Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 2, стр. 182-187
Константы устойчивости глицилглицинатных комплексов меди(ii) в водно-диметилсульфоксидных растворителях
В. А. Исаева a, *, А. С. Молчанов b, К. А. Кипятков b, В. А. Шарнин a
a Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия
b Костромской государственный университет
Кострома, Россия
* E-mail: kvol1969@gmail.com
Поступила в редакцию 22.02.2019
После доработки 22.02.2019
Принята к публикации 09.04.2019
Аннотация
Методом потенциометрического титрования определены константы устойчивости нормальных и депротонированных моно- и бис-глицилглицинатных комплексов меди(II) в растворителе вода–диметилсульфоксид переменного состава при температуре 298 К и ионной силе растворов 0.1 (NaClO4). Рассчитаны константы диссоциации пептидной группы в глицилглицинате меди(II) в водно-диметилсульфоксидных смесях. Установлено, что устойчивость комплексов меди(II) с глицилглицинат-ионом при увеличении содержания диметилсульфоксида в растворе возрастает. Дана оценка вкладов пересольватации реагентов в водно-диметилсульфоксидном растворителе в изменение энергии Гиббса реакции образования глицилглицината меди(II).
Процесс образования глицилглицинатов меди(II) сопровождается диссоциацией пептидной группы лиганда, приводя к образованию не только нормальных, но и депротонированных глицилглицинатных комплексов Cu(II) [1, 2]. В водных растворах устойчивость глицилглицинатных комплексов меди(II) исследована многими авторами при различных условиях [3, 4]. В водно-органических растворах устойчивость комплексов изменяется, как свидетельствуют литературные данные по константам образования глицилглицинатов меди(II) в водно-диоксановом растворителе [5, 6]. Цель настоящей работы – изучение влияния растворителя вода–диметилсульфоксид переменного состава на смещение равновесий реакций образования комплексов меди(II) с глицилглицинат-ионом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Определение констант равновесия реакций образования глицилглицинатных комплексов меди(II) проводили методом потенциометрического титрования с использованием стеклянного и хлорсеребряного электродов. Внутренний раствор электрода сравнения готовили на основе водно-диметилсульфоксидного растворителя соответствующего состава. Измерения выполняли при температуре 298 К и ионной силе µ = 0.1 M (NaClO4), в диапазоне рН от 3.5 до 8.3.
В ячейку помещали водно-диметилсульфоксидный раствор, содержащий Cu(ClO4)2 (8 × × 10‒3 моль/л) и HClO4 (1 × 10–3 моль/л), титрант – раствор глицилглицината натрия (5 × 10–1 моль/л), который дозировали весовым способом с помощью микрошприца.
Перхлорат меди(II) получали из основного карбоната меди(II) “х.ч.” и хлорной кислоты “х.ч.” с последующей перекристаллизацией. Концентрацию раствора Cu(ClO4)2 определяли титрованием этилендиаминацетатом натрия (ЭДТА). Используемый в качестве фонового электролита перхлорат натрия марки “ч.” подвергали перекристаллизации из водного раствора с последующим высушиванием до постоянной массы. Раствор глицилглицината натрия готовили по точным навескам эквимолярных количеств глицилглицина (фирмы “Sigma” с содержанием основного вещества ≥ 99%) и бескарбонатного насыщенного раствора NaOH. Гидроксид натрия имел квалификацию “х.ч.”. Диметилсульфоксид (ДМСО) марки “ч.” очищали молекулярными ситами и перегонкой под вакуумом.
Расчет констант устойчивости комплексов по результатам потенциометрического титрования проводили по программе PHMETR [7]. Погрешность численных значений констант равновесий оценивали на основе статистической обработки результатов серии измерений.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Глицилглицинат-ион (GG–) проявляет комплексообразующие свойства с большинством d‑металлов за счет наличия трех потенциально возможных центров координации: азота концевой аминогруппы, кислорода карбоксилатной группы и атома кислорода или азота пептидной группы. Установлено, что с ионом двухвалентной меди анион глицилглицина образует комплексы посредством азота аминогруппы и кислорода пептидной группы [1, 2]. Координация по пептидному азоту в комплексах, образованных с недиссоциированным по пептидной группе глицилглицинат-ионом, не подтверждена [1, 2]. В образовании комплексов Cu(II) с депротонированным по пептидной группе глицилглицинат-ионом участвуют атомы азота амино- и пептидной групп лиганда [1, 2].
