Журнал неорганической химии, 2023, T. 68, № 4, стр. 529-536

ВВЕДЕНИЕ

Исследование соединений биометаллов (железо, медь, цинк, марганец, кобальт и др.) с карбоновыми и оксикарбоновыми кислотами, аминокислотами (АК), пептидами важно с точки зрения химии, биологии, медицины и имеет научное и прикладное значение. В последнее время вырос интерес к изучению систем со смешанолигандным комплексообразованием, которое преобладает в биологических и экологических условиях. Большинство процессов, протекающих в организме, включает в себя взаимодействие ионов металла с несколькими лигандами. Так, известно, что при транспортировке металлов большую роль играют смешанолигандные комплексы (СЛК) с участием двух аминокислот [1]. Большое значение придается изучению координационных соединений меди(II) с α-аминокислотами, поскольку они участвуют в транспорте меди в ткани, клетки и жидкости организма.

Однороднолигандные комплексы меди(II) с аминокислотами и карбоновыми кислотами (лимонная, щавелевая, янтарная, фумаровая, яблочная и др.), а также карбоксилатные соли меди(II) изучены достаточно полно [2‒5]. Широкое применение в медицинской практике находит янтарная кислота HOOC(CH₂)₂COOH (H₂Suc). Она рекомендуется в качестве общеукрепляющего средства, применяется в медицине как активное бактерицидное вещество, ее соли могут быть использованы в фармакологии, ветеринарии, медицине и пищевой промышленности в качестве лекарственных средств или биологически активных добавок. Сукцинаты d-металлов можно получить взаимодействием янтарной кислоты с гидроксидами и карбонатами металлов, взаимодействием сукцината натрия с солями d-металлов [6]. Из твердой фазы сукцинат меди(II) получен реакцией основного карбоната меди с янтарной кислотой [7]. Для сукцината меди CuSuc ⋅ 0.5H₂O [8] определена константа растворимости K_S = 2.9 × 10^–6. Добавление аминокислоты (серин, глицин, аланин) к этой соли увеличивает ее растворимость, расчетные данные для системы сукцинат меди(II)‒аминокислота предсказывают образование СЛК. Это изменение растворимости сукцината меди авторы связывают с представлением о потенциальном увеличении биодоступности иона Cu²⁺. В работе [9] дана информация о термическом поведении сукцинатов переходных металлов MC₄H₄O₄ ⋅ nH₂O (M = = Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺). Конечным продуктом термического разложения указанных сукцинатов являются Mn₃O₄, Fe₂O₃, Co₃O₄, NiO, CuO и ZnO соответственно.

Получены и смешанолигандные соли меди(II) с янтарной кислотой, аминокислотами и другими лигандами. Динуклеарная соль [Cu₂(C₄H₄O₄)(phen)₂(H₂O)₂](NO₃)₂ (${{{\text{C}}}_{{\text{4}}}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}}{\text{O}}_{4}^{{2 - }}$ ‒ сукцинат-ион, phen ‒ 1,10-фенантролин) содержит мостиковый сукцинат-анион, ионы меди имеют квадратно-плоскостную геометрию [10]. Из раствора синтезирована соль состава [(phen)₂Cu(μ‑L)Cu(phen)₂]L ⋅ 12.5H₂O (L^2‒ ‒ анион янтарной кислоты), которая состоит из сукцинатных мостиковых комплексных катионов [(phen)₂Cu(μ-L)Cu(phen)₂]²⁺, некоординированных сукцинатных анионов и молекул воды, связанных водородной связью [11]. Изучено применение при терапии опухоли соединения меди(II) с L-серином (HOCH₂CH(NH₂)CO₂H) и глицином (NH₂CH₂CO₂H, HGly) [12]. Эта работа показала, что смешанолигандные соединения меди(II) с α-аминокислотами перспективны для поиска новых противоопухолевых соединений. В работе [13] дан обзор химии соединений меди(II) со многими аминокислотами: глицином, аланином, гистидином, лизином, тирозином, серином и др.

К настоящему времени в литературе имеется достаточно данных по константам устойчивости сукцинатных комплексов меди(II) в растворах, однако они довольно противоречивы. В работе [5] методом капиллярного электрофореза определены константы равновесий в системе Cu²⁺‒янтарная кислота (H₂L): lg β(CuL) = 2.89 ± 0.02, lg K(CuHL⁺) = 5.4 ± 0.5, lg β$\left( {{\text{CuL}}_{2}^{{2 - }}} \right)$ = 3.88 ± 0.05, lg R$\left( {{\text{CuHL}}_{2}^{ - }} \right)$ = 7.2 ± 0.3, приведены также литературные данные по константам равновесий в указанной системе.

