Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 7
1.1. Влияние строения ос-аминокислот на их взаимодействие с ионами металлов 7
1.2. Использование данных спектров ЭПР для определения структуры координационных соединений меди(П) 12
1.3. Изучение строения комплексов меди (II) с аминокислотами и олигопептидами методом ЭПР 16
1.3.1. Исследование влияния рН на комплексообразование аминокислот и их производных методом ЭПР спектроскопии 22
1.3.2. Участие оксиаминокислот в реакциях комплексообразования 26
1.4. Различия в комплексообразовании оптичесих изомеров а-аминокислот 32
1.5. Методы численной обработки спектров ЭПР равновесных систем 38
1.5.1.Классическое описание формы линии спектра 39
1.5.2. Построение спектров с использованием метода спиновой матрицы плотности 44
1.5.3.Совместное применение уравнений Лоренца и метода спиновой матрицы плотности при описании формы линии ЭПР 49
Глава 2. Моделирование равновесий в системе ион меди(Н) —оксиаминокислота 50
2.1. Матричный формализм 50
2.2. Определение состава равновесной ситемы 56
2.3. Примеры моделирования спектров 63
2.4. Проблемы оптимизации параметров 67
2.5. Описание компьютерной программы 70
Глава 3. Исследование комплексообразования меди(Н) с DL- серином и L(DL)-mpeoHUHOM 72
3.1. Использованные реактивы, материалы и оборудование.. 72
3.2. Обработка спектров 73
3.3. Обсуждение результатов 82
3.3.1. Система медь(П) - DL-серин 82
3.3.1. Системы медь(П) - DL-треонин и медь(П) - L-треонин.. 87
Выводы 94
Литература
- Использование данных спектров ЭПР для определения структуры координационных соединений меди(П)
- Различия в комплексообразовании оптичесих изомеров а-аминокислот
- Примеры моделирования спектров
- Обсуждение результатов
Введение к работе
Актуальность работы. Изучение взаимодействия ионов металла с природными аминокислотами представляет большой интерес, поскольку последние представляют со'бой модели белков и изучение их реакций с ионами биометаллов (в том числе ионом меди(П)) дает возможность объяснить процессы, протекающие в живой природе.
Хотя комплексные соединения аминокислот долгое время активно изучались различными методами, ряд вопросов, относящихся к их строению и свойствам, остается открытым: например, влияние участия дополнительных донорных групп на строение и устойчивость комплексного соединения, различия в свойствах комплексов, образованных с участием различных оптических изомеров аминокислоты. Применение метода ЭПР обусловлено тем что, наряду с возможностью определения термодинамических параметров (константы равновесия), этот метод позволяет определять структурные характеристики частиц.
Спектры ЭПР комплексных соединений, образующихся в водных растворах и содержащих парамагнитные ионы и различные биолиганды обычно сильно перекрываются друг с другом, так как параметры спектров (ширина и положение сигналов) не сильно чувствительны к изменению координационного окружения. Но, несмотря на то, что эти спектры менее разрешены, чем спектры замороженных растворов (более легко поддающиеся компьютерному анализу), число оптимизируемых параметров меньше за счет изотропии g-фактора и констант сверхтонкого и дополнительного сверхтонкого взаимодействий, что облегчает их обработку. Кроме того, анализ спектров жидкофазных растворов позволяет дополнительно определять кинетические характеристики процесса комплексообразова-ния в случае быстрого и промежуточного (в шкале времени ЭПР) обмена.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой научно-исследовательской работы кафедры общей и неорганической химии Кубанского государственного университета (№ государственной регистрации 01178695675) в соответствии с координационным планом РАН по направлению 2.17. по теме "Координационные соединения и материалы на их основе".
Цель работы.
Разработка алгоритма для обработки спектров ЭПР равновесных систем, одновременно содержащих комплексные соединения d-элементов с различными формами лигандов и учитывающего возможность образования их геометрических и структурных изомеров.
Определение строения и свойств комплексных соединений, содержащих ион меди(И) и оксиаминокислоту (серии, треонин) в водном растворе при различных рН
Определение различий в комплексообразовании различных оптических форм треонина по данным спектров ЭПР.
