Ю-'М.С,™ 5 'Ю-5 М.

Изучили экстракцию уранил-иона с САФГА из воды в хлороформ и, по соответствующей билогарифмической зависимости, нашли соотношение компонентов в металлокомплексе 1:2. Можно предположить, что и в пластифицированной мембране электрода образуется комплекс состава 1:2, который может присоединять - по атому металла - МЭФА.

Металлокомплексы САФГА с ионами Fe(III), Cu(II), U02(II), Cd(II), Pb(II), V02(II), Sn(IV) также исследовали в качестве электродноактивных компонентов мембран ИСЭ на аминокислоты (при рН существования анионной формы соответствующей аминокислоты). В растворах наиболее гидрофобных фенилаланина и триптофана все мембраны проявляют анионный отклик; наилучшими оказались мембраны, модифицированные оловом (IV), Косвенно этот факт подтвержает координацию карбоксигруппы аминокислоты к металлу — оксофильный характер олова (IV) хорошо известен. Для фенилаланина крутизна электродной функции приближается к нернстовскому значению (S=51±5) мВ/дек, для триптофана - достигает теоретического значения (S=60±5) мВ/дек в интервале концентраций от 2-Ю'5 ДО МО"2 М.В случае аспарагиновой кислоты существенный отклик проявляет лишь электрод на основе комплекса меди (можно предположить, что в данном случае

существенна координация аминокислоты к центральному иону металлокомплекса аминогруппой)

Ход рН- зависимостей для электродов на основе комплексов различных металлов сходен друг с другом, лишь несколько различны области независимости потенциала электрода от рН Из данных о потенциометрической селективность ИСЭ на основе металлокомплексов САФГА видно, что для многих липофильных анионов нарушается классический ряд селективности Гофмейстера, что свидетельствует о важной роли взаимодействия определяемого соединения с металлом

На основе металлокомплекса САФГА с оловом (модифицирован стабилизирующей катионогенной добавкой) разработан ИСЭ на аёШртам.

Аспартам (Е-951) - широко используемый в пищевой промышленности заменитель сахара - дипептвд метилового эфира фенилаланина и аспарагиновой кислоты - по своему строению близок к используемым в настоящей работе аминокислотам Кроме того, аспартам при рН=8,5 присутствует в растворе в форме, пригодной для ионоАетрического определения (моноанион) в интервале концентраций МО^ИхМ1 М Крутизна электродной функции ИСЭ составила (64+5) мВ/дек, ст,п=3,4х10! М Влияние кислотности раствора аспартама на величину мембранного потенциала разработанного электрода имеет характер, аналогичный рН-зависимости этого электрода в растворах фенилаланина Определению аспартама не мешают десятикратные избытки большинства неорганических анионов и аминокислот (за исключением фенилаланина)

Металлокомплексы додандов Комплексы (длинноцепочечных) подандов - интересный класс металлокомплексных рецепторов Если не все атомы кислорода полиэфирной цепи поданда координированы с металлом, то они могут участвовать в связывании субстрата, в идеальном случае возможно дитопное взаимодействие с бифункциональными соединениями, например, с аминокислотами. При этом, если к металлу координируются обе концевых группы поданда, образуется "внутрициклическая" структура (аналогия с краун эфирами), что позволяет рассчитывать на повышенную селективность.

Мы исследовали комплексы уранила с подандами, содержащими различные фосфорилсодержащие терминальные группы (в особенности -анионогенные, см. выше), в качестве электродно-активных компонентов мембран ИСЭ, чувствительных к фенилаланину. Выбор уранила в качестве

центрального иона обусловлен его оксофильностью и высокими координационными возможностями.

Предварительно изучали состав и устойчивость самих металлокомплексов в липофильных средах (экстракцию U(VI) с фосфорилсодержащими подандами). Показано, что образующиеся комплексы уранила с подандами хорошо растворимы в органическом растворителе и весьма устойчивы (100%-ный переход урана (VI) в органическую фазу уже при рН 2). Образуются комплексы с соотношением для подандов с

анионогенными терминальными группами (выделяется два протона). Весьма вероятно, что при комплексообразовании обе терминальные группы координируются к металлу. При этом полиэфирные атомы кислорода реагента, по крайней мере частично, остаются некоординированными к металлу.

Далее металлокомплексы получали in situ (кондиционированием содержащих поданды мембран в растворах уранилнитрата). Полученные мембраны дают катионный отклик на метиловые эфиры метиловому эфиру фенилаланина (МЭФА) и фенилглицина (МЭФГ). В случае комплекса поданда КП крутизна электродной функции достигает теоретического значения; интервал линейности предел обнаружения данного электрода М. Данные о

потенциометрической селективности

свидетельствуют о возможности определения МЭФА в присутствии ряда неорганических и органических ионов. (Интересно, что влияние щелочных металлов увеличивается с ростом длины полиэфирной цепи "хозяина". Очевидно, это указывает на наличие "свободных" (не связанных с атомов кислорода в полиэфирной цепи "хозяина").

Мембраны, содержащие поданды с анионогенными терминальными группами, модифицированные уранилом, в растворах фенилаланина проявляют катионный отклик в интервале рН 3,0-6,2, причем при рН 6,2 крутизна электродной функции приобретает теоретическое значение

(2-10'3-Н0"' М).

