Термодинамика, стереоселективность образования и структура гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(II) с аминокислотами

Крутиков, Александр Александрович

Термодинамика, стереоселективность образования и структура гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(II) с аминокислотами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

Крутиков, Александр Александрович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Термодинамика, стереоселективность образования и структура гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(II) с аминокислотами»

Автореферат диссертации на тему "Термодинамика, стереоселективность образования и структура гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(II) с аминокислотами"

На правах рукописи

КРУТИКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕРМОДИНАМИКА, СТЕРЕОСЕЛЕКТИВИОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ И СТРУКТУРА ГОМО- II ГЕТЕРОЛИГАНДНЫХ КОМПЛЕКСОВ НИКЕЛЯ(Н) С АМИНОКИСЛОТАМИ

02.00.01 - Неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005531813

КАЗАНЬ-2013

005531813

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:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Штырлин Валерий Григорьевич

Мустафина Асия Рафаэлевпа, доктор химических наук, доцент, заведующий лабораторией ФГБУН «Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова» Казанского научного центра РАН

Гарифзянов Айрат Ризванович, кандидат химических наук, доцент, доцент Химического института им. A.M. Бутлерова ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» (г. Иваново)

Защита состоится «6» июня 2013 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 c^^pz,.Jb2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент

Кутырева М. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Детальное изучение взаимосвязи между строением, устойчивостью и реакционной способностью комплексных соединений никеля(Н) с биолигандами имеет важное значение для развития как координационной, так и бионеорганической химии. В частности, исследование комплексов никеля(И) с энантиомерными аминокислотами позволяет приблизиться к решению одной из центральных проблем современного естествознания, которая заключается в понимании специфичности и селективности процессов в живой природе. Возможно, эта проблема имеет прямое отношение к координационной химии ввиду того, что ионы металлов уже на первых ступенях биохимической эволюции могли контролировать селективность многих процессов путем координации к ним аминокислот, пептидов и углеводов. Изучение энантиоселективных эффектов в реакциях лабильных комплексов металлов имеет не только теоретическое, но и практическое значение, в частности, для развития энантиоселективной лигандообменной хроматографии.

Для выявления роли природы металла и лигандов в процессах молекулярного распознавания в биологических системах представляется необходимым сравнительное исследование стереоселективных эффектов комплексообразования как в рядах биолигандов, так и в рядах биометаллов. В этом плане полезно сопоставить стереоселективность образования различных аминокислотных комплексов в ряду соседних металлов: никель - медь - цинк. Факторы, контролирующие стереоселективность образования комплексов меди(Н) с аминокислотами и олигопептидами, были изучены в предыдущих работах нашей группы. Однако к настоящему времени накоплено лишь небольшое количество в основном не проверенных данных по энантиоселективности образования комплексов никеля(П) с аминокислотами, что не позволяет провести корректное сопоставление влияния природы ионов металлов, никеля(Н) и меди(И), на стереоселективность их комплексообразования с биолигандами. Для ликвидации этого пробела и предпринято настоящее исследование.

В данной работе изучена термодинамика и стереоселективность образования гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(Н) с аминокислотами. В качестве лигандов выбраны потенциально тридентатные аминокислоты, поскольку только трехточечное взаимодействие лигандов с металлоцентром может обеспечить энан-тиоселективность комплексообразования и замещения лигандов. Особое внимание уделено процессам комплексообразования с гистидином ввиду особой их сложности, присутствия гистидинового остатка во многих центрах связывания металлов в протеинах, а также выполнения гистидиновыми комплексами роли транспортных форм металлов в живых организмах. Исследования выполнены с привлечением совокупности методов - рН-потенциометрии, многоволновой спектрофотометрии, ЯМ релаксации, математического моделирования и квантовой химии.

Цель работы заключалась в том, чтобы создать новую компьютерную программу для совместной обработки данных нескольких физико-химических методов, определить с ее помощью из этих данных термодинамические параметры равновесий образования, спектральные и релаксационные характеристики ряда гомо-и гетеролигандных комплексов никеля(Н) с энантиомерными аминокислотами, квантовохимическими расчетами методом ОРТ с учетом эффектов среды оптимизировать структуры образующихся бис-комплексов, выявить стереоселективные эффекты в параметрах реакций комплексообразования и дать им структурную интерпретацию.

- Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

• Создана компьютерная программа БТАЬАВЗ, позволяющая проводить совместную обработку данных нескольких физико-химических методов, применяемых для исследования комплексообразования, включая рН-метрию, потенциометрию на ион-селективных электродах, многоволновую спектрофотометрию и ЯМ релаксацию.

• Путем моделирования данных рН-метрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации по программе ЗТАЬАВБ определены составы, константы образования, спектральные и релаксационные характеристики комплексов в системах никель(11) - ¿/£>/,-гистидин (ШбН) в широких диапазонах рН и концентраций компонентов при 25 °С на фоне 1.0 МКЖ>3.

• Квантово-химическими расчетами методом БРТ с учетом эффектов среды оптимизированы геометрии различных изомеров энантиомерно однородных и мезо-комплексов состава №(Н!з)(Н1зН)+ и N¡(1113)2.

• Подтверждена значительная стереоселективность образования комплекса N¡(№5)2 с доминированием .ием-формы, обнаружена стереоселективность противоположного знака в образовании комплекса №(Н1з)(1-П5Н)+, а также стереоселективность образования 7 других комплексов с преобладанием ,иезо-форм. Выявлены стереоселективные эффекты в параметрах электронных спектров поглощения и ЯМ релаксационных характеристиках ряда комплексов, образующихся в системах никель(П) - Х/£)£-гистидин. Дано структурное объяснение обнаруженных стерео селективных эффектов с учетом результатов квантово-химических расчетов и трансвлияния в комплексах никеля(П).

• По данным квантово-химических расчетов установлена смена знака стереоселек-тивности образования комплекса состава N¡(№3)2 по мере увеличения числа молекул воды в его окружении.

• Среди исследованных методом рН-метрии бинарных систем никель(П) - ЬЮЬ-аминокислота (С1иН2, АэрНг, МеЩ, ЭегН) по результатам обработки с помощью программы ЗТАЬАВБ значимая стереоселективность обнаружена только для се-ринового комплекса состава №(8егН_1)(8ег)" с преобладанием л<е?о-формы. Выявленная стереоселективность объяснена с учетом результатов квантово-химических расчетов и трансвлияния в комплексах никеля(И).

• По результатам обработки данных рН-метрического титрования с помощью программы БТАЬАВЗ установлены значимые эффекты стереоселективности в образовании ряда гетеролигандных комплексов в системах никель(И) - .¿ЛЭ-ШзН - Ь-аминокислота (01иН2, АзрН2, МеШ, БегН): ЩИиХЫзН), №(Азр)(Н15Н), №(А5р)(Н;з)-, №(Ме1)(Шз) и №(8егН.,)(Ы8)", - с доминированием во всех случаях мезо-форм. Дана структурная интерпретация выявленных стереоселективных эффектов с учетом результатов квантово-химических расчетов, трансвлияния в комплексах никеля(П) и образования внутрикомплексных водородных связей.

Практическая значимость. Результаты работы являются вкладом в развитие координационной, физической и бионеорганической химии переходных 3й-металлов, углубляя представления об их комплексообразовании с биолигандами. Разработанная новая программа БТАХ^АВЗ, позволяющая проводить совместную обработку данных нескольких физико-химических методов, имеет уникальные возможности и представляет большую практическую ценность для определения параметров термодинамики комплексообразования, лабильности и спектральных характеристик комплексов самых различных металлов с любыми лигандами. Раз-

витый в работе подход к анализу причин стереоселективности на основе сопоставления экспериментально определенных констант образования комплексов с энергиями образования различных их изомеров, полученными в квантово-химических расчетах с учетом эффектов среды, представляет интерес для исследования природы стереоселективности различных комплексов металлов с энантиомерными ли-гандами. Выявленные в работе факторы, контролирующие стереоселективность образования изученных гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(Н) с аминокислотами, открывают возможности для предсказания и объяснения стереоселек-тивных эффектов в комплексообразовании других металлов с различными лиган-дами, что приближает решение проблемы зависимости стереоселективности и сте-реоспецифичности комплексообразования от природы металлов и лигандов.

Личный вклад автора заключается в создании новой компьютерной программы STALABS, выполнении квантово-химических расчетов, экспериментальном исследовании методами рН-метрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации растворов никеля(П) с аминокислотами, математической обработке экспериментальных данных, обсуждении и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IV, V и VI Всероссийских молодежных научно-инновационных школах «Математика и математическое моделирование» (Саров, 2010, 2011, 2012), X и XI Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского (Приволжского) Федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2011, 2012), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии и II Молодежной конференции-школе «Физико-химические методы в химии координационных соединений» (Суздаль, 2011), Итоговой научной конференции сотрудников Казанского (Приволжского) Федерального университета за 2011 г. (Казань, 2012), 3rd International Workshop on Statistical Physics and Mathematics for Complex Systems SPMCS'2012 (Kazan, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в международных журналах, материалы и тезисы 10 докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.

Структура н объем работы. Работа состоит из введения, главы литературного обзора, двух глав экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы из 139 наименований и приложения. Диссертация изложена на 123 страницах, содержит 9 таблиц и 35 рисунков, кроме того, на 71 странице приложения помещены 28 таблиц.

В первой главе рассмотрены литературные сведения об энантиоселективно-сти образования бинарных и тройных комплексов никеля(П) с аминокислотами и дипептидами и современные математические методы моделирования равновесий в растворах комплексных соединений.

Вторая глава содержит постановку задачи и методику эксперимента.

Третья глава представляют собой обсуждение результатов работы. В ней представлены данные по термодинамике комплексообразования, спектральным, релаксационным характеристикам, стереоселекгивным эффектам и структуре го-молигандных комплексов никеля(Н) с Х/£>£-гистидином (HisH), аспарагиновой кислотой (AspH2), глутаминовой кислотой (GluH2), метионином (MetH) и серином (SerH). Здесь же описаны термодинамика, стереоселективность образования и строение гетеролигандных комплексов, образующихся в системах никель(П) — L/D-гистидин - ¿-аминокислота (AspH2, GluH2, MetH, SerH).

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

Для достижения цели работы методами рН-метрии и математического моделирования с привлечением квантово-химических расчетов были исследованы термодинамика комплексообразования, стереоселективные эффекты и структура комплексов в бинарных системах никель(Н) - ¿/DZ-аминокислота (HisH, AspH2, GluH2, MetH, SerH) и в тройных системах никель(Н) - Z/D-гистидин - ¿-аминокислота (AspH2, G1uH2, MetH, SerH) при 25.0 °C на фоне 1.0 М KN03. Выбор лигандов преследовал цель выяснить влияние на стереоселективность комплексообразования дополнительных функциональных групп аминокислот - имидазольной, 0- или у-карбоксильной, тиоэфирной или спиртовой. Наиболее подробно в широких диапазонах рН и концентраций компонентов с применением дополнительных методов спектрофотометрии и ЯМ релаксации изучены системы никель(П) - ¿ADi-HisH. Совместное использование полученной термодинамической и структурной информации позволяет дать интерпретацию выявленных стереоселективных эффектов.

Титрование выполняли на автоматических титраторах Basic Titrino 794 (Metrohm) со стеклянными электродами Metrohm 6.0228.000 и 907 Titrando (Metrohm) со стеклянными электродами Metrohm 6.0258.010 в условиях термоста-тирования с погрешностью ±0.1 °С. Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре Perkin-Elmer Lambda EZ-210, а времена спин-спиновой релаксации протонов воды (Т2) измеряли на импульсном когерентном ЯМР спектрометре с частотой резонанса 15 МГц при термостатировании (25±0.5 °С).

Константы протонирования лигандов, составы и константы образования комплексов определяли из зависимостей функции Бьеррума (и), коэффициентов экстинкции (е) при разных длинах волн (X) или молярного коэффициента спин-спиновой релаксации (1/смГ2р) от рН при различных концентрациях металла (см) и лигандов (cL) путем математического моделирования по специально созданной программе STALABS. Эта же программа использована для совместного расчета электронных спектров поглощения и параметров ЯМ релаксации индивидуальных комплексных форм. Структуры всех возможных изомеров ряда комплексов были оптимизированы по программам GAMESS и FIREFLY на уровне ВЗЕУРЯгУР без учета и с учетом эффектов растворителя в рамках модели С-РСМ, кроме того, по программе PRIRODA на уровне PBE/L2 для вакуума оптимизированы структуры комплексов Ni(Z-His)2 и Ni(i-His)(Z)-His) в свободном виде или в гидратном окружении с разным числом молекул воды. Для ряда исследованных форм был выполнен анализ частот колебаний. Все энергетические минимумы были тестированы на отсутствие мнимых частот. Расчеты выполнены с использованием кластерной системы Казанского университета, созданной в рамках проекта "Университетский кластер", и кластеров КазФ МСЦ РАН и МСЦ РАН.

Комплексообразование, стереоселективные эффекты и структуры комплексов в бинарных и тройных системах никель(Ц)- аминокислоты (глава 3)

На первом этапе работы создан новый подход, предусматривающий совместный расчет констант равновесий, параметров релаксации, химического обмена и спектральных характеристик комплексов в рамках единой компьютерной программы из данных методов, предназначенных для определения всего доступного многообразия свойств растворов координационных соединений, включая рН-потенциометрию, потенциометрию на ион-селективных электродах, многоволно-

вую электронную спектроскопию и ЯМ релаксацию. Новый подход реализован в программе STALABS. Программа STALABS написана в среде разработки Qt и имеет сборки для Windows и Unix операционных систем, также имеется ограниченный по функциональности скрипт для MATLAB. Интерфейс программы графический многооконный (см. пример ниже).

| System М(П) L-H. s (1:2) 25 grad

X М Н logk

\ 1 □ 1 0 0 0

[ 2 □ 0 1 0 0

: 3 0 I -1.986

' 4 □ 0 2 -8.2S1

• 5 Q 0 Э •17.454

> 6 т 2 -5

\ ; 7 ■а 3 -9

; 8 53 2 4 -14 Г

\ 9 а 2 5 -15

jib в 2 6 -20

0 1 -9.03 |

1 ;12 0 2 -19.45

1 : о 0 3 -30.67

k™^..... ......

