Реакции ассоциации и комплексообразования ионов Gd(III), Mn(II), Fe(III) в водных растворах полимеров тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи

БУРИЛОВА ЕВГЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

РЕАКЦИИ АССОЦИАЦИИ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ Сс1(Ш), Мп(Н), Ее(Ш) В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОЛИМЕРОВ

02.00.01 - неорганическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

г т гон

Казань-2014

005548559

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Амиров Рустэм Рафаэльевич

Официальные оппоненты: Захарова Люция Ярулловна

доктор химических наук, профессор, ФГБУН «Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова» Казанского научного центра РАН, заведующий лабораторией высокоорганизованных сред

Гусева Елена Викторовна

кандидат химических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», доцент кафедры неорганической химии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

университет имени Н.Г. Чернышевского»

Защита диссертации состоится 26 июня 2014 г. в 10 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.081.03 на базе ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18 (Бутлеровская аудитория).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Электронная версия диссертации и автореферата размещена на официальном сайте ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» www.kpfii.ru.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», научная часть.

Автореферат разослан 29 апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

' Кутырева М.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Изучение реакций образования металлокомплексов в полимерных растворах имеет большое значение, как с фундаментальной, так и с практической точки зрения. Модификация свойств комплексов в растворе в присутствии полимеров используется в химическом анализе для повышения чувствительности и селективности определения катионов металлов. Отмечено изменение максимумов полос поглощения и их интенсивности в оптических спектрах комплексов, установлено влияние на их флуоресцентные характеристики. Однако до сих пор не обращалось внимание на изменение магнитных свойств полимер-связанных комплексов парамагнитных катионов. Усиление отклика парамагнитного комплекса при его связывании с полимерной молекулой в растворе может быть также использовано в аналитических целях. Однако еще больший интерес данный эффект представляет с точки зрения зондирования в биологических и медицинских системах, например, при разработке разнообразных клеточных технологий или в клинической диагностике методом магнитно-резонансной томографии. Целевое связывание металлокомплексов с полиэлектролитами имеет большое значение при получении новых материалов, таких как функциональные полимерные покрытия на макроскопических подложках или полимерные нанокапсулы. Таким образом, исследование взаимодействий ионов металлов и их комплексов с полимерами в растворах является актуальной задачей, решение которой позволит не только углубить знания о реакциях в растворах, но и найти новые решения некоторых технических проблем, таких, например, как повышение эффективности очистки вод, создание новых сенсоров или биомедицинских диагностических меток.

Цель настоящей работы - выявление особенностей взаимодействия ионов га-долиния(Ш), марганца(П) и железа(Ш) с полимерами разного типа и строения в воде, установление закономерностей реакций комплексообразования указанных полимеров с комплексами выбранных металлов с полидентатными лигандами в растворах, нахождение условий достижения высокой релаксационной эффективности в полимерных растворах металлокомплексов.

Основным инструментом исследования выбран метод ЯМР-релаксации, чувствительный как к реакциям замещения молекул воды в первой сфере катионов металлов, так и к связыванию последних с наноразмерными частицами и агрегатами в растворах. Выбор катионов и Мп2+ обусловлен высоким парамагнетизмом их соединений в растворах, что позволяет использовать эти ионы в качестве парамагнитных зондов.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые: Метод ЯМР-релаксации на протонах воды применен для количественной оценки степени замещения молекул воды в первой гидратной оболочке марганца(Н) в ходе реакций комплексообразования и ассоциации.

Установлено замещение большей части молекул воды в первой сфере ионов Мп2+, находящихся в растворе полиэтиленимина при рН > 7, что указывает на координационный характер их связывания с аминогруппами полимера; аналогичное заключение сделано в отношении ионов Ос13+.

Показано частичное замещение гидратной оболочки ионов марганца(П) при связывании их с сульфогруппами мицелл додецилсульфата натрия и полимера поли-стиролсульфоната натрия, что приводит к конкуренции между лигандом и поли-стиролсульфонатом за связывание с катионом металла.

Магнитно-релаксационным методом установлены области кислотности растворов и концентраций реагентов, в которых взаимодействие анионных комплексонатов марганца и гадолиния с полиэтиленимином проявляется в виде роста ЯМР-релаксационной эффективности по сравнению с водными растворами. Показано отсутствие взаимодействия при использовании катионного полимера с четвертичными аммонийными группами, что указывает на важность образования водородных связей групп ионного полимера и лиганда в составе комплекса. Металлокомплексы с участием полиаминокарбоксилатов сравнительно слабо связываются с полиэтиленимином, и вытесняются в воду при добавлении солей вследствие ионного обмена с их анионами и изменения конформации макромолекулы в солевом растворе.

В растворе полиэтиленимина дифосфонат-ионы образуют устойчивые к присутствию солей полимер-связанные трис-комплексы с катионами железа(Ш), которые не существуют самостоятельно в водной среде, при этом растворы обладают существенно более высокой релаксационной эффективностью, зависящей от рН среды.

Практическая ценность.

Результаты исследования состояния ионов С(!3+, Ре3+, Мп2+ и их комплексонатов в водных растворах полимеров могут быть полезны при разработке способов концентрирования и разделения с применением технологий экстракции в точке помутнения или полимер-усиленной ультрафильтрации.

Выявленные закономерности связывания металлокомплексов с полимерами и их смесями могут быть использованы при разработке новых функциональных материалов, обладающих каталитической способностью, а также особыми спектральными, флуоресцентными электрохимическими или парамагнитными свойствами: полимерных пленок, допированных металлокомплексами, как сенсоров, или полиэлектролитных нанокапсул как зондов для биомедицинских исследований.

На защиту выносятся.

1. Результаты ЯМР-релаксационного исследования систем парамагнитный зонд (ионы Мп2+, Ос13+, Ре3+) - полимеры (неионные полимеры, триблок-сополимеры, полиэлектролиты), включая смеси последних.

2. Методика количественной оценки состояния числа молекул воды в первой координационной сфере ионов марганца(П) по данным измерений скоростей спин-решеточной и спин-спиновой релаксации.

3. Результаты парамагнитного зондирования водных и водно-полимерных растворов комплексов марганца(И), гадолиния(Ш) и железа(Ш) с участием полиамино-карбоксилатных и дифосфонового комплексонов.

4. Количественная оценка прочности связывания ионов Ос13+ и Мп2+ с полиамино-карбоксилатными лигандами в воде и растворах полимеров.

5. Данные о влиянии солей на связывание изученных металлокомплексов с выбранными водорастворимыми полимерами.

6. Анализ роли молекулярной массы полиэтиленимина и природы головной группы катионных полимеров в связывании полимеров с комплексонатами металлов.

Личный вклад автора заключается в экспериментальном исследовании состояния ионов гадолиния(Ш), марганца(И) и железа(Ш) и их комплексов с выбранными лигандами в растворах ряда полимеров методами ЯМР-релаксации, рН-метрии и спектрофотометрии, проведении математического моделирования равновесий в растворах, обсуждении и обобщении полученных результатов.

Работа поддержана грантом РФФИ 09-03-00437-а.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Итоговой научной конференции сотрудников Казанского (Приволжского) федерального университета (2012 г.), VIII-XI Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (2008-2012), Международной конференции «Euromar magnetic resonance conference» (2008, С.-Петербург), 5-ой Зимней молодежной школе-конференции "Магнитный резонанс и его приложения" (2008, С.-Петербург), V Международном симпозиуме "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures" (2009, Казань), XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (2009, С.-Петербург), 3-й международной летней школе-конференции "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (2010, Львов, Украина), I и II Всероссийских симпозиумах по ПАВ (2011, Казань; 2013, Москва), Международном симпозиуме и летней школе «Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter» 10th meeting: "NMR in Life Sciences" (2013, С.-Петербург), ХХ-ой Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" и 11-ой Школы молодых ученых "Синтез, структура и динамика молекулярных систем" «Яль-чик-2013» (2013, Яльчик, Россия), Шестой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры-2014» (27-31.01.2014, г. Москва).

Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, в том числе 1 статья в международном журнале, 3 статьи в журналах из списка ВАК, а также материалы и тезисы 15 докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2), обсуждения результатов (глава 3), выводов, списка цитированной литературы из 176 наименований и приложения. Диссертация изложена на 163 страницах, содержит 5 таблиц и 68 рисунков, а также 30 рисунков в приложении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Главе 1 (литературном обзоре) дана характеристика ультрамикрогетероген-ных растворов ПАВ и полимеров как особых сред для проведения реакций комплексо-образования. Рассмотрены общие свойства полиэлектролитов, подробно описаны кислотно-основные свойства полиэтиленимина (PEI) - полимера с pH-зависимой катион-ной функцией (раздел 1.2). Отражены типы взаимодействия в бинарной системе: ион металла - водорастворимый полимер, приведены имеющиеся в литературе количественные данные о прочности связывания полиэтиленимина с ионами металлов. Показано, что в случае PEI возможно образование координационных связей катиона металла с депротонированными донорными аминогруппами (раздел 1.3). В разделе 1.4 описано состояние комплексов металл-лиганд в растворах полиэлектролитов. В частности, отмечено, что протонированная форма ПЭИ способна как электростатически, так и путем образования водородных связей взаимодействовать с анионными комплексами металлов, показаны возможности иммобилизации металлокомплексов полиэлектролитными слоями нанокапсул. В разделе 1.5 рассмотрены основные положения метода ЯМР-релаксации, рассмотрены теоретические предпосылки для использования отношения парамагнитных вкладов в скорость спин-спиновой (R2) и спин-решеточной (R¡) релаксации протонов, Rj/Ru в растворах марганца(Н) для анализа степени замещения молекул воды в первой сфере иона зонда. Здесь же оценены возможности полимерных

мицелл и иных полимерных частиц для повышения релаксационной эффективности парамагнитных комплексов. Перспективы применения комплексов марганца(И) и железами) в качестве контрастных средств в магнитно-резонансной томографии (MPT), а также способы повышения их ЯМР-релаксационной эффективности рассмотрены в разделе 1.6.

Для достижения обозначенной цели были поставлены следующие задачи (Глава 2):

• исследовать состояние ионов марганца(Н), гадолиния(Ш) и железа(Ш) в водных растворах ряда неионных, анионных и катионных полимеров, а также их смесей, включая анализ влияния температуры на связывание ионов гадолиния с триблок-сополимерами окиси этилена и пропилена в растворах;

• провести магнитно-релаксационное исследование реакций комплексообразова-ния ионов Gd3+, Fe3+ Мп2+ с аминокарбоксильными и фосфоновыми комплексо-нами в воде и установить роль высокомолекулярного компонента раствора на состав этих комплексов и их парамагнитные свойства.

В Экспериментальной части охарактеризованы объекты и методы исследования. В качестве лигандов для катионов металлов (Мп2+, Gd3+, Fe3+) выбраны стерео-изомеры тетрабутилтиакаликс[4]ареновых тетракислот (ТС[4]Ас, TC[4]Gly), амино-карбоксильные и фосфорсодержащий комплексоны (нитрилотриуксусная кислота, NTA, этилендиаминтетрауксусная кислота, EDTA, диэтилентриаминпентауксусная кислота, DTPA, 1-гидроксиэтан-1,1-дифосфоновая кислота, HEDP). В работе использованы следующие полимеры: неионные (поливинилпирролидон, PVP, поливиниловые спирты, PVA, полиэтиленгликоль, PEG, полипропиленгликоль, PPG, триблок-сополимеры окиси этилена и окиси пропилена, «плюроники» L64, F-127 и 10R5), анионные (полистиролсульфонат натрия, PSS, карбоксилированное производное гипер-разветвленного полимера Boltorn Н40, ВС43), катионные (полиэтиленимин, PEI, молекулярной массы 600, 1200, 10000, 60000, полиаллиламин гидрохлорид, РАН, полиди-аллилдиметиламмоний хлорид, PDDC).

В качестве основного инструмента исследования выбран метод ядерной магнитной релаксации (ЯМР-релаксации) с использованием ионов Gd(III), Fe(III) и Mn(II) в качестве парамагнитных зондов. Измерения времен релаксации проводили на импульсном ЯМР-спеюрометре Minispec MQ 20 с рабочей частотой 19.75 МГц.

В работе были также использованы методы рН-метрического титрования и электронной спектроскопии. Все эксперименты и измерения вели при 298К.

Обработку экспериментальных данных проводили путем математического моделирования равновесий на ЭВМ по программе "CPESSP".

В Главе 3 изложены и обсуждены все экспериментальные результаты. Основным инструментом исследования выбран метод парамагнитного ЯМР-релаксационного зондирования, который позволяет выявлять факт связывания катионов металлов-зондов с низкомолекулярными лигандами, а также устанавливать состав и устойчивость образующихся комплексов. Кроме того, по увеличению релаксационной эффективности растворов дифильных соединений в присутствии таких ионов-зондов как Gd3+ и Мп2+ можно судить об их агрегации в воде. В качестве зондов использовали парамагнитные ионы Gd(III), Fe(III) и Mn(II), а также их комплексы с аминокарбоксильными и фосфоновыми комплексонами.

Последовательно рассмотрены результаты ЯМР-релаксационного зондирования систем: парамагнитный ион - полимер (смесь полимеров), парамагнитный ион - ли-ганд - вода (раствор полимера). Одним из важных результатов такого исследования

стала разработка методики количественной оценки числа молекул воды в первой координационной сфере ионов марганца(П) по величинам отношения скоростей релаксации R2/R1 в растворах. Она основана на известном факте, что для акваиона марганца^) время спин-решеточной релаксации Г!р почти в 4.8 раза превышает время спин-спиновой релаксации Г2р, тогда как для гадолиния(Ш), железа(Ш) и большинства других катионов-зондов разница во временах Г,р и Т2р составляет 10-20%, что соответствует отношению R2/R1 не более 1.2. Возможности разработанной методики оценки числа молекул воды в первой сфере ионов Mn(II) предварительно проверили на известных системах.

Состояние комплексонатов Gd(III) и МпШ) в водных растворах.

В ходе экспериментов использовали октадентатный лиганд - анионы диэтилен-триаминпентауксусной кислоты, DTPA, способный полностью вытеснить молекулы воды из первой сферы акваионов марганца(П) [Мп(Н20)6]2+. Для сравнения также были выбраны анионы этилендиаминтетрауксусной кислоты, EDTA. Анализ имеющихся литературных данных о строении комплексонатов марганца, указывает на то, что для комплекса Mn(II)-DTPA следует ожидать полного замещения молекул воды в первой сфере катиона металла, тогда как для комплекса с EDTA возможно присутствие одной координированной молекулы.

Результаты ЯМР-релаксационного исследования растворов указанных комплексов приведены на рис. 1.

Анализ спада релаксационной эффективности в воде (кривая 1 на рис. 1а) в области pH 2.5-4.5 проводили в предположении взаимодействия по схеме реакции

Mn2+ + H5Y = [MnH(5.n)Y]0b2)" + nH+ , (1)

записанной в форме, пригодной для использования в программе CPESSP.

Оказалось, что спад величин Rj и R2 может быть полностью описан в рамках модели, включающей последовательное образование двух комплексов: [MnHY]2" (п = 4) с константой равновесия lgK^ -8.45±0.20 (по данным Ri lgK.! -8.40±0.15 (КРЭ! 3400 MV) и по данным R2 lgK, -8.50±0.15 (КРЭ2 5000 M'V1), а также [MnY]3' (n = 5), характеризуемого более низкими значениями КРЭ1 1400 M'V1 и КРЭ2 2500 M'V1. Второй комплекс учитывали в модели с константой равновесия lgKt' -12.57 (п = 5), рассчитанной с учетом известной величины константы устойчивости lgß' 15.6 [1].

Рис. 1. Зависимость релаксационной эффективности Ri (а) и отношения R2/Ri (б) от pH водных растворов комплексов Mn(II) с DTPA (1) и EDTA (2). СМп(щ 1.0 мМ, Сл„га„,-В 1.1 мМ.

Спад релаксивности в растворе ЕОТА при рН 2.5-4 (кривая 2 на рис. 1а) обусловлен образованием известного прочного комплекса марганца(П) состава [МпЬ]2" [1]. В результате компьютерной обработки данных по уравнению реакции

Мп2+ + Н4Ь = [МпН4_пЬ](п"2)" + пН+, (2)

с использованием программы СРЕ8БР было подтверждено образование единственного комплекса [МпЬ]2", для которого значения констант равновесия оказались равны -6.56±0.06 (по данным К{) и -6.55±0.05 (по данным Л2)- Рассчитанные (с учетом констант диссоциации лиганда) значения константы устойчивости комплекса составили 14.50 и 14.51 соответственно.

