Исследование реакций комплексообразования и химического обмена в растворах координационных соединений
	Уникальной особенностью радиоспектроскопических методов (ЯМР, ЭПР) является возможность получения количественной информации не только о термодинамике равновесий, но и о динамическом поведении частиц в любом фазовом состоянии. Сотрудниками НИЛ КС изучены закономерности реакций сольватного, лигандного, протонного и электронного обмена в растворах комплексов переходных металлов, выявлены факторы, контролирующие их скорости, предложены новые механизмы процессов обмена или замещения лигандов. Один из оригинальных методических приемов, положенный в основу этих исследований, состоит в том, что расчетам кинетических параметров реакций протонного и лигандного обмена всегда предшествует изучение составов и определение степеней накопления всех образующихся комплексных форм. Для этого применяется как программа CPESSP Ю.И.Сальникова, так и созданная в лаборатории н.с. В.В.Ушановым программа STABLAB для совместного расчета термодинамических и кинетических параметров по результатам параллельных измерений времен ядерной спин-решеточной и спин-спиновой релаксации (T1 и T2).
В диссертационной работе В.Г.Штырлина "Кинетика реакций химического обмена азот-, фтор-, фосфорсодержащих лигандов в растворах координационных соединений меди(II)" (1983) разработан ряд новых подходов к исследованию указанных реакций. Многие идеи, заложенные в работе, были затем развиты в других диссертациях. В частности, предложено уравнение для корректного расчета констант скоростей реакций обмена координированных азотсодержащих лигандов в растворах меди(II), а также обмена протонов между лигандом и растворителем в массе раствора, установлены границы его применимости. Совместным использованием методов ЯМР и спектрофотометрии доказано образование интермедиатов (трис-комплексов) реакции обмена анионов аминокислот с аксиальной координацией аминогруппы атакующего лиганда, определены константы их устойчивости и скорости диссоциации. Обсужден новый механизм замещения лигандов в соединениях меди(II) с активацией за счет псевдо-эффекта Яна-Теллера. В рамках донорно-акцепторной модели комплексообразования предложен полуэмпирический подход для количественной оценки важнейшей характеристики реакций замещения (обмена) лигандов - степени разрыва связи металл-лиганд (растворитель) в переходном состоянии - и диагностирования характера активации этих реакций. Сделан принципиально новый вывод о том, что характер активации реакций замещения в соединениях меди(II) может изменяться в широких пределах от диссоциативного до ассоциативного при вариациях состава координационной сферы меди(II) и свойств лигандов (ранее считалось, что каждому иону металла присущ только один механизм замещения лигандов: для октаэдрических комплексов - диссоциативный взаимообменный механизм). В.Г.Штырлин совмещает работу с.н.с. НИЛ КС с преподавательской деятельностью (доцент кафедры), подготовил к защите докторскую диссертацию, руководил диссертационной работой И.А.Веселова, соруководил - Н.Н.Киреевой, Я.Е.Зильбермана, Г.А.Назмутдиновой, О.В.Кукушкиной, Е.Р.Садыковой, В.С.Илакина.
Ассистент кафедры Э.Л.Гоголашвили в работе "Реакции обмена анионов аминокислот, дипептидов и фосфоновых кислот в растворах комплексов меди(II)" (1984) продолжил рассмотрение влияния заряда, природы координированных частиц и стерических свойств обменивающихся и необменивающихся лигандов на кинетику их замещения на примере полидентатных лигандов. Он доказал тридентатное связывание депротонированного по пептидному атому азота иона глицилглицина в бис-глицилглицинате меди(II) и бидентатное – в смешанном аминокислотном комплексе. Конечный вывод диссертации - для полидентатных лигандов характерен ассоциативный механизм замещения. В настоящее время Э.Л.Гоголашвили - начальник сектора научно-исследовательских разработок химслужбы ПЭО "Татэнерго".
Попытка систематизировать собственные результаты и литературные данные предпринята в монографии сотрудников НИЛ КС А.В.Захарова и В.Г.Штырлина "Быстрые реакции обмена лигандов. Исследование лабильных комплексов переходных металлов" (Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 1985. – 128 с.). В ней рассмотрены механизмы реакций замещения лигандов и их экспериментальные критерии. Выявлены основные факторы, определяющие механизмы лигандного обмена и реакционной способности лабильных комплексов переходных металлов. Обсуждены корреляционные соотношения в кинетике обмена лигандов. Академик В.И.Минкин написал авторам: "…Ввиду крайне ограниченного тиража книга быстро стала раритетом и получить ее обычным путем просто невозможно. Об этом можно только сожалеть, так как книга содержит прекрасно подобранный и систематизированный материал. Поздравляю Вас с хорошей и полезной работой".
Выпускник физфака, а затем аспирант кафедры И.А.Веселов предложил и экспериментально обосновал новый подход к анализу температурных зависимостей времени электронной спиновой релаксации ионов в S-состоянии, существенно расширяющий возможности исследования быстрых реакций сольватного обмена (диссертация называется "Реакции сольватного обмена в растворах комплексов марганца(II), гадолиния(III) и оксованадия(IV)", 1989). Он установил линейные корреляции логарифма константы скорости сольватного обмена с донорными числами 14 органических растворителей, выявил лабилизующее влияние координированных заряженных лигандов, определил и интерпретировал изменения термодинамических и кинетических параметров образования и диссоциации аддуктов бис(ацетилацетонатов)оксованадия(IV) с донорными растворителями. В дальнейшем предложенный подход успешно зарекомендовал себя при описании аддуктообразования бис-комплексов оксованадия(IV) и меди(II). В настоящее время И.А.Веселов - управляющий одного из крупных региональных банков России.
Некоторые фундаментальные результаты "кинетических" исследований обобщены в докторской диссертации А.В.Захарова "Кинетика и механизмы реакций обмена лигандов в растворах координационных соединений меди(II)", защищенной в 1990 г. в Ростовском университете в диссертационном совете, руководимом В.И.Минкиным (официальные оппоненты: профессора Б.Д.Березин, В.В.Зеленцов, С.Б.Булгаревич, ведущая организация – Казанский технологический университет). Представление работы было важно для лаборатории не столько в научном плане (к тому времени были защищены диссертации И.И.Евгеньевой, В.Г.Штырлина, Э.Л.Гоголашвили на эту тему, опубликованы десятки статей в центральной печати, вышла указанная выше монография), сколько для сохранения ее перспективного научного направления. Не вдаваясь в детали, процитируем из автореферата "факторы, контролирующие реакционную способность соединений меди(II) в растворе:
1. Сольватируемость лиганда: хорошая сольватируемость монодентатного лиганда способствует его обмену; ухудшение условий сольватации азотсодержащих лигандов с заместителями в боковой цепи замедляет обмен.
2. Стерический и электростатический эффекты: увеличение размеров монодентатных лигандов благоприятствует диссоциативному характеру активации; рост стерических препятствий и высокие одноименные заряды комплекса и атакующей частицы замедляют скорости процессов.
3. Аксиальное блокирование существенно снижает лабильность комплексов, что явилось убедительным экспериментальным доказательством (наряду с фиксацией пентакоординационных интермедиатов) ассоциативной активации обмена.
4. Дентатность: с повышением дентатности обменивающегося лиганда лабильность комплекса падает.
5. Эффект протонирования: протонирование нуклеофильных групп уходящего лиганда ускоряет, а входящего – резко замедляет замещение.
6. Транс-влияние: лиганды, расположенные в транс-положении к депротонированному пептидному атому азота, имеют более высокую подвижность.
7. Симметрия ближайшего окружения центрального иона и прочность связей металл-необменивающийся лиганд: понижение симметрии комплексной частицы обычно уменьшает ее лабильность, однако этот эффект можно нивелировать ослаблением прочности соседних экваториальных связей меди(II)."