наш

0.00996494

.] с2 £□ 0.00478643

; jcT El -0-0S5

; EJ >

¡ун □ I

! |уон d i

; jv 20

: iKw 1.66e-l4

; L

. .............. -J'

Inkml 6:10

Q other per [7] with К ttyp! 'o ""1

fy) numeric *! 500|

j Ree ale { [ Start ] | Paste 1

Recak ai II Start at 1

Программа вТЛЬАВБ применена для совместного описания параметров ком-плексообразования и физико-химических характеристик координационных соединений в системах никель(Н) - £/£>£-гистидин по данным методов рН-метрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации. В результате описаны равновесия образования 11 комплексных форм, 6 из которых выявлены впервые (см. табл. 1 и рис. 1). Пример рассчитанной диаграммы распределения частиц представлен на рис. 1.

-Ni"(1)

- Ni(L-HisH)" (2)

- Ni(L-His)* (3)

- Ni(L-His)(L-HisH)' (4)

- Ni(L-His), (5)

- Ni(L-His)(L-HisH,)' (6)

- Ni(L-HisH,)/' (7)

- NyL-HisyL-HisH)/ (8)

- NyL-HisyL-HisH), (9)

- NifL-HisyL-HisH) (10)

-NKL-Hi«),!")

-Ni.fL-HisyL-HisH),!^)

Рис. 1. Распределение долей накопления комплексов (а) в зависимости от рН в системах N¡(11) - ¿-ШэН (1:2.5) и N¡(11) - йЬ-НШ (1:2.5) при 25 "С на фоне 1.0 М КЖ)3; Сьвд = 3.859-Ю"2 М, С£.н*н = 0.1001 М, с№н = 0.1002 М (цифры со штрихом и штриховые линии отвечают системе N¡(11) - £>Л-ШвН).

Таблица 1. Логарифмы констант равновесий в системах никель(П) - ЬЮЬ-ЬПэН

^ /- а^ 1 • л ... , ^ . . ~

№ Равновесие 1еЭ А1§Р

Ш-Нк

1 Н+ + Ню — ШэН 9.203(3) - -

2 Н+ + ШэН ■=— НюН2+ 6.265(1) - -

3 Н+ + Н.'8Н2+ — НЬНз2" 1.986(1) - -

4 №2+ + ШбН — ЩШБН)2" 2.925(1) 2.939(5) -0.014

5 N¡2+ + Н]5- 8.576(1) 8.574(1) 0.002

6 №2+ + Шэ" + ННвН —* ЩИ^КН^И)"1" 11.040(4) 10.993(7) 0.047 11.241

7 №2+ + гнгэ" — N¡(№5)2 15.476(3) 15.719(1) -0.243 16.175

8 №2+ + 2Нв —* ТЧ1(Н1з)(Н15Н_]) + Н+ 2.69(1) 2.85(1) -0.16

9 10 11 №2+ + 2Н!Б" —» ЩШН.Ог2" + 2Н+ №2+ + 2ЬП$" + НшН —* Ы1(Н18)2(Н1$Н) №2+ + ЗНю —* N¡(№3)3" -10.83(2) 16.81(1) 17.34(2) -10.66(2) 17.17(2) 17.56(2) -0.17 -0.26 -0.22

12 2№2+ + ЗШв" + ЗИвН —* Ы12(Н1З)з(Н18Н)З+ 33.67(4) 34.15(4) -0.48

Пример реконструированных по программе ЗТАЬАВБ электронных спектров поглощения индивидуальных форм приведен на рис. 2, а результаты моделирования некоторых ЯМ релаксационных зависимостей представлены на рис. 3.

МР*<1)

Щ1_-Н|5)' (2) ЩШ^)., (3)

№(1.-Н|8)(1.-Н1вН,)' (4)

М|(ЬН18Н(5)

М1г(и-Н1з)3(Ь-Н|зН)3* (6)

ЫКШ*)" (7)

1000 1100

А., нм

Рис. 2. Реконструированные электронные спектры поглощения комплексов в системе N¡(11)-¿-НкН (1:2.5); ^¡(П)= 3.859-10'2 М, с,._н,5ц=0.1001 М; 1.0 М Ш3, 25 °С.

«Л/' м'1с1

рн

Рис. 3. Экспериментальные (точки) и рассчитанные (линии) зависимости коэффициента спин-спиновой релаксации (СмТгр)"' от рН в системах N¡(11) -¿-ШэН (1) (смкщ = 3.859-10' М, с,..нин = 9.960 10"2 М) и N¡(11) - О^-НкН (2) (с№(11) = 3.859-10"2 М, с„,..нш = 1.00210"1 М); 1.0МКЫ03, 25 °С.

Как следует из табл. 1, в системах никель(Н) - ¿/£>£-гистидин проявляются значимые энантиоселективные эффекты в образовании комплексов 6-12 (значения Д^р больше удвоенной суммы стандартных отклонений 1§Р). При этом в случае монопротонированного комплекса №(№5)(ЬП8Н)+ предпочтительной оказывается энантиомерно однородная форма (Д1§Р > 0), а во всех остальных случаях - мезо-формы (Д^р < 0). Следует подчеркнуть, что подобная ситуация наблюдается и для систем медь(П) - 1ЮЬ-гистидин: Д1«Р = 0.032 для Си(Н1з)(№5Н)+ и А1§р = -0.018 для Си(Шз)2 при 25.0 °С. Как и в случае систем медь(Н) - £/£>£-гистидин, данные эксперимента, касающиеся энантиоселективности, согласуются с результатами квантово-химических расчетов бис-комплексов никеля(Н) (рис. 4).

Как видно из рис. 4, в случае монопротонированных бг<с-комплексов никеля(П) доминирующей оказывается форма с энантиомерно однородными ли-гандами, сг.$-М(1-Шз)(1-Ш5Н)+-2Н20, в которой осуществляется образование водородной связи между карбоксигруппой и протонированной имидазольной группой соседних лигандов через молекулу воды, являющееся основной причиной стабилизации этой формы. С другой стороны, в случае бис-комплексов состава N¡(№5)2 предпочтительно образование мезо-форм с/х-№(1-Н18)(.0-Н18), в которых аминогруппы соседних лигандов занимают г/ис-положения. Более того, в доминирующей мезо-форме комплекса Щ^-ШвХ/Э-ЬНв) все одинаковые группы соседних лигандов располагаются в г/ыс-положениях друг к другу (структура «все цис»). В то же время, в наиболее выгодном комплексе с энантиомерно однородными лигандами, №(/,-1-П8)2, имидазольные группы расположены в транс-положешш друг к другу. Комплекс именно такой структуры выделяется из раствора в кристаллическом виде.

Рис. 4. Структуры и полные энергии (в атомных единицах, а.е.) изомеров комплексов и N¿(№5)2 с различными энантиомерными формами лиганда, оптимизированные в расчетах на уровне ВЗЬУР/ТгУР с учетом эффекта растворителя в модели

Тот факт, что в растворах структуры с «/нс-расположением аминогрупп соседних гистидиновых лигандов в комплексах никеля(Н) и меди(П) оказываются предпочтительнее любых структур с их транс-расположением, согласуется с проявлением трансвлияния в комплексах как никеля(И), так и меди(П). При этом наиболее сильные транс-агечты должны избегать расположения на одной координате. Однако /мрамс-расположение одинаковых групп лигандов создает более высокую симметрию координационной сферы, которая обеспечивает и более высокую энергию стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП), последняя весьма значительна для комплексов никеля(Н) конфигурации с/. Кроме того, при трансрасположении объемных имидазольных групп минимизируется стерическое отталкивание между ними. В ситуации, когда с трансвлиянием конкурируют эффекты ЭСКП и стерического благоприятствования, решающий вклад может внести эффект сольватации. Действительно, структура «все цис» должна обладать повышенным дипольным моментом, что благоприятствует сольватации диполями воды, частично учитываемой в настоящих расчетах в рамках модели С-РСМ. Предположение о решающей роли эффекта сольватации подтверждается результатами кванто-во-химических расчетов структур комплексов N¡(№5)2, содержащих в своем окружении различное число молекул воды (расчеты выполнены для вакуума). Установлено, что в отсутствие сольватных молекул воды мезо-форма («все цис») оказывается энергетически менее выгодной, чем энантиомерно однородный комплекс с /лраяс-расположением имидазольных групп. Однако для- частиц №(Н15)2-2Н20, 1чП(1Пз)2-4Н20, ЩН1з)2-6Н20, МК1-Пз)2-8Н20 и №(Ш5)2Т2Нг0 жезо-формы («все цис») оказываются энергетически выгоднее энантиомерно однородных форм с /?;ра«с-расположением имидазольных групп соседних лигандов. Вероятно, значительный вклад в этот эффект вносит предпочтительность образования водородных связей в л/езо-формах.

Таким образом, с учетом эффекта сольватации можно объяснить отмеченное различие в структурах доминирующих форм, образующихся в растворе, с одной стороны, и выделяющихся в кристаллическом виде, с другой.

Приведенное объяснение стереоселективности образования комплексов N¡(№3)2 с предпочтительным накоплением мезо-форм можно распространить и на другие зафиксированные комплексы (табл. 1).

Отметим, что в электронных спектрах поглощения также проявляются заметные энантиоселективные эффекты для тех комплексных форм, которые обнаруживают стереоселективность комплексообразования. Кроме того, в работе впервые зафиксированы достоверные стереоселективные эффекты в параметрах не зависящего от концентрации лиганда вклада в коэффициент спин-спиновой релаксации комплексов №(№з)2, ЩИ^КШвИ.,)', МОПэН.,):2", N¡(N¡3)/, №2(Н15)3(Н1яН)з" и №2(Н1з)4(1-П5Н)2, например, А':(0) = 41±1 М^-с 1 для системы никель(П) - ¿-гистидин и А^2(о) = 20±2 М"1 с"1 для системы никель(П) - Д£-гистидин (см. рис. 3).

Таким образом, результаты настоящего исследования свидетельствуют об одинаковых знаках и единой природе стереоселективности образования гистидиновых комплексов меди(Н) и никеля(П). Однако в случае никеля(И) энантиоселективные эффекты проявляются значительно сильнее. Вероятно, трансвлияние в комплексах никеля(И) выражено в большей степени в силу меньшего искажения координационной сферы. Важно, что эффект трансвлияния может усиливаться эффектом гидратации при г/нс-координации лигандов. Согласно нашим результатам часто высказываемое мнение о том, что в доминирующей мезо-форме комплекса

№(1-Шз)(£>-Н15)-все одинаковые группы соседних лигандов располагаются в от/заяс-положениях друг к другу, не соответствует действительности.

Результаты рН-метрического исследования четырех других бинарных систем никель(П) - ¿/¿^¿-аминокислота представлены в табл. 2-5.

Таблица 2. Логарифмы констант равновесий в системах никель(П) - ЬЮЬ-аспарагиновая кислота (А5рН2) при 25.0 "С на фоне 1.0 М КШ3__

№ Равновесие 18Р "-'1 Д18Р

¿-АБр ¿»¿-Аэр

1 2 3 Н+ + Абр2" —* АэрН" Н+ + АзрН" — А5РН2 Н+ + АэрНг-* АБрН3+ 9.649(7) 3.737(4) 2.113(6) - -

4 №2+ + АэрН" —* №(АэрН)+ 1.313(4) 1.326(5) -0.013

5 №2+ + Абр2" —■ ЩАэр) 6.914(1) 6.906(2) 0.008

6 Ni2+ + 2Азр2- — ЩА5р)22~ 12.312(2) 12.313(3) -0.001 12.617

Таблица 3. Логарифмы констант равновесий в системах никель(И) - Ь'ВЬ-глутаминовая кислота (01иН2) при 25.0 °С на фоне 1.0 М КШ3

№ Равновесие 18р д|8р

¿-С1и ¿>¿-014

1 2 3 Н+ + С1и2"— аиН" Н+ + 01иН--* аиН2 н+ + аин2 — аин3+ 9.534(5) 4.199(1) 2.338(1) - -

4 №2+ + С1и2" —- N¡(0111) 5.299(3) 5.296(3) 0.003

5 №2+ + 2С!и2--№(С1и)22' 9.678(3) 9.673(4) 0.005 9.969

6 №2+ + ЗС1и2--Щаи),4" 12.59(1) 12.62(1) -0.03

Таблица 4. Логарифмы констант равновесий в системах никель(Н) - ¿/£>1-метионин (МеШ) при 25.0 °С на фоне 1.0 М КМОэ

№ Равновесие «еЭ Д1ЕР

¿-Мй ОЬ-Ма

1 2 Н+ + Мй--- МеШ Н+ + МеШ - МеШ2+ 9.215(3) 2.268(4) - -

3 Ni2+ + МеГ —— N¡(Met)+ 5320(3) 5.318(2) 0.002

4 + 2МеГ-' №(М«)2 9.833(7) 9.838(2) -0.005 10.141

5 N¡2+ + ЗМеГ- КЧСМеОз" 12.25(3) 12.253(6) 0.00

Таблица 5. Логарифмы констант равновесий в системах никель(П) - ¿/0/,-серин (8егН) при 25.0 °С на фоне 1.0 М КМ03

№ Равновесие 1&Р А1ёР ^Роь

£-8ег йЬ-Бег

1 Н+ + Бег" — 8егН 9.166(1) - -

2 Н+ + БегН — 8егН2+ 2.278(6) - -

3 №2+ + 8ег" —- №(8ег)+ 5.299(1) 5.302(2) -0.003

4 №2+ + 28ег" — Щ8ег)2 9.765(1) 9.774(2) -0.009 10.084

5 №2+ + 28ег- —- №(8егН.,)(8ег)"+Н+ -1.179(7) -1.127(6) -0.052 -0.7769

6 №2+ +38ег" №(5ег)3" 12.906(6) 12.922(3) -0.016

Из таблиц 2-5 следует, что статистически значимая стереоселективность проявляется только в образовании бг;с-комплекса с серином, №(8егН_1)(8ег)", где один из лигандов депротонирован по спиртовой группе (см. табл. 5). Отсутствие стереоселективности в системах никель(Н) — ¿/¿»¿-аспарагиновая кислота и наличие ее в системах никель(П) - 1/£>/.-серии подтверждается данными квантово-химических расчетов (см. рис. 5).

си-№(£-5ег! Г,)(/.-8ег)-1120 £■ = -2380-9900 а.е.

/гал$-№(£-5егН.,)(£-5ег)-НгО £• = -2380.9923 а.е.

си-№(£-5егН.,)(£-8ег)-Н20 £=-2380.9917 а.е.

ск^!(£-8егН.1)(Д-8сг)-Н20

Е — -2380.9941 а.е.

см-№( 1-$е гН_, К-О-ве г)"

Рис. 5. Структуры и полные энергии (в атомных единицах, а.е.) наиболее стабильных изомеров комплексов состава Ы1(5егН.|)(8ег)"-Н20 с различными энантиомерными формами лиганда, оптимизированные в расчетах на уровне ВЗЬУРЛУ/Р с учетом эффекта растворителя в модели С-РСМ.

Как и в случае бис-гистидината никеля(П), для серинового комплекса №(8егН_])(8ег)~ предпочтительно образование .иезо-формы. Однако по данным квантово-химических расчетов в последнем случае доминирует изомер /га«5-

■^(¿-ЗегН-Оф-Бег) Н20, в котором аминогруппы расположены в трансположениях. Этот факт хорошо согласуется с вышеупомянутым проявлением трансвлияния в комплексах никеля(Н), поскольку при этом обе аминогруппы избегают расположения на одной координате с наиболее сильным транс-агентом - де-протонированной спиртовой группой, напротив которой располагается молекула воды (рис. 5). Таким образом, результаты исследования комплексообразования в бинарных системах никель(И) - ¿/¿»¿-аминокислоты хорошо объясняются с позиций трансвлияния в координационных соединениях никеля(П).

На последнем этапе работы выполнено рН-метрическое титрование тройных систем никель(П) - ¿/¿)-гистидин - ¿-аминокислота (АБрН2, С1иН2, МеШ, БегН). Рассчитанные из кривых титрования по программе БТАТАВЗ константы образования гетеролигандных комплексов даны в табл. 6.

Таблица 6. Логарифмы констант гетеролигандных равновесий в системах никель(И) - ¿»/¿-гистидин (НЬН) - ¿-аминокислота {аспарагиновая кислота (АзрН2), глутаминовая кислота (С1иН2), метионин (МеШ), серии (БегН)} при 25.0

№ Равновесие IgP Algp

¿-Asp, ¿-His ¿-Asp, ¿)-His

1 N¡2+ + Asp2- + HisH —» Ni(Asp)(HisH) 10.08(3) 10.19(3) -0.11

2 Ni2+ + Asp2- + His" —— Ni(Asp)(His)- 14.319(5) 14.378(6) -0.059

¿-Glu, ¿-His ¿-Glu, ¿>-His

3 Ni2+ + Glu2" + HisH — Ni(Glu)(HisH) 9.90(6) 10.03(4) -0.13

4 Ni2++ Glu2" + His" — Ni(Glu)(His)" 13.28(1) 13.28(1) 0

¿-Met, ¿-His ¿-Met, D-His

5 Ni2+ + Met" + HisH — Ni(Met)(HisH)+ 9.88(2) 9.88(2) 0

6 Ni2+ + Met" + His" — Ni(Met)(His) 13.107(8) 13.194(8) -0.087

¿-Ser, ¿-His ¿-Ser, ¿»-His

7 Ni2+ + Ser' + His" — Ni(Ser)(His) 13.117(6) 13.111(7) 0.006

8 Ni^ + Ser' + His" — Ni(SerH.,)(His)- + H+ 1.776(8) 1.908(8) -0.132

Обращает на себя внимание довольно значительная (хотя и статистически недостоверная) стереоселективность образования впервые зафиксированных про-тонированных комплексов Ni(Asp)(HisH) и Ni(Glu)(HisH) с доминированием мезо-форм в обоих случаях. Этот факт можно объяснить стабилизирующим эффектом образования водородной связи между протонированной имидазольной группой D-HisH и дополнительными карбоксигруппами I-Asp2" или ¿-Glu2". Такое взаимодей-

ствие возможно только при цис-расположении аминогрупп соседних лигандов разной конфигурации. Высказанное предположение подтверждается данными кванто-во-химических расчетов, которые показывают, что p-карбоксигруппа ¿-Asp2" образует водородную связь с протонированной имидазольной группой непосредственно, а у-карбоксигруппа ¿-Glu2" — через молекулу воды. Приведенное объяснение согласуется с отмеченным проявлением трансвлияния в комплексах никеля(П).

Из табл. 6 очевидна достоверная стереоселективность образования гетероли-гандных комплексов никеля(Н) с гистидином с одной стороны и аспарагиновой кислотой, метионином и серином с другой (Ni(Asp)(His)", Ni(Met)(His), Ni(SerH_i)(His)"), причем во всех трех случаях доминируют мезо-формы. Этот факт согласуется с тридентатной координацией приведенных анионов аминокислот, в отличие от аниона глутаминовой кислоты, который координируется бидентатно. Вероятно, бидентатная координация серина реализуется и в комплексе Ni(Ser)(His), наблюдаемая энантиоселективность образования которого является незначительной (табл. 6). Доминирование мезо-формы комплекса никеля(П) с аспарагиновой кислотой и гистидином (Ni^-Asp)(£>-His)~) подтверждается и данными квантово-химических расчетов (рис. 6), согласно расчетам небольшая стереоселективность с преобладанием л*езо-формы проявляется и для комплексаNi(SerH.1)(His)". Вопрос о природе стереоселективности образования Ni(Met)(His) пока остается открытым.

Рис. 6. Структуры и полные энергии (в атомных единицах, а.е.) комплексов состава №(Азр)(Н1з)" с различными энантиомерными формами лиганда, оптимизированные в расчетах на уровне ВЗЬУРЛ^УР с учетом эффекта растворителя в модели С-РСМ.

CM-Ni(£-His)(i>-Asp)' £" = -2567.7276 а.е.

rà-Ni(Z-His)(£-Asp)" Е = -2567.7262 а.е.

rà-Ni(I-His)(D-Asp)-£■ = -2567-7270 а.е.

ew-Ni(£-His)(£-Asp)" Е = -2567.7266 а.е.

fra;«-Ni(L-His)(L-Asp)" £■ = -2567.7265 а.е.

rrani-Ni(I-His)(i>-Asp)" Е= -2567.7257 а.е.

Важный результат выполненных расчетов заключается в обнаружении того факта, что во всех доминирующих мезо-формах гетеролигандных комплексов аминогруппы соседних лигандов располагаются в г/ис-положениях, что согласуется с проявлением трансвлияния в комплексах никеля(П), отмеченным выше для гомо-лигандых соединений. Это эффект в его расширительном толковании (с учетом

эффекта гидратации), вероятно, преобладает над всеми другими. В этой связи отметим, что наличие выраженных энантиоселективных эффектов для комплексов и Щ/.^егН^ХД-Шз)" означает, что мнение о наличии у лигандов по меньшей мере двух «мягких» донорных групп как условии проявления стерео-селективности в комплексах никеля(Ц) не соответствует действительности.

Из сопоставления результатов исследования гомо- и гетеролигандного ком-плексообразования можно сделать общее заключение, что стереоселективность образования различных комплексов никеля(И) с аминокислотами контролируется, главным образом, эффектом трансвлияния. Более того, этот эффект определяет единую природу стереоселективности образования комплексов меди(Н) и нике-ля(П) с гистидином. Можно предположить, что последнее заключение распространяется и на другие лиганды.

В заключение следует отметить необходимость продолжения исследований энантиоселективных эффектов в образовании и физико-химических характеристиках гомо- и гетеролигандных комплексов различных металлов с аминокислотами и олигопептидами для выявления всей совокупности факторов, контролирующих стереоселективность комплексообразования с участием различных биолигандов, что поможет глубже понять природу биохимической эволюции на нашей планете.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана новая компьютерная программа БТАЬАВЗ, позволяющая проводить совместную обработку данных нескольких физико-химических методов исследования равновесных систем, включая рН-метрию, потенциометрию на ион-селективных электродах, многоволновую спектрофотометрию и ЯМ релаксацию. С помощью этой программы рассчитаны параметры равновесий и физико-химические характеристики образующихся комплексов в изученных системах.

2. В результате исследования систем никель(11) — 1/01-гистидин в широких диапазонах рН и концентраций металла и лиганда при 25 °С на фоне 1.0 М КЫ03 методами рН-метрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации установлено образование 11 комплексных форм, 6 из которых охарактеризованы впервые. Выявлены стереоселективные эффекты в образовании всех бис-, трис-и полиядерных комплексов. Для соединения №(Н1з)(ИзН)+ обнаружено доминирование формы с энантиомерно однородными лигандами, которое на основе данных квантово-химических расчетов объяснено образованием водородной связи с участием карбоксигруппы и протонированного имидазолыюго кольца соседних лигандов. Предпочтительное образование ,иезо-комплексов состава №(Шз)2 и ряда других с учетом данных квантово-химических расчетов интерпретировано с позиций трансвлияния в комплексах никеля(П). Впервые обнаружены стереоселективные эффекты в спектральных и релаксационных параметрах ряда комплексов никеля(П) с гистидином.

3. По данным рН-потенциометрического исследования бинарных систем никель(П) — /,/£>1-аминокислота (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, метио-нин, серин) при 25.0 °С на фоне 1.0 М КЫ03 определены составы и константы образования 13 комплексных форм. Среди всех найденных комплексов только для .мезо-формы соединения №(8ег)(8егН.1)" выявлено стереоселективное образование, которое согласуется с данными квантовохимических расчетов и объяснено с учетом сильного трансвлияния депротонированной спиртовой группы тридентатно связанного лиганда ЗегН.,2".

4. Методом рН-метрии в тройных системах никель(Н) — ¿/¿)-гистидин - ¿-аминокислота (глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, метионин, серии) при 25.0 °С на фоне 1.0 М KN03 впервые определены константы образования 8 гете-ролигандных комплексных форм: Ni(Asp)(HisH), Ni(Asp)(His)", Ni(Glu)(HisH), Ni(Glu)(His)", Ni(Met)(HisH)+, Ni(Met)(His), Ni(Ser)(His) и Ni(SerH.i)(His)". Обнаружены значимые стереоселективные эффекты в образовании комплексов Ni(Asp)(His)', Ni(Met)(His) и Ni(SerH_!)(His)\ Доминирование мезо-форм этих комплексов объяснено с позиций трансвлияния и подтверждено данными кван-тово-химических расчетов. Отсутствие стереоселективности образования комплекса состава Ni(Glu)(His)" отнесено за счет бидентатной координации глута-мат-аниона.

5. В противоположность распространенному представлению результаты настоящей работы свидетельствуют о единой природе стереоселективности образования ги-стидиновых комплексов меди(П) и никеля(П), обусловленной трансвлиянием совместно с эффектом гидратации. Согласно данным квантово-химических расчетов эффект гидратации может определять знак стереоселективности комплек-собразования, что объясняет различие в структурах доминирующих форм бис-гистидинатов никеля(П), образующихся в растворе, с одной стороны, и выделяющихся в кристаллическом виде, с другой.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Klochkov, V.V. A spatial structure of tripeptides glycylglycyl-Z-histidine and glycylglycyl-i-tyrosine determined by the residual dipolar couplings analysis combined with quantum-chemical computations / V.V. Klochkov, A.V. Klochkov, M.N. Schamsutdinov, S.V. Efimov, A.A. Krutikov, E.M. Gilyazetdinov, Y.I. Zyavkina,V.G. Shtyrlin // Mendeleev Commun. -2011. - V. 21, N 2. - P. 72-74.

2. Shtyrlin, V.G. Complex formation, chemical exchange, species structure, and stereoselective effects in the copper(II) - ¿/¿»¿-histidine systems / V.G. Shtyrlin, Yu.I. Zyavkina, E.M. Gilyazetdinov, M.S. Bukharov, A.A. Krutikov, R.R. Garipov, A.S. Mukhtarov, A.V. Zakharov // Dalton Trans. - 2012. - V. 41, N 4. - P. 1216-1228.

3. Krutikov, A.A. New program for computation of the thermodynamic, spectral, and NMR relaxation parameters of coordination compounds in complex systems / A.A. Krutikov, V.G. Shtyrlin, A.O. Spiridonov, N.Yu. Serov, A.N. Il'yin, E.M. Gilyazetdinov, M.S. Bukharov // Journal of Physics: Conference Series. - 2012. - V. 394. - 012031 (6 P)-

4. Крутиков, A.A. Квантово-химическое моделирование структур координационных соединений меди(Н) с биолигандами в водных средах / А.А. Крутиков, В.Г. Штырлин, Ю.И. Зявкина // Сб. материалов IV Всероссийской молодежной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование» (19-22 апреля 2010 г., Саров): - Саров, 2010. - С. 70-71.

5. Зявкина, Ю.И. Моделирование равновесий и спектральных параметров комплексов в растворах / Ю.И. Зявкина, В.Г. Штырлин, А.А. Крутиков // Сб. материалов IV Всероссийской молодежной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование» (19-22 апреля 2010 г., Саров): — Саров, 2010. — С. 5860.

6. Крутиков, А.А. Термодинамика, стереоселективность образования и структура комплексов в растворах меди(Н) и никеля(Н) с ¿/¿»-гистидином и другими биолигандами / А.А. 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.

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

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

9. Спиридонов, А.О. Программа STALAB для расчета термодинамических и кинетических параметров равновесий в растворах координационных соединений по данным совокупности физико-химических методов / А.О. Спиридонов, A.A. Крутиков, В.Г. Штырлин, Ю.И. Зявкина, Э.М. Гилязетдинов, М.С. Бухаров, Н.Ю. Серов // Сб. материалов V Всероссийской молодежной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование (11-14 апреля 2011 г., Саров):-Саров, 2011.-С. 147-149.

10. Штырлин, В.Г. Термодинамика образования, кинетика реакций замещения лигандов, структура комплексов и стереоселективные эффекты в растворах никеля^!) и меди(П) с аминокислотами, ди- и трипептидами / 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 // XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии и II Молодежная конференция-школа «Физико-химические методы в химии координационных соединений» (6-11 июня 2011 г., Суздаль): Тез. докл. - Суздаль, 2011. - С. 73.

11. Серов, Н.Ю. Термодинамические, структурные параметры и стереоселектив-ность образования комплексов в системах никель(11) - аминокислоты / Н.Ю. Серов, A.A. Крутиков, А.Н. Ильин, В.Г. Штырлин // Сб. материалов VI Всероссийской молодежной научно-инновационной школы «Математика и математическое моделирование» (17-20 апреля 2012 г., Саров): - Саров, 2012.-С. 106-108.

12. Крутиков, A.A. Термодинамика, структура и стереоселективность образования комплексов никеля(Н) с аминокислотами / A.A. Крутиков, Н.Ю. Серов, А.Н. Ильин, В.Г. Штырлин // Тез. докл. XI Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI века» (17 мая 2012 г.): -Казань, 2012.-С. 38.

13. Krutikov, A.A. New program for computation of the thermodynamic, spectral, and NMR relaxation parameters of coordination compounds in complex systems / A.A. Krutikov, V.G. Shtyrlin, A.O. Spiridonov, N.Yu. Serov, A.N. Il'yin, E.M. Gilyazetdinov, M.S. Bukharov // 3rd International Workshop on Statistical Physics and Mathematics for Complex Systems SPMCS'2012 (Kazan, 25-30 August 2012): Abstr. - Kazan, 2012. - P. 68.

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТРРФ. Подписано в печать 29.04.2013 г. Печ.л. 1,0 Заказ № К-7263. Тираж 100 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать -ризография.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Крутиков, Александр Александрович, Казань

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

На правах рукописи

О420135^490

КРУТИКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕРМОДИНАМИКА, СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ И СТРУКТУРА ГОМО- И ГЕТЕРОЛИГАНДНЫХ КОМПЛЕКСОВ НИКЕЛЯ(И) С АМИНОКИСЛОТАМИ

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 — 2013

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр. ...4

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.................................................................12

ГЛАВА 1. СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОБРАЗОВАНИИ КОМПЛЕКСОВ НИКЕЛЯ(П) С АМИНОКИСЛОТАМИ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ........12

1.1. Энантиоселективность образования бинарных и тройных комплексов ни-келя(П) с аминокислотами и дипептидами...........................................................12

1.2. Математические методы моделирования равновесий в растворах комплексных соединений........................................................................30

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА......41

2.1. Постановка задачи......................................................................41

2.2. Методы исследования.................................................................45

2.3. Растворы и реактивы...................................................................47

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ И СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСОВ В БИНАРНЫХ И ТРОЙНЫХ СИСТЕМАХ НИКЕЛЬ(П) - АМИНОКИСЛОТЫ.....................................................50

3.1. Описание программы БТАЬАВЗ.................................................50

3.2. Термодинамика, стереоселективность комплексообразования, структура, спектральные и релаксационные характеристики комплексов в системах ни-кель(П) - ЫИЬ-гистидин...................................................................71

3.3. Термодинамика, стереоселективность образования и структура комплексов в бинарных системах никель(П) - 1У1)£-аминокислота (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, метионин, серии)........................................92

3.4. Термодинамика, стереоселективность образования и структура гетеро-лигандных комплексов в тройных системах никель(П) - £/£>-гистидин - Ь-аминокислота (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, метионин, серии)....................................................................................................99

ВЫВОДЫ..................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА........................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Детальное изучение взаимосвязи между строением, устойчивостью и реакционной способностью комплексных соединений никеля(П) с биолиганда-ми имеет важное значение для развития как координационной, так и бионеорганической химии. В частности, подобные комплексы могут моделировать никельсодержащие ферменты, такие как уреаза и №-зависимая изомераза [1, 2, 3], а также участвовать в процессах никелевого карциногенеза [4].

Исследование комплексов никеля(П) с энантиомерными аминокислотами позволяет приблизиться к решению одной из центральных проблем современного естествознания, которая заключается в понимании специфичности и селективности процессов в живой природе. Возможно, эта проблема имеет непосредственное отношение к координационной химии ввиду того, что ионы металлов уже на первых ступенях биохимической эволюции могли контролировать селективность многих процессов путем координации к ним аминокислот, пептидов и углеводов. Изучение энантиоселективных эффектов в реакциях лабильных комплексов металлов с аминокислотами имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Действительно, использование стереоселективных эффектов лежит в основе сравнительно нового метода разделения энантиомеров аминокислот - энантиоселективной лиган-дообменной хроматографии [5], в которой могут применяться комплексы не только (по преимуществу) меди(П), но и никеля(П) [5, 6, 7].

зированы основные факторы, контролирующие стереоселективность образования комплексов меди(П) с аминокислотами и олигопептидами. Однако к настоящему времени накоплено лишь небольшое количество в основном не проверенных данных по энантиоселективности образования комплексов нике-ля(П) с аминокислотами (см. раздел 1.1), что не позволяет провести корректное сопоставление влияния природы ионов металлов, никеля(П) и меди(П), на стереоселективность их комплексообразования с данными биолигандами. Для ликвидации этого пробела в конечном счете и предпринято настоящее исследование.

В данной работе изучена термодинамика и стереоселективность образования гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(П) с аминокислотами методами рН-потенциометрии, математического моделирования и квантовой химии с привлечением методов спектрофотометрии и ЯМ релаксации. В качестве лигандов выбраны потенциально тридентатные аминокислоты, в боковой цепи которых содержатся дополнительные функциональные группы, - карбоксильная (глутаминовая кислота, 01иН2; аспарагиновая кислота, А8рН2), тиоэфирная (МеШ), спиртовая (серин, БегН) или имидазольная (гистидин, ШвН). Такой выбор обусловлен тем, что только трехточечное взаимодействие двух лигандов с металлоцентром может обеспечить энантиоселективность комплексообразования и замещения лигандов.

Особый интерес представляет исследование гомо- и гетеролигандного комплексообразования с гистидином по нескольким причинам: 1) образование гистидиновых комплексов характеризуется наиболее сложными равновесиями в сравнении с другими аминокислотами; 2) гистидиновый остаток служит наиболее часто встречающимся центром связывания металлов в протеинах; 3) комплексы многих металлов с гистидином представляют также жизненно важный интерес в качестве их транспортных форм в живых организмах. При этом в процессе транспорта могут образоваться гетеролигандные комплексы металлов, включающие гистидин, с одной стороны, и ряд аминокислот, с дру-

гой. В таких комплексах возможно проявление энантиоселективных эффектов, заслуживающих тщательного исследования. В этой связи по аналогии с системами медь(И) - £/£>£-гистидин, изученными в нашей группе ранее [8], в настоящей работе наиболее подробно исследованы системы никель(П) - ЬЮЬ-гистидин с привлечением совокупности физико-химических методов - потен-циометрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации. Для совместной обработки данных всех этих методов потребовалось создать новую компьютерную программу БТАЬАВЗ.

Цель работы заключалась в том, чтобы создать новую компьютерную программу для совместной обработки данных нескольких физико-химических методов, определить с ее помощью из этих данных термодинамические параметры равновесий образования, спектральные и релаксационные характеристики ряда гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(Н) с энантиомерными аминокислотами, квантовохимическими расчетами методом БРТ с учетом эффектов среды оптимизировать структуры образующихся биокомплексов, выявить стереоселективные эффекты в параметрах реакций комплексообразова-ния и дать им структурную интерпретацию.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

• Создана компьютерная программа 8ТАЬАВ8, позволяющая проводить совместную обработку данных нескольких физико-химических методов, применяемых для исследования комплексообразования, включая рН-метрию, потенциометрию на ион-селективных электродах, многоволновую спектро-фотометрию и ЯМ релаксацию.