Конечно, определяемые концентрации аминокислоты слишком велики для практического применения. Однако важен сам факт наличия отклика (для мембраны со свободным подандом отклик отсутствует). Если полагать, что

71

Г+сЛ

КП п=3

наилучшими предпосылками для связывания с металлокомплексом обладает цвиттер - ион аминокислоты (анионная карбоксигруппа связана с металлом, катионный аммонийный азот - с атомами кислорода полиэфирной цепи), то существует потенциальная возможность ионометрического определения аминокислот как в катионной, так и анионной форме - в зависимости от рН анализируемого раствора. Действительно, при переходе в щелочную область происходит обращение функции с катионной на анионную. Использование в качестве электродноактивного компонента мембраны, пластифицированной НФОЭ, комплекса поданда КП с уранилом, позволило достичь теоретической крутизны анионной функции в интервале содержаний 2'1(Г4-1'10' М.

Существенное влияние на селективность мембран оказывает адреналин, что было использовано в ходе дальнейших исследований. Обнаружено, что в растворах адреналина ИСЭ на основе комплекса поданда КП с уранилом обладает устойчивым катионным откликом в интервале рН 3,3-5,4. Разработали адреналин -селективный электрод

ИСЭ на основе кислотного подавда КП использован для определения адреналина в ампульной форме.

Металлокомплексы фталоцианинов. Наряду с металлокомплексами сравнительно простых бидентатных лигандов и подандов в качестве рецепторов (экстрагентов, ионофоров) мы исследовали комплексы фталоцианинов. Эти синтетические аналоги металлопорфиринов уже не удается синтезировать in situ; однако оборотной стороной этого недостатка является достоинство -чрезвычайно высокая термодинамическая и кинетическая устойчивость реагента-хозяина.

Предполагалось использовать реагенты для связывания и определения -ионометрического - анионов карбоновых кислот и оксикислот. Ориентируясь на это, выбирали комплексы металлов с достаточно выраженными оксофильными свойствами.

М=А1(Ш),Х=С1, Рс'А1С1

М=Ьи(Ш), Х=СН3СОО Рс'ЬиОАс М=Оу(Ш), Х=СН3СОО Рс'БуОАс

М=5п(1У), Х=С1, У=С1 Рс'впСЬ М=(Зе(1У),Х=С1,У=С1 РсЧкСЬ

Пластифицированные мембраны на основе всех металлофталоцианатов, за исключением родия(Ш), обеспечивают анионный отклик мембран в растворах салицилата (рН 6.2). Лучшие характеристики - по эффективности и селективности - получены для мембран на основе комплексов алюминия (крутизна электродной функции 50±2 мВ/дек, предел обнаружения - 8.<МО'5 М) и олова (53±2 мВ/дек и 1.3хЮ'5М, соответственно)

Изучение потенциометрической селективности мембран к салицилату показывает, что при использовании металлофталоцианатов наблюдаемые ряды селективности заметно отличаются от данных для мембраны на основе

анионообменника. Подтверждается, что важны специфические взаимодействия межпу реагентом и анионом, а именно, координация анионов к центральному атому металла (мембрана на основе фталоцианина Рс'Нг без металла, проявляет ряд селективности, сходный с мембраной наосновё анионообменника).

Мембраны на основе Рс'Со и Pc'CoI характеризуются высоким мешающим действием нитрит-иона, что использовано для разработки нитрит-селективного электрода.

Наибольшее отклонение от ряда селективности Гофмейстера (характерного для ионнобменников) обеспечивает фталоцианат алюминия. При этом мешающее влияние анионов, карбоновых кислот для него выше, чем для анионообменниеа (триоктилметиламмоний хлорид), что говорит о селективности металлореагента к карбоксилат-содержащим субстратам в целом. Внутри класса карбоксилатов мембранные характеристики (в том числе потенциометрическая селективность) определяются прежде всего гидрофобностью аналита. В ряду кислот молочная < уксусная < пропионовая < миндальная < капроновая < бензойная < салициловая гидрофобность соответствующего аниона повышается и селективность электрода по отношению к салицилат-иону Овк^™") изменяется соответственно:-1.75 < -1.70 < -1.67 < -1.60 < -1.53 < -1.12 < 0. В такой же последовательности улучшается крутизна электродной функции и расширяется диапазон линейности электродной функции.

Мембраны на основе Рс'А1С1 и Рс'БпСЬ (5% реагента, пластификатор - о-НФОЭ) чувствительны к аниону ацетилсалициловой кислоты, что имеет важное практическое значение. При рН 6.0 мембраны демонстрируют линейный отклик в интервале с наклоном 48+3 мВ/дек д Рс/УС1|и В745 дек

для Рс'впС^. В случае комплекса олова (IV) чувствительность определения ацетилсалицилата выше.

Высокая эффективность фталоцианатов 8п(1У) и А1(Ш) в составе салицилат-селективных электродов коррелирует с их высокой экстракционной способностью по отношению к салицилату. Фталоцианат олова (IV) даже при лишь двукратном избытке извлекает салицилат на 99%, Рс'А1Й - на 70%.

Разработанные ИСЭ на основе азареагентов и металлофталоцианатов Применены для определения анионных ПАВ и карбоновых кислот (салициловой, ацетилсалициловой, бензойной). Методом «введено-найдено» оценены метрологические характеристики прямого потенциометрического определения, показано отсутствие систематической погрешности Проведена апробация предложенных ИСЭ при контроле содержания анионных ПАВ в

парфюмерно-косметической продукции, ацетилсалициловой кислоты в таблетках ацетилсалициловой кислоты, аспирине УПСА с витамином С, бензоата в напитках.

В последнее время мы исследовали биядерные металлофталоцианаты. Предполагалось, что такие дитопные реагенты позволят селективно определять бифункциональные субстраты, например, дикарбоновые кислоты.

Электроды на основе различных типов биядерных комплексов проявляют анионный отклик в растворах малоновой, малеиновой, фталевой и терефталевой кислот. Независимо от природы центрального атома металла и мостиков в биядерных фталоцианатах, максимальная чувствительность пластифицированных о-НФОЭ мембран наблюдается по отношению к малеинат-дианиону. Лучшие электрохимические характеристики наблюдаются при использовании биядерного фталоцианата никеля типа "полураскрытая раковина" -достигается теоретическая крутизна электродной функции, широкий интервал линейности и низкий предел обнаружения Отметим, что датчики на

основе моноядерных фталоцианатов не обеспечивают воспроизводимого отклика к дианиону малеиновой кислоты, что косвенно свидетельствует о реализации двухцентрового связывания малеината биядерным реагентом. Селективность мембран на основе биядерных фталоцианатов не согласуется с липофильностью ионов, что также свидетельствует о специфическом взаимодействии определяемого вещества с активным компонентом мембраны.

Борсодержащие реагенты Помимо металлов, в качестве координационно-активного центра реагента-«хозяина» естественнно использовать и атомы других элементов. Особенно интересны соединения бора, известные своей способностью связьшать полигидроксисоединения, причем в мягких условиях, быстро и обратимо:

Их можно, при наличии достаточно гидрофобных заместителей, использовать, например, в качестве рецепторов в ИСЭ (примеров такого рода ранее в литературе не было), экстрагентов и т.д. Определяемые соединения могут включать катехоламины, фенолокислоты и др. Отметим, что для перевода в органическую фазу катехоламинов не требуется введения дополнительных противоионов, что повышает селективность выделения.

Мы исследовали ряд борсодержащих реагентов, прежде всего, арилборные кислоты.

4-Октилоксифенил борная слота (ОФБК)

З-Нитрофенилборная слота (НФБК)

3,5-Динитро-4-толил борная слота (ДНТБК)

3-(4-Толилазо)фенилборная слота (ТАФБК)

Ионофорные, экстракционные и электродноактивные свойства арилборных кислот изучены по отношению к катехоламинам (дофамину, адреналину, норадреналину и добутамину) и фенолокислотам - кофейной, галловой, гомопротокатеховой и салициловой.

Предварительно исследовали свойства свободных реагентов -кислотность (методом кулонометрического титрования) и липофильность. Липофильность ОФБК крайне велика; остальные изученные производные фенилборной кислоты заметно менее липофильны. Кислотность всех реагентов, за исключением ОФБК, выше, чем для фенилборной кислоты (ФБК); ряд по

К ~ ФБК - ОФБК.

Все изученные реагенты эффективно экстрагируют

добутамин (соотношение

компонентов в экстрагируемых комплексах равно 1:1). В качестве экстрагентов дофамина изучены ТАФБК и ДНТБК; степени извлечения составили 60 и 99,9 %, соответственно. Отметим, что наличие в молекуле катехоламина катионного центра

протонированной аминогруппы - позволяет осуществлять экстракцию без введения дополнительных противоионов, что потенциально повышает селективность выделения.Методом изомолярных серий определено для всех реагентов. Наиболее эффективными экстрагентами являются ДНТБК и НФБК, кислотность которых сравнительно высока; недостаточная кислотность ОФБК и ТАФБК препятствует их использованию в качестве экстрагентов, что, однако, еще не означает невозможности применения данных фенилборных кислот в мембранном транспорте/ИСЭ: экстракционные и ионофорные свойства не обязательно изменяются симбатно. Мы изучили транспорт добутамина замещенными фенилборными кислотами через жидкую хлороформную мембрану. Наблюдаемая скорость транспорта следующая (мкмоль/час): 0.2 (ДНТБК) < 0.6 (НФБК) ~ 0.65 (ТАФБК) « 9.6 (ОФБК). Как видно, ряды эффективности мембранного транспорта и экстракции различными реагентами противоположны друг другу, изучали электроды на основе всех доступных реагентов.

Изучены электрохимические свойства поливинилхлоридных мембранных электродов на основе арилборных кислот в растворах

77

увеличению рКа: ДНТБК < НФБК <

НО

1. мн

т N.

СН3

41 ¿2

он Н норадреналин

он Ме адреналин

н Н дофамин

н (4-НОРЬСУ2СИ2СН(Ме)

добутамин

катехоламинов (в первую очередь наиболее липофильного добутамина). Пластифицированные о-НФОЭ мембраны на основе ТАФБК и ДНТБК проявляют слабый катионный отклик в растворах добутамина, значения крутизны электродной функции составили 21 +4 и 11+1 мВ/ра, соответственно. Использование в качестве активного компонента ОФБК приводит к значительному улучшению функционирования мембраны. Однако, крутизна электродной функции не достигает теоретического значения в растворах потенциалопределяющего иона и составляет 48+3 мВ/ра, предел обнаружения -М. При изменении пластификатора на диэтилсебацинат снижается предел обнаружения, линейный диапазон определяемых содержаний расширяется, крутизна электродной функции приближается к теоретическому значению, улучшается воспроизводимость измерения потенциала, время отклика уменьшается до 10-15 секунд; мембраны функционируют в течение полутора - двух месяцев.

Природа фенилборной кислоты заметно влияет на электрохимические

характеристики ИСЭ. В случае НФБК, обладающей наименьшей

гидрофобностью и невысокой инофорной активностью, крутизна электродной

функции сильно отличается от теоретической; лучшие электрохимические

характеристики проявляют мембраны на основе ТАФБК и ДНТБК, которые

обладают, видимо, оптимальным сочетанием кислотности и гидрофобности, и -

i

хотя не являются лучшими ионофорами - эффективно экстрагируют добутамин. Для всех электродов наблюдается область независимости потенциала от рН; диапазон рН-функционирования расширяется в ряду ОФБК (6.7-8.0) < НФБК (6.3-8.0) < ТАФБК (4.8-7.6) < ДНТБК(3.0-7.5).

Потенциометрические коэффициенты селективности свидетельствуют о том, что определение добутамина возможно в присутствии значительных количеств щелочных и щелочноземельных металлов, а также катехоламинов

(^«ю^ю"2).

По отношению к менее липофильным катехоламинам электрохимические характеристики мембран ухудшаются в ряду добутамин > дофамин > адреналин > норадреналин. В этом же направлении происходит и сужение рабочего рН-диапазона.

Разработанные ИСЭ примененыдля определения катехоламинов {добутамин, дофамин) в плазмг крови и моче. Использовали селективное экстракционное выделение добутамина из

плазмы крови и мочи с использованием в качестве экстрагента ДНТБК с последующим ионометрическим определением с помощью разработанных мембранных электродов на основе ТАФБК и ДНТБК.

Соединения бора можно применить как реагенты и на анионогенные соединения, в частности, дигидроксикарбоновые фенолокислоты. В этом случае в мембранную фазу необходимо введение катионогенной добавки - для компенсаций отрицательного заряда (-2) потенциального комплекса анионов фенолокислот с переносчиком:

Заметим также, что возможно и определение моногидроксикарбоновых кислот (достаточно гидрофобных, например, салициловой):

?Н О

Использовали добавки разной природы: фосфониевый катион -трибутилгексадецилфосфоний бромид (ТБГДФ) и диамин тетрагексагексадецилэтилендиамин (ТГЭДА). Наиучшими электрохимическими свойствами в растворах кофейной, галловой и гомопротокатеховой кислот обладают мембраны на основе ассоциатов ДНТБК либо ТАФБК с ТГЭДА (пластификатор - диэтилсебацинат; для менее липофильных галловой и гомопротокатеховой кислот электродные характеристики хуже). Возможно использование электрода на основе, например, ассоциата ТАФБК с ТГЭДА для селективного определения кофейной кислоты в объектах растительного происхождения.

Для определения кофейной кислоты в лекарственном препарате "Иммунал" использсвали электрод на основе ТАФБК, функционирующий в даапазсне концешраций 1 х I О4 - ЫО'2 М (с™=2.5х10-5М).

о

но

он

НО'

кофейная кислота

Существенное влияние на отклик ИСЭ по отношению к кофейной кислоте оказывает салицилат (известно, что ароматические производные борной кислоты образуют комплексные соединения с салициловой кислотой). Опираясь на это, использовали арилборные кислоты для разработки салицилат-селективного электрода.

Исследовали также связывание арилборными кислотами аминокислот (с образованием нейтрального циклического бороксазолидона). Установлено, что с ДНТБК и азофенилборной кислотой аминокислоты можно

экстрагировать в хлорлформ в цвиттер-ионной форме (интервал рН максимального извлечения определяется кислотностью реагента и условием существования аминокислота в цвиттер-ионной форме). Однако эффективность извлечения даже для триптофана не превышает 50%.

Комплексы борной кислоты с гидроксамовыми кислотами

Как показано выше,' арилборные кислоты - прекрасные реагенты. Однако некоторые синтетические проблемы связаны с необходимостью введения в молекулу связи бор-углерод. Можно попытаться «соединить» остаток борной кислоты с гидрофобным радикалом другим путем, например, через связи В-О. Для этого 'достаточно получить комплекс борной кислоты с каким-либо гидрофобным диодом или енолом. Для этой цели подходят, например, гидроксамовые кислоты (ГК) и пирокатехин.

Мы, в частности, использовали ряд ГК, в том числе стирилакрилоил-фенилгидроксиламин (САФГА, см. выше; это соединение оказалось наилучшим). ' Электродноактивные компоненты получали in situ кондиционированием мембран, содержащих ГК или пирокатехин, в растворе борной кислоты (точно так же, как описано выше для комплексов металлов). Комплексообразование исследуемых ГК с борной кислотой подтверждено на примере САФГА (см. выше) спектроскопически.

Электрохимические свойства полученных мембран изучены по отношению к добутамину (рН=6 0). Все мембраны обладают катионным откликом. Для ИСЭ на основе САФГА S=55±l мВ/рС, Стт=7.9*10'6 М; электрод позволяет определять добутамин в широком диапазоне рН (5.8-8 6) в присутствии щелочных, щелочноземельных металлов, а также других катехоламинов

Предложенный подход существенно расширяет круг гидрофобных соединений бора, пригодных для ионометрического определения полигидроксисоединений. Эксплутационные характеристики мембран не уступают полученным при использовании арилборных кислот.

Выводы

1. Построена топологическая классификация полидентатных реагентов с числом донорных атомов до восьми. Исследована совместимость всех топологических схем с характерными координационными полиэдрами с соответствующим числом вершин.

2. Предложен подход к теоретическому конформационному анализу полихелатных координационных соединений, основанный на анализе информационных возможностей отдельных хелатных циклов и их "сшивки" на шаблоне - координационном полиэдре центрального атома. Его применение во многих случаях позволяет анализировать/предсказывать основные черты стереохимии комплексов без каких-либо расчетов. В качестве примера выполнен молекулярный дизайн макроцикла, фиксирующего заданную координационную геометрию; впоследствии зарубежными коллегами независимо синтезированы аналоги сконструированного реагента и структурным анализом показано полное выполнение предсказаний.

3. Предложен новый вариант метода молекулярной механики для расчета геометрии и энергии координационных соединений, основанный на использовании модели Гиллеспи-Киперта для описания строения координационного окружения центрального атома. Предложен способ определения металл-зависимых расчетных параметров, основанный на анализе сил на атомах координационной сферы.

4. Определены расчетные параметры и рассчитаны сотни структур координационных соединений переходных (железо, никель, кобальт, хром) и послепереходных (цинк, кадмий) элементов, лантанидов и бора с реагентами, содержащими аминные, пиридильные, карбоксилатные, дикетонатные и гидроксильные лигандные группы. Результаты расчетов использованы для анализа строения и устойчивости комплексов полидентатных реагентов.

5. Предложены "смешанные" по лигандным группам сорбенты с управляемой селективностью по отношению к ионам металлов.

Возможность регулирования и даже обращения селективности доказана на ряде примеров.

6. Построена эмпирическая классификация катионов металлов по их комплексообразующей способности (по выборке более 15 тыс. значений 1§К| для комплексов 24 катионов металлов и протона с 3960 реагентами). Определены группы «родственных» катионов. Полученная классификация дополняет и корректирует схему жестких и мягких кислот и оснований Пирсона применительно к ионам металлов, что иллюстирируется рядом практических примеров.

7. Краун-эфиры и азамакроциклы использованы как реагенты для выделения и определения аминов, и аминокислот, а также родственных соединений. Показано, что замещение части атомов кислорода реагента на атомы азота позволяет повысить селективность связывания/определения. Разработан ряд методик определения (экстрационно-фотометрического, потенциометрического) соответствующих соединений.

8. Показано, что при экстракционном выделении высокополярных органических соединений (аминокислоты) перспективно применение нового класса органических растворителей - ионных при комнатной температуре жидкостей.

9. Фосфорилсодержащие поданды применены как экстрагенты и ионофоры для выделения и определения аминосодержащих соединений, в том числе - катионных поверхностно-активных веществ. Показано, что во многих случаях они не уступают макроциклам по экстрационной и ионофорной способности. Для связывания и извлечения аминов и аминокислот, а также родственных соединений использованы каликс[8]арены. Разработан ряд способов определения соответствующих соединений.

10. Комплексы металлов применены как реагенты для связывания и определения аминов, аминосодержащих соединений и органических кислот. Предложено использовать в этом качестве металлокомплексы простых бидентатных лигандов (Р-дикетоны, гидроксамовые кислоты), комплексы подандов и в особенности фталоцианаты металлов.

Разработан ряд ионселективных электродов на соответствующие соединения.

11.Борсодержащие реагенты (прежде всего - замещенные фенилборные кислоты) использованы как экстрагенты, ионофоры и компоненты мембранных электродов для выделения и определения гидроксилсодержащих органических соединений (катехоламины, фенолокислоты, углеводы). Показана возможность использования реагентов'нового типа - гидрофобных соединений гидроксамовых кислот и борной кислоты. Разработан ряд соответствующих ионселективных электродов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: Главы в монографиях и обзорные статьи

1. Zolotov, Yu.A., Torocheshnikova, 1.1., Pasekova, N. A., Dmitrienko, S. G., and Pletnev, I. V. Extraction of amines facilitated by host-guest complexation. In: Solvent Extraction in the Process Industries. Ed by D.H. Logsdail and MJ. Slater. Vol. 2. Elsevier: L. -N.-Y., 1993. Pp. 1132-1137.

2. Pletnev, I.V.; Zolotov, Yu. A. Host-Guest Complexation as a Tool in Extraction and Membrane Transport of (Bio)organic Compounds. In: Ion Exchange and Solvent Extraction. V.13, ed. by Marinsky, J.; Marcus. Y. Marcel Dekker. N.Y.:L:Hong Kong. 1997. Chapter 3. Pp. 95-139.

3. Плетнев И.В. Комплексообразование и селективность. В кн.: Макроциклические соединения в аналитической химии. Под ред. Ю.А. Золотова и Н.М. Кузьмина. М.: Наука. 1993. Сс. 35 - 52.

4. Плетнев И.В., Торочешникова И.И. Разделение и определение органических соединений. В кн: Макроциклические соединения в аналитической химии. Подред. Ю.А. Золотова и Н.М. Кузьмина. М.: Наука. 1993. Сс. 289 - 319.

5. Pletnev, I.V. Complexation and Selectivity. In: Macrocyclic Compounds in Analytical Chemistry. Ed. by Yu. A. Zolotov. Monographs in Chemical analysis, v. 143. Wiley-Interscience: New York. 1997. Chapter 2. Pp. 41-62.

6. Pletnev, I.V.; Torocheshnikova, I.I. Separation and Determination of Organic Compounds. In: Macrocyclic Compounds in Analytical Chemistry. Ed. by Yu. A. Zolotov. Monographs in Chemical analysis, v. 143. Wiley-Interscience: New York. 1997. Chapter 6. Pp. 359-404.

Статьи

7. Плетнев И.В. Теоретическое исследование конформации Njö-содержащего макроцикла и возможностей его взаимодействия с Си2+. Вестник МГУ. Сер.2. Химия. 1983, т. 24, N2, ее. 205-205.

8. Плетнев И.В., Золотов Ю.А. и Грибов Л.А. О теоретическом исследовании пространственного строения комплексов макроциклов с металлами. Докл АН СССР, 1984. Т. 276. №5. Сс. 1144-1147.

9. Плетнев И.В., Золотов Ю.А. и Грибов Л.А. Влияние стерического фактора на взаимодействие 2Ы,20-макроцикла с металлами. Коорд. химия. 1986. Т.12. №2. Сс. 185-193.

Ю.Плетнев И.В., Золотов ЮА., Грибов Л.А. и Райхштат М.М. Конформационный анализ комплексов металлов с полидентатными реагентами. Коорд. химия. 1986. Т.12. №2. Сс. 216-226.

11. Плетнев И.В. Конформационный анализ этилендиаминового цикла. Вестник МГУ. Сер 2. Химия. 1987. Т.28. №4. Сс. 399-401.

12. Pletnev I. V., and Zolotov Yu. A. Molecular design of polydentate reagents with known stereochemistry ofcomplexation. Fres. Z. Anal.Chemie, 1988. V.331,245-247.

13. Pletnev I. V. , Morosanova E. I and Zolotov Yu. A. Use of mixed stationary phases for separation of metal ions. Analytical Sciences, 1990. V.6, N9. Pp. 863866.

И.Плетнев И.В., Пасекова НА., Федотов П.С., Золотов Ю.А. Определение аминов на основе конкурентного комплексообразования "гость-хозяин". Докл. РАН, 1992. Т. 326. №1. Сс. 109 -112.

15.Торочешникова И.И., Плетнев И.В., Формановский А.А., Михура И.В., Золотов Ю.А. Экстракция и определение аминов с дициклогексил-18-краун-6 и ЫЗОЗ-макроциклом. Вестник МГУ. Сер.2. Химия. 1992. Т.ЗЗ. №1. Сс. 44 -47.

16. Торочешникова И.И., Плетнев И.В., Формановский А.А., Михура И.В., Золотов Ю.А. Экстракция и определение бензиламина с дициклогексил-18-краун-6 и ЮОЗ-макроциклом. Ж. аналит. химии. 1992. Т. 47. №6. Сс. 10531057.

17. Немилова М.Ю., Шведене Н.В., Лютикова И.В., Плетнев И.В. Экстракционные и ионофорные свойства триоксатриазамакроцикла по отношению к аминам. Вестник МГУ. Сер.2. Химия. 1992. Т.ЗЗ. №3. Сс. 280 -285.

18. Семенова Н.В., Моросанова Е.И., Плетнев И.В., Золотов ЮА. Комплексообразующие сорбенты смешанного состава на основе диаза-18-краун-6 и октаэтилпорфирина или азааналога дибензо-18-краун-6. Ж. аналит. химии. 1992. Т. 47. №9. Сс. 1596 -1599.

19. Шведене Н.В., Плетнев И.В., Немилова М.Ю., Синенко О.Д., Шеина Н.М., Баулин В.Е. Ионоселективные электроды на основе нейтральных переносчиков, обратимые к органическим катионам. Октиламмоний-селективные мембранные электроды на основе фосфорилсодержащих подандов.Ж. аналит. химии. 1993. Т. 48. №12. Сс. 1974-1982.

20. Семенова Н.В., Моросанова Е.И., Золотов Ю.А., Плетнев И.В. Динамическая модификация силикагеля с привитыми гидрофобными группами комплексообразующими реагентами и последующая сорбция металлов. Вестник МГУ. Сер. 2, Химия. 1993. Т.34. №4. с. 390-394.

21.Дмитриенко. С.Г., Плетнев И.В.,Баулин В.Е., Цветков Е.Н. Экстракция пикратов аминов фосфорсодержащими лодандами. Вестник МГУ. Сер. 2. Химия. 1994. Т. 35. №1. Сс. 71-75.

22. Zolotov YuA, Pletnev I.V., Torocheshnikova 1.1., Shvedene, N. V., Nemilova, M.Yu., Kovalev, V. V., Shokova, E. A., and Smirnova, S. V. Extraction and determination of amino compounds with calix[8]arenes. Solv. Extrn. Res Dev. Jpn, 1994. V.I, 123-136.

23. Немилова М.Ю., Шведене Н.В., Филимонова ВЛ., Плетнев И.В.,Баулин В.Е. Ионоселективные электроды на основе нейтральных переносчиков, обратимые к органическим катионам. Пластифицированный поливинилхлоридный мембранный электрод на основе фосфорилсодержащих подандов для определения ионов гуанидиния. Ж. аналит. химии. 1994. Т. 49. №4. Сс. 418-421.

24. Семенова Н.В., Моросанова Е.И., Плетнев И.В., Золотов Ю.А. Сорбционные патроны, нековалентно модифицированные 8-оксихинолином для выделения, концентрирования и атомно-абсорбционного определения кадмия и свинца. Ж. аналит. химии. 1994. Т. 49. №5. Сс. 477 - 480.

25. Моросанова Е.И., Плетнев И.В., Соловьев В.Ю., Семенова Н.В., Золотов ЮА. Обменная сорбция как способ повышения селективности выделения и определения меди и железа (III). Ж. аналит. химии. 1994. Т. 49. №7. Сс. 676 -679.

26. Дмитриенко С.Г., Плетнев И.В.,Баулин В.Е., Цветков Е.Н. Применение комплексообразования "гость - хозяин" в аналитической химии. Фосфорсодержащие поданды как реагенты для определения аминов. Ж. тачит. химии. 1994. Т. 49. №8. Сс. 804-807.

27. Pletnev, I. V. Metal ion complexes of 1,4,7-triazacyclononane and its aminoalkyl derivatives. Analysis of chelate rings fusion and molecular mechanics study. CanJ.Chem , 1994. V. 72. N5. Pp. 1404-1411.

28. Шведене Н.В., Немилова М.Ю., Затонская В.И., Плетнев И.В.,Баулин В.Е., Швядас В.И. Ионоселективные электроды на основе нейтральных переносчиков, обратимые к органическим катионам. Пластифицированный поливинилхлоридный мембранный электрод на основе .фосфорилсодержащих подандов для определения эфиров аминокислот. Ж. axdnumi химии. 1995. Т. 50. №4. Сс. 440-445.

29. Плетнев И.В., Пасекова НА., Зарина Н.П., Золотов Ю.А. Комплексообразование "гость-хозяин": бета- дикетонаты металлов как реагенты для определения азотсодержащих соединений. Докч. РАН, 1995. Т. 344. №4: Сс. 502-505.

30. Semenova N.V., Morosanova Е.1., Pletnev I.V., Maximova I.M., Zolotov Yu.A. Mixed sorbents and thei use in continuous flow analysis. Microchimica acta, 1995>v.ll9.Nl-2. Pp. 81-93.

31. Shvedene, N.V., Nemilova, M.Yu., Kovalev, V.V., Shokova, E.A., Rozov, A.K., and Pletnev, I.V. Ion-selective electrodes based on p-l-adamantylcalix[8]arene

ionophores for the determination of amino compounds. Sensors and Actuators, Part B. Chemical, 1995. V. B17. Pp. B26-B27.

32. Shvedene, N.V., Shishkanova, T.V., Kovalev, V.V., Shokova, E.A., and Pletnev, I.V. Surfactant ion-selective membrane electrodes. Analyt. Lett., 1996. v. 29. N6. pp. 843-858.

33. Шведене Н.В., Шишканова Т.В., Баулин, В. В., Плетнев И.В. Жидкостные и твердотельные ионоселективные электроды для определения катионов додецилпиридиния. Вестник МГУ. Сер. 2. Химия. 1996. Т. 37. №3. Сс. 273278.

34. Плетнев И.В. Молекулярный дизайн полидентатных комплексообразующих реагентов: от топологического анализа до молекулярной механики. Коорд. химия. 1996. Т. 22. №5. Сс. 354-356.

35. Плетнев И.В., Мельников В. Л. Метод молекулярной механики применительно к координационным соединениям: силовое поле на основе модели Гиллеспи-Киперта. Коорд. химия. 1997. Т.23. Сс. 205- 213.

36. Мельников В. Л., Плетнев И.В. Исследование амино- и пиридилсодержащих комплексов цинка(И) и кадмия (II) методом молекулярной механики: силовое поле на основе модели Гиллеспи-Киперта. Известия РАН Сер. хим. 1997. № 7. Сс. 1278-1283.

37. Шведене Н.В., Немилова М.Ю., Кочулина О.В., Пронина И.А., Плетнев И.В. ПВХ-пластифицированные ионоселективные электроды на основе нейтральных переносчиков для определения новокаина. Вестник . МГУ. Сер. 2. Химия. 1997. Т. 38. №2. Сс. 99-103.

38. Shvedene, N.V.; Shishkanova, T.V.; Torocheshnikova, LI.; Nazarova, LA.; Baulin, V.E.; Zolotov, YuA.; Pletnev, I.V. Phosphoryl containing podands as carriers in plasticized membrane electrodes selective to quarternary ammonium surfactants. J. Incl. Phenom. Mol. Recognit. Chem. 1998. V. 32. Pp. 9-21.

39. Лютикова И.В., Плетнев И.В., Матвеева И.Г. И Торочешникова И. И. Перенос углеводов через жидкостную мембрану замещенными каликс[8]аренами и фосфорилсодержащим подандом. Известия РАН. Сер. хим., 1998. №1.Сс. 175-176.

40. Шведене Н.В., Немилова М.Ю., Екимова Е.В., Тимченко М.Ф., Щербакова М.М., Плетнев И.В.. Ионофорные и электродные свойства кислотных антибиотиков по отношению к эфирам аминокислот. Вестник МГУ. Сер. 2. Химия, 1998. Т. 39. № 5. Сс. 317-320.

41. Шведене Н.В., Бельченко Н.Н., Старушко Н.В., Баулин В.Е., Плетнев И.В.. Жидкостные мембранные электроды на основе азасоединений для определения органических анионов. Вестник МГУ. Сер. 2. Химия, 1998. Т. 39. №б. Сс. 383-389.

42. Н. В. Шведене, Н. Н. Бельченко, Н. В. Старушко, М. М. Щербакова, Л. Г. Томилова, И. В. Плетнев. Салицилат-селективные мембранные электроды на основе металлофталоцианинов. Вестник МГУ Сер. 2. Химия, 1999. Т. 40. № 3. Сс. 160-164.

43. Н. В. Шведене, Л. П. Бердникова, Е. В. Бахмутова, М. Ю. Немилова, Ю. Н. Беликова, Е. С. Торопченова, В. Е. Баулин, И. В. Плетнев. Мембранные электроды на основе фосфоросодержащих подандов с анионогенными группами для определения аминов и родственных соединений. Вестник МГУ Сер 2. Химия, 1999. Т. 40. № 4. Сс. 237-240.

44. Pletnev I. V., Shvedene N. V., Lyutikova I. V., Nazarova I. A., Litvak I. M., Mikhura I. V., Zolotov Yu. A. Arylboronic compounds - novel carriers for catecholamine selective membrane electrodes. Fres J Analyt. Chem. 1999. V. 364. N8. Pp. 682-685.

45. H. В. Шведене, Лейзерович H. H., Косталындина Е. В., Коваль Я. Н., Плетнев И. В.. Фталоцианат алюминия как активный компонент мембранного ионселективного электрода/ обратимого к салицилату. Вестник МГУ. Сер 2. Химия. 2000. Т. 41. №'1? Сс. 34 36.

46. Смирнова С. В., Торочешникова И. И"., Плетнев И. В.. Экстракция аминокислот динонилнафталинсульфокислотой в присутствии дициклогексил-18-краун-6. Вестник МГУ. Сер.2.Химия, 2000. Т. 41. № 3. Сс. 186-188.

47. Смирнова С. В., Торочешникова И. И., Плетнев И. В.. Экстракция аминокислот ди-2-этилгексилфосфорной кислотой в присутствии дициклогексил-18-краун- Изв. £АЙ. Сер. хим. 2000. №5. Сс. 952-955

48. Шведене Н. В., Бердникова Л. П., Бахмутова Е. В., Немилова М. Ю., Бликова Ю. Н., Торопченова Е. С, Баулин В. Е., Плетнев И. В. Ионоселективные электроды на основе комплексов фосфорилсодержащих подандов с уранилом для определения фенилаланина. Изв. РАН. Сер. хим, 2000, сс. 1729-1732.

49. Назарова И.А., Н.В. Старушко, К.Н. Откидач, Н.В. Шведене и И.В. Плетнев. Использование гидрофобных производных борной кислоты для ионометрического определения полигидроксисоединений. Вестник МГУ. Сер.2.Химия. 2001. Т. 42. Сс. 33-39.

50. Razumov M.G., Melnikov V.L. and Pletnev I. V. Molecular mechanics calculations of beta-diketonate, aqua, and aqua-beta-diketonate complexes of lanthanidd ions using Gillespie-Kepert model. J. Comput. Chem. 2001. V. 22. N1. Pp. 38-50.

51. Otkidach D. S. and Pletnev I. V. Conformational analysis of boron-containing compounds using Gillespie-Kepert version of molecular mechanics. J. Mol. Struct. THEOCHEM. 2001; V. 536. N1. Pp. 65-72.

52. N. N. Leyzerovich, N. V. Shvedene, Yu. N. Blikova, L. G. Tomilova, I. V. Pletnev. Comparative Study of the Metal Phthalocyanates as Active Components in Salicylate-Selective Electrodes. Electroanalysis, 2001, v. 13, N3,246-252.

53. Л. П. Бердникова, Н. В. Шведене, И. В. Плетнев. Гидроксамовые кислоты и их полученные in situ металлокомплексы как электродноактивные вещества в мембранах ионоселективных электродов. Коорд. химия, 2002, т. 28, N11, сс. 816-821.

54. Pletnev I.V., Zernov V.V. Classification of metal ions according to their complexing properties: a data-driven approach. Anal. Chim. Acta, 2002, v. 455, pp. 131-142.

55. Ю.Н. Бликова, Н. В. Шведене, И. В. Плетнев. Биядерный фталоцианат меди(П) как активный компонент мембранных анионселективных электродов. Журн. аналит химии, 2002, т.57, N10, сс. 1110-1115.

56. N. V. Shvedene, I. A. Nazarova, A. A. Formanovsky, D. S. Otkidach and I. V. Pletnev. 3-(4-Tolylazo)phenylboronic acid as the active component of polyhydroxy compounds-selective electrodes. Electrochemistry Communications, 2002, v. 4, pp. 978-984.

57. 68. Darhovskii M.B., Razumov M.G., Pletnev I.V. and Tchougreeff A.L. Hybrid molecular mechanics: effective crystal field method for modeling potential energy surfaces oftransition metal complexes. Int. J. Quantum Chem. 2002, v.88, N5, pp. 588-605.

58. И. В. Плетнев, А. А. Формановский, С. В. Смирнова, И. И. Торочешникова, К. С. Хачатрян, Н. В. Шведене, М. Ю. Немилова. Ионные жидкости - новые растворители для экстракции и анализа. Журн. аналит. химии, 2003, т. 58, N7, ее. 710-711.

59. М.В. Darkhovskii, I.V. Pletnev, and A.L. Tchougreeff. Low- and high-spin iron (II) complexes studied by effective crystal field method combined with molecular mechanics. J. Сотр. Chem., 2003, v.24, N14, pp.1703-1719.

60. S. V. Smirnova, 1.1. Torocheshnikova, A. A. Formanovsky, I. V. Pletnev. Solvent extraction of amino acids into room-temperature ionic liquid with dicyclohexano-18-crown-6ji?a/. Bloanal. Chem., 2004, v. 378, pp. 1369-1375.

Авторские свидетельства и патенты

61. Моросанова Е. И., Плетнев И. В. и Золотое Ю. А. Способ приготовления сорбента для разделения ионов цинка, никеля и свинца, а также выделения цинка из смеси с указанными ионами . Авт. свидетельство 1777924. // Б. И. 1992. №44.

62. Немилова М.Ю., Шведене Н.В., Шеина Н.М., Плетнев И.В., Синенко О.Д., Баулин В.Е., Цветков Е.Н. Мембрана ионоселективного электрода для определения первичных аминов. Патент России № 5016937125 от 09.07.1992.

Отпечатано на ризографе в ОНТИ ГЕОХИ РАН Тираж 150 экз.

rf»**^ ч

/■ * /S.

\

V f Г-2192

0 7 Шй 2005