Журнал неорганической химии, 2021, T. 66, № 6, стр. 721-728

ВВЕДЕНИЕ

Координационные соединения d-переходных металлов с азотсодержащими гетероциклами характеризуются значительным фармакологическим эффектом и участвуют в ключевых процессах жизнедеятельности. Среди комплексных соединений Au(I) детально изучено золотосодержащее производное тиоглюкозы и триэтилфосфина, которое под названием Ауранофин было введено в клиническую практику еще в 1985 г. для лечения ревматоидного артрита. Показано [1], что терапевтический эффект ауранофина обусловлен его противовоспалительным и иммуносупрессивным действием. В работе [2] приведены данные о противоопухолевых свойствах комплексных соединений золота. Комплексные соединения золота (КСЗ) проявляют противоопухолевую активность in vivo на моделях ксенографтов опухолей человека и перевиваемых опухолей животных, а также обладают цитотоксическим эффектом in vitro, установленным на широкой панели клеточных линий опухолей человека. КСЗ проявляют цитотоксичность в отношении злокачественных опухолей, резистентных по отношению к соединениям платины. Процессы действия КСЗ и производных цис-платины имеют существенные различия. Основными мишенями для действия КСЗ, в отличие от соединений платины, являются белки, в том числе митохондриальная тиоредоксин-редуктаза и протеасома 26s, ингибирование которых соединениями золота ведет к индукции апоптоза.

Имидазолы наряду с химической активностью проявляют также высокую биологическую активность. Имидазольный цикл входит в состав незаменимой аминокислоты гистидина и является структурным фрагментом гистамина, пуриновых оснований, ряда лекарственных средств [3, 4]. Производные имидазола широко применяются в медицине. 2-Метилимидазол используется в качестве исходного сырья для получения противоинфекционных веществ. Широкое применение 2-метилимидазол нашел в производстве ионных жидкостей [5, 6]. Кроме того, он является распространенным отвердителем эпоксидных смол, причем используется как при обычных условиях, так и в процессах горячего отверждения, т.е. вызывает гелеобразование за разумные сроки только при повышенной температуре (от 80–100 до 200–250°C) [7].

На основе производных имидазола готовят препараты, применяемые для лечения гипертонии, сердечной недостаточности, ишемических нарушений, проходимости периферических сосудов, миокардиальной ишемии, диабетической нефропатии, глаукомы, заболеваний желудочно-кишечного тракта и мочевого пузыря [8, 9].

Бензимидазол и его производные известны как ингибиторы селективной коррозии латуней в водных растворах и привлекают постоянное внимание [10, 11]. При использовании 2-меркаптобензимидазола для защиты латуни в 0.1 М NH₄Cl при рН 9.2 на ее поверхности каждый атом меди связывается с двумя лигандами, при этом образуется полимерная пленка, которая вызывает замедление электродных реакций [10].

В работе [12] определены составы соединений [MIm(MtIm)_x]L, полученных при взаимодействии сукцинитов, фумаратов кобальта(II) и меди(II) состава ML · nH₂O с имидазолом и 2-метилимидазолом. Проведен анализ процесса термического разложения солей с помощью ЭСП и ИК-спектроскопии. Доказано участие в комплексообразовании пиридинового атома азота имидазола и атомов кислорода карбоксильных анионов. Спектрофотометрическим методом определены состав и устойчивость имидазолатсукцинатных комплексов кобальта(II) и меди(II) в водном растворе, показана их более высокая устойчивость по сравнению с монолигандными комплексами.

Авторами работ [13, 14] установлено, что кадмий(II) с 1-метил-2-меркаптоимидазолом в водном и водно-спиртовых растворах переменного состава образует четыре комплексные формы. При повышении температуры устойчивость комплексов уменьшается, а при добавлении неводного компонента увеличивается.

В работе [15] исследовано комплексообразование имидазола, 2-метилимидазола, бензимидазола, пиразола, 1,2,4-триазола и изучена их донорная способность по отношению к солям ряда ионов металлов (Cu⁺, Ag⁺, Pt²⁺, Pt⁴⁺, Cu²⁺). В этих комплексах лиганды ведут себя как монодентатные с координацией атома азота. Авторы работы [16] показали, что при взаимодействии хлорида меди с имидазолом местом локализации координационной связи является пиридиновый атом азота, и имидазол ведет себя как монодентатный лиганд. Это подтверждено квантово-химическим расчетом электронного строения, согласно которому наибольший отрицательный заряд сосредоточен на атоме азота N₃ (–0.1704), тогда как у остальных атомов N₁, С₂, С₄, С₅ заряды равны 0.0465, 0.0833, 0.0128 и 0.0715 соответственно.

В обзорной статье [17] приведены данные по химии соединений золота в растворах. Авторы работы на основании литературных и собственных данных пришли к выводу что $Е_{{{{{\text{A}}{{{\text{u}}}^{{{\text{3 + }}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{A}}{{{\text{u}}}^{{{\text{3 + }}}}}} {{\text{Au}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{Au}}}}}}^{^\circ }.$ можно принять равным 1.0 ± 0.003 В. В этой же работе рассмотрена возможность акватации и гидролиз ${\text{AuCl}}_{4}^{ - }$ в зависимости от рН и концентрации хлорид-ионов. Показано, что в солянокислых, но разбавленных по ${\text{AuCl}}_{4}^{ - }$ растворах наряду с диспропорционированием возможен процесс акватации:

При повышении рН протекает также и гидролиз по реакции:

Авторы [18] для определения устойчивости димеркаптидных комплексов золота(III) использовали систему ${{{\text{Au}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{Au}}} {{\text{AuCl}}_{4}^{ - }}}} \right. \kern-0em} {{\text{AuCl}}_{4}^{ - }}}.$ В интервале концентраций ${\text{AuCl}}_{4}^{ - }$ 5 × 10^–6–5 × 10^–5 моль/л и Cl^– 0.05–1.0 г-ион/л экспериментально определены величины $Е_{{{{{\text{A}}{{{\text{u}}}^{{{\text{3 + }}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{A}}{{{\text{u}}}^{{{\text{3 + }}}}}} {{\text{Au}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{Au}}}}}}^{^\circ }.$ При этом установлено, что величина Е° изменяется в пределах 1.013–1.041 В. Среднее значение Е° составило 1.03 ± 0.009 В.

Авторами работы [19] с помощью рН-метрического титрования изучено замещение ионов Cl^– на ОН^– в комплекcном анионе [AuCl₄]^–. Константы равновесия ступенчатого замещения Cl^– на ОН^– в водном растворе при 25°С равны: lgβ₁ = = 7.87, lgβ₂ = 14.79, lgβ₃ = 20.92, lgβ₄ = 25.98. Исследована зависимость стандартного потенциала $Е_{{{{{\text{A}}{{{\text{u}}}^{{{\text{3 + }}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{A}}{{{\text{u}}}^{{{\text{3 + }}}}}} {{\text{Au}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{Au}}}}}}^{^\circ }.$ от рН в растворе с [Cl^–] = 1 моль/л и общей концентрацией золота(III) 1 моль/л. Из зависимости Е от рН установлено, что потенциал системы ${{{\text{Au}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{Au}}} {{\text{AuCl}}_{4}^{ - }}}} \right. \kern-0em} {{\text{AuCl}}_{4}^{ - }}}$ до рН 5 остается неизменным. Возрастание рН > 5 приводит к резкому уменьшению величины потенциала золотого электрода. Авторы работы считают, что во всей области рН > 4 растворы золота(III) являются термодинамически неустойчивыми, т.е. должны распадаться с выделением металлического золота, а при рН > 11 возможен также переход золото(III) → золото(I).

Спектрофотометрическим методом в работе [20] при 298 K, I = 1 моль/л в кислом водном растворе изучены равновесия замещения хлорид-ионов в составе ${\text{AuCl}}_{4}^{ - }$ на пиридин (ру), 2,2-дипиридил (bipy), 1,10-фенантролин (phen). С учетом констант протонирования аминов для равновесия

константы равновесия составляют: lg β₁ = 3.3 (ру), 8.2 (bipy), 9.5 (phen). В работе [21] спектрофотометрическим и потенциометрическим методами изучены равновесия замещения Cl^– на аммиак, этилендиамин (en), диэтиламин (dien) при 298 K. Показано, что для равновесия величина константы равновесия составляет lgβ₁ = = 6.73 ± 0.09, а стандартный потенциал системы (${{{\text{Au}}({\text{N}}{{{\text{H}}}_{3}})_{4}^{{3 + }}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{Au}}({\text{N}}{{{\text{H}}}_{3}})_{4}^{{3 + }}} {{\text{A}}{{{\text{u}}}^{0}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{A}}{{{\text{u}}}^{0}}}}$) = 0.52 В. Константы равновесия замещения составляют lg β₁ = 16.2, lg β₂ = 27.7. Для равновесия константа составляет lg β₃ = 22.7.

В работах [22, 23] с использованием потенциометрического метода изучено комплексообразование золота(III) с триазолом и бензотриазолом. Показано, что оба органических лиганда образуют с золотом(III) четыре комплексные частицы. Установлено, что устойчивость комплексов с увеличением температуры уменьшается. Введение 1,2-бензенного радикала в молекулу триазола оказывает существенное влияние на устойчивость образующихся комплексов. В работе [22] методом потенциометрии изучено комплексообразование золота(III) c 1-фурфурлиденамино-1,3,4-триазолом. Методом температурного коэффицента определены изменения энтальпии и энтропии реакции образования комплексов. Показано, что самопроизвольное протекание реакций комплексообразования определяется энтальпийной составляющей.

Анализ литературных источников показал, что экспериментальные данные о комплексообразовании золота с имидазолами немногочисленны. В работе [24] проведено исследование кинетики замещения гетероциклического лиганда на хлорид-ионы в составе плоскоквадратных комплексов состава AuCl₃(nu), где nu – ряд пятичленных N-донорных гетероциклических лигандов, в частности, имидазол и 2-метилимидазол. В настоящей работе также сообщается о синтезе моноядерных комплексов состава [Au(И)Cl₃] и [Au(2-МИ)Cl₃], причем идентичность синтезированных соединений подтверждена методами элементного анализа и ЯМР [24]. Установлено, что гетероциклические лиганды входят в состав координационных соединений в нейтральной форме. В то же время в упомянутой работе не проводилось исследование процессов комплексообразования в растворах, приводящих к формированию указанных комплексов, не определялись соответствующие константы устойчивости. Учитывая высокую биологическую активность золота(III), 2-метилимидазола, с научной и практической точки зрения актуальным является исследование комплексообразования в системе H[AuCl₄]–2-метилимидазол–H₂O.

Цель настоящей работы – определение состава, устойчивости и термодинамических характеристик разнолигандных комплексов состава [AuL_iCl_4–i]^–1+i и в дальнейшем иследование их биологической и каталитической активности.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных соединений использовали 2-метилимидазол (L) и Н[AuCl₄]. Раствор Н[AuCl₄] готовили согласно методике, предложенной в [25]. Начальная концентрация Н[AuCl₄] составляла 1 × 10^–5 моль/л, концентрация 2-метилимидазола – 4 × 10^–4 моль/л. Для исследования взаимодействия Н[AuCl₄] с 2-метилимидазолом был использован гальванический элемент с переносом: Au/[AuCl₄]^–║Ag,AgCl/Cl^–. Потенциометрическое титрование проводили на рН-метре МИ-150 из полумикробюретки вместимостью 5 мл с ценой деления 0.01 мл. В работе использовали слабокислый раствор Н[AuCl₄] (рН 5) и водный раствор 2-метилимидазола (рН 10.4). Концентрация хлорид-ионов составляла 0.1 моль/л и поддерживалась добавлением в раствор KCl. Ионную силу создавали добавлением в раствор перхлората натрия (I = 0.1 моль/л). Потенциометрическое титрование проводили 4–5 раз при каждой температуре. Потенциал системы устанавливался в течение 10–15 мин. Температуру в ячейке поддерживали постоянной при помощи водяного термостата (±0.5°С). Равновесные концентрации золота(III), 2-метилимидазола, образующихся комплексов и их константы устойчивости были определены по программе KEV [26].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенный литературный обзор показал, что использование золотого электрода при потенциометрическом исследовании комплексообразования золота(III) связано с определенными ограничениями, обусловленными непостоянным значением электродного потенциала системы Au/[AuCl₄]^–, а также процессами гидролиза при разбавлении раствора Н[AuCl₄].

В этой связи перед исследованием процесса комплексообразования Н[AuCl₄] с 2-метилимидазолом были проведены исследования по установлению обратимости золотого электрода к Н[AuCl₄] и определению электродного потенциала этой системы. На рис. 1 приведена зависимость Е от –lg[AuCl₄]^– для системы Au/[AuCl₄]^–.

Как видно из рис. 1, зависимость Е от –lg[AuCl₄]^– имеет линейный характер с углом наклона 19.97 мВ, что удовлетворяет уравнению Нернста для электродов первого рода. Стандартный потенциал системы составляет 1038 мВ, что согласуется с литературными данными.

Для установления влияния гидролиза на электродный потенциал Au/[AuCl₄]^– нами изучена зависимость электродного потенциала этой системы от рН в растворе с [Cl^–] = 0.1 моль/л и общей концентрацией золота(III) 3.59 × 10^–3 моль/л. На рис. 2 приведена зависимость Е от рН.

Как следует из рис. 2, в интервале рН 2.5–5 потенциал системы Au/[AuCl₄]^– остается постоянным, а начиная с рН 5.5 резко уменьшается, что является следствием протекания гидролитических процессов. На это указывают и авторы работы [19], изучавшие зависимость Е от рН для этой системы. Авторы [19] также считают, что во всей области рН > 4 растворы золота(III) являются термодинамически неустойчивыми, т.е. должны распадаться с выделением металлического золота. С этим выводом мы не согласны, так как растворы Н[AuCl₄] при рН 5 стабильны и при долгом хранении из них не выпадает осадок металлического золота.

Электродный потенциал системы [AuCl₄]^–/Au по отношению к хлорсеребряному электроду при концентрации [AuCl₄]^– 1 × 10^–5 моль/л равен 712 мВ. При добавлении к этой системе 2-метилимидазола в интервале температур 278–318 K наблюдается плавное уменьшение потенциала без каких-либо скачков. Такое изменение потенциала свидетельствует о том, что между Н[AuCl₄] и 2-метилимидазолом протекает комплексообразование и исключается изменение степени окисления Au(III) в процессе комплексообразования, так как происходит ее термодинамическая стабилизация.

В работе [27] приведено значение рK_а 2-метилимидазола. Используя значение рK_а 2-метилимидазола, мы установили, что максимальная доля накопления молекулярной формы 2-метилимидазола приходится на pH 10–10.5. Ниже pH 10 в растворе начинает накапливаться протонированная форма 2-метилимидазола. Поскольку в проведенных нами исследованиях исходный раствор 2-метилимидазола имел рН 10.4, можно предположить, что в реакции комплексообразования в основном участвует молекулярная форма этого соединения:

В табл. 1 приведены данные потенциометрического титрования [AuCl₄]^– раствором 2-метилимидазола при 298 K и рассчитанные по программе KEV [26] равновесные концентрации [AuCl₄]^– и [L].

Для установления характера взаимодействия Н[AuCl₄] с 2-метилимидазолом с помощью данных потенциометрического титрования построена зависимость ΔЕ от –lgС_L, где ΔЕ = Е_нач – Е_в.к.т. Из рис. 3 видно, что зависимость ΔЕ от –lgС_L имеет нелинейный характер, что свидетельствует о протекании ступенчатого процесса комплексообразования между [AuCl₄]^– и 2-метилимидазолом (при образовании единственной комплексной частицы эта зависимость была бы линейной).

Общие константы устойчивости образующихся комплексов рассчитывали по программе KEV. Для расчета констант образования в программу вводили данные потенциометрического титрования, концентрации [AuCl₄]^– и 2-метилимидазола в каждой точке титрования, предположительно протекающие процессы, т.е. реакцию протонирования 2-метилимидазола, реакции комплексообразования между [AuCl₄]^– и 2-метилимидазолом:

Обработка данных потенциометрического титрования по программе KEV дает удовлетворительные результаты только для образования трех комплексных форм (реакции (2)–(4)). В табл. 2 приведены значения общих констант устойчивости комплексов золота(III) с 2-метилимидазолом при 278–318 K. Достоверность определения констант доказана удовлетворительным совпадением экспериментально найденных значений потенциалов с теоретическими (табл. 1).

Как видно из данных табл. 2, с увеличением температуры и ионной силы раствора наблюдается повышение значений общих констант устойчивости комплексов золота(III).

Для расчета термодинамических функций образования комплексов золота(III) с 2-метилимидазолом необходимы численные значения термодинамических констант устойчивости. В этой связи найденные при двух значениях ионной силы концентрационные константы устойчивости были использованы для определения термодинамических констант 2-метилимидазольных комплексов золота(III) с применением уравнения [28]:

Для расчета термодинамической константы устойчивости по уравнению (7) необходимо знать изменение концентрационной константы при переходе от ионной силы 1 к ионной силе 2 (α = = ), которая существенно зависит от свойств реагирующей системы и электролитической среды.

Величину Δνz² в уравнении (7) находили для каждой комплексной формы по формуле Δνz² = = $\Delta \nu z_{{{\text{пр}}{\text{.р}}}}^{2} - \Delta \nu z_{{{\text{исх}}{\text{.в}}}}^{2}.$ Образование монозамещенного комплекса золота(III) с 2-метилимидазолом протекает по реакции:

Величина Δνz² для этой реакции равна (–1)² – – (–1)² = 0. Для комплексов золота, содержащих две и три молекулы 2-метилимидазола, величины Δνz² будут равны 2 и 6 соответственно.

В табл. 3 приведены значения термодинамических констант устойчивости комплексов золота(III), рассчитанные по уравнению (7), при 278–318 K.

Сопоставление концентрационных и термодинамических констант устойчивости показало, что разница в величинах констант во многом зависит от численного значения Δνz². Так, для реакции образования [AuLСl₃]⁺ значение Δνz² равно нулю, реакция изозарядная, поэтому разница в значениях констант незначительна. С увеличением величины Δνz² для ([AuL₂Cl₂]⁺ и [AuL₃Cl]²⁺) разница в величинах термодинамических и концентрационных констант возрастает.

В работе [29] методом потенциометрического титрования исследован процесс комплексообразования Au(III) с 1,2,4-триазолом при 298 K. При этом установлено, что Au(III) с 1,2,4-триазолом реагирует ступенчато. Сопоставление полученных нами данных с данными работы [29] показывает, что при взаимодействии Au(III) с 1,2,4-триазолом образуются четыре комплексные формы, а с 2-метилимидазолом – три. По устойчивости моно- и бизамещенные комплексы Au(III) с 2-метилимидазолом превосходят таковые для 1,2,4-триазола.

Термодинамические константы устойчивости использовали для определения термодинамических функций образования комплексов методом температурного коэффициента с использованием уравнения:

Поскольку уравнение (8) содержит два неизвестных, величины ΔН и ΔS были найдены графическим методом.

Величину ΔН определяли по тангенсу угла наклона прямой зависимости $\lg \beta _{i}^{0}$ = f(1/T) (рис. 4), а величину ΔS – по отрезку, отсекаемому этой прямой на оси ординат. Изменение изобарно-изотермического потенциала рассчитывали по уравнению ΔG = ΔH – TΔS.

Как видно из данных табл. 4, образование всех трех комплексных форм протекает с поглощением энергии (процесс эндотермический). Такое изменение теплосодержания системы отрицательно сказывается на самопроизвольном протекании реакции комплексообразования. Вместе с тем при образовании всех комплексных форм величина ΔS положительна. В результате реакций:

число молей реагирующих веществ и продуктов реакции остается неизменным. Возрастание энтропии при комплексообразовании, скорее всего, является следствием появления в растворе “размороженной” воды из гидратных оболочек ионов в результате реакций. Величина ΔG на всех стадиях комплексообразования отрицательна. Самопроизвольное протекание реакции комплексообразования определяется энтропийной составляющей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований установлено, что между Н[AuCl₄] и 2-метилимидазолом протекает ступенчатое комплексообразование. Показано, что в реакции комплексообразования участвует молекулярная форма этого соединения. Данный вывод коррелирует с сообщением о получении комплекса состава [AuLCl₃]⁰ с нейтральным гетероциклическим лигандом в работе [24]. Обработка данных потенциометрического титрования по программе KEV дает удовлетворительные результаты для образования трех комплексных форм состава [AuLCl₃]⁰, [AuL₂Cl₂]⁺, [AuL₃Cl]²⁺. Установлено, что с увеличением температуры устойчивость комплексов золота(III) повышается. Образование как моно-, так и бис- и трис-лигандного комплексов протекает с поглощением энергии. Вместе с тем при образовании всех комплексных форм величина ΔS положительна. Наиболее вероятной причиной возрастания энтропии при комплексообразовании является появление в растворе “размороженной” воды из гидратных оболочек ионов в результате реакций. Величина ΔG на всех стадиях комплексообразования отрицательна. Самопроизвольное протекание реакции комплексообразования определяется энтропийной составляющей.