Влияние водно-органических растворителей на комплексообразование иона никеля(II) с никотинамидом и сольватацию реагентов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Гамов Георгий Александрович

ВЛИЯНИЕ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ НА КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ИОНА НИКЕЛЯ(П) С НИКОТИНАМИДОМ И СОЛЬВАТАЦИЮ РЕАГЕНТОВ

02.00.01 - Неорганическая химия 02.00.04 — Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

13 ФЕВ 2014

Иваново 2014

005545017

Работа выполнена на кафедре общей химической технологии Ивановского государственного химико-технологического университета

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

Шарнин Валентин Аркадьевич Душина Светлана Владимировна

Михайлов Олег Васильевич

(ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества)

Федоров Владислав Андриянович

(ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», профессор, заведующий кафед- • рой неорганической химии)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук» (г. Иваново)

Защита состоится « 17- » марта 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Тел./факс: (4932) 32-54-33, e-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в информационном центре Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « ty » февраля 2014 г.

Учёный секретарь

совета Д 212.063.06 (/^C^'^f^- Егорова Елена Владимировна

e-mail: Egorova-D6@yandex.ru /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Изучение влияния растворителя на координационные равновесия имеет особую актуальность для физической и неорганической химии. Взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества определяет их ре-акционноспособность и скорость процессов с их участием. Исследование сольватации участников жидкофазных реакций - ключ к пониманию закономерностей и прогнозированию результатов химического синтеза.

Ион никеля(П) является хорошо изученным и часто применяемым ком-плексообразователем. Это связано с одной стороны с устойчивостью его степени окисления, а с другой стороны - с особенностями строения координационной сферы в воде, обладающей октаэдрической симметрией. Заполненность электронного d-подуровня исключает спиновую изомерию, возможную, например, для катиона железа(Ш). Кроме того, ион Ni2+ образует достаточно прочные координационные соединения с большим числом неорганических и органических лигандов.

В качестве лиганда в настоящей работе выбран амид З-ииридинкарбоновой кислоты (никотинамид), известный как витамин В3. Противопеллагрическая активность никотинамида, его влияние на новообразование белковых молекул, генерацию РНК, его солюбилизирующее воздействие по отношению ко многим фармацевтическим веществам обуславливает использование 3-пиридикарбоксамида как составной части ряда лекарственных средств и муль-тивитаминных комплексов. Координационные соединения никотинамида обладают большей биологической активностью, чем свободный лиганд. Комплекс иона никеля(И) с никотинамидом обладает антимикробным и антигрибковым эффектом1.

В литературе имеются немногочисленные данные по устойчивости комплексов иона никеля(Н) с никотинамидом в водном растворе. Лишь две работы посвящены изучению данного координационного равновесия в водно-органическом растворителе. Данные по изменению энтальпии реакции ком-плексообразования отсутствуют.

Цель настоящей работы: установить закономерности влияния сольватации реагентов на комплексообразование никеля(И) с никотинамидом в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворителе.

Для достижения поставлешюй цели необходимо:

1) изучить изменение сольватного состояния никотинамида при переносе его из воды в водные растворы этанола и ДМСО;

2) исследовать сольватацию иона никеля(Н), его моно- и бис-никотинамидного комплексов в водно-этанольных и водно-диметилсульфоксидных растворителях;

1 F.A. Al-Saif, M.S. Refat//Í. Mol. Struct. -2012. - Vol. 1021. - P. 40-52.

3) определить константы устойчивости никотинамидных комплексов никеля(Н) в широком интервале составов смешанных растворителей вода-этанол и вода - диметилсульфоксид;

4) изучить влияние водно-этанольного и водно-диметилсульфоксидного растворителя на изменение энтальпии - реакции образования координационного соединения никель(Н) - никотинамид;

5) проанализировать влияние сольватации реагентов на изменение термодинамических характеристик реакций комплексообразования никеля(П) с никотинамидом в растворителях вода-этанол и вода-диметилсульфоксид.

Работа выполнена при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России " на 2009-2013 годы (госконтракт N3 02.740.11.0253).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ сольватного состояния никотинамида и его гетероатома азота в водно-органических растворителях.

2. Оценка сольватации иона никеля(Н) и его моно- и бис-никотинамидных комплексов в бинарных растворителях.

3. Влияние водно-этанольного и водно-диметилсульфоксидного растворителей на устойчивость комплексов иона никеля(П) с никотинамидом.

4. Учет сольватационных вкладов реагентов в изменение энтальпии переноса реакции комплексообразования иона никеля(Н) с никотнамидом из воды в смеси вода-этанол и вода-диметилсульфоксид.

Научная новизна

Впервые экспериментально определены константы устойчивости никотинамидных комплексов никеля(Н) и изменения энтальпии реакции их образования в широком диапазоне составов водно-этанольного и водно-диметилсульфоксидного растворителей. Полученные результаты проанализированы с позиции сольватационно-термодинамического подхода, основанного на термодинамической характеристике сольватации всех реагентов.

Методами !Н, 13С ЯМР- и ИК-спектроскопии изучено сольватное состояние никотинамида в водных растворах этанола и ДМСО. Установлено, что в водно-спиртовом растворителе пересольватация пиридинового ядра никотинамида происходит при Хцон < 0.25 м.д. При любом содержании органического компонента лиганд эффективно сольватирован за счет взаимодействия группы -СОИНг с растворителем. В системе вода-ДМСО до содержания апротонного растворителя ~0.65 м д. сольватация гетероатома азота ослабевает за счет уменьшения количества молекул воды, способных к образованию Н-связи. При более высоком содержании ДМСО этот донорный центр никотинамида практически не гидратирован. Методами максимального правдоподобия и Бенези-Гильдебранда по зависимости химического сдвига атома С(6) от состава бинарного растворителя были рассчитаны константы образования сольватокомплекса гетероатома азота никотинамида с молекулой воды и этанола и установлено,

что зависимости изменения энергии Гиббса переноса лиганда и его донорного центра от состава водно-спиртового растворителя являются антибагными.

По температурной зависимости константы пересольватации гетероатома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе определено изменение энтальпии пересольватации донорного центра. Данная величина существенно отличается от изменения энтальпии переноса никотинамида в водно-спиртовые смеси.

Установлено, что ион Ni2+ слабо сольватирован этанолом. Сольватное состояние б!.с-никотинамидного комплекса никеля(Н) остается практически постоянным в диапазоне составов растворителей Хеюн = 0-0.5 м.д. и Xdmso > 0.5 м.д.