Сформулированные правила позволили А.В.Захарову решить и обратную задачу: диагностировать строение соединений меди(II) с полидентатными лигандами в растворах по результатам кинетических измерений. Отметим также некоторые биохимические аспекты работы: "обнаруженные различия в ЯМ релаксационных характеристиках ядер 19F позволяют получить более достоверную информацию о строении активных центров медьсодержащих ферментов, зондированных методом ЯМР 19F. Заключение о двух способах координации дипептидов в комплексах меди(II) предполагает возможность деструктурирования медьсодержащих белков в присутствии большого количества аминокислот. На основе изученных равновесий синтезирован ряд гетеролигандных соединений, обнаруживших высокую противоопухолевую активность".
Особое внимание к исследованиям реакционной способности комплексов меди(II) с биолигандами вызвано двумя обстоятельствами. Во-первых, изучение ярко выраженных динамических проявлений эффекта или псевдо-эффекта Яна-Теллера обещает глубокое понимание их роли в протекании любых химических реакций. Во-вторых, указанные комплексы являются моделями важнейших медьсодержащих ферментов, в функционировании которых стадии присоединения и диссоциации субстратов и продуктов имеют ключевое значение, и факторы, контролирующие их скорости, можно оценить путем варьирования природы лигандов и растворителей. Подробно влияние природы металла (Cu2+, Ni2+, Co2+, Mn2+, VO2+), лиганда и водно-органического растворителя на кинетику и механизм реакций обмена рассмотрено в работах Н.Н.Киреевой, Я.Е.Зильбермана, Г.А.Назмутдиновой.
В диссертации Н.Н.Киреевой "Влияние растворителя на лабильность гомо- и гетеролигандных комплексов меди(II)" (1990) на примере соединений с аминокислотами и различными фосфатами выявлена специфичность воздействия состава смешанных растворителей на константы скорости обмена, константы устойчивости интермедиатов и скорости их диссоциации, передаваемая эффектами разбавления, гидрофобного и стэкинг-взаимодействия заместителей в интермедиатах и изомеризации комплексов с амбидентными лигандами. Впервые обнаружен маршрут реакции лигандного обмена с участием протонированной формы гистидина, установлено катализирующее влияние на него экваториально связанных фосфатных групп второго лиганда. Сделано заключение, что скорости реакций замещения хелатных лигандов в комплексах меди(II) существенно зависят от электростатических препятствий, гидрофобности заместителей и прочности наиболее слабых экваториальных связей центрального иона с донорными группами уходящего или соседнего координированного лиганда. В настоящее время Н.Н.Киреева работает преподавателем на кафедре химии в Казанской архитектурно-строительной академии (бывшее КИСИ).
Цель работы Я.Е.Зильбермана "Комплексообразование и лигандный обмен в растворах кобальта(II) и никеля(II) с аминокислотами и аденозин-5'-трифосфатом" (1993) - выяснение влияния природы металлов и лигандов на термодинамику комплексообразования, кинетику и механизмы реакций химического обмена в гомо- и гетеролигандных комплексах указанных металлов. В результате исследования экспериментально обоснован механизм обмена анионов аминокислот по кинетическим путям первого и второго порядков, предложен новый метод расчета констант скорости обмена протонов и молекул воды в растворах Ni(II). Сделано заключение, что в реакциях замещения с участием анионов аминокислот частично меняется характер образования первой связи от M-N к M-O при переходе от Ni(II) к Co(II). Я.Е.Зильберману впервые удалось охарактеризовать гомолигандные комплексы с формой АТФ, координированной депротонированными спиртовыми группами рибозного остатка – октаэдрические для никеля(II) и тетраэдрические для кобальта(II). Я.Е.Зильберман руководит одной из фармацевтических фирм в г. Москве.
В 1995 г. Г.А.Назмутдинова в работе "Кинетика и механизмы реакций ассоциации, лигандного и протонного обмена в растворах комплексов оксованадия(IV)" провела сопоставление динамического поведения оксованадия(IV) с соединениями других переходных металлов. Она доказала протекание реакций лигандного обмена в растворах оксованадия(IV) с аминокислотами по ассоциативному механизму подобно комплексам меди(II), но со спецификой, обусловленной быстрой миграцией карбоксигруппы координированного лиганда между аксиальным и экваториальным положениями (это устранило существующее заблуждение о диссоциативной активации указанных процессов). Предложены общие и специфические для аминокислот механизмы катализа протонного обмена. Выявлена роль в протонном обмене внутри- и межмолекулярных водородных связей между карбоксильными группами, а также между аммонийной группой аминокислоты и атомом кислорода фрагмента V=O. Г.А.Назмутдинова – научный сотрудник НИЛ КС
В последние годы в лаборатории развивается новый подход к совместному исследованию термодинамики и кинетики окислительно-восстановительных реакций, позволяющий определить исключительно высокие константы скорости реакций электронного самообмена (до 109 моль‑1лс-1). О.В.Кукушкина в работе "Термодинамика процессов окисления-восстановления и кинетика электронного самообмена в растворах дитиокарбаматных комплексов меди(II,III) и железа(III,IV)" (1997) использовала в качестве "мягкого" окислителя молекулярный иод и выявила важную роль противоиона в этих процессах. В частности, предложен новый механизм электронного самообмена между CuIIL2 и [CuIIIL2]In (n = 3,5), предусматривающий предварительное образование интермедиата CuIIL2InCuIIIL2 с последующим эффективным переносом электрона. Найдено, что миграция противоиона лимитирует электронный обмен с участием некоторых форм [FeIVL3]In. Кинетические параметры реакций электронного самообмена медь(II)/медь(III) и железо(III)/железо(IV) контролируются диэлектрическими и динамическими свойствами растворителей. О.В.Кукушкина совмещает работу на кафедре с преподаванием химии в лицеях и школах г. Казани.
Рассмотрению сложных взаимосвязей процессов сольватации и комплексообразования в неводных растворах посвящена диссертация Е.Р.Садыковой "Комплексообразование никеля(II) с гидразидами ряда ароматических кислот в водно-органических средах" (1998, соруководитель Т.И.Бычкова). Цель исследования - выяснить влияние природы лигандов и растворителей на процессы сольватации, состав и устойчивость комплексов. Предложен новый метод определения средних координационных чисел растворителей в гетеросольватах Ni(II). Изменения констант устойчивости комплексов с увеличением содержания органического компонента определяются противоборством двух тенденций: повышением констант за счет "фактора разбавления" и понижением их в результате уменьшения свободных энергий переноса лиганда из воды в бинарные растворители. Устойчивость соединений Ni(II) с гидразидом изоникотиновой кислоты объяснена эффектами дегидратации металла и стерического отталкивания лигандов, снижением донорности координирующегося гидразидного фрагмента при протонировании пиридинового заместителя, образованием внутрикомплексной водородной связи между протонированным и депротонированным пиридиновыми атомами азота в NiL(HL)3+, а также стэкинг-взаимодействием между гетероциклами в NiL22+.
	Значительный интерес для решения проблемы взаимосвязи между строением, устойчивостью и реакционной способностью комплексных соединений с биолигандами представляют комплексы металлов с трипептидами, в которых реализуется уникальная координация атомов азота депротонированных пептидных связей. В работе выпускника Чувашского университета, затем аспиранта кафедры В.С.Илакина "Комплексообразование и химический обмен в растворах меди(II) с некоторыми трипептидами" (2000) в качестве трипептидов выбраны триглицин, глутатион (окисленный) и L-гистидилглицилглицин. Предложены механизмы реакций обмена трипептидов, а также новый механизм катализируемых гидроксид-ионом замещения в комплексах меди(II) с трипептидами. После защиты диссертации В.С. Илакин вернулся в Чувашский государственный университет и преподает химию на кафедре экологии и охраны природы.