Изучены смешанолигандные комплексы меди(II) с аминокислотами, карбоновыми кислотами и другими лигандами. В работах [1, 14] при рН > 7 для растворов с соотношением компонентов 1 : 1 : 1 определено образование комплексов состава CuAspSer^– (lgβ₁₁₁ = 24.5) и CuAspVal^– (lg β₁₁₁ = 19.9) (Asp ‒ аспарагиновая кислота, Ser, Val ‒ серин, валин); в системе Cu(Gly)₂–Hist при изменяющейся концентрации гистидина (pH 5–6; 200–300 нм) cпектрофотометрически установлено образование разнолигандных комплексов. Полярографически показано образование СЛК [Cu(Val^–)(Gly^–)] (β₁₁₁ = 4.6 × 10¹⁵) и [Cu(Val^–)(Leu^–)] (β₁₁₁ = 7.2 × 10¹⁵) в тройных системах Cu²⁺‒валинат-ион (Val^–)‒глицинат-ион, Cu²⁺‒валинат-ион‒лейцинат-ион (Leu^–) соответственно [15].

Исходя из литературных данных можно заметить, что разнолигандные комплексные соединения меди(II) на основе карбоновых и аминокарбоновых кислот при образовании в растворе чаще всего имеют состав 1 : 1 : 1, при выделении в твердом виде их состав и строение могут быть иными и меняться в широких пределах.

Изучение смешанолигандного комплексообразования важно в научном плане для решения вопросов совместимости лигандов, их взаимного влияния в координационной сфере комплекса, устойчивости СЛК, изменения химических и биологических свойств СЛК по сравнению с однороднолигандными комплексами. В практическом плане на примере изучения реакций взаимодействия ионов биометаллов с лигандами, содержащими те же функциональные группы, что и какой-либо рассматриваемый биологический объект, возможно моделирование физиологических процессов.

Цель данной работы – исследование комплексообразования (состав и устойчивость комплексов) в двойных (Cu²⁺‒Suc^2–(L^m–)) и тройных (Cu²⁺‒Suc^2–‒L^m–) системах, содержащих сукцинат-ион и ионы L^m– некоторых аминокислот (аминоуксусной, аспарагиновой, глутаминовой), а также определение константы растворимости синтезированного сукцината меди(II) состава CuC₄H₄O₄ ⋅ 2H₂O.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для изучения взаимодействия в системах, содержащих медь(II), янтарную кислоту и (или) некоторые аминокислоты L-ряда, использовали растворы CuCl₂, янтарной, аминоуксусной, глутаминовой NH₂(CH₂)₂CH(CO₂H)₂ (H₂Glu) и аспарагиновой NH₂CH₂CH(CO₂H) кислот, приготовленных из реактивов марок “х. ч.” и “ч. д. а”. Растворы кислот низких концентраций получали путем разбавления исходных растворов, приготовленных из навесок кислот. Концентрацию кислот уточняли pH-потенциометрически. Во всех исходных и рабочих растворах поддерживали постоянную ионную силу I = 0.3, создаваемую хлоридом натрия. Измерение рН в растворах осуществляли на рН-метре-673, стеклянный электрод которого калибровали по буферным растворам с pH в интервале 3.56‒6.86 при 25°C. Спектральные измерения проводили на спектрофотометре модели UV-2800, фотоэлектроколориметре КФК-2-УХЛ 4.2 при толщине поглощающего слоя l = 10 мм. Для термического анализа синтезированной соли CuSuc · 2H₂O использовали прибор марки Netzsch STA 449 C.

Для изучения смешанолигандного комплексообразования меди(II) с биологически активными лигандами (янтарной кислотой и аминокислотами) предварительно определяли общие константы протонизации кислот B_i при выбранной ионной силе I = 0.3, а также состав и константы устойчивости однороднолигандных комплексов меди(II). Константы протонизации кислот определяли pH-потенциометрическим методом, титруя растворы кислот бескарбонатной щелочью при перемешивании смеси очищенным азотом.

Состав комплекса [CuSuc] (1 : 1) был установлен методом изомолярных серий (рН 2.20), заряд и устойчивость (lg β₁ = 2.64) – методом функциональной зависимости D–pH [16], представленной на рис. 1 и в табл. 1. Растворы серии В готовили сливанием растворов лиганда и металла и переменных количеств растворов NaOH, HCl и NaCl, чтобы общий объем составлял 6 мл (I = 0.3). Растворы серии А готовили аналогично, но вместо раствора лиганда брали равный объем 0.3 моль/л раствора NaCl. Во избежание выпадения осадка сукцината меди(II) измерения в растворах проводили в интервале pH 1.5‒4.5.

