Термодинамика образования, кинетика реакций замещения, структура комплексов и стереоселективные эффекты в растворах меди(II) с гистидином и олигопептидами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи -

ГИЛЯЗЕТДИНОВ ЭДУАРД МАХМУТОВИЧ

ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ, КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ

ЗАМЕЩЕНИЯ, СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ И СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В РАСТВОРАХ МЕДИ(П) С ГИСТИДИНОМ И ОЛИГОПЕПТИДАМИ

02.00.01 - Неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 7 НОЯ 2011

КАЗАНЬ-2011

005001133

Работа выполнена на кафедре неорганической химии и в научно-исследовательской лаборатории координационных соединений Химического института им. A.M. Бутлерова федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Научный руководитель: кандидат химических наук,

старший научный сотрудник Штырлин Валерий Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Кузнецов Андрей Михайлович

кандидат химических наук, доцент Гарифзянов Айрат Ризванович

Ведущая организация:

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (г. Москва)

Защита состоится «8» декабря 2011 г. в 14 час. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.081.03 при Казанском (Приволжском) федеральном университете по адресу: ул. Кремлевская, 18, Химический институт им. А. М. Бутлерова КФУ, Бутлеровская аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, КФУ, Химический институт им. А.М. Бутлерова.

Автореферат разослан «¿у> ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат химических наук

Jjjtfj^0^ Казымова М. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование взаимосвязи между строением, устойчивостью и реакционной способностью комплексных соединений меди(Н) с аминокислотами и олигопептидами представляет жизненно важный интерес для моделирования медьсодержащих ферментов и понимания биологического транспорта меди. Особую значимость приобретает изучение гомо- и гетеролигандных комплексов меди(П) с гистидином (ШвН), поскольку именно они участвуют в транспорте меди в живых организмах. При этом б1/о(£-гистидинато)медь(11) является пока единственным эффективным средством лечения тяжелой болезни Менкеса, обусловленной генетическими нарушениями синтеза АТФ-азы Менкеса. Лекарственный эффект достигается, вероятно, благодаря тому, что Си(№8)2 транспортируется в клетку, минуя АТФ-азу Менкеса, а затем обменивает медь с сывороточным альбумином через образование интермедиатов - гетеролигандных комплексов. Однако структура и устойчивость гомо- и гетеролигандных комплексов меди(11) с гистидином в водных растворах остаются малоизученными. Исследование таких комплексов тем более актуально, что они моделируют активные центры медьсодержащих ферментов, многие из которых включают гистидиновый остаток.

Поскольку природные аминокислоты и олигопептиды асимметричны, детальное исследование их неизбежно приводит к проблеме специфичности и селективности процессов в живой природе, являющейся одной из центральных в современном естествознании. Эта проблема имеет прямое отношение к координационной химии, поскольку ионы металлов уже на первых ступенях биохимической эволюции могли контролировать селективность многих процессов путем координации к ним аминокислот и пептидов. Изучение энантиоселективных эффектов в реакциях лабильных комплексов металлов с аминокислотами имеет помимо теоретического также и большое практическое значение. В частности, на использовании стереоселективных эффектов основан новый метод разделения энантиомеров аминокислот — лигандобмен-ная хроматография.

Однако до сих пор энантиоселективные эффекты в реакциях образования гомо- и гетеролигандных комплексов меди(И) с аминокислотами и асимметричными олигопептидами остаются практически не исследованными. Из всех изученных 1-, £)-и £>£-форм аминокислот только для гистидина в работах группы Ь.Б. Рейй была выявлена некоторая стереоселективность в образовании гомолигандных комплексов с медью(П), однако другие авторы не подтвердили достоверности этих результатов. Стереоэффекты в образовании гетеролигандных комплексов меди(Н) с аминокислотами и ди- или трипептидами до наших работ обнаружены не были.

Цель работы заключалась в том, чтобы определить термодинамические параметры равновесий образования гомо- и гетеролигандных комплексов меди(II) с Ь- и О-гистидином и олигопептидами, кинетические характеристики реакций химического обмена, спектральные параметры комплексов, выявить на этой основе стереосе-лективные эффекты в реакциях комплексообразования и замещения лигандов и дать им структурную интерпретацию.

Научная новнзна работы состоит в том, что впервые: • Путем математического моделирования данных рН-метрии и спектрофотометрии определены составы и константы образования комплексов в системах медь(И) -¿/Д£-гистидин в широком диапазоне рН и интервале температур 15-55 °С на фоне 1 моль/л КЫОз.

• Методом рН-метрии установлены составы и константы образования комплексов в системах медь(11) - дипепгид (глицилглицин, глицил-/,-тирозин, ¿-тирозил-А-фенил-аланин), медь(11) - трипептид (глицилглицилглицин, глицилглицил-£-тирозин) и в соответствующих тройных системах медь(П) - /УО-гистидин - дипепгид и медь(1Г) - ЬЮ-гистидин - трипептид в широких диапазонах рН (25 °С, 1 моль/л КЫ03).

• Из экспериментальных оптических и ЭПР спектров растворов в системах медь(Н) -¿/Ш-гистидин путем моделирования на ЭВМ реконструированы спектры индивидуальных комплексных форм.

• Квантово-химическими расчетами методом ОГГ с учетом эффектов сольватации оптимизированы геометрии различных изомеров энантиомерно однородных и мезо-комплексов состава Си(Н18)(ЪП5Н)+ и Си(Н18)2.

• Подтверждена значительная стереоселективность образования комплекса Си(Ш8){Н18Н)+ и обнаружена небольшая стереоселективность противоположного знака в образовании комплекса Си(Н1з)2. Выявлены стереоселективные эффекты в электронных спектрах поглощения и ЭПР спектрах комплексов Сг^ЮвКШвН)* и Си(Шв)2. Дано структурное объяснение обнаруженных стереоселективных эффектов с учетом данных квантово-химических расчетов.

• По данным метода ЯМ релаксации протонов воды определены константы скорости реакций лигандного обмена в системах медМТГ) - М)£-гистидин при 15, 25 и 35 °С. Обнаружена и объяснена значительная стереоселективность в реакциях лигандного обмена между формами НбН или Нв" и комплексом Си(№)2 с повышенной лабильностью системы медь(1Г) - ¿-гистидин относительно системы медь(11) - £>1-ги стадии.

• На основе данных метода ЯМ релаксации обнаружена и описана катализируемая гид-роксид-ионом реакция обмена протона координированного имидазольного кольца в растворах (ОДЬВДг-

• Установлено повышение устойчивости дипетидных комплексов меди(П) при введении ароматического заместителя во второе положение дипепгада за счет ¿/-л-взаимодействия.

• Выявлены и структурно интерпретированы значимые эффекты стереоселекгивности в образовании ряда гетеролигандных комплексов в системах медь(11) - ТЖ-гистидин - дипеп-тид (глицил-£-тирози11, ¿-тирозил-Л-фенилаланин) с доминированием л/его-форм.

• По данным квантово-химических расчетов установлена структура глицилглицил-1-тирозина с гидратной оболочкой го 56 молекул воды в виде левозакрученной спирали и выявлено ¿/-я-взаимодействие между феноксильным кольцом этого лиганда и медью(Н).

• Зафиксированы и объяснены стереоселективные эффекты образования гетеролигандных комплексов в системах медь(П) - £/£>-гистидин - глицилглицил-£-тирозин с преимущественным накоплением форм с 1-гистидином.

Практическая значимость. Результаты работы представляют ценность для развития координационной, физической и бионеорганической химии переходных 3биметаллов, поскольку углубляют представления о комплексообразовании, кинетике и механизмах быстрых реакций химического обмена и замещения с участием биоли-гандов. Развит новый подход к совместному использованию методов рН-метрии, спектрофотометрии, ЭПР и ЯМ релаксации в сочетании с математическим моделированием и квантово-химическими расчетами, позволяющий определять параметры термодинамики комплексообразования, лабильности и строения комплексов меди(П). Выявленные в работе тонкие факторы, контролирующие стереоселективность образования изученных комплексов меди(Н), создают возможность для предсказания и объ-

яснения стереоселективных эффектов в комплсксообразовании других металлов с различными лигандами. Результаты исследования влияния природы аминокислот, ди-и трипептидов на состав, структуру, устойчивость и динамическое поведение гомо- и гетеролигандных соединений меди(Н) до известной степени позволяют прогнозировать свойства комплексов с другими биолигандами. Установленные особенности строения, устойчивости и динамического поведения комплексов меди(П) с Ь-гистидином позволяют лучше понять их биологическую роль в составе композиций аминокислот с микроэлементами, имеющих перспективы медицинского применения.

Личный вклад автора заключается в экспериментальном исследовании методами рН-метрии, электронной спектроскопии и ЯМР-релаксации многокомпонентных систем, в математической обработке экспериментальных данных, обсуждении и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XVI и XVII Международных конференциях по химической термодинамике в России (Суздаль, 2007; Казань, 2009), VIII, IX и X Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского (Приволжского) Федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2008, 2009, 2011), Всероссийской молодёжной школе с международным участием «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» (Новосибирск 2010), V Всероссийской молодежной научно-инновационной школе «Математика и математическое моделирование» (Саров, 2011), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии и П Молодежной конференции-школе «Физико-химические методы в химии координационных соединений» (Суздаль, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 1 статья в международном журнале, 1 статья в сборнике, материалы и тезисы 10 докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях, 1 статья находится в печати в международном журнале.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, главы литературного обзора, трех глав экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы из 256 наименований и приложения. Диссертация изложена на 178 страницах, содержит 13 таблиц и 68 рисунков, кроме того, на 119 страницах приложения помещены 43 таблицы и I рисунок.

В первой главе рассмотрены сведения о строении и устойчивости гомолиганд-ных комплексов меди(П) с гистидином и олигопепгидами, а также гетеролигандных координационных соединений меди(П) с аминокислотами и дипептидами, проанализированы энантиоселективные эффекты в комплексообразовании меди(11) с биолигандами, рассмотрены кинетика и механизмы реакций замещения и обмена лигандов в растворах координационных соединений меди(И).

Вторая глава содержит постановку задачи и методику эксперимента.

Третья и четвертая главы представляют собой обсуждение результатов работы. В третьей главе представлены данные по термодинамике комплексообразования, кинетике реакций химического обмена, стереоселективным эффектам и структуре комплексов в системах медь(Н) - ¿/£)1-гистидин. В четвертой главе последовательно описаны термодинамика, стереоселективность образования и строение гомо- и гетеролигандных комплексов в системах медь(И) - олигопептид и медь(П) - ¿/£)-гистиднн - олигопептид.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Постановка задачи и методика эксперимента (глава 2)

Для достижения цели работы методами рН-метрии, спектрофотометр™, ЯМ релаксации, ЭПР и математического моделирования с привлечением квантовохими-ческих расчетов были исследованы термодинамика комплексообразования, кинетика реакций химического обмена, структура комплексов и стереоселективные эффекты в бинарных системах медь(Ц) - ¿/Di-гиствдин, медь(П) - дипептид {глицилглицин (GGH), глицил-1-тирозин (GYH), ¿-тирозил-1-фенилаланин (YFH)}, медь(П) - три-пептид {глицилглицилглицин (GGGH), глицилглицил-£-тирозин (GGYH)} и в тройных системах медь(Н) - ¿/D-гистидин - дипептид (GGH, GYH, YFH), медь(П) - LID-гистидин - трипептид (GGGH, GGYH) в широких диапазонах рН на фоне 1 моль/л KN03. Совместное использование полученной структурной, термодинамической и динамической информации составляет основу для интерпретации выявленных сте-реоселективных эффектов.

Титрование выполняли на автоматических титраторах Basic Titrino 794 (Metrohm) со стеклянными электродами Metrohm 6.0228.000 и 907 Titrando (Melrohm) со стеклянными электродами Metrohm 6.0258.010 в условиях термостатирования с погрешностью ±0.1 °С. Значения рН среды определяли также на рН-метре Thermo Orion 420А+. Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре Perkin-Elmer Lambda EZ-210. Времена спин-спиновой релаксации протонов воды (7-г) определяли на импульсном когерентном ЯМР спектрометре с частотой резонанса 15 МГц. Спектры ЭПР регистрировали на 3-см спектрометре Broker ESP 300 и двухдиа-пазонном спектрометре Bruker Elexsys 680 с цифровой записью сигналов и ВЧ-модуляцией с частотой 100 кГц.

Константы протонирования лигандов, составы и константы образования комплексов определяли из зависимостей функции Бьеррума (п), коэффициента экстинк-ции (е) или молярного коэффициента спин-спиновой релаксации (1/cm7jp) от рН при различных концентрациях металла (см) и лигандов (о.) путем математического моделирования по программе CPESSP. Реконструкция экспериментальных электронных спектров поглощения до спектров индивидуальных комплексных форм выполнялась с помощью программы MCR-ALS. Спектры ЭПР моделировались двумя методами. Первый метод основан на применении специально созданной программы, использующей теорию Вильсона-Кивельсона для ширин линий в пределе быстрого движения; второй метод использует функцию chili программы EasySpin, которая основана на решении уравнения Лиувилля без ограничений на скорости движения частиц. Параметры ЯМ релаксации и константы скорости реакций протонного и лигандного обмена для индивидуальных комплексов были найдены с помощью модифицированной программы STABLAB. Структуры трипептида GGYH и ряда комплексных форм были оптимизированы по программе GAMESS на уровне B3LYP/TZVP с учетом эффектов растворителя в рамках модели РСМ. Расчеты выполнены с использованием кластера Казанского университета, созданного в рамках проекта "Университетский кластер", и кластера КазФ МСЦ РАН.

Комплексообразование, химический обмен, структура комплексов и стереоселективные эффекты в системах медь(Н) — ¿Я>£-гистидин (глава 3)

Для определения составов и констант образования комплексов меди(И) с гистиди-ном получен следующий массив информации: зависимости функции Бьеррума (и) от рН в системах медь(П) - UDL-гистидин при соотношении металл/лигавд 1:2 и температурах 15.0,25.0, 35.0,45.0 и 55.0 "С по данным метода рН-метрии; зависимости молярного ко-

6

эффициента экстшгкции (е) от рН при нескольких длинах волн (X) в системах медь(11) -/Л)1-ги стадии при соотношениях металл/лиганд 1:2 и 1:5 и температурах 15,25 и 35 "С, а также такие зависимости в системах медь(П) - £Я)/,-гистидин при соотношениях металл/лиганд 1:1 (15,25 и 35 °С) и 1:15 (25 и 35 °С) при различных концентрациях металла (см) и лиганда (сь) по данным метода спектрофотометрии.

Совместный массив данных рН-метрии и спектрофотометрии полностью описал с помощью программы СРЕББР набором из 13 комплексных форм (табл. 1). Константы образования комплексов Си(Ню)Н_2~ и Си(№5)Н_э2~ (табл. 1) определены впервые. Анализ констант образования и спектральных характеристик частиц в табл. 1 позволил получить важную структурную информацию: в Си(ШН)2+ лиганд связан глициноподобно без координации имидазолильной группы; Си(№з)+ содержит гистаминоподобно связанный лиганд в экваториальных положениях и карбоксильную группу в аксиальной позиции; в Си(Н15Н)22+ оба лиганда координированы глициноподобно; Си(Шз)(Н15Н)+ содержит один глициноподобно связанный лиганд с протонированным имидазольным кольцом и один гистаминоподобно связанный лиганд с аксиально координированной карбоксигруппой; в комплексе Си(Шз)Н-1 присутствует гидроксогруппа; Сиг^в^Н-г содержит два гидроксо-мостика, а в Си2(Н1з)2Н_3~ и Си2(Н15)2Н_42~, кроме того, имеются одна и две депротониро-ванш>1х имидазольных группы соответственно; депротонированные имидазольные группы имеются также в комплексах Си(Т&)Н-2~ и СиЩфН-з2".

Таблица 1

Логарифмы констант образования (Р) и параметры электронных спектров

поглощения комплексов меди(Н) с ¿-гистидином (25 О °С, 1.0 моль/л KNOQ

№ Равновесие IgP — ---. . ■ ~ . ^•max, HM моль"1-л см'1

1 Cu2+ + HisH — Cu(HisH)2+ 5.252(1) 729 39

2 Cu2+ + His" — Cu(His)+ 10.056(4) 688 40

3 Cu2+ + His" —- Cu(His)H.,+H+ 2.28(2) 625 42

4 Cu2+ + His" * Cu(His)H_2" + 2H+ -9.15(1) 605* 59*

5 Cu2+ + His" — Cu(His)H_j2" + 3H+ -22.06(3) 576 67

6 Cu2+ + 2HisH Cu(HisH)22+ 9.502(6) 627 58

7 Cu2+ +His" + HisH — Cu(His)(HisH)+ 14.875(2) 608 60

8 Cu2+ + 2His" - Cu(His)2 17.985(3) 640 88

9 Cu2+ + 2His" — Cu(His)2H-i~ + H+ 6.36(3) 632 94

10 Cu2+ + 2His" —' Cu(His)2H-22" + 2H+ -6.09(3) 600 111

11 2Cu2+ + 2His" — Cu2(His)2H-2 + 2H+ 7.58(3) 601 52

330 470

12 2Cu2+ + 2ffis" — Cu2(His)2H-3~ + 31Г -3.87(3) 585 66

2Cu2t + 2His~ Cu2(His)2H-42" + 4H+ 336 700

13 -16.00(2) 605* 59*

332 1090

* Средневзвешенное значение для комплексов Cu(His)H-2 и Cu2(His)2H^2 .

Особого внимания заслуживает электронный спектр поглощения комплекса Си(Н1Б)2, который до сих пор не получил должного объяснения в литературе. Парадоксально большой длинноволновый сдвиг А™,* для Си(М$)2 относительно Си(Н18)(Ш5Н)+ (640 - 608 = 32 нм) удается понять только при рассмотрении данных ЭПР и квантово-химических расчетов для комплексов Си(ИзХИ$Н)+ и Си(И8)2 с I- и

£>-гистидином. Спектр ЭПР индивидуального комплекса Си(ЬП5)(Ш5Н)+ (с и/или й-гистидином) хорошо описывается одной формой с тремя экваториально координированными атомами азота (ЗИ^-форма). В то же время спектр ЭПР комплекса Си(£-ШвЭг успешно моделируется тремя формами, одна из которых содержит три экваториальных атома азота (ЗМ*,-форма), другая - три экваториальных атома азота и один аксиальный (ЗМ„,М„-форма), а третья - четыре экваториальных атома азота (4ЫСЧ-форма). Важно, что для комплекса Си(1-Н15)2 константа СТС (Л„) уменьшается, а кофактор увеличивается при переходе от ЭИ«,- к ЗК«,К„- и далее к 4МС<1-форме, что указывает на сильное тетраэдрическое искажение в 4М<.Ч-форме, причины которого становятся ясными из результатов квантово-химических расчетов (рис. 1). Как видно из рис. 1, все наиболее устойчивые формы комплексов с ¿-гистидином являются цис-изомерами по расположению аминогрупп. Этот факт мы относим за счет проявления транс-влияния в комплексах меди(Н). Из рис. 1 очевидно, что г/ыс-ЗМ^-формы комплексов Си(/,-№5)(1-Н[8Н)+ и Си(1-Ш$)2 отличаются только наличием в первом водородной связи между аксиальной карбоксигруппой и протонированной имидазольной группой соседних лигандов. В то же время в ¡/"с-4Ысч-форме комплекса Си(1-Н1з)2 по данным расчетов (рис. 1) очевидно сильное тетраэдрическое искажение (угол между плоскостями двух хелатных циклов соседних лигандов составляет 25.4°) как результат отталкивания двух имидазольных колец, расположенных в г/иоположениях.

Тот факт, что депрогонирование комплекса Си(Ш8)2 до Си(№8)2Н-|~ сопровождается только небольшим «фиолетовым сдвигом» максимума в электронном спектре поглощения (640 - 632 = 8 нм), объясняется трансвлиянием депротонированной имидазольной группы ШвН-,2", которое обуславливает увеличение доли ЗЫечК„-формы, поглощающей в более длинноволновой области относительно 41Чсч-формы. Координация второй депротонированной имидазольной группы вызывает значительный «фиолетовый сдвиг» при переходе от Си^Б^Н-Г к Си(№8):Н-2 (632 - 600 = 32 нм), однако этот сдвиг отчасти нивелируется усилением тетраэдрического искажения (согласно расчетам угол между плоскостями двух хелатных циклов соседних лигандов в Си(И8)2Н-2г~ увеличивается до 28.8°).

Как следует из табл. 2, значимые различия в константах образования бис-комплексов с ¿-гистидином по отношению к О^-гистидину (разность в значениях ^Р превышает сумму 2а) наблюдаются для Си(Н15)2Н+ и Сч(Н1б)2 во всем изученном диапазоне температур (за исключением 15.0 °С в случае Си(Н!5)2), при этом энантио-мерно чистые формы СиСНфгН* доминируют над .пезо-формой, а для Си(Шз)2 справедливо обратное. По данным табл. 2 рассчитаны константы образования (1§Р) и доли накопления (а) мезо-форм в растворе £)1-гистидина при 25.0 "С: 1ёР = 15.109 и а = 0.46 для СиСМйзХЯ-НфКГ и = 18.321 и а = 0.52 для Си(1-Н18)(£>-Н15). Тогда с учетом статистического фактора (\£2 = 0.301) эффект стереоселективности (Д^Р) в образовании Си(Н18)2Н+ может быть оценен как Д^р = 14.875 - (15.109 - 0.301) = 0.067(4), а в образовании Си(Н1з)2 - как Д^Р = 17.985 - (18.321 - 0.301) = -0.035(5) (см. табл. 2).

В соответствии с данными на рис. 1 значительная стереоселекгивность образования комплекса Си(Ш5)2Н+ объясняется образованием водородной связи между карбоксильной группой и атомом азота имидазолильной группы в форме си-Си(£-Ш5)(£-ШвН)* (ЗН^,), а небольшая стереоселективность образования комплекса Си(Нш)2 обусловлена благоприятной аксиальной координацией имидазольной группы в форме сй-Си(1-Н18)(С-Н18) (З^Ы^.

cij-Cu(£-HisX£>-HisH)*-2H20 (3N4) £■ = -2890.1134 a.e.

cis -Cu(£-His>2-2H;0 (4N4) £ = -2889.6510 a.c.

rrans-Cu(l-HisX0-His)-2H20 (4K4) E = -2889.6449 a.e._

CK-Cu«.-HisX£>-His)-2H,0 ON«,N„) E= -2889.6527 a.e.

/ra/w-Cu(£-HisX£-HisH)+-2H20 (3N«,) £ = -2890.1112 a.e.

<ra/ij-Cu(i,-HisXO-HisH)* 2H20 (3N4) E - —2890.1064 a.e.

cis-Cu(£-Hisb'2H;0 (3Nt4) £>-2889.6521 a.c.

cis-Cu(L-HisXO-His)-2H20 (3N«,) £ = -2889.6516a.e.

Рис. I. Структуры и энергии образования наиболее стабильных изомеров комплексов состава Cu(HisXHisHyf-2H20 и Cu(His)2-2H20 с различными энантиомерными формами лиганда, оптимизированные в расчетах на уровне B3LYP/TZVP с учетом эффекта растворителя в модели РСМ.

Таблица 2

Логарифмы констант и термодинамические параметры образования комплексов ме-ди(Ц) с Ь- и Ш-гистидином при различных температурах (1.0 моль/л КМЭ3)

Равновесие 15 °С 25 "С 35 °С 45 "С 55 "С

1 0£ 1 йЬ £ Ь Ш. I М,

Си*+НШ — Си№Н)* 5328 ±0.002 5320 ±0.002 5252 ±0.001 5249 ±0.001 5.178 ±0.002 5.171 ±0.002 5.105 ±0.001 5.0% ±0.001 5.030 ±0.001 5.021 ±0.001

Си^+Нв" — Си(Щ)+ 10365 ±0.006 10367 ±0.006 10.056 ±0.004 10.057 ±0.004 9.746 ±0.006 9.746 ±0.005 9.481 ±0.007 9.481 ±0.007 9.217 ±0.005 9.220 ±0.005

Си24+2НШ — акншъ2* 9.61 ±0.01 9.60 ±0.01 9.502 ±0.005 9.498 ±0.005 9.407 ±0.006 9.402 ±0.005 9.286 ±0.006 9.286 ±0.006 9.145 ±0.0»» 9.132 ±0.004

Си*+ШГ-ШШ — (^(НвХНвН)* 15.245 ±0.003 15.205 ±0.003 14.875 ±0.002 14.843 ±0.002 14.535 ±0.002 14.499 ±0.002 14.201 ±0.002 14.173 ±0.003 13.866 ±0.002 13.835 ±0.002

си^+гш" 18.456 ±0.005 18.474 ±0.006 17.985 ±0.003 18.003 ±0.002 17.550 ±0.004 17.565 ±0.003 17.121 ±0.004 17.149 ±0.005 16.708 ±0.003 16.731 ±0.003

СиСНиН)1' (ЫЭ1): ДЯ= Си(Шз)* (£/£>£): ДЯ= ОКНШЬ^Г/М): ДЯ=-Си№0(НвН)* (¿): Д//= Си(НюХШзН)* (£>£): ДЯ = Си(Ш5)3 (£): ЛЯ=

Си(НЬ)2 (О/.): ДН =

-13.5±0.3 кДж/моль, Д5 -52.0±0.2 кДж/моль, —20.6±0.9 кДж/моль, Д5 = = -62.1±0.8 кДж/моль, Д5 = -61.7Ю.8 кДж/моль, Д5 ■ —78.9±0.7 кДж/моль, Д5 ! —78.6±0.7 кДж/моль, Д5

= 55.0±0.9Дж/(моль-К) = 18.0±0.8 Дж/(мол!.-К) = 112.8±3.1 Дж/(мольК) = 76.4±2.5 Дж/(мояь-К) = 77.1±2.7 Дж/(моль-К) = 79.5±2.3 Дж/(моль-К) = 81.1 ±2.2 Дж/(моль-К)

Из зависимостей параметра (1/см72Р) от рН в системах медь(Н) - ¿/£>£-гнстидин при соотношениях металл/лиганд 1:2 и 1:5 и трех температурах, 15, 25 и 35 °С (пример дан на рис. 2) определены константы скорости реакций химического обмена (табл. 3):

Кн

Си(Ш)(Ш5Н)+ + *ШН — ¡г,,. Си^Х'ГОзН^ + ШвН 0)

Си^Ь+'твН — сиаквх'швз+ювн (2)

Си(Н15)2 + Чш" —- Си(1Пз)(*Шз) + Нк" (3)

*он

Си№)2 + ОН" — Си№)(Н1зН-1Г + Н20 (4)

Впервые обнаруженная реакция (4) описывает щелочной катализ протонного обмена с отщеплением протона от координированного имидазольного фрагмента, на который от металла переносится некоторая спиновая плотность через гс-систему кольца, что обеспечивает достаточно короткое время спин-спиновой релаксации этого протона (Тгм.т) как необходимое условие наблюдения протонного обмена.

Рис. 2. Зависимости молярного коэффициента спин-спиновой релаксации (смГ2„)"' от рН при соотношениях металл/лиганд 1:2 (I) и 1:5 (2) в системах медь(П) -1-ги стадии (черные кружки) и медь(11) -£>£-гистидин (белые кружки) при 35 "С;. сс„т = 4.934 10"5 моль/л (для £-1115), 5.060 10"' моль/л (для спин = 1 ООО- Ю-2 (1), 2.500-10"2 (2) моль/л (линии соответствуют рассчитанным значениям).

Таблица 3

Константы скорости реакций лигандного к{) и протонного обмена (£ои), время релаксации протонов (Ггм.ш) Для комплекса Си(Н1з)2 с и ¿»¿-гисгидином при различных температурах на фоне 1 моль/л КЖ)з

Константа 15 "С 25 °С 35 °С

¿-Н^Н аМПэН ¿-МвН DL-ms.ll £>£-Н1зН

кш'' <Г\ моль-1 л с"1 2.7(3) 2.0(3) 3.8(3) 2.7(3) 4.7(6) 3.1(4)

^•10 6, моль-1 л с" 1.45(5) 1.18(4) 1.77(4) 1.36(3) 2.10(9) 1.74(4)

моль"1 л с4 3.5(2) 3.6(2) 4.4(4) 4.5(5) 4.8(4) 5.0(5)

^МЛт'Ю , с 2.1(1) 2.3(1) 2.6(1) 2.7(1) 2.9(1) 3.0(1)

Из табл. 3 следует, что стереоселективностъ реакций лигандного обмена проявляется в более высокой лабильности комплекса Си(Н15)г в растворе с 1-гистидином относительно £>£-гистидина. Пониженная лабильность .пезо-формы Си(Н1з)2 объясняется с точки зрения ассоциативного механизма замещения, поскольку в доминирующих изомерах .мезо-формы реализуется более эффективное блокирование обоих аксиальных положений как мест атаки вступающего лиганда при цис-расположении аминогрупп, как подтверждается данными квантово-химических расчетов (рис. I).

Решающим фактором проявления стереоселективности как в процессах ком-плексообразования, так и в реакциях обмена гистидина является предпочтительное образование ^ис-изомеров, которое обусловлено, на наш взгляд, трансвлиянием в соединениях меди(П).

Термодинамика, стереоселективность образования и строение комплексов в системах медь(П) - £Л)-гистидин - олигопептид (глава 4)

Как следует из результатов рН-метрического титрования бинарных систем медь((Н) - дипептиды (табл. 4), введение тирозильного остатка во второе положение глицилглицина заметно повышает устойчивость комплексов аналогичного состава, что можно объяснить ¿/-я-взаимодействием между ¿/-орбиталями меди(11) и ароматической системой феноксила, что подтверждают данные квантово-химических расчетов. Аналогичная ситуация наблюдается для ¿-тирозил-£-фснилаланина, однако в этом случае образуется еще и биядерный комплекс Си2(ЬН^)22~, в котором реализуется мостиковая координация двух депротонированных феноксильных групп.

Тяблипа 4

Логарифмы констант протонирования глицилглицина (ООН), глицил-1-тирозина (ОУН) и £-тирозил-1-фенилаланина (УРН) и образования их комплексов с ме-дью(И) на фоне 1.0 моль/л КЖ)3 при 25.0 "С

№ Равновесие 1вР

ь=оо

1 ЬН + Н+ — 1Л/ 3.237(2) 3.085(3) 3.259(4)

2 и + н* —- ш 8.235(7) 8.18(1) 7.43(1)

3 Ш-^'+ЬГ —' и - 9.92(1) 9.91(2)

4 Си2+ + ЬН — Си(ЬН)2" 1.117(9) 1.720(6) 1.38(3)

5 Си2+ + 1Г —■ СиЬ+ 5.571(7) 5.844(7) 5.00(1)

6 Си2+ + 1Г «— Си(Ш-,) + Н* 1.255(3) 1.669(2) 1.582(2)

7 Си2+ + 17 - Си(Ш-,)(ОН)" + 2Н+ -8.12(1) -7.299(6) -7.27(1)

8 Си2+ + Ш.,2" — Си(1Л-2)(ОН)г~ + 2Н+ - -7.616(5) -7.565(6)

9 Си2+ + 2и — Си(Ш_,)1Г + Н+ 4.34(7) 4.87(2) 4.6(2)

10 2Си2+ + 21Г —' Си2(Ш-,)2(ОН)" + ЗН+ -4.65(4) -3.36(4) -3.64(2)

11 2Си2+ +2ЬН_[2" —" Си2(Ш-:)22" + 21Г - - 8.23(1)

Моделирование спектров ЭПР в системах медь(Н) - дипептиды позволило определить параметры спин-гамильтониана ряда комплексов, содержащих лиганды с депротонированным пептидным атомом азота. Установлено, что введение фенок-сильного или фенильного заместителя в глицилглицин приводит к уменьшению g-фактора (§0) и увеличению константы СТС (А0) в спектрах ЭПР таких комплексов, что указывает на гйг-взаимодействие.

Результаты рН-метрического титрования тройных систем медь(П) - дипептид -£/£>-гистидин представлены в табл. 5. Как видно из табл. 5, в системах с глицш-Ь-тирозином наблюдаются значимые эффекты стереоселекгивности в образовании только комплексов Си(ОУН_2)(Ш8)2~ и Си(ОУН-2)(Ш5Нн)3~ с доминированием мезо-форм. Этот факт объясняется тем, что блокирование одной аксиальной позиции депротони-

рованной феноксильной группой лиганда ОУН-23~ за счет ¿/-я-взаимодействия оставляет возможность для координации во втором аксиальном положении только для кар-боксигруппы £>-, но не ¿-гистидината. Такое заключение справедливо при цис-координации аминофуппы аминокислоты по отношению к депротонированной пептидной группе, что является следствием сильного трансвлияния депротонированного пептидного атома азота. Отсутствие заметной стереоселективности при образовании комплексов Си(ОУ)(Н1з) и Си(ОУН-])(Шз)~ можно объяснить тем, что с аксиальной координацией карбоксигруппы Д-гистидината в этих случаях конкурирует образование водородной связи между карбоксигруппой ¿-гистидината и спиртовой группой феноксильного фрагмента. Такая водородная связь не может образоваться при введении во второе положение фенильной группы вместо феноксильной. Поэтому в системах с ¿-тирозил-^-фенилаланином доминируют только .мезо-формы при любом составе гетеролигандного комплекса, причем стереоселектавность образования четырех комплексов выражена значительно.

Таблица 5

Логарифмы констант образования гетеролигандных комплексов в системах медь(И) -¿/£>-гистидин (№5Н) - дипептид {глицилглицин (СКЗН), глицил-1-тирозин (вУН), Ь-тирозил-1-фенилаланин (УРН)} при 25.0 °С на фоне 1.0 моль/л КЫСЬ

№ Равновесие I* В Д18р

/.-ИБН О-ШбН

1 2 Си2+ +СС + Н15Н — Си2+ + ОС + Шэ" — Си(ОС)(Н15Н)+ Си^ОХШв) 10.76(4) 15.47(1) 10.75(5) 15.46(2) 0.01 0.01

3 Си2+ + вО^ + »¡б- —— Си(СОН-,)(Н18)""+Н+ 6.72(2) 6.71(2) 0.01

1 2 Си2+ +ОУ" + Н15Н — Си2+ +ОУ~+Н13 — Си(ОУ)(1П5Н)+ Си(ОУ)(Н18) 11.30(6) 15.94(3) 11.29(6) 15.93(3) 0.01 0.01

3 Си2+ + ОУ~ + Мб" — Си(ОУН-,)(Н18)" + Н+ 7.49(4) 7.51(4) -0.02

4 Си2+-ЮУН_,ь+Шз~ -— Си(ОУН-2)(Ш5)2"+Н+ 7.31(4) 7.43(4) -0.12

5 Си2++ОУН_|2"+ Кб" — - Си(СУН-2)(Н1зН-1)3>2Нч -4.83(9) -4.47(6) -036

1 2 Си2+ +УГ+НШ —-Си2+ +УГ + Ш8" — Си(УР)(Ш$Н)+ Си(УБ)(Н18) 15.36(2) 10.35(9) 15.56(2) -0.20

3 Си2+ + УГ + —■ Си(УРН-,)(Ш$)~ + Н+ 7.07(4) 7.33(4) -0.26

4 Си2+ + УРН-12~+ Шв" -— Си(УРН-2)(№8)2" + Н+ 7.17(2) 7.46(2) -0.29

5 Си2++УРН-,2"+Н1$" — Сц(УРН_2)(Н1зН-1)3~ + 2Н+ -4.79(5) -4.10(2) -0.69

Из результатов обработки данных рН-метрии в бинарных системах медь(И) -трипептиды (табл. 6) следует, что введение феноксильного остатка в третье положение глицилглицилглицина увеличивает устойчивость комплексов Си(ООУН_1) и Си(ООУН_2)" относительно Си(ОООН-,) и Си(ОСЮН_2)~. Этот факт можно объяснить тем, что в Си(ООУН_1) и Си(ООУН-2)~ создаются благоприятные условия для ¿-%-взаимодействия между ¿/-орбиталями меди(Н) и ароматической системой феноксила глицилглицил-£-тирозина. Такое предположение подтверждено результатами кванто-во-химических расчетов структур цвитгер-ионной формы данного лиганда (в сопос-

тавлении с данными ЯМР) и его комплекса с медью(П) (Си(ООУН-3)2) в водном растворе (рис. 3). Как видно из рис. 3, свободный лиганд закручен в левую спираль, а в структуре комплекса Си(СКЗУН-з)2~ феноксильная группа расположена по ту же сторону от карбоксигруппы и пептидных атомов азота, что и в свободном лиганде, что обеспечивает ¿/-я-взаимодействие между феноксильным кольцом и центральным ионом. Наличие ¿-я-взаимодействия подтверждено по уменьшению g0 и увеличению А„ в спектрах ЭПР комплексов меди(Щ с ОвУН по отношению к ОООН, подобно тому, как это отмечалось для дипептидов.

Таблица 6

Константы равновесий протонирования и комплексообразования с медью(Н) глицилг-лицилглицина (GGGH) и глицилглицил-^-тирозина (GGYH) при 25.0 °С _ на фоне 1.0 моль/л KNQ3__

LH + Н+ -- LH2+

V + Н+ =* LH LH_i2~ + Н+ —'* L"

Cu2+ + LH - Cu(LH)2+

Си2* + L~ —- CuL+ Cu2+ + V ="=« Cu(LH-i) + H+ Cu2+ + L" Cu(LH_2)~ + 2H+

Cu2+ + LH-,2" - Cu(LH-3)2" + 2H+

Cu2+ + L~ —* Cu(LH-2)(OH)2~ + 3H* 2Cu2+ + 2L~-* CU2(LIL,)2 + 2H+

3.341(1) 8.069(4)

1.484(6) 5.167(8) -0.426(7) -7.084(7)

-18.88(2)

3.281(3) 7.993(6) 9.83(1) 1.35(3) 5.091(9) -0.389(6) -6.698(5) -6.67(1)

Равновесие

L = GGG

L = GGY

(a) (6)

Рис. 3. (а) Сопоставление конформации трипептида GGYH, оптимизированной по программе GAMESS с учетом гидратной оболочки из 56 молекул воды (серый цвет) и рассчитанной по данным ЯМР с помощью программы DYNAMO (черный цвет); (б) структура комплекса состава Cu(GGYH-3)2~ Н20, оптимизированная в расчетах на уровне B3LYP/TZVP с учетом эффекта растворителя в модели РСМ.

Из результатов рН-метрического титрования в системах медь(П) - L/D-гистидин - трипептид (табл. 7) очевидно, что существенная и при этом статистически значимая стереоселективность наблюдается в образовании комплексов Cu(GGY)(His), Cu(GGYH-2XTHis)2~ и Cu(GGYH-3)(His)'~. Повышенная устойчивость комплекса Cu(GGYH_2)(Z,-His)2~ относительно Cu(GGYH-2)(D-His)2~ объясняется тем, что именно в первом из них создаются наиболее благоприятные условия для одновременной координации карбоксигруппы гистидината и феноксильной группы трипептида (по типу ¿/-;г-взаимодействия) в два аксиальных положения (рис. 4). При этом фиксация

феноксильного кольца, благоприятная для йС-тг-взаимодействия, осуществляется во многом благодаря образованию водородной связи между концевой аминогруппой и депротонированным феноксильным атомом кислорода трипептида (рис. 4).

Таблица 7

Логарифмы констант образования гетеролигандных комплексов меди(11) с трипептидами {глицилглицилглицин (ОвСН) или глицилглицил-£-тирозин (СОУН)} и Ь- или /)-гистидином (ШбН) при 25.0 °С на фоне 1 моль/л КЫ03

№ Равновесие IgP AlgP

¿-HisH O-HisH

1 Cu2+ + GGG~ + HisH —- Cu(GGG)(HisH)+ 10.69(3) - -

2 Cu2+ + GGG" + His" Cu(GGG)(His) 14.98(1) - -

3 Cu2+ + GGG~ + His~=— Cu(GGGH-,)(Hisr + ^ 6.65(4) - -

4 Cu2+ + GGG~ + His- — Cu(GGGH_2)(His)2- + H' -4.30(3) - -

I Cu2+ +GGY +HisH -— Cu(GGY)(HisH)+ 10.53(6) 10.44(8) 0.09

2 Cu2+ +GGY~ + His~—* Cu(GGY)(His) 15.11(1) 15.02(1) 0.09

3 Cu2+ + GGY~ + His~—- Cu(GGYH-,)His_ + H+ 7.09(3) 6.98(4) 0.11

4 Cu2+ + GGYH-i2~+ His" —" Cu(GGYH_2)(His)2 +ir 7.28(2) 7.09(3) 0.19

5 Cu2+ + GGYH-i2-+ His- — Cu(GGYH-j)(His)3-+ 2H1" -3.96(2) -4.41(5) 0.45

Рис. 4. Структура комплекса состава Cu(GGYH-2)(£-His)~ H20, оптимизированная в расчетах на уровне B3LYP/TZVP с учетом эффектов среды в модели РСМ.

Таким образом, в настоящей работе впервые обнаружены стереоселективные эффекты в термодинамике комплексообразования и кинетике реакций химического обмена в растворах гомо- и гетеролигандных комплексов меди(П) с гистидином и ди-или трипептидами. Выявленная стереоселективность интерпретирована с учетом образования межлигандной водородной связи, d-n- или стэкинг-взаимо-действия, меж-лигандного отталкивания и трансвлияния в комплексах меди(П) с привлечением спектральных данных и результатов квантово-химических расчетов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Методами рН-метрии, спектрофотометрии и математического моделирования определены составы и константы образования 13 комплексных форм, образующихся в системах медь(П) - LIDL-гистидин (HisH) в широком диапазоне pH и интервале температур 15-55 °С на фоне 1 моль/л KN03. Путем моделирования электронных спектров поглощения и спектров ЭПР растворов меди(П) с L- и Д£-гистидином с учетом рассчитанных степеней накопления частиц реконструированы спектры индивидуальных комплексных форм и ряда изомеров, на основе параметров которых предложены их структуры. Впервые квантово-химическими расчетами методом DFT с учетом эффектов сольватации в модели РСМ оптимизированы геометрии различных изомеров энантиомерно однородных и .«е?о-комплексов состава Cu(His)(HisH)+ и Cu(His)2 с тремя и четырьмя координированными атомами азота (3N*,-, и 4Меч-формы).

2. Установлена значительная стереоселективность в константах образования комплекса Cu(His)(HisH)+ и небольшая стереоселективность противоположного знака в константах образования Cu(His)2. Впервые выявлены стереоселективные эффекты в электронных спектрах поглощения и спектрах ЭПР комплексов Cu(His)(HisH)+ и Cu(His)2- Обнаруженная стереоселективность объяснена с учетом данных квантово-химических расчетов образованием водородной связи между карбоксильной группой и атомом азота протонированной имидазольной группы в форме cis-Cu(L-His)(i-HisH)+ (3Ncq) и благоприятной аксиальной координацией имидазольной группы в форме cis-Cu(£-His)(£>-His) (ЗЫ«,!^«). Доминирование изомеров с t/uc-координацией аминогрупп отнесено за счет проявления трансвлияния в комплексах меди(11).

3. По данным метода ЯМ релаксации протонов воды определены кинетические параметры реакций лигандного и протонного обмена в системах медь(Н) - LIDL-гистидин при 15, 25 и 35 "С. Впервые обнаружена значительная стереоселективность в реакциях лигандного обмена между формами HisH или His' и комплексом Cu(His)2 с повышенной лабильностью системы медь(И) - L-гистидин относительно системы медь(П) - DL-гистидин. Стереоселективность процессов обмена объяснена эффективным блокированием в лгезо-формах комплексов аксиальных позиций как мест нуклеофильной атаки при i/нс-координации лигандов. Впервые обнаружена и описана реакция обмена протона имидазольного кольца координированного лиган-да в комплексе Cu(His)2, катализируемая гидроксвд-ионом.

4. Методом рН-метрии установлены составы и константы образования комплексов в системах медь(И) - дипептид (глицилглицин, глицил-£-тирозин, £-тирозил-£-фенилаланин) и в соответствующих тройных системах медь(Н) - L/D-гистидин -дипептид в широких диапазонах pH при 25.0 °С на фоне 1 моль/л KNOj. Обнаружено повышение устойчивости комплексов меди(11) с дипептидами при введении ароматического заместителя во второе положение лиганда, отнесенное за счет d-n-взаимодействия, что подтверждено по изменениям параметров спектров ЭПР. Впервые выявлены значимые эффекты стереоселективности в образовании ряда ге-теролигандных комплексов в системах медь(П) - £/£>-гистидин - дипептид (глицил-А-тирозин, £-тирозил-/,-фенилаланин) с доминированием л<езо-форм, что объяснено эффектами блокирования аксиального положения ароматической группой дипепти-да с учетом трансвлияния депротонированного пептидного атома азота.

5. Методом рН-метрии определены параметры равновесий комплексообразования в системах медь(П) - трипептид (глицилглицилглицин, глицилглицил-£-тирозин) и в

соответствующих тройных системах медь(Н) - UD-гистидин - трипептид в широких диапазонах рН при 25.0 °С на фоне 1 моль/л KN03. По данным квантово-химических расчетов впервые установлена конформация глицшшшцил-/.-тирозина (GGYH) с гидратной оболочкой из 56 молекул воды в виде левозакрученной спирали. Такая конформация обеспечивает ifoi-взаимодействие между феноксильным кольцом лиганда и медью(П) в составе комплексов Cu(GGYH-i), Cu(GGYH-2) и Cu(GGYH_3)2". Впервые зафиксирован стереоселективный эффект образования Cu(GGY)(His), Cu(GGYH-2)(His)2~ и Cu(GGYH-3)(His)3" с преимущественным связыванием ¿-His" относительно D-His". Стереоселективность образования Cu(GGYH-2)(£-His)2~ в согласии с данными квантово-химических расчетов отнесена за счет одновременной координации в два аксиальных положения карбоксигруп-пы гистидината и феноксильной группы трипептида (по типу ¿/-^-взаимодействия). При этом реализуется транс-расположение имидазолыюй группы гистидината по отношению к депротонированному пептидному атому азота в силу значительного трансвлияния последнего.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Klochkov, V.V. A spatial structure of tripeptides glycylglycyl-i-histidine and gly-cylglycyl-L-tyrosine determined by the residual dipolar couplings analysis combined with quantum-chemical computations [Text] / V.V. Klochkov, A.V. Klochkov, M.N. Schamsut-dinov, S.V. Efimov, A.A. Krutikov, E.M. Gilyazetdinov, Yu.I. Zyavkina, V.G. Shtyriin // Mendeleev Commun. - 2011. - V. 21, N 2. - P. 72-74.

2. Bukharov, M.S. EPR study of structural features of the copper(II) complexes with histamine and dipeptides [Text] / M.S. Bukharov, E.M. Gilyazetdinov, V.G. Shtyriin, G.V. Mamin, Yu.I. Zyavkina, M.M. Malyukina, R.R. Garipov // «Actual problems of magnetic resonance and its application. New aspects of magnetic resonance application»: Proc. XII Intern. Youth Scien. School. - Kazan, 2009. - P. 158-161.

3. Shtyriin, V.G. Complex formation, chemical exchange, species structure, and stereoselective effects in the copper(II) - £/Z>£-histidine systems [Text] / V.G. Shtyriin, Yu.I. Zyavkina, E.M. Gilyazetdinov, M.S. Bukharov, A.A. Krutikov, R.R. Garipov, A.S. Muk-htarov, A.V. Zakharov // Dalton Trans. - 2011. - 13 p. DOI: 10.1039/C1DT11309G. In press.

4. Zyavkina, Yu. I. Complex formation thermodynamics, ligand substitution kinetics, and stereoselective effects in the systems copper(II) - LfDL-histidine - tripeptides [Text] / Yu.I. Zyavkina, V.G. Shtyriin, E.M. Gilyazetdinov, A.F. Safma, A.V. Zakharov // XVI Intern. Confer, on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT 2007), X Intern. Conf. on the Problems of Solvation and Complex Formation in Solutions (1-6.07.2007, Suzdal, Russia): Abstr. Vol. II. - Suzdal, Russia, 2007. - P. 5/S-655.

5. Гилязетдинов, Э.М. Комплексообразование, химический обмен и стереоселективность в системах медь(П) - ¿/£>1-гистидин [Текст] / Э.М. Гилязетдинов, М.С. Бу-харов, Ю.И. Зявкина, В.Г. Штырлин // VIII Научн. конфер. молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ КГУ «Материалы и технологии XXI века» (28-29 октября 2008, Казань): Тез. докл. - Казань, 2008. - С. 25.

6. Gilyazetdinov, E.M. Thermodynamics and stereoselectivity of complex formation reactions in the systems copper(II) - dipeptide - I/DI-histidine [Text]/ E.M. Gilyazetdinov, V.G. Shtyriin, Yu.I. Zyavkina, M.S. Bukharov, A.A. Krutikov, A.S. Mukhtarov, A.V. Zakharov // XVII Intern. Conf. on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT 2009, June 29 - July 3, 2009, Kazan, Russia): Abstr. - Kazan, 2009. - P. 217.

7. Гилязетдинов, Э.М. Комплексообразование и стереоселективные эффекты в системах медь(П) - ¿/ß-ги стадии - дипептид [Текст] / Э.М. Гилязетдинов, A.A. Крутиков, М.С. Бухаров, А.Ш. Мухтаров, Ю.И. Зявкина, В.Г. Штырлин И IX Научн. конфер. молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ КГУ «Материалы и технологии XXI века» (7-8 декабря 2009 г., Казань): Тез. докл. - Казань, 2009. - С. 31.

8. Бухаров, М.С. Исследование структурных особенностей комплексов меди(П) с глицином, ¿/£>1-гистидином, ди- и трипептидами методом ЭПР [Текст] / М.С. Бухаров, Э.М. Гилязетдинов, В.Г. Штырлин, Г.В. Мамин, Ю.И. Зявкина, P.P. Гарипов, А.Ш. Мухтаров // Всеросс. молодёжи, школа с междунар. участием «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» (6-10 сентября 2010 г., Новосибирск): Тез. докл. - Новосибирск, 2010. - С. 49.

9. Крутиков, A.A. Термодинамика, стереоселективность образования и структура комплексов в растворах меди(Н) и никеля(П) с £/£>-гистидином и другими биолиган-дами [Текст] / A.A. Крутиков, М.С. Бухаров, Э.М. Гилязетдинов, Н.Ю. Серов, А.Н. Ильин, Ю.И. Зявкина, A.B. Захаров, В.Г. Штырлин // X Науч. конфер. молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского (Приволжского) Федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (28-29 марта 2011 г., Казань): Тез. докл. -Казань, 2011.-С. 51.

10. Бухаров, М.С._Моделирование динамики вращения комплексов меди(Н) с био-лигандами в растворах по результатам исследований методами ЭПР и ЯМ релаксации [Текст] / М.С. Бухаров, В.Г. Штырлин, А.Ш. Мухтаров, Э.М. Гилязетдинов, A.A. Крутиков, А.Н. Ильин, Ю.И. Зявкина // Сб. материалов V Всеросс. молодежи, научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование (11-14 апреля 2011 г., Саров): - Саров, 2011. -С. 57-58.

11. Серов, Н.Ю. Моделирование термодинамических, спектральных, структурных параметров и стереоселективности образования комплексов в системах медь(И) - три-пептид - аминокислота [Текст] / Н.Ю. Серов, В.Г. Штырлин, Э.М. Гилязетдинов, A.A. Крутиков, М.С. Бухаров, Ю.И. Зявкина, А.Н. Ильин // Сб. материалов V Всеросс. молодежи. научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование (11-14 апреля 2011 г., Саров): - Саров, 2011. - С. 94-95.

12. Спиридонов, А.О. Программа STALAB для расчета термодинамических и кинетических параметров равновесий в растворах координационных соединений по данным совокупности физико-химических методов [Текст] / А.О. Спиридонов, A.A. Крутиков, В.Г. Штырлин, Ю.И. Зявкина, Э.М. Гилязетдинов, М.С. Бухаров, Н.Ю. Серов // Сб. материалов V Всеросс. молодежи, научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование (11-14 апреля 2011 г., Саров): - Саров, 2011. - С. 147149.

13. Штырлин, В.Г. Термодинамика образования, кинетика реакций замещения ли-гандов, структура комплексов и стереоселективные эффекты в растворах никеля(П) и меди(Н) с аминокислотами, ди- и трипептидами [Текст]/ В.Г. Штырлин, Ю.И. Зявкина, Э.М. Гилязетдинов, A.A. Крутиков, М.С. Бухаров, Н.Ю. Серов, А.Н. Ильин, А.Ш. Мухтаров, A.B. Захаров И XXV Междунар. Чугаевская конференция по координационной химии и II Молодежи, конференция-школа «Физико-химические методы в химии координационных соединений» (6-11 июня 2011 г., Суздаль): Тез. докл. - Суздаль, 2011.-С. 73.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства Казанского университета Тираж 100. Заказ 11/11

420008, г.Казань, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел.: (843) 233-73-59, 292-65-60

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

04201252203 ^а пРавахрукописи

ГИЛЯЗЕТДИНОВ ЭДУАРД МАХМУТОВИЧ

ТЕРМОДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ, КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ

ЗАМЕЩЕНИЯ, СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ И СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В РАСТВОРАХ МЕДИ(Н) С ГИСТИДИНОМ И ОЛИГОПЕПТИДАМИ

02.00.01 - неорганическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук, старший научный сотрудник Штырлин В.Г.

Казань —2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление 2

ВВЕДЕНИЕ 4 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ МЕДИ(П)

С ГИСТИДИНОМ И ОЛИГОПЕПТИДАМИ 12

1.1. Комплексные соединения меди(П) с гистидином 12

1.2. Координационные соединения меди(П) с олигопептидами 18

1.3. Гетеролигандные комплексы меди(П) с аминокислотами и дипеп- 27 тидами

1.4. Энантиоселективные эффекты в комплексообразовании меди(П) с 37 биолигандами

1.5. Кинетика и механизмы реакций замещения и обмена лигандов в 47 растворах координационных соединений меди(П)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 55

2.1. Постановка задачи 55

2.2. Методы исследования 60

2.3. Растворы и реактивы 64 ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, ХИМИ00000000ЧЕСКИЙ ОБМЕН, СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ И СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНЫЕ 67 ЭФФЕКТЫ В СИСТЕМАХ МЕДЬ(П) - !/£>!-ГИСТИДИН

3.1. Кислотно-основные свойства гистидина 67

3.2. Термодинамика, стереоселективность образования и структура 69 комплексов меди(П) с Ь- и £)£-гистидином

3.3. Кинетика и стереоселективность реакций химического обмена в си- 102 стемах медь(П) - /У£)£-гистидин

ГЛАВА 4. ТЕРМОДИНАМИКА, СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ И СТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ В СИСТЕМАХ МЕДЬ(И) -

¿/£>-ГИСТИДИН - ОЛИГОПЕПТИД 113

4.1. Комплексообразование меди(Н) с дипептидами (глицилглицин, 113 глицил-£-тирозин, ¿-тирозил-£-фенилаланин)

4.2. Гетеролигандное комплексообразование, структура комплексов и 122 стереоселективные эффекты в системах медь(П) - /Л>гистидин - ди-пептид (глицилглицин, глицил-£-тирозин, ¿-тирозил-/.-фенилаланин)

4.3. Комплексообразование меди(П) с трипептидами (глицилглицил- 120 глицин, глицилглицил-£-тирозин)

4.4. Гетеролигандное комплексообразование и стереоселективные эф- 138 фекты в системах медь(П) - ¿АО-гистидин - трипептид (глицилгли-цилглицин, глицилглицил-£-тирозин)

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

147 149 179

ВВЕДЕНИЕ

Исследование взаимосвязи между строением, устойчивостью и реакционной способностью комплексных соединений меди(Н) с аминокислотами и олигопептидами представляет жизненно важный интерес для моделирования медьсодержащих ферментов и понимания биологического транспорта меди [1, 2]. Существенной особенностью комплексов меди(Н) с пептидами является возможность реализации в них координации атомов азота депротониро-ванных пептидных связей [1, 3, 4]. Особенную важность приобретает изучение гомо- и гетеролигандных комплексов меди(Н) с гистидином (ИбН), поскольку именно они участвуют в транспорте меди в живых организмах [2]. При этом £шс-(Х-гистидинато)медь(П) является пока единственным эффективным средством лечения тяжелой болезни Менкеса, обусловленной генетическими нарушениями синтеза АТФ-азы Менкеса. Лекарственный эффект достигается, вероятно, благодаря тому, что £шс-(Х-гистидинато)медь(Н) транспортируется в клетку, минуя АТФ-азу Менкеса, а затем обменивает медь с сывороточным альбумином через образование интермедиатов - гетеролигандных комплексов [2]. Однако структура и устойчивость гомо- и гетеролигандных комплексов меди(Н) с гистидином в водных растворах остаются малоизученными. Исследование таких комплексов тем более актуально, что они моделируют активные центры медьсодержащих ферментов, многие из которых включают гистидиновый остаток.

Важно отметить, что природные аминокислоты и олигопептиды асимметричны, поэтому детальное исследование их неизбежно приводит к проблеме специфичности и селективности процессов в живой природе, являющейся одной из центральных в современном естествознании. Эта проблема имеет прямое отношение к координационной химии, поскольку ионы металлов уже на первых ступенях биохимической эволюции могли контролировать селективность многих процессов путем координации к ним аминокислот и пептидов. Изучение энантиоселективных эффектов в реакциях лабильных

комплексов металлов с аминокислотами имеет помимо теоретического также и большое практическое значение. В частности, на использовании стереосе-лективных эффектов основан новый метод разделения энантиомеров аминокислот - лигандобменная хроматография [5].

Однако до сих пор энантиоселективные эффекты в реакциях образования гомо- и гетеролигандных комплексов меди(Н) с аминокислотами и асимметричными олигопептидами остаются практически не исследованными. Из всех изученных Ь-, й- и Д£-форм аминокислот только для гистидина в работах [6, 7] была выявлена некоторая стереоселективность в образовании гомо-лигандных комплексов с медью(П), однако другие авторы не подтвердили достоверности этих результатов. Ранее в работах двух групп авторов [8, 9, 10] были обнаружены сильные стереоселективные эффекты в образовании нейтральных гетеролигандных комплексов меди(И) с Ь- и О-гистидином, с одной стороны, и ¿-фенилаланином (РЬеН) или ¿-триптофаном (ТгрН), с другой, причем более устойчивыми оказались соединения с лигандами противоположной хиральности. В то же время выявлены гораздо менее значительные стереоселективные эффекты противоположного знака в гетеролигандном комплексообразовании меди(И) с /У/)-гистидином и ¿-валином (Уа1Н) или Ь-лейцином (ЬеиН) [8, 9]. Энантиоселективность в образовании соответствующих монопротонированных гетеролигандных комплексов не была детектирована. Кроме того, авторам [9] не удалось обнаружить заметной стереосе-лективности и в накоплении гетеролигандных комплексов меди(П) с ¿/О-гистидином и ¿-дипептидами - глицил-£-фенилаланином, глицил-£-валином и £-валил-£-валином. Выявленная стереоселективность образования аминокислотных комплексов по-разному интерпретирована авторами [8, 9] и [10], а проблема стереоселективности в гетеролигандном комплексообразовании с дипептидами осталась открытой. Стереоэффекты в образовании гетеролигандных комплексов меди(Н) с аминокислотами и трипептидами ранее вообще не изучались.

В настоящей работе методами рН-метрии, спектрофотометрии, ЯМ релаксации, ЭПР и математического моделирования с привлечением квантово-химических расчетов исследована термодинамика комплексообразования, кинетика реакций замещения и химического обмена, структура комплексов и стереоселективные эффекты в бинарных системах медь(П) - L/DL-гистидин, тройных системах медь(П) - L/D-гистидин - дипептид {глицилглицин (GGH), глицил-£-тирозин (GYH), £-тирозил-£-фенилаланин (YFH)}, медь(П) - L/D-гистидин - трипептид {глицилглицилглицин (GGGH), глицилглицил-L-тирозин (GGYH)} и в соответствующих бинарных подсистемах медь(И) -олигопептид в широких диапазонах pH на фоне 1 моль/л KN03 при различных температурах.

Цель работы заключалась в том, чтобы определить термодинамические параметры равновесий образования гомо- и гетеролигандных комплексов меди(Н) с L- и D-гистидином и олигопептидами, кинетические характеристики реакций химического обмена, спектральные параметры комплексов, выявить на этой основе стереоселективные эффекты в реакциях комплексообразования и замещения лигандов и дать им структурную интерпретацию.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

• Путем математического моделирования данных рН-метрии и спектрофотометрии определены составы и константы образования комплексов в системах медь(П) - /,//)£-гистидин в широком диапазоне pH и интервале температур 15-55 °С на фоне 1 моль/л KNO3.

• Методом рН-метрии установлены составы и константы образования комплексов в системах медь(П) - дипептид (глицилглицин, глицил-1-тирозин, L-тирозил-£-фенил-аланин), медь(П) - трипептид (глицилглицилглицин, гли-цилглицил-1-тирозин) и в соответствующих тройных системах медь(Н) - LID-гистидин - дипептид и медь(П) - L/D-гистидин - трипептид в широких диапазонах pH (25 °С, 1 моль/л KN03).

Из экспериментальных оптических и ЭПР спектров растворов в системах медь(П) - ¿/£>£-гистидин путем моделирования на ЭВМ реконструированы спектры индивидуальных комплексных форм.

Квантово-химическими расчетами методом ОБТ с учетом эффектов сольватации оптимизированы геометрии различных изомеров энантиомерно однородных и тиезо-комплексов состава Си(Н18)(№8Н)+ и Си(Н18)2. Подтверждена значительная стереоселективность образования комплекса Си(Н18)(Ш8Н)+ и обнаружена небольшая стереоселективность противоположного знака в образовании комплекса Си(Н1з)2. Выявлены стереоселек-тивные эффекты в электронных спектрах поглощения и ЭПР спектрах комплексов Си(Ш8)(1-П8Н)+ и Си(Н18)2. Дано структурное объяснение обнаруженных стереоселективных эффектов с учетом результатов квантово-химических расчетов.

По данным метода ЯМ релаксации протонов воды определены константы скорости реакций лигандного обмена в системах медь(П) - ЬЮЬ-гистидин при 15, 25 и 35 °С. Обнаружена и объяснена значительная стереоселективность в реакциях лигандного обмена между формами НбН или Мб" и комплексом Си(Н1з)2 с повышенной лабильностью системы медь(П) - ¿-гистидин относительно системы медь(П) - /^¿-гистидин.

На основе данных метода ЯМ релаксации обнаружена и описана катализируемая гидроксид-ионом реакция обмена протона координированного имида-зольного кольца в растворах Си(Шз)2.

Установлено повышение устойчивости дипептидных комплексов меди(П) при введении ароматического заместителя во второе положение дипептида за счет с1-п-взаимодействия.

Выявлены и структурно интерпретированы значимые эффекты стереоселектив-ности в образовании ряда гетеролигандных комплексов в системах медь(П) -/Л>гистидин - дипептид (глицил-^-тирозин, ¿-тирозил-1-фенилаланин) с доминированием тиезо-форм.

• По данным квантово-химических расчетов установлена структура глицил-глицил-^-тирозина с гидратной оболочкой из 56 молекул воды в виде лево-закрученной спирали и выявлено ¿/-тс-взаимодействие между феноксильным кольцом этого лиганда и медью(П).

• Зафиксированы и объяснены стереоселективные эффекты образования ге-теролигандных комплексов в системах медь(Н) - /У1)-гистидин - глицил-глицил-£-тирозин с преимущественным накоплением форм с ¿-гистидином.

Практическая значимость. Результаты работы представляют ценность для развития координационной, физической и бионеорганической химии переходных 3¿/-металлов, поскольку углубляют представления о ком-плексообразовании, кинетике и механизмах быстрых реакций химического обмена и замещения с участием биолигандов. Развит новый подход к совместному использованию методов рН-метрии, спектрофотометрии, ЭПР и ЯМ релаксации в сочетании с математическим моделированием и квантово-химическими расчетами, позволяющий определять параметры термодинамики комплексообразования, лабильности и строения комплексов меди(Н). Выявленные в работе тонкие факторы, контролирующие стереоселективность образования изученных комплексов меди(П), создают возможность для предсказания и объяснения стереоселективных эффектов в комплексообразовании других металлов с различными лигандами. Результаты анализа влияния природы аминокислот, ди- и трипептидов на состав, структуру, устойчивость и динамическое поведение гомо- и гетеролигандных соединений меди(Н) до известной степени позволяют прогнозировать свойства комплексов с другими биолигандами. Установленные особенности строения, устойчивости и динамического поведения комплексов меди(П) с ¿-гистидином позволяют лучше понять их биологическую роль в составе композиций аминокислот с микроэлементами, имеющих перспективы медицинского применения.

На защиту выносятся: 1. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системах медь(П) - /Л}/,-гистидин в широких диапазонах рН, концентраций ме-

талла, лиганда и интервале температур 15-55 °С методами рН-метрии, спектрофотометрии и ЯМ релаксации. Сведения о строении обнаруженных частиц, полученные из оптических и ЭПР спектров с учетом термодинамических параметров и данных квантово-химических расчетов. Структурная интерпретация выявленных стереоселективных эффектов в образовании и спектральных характеристиках комплексов.

2. Полученные методом ЯМ релаксации кинетические параметры реакций лигандного и протонного обмена в системах медь(П) - Z/DZ-гистидин при 15, 25 и 35 °С. Объяснение обнаруженной стереоселективности в реакциях лигандного обмена между формами HisH или His" и комплексом Cu(His)2 с точки зрения структуры комплексов и механизма реакций замещения ли-гандов. Описание катализируемой гидроксид-ионом реакции протонного обмена с участием комплекса Cu(His)2.

3. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системах медь(П) — дипептид (глицилглицин, глицил-L-тирозин, £-тирозил-£-фенилаланин) и медь(П) - трипептид (глицилглицилглицин, глицилглицил-L-тирозин) в широких диапазонах pH методом рН-метрии. Объяснение повышенной устойчивости и особенностей спектров ЭПР комплексов ме-ди(П) с ди- и трипептидами, содержащими ароматические заместители, за счет ¿/-и-взаимодействия. Данные квантово-химических расчетов структуры глицилглицил-Z-тирозина и его комплекса с медью(П).

4. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системах медь(П) - 1У£)-гистидин - дипептид (глицилглицин, глицил-£-тирозин, £-тирозил-£-фенилаланин) методом рН-метрии. Структурная интерпретация эффектов стереоселективности в образовании ряда гетеролигандных комплексов.

5. Результаты рН-метрического исследования термодинамики образования гетеролигандных комплексов в системах медь(П) - Z/D-гистидин - трипептид (глицилглицилглицин, глицилглицил-£-тирозин) и интерпретация стереоселективных эффектов их образования.

Личный вклад автора заключается в экспериментальном исследовании методами рН-метрии, электронной спектроскопии и ЯМР-релаксации многокомпонентных систем, в математической обработке экспериментальных данных, обсуждении и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XVI и XVII Международных конференциях по химической термодинамике в России (Суздаль, 2007; Казань, 2009), VIII, IX и X Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского (Приволжского) Федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2008, 2009, 2011), Всероссийской молодёжной школе с международным участием «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» (Новосибирск 2010), V Всероссийской молодежной научно-инновационной школе «Математика и математическое моделирование» (Саров, 2011), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии и II Молодежной конференции-школе «Физико-химические методы в химии координационных соединений» (Суздаль, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 1 статья в международном журнале, 1 статья в сборнике, материалы и тезисы 10 докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях, 1 статья находится в печати в международном журнале.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, главы литературного обзора, трех глав экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы из 256 наименований и приложения. Диссертация изложена на 178 страницах, содержит 13 таблиц и 68 рисунков, кроме того, на 119 страницах приложения помещены 43 таблицы и 1 рисунок.

Диссертационная работа выполнена на кафедре неорганической химии и в научно-исследовательской лаборатории координационных соединений отдела неорганической и координационной химии Химического института им. A.M. Бутлерова КФУ. Работа является частью исследований по основному научному направлению Химического института им. A.M. Бутлерова КФУ

"Строение, реакционная способность и практически полезные свойства органических, элементоорганических и координационных соединений" в рамках темы "Стереоселективные процессы с участием органических, элементоорганических и координационных соединений. Фундаментальные и прикладные аспекты" (per. № 6.2.06).

Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность Валерию Григорьевичу Штырлину, Юлии Игоревне Зявкиной, Альбине Фари-товне Сафиной, Александру Александровичу Крутикову, Михаилу Сергеевичу Бухарову, Никите Юрьевичу Серову, Александру Николаевичу Ильину, Анвару Шарафулисламовичу Мухтарову, Рамзие Фаритовне Салиховой, Лейсан Фирдинатовне Зариповой, Марии Николаевне Малюкиной, всем студентам лаборатории и сотрудникам кафедры неорганической химии и НИЛ координационных соед