В растворе при взаимодействии иона меди(II) с анионом глицилглицина может образовываться около 16 комплексных частиц [3, 8]. Однако существование большинства из этих комплексов не подтверждается в виду того, что они не накапливаются в растворе в заметных количествах [4]. Наиболее вероятным считается образование моно- и бис-глицилглицинатов меди(II), как нормальных ([CuGG]+, [CuGG2]), так и содержащих депротонированную пептидную группу ([CuGG–H], [CuGG–HGG]–), термодинамические значения констант устойчивости которых для водного раствора приведены в работе [3]. При расчете равновесного состава смеси по программе RRSU [9] не исключали возможность образования глицилглицинового комплекса ([CuНGG]2+) и гидроксочастиц ([CuGG–HOH]–, [CuOH]+), константы устойчивости которых в водном растворе приведены в работах [10–12] соответственно. Учитывали также наряду с реакциями образования комплексных частиц протекание процессов кислотно-основного взаимодействия глицилглицина в водном растворе, константы которых взяты из [13] и автопротолиза воды [14]. Результаты расчета для водного раствора не подтвердили образования в системе глицилглицинового комплекса меди(II) и гидроксокомплексов. Таким образом, при расчете констант равновесий по данным потенциометрического титрования в водно-диметилсульфоксидном растворителе по программе PHMETR [7] учитывали протекание следующих реакций:
Константы протолитических равновесий глицилглицина в водно-диметилсульфоксидных растворах взяты из работы [13], константы автопротолиза водно-диметилсульфоксидного растворителя (lgКS) – из [14]. В ходе эксперимента значение рН раствора в ячейке к концу титрования не превышало 8.3, что не способствовало образованию гидроксочастиц. Проверочные расчеты для водно-диметилсульфоксидных смесей по программе PHMETR [7] с введением в расчетную модель равновесий процессов образования [CuНGG]2+, [CuGG–HOH]– либо [CuOH]+ не подтвердили появления этих частиц в равновесном составе смеси.
Определяемые на основе потенциометрического титрования константы равновесия процессов образования нормального и депротонированного моноглицилглицинатов меди(II) позволили рассчитать константу диссоциации пептидной группы глицилглицината в комплексной частице:
(1)
${\text{lg}}{{К}_{а}} = --{\text{р}}{{К}_{а}} = {\text{lg}}{{\beta }_{4}}--{\text{lg}}{{К}_{3}}.$Для водного раствора полученные значения констант устойчивости нормального и депротонированного моноглицилглицинатных комплексов меди(II), депротонированного бис-глицилглицината меди(II), константа диссоциации пептидной группы лиганда находятся в хорошем соответствии (табл. 1) с литературными данными для аналогичных условий (Т = 298 К, µ = 0.1 M). Константа образования в водном растворе нормального бис-глицилглицинатного комплекса меди(II) lgβ6 = 11.00, полученная нами при Т = = 298 К, µ = 0.1(NaClO4), сопоставима со значением lgβ6 = 11.14 (Т = 298 К, µ = 0.0) [3] и lgβ6 = = 10.68 (Т = 293 К, µ = 0.2(KCl)) [22] с учетом различий в условиях эксперимента.
Таблица 1.
lgК3 [CuGG]+ | lgβ4 [CuGG–H] | lgβ5 [CuGG–HGG]– | lgβ6 [CuGG2] | рКа | Фоновый электролит | Источник |
---|---|---|---|---|---|---|
5.56 | 1.46 | 4.64 | 11.00 | 4.10 | NaClO4 | наши данные |
5.68 | 1.47 | 4.31 | – | 4.21 | КNO3 | [10] |
5.56 | 1.50 | – | – | 4.06 | NaClO4 | [11] |
5.40 | 1.47 | 5.14 | – | 3.93 | КCl | [15] |
5.44 | 1.25 | – | – | 4.19 | КCl | [16] |
5.55 | 1.56 | – | – | 3.99 | NaClO4 | [17] |
5.71 | 1.56 | – | – | 4.15 | NaClO4 | [18] |
5.68 | 1.50 | – | – | 4.18 | КNO3 | [19] |
5.56 | 1.44 | 4.61 | – | 4.12 | КNO3 | [20] |
5.43 | 1.26 | – | – | 4.17 | NaCl | [21] |
Как показывают данные табл. 2, с ростом концентрации диметилсульфоксида в растворе происходит упрочнение глицилглицинатных комплексов меди(II) и ухудшение диссоциации пептидной группы лиганда.