Научная новизна работы. Впервые предложена методика обработки спектров ЭПР сложной равновесной системы, одновременно содержащей комплексные соединения, образованные различными формами лиган-да, и позволяющая определять структурные, термодинамические и кинетические характеристики комплексных соединений в растворе. Установлены различия в строении и устойчивости комплексов, образованных различными оптическими формами треонина.
Практическая значимость работы: Предложенная в работе методика изучения равновесных систем применяется на кафедре общей и неорганической химии КубГУ в научных исследованиях для установления структурных, кинетических и термодинамических параметров комплексных соединений бинарных систем с обменом, содержащих парамагнитный ион металла-комплексообразователя.
Апробация работы: Результаты работы представлены в материалах XI Международной конференции «Magnetic Resonance in Chemistry and Biology» (Звенигород, 2001), XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии. (Ростов на Дону, 2001), VIII Международной конференции «The Problems of Solvation and Complex Formation in Solutions» (Иваново, 2001), Всероссийского симпозиума «ХИФПИ-02. Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Хабаровск, 2002), VI Международного семинара по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология) (Ростов-на-Дону, 2002), Первой Национальной Конференции "Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины" (ИВТН-2002).
Использование данных спектров ЭПР для определения структуры координационных соединений меди(П)
Развитие и применение метода ЭПР спектроскопии, открытого в 1944 году Е.К. Завойским, для изучения координационных соединений во многом сформировалось на примере соединений меди(И).
В настоящее время метод электронного парамагнитного резонанса является одним из ведущих методов исследования в химии координационных соединений, содержащих парамагнитные ионы переходных металлов. Теория спектроскопии ЭПР подробно изложена в ряде монографий [31-48], в которых освещены теоретические основы метода [31-35, 42, 45-47], его практическая реализация [34, 37] и применение в различных областях науки и техники [38-48]. В работах [35, 38, 45-49] рассматривается применение ЭПР к изучению соединений переходных элементов.
Большинство работ, посвященных изучению строения комплексов меди(П) с аминокислотами и их производными методом ЭПР проводилось путем изучения характеристик твердых веществ или замороженных растворов. В ряде случаев эти данные сопоставляются с параметрами комплексов в растворе.
Информация, получаемая из спектра ЭПР комплексного соединения, позволяет по числу линий сверхтонкой и дополнительной сверхтонкой структур, их относительным интенсивностям, положениям и ширине сделать выводы о составе координационной сферы иона металла, о природе связи металл-лиганд и о геометрии комплексной частицы. Подробное изложение связи параметров спектра ЭПР и структуры координационных соединений изложено в монографиях [45-49], в данном разделе приводятся закономерности, относящиеся к комплексным соединениям меди(П).
Медь в степени окисления +2 имеет электронную конфигурацию [Ar]d9 и при октаэдрической симметрии (Оь) более высокие по энергии ор-битали d 2 и d 2_ г должны быть двукратно вырождены, поэтому в коор z х у динационных соединениях с такой симметрией спектры ЭПР от меди(И) дожны наблюдаться лишь при очень низких температурах из-за короткого времени спин-решеточной релаксации. Однако спектры ЭПР шестикоор-динационных соединений меди(П) наблюдаются при обычных температурах, что объясняется снятием вырождения упомянутых орбиталей за счет эффекта Яна-Теллера и соответственно понижением симметрии комплекса [45].
ЭПР спектр водных растворов солей меди представляет собой обычно синглетную линию (рис. 5). Сверхтонкая структура, обязанная наличи-ем изотопов Си и Си с 1=3/2 в спектре гидратированного иона меди не проявляется. Это можно объяснить как наличием сильных обменных взаимодействий между гидратированными ионами меди так и проявлением динамического характера эффекта Яна-Теллера [45]. Одна из осей октаэдра молекул воды сильно вытянута благодаря эффекту Яна-Теллера и между тремя возможными деформациями могут происходить переходы.
Наличие же гораздо легче разрешаемой СТС в растворах комплексов меди может быть объяснено тем, что вследствие большой массы лигандов и более прочной связи их с ионом меди эффект Яна-Теллера теряет свой динамический характер, в соответствии с чем константы СТС, обязанные спинам ядер Си и Си, возрастают.
В работах [49-59] исследовано строение ряда координационных соединений меди(П) с производными гидразина, а также рассмотрено влияние геометрии координационного узла иона металла и структурных особенностей лиганда на характеристики спектра ЭПР. В работе [59] для выяснения влияния удаленных заместителей Ri и R2 в структуре бисхелатных комплексов вида по данным их спектров ЭПР были вычислены коэффициенты аир, определяющие характер а- и л-плоскостных орбиталей симметрии Big и B2g соответственно: (здесь а , Р - коэффициенты при орбиталях лигандов а- и л-симметрии соответственно). Значения а и Р всех изученных комплексов находятся в интервале 0,7-0,77; что указывает на в значительной степени ковалентный характер связи (значение 1 соответствует чисто ионной связи, 0,5 - чисто ковалентной). Все комплексы имеют форму удлиненной квадратной бипи-рамиды (симметрия D4h), неспаренный электрон находится на d 2_ г орбитали.
Различия в комплексообразовании оптичесих изомеров а-аминокислот
При образовании а-аминокислотами, содержащими дополнительные донорные группы, хелатных бис-комплексов возникают различия строении и устойчивости комплексов, образованных различными оптическими изомерами лиганда. Это обуславливает использование ионов металлов для выделения определенной оптической формы из рацемической смеси [83].
Большая часть работ, посвященных исследованию взаимодействия а-аминокислот с ионами металлов посвящена изучению L-форм аминокислот, поскольку в живых организмах а-аминокислоты присутствуют именно в такой форме. Тем не менее в последнее время установлено, что значительные количества D-cc-аминокислот присутствуют в живых организмах, как в свободном виде, так и входя в виде остатков в состав белков и пептидов [84, 85]. Согласно этим данным L-аминокислотные остатки могут преобразовываться в D-формы в процессе переработки пищи, при этом рацемизация может протекать на 25 %. Кроме того D-аминокислоты могут синтезироваться in vivo посредством трансформации L-форм. Катализаторами этой реакции являются ферменты оксидаза, трансаминаза и эпимера-за [86].
Петтитом и сотр. было проведено исследование стереоселективности реакций комплексообразования с участием аминокислот методом потен-циометрического титрования [87, 88].
В работе [89] изучены комплексообразование меди(П) с L- и DL-треонином. Показано, что при образовании формы [Cu(Lhr)2] преоб 33 ладает цис-изомер, Причиной этого, по мнению авторов, является возможность дополнительного связывания обеих протонированных спиртовых групп в аксиальном положении, тогда как в случае с цис(Ь-треонинатоХБ-треонинато) медным (II) комплексом обе ОН-группы находятся с одной стороны от экваториальной плоскости и только одна из них может связываться с ионом металла.
В работе [90] исследовано комплексообразование в системах, содер-жащих двухзарядные ионы (Со , Ni , Си , Zn , Pb и [VO] ) и L-(D-) или DL- гистидин. В ходе обработки данных потенциометрического титрования установлено стереоселективность для комплексов Со2+, Ni2+, Zn2+, Pb и [VO] . Для меди(П) различия между константами устойчивости комплексов M(L-HisH_i)(D-HisH.i) и M(L-HisH.i)2 или M(D-HisH_i)2 незначительно отличаются от статичстических (Alog Р = 0,30), тем не менее при образовании комплексов состава Cu(HisH_i)I lis отмечены различия при участии в реакции комплексообразования энантиомеров.
Данные по различиям в комплексообразовании L-гистидина и его рацемата с кобальтом(Н) и никелем(П) с в водных растворах также представлены в работе [91]. Изучение различий между устойчивостью M(DL-His) и M(L-His)2 комплексами показало преимущество для формы M(DL-His). Избыток энергии Гиббса ,/2(M(D-His)2+M(L-His)2) относительно M(DL-His) составляет 1,30 кДж/моль для комплексов Со (II) и 2,05 кДж/моль для комплексов Ni (II).
В работе [92] методами потенциометрии и электронной спектроскопии рассмотрены различия в устойчивости смешаннолигандных комплексов, содержащих ион меди(И), (З)-триптофангидроксамовую кислоту (НА) и L- и D- аминокислоты (HL) - пролин, фенилаланин, триптофан. Термодинамическая стереоселективность в образовании комплексов количест 34 венно выражена через Algp = IgpsR - IgPss (табл. 2), где Igpss и IgPsR полные константы устойчивости смешаннолигандных комплексов меди(П) с участием (8)-триптофангидроксамовой кислоты и L- и D-форм аминокислот.
Таблица 2 Значения Algp комплексов, содержащих (S) триптофангидроксамовую кислоту и L-, D-формы аминокислот
Данные, представленные в таблице 2, показывают заметную стерео-селективность для пролина в обоих случаях и для фенилаланина при образовании комплекса CuLH_iA . Авторы объясняют стереоселективность различием в устойчивости геометрических изомеров рассмотренных путем построения молекулярных моделей. Цис- и транс- изомеры (по отношению к расположению аминогрупп) комплексов CuProA представлены на рис. 4. Оказывается, что (811)-цис-изомер и (88)-транс-изомер имеют стерические затруднения, но в случае (88)-транс-изомера два объемных радикала более удалены друг от друга чем в (811)-цис-изомере и он является более устойчивым.
Примеры моделирования спектров
Для определения значений равновесных концентраций в общем случае требуется решить систему уравнений относительно равновесных концентраций основных (базисных) компонентов системы [148], то есть концентраций ионов водорода, ионов металла и лиганда. Поскольку значения рН растворов при проведении измерения спектров ЭПР являются известными, размерность системы уравнений понижается до двух и необходимо решать систему уравнений вида:
Существует несколько способов решения поставленной задачи [148-152]:
1) Можно выразить из первого уравнения системы (36) значение [М] и подставив во второе уравнение решать уравнение третьей степени относительно равновесной концентрации лиганда, для чего удобнее всего использовать один из стандартных методов [135, 140]: а) хорд, б) деления отрезка пополам (дихотомии), в) касательных (Ньютона-Рафсона). Причем последний, имея квадратичную сходимость, имеет преимущества в быстродействии.
2) Напрямую использовать метод Ньютона-Рафсона для систем уравнений. При этом необходимо использование ряда контролирующих инструкций, позволяющих избежать расходимости и получения не имеющих физического смысла отрицательных значений концентраций или значений равновесных концентраций, превышающих общую концентрацию базисного компонента.
3) Использование других итерационных формул для нахождения неизвестных в системе (36), например, метод, предложенный Сейсом [153]: На каждом шаге в ходе итерационного процесса равновесные концентрации иона металла и лиганда определяются по формулам: где [M]i, [L]j — равновесные концентрации иона металла и лиганда, вычисленные на і-ом шаге итераций, а С ЫЧ"-,С 14 .- общие концентрации компонентов вычисленные по формулам (36) на і-ом шаге итераций. Процесс продолжается до тех пор пока разница между вычисленными и исходными концентрациями не достигнет 0,001%. Хотя данный метод, в отличие от метода Ньютона-Рафсона, имеет линейную сходимость, он имеет очень высокую надежность.
Определив значения равновесных концентраций базисных компонентов, по уравнениям (25)-(30) можно найти равновесные концентрации парамагнитных частиц. В уравнение (14) необходимо подставлять результат деления последних на общую концентрацию иона металла, то есть мольную долю компонента:
Найденные значения равновесных концентраций используются также для определения значений средних времен жизни. Средние времена жизни ттк и Tkm для комплексных частиц, участвующих в равновесии (12) связаны между собой соотношением, получаемом из выражений для ско рости реакции в предположении, что все реакции, протекающие в условиях равновесия, являются реакциями псевдопервого порядка:
Здесь Bk и Bm - компоненты равновесия (12), участвующие во взаимном обмене. Поскольку среднее время жизни для реакций первого порядка является величиной обратной константе скорости реакции [154]: и из условия равенства скоростей Vmk = "Ukm при равновесии получим:
Таким образом, можно задавать в качестве независимых параметров только либо времена жизни комплексов до их распада, либо времена жизни комплексов до присоединения еще одного лиганда, а другие будут определяться выражением (41).
Обсуждение результатов
В таблице 7 представлены значения структурных и релаксационных параметров комплексных соединений меди(П) с DL-серином. Параметры комплекса [Cu(LH_i)] не определены, поскольку для соотношения CM:CL = 1:1 при рН 6 в растворе происходило образование осадка гидроксида ме-ди(П) и спектры не записывали, а при других соотношениях, как показывает расчет, в растворе преобладают бискомплексы.
Среднее время жизни комплекса Cu(HL) меньше времен жизни комплексов Cu(HL)22+ и Cu(HL)LH ", то есть комплекс Cu(HL)2+ более лабилен, что соответствует данным ЯМ релаксационных [14, 166, 167] и ЭПР исследований [131]. Это можно объяснить, предполагая, что реакция обмена лигандов протекает по ассоциативному механизму и наличие в экваториальной плоскости комплекса двух молекул аминокислоты затрудняет присоединение молекулы воды, предшествующее разрыву связи с одной из групп лиганда.
Значения параметров спин-гамильтониана для комплексов с одинаковыми формами лиганда соответствуют предложенному И.Н. Маровым [47] правилу аддитивности: увеличение числа лигандов в экваториальной плоскости комплекса приводит к уменьшению значения g-фактора и увеличению константы СТС, что соответствует увеличению ковалентного вклада в координационную связь при замене молекул воды на молекулы лиганда [61].
Учет различий параметров для цис- и транс-изомеров по отношению к расположению амино- и карбокси-групп в экваториальной плоскости комплекса в процессе итеративной подгонки приводит к лучшей сходимости спектров. Цис-формам в соответствии с [67] сопоставляли сигнал с меньшим значением константы СТС. Причиной этого является уменьшение контактного вклада в сверхтонкое взаимодействие — следствие ромбического искажения, проявляющегося в большей степени для цис-изомера, имеющего более низкую симметрию.
Комплексные соединения меди(П) с DL-серином являются более устойчивыми, чем аналогичные комплексы с аминокислотами, не содержащими в боковой цепи донорных групп (аланин, глицин, валин и др.) [172], что является косвенным доказательством участия спиртовых групп серина в координации.
Именно участие гидроксогрупп в связывании дает наибольший вклад в различие в устойчивости геометрических изомеров бискомплексов. Результаты расчета показывают, что большее содержание наблюдается для комплексов с транс-расположением ядра N2O2 в экваториальной плоскости комплексного соединения.
В растворах, содержащих ионы меди(ІІ) и DL-серин можно предполагать образование как бинарных комплексов (лиганд - D- или L-треонин), так и смешанных комплексов с участием обеих оптических форм лиганда. Исходя из статистического распределения лигандов [148] следовало ожидать одинаковое количество бинарных и смешанных комплексов. Результаты нашего расчета свидетельствуют о том, что преобладают трансизомеры. Это соответствует большему содержанию смешанных комплексов, так как при образовании бинарных бискомплексов в случае цис-расположения координационного ядра Ы2Ог спиртовые группы обоих лигандов могут принимать участие в дополнительном связывании, в то время как при транс-К202-расположении две дополнительные координационные связи возможны при образовании комплекса, включающего в состав ли-ганды, различающиеся оптическими свойствами:
В таблице 8 представлены характеристики комплексных частиц, определенные в ходе описанной выше процедуры обработки спектров ЭПР. При низких значениях рН спектры растворов, содержащих L- и DL-треонин, снятые в одинаковых условиях, не имеют различий, что указывает на отсутствие участия боковой цепи аминокислоты в координации с ионом меди(И) при ацетат-подобном типе связывания (структура X)
При рН 6 в спектрах растворов, отличающихся оптической формой лиганда проявляются различия (рис 11). Причиной этого является участие в реакции комплексообразования депротонированных форм лиганда. В зависимости от оптической формы лиганда растворы содержат цис- и транс-изомеры в различных соотношениях. При отнесении сигналов в спектре ЭПР, как и в случае с серином, в соответствии с выводами Гудмана и МакФайла [67] цис-формам сопоставляли сигналы с меньшим значением константы сверхтонкого взаимодействия.
При участии в реакции комплексообразования L-треонина преобладают цис-изомеры, что объясняется участием спиртовых групп обоих ли-гандов в координации, приводящей к увеличению как термодинамической, так и кинетической устойчивости комплекса. При транс-расположении амино- и карбоксильной групп обе спиртовые группы лиганда находятся с одной стороны от экваториальной плоскости и одна из них не участвует в координации. Для комплексов состава [CuL2], [CuL(LH_i)] и [Cu(LH_i)2] можно предположить следующие структуры:
