Комплексообразование и химический обмен в растворах меди (II) с некоторыми трипептидами Илакин, Владислав Станиславович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Исследование взаимосвязи между строением, устойчивостью и реакционной способностью комплексных соединений с биолигандами составляет фундаментальную проблему координационной и бионеорганической химии. Значительный интерес в этом отношении представляют комплексы меди(И) с трипептидами, в которых реализуется уникальная координация атомов азота депротонированных пептидных связей. Эти соединения служат удобными моделями медиаторов, транспортных форм меди в живых организмах, а также медьсодержащих белков и ферментов (оксидаз и оксигеназ), играющих важную роль в биосистемах. Высокая комплексообразующая способность трипептидов в отношении меди(И) открывает возможность их использования в лечении некоторых заболеваний, например, болезни Вильсона.

Строение и термодинамика образования координационных соединений с трипептидами, особенно в щелочных средах, изучены слабо по сравнению с аминокислотными и дипептидными комплексами. До сих пор не рассмотрены реакции протонного и лигандного обмена в растворах трипептидных комплексов меди(П). Между тем, константы скорости реакций лигандного и протонного обмена имеют фундаментальную значимость, поскольку служат универсальной мерой реакционной способности самых разнообразных комплексных соединений и особенно важны для понимания и прогнозирования механизмов функционирования металлокомплексных катализаторов, ферментов и их моделей.

В настоящей работе с помощью комплекса методов - спектрофотомет-рии, рН-метрии, ЯМ релаксации и ЭПР - исследованы термодинамика образования, строение и динамика реакций химического обмена координационных соединений меди(П) с рядом трипептидов (триглицин, глутатион (окисленный), -гистидилглицилглицин) в широких диапазонах рН, концентраций металла и лигандов.

Цель исследования - выявить зависимости состава, структуры, констант устойчивости, кинетических параметров и механизмов реакций химического обмена комплексов меди(Н) с трипептидами от природы лигандов.

Научная новизна работы. Путем математического моделирования результатов спектрофотометрических и ЯМ релаксационных измерении определены составы и константы образования комплексов, образующихся в системах медь(П) - трипептид (L) (L = триглицнн, глутатион (окисленный), L-гистидилглицилглицин) в широких диапазонах рН, колиетраций металла и лигандов. Исправлены ошибочные значения констант устойчивости ряда известных комплексов и впервые определены константы образования новых комплексных форм: CuI^H* с триглицином, Cu₂LH_4⁴~ и CuLH.3⁵' с окисленным глутатионом, CuLH.3²-, CuLH^³', CuL₂II₂²" и СіцЦН^²" с L-ГИСТИДИЛ-глицилглицином. Из экспериментальных оптических и ЭПР спектров растворов реконструированы на ЭВМ спектры большинства индивидуальных комплексных форм с учетом вычисленных, степеней их накопления. Определены составы координационных полиэдров из параметров спектров ЭПР и электронных спектров поглощения соединений.. На основе анализа ширины линий компонент СТС спектров ЭПР комплексов с помощью найденных параметров спин-гамильтониана и специально созданной компьютерной программы в рамках модифицированного подхода Вилсона-Кивелсона рассчитаны времена корреляции ротации частиц. По данным метода ЯМ релакса-ции впервые определены константы скорости реакций первого и второго кинетических порядков для обмена триглицината (L') меаду объемом раствора и координационной сферой комплекса состава CuL₂H.f, рассчитаны константа скорости реакции его образования, а также константа скорости реакции протонного обмена второго кинетического порядка из координационной сферы триглицинатного комплекса CuL₂H.₂²" с участием ОН'-иона. Впервые рассчитаны константы скорости реакций обмена глутатионата из координационной сферы Cu(LH)₂⁴" с учетом форм LH³" и L⁴*, определены константы скорости реакций образования и диссоциации комплекса CuL₂⁶". Впервые определена константа скорости реакции протонного обмена второго кинетического порядка с участием ОН'-иона и L-гистидилглицишглицинового комплекса состава CuLHU³'- Предложены механизмы указанных реакций обмена, а также новый механизм катализируемых гидроксид-исном реакций замещения в комплексах меди(Н) с трипептидами.

Практическая значимость. Результати работы важны для развития координационной, физической и бионеорганической химии переходных 3d-металлов, поскольку углубляют представления о комплексообразовании, кинетике и механизмах быстрых реакций протонного, лигандного обмена и замещения в растворах соединений с биолигандами. Развит новый подход к совместному использованию методов спектрофотометрии, ЯМР и ЭПР для определения параметров строения, термодинамики комплексообразования и кинетики реакций химического обмена комплексов меди(П). Результаты анализа влияния природы лигандов на состав, структуру, устойчивость и динамическое поведение соединений меди(И) позволяют прогнозировать свойства комплексов меди(П) с другими биолигандами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системе медь(П) - триглицин в широком диапазоне рН, концентраций металла и лпганда методами СФ-метрии и ЯМ релаксации. Сведения о строении и динамике вращательного движения обнаруженных частиц, полученные из оптических и ЭПР спектров с учетом термодинамических данных.

2. Кинетические параметры реакций обмена триглицинат-аниона из координационной сферы CuL₂H-i" и протонного обмена с участием ОН"-иона и триглицинатного комплекса CUL2H-2²". Механизмы указанных реакций обмена, а также новый механизм катализируемых гидроксид-ионом реакций замещения в комплексах меди(П) с трипептидами.

3. Результаты исследования термодинамики комплексообразования в системе медь(П) - глутатион (окисленный) в широком диапазоне рН, концентраций металла и лиганда методами СФ-метрии и ЯМ релаксации. Сведения о строении и динамике вращения обнаруженных комплексных форм на основе анализа спектральных данных.

4. Значения констант скорости реакций обмена глутатионат-анионов из координационной сферы Cu(LH)2⁴" с участием форм LH³" и L⁴', а также скорости реакций образования и диссоциации комплекса состава CuLi~. Интерпретация полученных данных с точки зрения механизма реакций замещения в соединениях меци(П).

5. Результаты исследования термодинамики комплексообразования и кинетики протонного обмена в системе медь(И) - L-гистидилглицилглицин методами СФ-метрии и ЯМ релаксации. Информация о строении зафиксированных частиц из анализа констант их устойчивости и параметров спектров ЭПР. Заключение об ассоциативном механизме реакции протонного обмена с участием ОН'-иона и комплекса CuLH^³".

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждены на XIX Всероссийском Чугаевском совещании по химии комплексных соединений (Иваново, 1999), Международном коллоквиуме AMPERE "Molecular Dynamics and Phase Transitions" (Вильнюс, 1999), итоговой научной конференции Казанского государственного университета (2000), а также на III Всероссийской конференции "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях" (Казань, 2000).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы статья в сборнике и тезисы 3 докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (1 глава), трех глав экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 111 страницах, содержит 7 таблиц и 28 рисунков. Список литературы насчитывает 142 ссылки. На 93 страницах приложения к работе помещена 31 таб лица. Общий объем диссертации 205 страниц.