Таблица 2.
Константа равновесия | Комплексная частица | Состав растворителя, мол. доли ДМСО | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | ||
lgK3 ± 0.05 | [CuGG]+ | 5.56 | 6.16 | 6.59 | 7.10 | 7.48 | 7.67 | 7.78 |
lgβ4 ± 0.08 | [CuGG–H] | 1.46 | 1.48 | 1.54 | 1.78 | 2.10 | 2.44 | 2.81 |
lgβ5 ± 0.08 | [CuGG–HGG]– | 4.64 | 5.51 | 6.12 | 6.39 | 6.64 | 6.89 | 7.07 |
lgβ6 ± 0.08 | [CuGG2] | 11.00 | 12.23 | 13.07 | 13.71 | 14.13 | 14.28 | 14.38 |
рKa ± 0.08 | 4.10 | 4.68 | 5.05 | 5.32 | 5.38 | 5.23 | 4.97 |
Для глицилглицина характерны два вида кислотно-основных равновесий в растворе, обусловленных диссоциацией карбоксильной группы глицилглициний-иона и диссоциацией аминогруппы цвиттер-иона глицилглицина. Диссоциация пептидной группы лиганда возможна только в присутствии иона металла в образующемся комплексе [1, 2]. Ранее установлено, что в водно-диметилсульфоксидных растворах диссоциация протонированной аминогруппы глицилглицина описывается экстремальной с минимумом зависимостью pK = f(XДМСО) [13], аналогичной для процессов диссоциации протонированных аминов [23] (рис. 1). Изменение константы диссоциации карбоксильной группы глицилглициний-иона характеризуется прямолинейной зависимостью от состава растворителя [13], что характерно для процессов диссоциации незаряженных кислот [24] (рис. 1). Диссоциация пептидной группы глицилглицината меди(II) в водно-диметилсульфоксидном растворителе не описывается прямолинейной зависимостью pKа = f(XДМСО), но также ухудшается, как и диссоциация незаряженных кислот (рис. 1).
Изменение констант устойчивости глицилглицинатных комплексов меди(II) в водно-диметилсульфоксидных растворах также не характеризуется прямолинейными зависимостями. Константа образования депротонированного моноглицилглицината меди(II) практически не меняется в диапазоне составов растворителя 0.0–0.3 мол. доли ДМСО (табл. 2). Это объясняется тем, что lgβ4 представляет собой брутто-константу (lgβ4 = lgK3 + lgKа), определяемую ростом положительного значения lgK3 и отрицательного значения lgKа с увеличением концентрации диметилсульфоксида в растворе. Для прочих глицилглицинатных комплексов меди(II) в диапазоне составов растворителя 0.0–0.3 мол. доли ДМСО наблюдается наибольший прирост устойчивости (табл. 2). Ступенчатые константы образования бисглицилглицинатов меди(II), рассчитанные как
также характеризуются значительным ростом в области низких концентраций ДМСО (рис. 2). Схожий характер изменения констант устойчивости в водно-диметилсульфоксидных растворителях был установлен для глицилглицинатных комплексов никеля(II) [25] (рис. 2). Для других лигандов карбоксилатного типа (ацетат- и глицинат-ионов) устойчивость их комплексов с Cu2+ и Ni2+ возрастает монотонно с ростом концентрации диметилсульфоксида в растворе [26–29]. При различном характере зависимостей lgКуст от состава растворителя для глицилглицинатов, глицинатов и ацетатов меди(II) и никеля(II) наблюдается значительное и соизмеримое увеличение устойчивости комплексов, существенно превышающее рост устойчивости аммиачных комплексов [30, 31] (табл. 3). Для лигандов карбоксилатного типа их комплексы с ионом Cu2+ имеют большую устойчивость и характеризуются большим упрочнением в водно-диметилсульфоксидном растворителе по сравнению с комплексами с ионом Ni2+ (табл. 3).Таблица 3.