Реакцию образования комплекса состава 1 : 1 можно представить уравнением:

(заряды частиц не указаны). По данным табл. 1 с помощью программы D–pH [17] одновременно определяли число протонов, входящих в состав координируемого лиганда (n = 0), и устойчивость комплекса [CuSuc] (при n = 0 lgR = lgβ₁ = 2.64 ± ± 0.15). В программе учтены побочные реакции комплексообразования Cu²⁺ с анионом фонового электролита (Cl^–), взятого для создания ионной силы: реакция гидролиза комплексообразователя по первой ступени и протонизация не связанного в комплекс лиганда.

Определение констант устойчивости однороднолигандных комплексов меди(II) с аминокислотами проводили методом Бьеррума. В табл. 2 для примера приведены данные pH-потенциометрического титрования в системе CuCl₂‒Gly и результаты расчета lg β₁ для комплекса [CuGly]⁺. Расчет величины lg β₁ для комплексов CuL, где L – анион аминокислоты, проводили в интервале pH 3.5‒6, где доминируют указанные комплексы. Частицы MH_nL, согласно диаграммам выхода комплексных частиц с аминокислотами [1, 18, 19], доминируют в интервале pH 1‒4.

Состав и устойчивость разнолигандных комплексов [CuGlySuc]^–, [CuAspSuc]^2– и [CuGluSuc]^2– определяли методом кривых насыщения при pH ~ 4 (отсутствие частиц CuH_nL). Для примера на рис. 2 приведена кривая насыщения в системе (Cu²⁺–H₂Suc)‒H₂Glu, указывающая на образование комплекса состава 1 : 1 : 1, а в табл. S1 и S2 ‒ данные для расчета константы устойчивости β₁₁₁ СЛК в системах (Cu²⁺‒H₂Suc)‒H₂Glu и (Cu²⁺‒H₂Glu)‒H₂Suc.

Синтез сукцината меди(II) проводили из водного раствора хлорида меди(II) и янтарной кислоты, частично нейтрализованной гидроксидом натрия, чтобы выделение осадка проходило при pH ~ 4. Мольное соотношение компонентов составляло 1 : 1. Сукцинат меди(II) – это мелкокристаллическое вещество голубого цвета, которое малорастворимо в воде. В соли содержание меди находили иодометрически, воды, оксида металла и сукцинат-иона – гравиметрически и термогравиметрически. Результаты анализа синтезированной соли представлены ниже.

По данным растворимости сукцината меди(II) в 0.3 моль/л растворах (H, Na)Cl (табл. 3) с учетом равновесий и их констант равновесия

рассчитана константа растворимости соли CuSuc · 2H₂O (lgK_S = –7.59 ± 0.06) по формуле:

где C_Cu – концентрация иона металла в насыщенном растворе; функция протонизации сукцинат-аниона f = 1 + B₁[H⁺] + B₂[H⁺]² (B₁, B₂ – общие константы протонизации янтарной кислоты для I = 0.3); ω = 1 + K_h1/h ‒ функция гидролиза иона Cu²⁺, K_h1 – константа гидролиза иона Cu²⁺ по первой ступени; h = [H⁺]. Концентрацию ионов Cu²⁺ в насыщенных растворах сукцината меди(II) определяли иодометрически.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментально определенные константы протонизации глутаминовой, аспарагиновой и янтарной кислот (I = 0.3) согласуются с данными [20], пересчитанными на I = 0.3 по уравнению Дэвиса (табл. 4).

Расчеты констант протонизации лигандов, констант устойчивости однороднолигандных комплексов по данным pH-потенциометрии, метода D‒pH проведены на ЭВМ [17]. При pH-потенциометрическом определении констант устойчивости меди(II) с аминокислотами методом Бьеррума установлено, что кривые титрования соответствующих кислот с солью металла лежат ниже кривых титрования самих кислот, что связано с вытеснением комплексообразователем протонов из доминирующих в системе (pH 3.5–6) форм лигандов:

Доминирование частиц HGly, HGlu^– и HAsp^– в указанном интервале pH подтверждается диаграммами выхода кислот.

Электронные спектры поглощения одинарных, двойных и тройных систем указывают на образование СЛК (рис. 3). Повышение оптической плотности, смещение максимумов поглощения в коротковолновую область в системах с однородными и разными лигандами по сравнению с исходным водным раствором хлорида меди(II) свидетельствуют об образовании комплексных частиц ‒ однородно- и разнолигандных комплексов. Замещение молекул воды в координационной сфере иона Cu²⁺ на более прочно связываемые лиганды (лучшие доноры электронных пар) увеличивает разность энергий расщепленных d-подуровней комплексообразователя, и его d‒d-полоса поглощения смещается в сторону более коротких длин волн (гипсохромный эффект). Образование смешанолигандных комплексов в растворе связано со сродством d-катиона Cu²⁺ (d⁹) к донорным атомам как азота, так и кислорода выбранных лигандов – некоторых аминокислот и янтарной кислоты.

Авторы работы [5] приводят для комплекса [CuSuc] следующие литературные значения lg β₁: 2.70, 2.59, 2.50, 2.60, 2.61, 2.85, 2.98, 3.20, 3.22. В работе [2] показано, что при ионной силе 0.1 и всех выбранных соотношениях металл : лиганд образуются комплексные частицы CuHSuc⁺ (lg β₁₁ = 1.99) и CuSuc (lg β₁ = 3.02, 2.98). Определенная нами методом D–pH величина lg β₁ = = 2.64 ± 0.15 имеет меньшее значение при большей ионной силе (I = 0.3).

Из данных по кривым насыщения систем (Cu²⁺–H₂Suc)‒АК и (Cu²⁺–АК)‒H₂Suc (табл. S1, S2 ) рассчитаны константы устойчивости β₁₁₁ смешанолигандных комплексов по методике, изложенной в [21]. Для равновесия с участием сукцинатных комплексов меди(II) состава 1 : 1 и 1 : 1 : 1

где АК – анион аминокислоты (для удобства заряды опущены), константа равновесия K связана с константами устойчивости указанных комплексов уравнением β₁₁₁ = K ⋅ β_CuSuc. Константа равновесия K = α_∞f_AK/(1 – α_∞)(C_AK – α_∞C_Cu), где α_∞ = = (ε_i – ε_CuSuc)/(ε_∞ – ε_CuSuc); ε_i = D/C_Cu; ε_∞ = = D_∞/C_Cu; ε_CuSuc = D_CuSuc/C_Cu, α_∞ – максимальный выход комплекса CuSucAK, ε – коэффициент молярного поглощения соответствующих частиц: CuSuc (ε_CuSuc), CuSucAK (ε_∞), CuSuc + CuSucAK (ε_i); f_АК = 1 + B₁[H⁺] + B₂[H⁺]².

Для равновесия

константа равновесия K = α_∞f_Suc/(1 – α_∞)(C_Suc – – α_∞C_Cu), где и β₁₁₁ = K · β_CuAK. Для одной и той же аминокислоты (H₂Glu) отмечается хорошая сходимость величин lgβ₁₁₁ (табл. 5), рассчитанных из данных по изучению обоих типов равновесий (табл. S1, S2 ). В табл. 5 приведены также коэффициенты молярного поглощения ε_∞ частиц CuAKSuc.

Из табл. 5 видно, что константы устойчивости однороднолигандных комплексов меди с глицинат-, глутаминат- и аспарагинат-анионами (lg β₁ составляет 8.05, 8.49 и 8.56 соответственно), как и константы устойчивости смешанолигандных комплексов меди(II) с сукцинат-ионом и ионами аминокислот (lg β₁₁₁ соответственно составляет 12.88, 13.07, 13.21), не сильно изменяются в указанных рядах, что может быть связано с близостью строения и кислотно-основных свойств изучаемых АК (так, для глицинат-, глутаминат- и аспарагинат-анионов величина lg B₁ составляет соответственно 9.53, 9.56 и 9.51).

Относительная стабильность разнолигандных комплексов по сравнению с устойчивостью соответствующих однороднолигандных комплексов, а также совместимость разных лигандов (A, B) во внутренней сфере СЛК состава MAB могут быть оценены различными способами [22‒25], а именно: с помощью параметра ∆lg K, имеющего вид ∆lg K(MAB) = lg β(MAB) ‒ lg β(MA) ‒ lgβ(MB), и константы сопропорционирования (lgK_S, lgX), связанной с общими константами устойчивости комплексов соотношением lg K_S = lg β(MAB) – 1/2lg β(MA₂) – 1/2lg β(MB₂). При совместимости лигандов величина lgK_S для устойчивых комплексов должна быть больше нуля, в ином случае разнолигандный комплекс MAB подвергается диспропорционированию на комплексы MA₂ и MB₂, т.е. оказывается неустойчивым независимо от величины его константы устойчивости lg β(MAB) [26]. Можно показать, что в изучаемой нами системе при соотношении компонентов 1 : 1 : 1 в комплексе[CuGlySuc]^– (lg β₁₁₁ = 12.88, табл. 5) лиганды совместимы, так как при lg β$\left( {{\text{CuSuc}}_{2}^{{2 - }}} \right)$ = = 3.88 [5] и lgβ(CuGly₂) = 14.73 [3] величина lgK_S равна 3.58. Стабильность разнолигандных комплексов также интерпретируется с помощью статистического метода [25]. Константа стабилизации ∆lg β получается из разности измеренной константы стабильности для СЛК и константы, рассчитанной на основе статистических данных: ∆lg β = lg β_изм ‒ lg β_стат. Значение константы образования смешанолигандного комплекса состава MAB, ожидаемое по статистике, рассчитывается по уравнению: lg β_стат = 1/2(lg β(MA₂) + lg β(MB₂)) + lg2. Совместимость лигандов во внутренней сфере СЛК состава [CuGlySuc]^– подтверждается и величиной Δlg β = lg β_изм(CuGlySuc) ‒ lg β_стат(CuGlySuc) = = 12.88 ‒ 9.60 = 3.28. Значительное отличие lg β_изм от lg β_стат может быть связано с тем, что последняя величина не учитывает координации молекул растворителя в комплексе и сродства лигандов к иону металла. Отличие указанных выше величин наблюдается в ряде работ. Так, константы стабилизации ∆lg β комплексов Cu(IMA)L, где IMA ‒ имидазол-4-уксусная кислота, L ‒ фенилаланин, аланин (заряды комплексных частиц опущены), составляют 2.73 и 1.39 соответственно [24]. Используя данные работы [27], можно рассчитать константы стабилизации ∆lg  β комплексов NiAdeAsp (4.39) и NiAdeGlu (3.98), где Ade ‒ аденин; Asp, Glu ‒ аспарагиновая и глутаминовая кислоты L-ряда. Дополнительное повышение стабильности СЛК (по сравнению со статистическими данными) может иметь место при взаимодействии между двумя лигандами, связанными с одним и тем же комплексообразователем, например, за счет образования водородной связи. Некоторые авторы считают, что при формировании разнолигадных комплексов из простых происходит стабилизация, которая выражается, вероятно, в выгодном перераспределении электронной плотности между лигандами и комплексообразователем в комплексе [18].

Найденные константы устойчивости СЛК меди(II) с янтарной кислотой и аминокислотами (табл. 5) использовали для построения диаграммы выхода частиц в зависимости от pH в изученных системах при мольном соотношении компонентов 1 : 1 : 1 (рис. 4). Расчет равновесного состава раствора и построение диаграммы выполнены с помощью программы HySS2009 [28] с учетом равновесий (1)‒(12) и соответствующих констант равновесий.

Как видно из рис. 4, смешанолигандные частицы CuSucGly^– оказываются доминирующими формами в широком диапазоне pH. Совместимость во внутренней сфере СЛК меди(II) кислород- и азотсодержащих донорные атомы лигандов обеспечивает его высокий выход по сравнению со всеми другими комплексными частицами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определены общие константы протонизации янтарной кислоты и аминокислот (H₂Glu, H₂Asp) при ионной силе 0.3, а также состав и константы устойчивости однороднолигандных комплексов меди(II) с анионами янтарной, аминоуксусной, глутаровой и аспарагиновой кислот состава 1 : 1 (lg β₁ составляет 2.64, 8.13, 8.49 и 8.56 соответственно).

Состав (1 : 1 : 1) разнолигандных комплексов [CuGlySuc]^–, [CuGluSuc]^2–, [CuAspSuc]^2– и их константы устойчивости (соответственно lg β₁₁₁ составляет 12.88, 13.07, 13.21) определены методом кривых насыщения.

Электронные спектры поглощения растворов одинарной, двойной и тройной систем в видимой части спектра подтверждают образование смешанолигандных комплексов.

Для синтезированного сукцината меди(II) CuC₄H₄O₄ · 2H₂O по данным растворимости (I = 0.3) рассчитана константа растворимости lgK_S = –7.59 ± ± 0.06.

Полученные данные по устойчивости СЛК меди(II) с янтарной кислотой и аминокислотами могут быть полезным материалом для исследователей, проводящих работы в биологических средах.

Рассчитанная диаграмма долевого распределения частиц в системе Cu²⁺‒H₂Suc‒АК указывает на области их доминирования, что позволяет использовать диаграмму для направленного синтеза соединений из раствора.