Различие в сольватации комплексного и центрального ионов вносит определяющий вклад в изменение устойчивости никотинамидного комплекса Ni при переносе реакции комплексообразования как в водно-спиртовой (при ХЕюн < 0.5 м.д.), так и в водно-диметилсульфоксидный растворитель (при любой концентрации ДМСО). Ионная составляющая доминирует также в изменении экзотермичности реакции комплексообразования в водных растворах этанола (при ХЕюн < 0.5 м.д.), что не характерно для термодинамики реакций комплексообразования ионов d-металлов с аминами в водно-органических растворителях.

Практическая значимость работы

Результаты работы представляют интерес для создания научных основ использования растворителя как средства управления процессами в жидкой фазе, поскольку позволяют предсказать направление смещения химического равновесия и изменение энергетики жидкофазной реакции по изменению сольватно-го состояния реагентов при замене одного растворителя на другой.

Значимость работы для медицины и фармакологии обусловлена главным образом биологической активностью как самого никотинамида, так и его комплекса с ионом никеля(Н). Данное координационное соединение проявляет антимикробный и антигрибковый эффект.

Полученные в настоящей работе новые экспериментальные данные могут также использоваться в качестве справочного материала для создания баз термодинамических данных.

Вклад автора

Литературный поиск по тематике исследования, экспериментальная работа и первичная обработка результатов, проведены автором лично. Постановка целей и задач настоящей работы, выбор оптимальных условий проведения эксперимента и обсуждение полученных результатов выполнены под руководством д.х.н., проф. В.А. Шариина и к.х.н., доц. С.В. Душиной. Спектры ЯМР зарегистрировал д.х.н., в.н.с. В.В. Александрийский.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и обсуждались на: VIII-IX Зимней молодёжной школе-конференции «Магнитный резонанс и его приложения» (Санкт-Петербург, 2011-2012г.),. VIII Международном

симпозиуме "ЯМР в науках о жизни" (Санкт-Петербург, 2011г.), XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011г.), IX Международном симпозиуме "ЯМР в гетерогенных системах" (Санкт-Петербург, 2012г.), VII Всероссийской конференции молодых учёных «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2012г.), XIX Международной конференции по химической термодинамике в России И.ССТ-2013 (Москва, 2013 г.).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, и печатных тезисах 8 докладов.

Структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 163 страницах, содержит 17 таблиц и 54 рисунка, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, основных итогов работы, списка цитируемой литературы из 207 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава I. Обзор литературы

В первой главе охарактеризованы объекты исследования - никотинамид и ион никеля(П), приведены их физико-химические свойства, проанализирована биологическая значимость. Рассмотрены работы, в которых исследуются особенности строения и сольватации лиганда, структурный аспект сольватации ионов никеля(П) и серебра(1). Большое внимание уделено поиску наиболее рациональных подходов к изучению сольватного состояния как лиганда, так и центрального иона. Описана термодинамика комплексообразования иона нике-ля(И) с некоторыми аминами в бинарных растворителях, а также с никотина-мидом и его производными в воде. Показано, что исследование координационного равновесия никель(Н)-никотинамид в водно-органических средах представлено единичными работами.

Глава II. Экспериментальная часть

Потенциометрический и калориметрический эксперименты выполнены в широком диапазоне составов водно-этанольного и водно- , диметилсульфоксидного растворителей при температуре Т = 298.2 К и ионной силе 0.25 (ЫаСЮд). Оптимальные концентрационные условия подобраны с помощью программы М^Зи2. Расчет констант устойчивости комплексов никоти-намида с никелем(Н) в воде и водно-органических растворителях осуществлен по программе РНМЕТК3.

Константы устойчивости комплексов никеля(П) с никотинамидом определяли потенциометрическим титрованием раствора, содержащего №(СЮ4)2 (0.01821-0.01855 моль/л), НСЮ4 (0.01061 моль/л) и фоновый электро-

2 В.П. Васильев, В.А. Бородин, Е.В. Козловский. Применение ЭВМ в химико-аналитических расчетах. -.М.: Высшая школа, 1993. - С. 112.

' В .А. Бородин, В.П. Васильев, Е.В. Козловский // Жури, неорг. хим. - 19S6. - Т. 31. -№ 1. - С. 10-16.

лит, раствором никотинамида (0.09923 - 0.3583 моль/л) в соответствующем растворителе. Потенциометрические измерения выполнены с использованием пары стеклянный/хлорсеребряный электрод. Статистическая погрешность определения констант представляет собой полуширину доверительного интервала при доверительной вероятности 0.95 и объёме выборки 3-6 опытов (метод Стьюдента).

Тепловые эффекты реакций комплексообразования никотинамида с никелем(И) измерены на калориметре смешения с изотермической оболочкой. Для этого в калориметрическую ячейку помещалась аликвота 35.02 мл водно-органического раствора, содержащего 0.04165 моль/л Ni(C104)2 и фоновый электролит. В запаянной стеклянной ампуле объемом -0.6 мл находился соответствующий водно-органический раствор 0.06061-0.2366 моль/л никотинамида и фоновый электролит (NaC104). Измерения проводились при ионной силе 0.25 (NaC104) и температуре 25.00 ± 0.01 °С. С целью предотвращения гидролиза катиона никеля(Н) и протонирования лиганда в ячейке поддерживалось значение рН -5.1. Побочные процессы учитывались проведением дополнительного опыта по разбиванию ампулы с водно-органическим раствором никотинамида и перхлората натрия в водно-органический раствор фонового электролита. Погрешности определения энтальпий комплексообразования рассчитаны по методу Стьюдента (доверительная вероятность 0.95) при выборке 3-5 опытов.

ЯМР-исследование растворов никотинамида в бинарном растворителе проводилось на спектрометре Avance Bruker 500 с напряженностью магнитного поля 11.7 Тл, снабженном 5-мм датчиком TBI 1H/31P/D-BB z-GRD. Рабочая частота на протонах составляла 500.17 МГц, на ядрах углерода 13С - 125.77 МГц. При 13С ЯМР измерениях применялся метод широкополосной протонной развязки (WALTZ 16). Погрешность определения химического сдвига не превышала 0.005 млн.д. Использовался внешний стандарт - циклогексан (ЦТ). Точность поддержания температуры (блок термостатирования BVT-3000) составляла ±0.1 К. Исследуемый раствор объёмом 0.4 - 0.6 мл помещался внутрь стандартной 5-мм ампулы. Концентрация никотинамида изменялась в пределах 0.2973 -0.3018 моль/кг, 0.02997 - 0.03068 моль/кг.

Колебательные спектры поглощения были зарегистрированы на спектрометре Avatar 360 FT - IR в диапазоне 400 - 4000 см"'. Разрешающая способность прибора составляла 5-6 см"1. Погрешность определения волнового числа не превышала 0.5 см"1. Исследуемый раствор помещался в кювету (КВг) с толщиной поглощающего слоя 1 мм. Концентрация никотинамида изменялась в пределах 0.2973 - 0.3018 моль/кг, 0.02975 - 0.03025 моль/кг. Твердые образцы для ИК-спектрального исследования готовились путем диспергирования исследуемого вещества в матрице КВг.

Электронные спектры поглощения сольватокомплексов, а также моно- и бие-никотинамидных комплексов никеля(П) в воде и в бинарных растворителях в диапазоне 350 - 1100 нм были получены на спектрометре Hitachi U-2001 при температуре 298.2±0.1 К. Использовались кварцевые кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 см. Погрешность определения X не превышала 0.3 нм.

Глава III. Обсуждение результатов 3.1. Сольватное состояние никотинамида и его гетероатома азота в водно-этаполъном и водно-диметилсульфоксидном растворителях

Спектроскопия |3С ЯМР была выбрана для изучения сольватного состояния донорного центра никотинамида — гетероатома азота, вследствие наличия корреляции между химическими сдвигами ядер углерода и п-электронной плотностью. Атомы углерода, непосредственно связанные с участниками водородных связей (т.е. с гетероатомом азота и карбамидной группой), чувствительны к образованию и изменению силы водородных связей.

В воцно-этанольной среде химический сдвиг атома С(6) (6С(б), млн. д.) смещается в слабое поле примерно до ХЕ,0ц = 0.25 м.д. (рис. 1а).

5, млн. д. ъ> млн- fli

Ö, млн. д

Рисунок 1 - Зависимости химического сдвига ядер С(6) (а), С(2) (б) и С(7) (в) никотинамида от состава водно-этанольного (1) и водно-диметилсульфоксидного (2) растворителя.

При дальнейшем увеличении содержания спирта в системе 5с(б) не претерпевает значительных изменений. Таким образом, наиболее существенное изменение сольватного состояния гетероатома азота происходит до ХЕ,0н = 0-25 м.д. В водно-диметилсульфоксидном растворителе заметный рост химического сдвига ядра С(6) отмечается до Хрмэо ~0.65 м.д., дальнейшие изменения сигна-

лов невелики. Следовательно, атом азота ароматического ядра никотинамида интенсивно десольватируется за счет ослабления водородного связывания.

Зависимости химического сдвига С(2) от состава водно-органического растворителя подобны (рис. 1 б), однако результирующее слабопольное смещение сигнала больше в случае ДМСО (2.135 млн. д.), чем в случае спирта (1.269 при ХЕюн = 0.97). Вероятно, такой прирост в основном обусловлен десольватацией гетероатома азота, а не изменением сольватного состояния карбамидного заместителя. Подтверждением этому предположению служит близость величин дез-экранирования атомов С(6) и С(2) в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворителе с XS2 = 0.97 м.д. (0.866 и 0.987 млн,д. соответственно).

Экранирование атома углерода карбонильной группы (рис. 1 в) характерно при уменьшении силы водородной связи с ее участием. При переходе от воды к ДМСО химический сдвиг атома С(7) уменьшается значительнее (-3.046 млн. д.), чем при переходе к этанолу (-1.721 млн. д.).

Методом максимального правдоподобия'1 и методом Бенези-Гильдебранда были получены константы образования комплекса водородной связи гетероатома азота никотинамида с молекулой воды и этанола соответственно, lg pN mo = -2.05±0.15, lg рк...Еюн = -3.13±0.15. Зависимости изменения энергии Гиббса переноса лиганда и его донорного центра от состава водно-спиртового растворителя являются антибатными.

3.2. Изменение энтальпии пересольватации гетероатома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе

Влияние температуры на химические сдвиги атомов углерода никотинамида при разных концентрациях неводного компонента в растворителе неодинаково. Оно может быть количественно охарактеризовано температурным коэффициентом химического сдвига (а = Д5/ДТ) (рис. 2).

2

о -2

-6

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Рисунок 2 - Зависимость температурных коэффициентов химических сдвигов атомов углерода никотинамида от состава водно-этанольного растворителя.

4 В.В. Александрийский, М.К. Исляйкин, В.А. Бурмистров, С.А. Сырбу // Макрогетероциклы. - 2009. -I2.-S1.-C. 52-56.

5 L. Fielding // Tetrahedr. - 2000. - Vol. 56. - P. 6151-6170.

Д8/АТ при каждой концентрации этанола определяется путем линеаризации экспериментальной температурной зависимости положения сигнала каждого атома.

Для атома С(6) отмечено уменьшение температурного коэффициента химического сдвига до Хеюн = 0.225 м.д. и его примерное постоянство при более высоких концентрациях спирта (рис. 2). Вероятно, до содержания этанола 0.225 м.д. происходит постепенное разрушение сравнительно прочных водородных связей Н,с1сг...Н20 и образование более слабых водородных связей между гете-роатомом азота и протоном гидроксогруппы этанола.

При ХЕюн ^ 0-25 м.д. существенных изменений сольватного состояния донорного центра никотинамида не происходит. Таким образом, ослабление Н-связи при повышении температуры оказывает все меньшее воздействие на экранирование атома С(6). Это предположение соответствует полученным ранее данным о границе пересольватации донорного центра никотинамида.

Плавное изменение аС(2) во всем интервале составов бинарного растворителя (рис. 2), вероятно, обусловлено сочетанием влияния сольватации гетеро-атома азота и карбамидной группы, а также образованием слабой водородной связи между атомом кислорода этанола или воды и протоном Н(2).

В начальном интервале составов бинарного растворителя (до 0.25 м.д. спирта) ас(7) отрицателен (рис. 2). Это может означать, что карбамидный заместитель сольватирован преимущественно за счет специфического взаимодействия. Наибольшее по модулю значение аср) принимает при Хеюн = 0.075 м.д. Можно предположить, что в таком растворителе образуются самые прочные сольваты, по этой причине изменения прочности Н-связей, обусловленные ростом температуры, приводят к наибольшему смещению сигнала ядра С(7). а близок к нулю при ХЕ,0н = 0.225 м.д., вероятно, при таком составе растворителя специфическая сольватация карбамидной группы ослаблена. При более высоком содержании этанола а становится положительным и возрастает до Хеюн ~ 0.55 М-Д- (рис. 4). Это может означать, что увеличивается роль неспецифических взаимодействий.

На основании температурной зависимости константы пересольватации гетероатома азота никотинамида, было рассчитано изменение энтальпии данного процесса. Дге,Н = 7.0±0.5 кДж/моль.

3.3. Солъватпое состояние ионов никеля(Н) и его никотинамидных комплексов в водно-органических растворителях

Сольватное состояние ионов никеля(Н) изучено методом спектрофото-метрии. Некоторые концентрационные условия и результаты эксперимента приведены в табл. I. Отметим также, что молярные коэффициенты светопо-глощения последовательно возрастают по мере присоединения к иону нике-ля(П) молекул никотинамида.

Из относительной близости волновых чисел для растворов иона № в отсутствие лиганда при ХЕЮн = 0, ХЕЮн = 0.5 и ХЕ,0н = 0.85 (табл. 1) можно сделать вывод о том, что в состав сольватной оболочки частицы этанол практически не входит. Добавление никотинамида к раствору, содержащему ионы №

приводит к заметному гипсохромному сдвигу (табл. 1), свидетельствующему об образовании координационных соединений. Никотинамид является лигандом более сильного поля, чем вода и этанол.

В водном (№2':Ь=0.2508:0.9012) и водно-этанольном (№2+:Ь=0.1107:0.9010) растворах составы равновесных смесей близки. Положения максимумов поглощения для этих двух систем также практически совпадают. По всей вероятности, сольватное состояние бис-никотинамидного комплекса, который является главным компонентом обеих равновесных смесей, не изменяется в диапазоне составов растворителя Хеюн = 0-0.5 м.д.

Таблица 1 — Волновые числа электронных переходов комплексов никеля(П) при различном содержании этанола, ДМСО и никотинамида.______

Растворитель Соотношение концентраций Ni2+:L, моль/л Доля частиц Ni'1; NiL2+; NiL22+ по отношению к C°(Ni2+) Положения максимумов поглощения, см"1

вода 0.2508:0 1; 0; 0 25381; 15221; -

вода 0.2508:0.9012 0.0080; 0.0958; 0.8963 26042;15674;9497

Хеюн = 0.5 0.1107:0 1; 0; 0 25316; 15175;-

Хею.ч = 0.5 0.1107:0.9010 0.0004; 0.0536; 0.9458 26178; 15748; 9587

Хеюн — 0.85 0.04606:0 1; 0; 0 25253; 15108; -

Xdmso = 0.5 0.1107:0.2999 0.0026; 0.1198; 0.8760 25381; 15038; 9217

Xdmso = 0.85 0.04606:0.9015 0.0017; 0.0633; 0.935] 25381; 15106;-

В водном (Ni2+:L=0.2508:0.9012) и водно-диметилсульфоксидном (XDMso = 0.5; Ni2+:L=0.1107:0.2999) растворах равновесные составы также практически одинаковы (табл. 1). В то же время разница между положениями соответствующих максимумов поглощения для двух растворов составляет от -200 до -600 см"1. Следовательно, сольватация бис-никотинамидного комплекса в данных двух растворителях различается.

Сравнивая водно-диметилсульфоксидные растворы (Xdmso = 0.5; Ni2+:L=0.1107:0.2999) и (XDMSo = 0.85; Ni2+:L=0.04606:0.9015), где продукты реакций комплексообразования существуют в относительно близких пропорциях, можно отметить, что и положения максимумов поглощения различаются незначительно. Вероятно, это свидетельствует о том, что сольватное состояние бис-никотинамидного комплекса, который является главной компонентой обеих равновесных смесей, существенно не изменяется при Xdmso > 0.5 м.д.

3.4. Изменение устойчивости комплексов никеля(П) с никотинамидом в водно-органических растворителях

При переходе от воды к водно-органическим растворителям устойчивость комплексов никеля(Н) с никотинамидом проходит через максимум (табл. 2). Подобное изменение устойчивости в среде вода-этанол характерно также для. никотинамидных комплексов железа(Ш)6, меди(П)6 и серебра(1)7.

6 К.В. Граждан, H.H. Куранова, С.В. Душина, В.А. Шарнин // Изв. высш. учебн. завед. Хим. хим. техн. -2008. - Т. 51. - № 6. - С. 30-32.

7 V A Shamin, S V. Dushina, M.A. Zevakin, A.S. Gushchina, K.V. Grazhdan // Inorg. Chim. Acta. - 2009. -

11

В соответствии с положениями сольватационно-термодинамического подхода рассмотрим вклады участников реакции в изменение ее энергии Гибб-са переноса. Из рисунка За видно, что при ХЕ(0н = 0.1 м.д. разность Д,ГС комплексного (№Ь2+) и центрального (№2+) ионов (ионная составляющая) близка к нулю, и изменение энергии Гиббса переноса реакции определяется вкладом ли-ганда. В промежутке 0.1 < ХЕЮн 2 0.5 м.д. комплексный ион стабилизируется сильнее, чем центральный.

Таблица 2 - Константы устойчивости комплексов никеля(П) с никотинамидом в водно-органических растворителях при 298.2 К и ц = 0.25 (УаСЮ4)._

вода-этанол вода-ДМСО

Х$2 18 К, 1йК2 1як,

0 1.45±0.06 1.34±0.09 1.45±0.06 1.34±0.09

0.1 1.87±0.06 2.32±0.18 2.43±0.04 1.56±0.09

0.3 2.15±0.08 1.82±0:05 2.63±0.06 1.83±0.15

0.5 2.34±0.06 1.41±0.23 2.70±0.03 1.90±0.25

0.7 2.01 ±0.06 0.60±0.18 1.97±0.03 1.29±0.18

0.85 2.05±0.06 0.62±0.13 1.67±0.01 1.26±0.04

Таким образом, вклад Д,г в интервале 0.1 < Хеюн - 0-5 м.д.

определяет возрастание устойчивости комплекса. В этом же диапазоне составов водно-органического растворителя процесс присоединения к комплексному иону №Ь2+ второго лиганда более экзогенен, чем в воде (рис. За). Однако Да-вй по мере увеличения концентрации этанола переходит в положительную область при ХЕЮн > 0.5 м.д. Д,гС(№Ь2+-№2+) на всем протяжении отрезка ХЕ,0ц = 0.1 -

а б

Рисунок 3 - Изменения энергии Гиббса переноса участников реакции комплек-сообразования никеля(П) с никотинамидом из воды в водно-этанольный (а) и водно-диметилсульфоксидный (б) растворители

Таким образом, вклад лиганда в энергию Гиббса переноса реакции ком-

V. 362.- №2. -Р. 437^42. 12

плексообразования по второй ступени доминирует.

Координационные свойства молекулы никотинамида обусловлены наличием в его составе гетероатома азота. Термодинамические характеристики переноса лиганда и донорного центра изменяются антибатно при повышении концентрации этанола в растворителе. Поэтому целесообразнее использовать вместо А^О,. характеристику переноса гетероатома азота (рис. За). Возрастание эн-догенности переноса донорного центра соответствует увеличению устойчивости координационного соединения при ХЕ10н < 0.5 м.д. Однако вклад ионной составляющей в А,ГСГ по-прежнему является значительным.

При Хрмзо £ увеличение устойчивости №Ь2' связано, в том числе, с дестабилизацией никотинамида, а усиление сольватации лиганда при Хомво > 0.5 приводит к уменьшению константы образования комплекса состава 1:1 (рис. 36). Однако, роль лиганда невелика, и изменение энергии Гиббса переноса реакции определяет С(№1/-МО-

Присоединение второй молекулы никотинамида затруднено по сравнению с первой. Близость ДйО(№Ь22+-№Ь2+) к нулю при Х1)М:ю = 0.1 м.д. показывает, что обе комплексные частицы сольватированы практически одинаково. При комплексообразовании по второй ступени неблагоприятное влияние лиганда при Хпмйо > 0.5 м.д. выражено значительнее, чем по первой. В итоге Л„0[, определяет изменение энергии Гиббса переноса реакции образования бис-комплекса в интервале составов растворителя 0.7 - 0.85 м.д. ДМСО.

3.5. Изменения энтальпии реакций комплексообразовапия никеля(П) с никотинамидом в бинарных растворителях При ХЕЮн = 0.1 м.д. наблюдается компенсация вкладов реагентов, и изменение энтальпии переноса реакции в бинарный растворитель близко к нулю (рис. 4а).

Рисунок 4 - Изменения энтальпии переноса участников реакции комплексооб-разования никель(П)-никотинамид из воды в водно-этанольный (а) и водно-диметилсульфоксидный растворитель.

В интервале состава растворителя ХЕЮН = 0.1-0.5 м.д. уменьшаются вклады и лиганда, и Д,Д1(МЬ2+-№2+) (ионной составляющей), однако ионная составля-

I

ющая убывает в большей степени - до нуля. По этой причине вклад лиганда определяет Д,ГНГ при ХЕЮн = 0.5 м.д. Высокие значения изменения энтальпии переноса реакционного центра никотинамида способствуют повышению экзо-термичности переноса реакции при Хеюн > 0.5 м.д.

При Xdmso = 0.1 наблюдается компенсация энтальпийных вкладов реагентов (рис. 46). При увеличении концентрации ДМСО до 0.3 м.д. изменение энтальпии переноса реакции определяется вкладом лиганда. При содержании ДМСО свыше 0.5 м.д. существенно увеличивается разность изменений энтальпии переноса координационного соединения и комплексообразователя при одновременном некотором возрастании экзотермичности переноса лиганда. Таким образом, вклад ионной оставляющей в изменение энтальпии переноса процесса комплексообразования доминирует при Xdmso S 0.5 (рис. 46).

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ

1. Методом 13С ЯМР-спектроскопии установлено, что в водно-этанольном растворителе пересольватация пиридинового цикла никотинамида протекает до содержания спирта 0.25 м.д. При любом содержании органического компонента лиганд эффективно сольватирован за счет взаимодействия группы -CONH2 с растворителем. В системе вода-ДМСО при содержании апротонно-го растворителя < 0.65 м.д. ослабевает сольватация гетероатома азота за счет уменьшения количества молекул воды, способных к образованию Н-связи. При более высоком содержании ДМСО этот донорный центр никотинамида практически не гидратирован.

2. Методом максимального правдоподобия и методом Бенези-Гильдебранда по зависимости химического сдвига атома С(6) от состава водно-органического растворителя были рассчитаны константы образования сольватокомплекса гетероатома азота никотинамида с молекулой воды и этанола соответственно. Ig Pn...h2o = -2.05±0.15, lg Pn . eioh = -3.13±0.15. По температурной зависимости константы пересольватации гетероатома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе определено изменение энтальпии пересольватации донорного центра. ДгеУН = 7.0±0.5 кДж/моль. Термодинамические характеристики переноса лиганда в целом и гетероатома азота никотинамида из воды в водно-этанольный растворитель существенно различаются.

3. В результате спектрофотометрического исследования доказано образование никотинамидных комплексов никеля(П). Установлено, что ион Ni2+ слабо сольватирован этанолом. Сольватное состояние бис-никотинамидного комплекса никеля(Н) не изменяется в диапазоне составов растворителя ХЕЮН < 0.5 и Xdmso > 0.5 м.д.

4. Изменение энергии Гиббса переноса реакции комплексообразования иона никеля(П) с никотинамидом из воды в водно-этанольный растворитель определяется вкладом лиганда лишь при ХЕЮн = 0.1 м.д. В диапазоне 0.1-0.5 м.д. спирта усиливается влияние различий в сольватации центрального иона и его никотинамидного комплекса. Для водно-диметилсульфоксидного растворителя ионная составляющая доминирует при любом содержании органического компонента.

5. Увеличение содержания органического компонента смешанного растворителя приводит к нелинейному изменению энтальпии комплексообразования в водных растворах этанола (минимум экзотермичности при ХЕюн = 0.3 м.д.) и диметилсульфоксида (максимум экзотермичности при Xdmso = 0.3 м.д.). Невозможно выделить преобладающий вклад в изменение энтальпии переноса реакции комплексообразования иона никеля(И) с никотинамидом в бинарные растворители.

6. Б условиях эксперимента не происходит образования контактных ионных пар с участием комплексообразователя, т.к. методом ИК-спектроскопии показано отсутствие полос поглощения, характерных для перхлорат-аниона в составе ионных ассоциатов FeC1042+ и NiC104\ при повышении значения ионной силы I = 0.5.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Gamov, G. Complexation of nickel(II) ion with B3 vitamin in aqueous dimethyl sulfoxide / G. Gamov, S. Dushina, V. Sharnin, M. Zavalishin // Centr. Europ. J. Chem.- 2013. -Vol. ll.-Iss. 12.-P. 1959-1963.

2. Гамов, Г.А. Влияние ионной силы на термодинамические характеристики комплексообразования иона Fe(III) с никотинамидом в смесях вода - этанол и вода - диметилсульфоксид / Г.А. Гамов, К.В. Граждан, М.А. Гаврилова, C.B. Душина, В.А. Шарнин, А. Бараньски // Журн. физ. хим. - 2013. - Т. 87. -№6.-С. 988-993.

3. Гамов, Г.А. Сольватное состояние никотинамида в системе вода-диметилсульфоксид / Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин, О.И. Койфман // Изв. Акад. наук. Сер. хим. - 2013. - Т. 62. -№ 5. -С. 1183-1190.

4. Shamin, V.A. Stability of H-complexes of nicotinamide nitrogen heteroatom with water and ethanol in mixed solvents by 13C NMR probing / V.A. Sharnin, V.V. Aleksandriysky, S.V. Dushina, G.A. Gamov // Magn. Reson. Chem. - 2013. - V. 51.-Iss. 4.-P. 193-198.

5. Гамов, Г.А. Сольватация реагентов в координационном равновесии Ag(I)-никотинамид в водно- этанольных растворах по данным ЯМР / Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин И Журн. физ. хим. -2013. - Т. 87. -№ 3. - С. 438-442.

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

7. Гамов, Г.А. Особенности сольватации никотинамида в водно-этанольном растворителе / Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин, О.И. Койфман // Изв. Акад. наук. Сер. хим. - 2012. - Т. 61. - №3. - С. 510-517.

8. Граждан К.В. Комплексообразование железа(Ш) с никотинамидом в водных растворах диметилсульфоксида / К.В. Граждан, Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.А. Шарнин // Коорд. хим. - 2009. - Т. 35. - №12 - С. 925-928.

9. Gamov, G.A. Thermodynamics of nickel (II) ion complexation with nicotina-

mide in aqueous organic solvents / G.A. Gamov, M.A. Gavrilova, S.V. Dushina, V.A. Sharnin // Тезисы доклада. XIX International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia "RCCT-2013". - Moscow, 2013. P. 233.

10. Гамов, Г.А. Термодинамические характеристики пересольватации гетеро-атома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе по данным 3С ЯМР / Г.А. Гамов, C.B. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин // Тезисы доклада. IX Зимняя молодёжная школа- конференция "Магнитный резонанс и его приложения". - Санкт-Петербург, 2012. С. 59-61.

11. Гамов, Г.А. Устойчивость никотинамидных комплексов никеля (II) в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворителе / Г.А. Гамов, М.А. Гаврилова, C.B. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин // Тезисы доклада. VII Всероссийская конференция молодых учёных "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем". — Иваново, 2012. С.

12. Dushina, S.V. Solvation state of nicotinamide in aqueous dimethyl sulfoxide by NMR probing / S.V. Dushina, V.A. Sharnin, G.A. Gamov, V.V. Aleksandriysky // Тезисы доклада. International Symposium, 9th Meeting "NMR in heterogeneous systems". - Saint Petersburg, 2012. P. 76.

13. Gamov, G.A. Nicotinamide solvates structure determined from quantum chemical calculations and 13C NMR spectroscopy / G.A. Gamov, S.V. Dushina, V.A. Sharnin, V.V. Aleksandriysky // Тезисы доклада. International Symposium, 9th Meeting "NMR in heterogeneous systems". - Saint Petersburg, 2012. P. 80.

14. Гамов, Г.А. Сольватация ионов серебра в водно-этанольном растворителе по данным метода ядерной магнитной релаксации / Г.А. Гамов, С.В. Душина, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин // Тезисы доклада. VIII Зимняя молодёжная школа-конференция "Магнитный резонанс и его приложения". — Санкт-Петербург, 2011. С. 138-140.

15. Душина, С.В. Структурно-термодинамический аспект комплексообразова-ния Ag(I) с никотинамидом в водно-этанольном растворителе / С.В. Душина, Г.А. Гамов, В.В. Александрийский, В.А. Шарнин // Тезисы доклада. XI Международная конференция "Проблемы сольватации и комплексообразо-вания в растворах". - Иваново, 2011. С. 20.

16. Dushina, S.V. NMR study of nicotinamide-silver(I) coordination equilibrium members solvation in water-ethanol solvent. / S.V. Dushina, V.V. Aleksandriysky, G.A. Gamov, V.A. Sharnin // Тезисы доклада. International. Symposium, 8th meeting "NMR in Life Sciences". - Saint Petersburg, 2011. C. 57.

Подписано в печать 20.01.2014 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Уел печ.л.1,00. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 100 эю Заказ 3463

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

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

53.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

На правах рукописи

04201456^ви

Гамов Георгий Александрович

ВЛИЯНИЕ ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ НА КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ ИОНА НИКЕЛЯ(Н) С НИКОТИНАМИДОМ

И СОЛЬВАТАЦИЮ РЕАГЕНТОВ

02.00.01 - Неорганическая химия 02.00.04 - Физическая химия

Диссертация на соискание учёной степени кандидата

химических наук

Научные руководители: д.х.н., проф. Шарнин В.А.,

к.х.н., доц. Душина C.B.

Иваново 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................................................4

1. Литературный обзор......................................................................................................................8

1.1. Особенности строения и сольватации никотинамида и его аналогов в воде и водно-органических растворителях..............................................8

1.2. Состав и строение сольватных оболочек ионов никеля(П) и серебра(1) в водно-органических растворителях............................................................21

1.2.1. Сольватация иона никеля(П)..............................................................................................21

1.2.2. Сольватация иона серебра(1)..............................................................................................32

1.3. Термодинамика комплексообразования иона никеля(П) с аминами

в водно-органических растворителях........................................................................................37

1.3.1. Комплексообразование с аммиаком, этилендиамином, пиридином, 2,2'-дипиридилом........................................................................................................37

1.3.2. Комплексообразование с никотинамидом и его структурными аналогами............................................................................................................................................................45

2. Экспериментальная часть......................................................................................................49

2.1. Определение констант устойчивости никотинамидного комплекса никеля(Н)............................................................................................................................................................49

2.1.1. Потенциометрический метод................................................................................................49

2.1.2. Планирование эксперимента..............................................................................................50

2.2. Определение тепловых эффектов реакций калориметрическим методом................................................................................................................................................................53

2.2.1. Калориметрическая установка..........................................................................................53

2.2.2. Определение тепловых эффектов образования комплекса никель(П) - никотинамид......................................................................................................................55

2.3. Методики спектральных измерений................................................................................58

2.3.1. ЯМР-спектроскопия..................................................................................................................58

2.3.2. Магнитно-релаксационные измерения....................................................................59

2.3.3. Инфракрасная спектроскопия..........................................................................................61

2.3.4. Электронная спектроскопия поглощения..............................................................61

2.4. Применяемые вещества и их очистка............................................................................62

3. Обсуждение результатов............................................................................................................64

3.1. Сольватное состояние никотинамида и его гетероатома азота в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворителях............64

3.2. Изменение энтальпии пересольватации гетероатома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе........................................................87

3.3. Сольватное состояние ионов серебра(1), никеля(П) и их комплексов в водно-органических растворителях......................................................99

3.4. Влияние бинарных растворителей на устойчивость координационного соединения никель(Н)-никотинамид......................................103

3.4.1. Комплексообразование в водно-этанольной среде......................................103

3.4.2. Комплексообразование в водно-диметилсульфоксидной среде ... 107

3.5. Влияние бинарных растворителей на изменение энтальпии комплексообразования иона никеля(П) с никотинамидом....................................110

3.5.1. Комплексообразование в водно-этанольной среде......................................110

3.5.2. Комплексообразование в водно-диметилсульфоксидной среде ... 114

3.6. Влияние ионной силы на ассоциативные равновесия в растворах Ре(С104)з, №(СЮ4)2 и №004..........................................................................................................117

3.7. Синтез и исследование свойств сульфата бис-никотинамидного

комплекса никеля(П)..............................................................................................................................124

Основные итоги работы....................................................................................................................129

Литература......................................................................................................................................................131

Приложение....................................................................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

Изучение влияния растворителя на координационные равновесия имеет особую актуальность для физической и неорганической химии. Взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества определяет их реакционноспособность и скорость процессов с их участием. Исследование сольватации участников жидкофазных реакций - ключ к пониманию закономерностей и прогнозированию результатов химического синтеза.

Ионы никеля(П) и серебра(1) являются хорошо изученными и часто применяемыми комплексообразователями. Это связано с одной стороны с устойчивостью их степеней окисления, а с другой стороны - с особенностями строения координационной сферы в воде, октаэдрической у иона никеля(П) и тетраэдрической - у серебра(1). Заполненность электронного с!-подуровня исключает спиновую изомерию, возможную, например, для катиона железа(Ш). Кроме того, ионы № и Ag образуют достаточно прочные координационные соединения с большим числом неорганических и органических лигандов.

В качестве лиганда в настоящей работе выбран амид 3-пиридинкарбоновой кислоты (никотинамид), известный как витамин В3. Противопеллагрическая активность никотинамида, его влияние на новообразование белковых молекул, генерацию РНК, его солюбилизирующее воздействие по отношению ко многим фармацевтическим веществам обуславливает использование 3-пиридикарбоксамида как составной части ряда лекарственных средств и мультивитаминных комплексов. Координационные соединения никотинамида обладают большей биологической активностью, чем свободный лиганд. Эта особенность может быть использована при создании новых антибиотиков, поскольку к уже известным лекарственным средствам у микроорганизмов вырабатывается резистентность. В таком случае становится необходимым установление термодинамических характеристик образования таких комплексов.

В литературе имеются немногочисленные данные по устойчивости комплексов никотинамида с никелем(Н) в водном растворе. Лишь единичные работы посвящены изучению данного координационного равновесия в водно-

органическом растворителе. Данные по изменению энтальпии реакции комплексообразования отсутствуют.

Целью настоящей работы является установление закономерностей влияния сольватации реагентов на комплексообразование никеля(П) с никотинамидом в водно-органических растворителях.

Для достижения поставленной цели необходимо:

• изучить изменение сольватного состояния никотинамида при переносе его из воды в водные растворы этанола и ДМСО;

• изучить влияние бинарного растворителя на сольватное состояние ионов ¿/-металлов на примере серебра(1), никеля(П), а также его моно- и бис-никотинамидного комплексов в водно-этанольных и водно-диметилсульфоксидных растворителях;

• определить константы устойчивости никотинамидных комплексов никеля(Н) в широком интервале составов смешанных растворителей вода - этанол и вода - диметилсульфоксид;

• изучить влияние водно-этанольного и водно-диметилсульфоксидного растворителя на изменения энтальпии реакции образования координационного соединения никель(П) - никотинамид;

• проанализировать влияние сольватации реагентов на изменение термодинамических характеристик реакций комплексообразования никеля(И) с никотинамидом в растворителях вода - этанол и вода - диметилсульфоксид;

• исследовать возможные ассоциативные равновесия между ионами Ni2+ и СЮ4".

Научная новизна

Впервые экспериментально определены константы устойчивости никотинамидных комплексов никеля(П) и изменения энтальпии реакции их образования в широком диапазоне составов водно-этанольного и водно-

диметилсульфоксидного растворителей. Полученные результаты проанализированы с позиции сольватационно-термодинамического подхода [1, 2], основанного на термодинамической характеристике сольватации всех участников процесса.

Методами 1Н, 13С ЯМР- и ИК-спектроскопии изучено сольватное состояние никотинамида в водных растворах этанола и ДМСО. Установлено, что в водно-спиртовом растворителе пересольватация пиридинового ядра никотинамида протекает при Хеюн < 0.25 м.д. При любом содержании органического компонента лиганд эффективно сольватирован за счет взаимодействия группы -ССМНг с растворителем. В системе вода-ДМСО до содержания апротонного растворителя ~0.65 м.д. сольватация гетероатома азота ослабевает за счет уменьшения количества молекул воды, способных к образованию Н-связи. При более высоком содержании ДМСО этот донорный центр никотинамида практически не гидратирован. Методами максимального правдоподобия и Бенези-Гильдебранда по зависимости химического сдвига атома С(6) от состава бинарного растворителя были рассчитаны константы образования сольватокомплекса гетероатома азота никотинамида с молекулой воды и этанола и установлено, что зависимости изменения энергии Гиббса переноса лиганда и его донорного центра от состава водно-спиртового растворителя являются антибатными.