Лиганд | Комплексная частица | µ(NaClO4) | lgKуст | ∆lgKуст | Источник |
---|---|---|---|---|---|
Глицилглицинат-ион | [CuGG]+ | 0.1 | 5.56 | 1.54 | наши данные |
[NiGG]+ | 0.1 | 4.14 | 0.99 | [25] | |
Глицинат-ион | [CuGly]+ | 0.1 | 8.35 | 1.07 | [28] |
[NiGly]+ | 0.3 | 5.70 | 0.94 | [29] | |
Ацетат-ион | [CuAc]+ | 0.3 | 1.77 | 1.28 | [26] |
[NiAc]+ | 0.3 | 1.17 | 0.93 | [27] | |
Аммиак | [CuNH3]2+ | 0.3 | 4.09 | 0.14 | [30] |
[NiNH3]2+ | 0.3 | 2.74 | 0.35 | [31] |
Полученные значения констант устойчивости глицилглицината меди(II) и литературные данные об изменении энергии Гиббса пересольватации иона меди(II) [32] и глицилглицинат-иона [33] в водно-диметилсульфоксидных смесях позволяют рассчитать ΔG° пересольватации комплексной частицы [CuGG]+ в растворителе вода–диметилсульфоксид и оценить сольватационные вклады реагентов в изменение энергии Гиббса реакции образования комплекса в данном растворителе:
(4)
$\begin{gathered} {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}G_{{{\text{r}}3}}^{^\circ } = {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}G^\circ ({{[{\text{CuGG}}]}^{ + }})-- \\ \,--{{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}G^\circ ({\text{C}}{{{\text{u}}}^{{2 + }}})--{{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}G^\circ ({\text{G}}{{{\text{G}}}^{--}}). \\ \end{gathered} $При расчетах ΔtrG°([CuGG]+) в уравнении (4) ΔtrG реакции, полученное при µ = 0.1, принимали за стандартное значение этой величины.
Как показывает рис. 3, изменение сольватного состояния иона-комплексообразователя в водно-диметилсульфоксидном растворе не способствует упрочнению образующегося комплекса. Определяющий вклад в изменение устойчивости комплекса [CuGG]+ в растворителе вода–диметилсульфоксид вносит ослабление сольватации глицилглицинат-иона при частичной компенсации разностью (ΔtrG°([CuGG]+) – ΔtrG°(Cu2+)), что соответствует общей закономерности, установленной для процессов комплексообразования d-металлов с N-, O-донорными лигандами в водно-органических растворителях [34]. В работе [34] также показано, что ΔtrG° реакции комплексообразования составляет долю от ΔtrG° лиганда (L), определяемую коэффициентом различий αdif:
(5)
${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}G_{{\text{r}}}^{^\circ } = ({{\alpha }_{{{\text{dif}}}}}--1) \times {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}G_{{\text{L}}}^{^\circ }.~$Для лигандов карбоксилатного типа величина αdif лежит в диапазоне 0.6 – 0.8 [34]. Рассчитанное для процесса образования [CuGG]+ значение коэффициента различий (при концентрации ДМСО 0.2 мол. доли) составило 0.5, что несколько ниже установленного предела, но сопоставимо с величиной αdif, рассчитанной для реакции образования глицилглицината никеля(II) в растворителе вода–диметилсульфоксид.
Таким образом, полученные данные по изменению устойчивости глицилглицинатных комплексов меди(II) в водно-диметилсульфоксидных растворителях согласуются с аналогичными данными для глицилглицинатных комплексов никеля(II) и имеют некоторые отличия от процессов комплексообразования с другими лигандами карбоксилатного типа. При этом общие закономерности изменения термодинамических параметров реакций комплексообразования в водно-органических растворителях, установленные для аминных и карбоксилатных комплексов d-металлов нашли подтверждение для процессов образования глицилглицинатов меди(II) в водно-диметилсульфоксидных растворах.