• Путем моделирования данных рН-метрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации по программе ЗТАЬАВБ определены составы, константы образования, спектральные и релаксационные характеристики комплексов в системах никель(П) - /,/£)1,-гистидин (ШбН) в широких диапазонах

рН и концентраций компонентов при 25 С на фоне 1.0 моль/л КТчЮз.

• Квантово-химическими расчетами методом ЭРТ с учетом эффектов среды оптимизированы геометрии различных изомеров энантиомерно однородных и тиезо-комплексов состава №(Ш8)(Нл8Н)+ и №(Ш8)2.

• Подтверждена значительная стереоселективность образования комплекса №(№8)2 с доминированием л/езо-формы, обнаружена стереоселективность противоположного знака в образовании комплекса №(Н18)(№8Н)+, а также стереоселективность образования 7 других комплексов с преобладанием ме-зо-форм. Выявлены стереоселективные эффекты в параметрах электронных спектров поглощения и ЯМ релаксационных характеристиках ряда комплексов, образующихся в системах никель(П) - £/1)£-гистидин. Дано структурное объяснение обнаруженных стереоселективных эффектов с учетом результатов квантово-химических расчетов и трансвлияния в комплексах никеля(П).

• По данным квантово-химических расчетов установлена смена знака стерео-селективности образования комплексов состава №(№5)2 по мере увеличения числа молекул воды в его окружении.

• Среди исследованных методом рН-метрии бинарных систем никель(П) -¿/£)£-аминокислота (С1иН2, А8рН2, МеШ, БегН) по результатам обработки с помощью программы БТАЬАВЗ значимая стереоселективность обнаружена только для серинового комплекса состава №(8егН_1)(8ег)" с преобладанием мезо-формы. Выявленная стереоселективность объяснена с учетом результатов квантово-химических расчетов и трансвлияния в комплексах никеля(П).

• По результатам обработки данных рН-метрического титрования с помощью программы БТАЬАВБ установлены значимые эффекты стереоселективности в образовании ряда гетеролигандных комплексов в системах никель(П) -ЬЮ-НШ - ¿-аминокислота (С1иН2, А8рН2, МеШ, 8егН): №(01и)(Ш8Н), №(А8р)(Ш8Н), МСАврХШ)", №(Ме1)(Ш8) и №(8егН.1)(Ш8)\ - с доминированием во всех случаях мезо-форм. Дана структурная интерпретация выявленных стереоселективных эффектов с учетом результатов квантово-

химических расчетов, трансвлияния в комплексах никеля(П) и образования внутрикомплексных водородных связей.

Практическая значимость. Результаты работы являются вкладом в развитие координационной, физической и бионеорганической химии переходных Зй?-металлов, углубляя представления об их комплексообразовании с био-лигандами. Разработанная новая программа 8ТАЬАВ8, позволяющая проводить совместную обработку данных нескольких физико-химических методов, имеет уникальные возможности и представляет большую практическую ценность для определения параметров термодинамики комплексообразования, лабильности и спектральных характеристик комплексов самых различных металлов с любыми лигандами. Развитый в работе подход к анализу причин сте-реоселективности на основе сопоставления экспериментально определенных констант образования комплексов с энергиями образования различных их изомеров, полученными в квантово-химических расчетах с учетом эффектов среды, представляет интерес для исследования природы стереоселективности различных комплексов металлов с энантиомерными лигандами. Выявленные в работе факторы, контролирующие стереоселективность образования изученных гомо- и гетеролигандных комплексов никеля(П) с аминокислотами, дают возможность для предсказания и объяснения стереоселективных эффектов в комплексообразовании других металлов с различными лигандами, что приближает решение проблемы зависимости стереоселективности и стереоспеци-фичности комплексообразования от природы металлов и лигандов.

На защиту выносятся: 1. Новая компьютерная программа ЭТЛЬАВБ для совместной обработки данных нескольких физико-химических методов, включая рН-метрию, потен-циометрию на ион-селективных электродах, многоволновую спектрофото-метрию и ЯМ релаксацию, и полученные с помощью этой программы результаты.

2. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системах никель(П) - £/£)£-гистидин в широких диапазонах рН и концентраций металла и лиганда методами рН-метрии, спектрофотометрии и ЯМ релаксации. Сведения о строении обнаруженных частиц, полученные с учетом термодинамических параметров и данных квантово-химических расчетов. Структурная интерпретация выявленных стереоселективных эффектов в образовании, спектральных и релаксационных характеристиках комплексов с учетом результатов квантово-химических расчетов, образования внутри-комплексных водородных связей, трансвлияния и эффектов гидратации.

3. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системах никель(П) - £/1)£-аминокислота (С1иН2, АзрН2, МеШ, 8егН) методом рН-метрии. Объяснение стереоселективности образования серинового комплекса никеля(П) с преобладанием жезо-формы с учетом результатов квантово-химических расчетов.

4. Результаты исследования термодинамики гетеролигандного комплексообразования в системах никель(П) - /ЛЭ-ШбН - ¿-аминокислота (С1иН2, АврНг, МеШ, 8егН) методом рН-метрии. Обнаружение стереоселективности образования комплексов №(01и)(Н18Н), №(А8р)(Ш8Н), №(А8р)(Ш8)~, №(Ме1)(№8) и М^БегН^ХИлз)" с доминированием во всех случаях мезо-форм. Структурная интерпретация выявленных стереоселективных эффектов с учетом результатов квантово-химических расчетов, образования внут-рикомплексных водородных связей и трансвлияния в комплексах никеля(П).

Личный вклад автора заключается в создании новой компьютерной программы БТАЬАВБ, выполнении квантово-химических расчетов, экспериментальном исследовании методами рН-метрии, многоволновой спектрофотометрии и ЯМ релаксации растворов никеля(П) с аминокислотами, математической обработке экспериментальных данных, обсуждении и обобщении полученных результатов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, главы литературного обзора, двух глав экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы из 139 наименований и приложения. Диссертация изложена на 123 страницах, содержит 9 таблиц и 35 рисунков, кроме того, на 71 странице приложения помещены 28 таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре неорганической химии и в научно-исследовательской лаборатории координационных соединений отдела неорганической и координационной химии Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ. Работа является частью исследований по основному научному направлению Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ "Строение, реакционная способность и практически полезные свойства органических, элементоорганических и координационных соединений" в рамках темы "Стереоселективные процессы с участием органических, элементоорга-

нических и координационных соединений. Фундаментальные и прикладные аспекты" (per. № 6.2.06).

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность Валерию Григорьевичу Штырлину, Юлии Игоревне Зявкиной, Эдуарду Махмуто-вичу Гилязетдинову, Михаилу Сергеевичу Бухарову, Никите Юрьевичу Серову, Александру Николаевичу Ильину, Анвару Шарафулисламовичу Мухтаро-ву, всем студентам лаборатории и сотрудникам кафедры неорганической химии и НИЛ координационных соединений отдела неорганической и координационной химии Химического института им. A.M. Бутлерова КФУ за оказанную помощь и поддержку.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ГЛАВА 1

СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОБРАЗОВАНИИ КОМПЛЕКСОВ НИКЕЛЯ(П) С АМИНОКИСЛОТАМИ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ

1.1. Энантиоселективность образования бинарных и тройных комплексов никеля(П) с аминокислотами и дипептидами

Способы опис