Исходя из полученных величин отношения ЯгШи равных 4.8 для иона гексаак-вамарганца(П) и 1.2 для комплексоната [МпУ]3" без внутрисферных молекул воды, а также предполагая аддитивность его изменения, инкремент МДг^х) при замещении каждой молекулы воды составил 0.6. Это позволяет оценивать число молекул воды в первой сфере ионов марганца(П) в составе комплексов или ассоциатов по величине отношения Я2/К\ в водном растворе.

Система Мп(Ш- полимер» При магнитно-релаксационном исследовании состояния ионов марганца(Н) в водном растворе полиэтиленимина было установлено, что спад релаксационной эффективности начинается раньше гидролиза Мп2+ (рис. 2а). Это указывает на замещение молекул воды из первой координационной сферы парамагнитного иона [Мп(Н20)6]2+ аминогруппами полимера, что подтверждается величиной ЛуК/, равной 1.5±0.2 (рис. 26, кривая 2). Последняя близка у величине 1.2 (в ком-плексонате [МпУ]3") и соответствует числу молекул воды п = 0.5. Таким образом, мар-ганец(П) образует с молекулой РЕ1 комплекс с почти полным замещением молекул воды аминогруппами полимера.

а

Рис. 2. Зависимость релаксивности R\ (а) и отношения R/Ri (б) от кислотности среды свободного акваиона МпСЬ (1) и в присутствии PEI (2). Смппо 0-2 мМ, Cpei 11.6 мМ.

В случае полистиролсульфоната натрия (РББ) установлено, что добавка незначительного (до 1 мМ) количества полимера приводит к росту релаксивности водных растворов марганца(Н) с выходом на плато (рис 3, кривые 1, 2), которое сохраняется даже при больших избытках РЭЗ (до 20 мМ). Причиной роста Л1>2, по-видимому, является затруднение вращения аквакомплексов Мп(Н) при их перемещении из воды на заряженную поверхность анионного полимера. Высокие значения релаксационной эффективности таких растворов свидетельствуют о том, что при связывании с полиме-

ром гидратная оболочка акваиона марганца(П) нарушается незначительно. Последнее подтверждается величиной отношения скоростей релаксации Д/Л/, в пределе равной 3.3±0.1 (рис. 3, кривая 3), что соответствует вытеснению примерно двух молекул воды.

Интересный результат был получен при добавлении поливинилпирролидона (РУР) к системе Мп(И) - РББ (рис. 4).

10 20 30

cpvp • мм

Рис. 3. Зависимость релаксивности Т{\,2 (1,2) и отношения Л2/Л1 (3) водных растворов марганца(П) от концентрации РЭБ при рН 7. Смп(н) 0.2 мМ.

Рис. 4. Изменение релаксивности R\ (1) и отношения R2/R1 (2) в растворах системы Mn(II)-PSS в зависимости от концентрации PVP. Смп(И) 0.2 мМ, Cpss 1.1 мМ; pH 5.

Известно, что подобные полимеры способны к образованию интерполимерных комплексов. Нами обнаружено в широком диапазоне рН, что в присутствии смешанных агрегатов РЭЗ и РУР наблюдается синергетический эффект увеличения релаксационной эффективности (до Я, 30000 М"'с"', В2 60000 М''с"').

Таким образом, нами показано, что ионы марганца(П) можно использовать в качестве парамагнитных зондов для изучения взаимодействий в индивидуальных и смешанных растворах полиэлектролитов.

Система Мп(Щ-ТС[41 Ас-полимер. Обнаруженные ранее высокорелаксивные комплексы гадолиния с карбоксилатными производными каликсаренов [2] можно рассматривать в качестве моделей контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии. При этом лучшим солюбилизирующим агентом среди выбранных ПАВ для этих металлокомплексов в воде явилось неионное ПАВ - оксиэтилированый додека-нол Вгц-35. С целью снижения количества солюбилизатора мы изучили возможность замены НПАВ на различные полимеры. В целом неионные полимеры оказались менее эффективны как в стабилизации растворов комплексов Сё(Ш) или Мп(Н) с ТС[4]Ас, так и в достижении высоких значений релаксационной эффективности.

Использование отношения величин ДУЛ; для анализа влияния полимеров на комплексообразование марганца(И) с ТС[4]Ас позволило получить дополнительную информацию по сравнению с тем, что удавалось узнать о состоянии аналогичных соединений 0(1(111). Так, например, было установлено, что полиэтиленимин вообще препятствует взаимодействию Мп(П) с ТС[4]Ас (конус), связывая по отдельности анион каликсарена и катионы металла.

Аналогично было проверено влияние ряда плюроников (блок-сополимеров окиси этилена и окиси пропилена) на систему Мп(И)-ТС[4]Ас (конус). Как оказалось, добавление прямого плюроника Ь64 не влияет на рН начала комплексообразования Мп(П) с ТС[4]Ас (конус) (по сравнению с водной средой). Обратный плюроник 17114 затрудняет такое взаимодействие, поскольку из данных рис. 56 (кривая 4) следует, что вплоть до рН 6.5 координационная сфера ионов марганца содержит до четырех молекул воды (отношение Д/Л/ падает до -3.3-3.5), вытеснение которых происходит лишь за границами нейтральной среды.

Ъ 4

' РН

а б

Рис. 5. Зависимости релаксивности Л; (а) и отношения Л2/Й1 (б) от рН среды системы Мп(П)-ТС[4]Ас (конус) в воде (1), и в присутствии дополнительно: 10 мМ Вгц'35 (2), 20 мМ Ь64 (3), 20 мМ 17Я4 (4). См„(п) 0.2 мМ, СТС[4] ас 0.25 мМ.

Таким образом, из использованных нами полимеров ни один не смог составить конкуренции НПАВ Вгу 35 как по солюбилизирующей способности в отношении ка-ликсареновых комплексов, так и по достигаемым в физиологической области рН предельным величинам релаксационной эффективности.

Системы МпШУЕРТА-РУР и Мп(Ш-РТРА-РУР. С учетом чувствительности значений релаксационной эффективности растворов ионов гадолиния(Ш) и марган-ца(П) к связыванию с полиэлектролитами, мы проверили возможности метода ЯМР-релаксации для изучения равновесий комплексообразования этих ионов с рядом ком-плексонов в водных растворах полимеров. Известно [1], что полиаминокарбоксилаты образуют с ионами металлов анионные комплексы состава 1:1, существующие в широком диапазоне рН. Поэтому такие комплексонаты особенно удобны в качестве парамагнитных зондов для изучения влияния полимеров.

Обнаружено, что добавление неионного полимера - поливинилпирролидона (РУР) к раствору комплексоната марганца не влияет на связывание марганца(И) с БИТА (рис. 6). Это подтверждается близкими значениями констант образования и устойчивости комплексонатов в воде и растворе полимера. Так, для равновесия (2) получены величины 1ёК2каж -6.62±0.09 и 14.44 по данным Я,, и ^К2каж -6.48±0.13 и ^ркаж 14.58 по данным Д2.

«„M-V

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

1 2 3 4 5 6 7

9 10 11

PH

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 6. Изменение релаксивности Ri (а) и отношения Ri!R\ (б) в зависимости от pH среды системы Mn(II)-EDTA (1) в присутствии 110 мМ PVP (2). CMn(ii) 0.2 мМ, Cedta 0.2 мМ

Аналогичную картину наблюдали, при добавлении поливинилпирролидона в раствор комплекса марганца(Н) с DTPA: константа равновесия (1) в воде для комплекса [MnHY]2" равна lgK] -8.3±0.1, а в присутствии полимера «кажущаяся» константа равновесия составила lgKiKa5K -7.86±0.03.

Системы Мп(Ш-ЕРТА-Р88 и МпГШ-РТРА-Р88 Влияние анионного полимера на данные системы рассмотрено на примере полистиролсульфоната натрия (рис. 7).

АмМ-'с1

14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 О

5 6

а

9 10 11

рн

RJR, 6 5 4 3 2 1 0

8 9 10 11

рн

Рис. 7. Изменение релаксивности R¡ (а) и отношения R2/Ri (б) в зависимости от рН среды системы Mn(II) - EDTA (1) в присутствии 11.6 мМ PSS (2). Смп(щ 0.2 мМ, Cedta 0.2 мМ

Как видно из рис. 7, в кислой среде при добавлении полистиролсульфоната натрия к системе Мп(Н) - ЕОТА происходит связывание ионов марганца с сульфогруп-пами полимера, что приводит к резкому увеличению релаксационной эффективности. Наблюдаемый затем спад кривой обусловлен конкурентной реакцией образования прочного комплекса марганца с этилендиаминтетрауксусной кислотой в воде. Кажущаяся константа устойчивости комплексоната (1§р2каж 13.08 по данным R^) оказалась несколько меньше его константы устойчивости в воде. Подобную закономерность (^К,"™ -8.4±0.1 по данным R^) наблюдали для системы Мп(Н) - ОТРА - РЗБ.

Приведенные на рис.7 данные указывают также на то, что в области рН > 5 добавление анионного полимера к системам Mn(II)-EDTA и Mn(II)-DTPA практически не сказывается на значениях релаксационной эффективности растворов комплексов.

Комплексонаты металлов в растворах полиаминов Система Mndfí-EDTA-PEI (60000) На рис. 8 представлены зависимости релаксационной эффективности и отношения R2/Ri от рН водных растворов марганца с EDTA (кривые 1 на рис. 8а, б) и в присутствии полиэтиленимина (PEI) (молекулярная масса 60000) (кривые 2 на рис. 8а, б).

Л„М'сг'

Рис. 8. Изменение релаксивности R/ (а) и отношения R2/R1 (б) в зависимости от рН среды системы Mn(II)-EDTA (1) в присутствии 23 мМ PEI (2). Cm„(it) 0.2 мМ, CEDta0.2 mM.

В присутствии полимера (кривые 2 на рис. 8а,б) в широком диапазоне рН наблюдается рост скорости спин-решеточной релаксационной эффективности, обусловленный замедлением вращения комплекса [MnL]2", который по мере образования сразу связывается протонированными аминогруппами полимера. Данный процесс, описываемый ур.2, отвечает следующим значениям кажущейся константы образования: IgK2e = -7.85±0.09 (по данным Л,) с КРЭ, 13600 М"'с"', и -8.06±0.18 (по данным R2) с КРЭ2 21000 M'V. Значения кажущейся константы устойчивости составили, соответственно, lgpKa!K = 13.21 и 13.00. Кажущееся ослабление прочности комплексоната более чем на порядок по сравнению с водным раствором (lgP 14.5) можно объяснить конкурентным связыванием имеющихся в растворе свободных анионов EDTA с полимером. При этом состав координационной сферы полимер-связанного комплекса остается тем же, что и в воде, поскольку отношение КРЭ2/КРЭ1 для комплекса [MnL]2" в воде и растворе PEI одинаково (1.5). Следовательно, добавление полиэтиленимина не оказывает влияния как на равновесие образования комплексоната марганца, так и на состав его координационной сферы.

Влияние солей на систему Mn(lT)-EDTA-PEI С60000) Поскольку в реальных условиях применения растворы полиэлектролитов часто содержат соли, изучили их влияние на связывание комплекса с полимером. Было обнаружено, что добавки хлорида натрия ведут к резкому спаду релаксивности, и в пределе кривая совпадает с той, что получена в воде (рис. 9). Таким образом, можно считать, что хлорид-ионы оказываются конкурентами для анионного комплекса. Следовательно, заряд комплекса мар-ганца(П) с EDTA недостаточен для прочного связывания с катионным полимером в солевой среде.

Ri.M-'c'1 14000

RJR,

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

j ph о

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-,-, pH

0123456789 10 11

0123456789 10 11

a

б

Рис. 9. Изменение релаксационной эффективности R¡ (а) и отношение RJR\ (б) от рН растворов в системах MnCb-EDTA (1,2), и MnCb-EDTA-PEI (3,4) в воде (1,3) и в присутствии NaCl (2,4). CM„(ii) 0.2 мМ, CL 0.2 мМ, СРЕ123.3 (3,4) мМ, CNaci 150 мМ (2,4).

Система GdfllIVDTPA-PEI (60000) Аналогичное исследование было проведено с диэтилентриаминпентаацетатом гадолиния(Ш).

123456789 10 11 Рис. 10. Изменение релаксационной эффективности Rj для системы Gd(III)-DTPA в зависимости от рН в воде (1) и растворе PEI (2). CGd 0.2 мМ, Cdtpa 0.22 мМ, Cpei 23.3 мМ.

В целом наблюдаемые релаксационные зависимости похожи на те, что получены для марганца(И). В присутствии PEI происходит значительный рост релаксивности R\, с выходом на плато в области значений рН 2.5 - 5.5 (рис. 10). Таким образом, полностью оправдалось ожидание того, что растворы комплексоната с более высоким отрицательным зарядом при связывании с катионным полимером будут проявлять повышенные значения релаксационной эффективности вследствие эффективного торможения их вращения.

Спад релаксационных кривых в присутствии соли, свидетельствует о возможности конкурентного вытеснения комплексоната гадолиния из состава его ассоциата с полимером анионами СГ (рис. 11).

Я/.MV 20000 -18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 -2000 "

О

рН

Рис. 11. Влияние добавок NaCl на величины R¡ в растворах системы Gd(III)-DTPA-PEI. Сы 0.2 мМ, Cdtpa 0.22 мМ, Cpei 23 мМ, рН 2.5 (1), 5 (2), 6.8 (3), 8 (4).

Такого эффекта не наблюдалось в случае комплексов марганца(И) с DTPA, что можно объяснить более высоким зарядом комплекса [MnY]3" по сравнению с [GdY]2" и, соответственно, более прочным связыванием его протонированными аминогруппами полимера.

Влияние молекулярной массы полиэтиленимина на реакции образования комплексонатов С«ЩЩ и Мп(Щ

Система Мп(Ш-ЕРТА-РЕ1 (пМгЧ Выше были приведены результаты эксперимента с полиэтиленимином, имеющим высокую молекулярную массу (М„ 60000). Между тем, в плане медико-биологического применения высокомолекулярные образцы РЕ1 отличаются достаточно высокой токсичностью, тогда как с уменьшением молекулярной массы полимера токсичность резко уменьшается. В связи с этим представляло интерес оценить влияние молекулярной массы полиэтиленимина на взаимодействие ионов Мп(И) с комплексонами, и на значения релаксационной эффективности образуемых комплексонатов.

Рис. 12. Изменение релаксивности R¡ (а) и отношения R^Rx (б) в зависимости от рН среды системы Mn(II)-EDTA (1) в воде и растворах PEI с молекулярной массой 600 (2), 1200 (3), 10000 (4), 60000 (5). См^щ 0.2 мМ, CEDta 0.2 мМ, СРЕ123 мМ.

Оказалось, что наибольшим и примерно равным эффектом на релаксационную эффективность растворов комплексоната марганца(П) обладают полиэтиленимины с высокой молекулярной массой (10000 и 60000, рис. 12а, кривые 4,5). Изменение гид-ратного состава первой сферы марганца(П) в воде и растворах всех четырех полимеров примерно одинаково (рис. 126), и еще раз подтверждает отсутствие выраженного влияния PEI на равновесие комплексообразования Mn(II) с EDTA.

Влияние полиСдиаллилдиметиламмоний хлорида) (PDDQ на комплексонаты Gd(III) и МпШ)

Система Мп(Ш - EDTA - PDDC Поскольку PDDC в водных растворах проявляет свойства катионного полимера, можно было бы ожидать заметного влияния добавок PDDC на равновесие образования анионного комплексоната марганца. Математическая обработка полученных данных привела к следующим результатам: величина кажущейся константы равновесия равна ^К2каж = -6.87±0.10 (по данным Л]) и -б.74±0.18 (по данным R2), значения кажущейся константы устойчивости составили lgßKa3K = 14.19 и 14.32. Выявленное кажущееся ослабление устойчивости комплекса на 0.2-0.3 лог. ед. указывает на то, что при выбранной высокой концентрации полимера вместо ожидаемого упрочнения наблюдается очень слабый эффект дестабилизации комплексоната. Возможно, это обусловлено некоторым связыванием катионных групп полимера с анионами лиганда. Отсутствие изменений коэффициентов релаксационной эффективности комплексоната марганца в присутствии полимера является еще одним свидетельством того, что комплексные противоионы остаются в водном окружении. Следует отметить, что добавление соли к системе Mn(II) - EDTA - PDDC, не оказало влияния на ход релаксационных кривых и значения релаксационной эффективности. Аналогичные результаты были получены для комплексонатов гадолиния(Ш).

Влияние полиэтиленимина на системы FeflID - EDTA и FefllH - DTPA

Для сопоставления результатов, полученных нами для комплексов Gd(III) и Mn(II) с комплексонами в растворах PEI, мы провели также эксперименты с участием ионов железа(Ш). Обнаружено, что водные растворы комплексонатов железа(Ш) с EDTA и DTPA отличаются низкой релаксационной эффективностью, и по этой причине не используются при контрастировании в МРТ. Для комплекса Fe(III) с DTPA в присутствии полиэтиленимина выявлено небольшое увеличение релаксивности в области pH 2-9, однако добавление соли элиминирует этот эффект. В водном и солевом растворах системы Fe(III) - EDTA - PEI в физиологической области pH наблюдается практически совпадение релаксационных кривых с кривой для водной системы без полимера, что свидетельствует о нахождении комплексоната в водном окружении.

Система FeflID — HEDP - PEI Эксперименты по изучению влияния полиэтиленимина на образование комплексов с 1-гидроксиэтан-1,1-дифосфоновой кислотой (HEDP, H4Z) проводили с использованием ионов железа(Ш), тогда как в присутствии ионов гадолиния(Ш) наблюдали появление осадка, который не растворялся в присутствии PEI.

Взаимодействие железа(Ш) с HEDP происходит в сильнокислой области и приводит к последовательному образованию ряда протонированных комплексов состава 1:1 и 1:2, что сопровождается спадом релаксивности до низких значений (рис. 13, кривая 1). Добавление PEI в раствор комплексов Fe(III) с HEDP приводит к постепенному увеличению скорости релаксации (рис. 13, кривая 2) в области pH 4-9.5.

а

Рис. 13. Зависимость релаксационной эффек- Рис. 14. Зависимость релаксационной эффективности от кислотности среды в системе тивности от содержания лиганда в системе Fe(III)- HEDP-PEI. CFe 0.15 мМ, Chedp 0.29 Fe(III)- HEDP-PEI. CFe 0.15 мМ, CPE, 23.3 мМ, мМ, Cpei 23.3 мМ (2,3), CNaci 150 мМ (3). pH = 3.5 (1), 5.5 (2), 6.5 (3), 7 (4), 8.5 (5).

В отличие от выше рассмотренных комплексов железа с EDTA и DTP А, соединения с HEDP в присутствии катионного полимера значительно повышают релаксационную эффективность. Причиной этого может быть как изменение физических параметров (времен корреляции), так и химических (состава комплекса). Для проверки была получена зависимость скоростей релаксации от содержания лиганда при разных рН среды (рис. 14). Обнаружено, что выход кривых релаксивности на предел достигается количественно с резким изломом при соотношении металл:лиганд 1:3, что соответствует стабилизации полимером комплексов такого состава, [Fe(HnZ)3](<Wn)\ Таким образом, в этом случае мы впервые в данной работе встретили ситуацию прямого влияния полимера на равновесия комплексообразования, в том числе с изменением состава комплекса.

Следует отметить, что неожиданным оказался эффект добавления хлорида натрия на скорость релаксации в полимерном растворе комплексов железа(Ш) с HEDP (рис. 13, кривая 3). В изученных системах Gd(III)- комплексон-PEI и Mn(II)-комплексон-PEI добавление соли либо не влияло, либо мешало связыванию комплексов с полимером. В случае комплексов железа(Ш) с HEDP рост релаксивности в присутствии соли может быть обусловлен большим накоплением рассмотренных выше полимер-связанных трис-комплексов с высокими значениями КРЭ.

В Заключении изложены выявленные закономерности и особенности взаимодействий в изученных системах парамагнитный зонд - полиэлектролит, парамагнитный зонд - полиэлектролит - лиганд, обсуждены перспективы использования полученных результатов в дизайне новых металлокомплексных контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии.

выводы

1. Предложен подход к количественной оценке степени замещения молекул воды в первой гидратной оболочке марганца(П) в ходе реакций комплексообразования и ассоциации, основанный на анализе отношений скоростей спин-спиновой (R2) и спин-решеточной (R¡) ЯМР-релаксации на протонах воды.

2. Показано, что ионы марганца(Н) и гадолиния(Ш) могут служить парамагнитными зондами при изучении состояния водных растворов полимеров и их смесей, включая интерполимерные комплексы, прямые и обратные триблок-сополимеры окиси этилена и окиси пропилена (плюроники).

3. Установлено, что широкий ряд полимеров разной природы и строения проявляет способность солюбилизировать тетракислоты п-трет-6утил тиакаликс[4]арена на уровне некоторых неионогенных ПАВ, однако уступает оксиэтилированному доде-канолу (Brij-35) по стабильности растворов и достигаемым величинам релаксационной эффективности R\ и Rj комплексов этих лигандов в конформациях конус и частичный конус с Gd(III) и Mn(II).

4. Методом ЯМР-релаксации уточнены константы образования и устойчивости, коэффициенты релаксационной эффективности ряда форм комплексов марганца(Н), гадолиния(Ш) и железа(Ш) с диэтилентриаминпентауксуной (DTPA) и этилендиа-минтетрауксусной (EDTA) кислотами в растворах полимеров в сравнении с водной средой, дана оценка гидратного состояния первой сферы изученных комплексона-тов марганца.

5. Найдено, что анионные комплексы Gd(III) и Mn(II) с DTPA и EDTA связываются катионной формой полиэтиленимина (PEI), что приводит к росту величин Rx по сравнению с водными растворами, масштаб которого зависит от заряда комплекса, наличия и содержания NaCI, молекулярной массы полимера. Из сопоставления полученных результатов для растворов PEI и поли(диаллилдиметиламмоний) хлорида установлена решающая роль водородных связей в эффекте полиэлектролита на связывание металлокомплексов.

6. Для комплексов железа(Ш) с EDTA и DTPA в присутствии PEI релаксивность не увеличивается (EDTA), или возрастает до 2 раз (DTPA). В то же время, в растворах фосфорсодержащего комплексона HEDP установлено не только значительное (от 2 до 10 раз) возрастание величин Ru усиливающееся в ростом pH, но и показано образование в растворе полиэтиленимина комплексов состава [Fe(HnZ)3]<9~3n)", не обнаруженных в водных растворах.

Ссылки на использованную литературу:

1. Дятлова Н.М. Комплексоны и комплексонаты металлов / Н.М. Дятлова, ВЛ.Темкина, К.И. Попов,- М.: Химия, 1988. - 544 с.

2. Амиров, P.P. Комплексообразование Gdin с тетра-и-отрет-бутилтиакаликс[4]аре-новой кислотой в мицеллярных средах [Текст] / P.P. Амиров, А.Б. Зиятдинова, И.И. Стойков, И.С. Антипин, Е.А. Бурилова // Изв. Акад. наук. Сер. химическая. -2009,-N7.-с. 1361-1367.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

Статьи:

1. Elistratova, J. The effect of temperature induced phase transitions in aqueous solutions of triblock copolymers and Triton X-100 on the EPR, magnetic relaxation and luminescent characteristics of Gd(III) and Eu(III) ions [Текст] / J. Elistratova, A. Mustafma, A. Litvinov, V. Burilov, A. Khisametdinova, V. Morozov, R. Amirov, Y. Burilova, D. Tatarinov, M. Kadirov, V. Mironov, A. Konovalov // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2013. - V. 422, N 5. P. 126-135.

2. Бурилова, E.A. Влияние водорастворимых полимеров на образование комштексонатов марганца(П) в растворах. 1. Комплексы с ЭДТА / Е.А. Бурилова, А.Б. Зиятдинова, Ю.И. Зявкина, P.P. Амиров [Текст] // Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. - 2013. - Т. 155, кн. 2. - С. 10-25.

3. Бурилова, Е.А. Влияние водорастворимых полимеров на образование комплексонатов марганца(И) в растворах. 2. Комплексы с ДТПА / Е.А. Бурилова, А.Б. Зиятдинова, Ю.И. Зявкина, P.P. Амиров [Текст] // Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. - 2013. - Т. 155, кн. 2. - С. 26-38.

4. Амиров, P.P. Комплексообразование Мп" с тетра-п-тре/я-бутилтиакаликс[4]ареновой кислотой в водных растворах ПАВ и полимеров [Текст] / P.P. Амиров, Е.А. Бурилова, А.Б. Зиятдинова, Ю.И. Журавлева, И.И. Стойков, И.С. Антипин // Известия АН. Сер. хим.-2014.-Т., вып. 1.-С. 207-213.

Тезисы докладов:

1. Зиятдинова, А.Б. Комплексы Gd(III) и Mn(II) на основе дифильных каликс[4]аренов для магнитной резонансной томографии [Текст] / Е.А. Бурилова, А.В. Кононова // Материалы докладов XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов»: Химия. Цикл «Науки о живом». (8-11.04.2008, Москва). - Тезисы докладов

- Москва, 2008. - С. 274-275.

2. Ziyatdinova, А.В. New Gd(III) and Mn(II) complexes with high relaxivity for MRI [Текст] / E.A. Burilova, A.V. Kononova, R.R. Amirov, I.I. Stoikov, I.S. Antipin, R.R. Sitdikov // Euromar magnetic resonance conference (6-1 l-July 2008, St. Petersburg, Russia) - P.87.

3. Зиятдинова, А.Б. Сравнительный анализ влияния природы парамагнитного зонда на ре-лаксивность каликсареновых металлокомплексов для МРТ [Текст] / Е.А. Бурилова, А.В. Кононова, P.P. Амиров, А.Ю. Жуков, P.P. Ситдиков, И.И. Стойков // 5-ая Зимняя молодежная школа-конференция "Магнитный резонанс и его приложения" (1-5.12.2008, С.Петербург). - Матер, конф. - СПб: Изд-во СПбГУ, 2008. - С. 129-130.

4. Кононова, А.В. Разработка высокоре-лаксивных контрастных МРТ-агентов на основе металлокомплексов тиакаликс[4]арена [Текст] / Е.А. Бурилова, А.Б. Зиятдинова, А.Н. Со-лодов // Материалы докладов XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов»: Химия. Цикл «Науки о живом». (13-19.04.2009, Москва).

- Тезисы докладов - Москва, 2009. - (http://www.lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2009/28_6.pdf).

5. Зиятдинова, А.Б. Высокорелаксивные металлокомплексы тиакаликсаренов как потенциальные МРТ-контрастные агенты [Текст] Е.А. Бурилова, А.В. Кононова, З.А. Сапрыкова, Н.А. Дворянкина // XXIV Международная Чугаевская конференция по ко-ординационной химии и молодежная конференция-школа "Физико-химические ме-тоды в химии координационных соединений" (15-19.06.2009, С.-Петербург). - Тезисы докладов - С.Петербург, 2009. - С. 71-72.

6. Amirov, R.R. 1,3-alternate isomer of 5,11,17,23-tetra-tert-butyl-25,26,27,28-tetrakis-[tri-N,N-di(hydroxycarbonyl)aminopropoxy] tetrathiacalix[4]arene as perspective ligand for contrasting MR-images: synthesis and complex formation with GdQII) [Текст] / R.R. Amirov, A.V.

Galuhin, A.B. Ziyatdinova, E.N. Zaikov, E.A. Burilova, A.V. Kononova, I.I. Stoikov // V Intern. Symp. "Design & Synth. Supramol. Architect." (12-16.10.2009, Russia, Kazan). Abstr. -Kazan, 2009.-P. 133.

7. Бурилова, E.A., Возможности различных неионных ПАВ и полимеров в солюбилизации комплексов Gd(III) с тетракарбокислатными производными п-трет-бутилтиакаликс[4]арена [Текст] / А.Б. Зиятдинова, P.P. Амиров, А.Ю. Жуков, И.С. Антипин // IX Научн. конф. молод, уч., асп. и студ. НОЦ КРУ «Матер, и технолог. XXI века» (7-8.12.2009 г.). - Тез. докл. - Казань.- 2009,- С. 18.

8. Ziyatdinova, A.B. Supramolecular interactions as driving force in contrasting MRI-images [Текст] / A.B. Ziyatdinova, R.R. Amirov, E.A. Burilova, A.V. Kononova, I.I. Stoikov, I.S. Antipin, R.R. Sitdikov // 3rd International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" (September 6-10,2010, Lviv, Ukraine). - Lviv, 2010. - P. 183.

9. Бурилова, E.A. Взаимодействие парамагнитных ионов и их комплексов с бычьим сывороточным альбумином [Текст] / JI.P. Амирова, М.Р. Гайнутдинов, И.И. Стойкое, P.P. Сит-диков, P.P. Амиров // X Научн. конф. молод, уч., асп. и студ. НОЦ КГУ «Матер, и технолог. XXI века» (28-29.03.2011 г.). - Тез. докл. - Казань,- 2011,- С. 22.

10. Бурилова, Е.А. Высоко-релаксивные металлокомплексы тиакаликсаренов солюбилизиро-ванные неионными ПАВ и полимерами как потенциальные МРТ-контрастные агенты [Текст] / А.Б. Зиятдинова, P.P. Амиров, И.И. Стойков, И.С. Антипин //1 Всероссийский симпозиум по поверхностно-активным веществам (28-1.07.2011 г.). - Тез. докл. - Казань,-2011.- С. 59.

11. Бурилова, Е.А. ЯМР-парамагнитное зондирование растворов полимеров [Текст] / Л.Р. Амирова, А.Э. Хабибрахманова, Ю.И. Зявкина, P.P. Амиров // XI Научн. конф. молод, уч., асп. и студ. НОЦ КГУ «Матер, и технолог. XXI века» (17-18.05.2012 г.). - Тез. докл. - Казань,-2012,-С. 21.

12. Амиров, P.P. ЯМР-релаксационное зондирование ультрамикрогетерогенных систем [Текст] / P.P. Амиров, Е.А. Бурилова, А.Б. Зиятдинова, Ю.И. Зявкина // II Всероссий-ский симпозиум по поверхностно-активным веществам (02.07 - 03.07.2013, г. Москва). Программа и тезисы докладов. - М., Изд-во МГУ, 2013 г. - С. 7-8.

13. Burilova, Е.А. Paramagnetic NMR-probing of polymeric solutions [Текст] / E.A. Burilova, A.B. Ziyatdinova, R.R. Amirov // International Symposium and Summer School in Saint Petersburg «Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter» 10th meeting: "NMR in Life Sciences" (July 8 - 12 2013, Saint Petersburg, Russia) Book of Abstracts. - Saint Petersburg: "Solo" Publisher, 2013. - P. 73 (128 p.).

14. Бурилова, E.A. Комплексообразование в системах Mn2+(Gd3+) - полимер и Mn2+(Gd3+) -комплексон - полимер no данным ЯМР-парамагнитного зондирования [Текст] / Е.А. Бурилова, P.P. Амиров // XX Всероссийская конференция "Структура и динамика молекулярных систем" и 11-ая Школа молодых ученых "Синтез, структура и динамика молекулярных систем" «Яльчик-2013» (24.06-29.06.2013, Йошкар-Ола - Уфа - Казань - Москва) - С. 40.

15. Амиров, P.P. Растворы полиэлектролитов: ЯМР-парамагнитное зондирование, взаимодействие с металлокомплексами [Текст] / P.P. Амиров, Е.А. Бурилова, А.Б. Зиятдинова, А.Н. Солодов, Ю.И. Журавлева // Шестая Всероссийская Каргинская конференция «По-лимеры-2014» (27-31.01.2014, г. Москва) - Том I. Программа конференции и тезисы пленарных, приглашенных и устных докладов. - М.: МГУ, 2014. - С. 186.

Подписано в печать 28.04.2014. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Тираж 100 экз. Заказ 237/04.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства Казанского университета

420008, г. Казань, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел. (843) 233-73-59, 233-73-28

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А. М. БУТЛЕРОВА

На правах рукописи

л/. 1Л4 ¿, = 9971 и Т и I "Г -> > ' ! 1

Бурилова Евгения Александровна

РЕАКЦИИ АССОЦИАЦИИ И КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ Ос1(Ш), Мп(П), Ре(Ш) В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОЛИМЕРОВ

02.00.01 - неорганическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Р.Р. Амиров

Казань - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 6

Глава 1. Литературный обзор 14

1.1. Особенности реакций комплексообразования в 14 ультрамикрогетерогенных средах

1.2. Характеристика растворов полимеров как среды для проведения 15 химических реакций

1.2.1. Растворы неионогенных полимеров 17

1.2.2. Полиэлектролиты 20 1.2.2.1 .Кислотно-основные свойства полиэлектролитов 21 1.2.2.2.Влияние солей на поведение полиэлектролитов в 24 водных растворах

1.3. Взаимодействие катионов металлов с полиэлектролитами 26

1.4. Состояние комплексов металл-лиганд в растворах 34 полиэлектролитов

1.4.1. Нековалентное связывание полиэлектролитов с 34 противоположно заряженными металлокомплексами

1.4.2. Ковалентное связывание полимеров с 39 металлокомплексами

1.5. Исследование комплексообразования и процессов агрегации 41 методом ЯМР-релаксации

1.6. Контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии на 51 основе комплексов Mn(Il), Gd(III) и Fe(III)

Глава 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 58

2.1. Постановка задачи 58

2.2. Методика эксперимента 60

2.2.1. Приборы 60

2.2.2. Реактивы 62

2.2.3. Расчеты 64 Глава 3. Результаты и обсуждение 65

3.1. Состояние комплексонатов Gd(lII) и Мп(11) в водных растворах 66

3.1.1. Системы Mn(II) - DTPA (EDTA, NTA), Mn(II) - SDS 67

3.1.2. Системы Gd(lll) - EDTA (DTPA) 74

3.2. Парамагнитное зондирование растворов полимеров 77

3.2.1. Состояние ионов зондов в растворах полиэлектролитов 77

3.2.1.1. Полистиролсульфонат натрия 77

3.2.1.2. Карбоксипроизводные дендримера ВС43 79

3.2.1.3. Полиэтиленимин 83

3.2.2. Интерполиэлектролитные и интерполимерные комплексы 85

3.2.3. Растворы триблок-сополимеров 89

3.3. Особенности реакций комплексообразования ионов Gd(III),

Mn(II) и Fe(III) в растворах полимеров 93 3.3.1. Комплексы производных тиакаликс[4]арена с Gd(III) и

Mn(II) в растворах полимеров 93

3.3.1.1. Система 0<1(Ш)-ТС[4]Ас-полимер 94

Изомер конус 94

Изомер частичный конус 95

3.3.1.2. Система Gd(III)-TC[4]Gly-ncwmMep 97 Изомер конус 97 Изомер частичный конус 98

3.3.1.3. Система Мп(П)-ТС[4]Ас-полимер 99

3.3.1.4. Влияние плюроников на системы Gd(III)/Mn(II)-ТС[4]Ас 102

3.3.2. Взаимодействие Mn(II)/Gd(III) с комплексонами в

растворах полимеров 105

3.3.2.1. Системы Mn(II)-EDTA (DTPA)-PVP 105

3.3.2.2. Системы Mn(II)-EDTA (DTPA)-PSS 107

3.3.2.3. Система Mn(II)-EDTA-PEI 109

3.3.2.4. Система Mn(II)-DTPA-PEI 113

3.3.2.5. Система С0(Ш)-ЕОТА-полимеры 117

3.3.2.6. Система 00(111)-0ТРА-полимеры 119

3.3.3. Влияние различных факторов на состояние комплексонатов металлов в растворах катионных полимеров 121

3.3.3.1. Состояние комплексонатов Mn(II) в растворах полиэтиленимина разной молекулярной массы 121

3.3.3.2. Особенности комплексообразования Mn(II) в растворах поли(диаллилдиметиламмоний хлорида) 124

3.3.3.3. Система Gd(III) - DTPA - PDDC (РАН) 126

3.3.3.4. Влияние полиэтиленимина на системы Fe(III)-

EDTA (DTPA) 129

3.3.3.5. Образование комплексов Fe(III) с гидроксиэтандифосфоновой кислотой в растворах полиэтиленимина 133

Заключение 141

Выводы 142

Литература 144

Приложение 164

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

РАА - полиакриловая кислота

PAAG - полиакриламидный гель

РАН - полиаллиламин гидрохлорид

PDDC - хлорид поли(диаллилдиметиламмония)

PEG - полипропиленгликоль

PEG - полиэтиленгликоль

PEI - полиэтиленимин

PEO - полиэтиленоксид

РМАА - полиметакриловая кислота

РРО - полипропиленоксид

РРО-РЕО-РРО - блок сополимер окиси этилена и пропилена

PSS - полистиролсульфонат натрия

PVA - поливиниловый спирт

PVP - поливинилпирролидон

PVPy - поливинилпиридин

ИПЭК - интерполиэлектролитный комплекс

ТПМК - тройной полиэлектролит-металлический комплекс

ПМК - полимерметаллический комплекс

ПАВ - поверхностно-активное вещество

НПАВ - неионогенное поверхностно-активное вещество

Brij-35 - оксиэтилированный додеканол

SDS - додецилсульфат натрия

His - гистидин

LA - молочная кислота

IDA -иминодиуксусная кислота

NTA -нитрилотриуксусная кислота

DOTA - 1,4.7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетраацетат натрия

DPDP - ^Ы'-дипиридоксальэтилендиамин-1М,1\Г-диацетат-5,5'- дифосфат-ион

DTPA - диэтилентриаминпентауксусная кислота

EDTA - динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты

HEDP - 1-гидроксиэтан-1,1-дифосфоновая кислота

ТС[4]Ас - тетраацетатозамещенный /?-т/?еш-бутилтиакаликс[4]арен

TC[4]Gly - тетра-Ы-ацетилглицинатозамещенный /7-т/?еш-бутилтиакаликс[4]арен

TC[4]R - карбоксилатные производные /?-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арена

/ - ионная сила раствора

а - доля образования комплекса

К - константа равновесия

Ккаж

- кажущаяся константа равновесия (3 - константа устойчивости (Зкаж- кажущаяся константа устойчивости Ка (К0() - константа кислотной диссоциации ККМ - критическая концентрация мицеллобразования ЯМР - ядерный магнитный резонанс ЯМР-релаксация - ядерная магнитная релаксация МРТ - магнитно-резонансная томография Т\ - время спин-спиновой релаксации Т2 - время спин-решеточной релаксации R\ - релаксивность (релаксационная эффективность) KP3j - коэффициент релаксационной эффективности КА - контрастный агент

ВВЕДЕНИЕ

Вода является самым широко распространенным растворителем для разнообразных процессов в живой природе и в различных областях техники и промышленности. Особенности воды как растворителя обусловлены как свойствами самих молекул Н20, так и их способностью к организации различных надмолекулярных структур [1-4]. Ионы и молекулы малого размера при растворении веществ в воде, как правило, равномерно распределяются в ней, участвуя в существующей системе водородных связей и прочих видов межмолекулярных взаимодействий. Введение в воду молекул большого размера (разнообразные синтетические и природные полимеры), или дифильных соединений (поверхностно-активные вещества и др.) способствует возникновению в растворе областей ультрамикрогетерогенности. Наличие подобной организации растворов ПАВ и полимеров приводит к тому, что они становятся особой средой для проведения химических реакций в них [5,6]. Агрегаты ПАВ позволяют солюбилизировать малорастворимые лиганды и комплексы, изменять их состав и спектральные свойства [7]. что находит, например, применение в химическом анализе [8].

Дифильные полимеры, сочетающие в составе молекулы достаточно протяженные фрагменты сильно- и слабополярного характера (например, блок-сополимеры), в воде образуют мицеллы, и потому могут влиять на реакции в растворе аналогично мицеллообразующим ПАВ. В то же время, на реакции в растворах могут также значительно влиять полимеры однородно гидрофильного состава, особенно - полиэлектролиты. Молекулы растворимых полимеров создают в массе раствора ультрамикрогетерогенные области, где окружение растворителя существенно отличается от того, что имеет место в массе раствора. Для небольших молекул растворенного вещества это приводит к изменению соотношения сил, действующих со стороны молекул растворителя и фрагментов молекулы полимера. Особенно интересным такой эффект среды может оказаться для комплексных соединений, находящихся в состоянии равновесия с собственными компонентами (свободными ионами и молекулами). В этом случае могут проявиться особенности конкуренции донорных центров молекул растворителя, лиганда и макромолекулы

за координацию с ионом металла. Кроме того, растворимость полимеров часто сильно зависит от температуры, при этом выделение полимера в отдельную фазу может сопровождаться включением в ее состав некоторых компонентов раствора, в том числе ионов металлов и/или их комплексных соединений.

Таким образом, добавки полимера в раствор комплексного соединения могут изменять его состав, растворимость, термодинамические, кинетические, спектральные и иные свойства. В связи с этим исследование взаимодействий лабильных металлокомплексов с полимерами в растворах имеет фундаментальное значение, поскольку позволяет выявить закономерности протекания реакций комплексообразования в ультрамикрогетерогенных средах, установить роль полимера в изменении разнообразных характеристик комплексов.

Изучение реакций образования металлокомплексов в полимерных растворах имеет также большое значение с практической точки зрения. Например, температурно-зависимая растворимость неионогенных ПАВ или полимеров используется для концентрирования или селективного разделения целевых катионов металлов из разбавленных водных растворов («экстракция в точке помутнения»). Добавление в такие системы лигандов может приводить к повышению эффективности указанных процессов.

Известно также, что при очистке вод от токсичных или радиоактивных ионов металлов широко применяется метод ультрафильтрации, усиленной добавками поверхностно активных веществ или полимеров [9]. Мембраны с тонкими порами свободно пропускают молекулы воды, но удерживают большие молекулы полимеров, которые связывают ионы металлов. Это позволяет добиться высоких степеней концентрирования данных катионов. В последнее время для повышения степени связывания катионов в данной методике используют взаимодействие полимеров с металлокомплексами. При этом в качестве лигандов, как правило, используют комплексоны (ЫТА, ЕОТА) или лимонную кислоту. В то же время, очень мало внимания уделяется вопросам влияния рН и солевого фона, типа, состава и молекулярной массы полимера, типа и строения лиганда на взаимодействие металлокомплекса с макромолекулой, не анализируется изменение физических свойств комплекса при подобном связывании.

Взаимодействие полимеров с металлокомплексами может быть использовано для получения новых материалов, обладающих каталитической способностью в разнообразных химических реакциях [10]. В последнее время появились данные [11,12], указывающие на высокую перспективность использования полимер-иммобилизованных металлокомплексов (в т.ч. с включением наноматериалов) в качестве электрохимических сенсоров. С другой стороны, достаточно давно модификация свойств комплексов в присутствии полимеров в растворе используется в химическом анализе для повышения чувствительности и селективности определения катионов металлов. Отмечено изменение максимумов полос поглощения и их интенсивности, установлено влияние на флуоресцентные характеристики.

Целевое связывание металлокомплексов с полиэлектролитами имеет большое значение при получении новых материалов, таких как функциональные полимерные покрытия на макроскопических подложках или полимерные нанокапсулы. Последние часто получают методом послойного («1ауег-Ьу-1ауег») наложения слоев противоположно заряженных полиэлектролитов [13], и данные покрытия могут быть модифицированы путем введения в них металлокомплексов, обладающих необходимыми спектральными, флуоресцентными,

электрохимическими или магнитными характеристиками.

Между тем, до сих пор не уделялось должного внимания изменению магнитных свойств полимер-связанных комплексов парамагнитных катионов. Усиление парамагнитного отклика комплекса при его связывании с полимерной молекулой в растворе также может быть использовано в аналитических целях. Однако еще больший интерес данный эффект представляет с точки зрения зондирования в биологических и медицинских системах, например, при разработке разнообразных клеточных технологий или в клинической диагностике методом магнитно-резонансной томографии.

Таким образом, исследование взаимодействий ионов металлов и их комплексов с полимерами в растворах является актуальной задачей, решение которой позволит не только углубить знания о реакциях в растворах, но и найти новые решения некоторых технических проблем, таких, например, как повышение

эффективности очистки вод от ионов металлов, создание новых сенсоров или биомедицинских диагностических меток.

Целью данной работы явилось выявление особенностей взаимодействия ионов гадолиния(Ш), марганца(И) и железа(Ш) с полимерами разного типа и строения в воде, установление закономерностей реакций комплексообразования указанных полимеров с комплексами выбранных металлов с полидентатными лигандами в растворах, нахождение условий достижения высокой релаксационной эффективности в полимерных растворах металлокомплексов.

Основным инструментом исследования выбран метод ЯМР-релаксации, чувствительный как к реакциям замещения молекул воды в первой сфере катионов металлов, так и к связыванию последних с наноразмерными частицами и агрегатами в растворах. Выбор катионов СсГ+, Ре^ и Мп2+ обусловлен высоким парамагнетизмом их соединений в растворах, что позволяет использовать эти ионы в качестве парамагнитных зондов.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие работы:

- изучение состояния ионов марганца(П), гадолиния(Ш) и железа(Ш) в водных растворах ряда неионных, анионных и катионных полимеров, а также их смесей, включая анализ влияния температуры на связывание ионов гадолиния с триблок-сополимерами окиси этилена и пропилена в растворах:

- магнитно-релаксационное исследование реакций комплексообразования ионов СсГ+, Ре-5* Мп2+ с производными тиакаликс[4]арена. аминокарбоксильными и фосфоновыми комплексонами в воде и установление роли природы, строения и характеристик высокомолекулярного компонента раствора, типа лиганда и металла на состав этих комплексов и их парамагнитные свойства.

Научная новизна работы состоит в том. что впервые: Метод ЯМР-релаксации на протонах воды применен для количественной оценки степени замещения молекул воды в первой гидратной оболочке марганца(П) в ходе реакций комплексообразования и ассоциации. Установлено замещение большей части молекул воды в первой сфере ионов Мп2+, находящихся в растворе полиэтиленимина при рН > 7, что указывает на координационный характер их связывания с аминогруппами полимера; аналогичное заключение сделано в отношении ионов всГ+.

Показано частичное замещение гидратной оболочки ионов марганца(Н) при связывании их с сульфогруппами мицелл додецилсульфата натрия и полимера полистиролсульфоната натрия, что приводит к конкуренции между лигандом и полистиролсульфонатом за связывание с катионом металла. Магнитно-релаксационным методом установлены области кислотности растворов и концентраций реагентов, в которых взаимодействие анионных комплексонатов марганца и гадолиния с полиэтиленимином проявляется в виде роста ЯМР-релаксационной эффективности по сравнению с водными растворами. Показано отсутствие взаимодействия при использовании катионного полимера с четвертичными аммонийными группами, что указывает на важность образования водородных связей групп ионного полимера и лиганда в составе комплекса.

Металлокомплексы с участием полиаминокарбоксилатов сравнительно слабо связываются с полиэтиленимином, и вытесняются в воду при добавлении солей вследствие ионного обмена с их анионами и изменения конформации макромолекулы в солевом растворе.

В растворе полиэтиленимина гидроксиэтандифосфонат-ионы образуют полимер-связанные трис-комплексы с катионами железа(Ш), которые не существуют самостоятельно в водной среде, при этом растворы обладают существенно более высокой релаксационной эффективностью, зависящей от рН среды.

Практическая значимость. Результаты исследования состояния ионов вс1"5+, Ре""+ Мп2+ и их комплексонатов в водных растворах полимеров могут быть полезны при разработке способов концентрирования и разделения с применением технологий экстракции в точке помутнения или полимер-усиленной ультрафильтрации.

Выявленные закономерности связывания металлокомплексов с полимерами и их смесями могут быть использованы при разработке новых функциональных материалов, обладающих каталитической способностью, а также особыми спектральными, флуоресцентными, электрохимическими или парамагнитными свойствами: полимерных пленок, допированных металлокомплексами как

сенсорами, или полиэлектролитных нанокапсул как зондов для биомедицинских исследований.

Личный вклад автора заключается в экспериментальном исследовании состояния ионов гадолиния(Ш). марганца(П) и железа(Ш) и их комплексов с выбранными лигандами в растворах ряда полимеров методами ЯМР-релаксации, рН-метрии и спектрофотометрии. проведении математического моделирования равновесий в растворах, обсуждении и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Итоговой научной конференции сотрудников Казанского (Приволжского) федерального университета (2012 г.), VIII-XI Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального универс