По температурной зависимости константы пересольватации гетероатома азота никотинамида в водно-этанольном растворителе определено изменение энтальпии пересольватации донорного центра. Данная величина существенно отличается от изменения энтальпии переноса никотинамида в водно-спиртовые смеси.

Установлено, что ион №2+ слабо сольватирован этанолом. Сольватное состояние бис-никотинамидного комплекса никеля(Н) не изменяется в диапазоне составов растворителя ХЕ(0н < 0-5 м.д. При комплексообразовании никотинамид предпочтительно замещает молекулу этанола в координационной сфере катиона. В водно-диметилсульфоксидном растворителе сольватное состояние бис-

никотинамидного комплекса остается практически постоянным при ХОМ5о > 0.5 м.д. Лиганд замещает при координации молекулу воды.

Различие в сольватации комплексного и центрального ионов вносит определяющий вклад в изменение устойчивости никотинамидного комплекса №2+ при переносе координационного равновесия как в водно-спиртовой (при Хеюн < 0-5 м.д.), так и в водно-диметилсульфоксидный растворитель (при любой концентрации ДМСО). Этот вклад также является доминирующим в изменении экзотермичности реакции комплексообразования в водных растворах этанола (при ХЕ10н < 0.5 м.д.), что не характерно для термодинамики реакций комплексообразования ионов с1-металлов с аминами в водно-органических растворителях.

Практическая значимость работы

Результаты работы представляют интерес для создания научных основ использования растворителя как средства управления процессами в жидкой фазе, поскольку позволяют предсказать направление смещения химического равновесия и изменение энергетики жидкофазной реакции по изменению сольватного состояния реагентов при замене одного растворителя на другой.

Значимость работы для медицины и фармакологии обусловлена главным образом биологической активностью как самого никотинамида, так и его комплекса с ионом никеля(П). Данное координационное соединение проявляет антимикробный и антигрибковый эффект [3].

Полученные в настоящей работе новые экспериментальные данные могут также использоваться в качестве справочного материала для создания баз термодинамических данных.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Особенности строения и сольватации никотинамида и его аналогов в воде и водно-органических растворителях

Ключевой особенностью 3-пиридинкарбоксамнда (никотинамида), обуславливающей повышенный интерес к данному соединению, является его биологическая активность. Никотинамид (витамин В3, провитамин РР) наряду с никотиновой кислотой известен как противопеллагрический агент [4]. В тканях организма 3-пиридинкарбоновая кислота и ее амид входят в состав коферментов никотинамидадениндинуклеатида (НАД) и

никотинамидадениндинуклеатидфосфата (НАДФ). Помимо этого, никотинамид влияет на новообразование белковых молекул, генерацию РНК, биосинтез различных биоактивных соединений и т.д. [5]

В фармацевтической химии 3-пиридинкарбоксамид применяется как гидротропный агент. Он увеличивает растворимость таких препаратов как нифедипин, индометацин, галофантрин и др. [6-9]. Никотинамид является активным составляющим многих мультивитаминных препаратов [10].

Согласно результатам исследования, обобщенным Н. Гетофф [11], витамины группы В, в т.ч. и 3-пиридинкарбоксамид, могут проявлять антиоксидантное действие, что связано со способностью испускать «сольватированные электроны» ("solvated electrons") в воде или других полярных средах. В результате антиоксидантный эффект биологически активных веществ, по мнению автора, обусловлен действием испущенных электронов, а также радикалов, образовавшихся из молекул витаминов.

Наконец, никотинамид представляет собой перспективное соединение, на основе которого могут быть синтезированы металлокомплексы с более высокой биологической активностью, чем у свободного лиганда [3, 12]. Усиление полезных свойств лекарств и витаминов путем координации их ионами d-металлов, в т.ч. никелем(П), кобальтом(П) и медью(П) (см. напр. [13]), является актуальной проблемой.

В этой связи подробнее рассмотрим свойства никотинамида, как лиганда. 3-пиридинкарбоксамид содержит в своем составе 2 функциональные группы, способные к комплексообразованию - гетероциклический атом азота и карбамидный заместитель (рис. 1.1). В пиридине, а, следовательно, и в его производном - никотинамиде - неподеленная электронная пара Бр2-гибридизованного атома азота лежит в плоскости ароматического кольца и не принимает участие в образовании ароматического секстета /^-электронов. Таким образом, никотинамид проявляет свойства типичного третичного амина [14].

Рисунок 1.1- Структурная формула никотинамида с нумерацией атомов.

В большом количестве работ [15-22] было показано, что никотинамид -монодентатный лиганд, который образует координационные соединения, отдавая катионам металлов неподеленную электронную пару гетероатома азота. В молекулярных комплексах в качестве донора электронной пары также выступает гетероциклический азот [23].

Никотинамид способен существовать в виде двух конформеров, различающихся энергией л-электронной системы [24]. Энергия, необходимая для перехода из одного равновесного состояния в другое, находится в пределах 2.1

кДж/моль.

Учитывая, что координационные равновесия с участием 3-пиридинкарбоксамида в настоящей работе будут изучены в жидкой фазе, необходимо уделить внимание сольватации этого соединения, которое является слабым электролитом.

В растворах таких веществ проявляются различные межмолекулярные взаимодействия - от дисперсионных сил до специфического связывания. Многие неионогенные частицы включают как лиофильные, так и лиофобные фрагменты, причем, при изменении состава бинарного растворителя возможна смена ролей структурных единиц молекулы. Существенное влияние на сольватацию молекулы оказывают ее линейные размеры, электронная конфигурация, взаимное расположение заместителей, склонность к самоассоциации и др.

Таким образом, исследование сольватации неэлектролитов представляет собой достаточно сложную задачу. К настоящему времени было проведено систематическое изучение лишь термодинамики сольватационных процессов (см. напр. [25-27]). Однако помимо значений термодинамических характеристик сольватации, интерес представляют данные о составе и строении сольватной оболочки неэлектролитов и их функциональных групп, принимающих участие в реакциях различного рода. В ряде случаев важно иметь представление, как десольватируется или пересольватируется тот или иной структурный фрагмент молекулы, в особенности, донорные центры молекулы - потенциальные участники координационных процессов. В перспективе это позволит установить механизмы жидкофазных химических процессов. Нам не удалось обнаружить в литературе работ, посвященных решению данной проблемы. Вследствие этого следует рассмотреть возможные подходы к изучению сольватации неэлектролитов на примере исследований никотинамида либо его структурных аналогов.

Помимо определения энергетических характеристик пере