Введение к работе
Актуальность. Cелективное окисление тиолатных групп (-SH) аминокислот, входящих в состав белков, под действием эндогенных окислителей (H2O2, NO и др.) с образованием только дисульфидных связей (-S-S-) в настоящее время может быть отнесено к ключевым аспектам редокс-регуляции клеточных функций, т.к. такое окисление связывается с сигнальными процессами, протекающими в организме (Быстрова М.Ф., Буданова Е.Н. // Биол.мембраны. 2007. Т. 24. № 2. С. 115). Известно, что и в обычных условиях тиолатные группы тиоаминокислот окисляются с формированием -S-S- связей достаточно легко, однако такой процесс протекает крайне медленно для того, что бы быть сигнальным (Октябрьский О.Н., Смирнова Г.В. // Биохимия. 2007. Т. 72. №2. С. 158), поэтому в организме эти процессы катализируются металлсодержащими ферментами. Координационные соединения d-элементов способны ускорять процессы окисления и в совокупности с биологически активными молекулами могут выступать в качестве моделей активных центров ферментов. В качестве таких соединений можно использовать би- и олигоядерные комплексы d-элементов с молекулами, среди которых следует выделить биологически важные тиолы и тиоаминокислоты, такие как цистеин, 2-аминоэтантиол, цистеинсодержащий трипептид – глутатион и их дисульфидные формы, а также метионин, в сумме составляющие 90% пула серы в организме. Т.о. процесс создания каталитических систем на основе комплексных соединений d-элементов можно отнести к актуальным задачам не только теоретической, но и прикладной координационной химии, поскольку он тесно связан с синтезом, установлением строения и роли координационных соединений в катализе.
Цель работы заключалась в исследовании реакций каталитического окисления тиолов пероксидом водорода, в присутствии координационных соединений палладия и совместно меди и палладия, а также в установлении роли строения координационных соединений Pd и Cu в формировании каталитических систем, способных к селективному окислению тиолатных групп тиоаминокислот только до их дисульфидных форм.
Конкретные задачи исследования включали:
- разработку методик синтеза тиолатмостиковых комплексов палладия с биологически активными тиолами и методик получения монокристаллов комплексов, пригодных для рентгеноструктурного анализа;
- исследование гомогенных каталитических процессов окисления тиолов пероксидом водорода в присутствии ультрамалых количеств координационных соединений меди(II), палладия(II) и совместно меди(II) и палладия(II) методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ); сопоставление их относительной каталитической эффективности;
- выявление влияния природы азотсодержащих лигандов исходных моноядерных комплексов палладия и рН среды на тип и ядерность соединений, образующихся при взаимодействии с тиолами.
Научная новизна. Выделены и методом рентгеноструктурного анализа охарактеризованы моно-, би- и олигоядерные комплексы палладия: [Pd(phen)(tu)2](NO3)2, [Pd2(-aet)2(phen)2](NO3)4H2O, [Pd2{Pd(-aet)2}4](NO3)4, [Pd6(-tga)2(-tgaH)10][Pd(phen)3]6H2O, {[Pd3{Pd(4-aet)2}](NO3)3}, [Pd18(3-S)2(-aet)15(SO2(CH2)2NH2)3](NO3)7(SO3)0.5H2O, где phen – 1,10-фенантро-лин, tu – тиомочевина, aet – 2-аминоэтантиол (цистеамин), tgaH – тиогликолевая кислота. Показано, что комплекс [Pd2(-aet)2(phen)2](NO3)4H2O обладает полиморфизмом.
Выявлено влияние pH среды на формирование комплексов в реакции взаимодействия [Pd(tmen)Cl2] (tmen – N,N,N’,N’-тетраметилэтилендиамин) с цистамином и цистеамином. Так, при pH 3 образуется шестиядерный комплекс типа «гребного колеса» («paddle wheel») – [Pd2{Pd(-aet)2}4](NO3)2, при pH 2 полиядерный комплекс – {[Pd3{Pd(4-aet)2}](NO3)3}, при pH 1-0 образуется нитрат исходного соединения - [Pd(tmen)(NO3)2] и сульфокислота цистеамина (таурин).
Методом ВЭЖХ проведена оценка относительной каталитической активности в модельных реакциях окисления глутатиона и ацетилцистеина пероксидом водорода ряда соединений палладия, меди и совместно палладия и меди: цис-[Pd(NH3)2Cl2], [Pd(dipy)Cl2], [Pd(phen)Cl2], [Pd(tmen)Cl2], [Pd(en)Cl2]; [Cu(dipy)Cl2], [Cu(dipy)2Cl]Cl5H2O, [Cu(dipy)3]Cl26H2O, CuCl22H2O, [Cu(phen)Cl2], [Cu(phen)2Cl]Cl5H2O, [Cu(phen)3]Cl27H2O; цис-[Pd(NH3)2Cl2] + CuCl22H2O, [Pd(dipy)Cl2] + [Cu(dipy)Cl2], [Pd(phen)Cl2] + [Cu(phen)Cl2], где dipy – 2,2'-дипиридил, en – этилендиамин.
Показано, что при больших концентрациях катализатора происходит переокисление тиолов до сульфенов (R-SOH), сульфинов (R-SO2H) и сульфонов (R-SO3H). Селективное окисление тиолатных групп (R-SH) только до их дисульфидных форм (R-S-S-R) достигается в присутствии ультрамалых количеств координационных соединений (10-7–10-9 моль/л, соотношение катализатор : тиол не превышающее 1 : 1000).
На основании квантовохимических расчетов и экспериментальных данных предложены вероятные каталитические циклы палладиевых и палладий-медных катализаторов.
Практическая значимость. В настоящее время использование ультрамалых количеств (10-7–10-9 моль/л) координационных соединений палладия и меди в качестве катализаторов селективного окисления тиолов и тиоаминокислот до их дисульфидных форм положено в основу разработки низкомолекулярных модуляторов фармакологической активности лекарственных средств.
Методы исследования и использованное оборудование. Анализ на содержание Cu и Pd в комплексах проводился гравиметрически. Гравиметрические формы – металлические медь и палладий получали прокаливанием образцов в токе водорода. Элементные анализы на содержание углерода, азота и серы проводили с помощью CHNS-анализатора LECO CHNS(O)-932. Анализ синтезированных комплексов на содержание хлора проводился методом потенциометрического титрования.
Электронные спектры поглощения (ЭСП) растворов комплексов записывали на спектрофотометре СФ-56 в интервале 2001100 нм в кварцевых кюветах с l = 1 см. ИК спектры образцов, таблетированных с KBr, регистрировали в области 5000400 см-1 на ИК-Фурье-спектрометре Инфраспек ФСМ-1202. Рентгеноструктурные исследования (РСА) проводили на автоматическом дифрактометре Bruker Smart APEX II CCD.
Масс-спектрометрические исследования проводились на масс-спектрометре высокого разрешения LTQ Orbitrap (Thermo, США). Ионизация образцов проводилась методом распыления в электрическом поле (электроспрей, ESI-MS).
За протеканием реакции окисления тиолов следили методом ВЭЖХ с помощью хроматографа Shimadzu LC-10AS.
Конечную концентрацию катализатора в исследуемых системах проверяли с помощью зеемановского атомно-абсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией МГА-915 с графитовой кюветой Массмана с пирографитовым покрытием.
Расчеты электронной и геометрической структуры соединений каталитических циклов были выполнены с использованием програмного комплекса Jaguar 7.6 методом DFT B3LYP в 6-31G** базисе для атомов непереходных элементов. Для атома палладия использовали эффективный псевдопотенциал остова HW с соответствующим валентным базисом.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методики синтеза биядерных тиолатмостиковых комплексов палладия, содержащих биологически активные тиолы.
2. Результаты РСА тиолатмостиковых комплексов палладия: [Pd6(-tga)2(-tgaH)10][Pd(phen)3]6H2O, [Pd18(3-S)2(-SCH2CH2NH2)15(SO2CH2CH2NH2)3](NO3)7(SO3)0.5H2O, [Pd2{Pd(-aet)2}4](NO3)4, {[Pd3{Pd(4-aet)2}](NO3)3} и биядерных полиморфных комплексов палладия состава: [Pd2(-aet)2(phen)2](NO3)4H2O.
3. Результаты исследования влияния природы азотсодержащих лигандов исходных моноядерных комплексов палладия и рН среды в реакциях с тиолами на тип и ядерность образующихся соединений.
4. Результаты исследования гомогенного каталитического окисления глутатиона и ацетилцистеина пероксидом водорода в присутствии ультрамалых количеств соединений палладия и совместно палладия и меди.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на: XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011); V Всероссийской конференции студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2011); XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011); XIV конкурсе бизнес-идей, научно-технических разработок и научно-исследовательских проектов «Молодые, дерзкие, перспективные» (Санкт-Петербург, 2011); 5-ом юбилейном конкурсе молодых ученых, посвященном Международному году химии, в рамках Международной выставки «Химия-2011» (Москва, 2011); научно-практической конференции, посвященной 183-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) (Санкт-Петербург, 2011); межвузовской научной конференции, посвященной 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова и 150-летию создания А.М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях и тезисах 8 докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Личный вклад автора. Автором выполнен весь объем экспериментальных исследований, связанных с синтезом новых соединений, получением монокристаллов для РСА, получены данные о влиянии условий проведения реакции окисления тиолов, обработаны, проанализированы и интерпретированы собранные материалы, сформулированы основные выводы по работе.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста и содержит 34 рисунка и 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 145 наименований.
