Термодинамика комплексообразования представителей витаминов группы "B" с биометаллами в водно-органических растворителях тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи

/

ДУШИНА Светлана Владимировна

ТЕРМОДИНАМИКА КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ ВИТАМИНОВ ГРУППЫ «В» С БИОМЕТАЛЛАМИ В ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЯХ

02.00.01 — Неорганическая химия 02.00.04 — Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

1 7 ИЮЛ 2014

лтшшы—

Иваново- 2014

005550547

005550547

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Шарнпн Валентин Аркадьевич

Официальные оппоненты: Клюев Михаил Васильевич

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет», кафедра органической и физической химии, заведующий кафедрой

Михайлов Олег Васильевич

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», кафедра аналитической химии, сертификации и менеджмента качества, профессор

Чижик Владимир Иванович

доктор физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет», кафедра ядерно-физических методов исследования, профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

технологический университет»

Защита состоится «20 » октября 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Шереметевский, 7, ауд. Г-205. Тел./факс: (4932) 32-54-33, e-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Информационном центре и на сайте Ивановского государственного химико-технологического университета http://vvvvw.isuct.ru по ссылке:

http://wwvv.isuct.ru/book/archive/xmlui/handle/123456790/10454 Автореферат разослан «я» 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Егорова Елена Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Растворитель выступает в роли активного участника химической реакции, оказывает существенное влияние на ее скорость, направление, механизм и т.д., являясь действенным средством управления химическим процессом.

Исследование влияния состава растворителя на процессы комплексо-образования является одним из важных направлений неорганической и физической химии растворов. Это предопределено значимостью координационных равновесий в водных и неводных растворителях, а также представляет теоретический интерес для установления причинно-следственной связи процессов сольватации и комплексообразования.

Выявление роли среды (растворителя) и сольватации в протекании биологических процессов следует отнести к разряду важнейших задач, решаемых и биолого-химическими дисциплинами. По этой причине развитие теории растворов во многом определяет прогресс в развитии молекулярной биофизики, молекулярной биохимии, бионеорганической и биоорганической химии.1

В настоящей работе анализ причин смещения координационных равновесий проведен при помощи универсального инструмента - сольватационно-термодинамического подхода, основанного на оценке вкладов изменения термодинамической характеристики каждого участника процесса (лиганда, центрального иона, комплексной частицы и растворителя) в изменение термодинамической характеристики переноса реакции.

Никотинамид и никотиновая кислота (витамин и провитамин группы В) представляют собой соединения, на основе которых могут быть синтезированы металлокомплексы с более высокой биологической активностью, чем у свободного лиганда. В связи с этим координационные равновесия с участием ионов биометаллов с лигандами класса фармацевтических препаратов представляют особый интерес для решения вопросов металломики и ком-плекстерапии.

Актуальным является применение перспективных наукоемких физико-химических методов анализа (прецизионная калориметрия; потенциометрия; межфазное распределение; электронная, ИК- и ЯМР-спектроскопия) для «определения ключевых стадий механизма клеточной транспортной системы»2. А именно: для изучения, прогнозирования и оптимизации функций транспорта лекарственных веществ через модельные системы клеточных мембран.

Новые прецизионные данные, полученные в настоящей работе, могут быть использованы в качестве справочных величин в базах термодинамических данных, создание которых является одним из «перспективных направ-

'Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность. Серия "Проблемы химии растворов"; под общ.ред. A.M. Кутепова М ■ Наука, 2001. - 403 с.

2URL : http://www.nobelprize.org

лений будущей технологической и лицензионной экспансии России на мировых рынках высоких технологий».3

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты № П964 и № 02.740.11.0253), Аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы (проекты № 2.1.1/5593 и 2.1.1/5594), гранта РФФИ «Р-центра-а» №06-03-96303 «Кислотно-основные равновесия и комплексообразующие свойства витаминов гетероциклического ряда с ионами металлов в водно-органических растворителях»

Целью настоящей работы является установление общих закономерностей и особенностей влияния сольватации реагентов на термодинамические характеристики координационных равновесий с участием представителей витаминов группы «В» и биометаллов в водных и водно-органических растворителях.

Для достижения этой цели на примере реакций комплексообразования ионов Ag+, Си2+, №2+, Ре3+с никотинамидом и никотиновой кислотой необходимо было решить следующие взаимосвязанные задачи:

- рассмотреть особенности сольватации участников координационного равновесия в водно-органических растворителях, используя возможности термодинамических и структурных методов анализа;

- исследовать влияние растворителя на устойчивость комплексов, эн-тальпийные и энтропийные характеристики реакций комплексообразования;

- обобщить собственные и литературные данные о влиянии растворителя на термодинамику координационных равновесий никотинамида и его аналогов на основе сольватационно-термодинамического подхода;

- предпринять попытку развития сольватационного подхода, как инструмента в интерпретации термодинамических характеристик координационных равновесий; показать возможности сольватационно-термодинамического подхода в исследовании и прогнозировании трансмембранных свойств лекарственных веществ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- специфика сольватного состояния никотиновой кислоты и никотинамида в водно-органических растворителях;

- закономерности изменения термодинамических характеристик переноса реакций образования координационных соединений производных пиридина с ионами ^-металлов из воды в водно-органические растворители;

- необходимость учета изменения термодинамической характеристики реакционного центра (донорного атома), а не лиганда в целом в изме-

3иЯ1,: ИНрУ/цлуимпшргот. gov.ru/expertise/meeting/archive/29

нении термодинамической характеристики переноса реакции образования координационного соединения;

- представление границы (концентрации водно-органического растворителя) пересольватации центрального иона;

- возможность включения конкурирующего равновесия образования сольватов (гидратов) центрального иона в выражение константы устойчивости комплексной частицы;

- рассмотрение изменения термодинамической характеристики переноса растворителя, как полноправного участника химического процесса, в соотношении сольватационных вкладов реагентов;

- новые прогностические возможности сольватационно-термодинамического подхода в установлении причин протекания координационных равновесий в водно-органических растворителях;

- направленное корректирование процесса проникновения веществ через модели клеточных барьеров под действием растворителя.

Научная новизна. Показаны новые предсказательные возможности теоретической интерпретационной базы термодинамических экспериментальных данных - сольватационно-термодинамического подхода:

- В изменении термодинамической характеристики переноса реакции образования координационного соединения учтен сольватационный вклад реакционного центра (донорного атома), а не лиганда в целом. Для этого при помощи методов 13С, 'Н ЯМР- и ИК-спектроскопии исследованы процессы специфической сольватации фармацевтического препарата - никотинамида в водных растворах этанола. Впервые показаны различия в изменениях энергии Гиббса переноса донорного центра и всей молекулы лиганда из воды в водно-органический растворитель. Методом широкополосной протонной развязки впервые получено изменение энтальпии сольватации гетероциклического атома азота никотинамида.

Методом межфазного распределения и ЭСП получены значения энергии Гиббса переноса никотинамида и никотиновой кислоты из воды в водные растворы этанола и ДМСО. Величина изменения энергии Гиббса переноса никотиновой кислоты впервые разделена на составляющие для молекулярной и цвиттер-ионной форм. Получен антибатный характер этих зависимостей.

- Рассмотрено изменение термодинамической характеристики переноса координационных центров, а не центрального иона в целом.

- Учтено конкурирующее равновесие образования сольватов (гидратов) центрального иона в выражении константы устойчивости комплексной частицы.

- Принято во внимание изменение термодинамической характеристики переноса растворителя в соотношении сольватационных вкладов реагентов. При анализе влияния растворителя с позиций сольватационного подхода реакция комплексообразования рассмотрена как процесс замещения молекул

растворителя во внутренней координационной сфере центрального иона на лиганд.

Проведен комплексный анализ термодинамики сольватации реагентов и комплексообразования ионов Ag , Си , Ni и Fe с никотинамидом и никотиновой кислотой, а также кислотно-основных свойств лигандов в водно-органических растворителях и показано:

— соответствие термодинамических характеристик переноса лиганда (донорного центра лиганда) и характеристик переноса реакций комплексообразования ионов ¿/-металлов с производными пиридина;

- отсутствие преобладающих сольватационных вкладов реагентов в изменение термодинамической характеристики переноса реакции.

Изменения термодинамических характеристик образования комплексов серебра (I) с никотинамидом и сольватации реагентов применены для оценки влияния эффектов среды, как средства управления процессом транспорта фармакологически активных веществ через модельные системы биологических мембран.

Практическая значимость. Термодинамические характеристики комплексообразования, кислотно-основных равновесий и сольватации реагентов в водных и водно-органических растворителях могут быть использованы при формировании баз термодинамических данных.

На основе термодинамического анализа процессов сольватации и распределения лиганда показано, что добавки этанола и ДМСО к водным растворам никотинамида и никотинамидного комплекса серебра могут выступать в качестве активаторов мембранного транспорта лиганда и комплекса через модели липидных слоев клеточных мембран. Подобные расчеты позволяют обосновывать выбор концентрационных условий в создании трансдер-мальных препаратов и технологий их доставки.

Точный программный расчет равновесных составов никотиновой кислоты с использованием термодинамических характеристик дает возможность прогнозировать явление аккумуляции провитамина РР во внутриклеточном пространстве.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на Поволжской аналитической конференции Казань, 2001; Международных Чугаевских конференциях по координационной химии (Ростов-на-Дону, 2001, Киев, 2003; Кишинев, 2005; Одесса, 2007; Санкт-Петербург, 2009); 3-th Chianti Elecrochemistry Meeting on Metal-containing Molecules. Chianti, Italy, 2004; IX Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах", Плес, 2004; Иваново, 2011; 29th International Conference on Solution Chemistry, Portoroz, Slovenia, 2005; 1-ой Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем», Иваново, 2006; Всероссийском симпозиуме "Эффекты среды и процессы комплексообразования в растворах", Красноярск, 2006; XVI и XVII Международной конференции по химической термодинамике в России (Суздаль, 2007; Казань, 2009; Казань,

2014); 6-th AFMS International Medical Chemistry Symposium. Istanbul, Turkey, 2007; International Conference VITAMINS 2007, Czech Republic, Prague, 2007; Зимней молодёжной школе-конференции «Магнитный резонанс и его приложения», Санкт-Петербург, 2010 и 2012; Международном симпозиуме и летней школе «Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах», Санкт-Петербург, 2011и 2012.

Публикации. По теме диссертации имеется 80 публикаций, в том числе 30 статей в ведущих рецензируемых журналах.

Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в формировании направления и постановке задач, их экспериментальном решении, творческом участии на всех этапах исследования, интерпретации, обсуждении и оформлении полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 389 страницах, состоит из введения, 6 глав, приложения, включает 53таблицы и 111рисунков в основных главах, 16 таблиц и 4 рисунка в приложении. Список цитируемой литературы состоит из 385 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 .Особенности сольватации реагентов водно-

органических

растворителях

Собственные и литературные данные по энтальпийным характеристикам сольватации пиридина и его производных в водно-органических растворителях представлены на рис. 1. Термодинамические характеристики пе-

12 Д t^ ' "Диполь

02 ^Й^гвй-г-Тб <; 1Я

а хвон 6

Рисунок 1. Изменения энтальпии переноса гидразидов изоникотиновой (1) и бензойной (3) кислот, бензола (2), формамида (4), имидазола (6), пиридина (7), анилина (8), карбамида (9) [лит. данные], никотинамида (5) в смеси вода-этанол (а);вода - ДМСО (б) вода - метанол (в).

реноса никотинамида (КюМН2) из воды в водные растворы этанола получены калориметрическим методом и методом межфазного распределения (рис. 1,2). Возможная причина эндотермических максимумов для большинства систем (ХЕЮн=0,1 - 0,2 м.д., ХДМСо=0,1 - 0,2 м.д.) - энергозатраты на образование полости в сильноструктурированных областях растворителей. Наблюдается стабилизация никотинамида при длительном энтальпийно-энтропийном компенсационном эффекте со значительным изменением характеристик в водном ДМСО (рис.2 б). Показана экзотермичность переноса никотинамида при высоких концентрациях ДМСО, вызванная, вероятно, зна-

7

чительным вкладом образования водородных связей карбамидной и гидра-зидной групп с молекулами растворителя в энергетику процесса.

Сольватное состояние гетероциклического атома азота молекулы никотинамида исследовано методом 13С ЯМР. Отмечено, что пересольватация гетероциклического азота заканчивается при концентрации этанола 0,25 м.д. (подробно см. гл.З). Проанализирована связь термодинамических и структурных характеристик сольватации никотинамида. В области состава растворителя 0,1 < ХЕЮн< 0,3 (рис. 2а) накладываются две причины: эффект образования полости и специфическая сольватация азотистого гетероцикла (по данным 13С ЯМР). При дальнейшем увеличении содержания этанола, вероятно, сольватируется карбамидный заместитель. На это указывает экранирование карбонильного атома углерода; коротковолновое смещение первой

кДж/моль

. Д^У0, кДж/моль

•Д1гН°

0.2

о.а 1,о <ЕЮН. м-Д-

0,4 0,6 0,8 1,0

6 *дмсо.м- д-

Рисунок 2. Изменения термодинамических характеристик переноса никотинамида из воды в растворители вода - этанол (а), вода - диметилсульфоксид (б).

амидной полосы и проявление валентных N-11 колебаний в ИК-спектре.

Изменение энергии Гиббса переноса никотиновой кислоты из воды в бинарные растворители впервые разделено на вклады молекулярной А,С°(НА°) и цвиттер-ионной А,С°(НА±) форм (рис. 3) с использованием комплекса методов: межфазного распределения, потенциометрического титрования, электронной спектроскопии, рефрактометрии и расчета равновесного состава протолитических форм никотиновой кислоты. Состояние никотинамида и никотиновой кислоты в водно-органических растворителях рассмотрено с точки зрения сольватации функциональных групп (рис.3). Показано, что различные вклады специфического взаимодействия (протонированный и

0,0 0.1 0.2 0,3 0А 0,5

а Х(ЕЮН), м.д.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

б ХЮМБО). м.д

Рисунок 3. Изменение энергии Гиббса переноса никотинамида (Ь) молекулярной (НА0) и цвиттер-ионной (НА*) формы никотиновой кислоты из воды в водно-этанольный (а) и водно-диметилсульфоксидный (б) растворитель.

депротонированный азот, карбоксильная и карбоксилатная группы) обеспечивают различные вклады специфического взаимодействия и, как следствие, разные сольватные состояния цвиттер-ионной и нейтральной форм никотиновой кислоты в водно-органических растворителях.

Глава 2. Кислотно-основные свойства ннкотиновон кислоты и ее ампда в водно-органических растворителях

Собственные и литературные данные по изменению энергии Гиббса и изменения энтальпии переноса протолитических равновесий и их участников проанализированы с позиции сольватационно-термодинамического подхода, основанного на изменении термодинамической характеристики переноса протона, лиганда и протонированной частицы.

Доминирующего вклада Д^0 переноса ни одного из участников процесса протонирования никотинамида в растворителе вода-этанол не наблюдается. Протон более стабилизирован в растворителе вода-ДМСО, вероятно, за счет образования водородной связи с электронодонорным растворителем. Наблюдается эндогенность переноса реакции на фоне незначительного изменения сольватации молекулы никотинамида в водно-диметилсульфоксидном растворителе.

При низком содержании спирта имеет место значительная энтальпий-ная дестабилизация исходных частиц и продукта реакции. При высокой концентрации этанола вклады протона и протонированного никотинамида велики. Вклад лиганда близок к нулю. Изменение характеристики переноса лиганда соответствует изменению энтальпии переноса реакции.

Возможности сольватационно-термодинамического подхода при тау-томерной специфике сольватационных вкладов можно рассмотреть на примере никотинат-иона и никотиновой кислоты. Протолитические равновесия с участием никотинат-иона характеризуются положительными изменениями энергии Гиббса переноса реакции как в протонном, так и апротонном растворителях. Для изменения энтальпии переноса реакции в водно-этанольном растворителе наблюдается отсутствие явно выраженных преобладающих сольватационных вкладов реагентов. Изменение энтальпии переноса реакции невелико в водно-диметилсульфоксидном растворителе. Взаимная компенсация вкладов ионов определяет доминирующее влияние переноса никотиновой кислоты в изменение энтальпии переноса реакции.

Глава 3. Влияние сольватации реагентов на термодинамические характеристики комплексообразования с участием витаминов группы «В»

Комплексообразование с ионами меди (II). Изменения термодинамической характеристики переноса иона Си2+ и комплексной частицы значитель-

ны и практически совпадают в широкой области составов водно-диметилсульфоксидпого растворителя. Изменение энергии Гиббса переноса реакции и лиганда невелико (табл. 1).

Таблица 1. Изменения энергии Гиббса переноса реагентов и реакции образования комплекса меди (И) с никотинамидом из воды в растворитель вода-ДМСО |"А(0°(Си2+) лит. данные] ____

Хдмсо, М. д. 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 0,97

А,в г±0,3 -0,11 -0,63 -0,05 0,63 0,4 0,46

ДО°(Ь)±0,07 1,15 -0,49 -2,22 -1,98 -1,44 -

ДО"(Си2+) -4 -12,6 -21,1 -31,9 -40 -

ДО"(СиЬ2+) -2,96 -13,72 -23,37 -33,25 -41,04 -

Таблица 2. Изменения энергии Гиббса переноса реагентов и реакции образования комплекса меди (II) с никотинамидом из воды в растворитель вода-этанол [А^ (Си2+) лит. данные]_____

ХЕЮН, М. Д. 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 0,9

ДО г±0,3 0,34 - 0,74 - 1,43 0,34 -1,54

ДО°(Ь)±0,7 2,13 - -0,4 - -3,05 - -

ДОо(Ы)±0,4 0 - 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2

ДО"(Си2+) 2,1 4 6,1 9,1 11,9 19,9 38,3

ДО"(СиЬ2+) 4,57 - 6,44 - 10,28 - -

В водно-этанольном растворителе (табл. 2) показано слабое влияние растворителя на устойчивость никотинамидного комплекса меди (Д[С г) и сольватацию лиганда (Д1С°( Ь)) и симбатность характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы.

Комплексообразованпе меди (II) с никотинат-ионом осуществляется преимущественно через гетероциклический азот. Экзогенность переноса реакции образования никотинатного комплекса меди (II) в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворителях (рис.4а, б) обеспечена десоль-ватацией лиганда при добавлении органического компонента растворителя.

Координация никотиновой кислоты ионами металлов может происходить как по пиридиновому азоту при участии молекулярной формы никотиновой кислоты, так и по атому кислорода карбоксилатной группы при взаимодействии с цвиттер-ионом. В растворе протекают два равновесия комплек-сообразования с ионом Си2+:

Си2^ + НЬмол = СиНЬ2+моЛ (1)

Си + НЬцв _ИОН = СиНЬ цв.-ион (2)

Зная о преимущественном содержании частицы НЬ~ по сравнению с НА° в водно-диметилсульфоксидном растворителе, экспериментальный факт незначительного изменения энергии Гиббса переноса реакции образования комплекса никотиновой кислоты с ионами Си2+ можно объяснить несущест-

%С°,кДжмоль1

0,1

0,2 а

0,3 0,4 0,5

Х(ЕЮН), м. д.

20 10 о -10 -20 -30

о!о

Д(гС,кДж-моль"'

0,1

. 0,4 0,5

ДМСО' м- д-

Рисунок 4. Изменения энергии Гиббса переноса реакции (1) образования ни-котинатного комплекса меди (II), никотинат-иона (2), Си2+ (3) [лит. данные] и комплексной частицы (4) из воды в водно-этанольный (а) и водно-диметилсульфоксидный (б) растворитель.

Д^в. кДж-мопь"^

Л(гО, кДж-моль"^

0,0 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5

а хдмсО'м-Д.

0,2 0,3 0 4 0.5

б X (ДМСО) ,м.д.

Рисунок 5. Влияние водно-диметилсульфоксидного растворителя на ком-плексообразование меди (II) с молекулярной (а) и цвиттер-ионной (б) формами никотиновой кислоты [Д,0°(Си2+) лит. данные].

венной десольватацией цвиттер-ионной формы (рис. 56). Тем более что, достаточно сильная сольватация диметилсульфоксидом нейтральной частицы не может способствовать увеличению устойчивости комплекса (рис. 5а). Кроме того, следует отметить подобие в изменении характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы.

Наблюдается экзотермичность реакции меди (II) с никотинамидом в водно-этанольном растворителе, а также при малых добавках ДМСО (табл. 3). Явного энтальпийного или энтропийного фактора, определяющего процесс образования комплексной частицы СиЬ2+, выделить нельзя ни в одном растворителе. Никотинамид незначительно энтальпийно стабилизирован в водном ДМСО. Но наблюдается некоторое уменьшение экзотермичности и увеличение изменения энтальпии переноса реакции образования никотина-мидного комплекса меди (II). В водно-этанольном растворителе рост экзотермичности переноса реакции противоречит характеру изменения А,Н° всей молекулы никотинамида.

Комплексообразование с ионами Аа+. Показано, что увеличение устойчивости никотинамидного комплекса серебра (I) при переходе от воды к этанолу происходит на фоне усиления сольватации лиганда. Незначительное изменение энергии Гиббса переноса реакции в растворитель вода-ДМСО, с

точки зрения сольватационного подхода, определяется слабым изменением термодинамической характеристики переноса лиганда (табл. 4). При этом наблюдается корреляция характеристик переноса иона серебра (I) и комплексной частицы.

Получено незначительное изменение экзотермичности переноса реакции комплексообразования ионов Ag+ с NicNH2 в растворителе вода -ДМСО. Величина Д,ГНГ понижается при несущественном уменьшении сольватации лиганда (рис. 6 а). Показана (рис. 6 а, б) корреляция величин изменения энтальпии и энтропии переноса иона Ag(I) и комплексной частицы. В

Таблица 3. Влияние водно-диметилсульфоксидного и водно-этанольного растворителей на изменения термодинамических характеристик переноса реагентов и реакций комплексообразования ионов Си2

ГА тю^.,2+4_______„..VI

с никотинамидом

Хдмсо, м. д. 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 0,9 0,97

А,Н°(Си"+) - 5 - -31,9 -55,2 -61,9 -70 -

Д,Н/°±1,00 - -3,18 - -1,04 1,52 2,13 5,37 -

Д,Н (L)°±0,2 - -5,2 - -7,5 -3,3 -2,3 -1,9 -

AtH"(CuL2+) - 5,7 - -28,7 -47,1 -52,7 -60 -

ХеюН, м. Д. 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 0,85 0,9

Д,Нг°±1,00 - -4,02 - -2,67 -7,7 -6,63 -10,9 -

A,H°(L)°±0,2 4,74 6,8 2,22 -0,07 -1,74 -1,49 0,03 -

AiH°(CuZr) - 24,2 23,8 12,9 6 1 - -9,4

A,H(Cul/+) - 26,98 10,16 -3,44 -7,12 -17,9 -

AtH°(N)±0,5 - 0 0 6,8 6,8 6,8 6,8 -

Таблица 4. Изменения энергии Гиббса переноса реагентов и реакции комплексообразования ионов серебра (I) с никотинамидом в среде вода-диметилсульфоксид ¡Дв (Ag"ь) лит. данные]___

Хдмсо, M. д. 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9

A,G°r)°±0,02 -0,18 1,19 3,31 4,39 5,88

AtG°(L)±0,7 1,15 -0,49 -2,22 -1,98 -1,44

A,G"(Ag+) -3,2 -13,2 -21,9 -27,2 -30,7

A,G"(AgL") -2,23 -12,5 -20,81 -24,79 -26,26

области составов растворителя 0 < Х(ЕЮН)< 0,3 м.д. преобладает влияние энтальпийной составляющей в процессе комплексообразования. Это обусловлено эндотермическими функциями переноса лиганда и центрального иона (рис. 7). Противоречие наблюдается при 0,3 < Х(ЕЮН)< 0,9 м.д.: сохраняется незначительная экзотермичность переноса реакции при небольшом отрицательном изменении энтальпии переноса лиганда.

Д^г0, Щж/мопь

Ц0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

а ХДЛХ>МД

0,0 0,2

ад цг а4 о,б 0,3 1,0 б Хд\/сомд

0,4 .0,6 0,8 1,0 %ОН. м. Д.

Рисунок 6. Энтальпийные и энтропийные функции переноса реагентов [А(Н (Ag+) лит. данные] и реакции комплексообразования нонов А§+ с никотинамидом в среде вода-ДМСО.

Рисунок 7. ДцНреагентов и реакции комплексообразования ионов А§+ с никотинамидом в среде вода-этанол [А[Н°(А§+) лит. данные].

Комплексообразование с ионами №2+. Водно-спиртовая среда способствует протеканию реакции присоединения молекулы лиганда при любом содержании органического компонента (рис. 8а). Причем выделить одного участника процесса, определяющего изменение энергии Гиббса переноса реакции, сложно. Уменьшению константы комплексообразования по второй ступени способствует неблагоприятное влияние лиганда.

Можно отметить, что в водном 0М80 изменение устойчивости координационного соединения №Ь2+ соответствует характеристике переноса лиганда (рис.8 б). Однако, роль лиганда невелика, и изменение энергии Гиббса переноса реакции определяет Дй-0(№Ь2+-№2+).

Изменение энергии Гиббса переноса реакции присоединения второй молекулы никотинамида имеет несколько большую величину. Вклад никоти-намида определяет изменение энергии Гиббса переноса реакции образования бг/с-комплекса в интервале составов растворителя 0,7 — 0,85 м.д. ДМСО.

Эндотермичность переноса процесса комплексообразования в растворитель с содержанием этанола 0,1-0,3 м.д. обусловлена значительной энталь-пийной дестабилизацией комплексного иона, которая превосходит вклад лиганда и центрального иона, вместе взятых (рис. 9а). В интервале состава растворителя Х(ЕЮН) = 0,3-0,5 м.д. изменение энтальпии переноса лиганда определяет изменение характеристики переноса реакции.

Влияние водно-диметилсульфоксидного растворителя характеризуется невысокими значениями изменения энтальпии переноса реакции и лиганда (рис.9 б). Кроме того, наблюдается подобие характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы.

Комплексообразование с ионами Ре3+. Как в водных растворах этанола, так и диметилсульфоксида (кроме Х(8о1у) = 0,1 м.д) отрицательное значение изменения энергии Гиббса переноса лиганда соответствует положительному значению характеристики переноса реакции (табл.5). Для реакций образования комплексов меди (II), серебра (I) наблюдается практически полная

А^б. кДж/моль

г2 1 0

-1

""И -2 -3

N¡2 + -4 -5

-6 -7

2 + -8

N¡19 -10

дц<3, кДж/моль

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

а Х(ЕЮН)

Г22+ , N¡1-2

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

б хрмэо)

Рисунок 8. Изменение энергии Гиббса переноса реакции и реагентов ком-плексообразования иона никеля (II) с никотинамидом 1:1 и 1:2 из воды в водно-этанольньш (а) и водно-диметилсульфоксидный (б) растворитель [Д^ лит. данные].

ю-, д^Н, кДж/моль о

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 а Х(ЕЮН)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

б хрмэо)

Рисунок 9. Зависимость изменения энтальпии переноса реакции и реагентов комплексообразования никель(Н)-никотинамид из воды в водно-этанольный (а) и водно-диметилсульфоксидный (б) растворитель [Д,Н (14г') лит. данные].

компенсация величин изменения энергий Гиббса переноса центрального иона и комплексной частицы (табл. 1, 4). Особенность же системы Ре3+ -№с>Ш2 — Н20-ДМС0 проявляется в том, что изменение энергии Гиббса переноса реакции и составляющая Д10°(РеЬ3+)- Д(Сс(Ре'^) являются значительно большими величинами (табл. 5).

Комплексообразование с ионами Ре3+характеризуется доминированием изменения энтропийной характеристики в изменении энергии Гиббса переноса реакции из воды в водно-диметилсульфоксидный растворитель. Анализ вклада реагентов в изменение энтальпии переноса реакции показывает незначительный вклад изменения энтальпийной характеристики переноса ли-ганда в изменение характеристики переноса реакции (табл. 6). При низкой концентрации ДМСО эндотермичность переноса лиганда соответствует экзо-термичности переноса реакции, при ХЕ,он> 0,5 м.д. усиление сольватации

Таблица 5. Изменения энергии Гиббса переноса реагентов и реакции ком-плексообразования никотинамида с ионами железа (III) из воды в её смеси с ДМСО и этанолом [AtG°(Fe3+) лит. данные]_

Х(ДМСО), м. д. 0,1 0,3 0,5 0,75

A,Gr±0,5 3,14 8,28 9,53 12,21

AtG°(L)±0,7 1,15 -0,49 -2,22 -1,85

A,G (FeL^-Fe") 4,29 7,79 7,31 10,36

X(EtOH), м.д.Хвон, 0,1 0,3 0,5 0,75

A,Gr±0,5 3,59 9,02 7,99 5,25

A,G°(L)°±0,7 2,13 -0,40 -3,05 .

A,G°(N) ±0,5 0 6,2 6,2 6,2

A,G (Fe"') 1,30 14,4 36,7 54,0

A,G (FeLJ+) 7,02 23,02 41,64 -

вклада реагентов в изменение энтальпии переноса реакции показывает незначительный вклад изменения энтальпийной характеристики переноса ли-ганда в изменение характеристики переноса реакции (табл. 6). При низкой концентрации ДМСО эндотермичность переноса лиганда соответствует экзо-термичности переноса реакции, при ХЕЮН > 0,5 м.д. усиление сольватации лиганда не противоречит эндотермичности переноса реакции. Для большинства областей составов растворителя вода-этанол показан преимущественный энтальпийный вклад в изменение энергии Гиббса переноса реакции. Нарастанию эндотермичности процесса образования никотинамидного комплекса железа (III) способствует уменьшение изменения энтальпии переноса лиганда и значительное увеличение изменения энтальпии переноса комплексной частицы (табл. 6).

Воздействие водно-этанольного и водно-диметилсульфоксидного растворителей на координационные равновесия Fe3+- никотиновая кислота в целом способствует увеличению устойчивости комплексной частицы (табл.7). По той причине, что цвиттер-ионная форма никотиновой кислоты в значительной степени преобладает над ее нейтральной формой при любом составе водно-органического растворителя, представим вклад изменения термодинамической характеристики переноса III/ в AttGr°. Полярный лиганд и центральный ион лучше гидратированы в воде, чем сольватированы в водно-этанольном растворителе. Это является основной причиной уменьшения изменения энергии Гиббса переноса реакции.

Увеличение устойчивости комплекса железа (III) с никотиновой кислотой в водно-диметилсульфоксидном растворителе определяется разными характеристиками: при Х(ДМСО)=ОД - 0,3 м.д. - энтальпийной, при Х(ДМСО)=0,5 м.д. — энтропийной. Наблюдается уменьшение экзотермично-сти переноса реакции на фоне усиления десольватации лиганда (табл. 8). В изменении энергии Гиббса переноса реакции в водно-спиртовом растворителе энтропийный вклад больше энтальпийного (за исключением разбавленных

Таблица 6. Изменение энтальпии переноса реагентов и реакции образования никотинамидного комплекса железа (III) из воды в растворители вода-этанол и вода-ДМСО ____

Х(ДМСО), м. д. 0,1 0,3 0,5 0,75

Д,Н",±1,1 -8,10 1,54 5,18 1,00

A,Hr"(FeLJ+-Fe) -5,68 4,50 3,55 -4,57

AtH°(L)±0,2 2,42 2,96 -1,63 -5,57

Х(ЕЮН), м. д. 0,1 0,3 0,5 0,75

д,н,±и -4,85 11,56 15,79 16,03

A,Hr°(FeLJ+) 2,00 12,5 18,8 16,6

AtH(L)±0,2 6,81 -0,06 -1,73 -1,12

AtHr"(FeJ+) 3,96 24,00 32,86 31,51

AtH°(N)±0,5 0 6,80 6,80 6,80

Таблица 7. Изменение свободной энергии переноса реагентов и реакции ком-плексообразования Ре(Ш) с никотиновой кислотой из воды в растворители вода-этанол, вода- лит. данные]_

Х(ЕЮН), м. д. 0,1 0,3 0,5 0,75

A,Gr -3,2 -7,71 -7,42 -4,39

A,G°(HL±) 3,04 4,16 5,89 -

A,G(Fe3+) 1,3 14,4 36,7 54

Д,С"(Ре1/+) 7,02 23,02 41,64 -

Х(ДМСО), м. д. 0,1 0,3 0,5 -

Д,Gr -6 -3,14 -4,80 -

A1G°(HL±) 3,52 4,11 7,08 -

A,G"(FeL3+-Fej+) -2,96 1,02 1,09 -

Таблица 8.Изменение энтальпии переноса реагентов и реакции образования комплекса железа (III) с никотиновой кислотой из воды в растворители вода-этанол, вода-ДМСО ____

Х(ДМСО), м. д. од 0,3 0,5 0,75

д,н"г -13 -9,34 -0,85 -

A,Hr"(FeLJ+-Fe) -11,15 -2,04 5,01 -

AtH (HL) 1,85 7,3 5,86 -

Х(ЕЮН), м. д. 0,1 0,3 0,5 0,75

AtH г -14,33 3,79 11,45 10,84

AtHr (FeHLJ+) -3,09 27,57 36,82 38,15

A,H°(HL) 9,24 11,28 6,57 10,71

A,Hr"(FcJ+) 2 12,5 18,8 16,6

по этанолу растворов). Экзотермичность переноса реакции в разбавленных по этанолу растворах обеспечена десольватацией лиганда, центрального иона и сольватацией комплексной частицы (табл. 8). Далее по областям составов

водно-спиртового растворителя изменение энтальпии переноса реакции не соответствует изменению характеристики переноса никотиновой кислоты.

Итак, анализ с позиции сольватационно-термодинамического подхода не всегда объясняет экспериментальные данные по изменению термодинамических характеристик процессов образования координационных соединений. С целью анализа этой ситуации рассмотрим более детально роль растворителя в процессе комплексообразования на примере реакции Ag(I) с нико-тинамидом в водно-этанольном растворителе.

Глава 4. Развитие сольватационио-термодинамического подхода к описанию роли растворителя в реакциях комплексообразования

Как уже отмечалось выше, что увеличение устойчивости никотинамид-ного комплекса серебра (I) при переходе от воды к этанолу происходит на фоне усиления сольватации лиганда (рис.10). При этом надо понимать, что при существующем сольватационном подходе к описанию роли растворителя в реакциях комплексообразования:

- в термодинамической характеристике переноса реакции образования координационного соединения учитывается сольватационный вклад лиганда в целом, а не его реакционного центра (донорного атома);

- рассматривается изменение термодинамической характеристики переноса центрального иона в целом, а не его координационных центров, которые участвуют в комплексообразовании;

- не учитывается конкурирующее равновесие образования сольватов (гидратов) центрального иона в выражении константы устойчивости комплексной частицы;

- не принимается во внимание изменение термодинамической характеристики переноса растворителя в соотношении сольватационных вкладов реагентов.

Рассмотрим эти обстоятельства более подробно. Учет пересольватации донорного центра лиганда. По данным литературы известно, что участие пиридинового атома азота в водородной связи в качестве акцептора протона приводит к существенному его экранированию, причем величина экранирования может служить мерой прочности водородной связи. Атомы С2 и С 6 кольца (рис.11) могут являться индикаторами образования и изменения силы водородной связи, которое будет наблюдаться по мере добавления спиртового компонента к воде. Существование межмолекулярных водородных связей приводит к формированию комплексов с водородными связями. Причем процесс образования Н-комплексов является равновесным и характеризуется, соответствующей константой. Учет конкурирующего равновесия - образования гидратов и сольватов (возможно смешанного типа) с участием лиганда, или процесс пересольватации гетероциклического азота представлен равновесием:

Д^г0, кДжмоль'

г(эиЬ)

0,6 0,8 1,0 Х(ЕЮН), м. д.

Рисунок Ю.Энергии Гиббса переноса Ag+[лит. данные], комплексной частицы, молекулы никотинамида, донорного центра никотинамида и реакции комплексо-образования ионов с №сМН2 в среде вода-этанол.

152,25 152,20 152,15 15210

15205

5, МГЦ. д.

.06

/ 'С А

/ ы ш

/ «ЧзГ^ЧзИ

ЦО 011 0,2 0,3 0,4 015 0,6 0;7 0,8

Х(ВОН),1ВД. Рисунок 11. Зависимость химического сдвига ядра углерода С6 от состава бинарного растворителя вода — этанол.

№с"ЫН2. .,Н20 + ЕЮН<-> №сМН2...ЕЮН + Н20(3) Константу процесса (3) выражаем уравнением (4): к _ [АПсЫН2(С2Н5ОН)] [Н20]

Константа пересольватации донорного центра рассчитана по методу Беиези-Гшъдебранда для спектроскопии ЯМР. Ее величина составила рКт = 1,08 ± 0,01. В термодинамических характеристиках переноса это не что иное, как изменение энергии Гиббса переноса донорного центра никотинамида из воды в водно-этанольный растворитель.

ЖгС°(ЛГ) ) (5)

Зависимость изменения энергии Гиббса переноса всей молекулы никотинамида ДцХЗСМюМНг) и изменения энергии Гиббса переноса только ее донорного центра Д1ГС(^ от состава водно-этанольного растворителя приведены на рис.10. Изменение энергии Гиббса переноса донорного центра никотинами-даимеет эндогенный характер. Значит, стабилизация всей молекулы никотинамида при повышении концентрации этанола происходит не за счет сольватации гетероциклического азота. В результате он остается более «открытым» в сольватационном отношении, поэтому «доступен» для координации ионами ¿/-металлов, В свою очередь, карбамидная группа проявляет большую склонность к образованию водородных связей с растворителем, поэтому проявление донорных свойств по отношению к центральному иону выражено слабо или отсутствует совсем. Будучи значительно сольватированной (подтверждается данными ЯМР и ИК-спектроскопии), вероятно, именно она обеспечивает высокую растворимость никотинамиду и его гидротропные свойства.

Методом |3С ЯМР получено изменение энтальпии пересольватации гетероатома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе при различных температурах. Константы равновесия рассчитаны по методу

Бенези-Гильдебранда. Изменение энтальпии пересольватации донорного центра никотинамида получены по уравнению изобары Вант-Гоффа (ДН„,.=6,8±1,0 кДж/моль). С учетом границы пересольватации изменения термодинамических характеристик пересольватации донорного центра приведены на рис. 12. Очевиден доминирующий вклад энтальпийной характеристики переноса в изменении энергии Гиббса сольватации пиридинового азота.

л,гу°(!_) Рисунок 12. Изменения термодина-

А1ГН°(М) мических характеристик переноса

■ ' * Д1гС°(М) донорного центра никотинамида из

воды в водно-этанольный растворитель.

TAtrS°(N)

0,4 0,6 0,8 1,0

Х(ЕЮН), м. д

Учет равновесной концентрации молекул координирующего растворителя в выражении константы устойчивости комплексного иона.

Рассматривая координационное равновесие, как реакцию замещения молекулы растворителя во внутренней координационной сфере центрального иона на лиганд, например, для реакции образования никотинамидного комплекса серебра (I) имеем:

Ag(H20)2 + + L <-> AgL(H20)+ + Н20 (6)

Запишем константу процесса замещения (substitution) (35ць R = [AgL(H20)+][H20]

Psub [Ag(H20)2+][L] • (7)

После преобразований получено

n _ P1[Ag(H2Q)+][L][[H20] _ Pi

Psub P2[Ag(H20)+)][[H20] [L] р2» '

где Pi — константа процесса присоединения

Ag(H20) + + L <-» Ag(H20)L+, где (9)

p2— ступенчатая константа образования аквакомплекса серебра (I) Ag(H20) + + Н20 Ag(H20)2+ (10)

Метод ЯМР также оказался чувствительным к изменению сольватного состояния Ag+ при последовательном добавлении органического растворителя (этанола) к воде. Для решения этой задачи использован резонанс ядер молекул растворителя (лиганда). Времена спин-решеточной релаксации ядер водорода были измерены методом "инверсия-восстановление. Установлена граница (концентрация водно-органического растворителя) пересольватации центрального иона. Предполагается, что до Х(ЕЮН)= 0,5 м.д. ион серебра (I) преимущественно гидратирован, а при Х(ЕЮН) > 0,5 м.д. во внутренней координационной сфере иона серебра (I) присутствует молекула (или молекулы) этанола.

В соответствии с границей пересольватации иона серебра в водно-этанольном растворителе значение 1§Р5иь До концентрации Х(ЕЮН) < 0,5 м.д. рассчитано из условия образования аквакомплексов серебра (I). Соответствующая этой константе величина Д[гСг(зиЬ) серебра (I) с никотинамидом определена также для реакции замещения молекулы растворителя на молекулу лиганда в первой координационной сфере центрального иона. Она незначительно отличается от Дцв,- по причине низкой устойчивости аквакомплексов серебра (I) (рис. 10).

Учет вклада термодинамической характеристики переноса растворителя в соотношении сольватационных вкладов реагентов

Растворитель - это участник химической реакции. Рассматривая равновесия комплексообразования с позиции замещения молекулы растворителя на молекулу лиганда в координационной сфере металла, в случае без учета зарядов, для монодентатного лиганда имеем

[МБП] + Ь «-»[М!^.,] + Б, (11)

где п - сольватное число металла.

Необходимо учитывать также факт образования комплексов водородной связи растворителя (Н20 или Б) донорным центром — гетероциклическим азотом (уравнение 12)

[МЬБп.,] + Бм, (12)

Рисунок 13. Изменения энтальпии переноса донорного центра лиганда (N1), центрального иона (А§+, лит. данные), комплексной частицы комплексной частицы с учетом характеристики переноса растворителя дМсЖ^Э (А§№сМН2+(8)), реакции образования

никотинамидного комплекса из воды в 0,6 1,0 „ , , Х(ВСН> м- А- водно-этанольныи растворитель (г).

[МБЛ+ЬБ ¿([И5, (Думать

На основании полученных экспериментальных данных и зная тепловые эффекты смешения воды и этанола с водно-этанольными растворителями в широкой области составов, имеется возможность учета энтальпийной характеристики переноса растворителя на примере системы никотинамид - сереб-ро(1) - водно-этанольиый растворитель. Характеристика переноса комплексной частицы А§№сМН2+(8), рассчитанная с учетом изменения энтальпии переноса растворителя существенно не отличается от соответствующей величины без учета вклада растворителя (рис. 13).

Глава 5. Основные закономерности и особенности влияния сольватации реагентов на термодинамические характеристики комнлексообра-зованняс участием производных пиридина

Для рассмотрения причин изменения устойчивости комплексных соединений в водно-органических растворителях следует учитывать положения, приведенные на стр.17. На настоящем этапе решение этой комплексной задачи не представляется возможным. Поэтому оценим вклад изменения энергии Гиббса переноса донорного лиганда в термодинамическую характеристику переноса реакции (как прогресса замещения) и вклад характеристики переноса растворителя, как полноправного участника химического процесса.

а. Рассмотрим вклад величины изменения термодинамической характеристики переноса донорного центра лиганда. На примере никотина-мида показан случай, когда термодинамическая характеристика сольватации всей молекулы лиганда не отражает сольватации ее донорного центра.

Учет изменения сольватации донорного центра лиганда позволяет провести более детальный анализ причин смещения координационного равновесия под влиянием водно-этанольного растворителя. Показано, что процессу образования никотинамидного комплекса серебра в водно-этанолыюм растворителе способствует десолъватация гетероциклического азота (табл. 9), несмотря на общее усиление сольватации лиганда в целом. Также иные причины получены для реакции замещения молекулы растворителя на ли-ганд в координационной сфере иона меди (II). Ослабление сольватации реакционного центра лиганда определяет увеличение устойчивости комплекса меди (II) с никотинамидом. Аналогичная ситуация распространяется на мо-ноникотинамидшлй комплекс никеля (II), Изменение энергии Гиббса переноса донорного центра соответствует изменению таковой для реакции образования бис-комплекса NF+ лишь в ограниченной области составов водно-этанольного растворителя.

Но при комплексообразовании с ионами железа ШГ) (табл. 9) ослабление сольватации донорного центра лиганда не увеличивает устойчивости комплексного иона FeNicNH23+ в водно-этанольном растворителе по сравнению с водой. Но в этом случае реакция образования никотинамидного комплекса железа (III) показана как процесс присоединения лиганда, а не замещения молекулы растворителя на лиганд.

Комплексообразование производных пиридина с ионами ¿-металлов характеризуется в основном:

1. невысокими значениями изменения энергии Гиббса переноса реакции;

2. слабым влиянием природы и состава водно-органического растворителя на сольватацию лигандов;

3. соответствием характеристики переноса лиганда (донорного центра лиганда) и реакции;

4. сильной взаимозависимостью изменения характеристики переноса центрального иона и комплексной частицы.

b. Учет вклада величины изменения энтальпийнои характеристики переноса лнганда (донорного центра лиганда).

При комплексообразовании никотинамида с ионами меди (II) (табл. 3) наблюдается небольшое увеличение экзотермачности переноса реакции на фоне эндотермического эффекта переноса гетероциклического азота. Показана корреляция изменения как энтальпийных, так и энтропийных характеристик переноса Си2+ и комплексной частицы. Комплексообразование никотинамида с ионами серебра (I) в водно-этанольном растворителе отмечено невысокой экзотермичностъю переноса реакции, сильной корреляцией характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы, уменьшением силы водородного связывания гетероциклического азота с молекулами растворителя при добавлении этанола к воде (рис. 13). Эндотермич-ность переноса реакционного центра никотинамида соответствует экзо-термичности переноса реакции образования никотинамидного комплекса никеля (II) при высокой концентрации этанола (Х(ЕЮН) > 0,7 м.д.). Наблюдается высокая взаимозависимость величин изменения энтальпии переноса иона никеля и его комплекса.

Комплексообразование никотинамида с ионам и Ре3 "имеет ряд особенностей. Во-первых, более значительное влияние водно-этанольного растворителя на изменение энтальпии переноса реакции. Во-вторых, включение в анализ сольватационных вкладов изменение энтальпии переноса гетероциклического азота, вместо характеристики переноса всей молекулы лиганда, не объясняет эндотермического эффекта изменения энтальпии переноса реакции ослаблением сольватации ни лиганда, ни центрального иона (табл. 6). Но соответствие характеристик и А,гН(Ге3+) наблюда-

ется и для этой системы. Экспериментальные данные для пиридина и других его производных приведены в табл. 10.

c. Учет вклада изменения энтальпии переноса растворителя в соотношении сольватационных вкладов реагентов для комплексообразова-ния никотинамида с ионами серебра (I) (рис.13) не вносят заметных изменений в соотношение вкладов реагентов в изменение термодинамической характеристики переноса реакции из воды в водно-этанольный растворитель.

(1. Конкурирующее равновесие образования сольватов (гидратов) центрального иона в выражении константы устойчивости комплексной частицы рассмотрено для реакции образования никотинамидного комплекса серебра. Из данных рис. 10 видно, что изменения характеристик переноса для реакции образования никотинамидного комплекса серебра А,С г и А,Сг(зиЬ), рассчитанные по формулам (5-6), имеют невысокие значения и различаются незначительно по причине низкой устойчивости аквакомплек-сов серебра (I). Для координационного равновесия медь (И) - никотинамид — водно-этанольный растворитель изменения энергии Гиббса переноса реак-

ции замещения имеют отрицательные значения и существенно отличается от характеристики переноса реакции присоединения.

Таблица 9. Изменения энергии Гиббса переноса реакции (реакции замещения г*), лиганда (донорного центра лиганда М'лУЯт* кДж/моль) и коэффициенты корреляции характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы _

Реакция Компонент растворителя Соответствие Д,С°(Ь) и Д(Сг И

+ А'/сД'/А этанол Д.О г<0, ДО°(№сКН2)<0, кроме Х(ЕЮН)=0,1 м.д. 0,63664

\ЧсИН2* этанол А,0°г*<0, Д,00(№сНН2*)> 0. 0,63664

Си2* + ЬЧсЫИ2 этанол А,С г~0, ДО0 (№сМН2)< 0, кроме ХЕ. 0,97904

Си2 ~+МсЫН2* этанол Д,0г~0, кроме Х(ЕЮН)-0,9 м л 0,97904

Си2> *+МсА<//2* этанол ДО"г*<0, ДО^сЫН^ 0. 0,97904

Си2~ + Шс этанол ДО°г< 0, Д,С°(№с> 0 0,8770

М"++ ШсИН2 этанол Д,С"г< 0, А,С°(Ы!СЫН2)> 0 только при Х(ЕЮН)=0,1 м.д. 0,9953

т2~+ N ¡с N И^' этанол Д,СV < 0,ДО°(№сМН2*)> 0 0,9953

ММсМ//1 т№еЩ этанол Д^К 0 при Х(ЕЮН)<0,5, Д,С°(№сМН2)> 0 только при Х(ЕЮН)=0,1 м.д 0,9890

№Д7сЛ'Я/ + МсМН2* этанол Д1в г< 0 при Х(ЕЮН)<0,5, Д,0°(№сШ2*)> 0 0,9890

+ ЫюЫН7 ДМСО Дог> 0, ДО°(№сдаг)< 0 0,9969

Си+ М',сЫН2 ДМСО Д^К 0 при Х(ДМСО) > 0,5 м.д., Д,С° (ТчПсЫН2) < 0 (кроме Х(ДМСО)=0,1) м.д.) 0,9985

Си2' + Шс ДМСО ДО"г < 0, Д(С°(Ы1'с")> 0 0,6403

М'Г' + Л'/с/УЯ, ДМСО Д,С"г< 0, Д1С°(К1сМН2)>0 -

МЛ'/аУЯ/ ' + А'/сМ/, ДМСО Д.в г< 0 при Х(ДМСО) < 0,5 -

/V' + Л7сЛ'Я_, ДМСО Д,С г> 0, ДО0 (№с№12) < 0 (кроме Х(ДМСО)=0,1 м.д.) -

Л'г Ч- <л/у диоксан Д(С г > 0, А1С°((ЛРу)< 0 -

сЧРу4 ацетонитрил ДО" г > 0, А,С°(с11Ру)< 0 -

Ni2 + сНРу метанол ДО^г < 0, Д,С°(сПРу)< 0 -

4 Литературные данные

Таблица 10. Изменения энтальпии переноса реакции, лиганда (кДж/моль) [лит. данные] и коэффициенты корреляции характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы

Реакция А,У Растворитель Соответствие Д1У°(Ь) и ДУ,°г И

Ру д,н ацетонитрил-ДМСО Д(Н г<0, Д,Н°(Ру)~0 0,99711

АиРу++Ру д,н ацетонитрил-ДМСО Д,Н г~0 (ХЕЮН< 0,6 м.д.), далее Д,Н°г>0 0,99851

А^~сИРу д,н вода-ацетон Д,Нг~0, Д,Н°(Ру)>0 0,99576

АфРу -сИРу ДА" вода-ацетон Д,Нг>0, Д,Н°(Ру)>0 0,76317

т2~+ Ру д,н вода-диоксан Д(Нг<0, Д(Н°(Ру)>0 0,99847

№"'"+ сИРу д,н вода-диоксан Д(Н"г~0,Д(Но(<11Ру)~0 0,99840

М2 + сИРу Д(8 вода-диоксан Д,8"г~0,Д,5°(сКРу)>0 нетД,С°(№)

М2~+ сИРу д,н вода-ацетонитрил Д,Н°г>0, Д,Н°(сНРу)<0 нетД(Н0(№)

М2~+ сИРу д,н вода-метанол Д,Нг~0АН°(<КРу)>0 0,99702

т2~+ ¿¡Ру Д,8 вода-метанол Д(8°г>0, Д(8°(сПРу)>0 нетД,О0(№)

М2++1т Д,Н вода-метанол Д,Н г = 1'Д,Н°(1т) -

М2г+1т д,н вода-этанол Д,Н г~0, Д,Н°(Гт)~0 _

т2*+ы АД вода-пропанол Д(Н г<0 при Х(РЮН)<0,2 Д(Н°г>0 при Х(РгОН)>0,2; Д,Н°(1т)~0

По результатам термохимического исследования и анализа координационных равновесий ионов (/-металлов с производными пиридина установлено в основном

1. незначительное влияние природы и состава растворителя на изменение энтальпии переноса реакции;

2.слабое влияние растворителя на сольватацию лигапдов;

3. высокая корреляция изменения энтальпии переноса центрального иона и комплексной частицы.

4. соответствие энтальпийных характеристик переноса лиганда и реакции.

Глава 6. Возможности сольватаиионно-термодинамического подхода в создании научных основ изучения п прогнозирования транспортных свойств лекарственных веществ

В обзоре литературы показаны физико-химические основы современного рационального драгдизайна и роль термодинамики в исследовании биохимических процессов. В рамках термодинамического подхода описание процессов распределения рассматриваемых соединений в системе гидрофобная среда (гексан) - гидрофильная среда (Н20-8, где Б-ЕЮН, ДМСО) может быть представлено в виде уравнений (13-15):

24

ApG0(H20-S->Hex)=AG0(Hex)-AG°(H20-S) (13)

Д„С°(Н20->Нех) = AG°(Hex) - AlrG°(H20) (14)

AhG°(H20-^ H20-S) = AG°(H20-S) - AG°(H20) (15) Из уравнения (14) выражаем изменение энергии Гиббса никотинамида в гидрофобной среде: AG°(Hex) = AtrG°(H20->Hex) + AtrG°(H20) (16)

Из выражения (15) получаем изменение энергии Гиббса гидрофильной среде: A G°(H20-S)=AtrGo(H20->-H20-S) + AtrG°(H20) (17)

Подставляем (16) и (17) в уравнение (13): APGC(H20-S—>Нех) = A,rG°(H20—>Нех) + AtrG°(H20) - AtrG°(H20-> H20-S) -AtrG°(H20) = A.rG°(H20—>Hex) - AtrG"(H20—> H20-S).

ApG°(H20-S—>Hex) = AtrGL°(H20-*Hex) - AtrGL°( H2O^H2OS), ( 18)

где ApG°(H20-S—+Hex) - изменение энергии Гиббса процесса распределения NicNH2 между водно-органическим растворителем и гексаном; Дп-СДИгО—>Нех) и AtrGLl,(II20—>H20-S) -изменение энергии Гиббса переноса лиганда из воды в слой неполярной фазы и водно-органический растворитель соответственно.

После преобразований получаем уравнение 18, представляющее фундаментальную и практическую значимость. В основу его положены равновесные процессы распределения вещества между несмешивающимися фазами. В качестве модели гидрофобного компонента мембраны использован органический растворитель - гексан. Первое слагаемое является постоянной величиной в рамках данной модели мембраны или реальной клеточной. Второе слагаемое - представляет собой легко изменяемую величину при варьировании состава среды (в данном случае водно-этанольной и водно-диметилсульфоксидной). Главный фактор, который учитывает это уравнение - особенности сольватации соединения (лекарственного препарата). Причем, чем меньше сольватирован никотинамид, тем, несомненно, оптимальнее условия переноса из водно-спиртового (водно-диметилсульфоксидного) растворителя в гексан или из гидрофильной среды в липофильную. Наиболее благоприятные условия для переноса никотинамида из полярной среды в неполярную наблюдаются при Х(ЕЮН(ДМСО))= 0,1 м.д. Таким образом, имеется возможность направленного корректирования процесса проникновения веществ через биологические барьеры под действием растворителя. Замена органического растворителя (этанола, ДМСО) на какой-либо мембранотроп-ный лекарственный препарат, с дополнительно направленной терапевтической функцией, может быть важным принципом при создании лекарственных средств комплексного действия. Предполагается, что результаты данной работы будут полезны при дальнейших исследованиях фармакологического вопроса применения системы никотинамид - серебро (I) - водно-органический растворитель; могут быть использованы при создании транс-дермалышх терапевтических систем (TTC).

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ

1. По результатам 13С ЯМР спектроскопии и термодинамического (по-тенциометрического, калориметрического и межфазного распределения) исследования показано существенное отличие в изменениях энергии Гиббса переноса всей молекулы никотинамида и его донорного центра (пиридинового азота) по различным областям составов водно-этанольногои водно-диметилсульфоксидного растворителя.

2. Выявлено, что эндотермичность переноса гетероциклического азота (по данным температурной зависимости химических сдвигов ьс ЯМР) не определяет изменения энтальпии переноса всей молекулы никотинамида из воды в растворитель вода-этанол, полученной калориметрическим методом.

3. Впервые величина изменения энергии Гиббса переноса никотиновой кислоты разделена по вкладам цвиттер-ионной и нейтральной форм. Установлено, что молекулярная форма — стабилизирована, а полярная частица дестабилизирована в водно-органическом растворителе.

4. Показано, что анализ сольватационных вкладов реагентов в изменение термодинамической характеристики переноса реакции с позиции сольвата-ционно-термодинамического подхода не всегда объясняет данные по изменению энергии Гиббса и энтальпии процессов образования координационных соединений с участием никотинамида.

5. Расширены прогностические функции сольватационно-термодинамического подхода:

- Выделен сольватационный вклад донорного центра лиганда в термодинамической характеристике переноса реакции образования координационного соединения. Показано, что процессу образования никотинамидного комплекса серебра (I) в водно-этанольном растворителе способствует десольватация гетероциклического азота. Эндотермичность переноса донорного центра никотинамида соответствует экзотермичности переноса реакции образования комплексов серебра (I) с никотинамидом в водно-этанольном растворителе.

- Координационное взаимодействие рассмотрено как конкурирующее равновесие образования сольватов (гидратов) центрального иона (А§+и Си2+) в выражении константы устойчивости никотинамидного комплекса. Отмечена незначительная разница в значениях констант процессов замещения и присоединения для реакции образования никотинамидного комплекса серебра (I) и существенное отличие -для комплекса меди (II).

- Представлено изменение термодинамической характеристики переноса растворителя, как полноправного участника координационного равновесия, в соотношении сольватационных вкладов реагентов. Выявлен несущественный вклад изменения энтальпийной характеристики переноса растворителя для реакции образования никотинамидного комплекса серебра (I) в водном этаноле.

6. Получены закономерности в изменении термодинамических характеристик ионов ¿/-металлов с производными пиридина:

- в основном незначительное влияние состава и природы водно-органических растворителей на устойчивость координационных соединений, связанное с компенсационным характером вкладов лиган-да и ионной составляющей;

- высокая корреляция величин изменения термодинамических характеристик переноса центрального иона и комплексной частицы в реакциях образования комплексов ионов (/-металлов с производными пиридина в водно-органических растворителях;

- соответствие термодинамической характеристики переноса лиганда (или донорного центра) и характеристики переноса реакции;

- отсутствие явно выраженных преобладающих сольватационных вкладов реагентов в изменение энтальпии переноса реакции.

7. Отмечены особенности комплексообразования Fe3+ с никотинамидом в водно-этанольном растворителе: ослабление сольватации донорного центра лиганда и увеличение эндотермичности его переноса не способствуют увеличению устойчивости комплексной частицы и экзотермичности переноса реакции, соответственно, из воды в водно-этанольный растворитель.

8. Представлены возможности сольватационно-термодинамического подхода в решении практических задач: величина изменения энергии Гиббса переноса вещества из гидрофильной среды в липофильную может служить критерием направленного регулирования транспортных свойств лекарственных веществ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях автора:

1. Душина C.B. Влияние растворителя на устойчивость координационных соединений витаминов группы В / Душина C.B., Шарнин В.А. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2013. - Т. 56. - Вып.1- С.З - 13.

2. Душина C.B. Новые возможности сольватационно-термодинамического подхода для описания роли растворителя в реакциях комплексообразования / Душина C.B., Шарнин В.А., Александрийский В.В. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2012. - Т. 55. - Вып.11 -С.З-13.

3. Sharnin V.A. Potentiometrie and calorimetric study on stability of nicotinamide complexes of silver(I) and copper(II) in aqueous ethanol and dimethylsulfox-ide / Valentin A. Sharnin, Svetlana V. Dushina, Maxim A. Zevakin, Alexandra S. Guschina // InorganicaChimicaActa. - 2009. - V. 362. P. 437 - 442.

4. Sharnin V.A.Stability of Nicotinamidetf-Complexes with Water and Ethanol in Mixed Solvents by ,3C NMR probing / Valentin A. Sharnin, Viktor V. Aleksandriysky, Svetlana V. Dushina, George A.Gamov // Magnetic Resonance in Chemistry. -2013.-V. 51. P. 193 -198. DOI 10.1002/mrc.3934.

5. Gamov, G. Complexation of nickel(II) ion with B3 vitamin in aqueous dimethyl sulfoxide / G. Gamov, S. Dushina, V. Sharnin, M. Zavalishin // Centr. Europ. J. Chem. - 2013. - DOI: 10.2478/sl 1532-013-03256. Dushina S.V. Thermodynamics of acid-base equilibrium and complex formation in solutions of heterocyclic vitamins / Svetlana V. Dushina, Valentin A. Sharnin, Natalia N. Kuranova // Drugs of the Future. - 2007. - V.32. - P. 88 - 89.

7. Zevakin M.A. Thermodynamic characteristics of reagents and reaction of Ag+ - nicotinamide complex formation in water-ethanol media / Maxim A. Zevakin, Konstantin V. Grazhdan, Svetlana V. Dushina, Valentin A. Sharnin // Journal of Molecular Liquids. -2007. - T. 131-132. - C. 163-167.

8. Zevakin M.A. Solvation-thermodynamic approach as a tool for study of transport and pharmacological properties of the silver (I) - nicotinamide - water-organic solvent system / Maxim A. Zevakin, Konstantin V. Grazhdan, Svetlana V. Dushina, Valentin A. Sharnin // Drugs of the Future. - 2007. - V.32. - P. 87 -88.

9. ГамовГ. А. Особенности сольватации никотинамида в водно-этанольном растворителе / С. В. Душина, В. В. Александрийский, В. А. Шарнин, О. И. Койфман // Известия Академии Наук. Серия химическая. -2012.-№3-С. 510-517.

10. Гамов Г.А. Сольватное состояние никотинамида в системе вода-диметилсульфоксид / Душина С.В., Александрийский В.В., Шарнин В.А., Койфман О.И. // Известия Академии Наук. Серия химическая. - 2013. - № 5 -С. 1183- 1190.

11. Гамов Г.А. Сольватация реагентов в координационном равновесии А§(1)-никопшамид в водно-этанольных растворах по данным Я MP / С.В. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин // Журнал физической химии. - 2013. - №3. - С. 438 - 442.

12. Гамов Г.А. Влияние ионной силы на термодинамические характеристики комплексообразования Fe (III) сникотинамидом в смесях вода-этанол и вода-диметилсульфоксид / К.В. Граждан, М.А. Гаврилова, С.В. Душина,

B.А. Шарнин, А. Бараньски // Журнал физической химии. - 2013. - №6. - С. 989-994.

13.Курышева А.С.Термохимическое исследование кислотно-основных равновесий в водном растворе никотиновой кислоты / А.С. Курышева, С.В. Душина, В.А. Шарнин // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. -2002. - №6. -С. 18- 21.

14. Зевакин М.А.Комплексообразование никотинамида с ионами Ag+ в водно-органических растворителях / М.А.Зевакин, К.В. Граждан, С.В. Душина, В.А. Шарнин // Журнал неорганической химии. - 2006. - Т.51. - №3. -

C.543-547.

15. Зевакин М.А. Энергия Гиббса переноса реагентов и реакции образования никотинамидного комплекса серебра (I) из воды в водно-этанольнуюсреду / М.А. Зевакин, К.В. Граждан, С.В. Душина, В.А. Шарнин // Журнал физической химии. - 2006. - Т.80. - №8. - С. 1445-1448.

16. Зевакин M.А. Влияние состава растворителя вода-ДМСО на энтальпии комплексообразования ионов Ag+ сникотинамидом/ М.А. Зевакин, C.B. Ду-шина, В.А. Шарнин // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. -2006. - Т. 49. - Вып.4. - С. 17-20.

17. Куранова H.H. Константы кислотно-основных равновесий и комплексообразования в водно-этанольных растворах никотиновой кислоты / H.H. Куранова, К.В. Граждан, C.B. Душина, В.А. Шарнин, В.В. Черников // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - № 12. - С. 37-39.

18. Куранова H.H. Влияние водно-этанолыюго растворителя на комплексо-образование и протолитические равновесия в растворах никотиновой кислоты/ H.H. Куранова, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Журнал неорганической химии. - 2008. - Т. 53,- № 12,- С. 2076-2080.

19. Граждан К.В. Изменение устойчивости никотинамидных комплексов железа (III) в водно-этанольном растворителе / К.В. Граждан, Н.Н Куранова , C.B. Душина, В.А. Шарнин // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2008. - Т. 51. - № 6. - С. 30-32.

20. Граждан К.В. Термохимия координации никотинамида железом (III) и протонирования лиганда в водно-этанольных смесях / К.В. Граждан, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Журнал физической химии. - 2009. - Т. 83. - № 10. -С. 1918-1921.

21. Граждан К.В. Комплексообразование железа (III)c никотинамидом в водных растворах диметилсульфоксида / К.В. Граждан, Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Координационная химия. - 2009. - Т. 35. - № 12. - С. 925-928.

22. Граждан К.В. Коэффициенты межфазного распределения и энергии Гиббса переноса никотиновой кислоты из воды в водные растворы этанола и диметилсульфоксида / К.В. Граждан, Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.А. Шарнин /У Журнал физической химии. - 2012. - Т. 86. -№11,- С. 1802-1805.

23. Граждан К.В. Термохимия протолитических равновесий никотинамида в водно-диметилсульфоксидных смесях / К.В. Граждан, Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Журналфизическойхимии. - 2012. - Т. 86. - №4. - С. 777-779.

24. Граждан К.В. Энтальпии переноса перхлората железа(Ш) и иона Fe3+ из воды в водно-этанольные растворители / К.В. Граждан,C.B. Душина, В.А. Шарнин, A.A. Екимовская, Н.В. Аралкина // Журнал физической химии. -2013,- Т.87. - №11.- С. 1846- 1849.

25. Зевакин М.А.Термохимия комплексообразования серебра(1) с никотинамидом в водно-этанольных растворителях / М.А. Зевакин, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Журнал физической химии. - 2010. - Т.84. - №5. - С.838-842.

26. Куранова H.H. Термодинамика протолитических равновесий никотиновой кислоты в водно-этанольных растворах / H.H. Куранова, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Журнал физической химии. - 2010. - Т.84. - №5. - С.792-795.

27. Васильев В.П.Ступенчатая диссоциация 1-амино-3(М-глицин) пропи-лиден-1,1-дифосфоновой кислоты в водном растворе / В.П.Васильев,

Л.А.Кочергина, C.B. Душина // Журнал физической химии. - 1998. - Т.72. -№5. - С.833-836.

28. Васильев В.П. Протолитические равновесия в водном растворе 1-амино-3-(ЪГ-глицин) пропили ден-1,1-дифосфоновой кислоты / В.П. Васильев, JI.A. Кочергина, C.B. Душина // Журнал физической химии. - 1996. - Т.70. -№9,- С.1604-1607.

29. Душина C.B. Температурная зависимость термодинамических характеристик ступенчатой диссоциации 1-амино-3-(Ы-глицин)пропилиден-1,1-дифосфоновой кислоты // Журнал физической химии. - 2002. - Т. 76. - Лг° 8. - С. 1383 - 1386.

30. Гамов Г.А. Константы устойчивости комплексов №(Н)-никотинамид водно-этанольных растворах / Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Журнал физической химии. - 2014. - Т. 88. - № 5. - С. 787 -790.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность и благодарность:

• Научному консультанту д.х.н., проф. Шарнину Валентину Аркадьевичу - за неоценимую помощь в формировании научной концепции, консультационную и организационную помощь на протяжении всех этапов выполнения диссертационной работы;

• д.х.н., в.и.с. Александрийскому Виктору Вениаминовичу - за действенную помощь в проведении и организации ЯМР-эксперимента;

• д.х.н., проф. Козловскому Евгению Викторовичу - за ценные и доброжелательные советы и консультации, за разработку пакетов программ PHMETR и RRSU;

• к.х.н., ст. преп. Курышевой Александре Сергеевне,

• н.с. Курановой Наталии Николаевне,

• к.х.н. Зевакину Максиму Александровичу,

• к.х.н., ст. преп. Граждану Константину Владимировичу,

• к.х.н., u.c. Гамову Георгию Александровичу

за добросовестное и творческое выполнение экспериментальной части диссертационной работы;

• к.х.н., доц. Черникову Виктору Владимировичу - за квалифицированную помощь в проведении работ по сборке прецизионного ампуль-ного калориметра с изотермической оболочкой;

• учебному мастеру Коробову Вячеславу Алексеевичу - за многолетнюю помощь в подготовке и ремонте электротехнического оборудования потенциометрической и калориметрической установок;

• учебному мастеру Арефьеву Сергею Владимировичу — за изготовление уникального узла - калориметрической бомбы и серию работ по ремонту термохимического оборудования;

• зав. лаб. Клиновой Светлане Алексеевне — за своевременное, качественное и быстрое решение вопросов материально-технического обеспечения.

Подписано в печать 03.07.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,86. Уч.-изд.л. 2,06. Тираж 100 экз. Заказ 3648

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, Шереметевский пр., 7