Список литературы
Datta S.P., Rabin B.R. // Trans. Faraday Society. 1956. V. 52. P. 1117.
Nakon R., Angelici R.J. // Inorg. Chem. 1973. V. 12. № 6. P. 1269.
Кочергина Л.А., Емельянов А.В. // Журн. физ. химии. 2015. Т. 89. № 4. С. 592.
Гоголашвили Э.Л., Захаров А.В., Фаррахова Г.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1983. Т. 26. № 1. С. 10.
Pelletier S. // J. Chim. Phys. 1972. V. 69. P. 751.
Chakraborty D., Bhattacharya P. // J. Inorg. Biochem. 1991. V. 41. P. 57.
Бородин В.А., Козловский Е.В., Васильев В.П. // Журн. неорган. химии. 1986. Т. 31. № 1. С. 10.
Эйхгорн Г. Неорганическая химия. Т. 1 / пер. с англ. под ред. М.Е. Вольпина, К.Б. Яцимирского. М.: Мир, 1978. 713 с.
Васильев В.П., Бородин В.А., Козловский Е.В. Применение ЭВМ в химико-аналитических расчетах. М.: Высшая школа, 1993. 112 с.
Kaneda A., Martell A. // J. Coord. Chem. 1974. V. 4. P. 137.
Brunetti A., Lim M., Nancollas G. // J. Am. Chem. Soc. 1968. V. 90. P. 5120.
Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1971. 456 с.
Наумов В.В., Исаева В.А., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2011. Т. 85. № 10. С. 1881.
Ferroni G., Galea J. // Ann. Chim. 1975. V. 10. № 1. P. 41.
Bordignon-Luiz M., Szpoganicz B., Rizzoto M., Martell A.E., Basallote M.G. // Inorg. Chim. Acta. 1997. V. 254. P. 345.
Яцимирский К.Б., Манорик П.А., Давиденко Н.К. // Коорд. химия. 1988. Т. 14. № 3. С. 311.
Sigel H., Prijs B., Martin R. // Inorg. Chim. Acta. 1981. V. 56. P. 45.
Sigel H., Grisser R., Prijs B. // Z. Naturforsch. 1972. V. 27B. P. 353.
Yamauchi O., Hirano Y., Nakao Y., Nakahara A. // Can. J. Chem. 1969. V. 47. P. 3441.
Martin R. // Bull. Soc. Chim. Fr. 1967. P. 2217.
Biester J.L., Ruoff P.M. // J. Am. Chem. Soc. 1959. V. 81. P. 6517.
Kittl W., Rode B. // Inorg. Chim. Acta. 1981. V. 55. P. 21.
Нищенков А.В., Шарнин В.А., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Журн. физ. химии. 1990. Т. 64. № 1. С. 114.
Леденков С.Ф., Шарнин В.А., Исаева В.А. // Там же. 1995. Т. 69. № 6. С. 994.
Наумов В.В., Исаева В.А., Ковалева Ю.А., Шарнин В.А. // Там же. 2013. Т. 87. № 7. С. 1160.
Исаева В.А., Шарнин В.А., Шорманов В.А., Щербина И.В. // Коорд. химия. 1998. Т. 24. № 2. С. 149.
Исаева В.А., Шарнин В.А., Шорманов В.А., Леденков С.Ф. // Журн. физ. химии. 1996. Т. 70. № 7. С. 1320.
Фадеев Ю.Ю., Шарнин В.А., Шорманов В.А. // Журн. неорган. химии. 1997. Т. 42. № 7. С. 1220.
Исаева В.А., Леденков С.Ф., Шарнин В.А., Шорманов В.А. // Коорд. химия. 1995. Т. 21. № 5. С. 396.
Михеев С.В., Шарнин В.А., Шорманов В.А. // Журн. неорган. химии. 1999. Т. 44. № 8. С. 1330.
Нищенков А.В., Шарнин В.А., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Коорд. химия. 1990. Т. 16. № 9. С. 1264.
Kalidas C., Hefter G., Marcus Y. // Chem. Rev. 2000. V. 100. № 3. P. 819.
Наумов В.В., Исаева В.А., Кузина Е.Н., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2012. Т. 86. № 12. С. 1907.
Шарнин В.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 7. С. 44.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии