Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 6, стр. 844-849
Комплексообразование серебра (I) c 2-меркаптобензимидазолом в водно-этанольных растворах
С. М. Сафармамадов a, *, З. И. Каримова a, Ю. Ф. Баходуров a, К. С. Мабаткадамзода a
a Таджикский национальный университет
Душанбе, Таджикистан
* E-mail: sash65@mail.ru
Поступила в редакцию 04.07.2019
После доработки 18.11.2019
Принята к публикации 25.11.2019
Аннотация
Методом потенциометрического титрования исследован процесс комплексообразования серебра(I) c 2-меркаптобензимидазолом (МБ) в растворе, содержащем различное количество этилового спирта. В этих же условиях изучены кислотно-основные свойства 2-меркаптобензимидазола. Показано, что молекула 2-меркаптобензимидазола в области рН 0.5–2.5 протонирована, при рН 7–8 молекула МБ преимущественно (99.72%) находится в форме нейтральной молекулы, а выше рН 11 существует в виде отрицательно заряженного иона L–. Установлено, что при взаимодействии Ag(I) с МБ образуются две комплексные формы. Рассчитаны общие константы устойчивости моно- и бис-лигандного комплексов серебра при различном содержании этанола в растворе. Установлено, что возрастание процентного содержания этанола в растворе приводит к увеличению устойчивости комплексов серебра (I) с МБ.
Производные имидазола обладают специфической биологической активностью и широко применяются в медицинской практике. Координационные соединения имидазола и его производных играют важную роль в биохимических процессах, происходящих в живых организмах [1]. В этой связи, изучение комплексообразования лигандов из класса имидазолов с металлами, обладающими антимикробной активностью, представляет определенный интерес. В работе [2] изучено комплексообразование рения(V) с бензимидазолом в средах с высокой концентрацией галогеноводородных кислот. Установлено, что в изученных средах образуются устойчивые ониевые координационные соединения с протонированной молекулой бензимидазола (HL)2[ReOHal5], где Hal = CI–, Br–. При уменьшении концентрации галогеноводородных кислот и проведении синтеза в неводной среде образуются молекулярные комплексы общего состава [ReOL2Hal3] · nH2O. Результаты УФ- и ИК-спектроскопических исследований соединений осмия(IV,VIII) и рутения(IV) с 2-меркаптобензимидазолом, 2-меркаптобензоксазолом и 2-меркаптобензотиазолом приведены в работе [3]. В работах [4–6] приводятся сведения о комплексообразовании переходных металлов с алкил производными имидазола. Установлен способ координации имидазолов к рению(V) и кадмию(II), определены константы устойчивости и термодинамические функции комплексов.
В [7] калориметрическим методом определены тепловые эффекты и рассчитано изменение энтропии и энергии Гиббса реакций образования комплексов серебра(I) с этилендиамином в широком интервале составов метанол-диметилформамидных растворителей. Установлено влияние состава смешанных растворителей на термодинамические характеристики реакций комплексообразования и сольватации реагентов. Показано, что с увеличением концентрации диметилформамида экзотермичность реакции комплексообразования серебра(I) с этилендиамином уменьшается. Рост устойчивости комплексов по обеим ступеням взаимодействия серебра с этилендиамином при увеличении концентрации диметилформамида объясняется изменением энтропии при неблагоприятном действии энтальпийной составляющей реакции. Автором работы [8] изучено влияние смешанного растворителя на устойчивость комплексов серебра(I) с N,N-этилентиомочевиной (имидазолин-5-тион) в водно-спиртовых растворах. Установлено, что значения общих констант устойчивости комплексов серебра(I) с N,N-этилентиомочевиной при увеличении в растворе содержания неводного растворителя возрастают. Авторами [9] при изучении комплексообразования серебра с аминами установлено изменение потенциала системы Ag/Ag+ в отсутствие аминов. Показано, что с увеличением концентрации спирта потенциал Ag/Ag+ в отсутствие амина смещается в положительную сторону, что связано с пересольватацией иона серебра, т.е. последовательной заменой в окружающей оболочке иона Ag+ молекул воды на молекулы спирта. Смещение потенциала металла с увеличением концентрации спирта в положительную сторону авторами работы объясняется тем, что энергия связи металла со спиртом несколько меньше, чем энергия связи с водой.
Влияние органического растворителя проявляется в повышении константы устойчивости и в образовании комплексов серебра с более высокой координацией лиганда у комплексов с одной и двумя координированными молекулами моноэтаноламина. Константы устойчивости в метаноле и этаноле одинаковы [10], но они на порядок выше, чем в водном растворе. Авторами работы [11] изучено комплексообразование нитрата серебра с гетероциклическими аминами. Показана взаимосвязь между содержанием этанола и устойчивостью комплексов серебра(I) с имидазолом, 3‑аминопиридином, никотинамидом, 5-бром-2-аминопиридином и хинолином в водно-этанольных растворах. Установлено, что устойчивость комплексов серебра(I) с имидазолом и 3-аминопиридином растет с увеличением концентрации этанола в растворе, а устойчивость комплексов серебра(I) с остальными аминами проходит через минимум. В работе [12] приведены сведения о комплексообразовании серебра и нитрата кадмия с моноэтаноламинами и гексаметилтетрамином в водных, водно-этанольных, водно-пропанольных и водно-ацетоновых растворах.
В работах [13, 14] нами был изучен процесс комплексообразования серебра(I) с 2-меркаптобензимидазолом в водно-этанольном растворе, содержащем 10% этанола. Были найдены количества частиц, образующихся между Ag(I) и 2-меркаптобензимидазолом, и их устойчивость.
Целью настоящей работы явилось исследование комплексообразования серебра(I) с 2-меркаптобензимидазолом в водно-этанольных растворах содержащих 25, 35, 45 и 55 об. % этанола, установление влияния состава раствора на устойчивость комплексов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходных соединений использовали 2-меркаптобензимидазол и AgNO3 марки “ч. д. а.”. Константу кислотной ионизации (рKа) 2-меркаптобензимидазола в растворе, содержащем различное количество этанола определяли при 25 ± ± 0.5°С по методике [15]. Для расчета использовали данные титрования 1 × 10–3 моль/л раствора 2‑меркаптобензимидазола 0.1 N растворами гидроксида калия и HCl. При титровании использовали бюретку с ценой деления 0.1 мл рН раствора измеряли с помощью прибора рН-150МИ. Для расчета константы кислотной ионизации, МБ использовали усредненные из трех опытов, численные значения, рН и объемы титранта. Константу кислотной ионизации (рKа) рассчитывали по уравнению:
При исследовании комплексообразования Ag(I) с МБ начальная концентрация AgNO3 составляла 1 × 10–5 моль/л, концентрация МБ была равна 1 × 10–3 моль/л. Ионную силу (I = 0.1) создавали с использованием NaClO4. Измерение потенциала системы Ag+/Ag при потенциометрическом титровании проводили с помощью прибора марки PHS-3CB с применением гальванического элемента с переносом (солевой мостик заполняли раствором NaClO4), где в качестве индикаторного электрода использовали пластинку из металлического серебра, а в качестве электрода сравнения − хлорсеребряный. Титрование раствора AgNO3 раствором 2-меркаптобензимидазола проводили в водно-этанольных растворах, содержащих 25, 35, 45, 55 об. % спирта. Равновесное значение потенциала на серебряном электроде устанавливалось в течение 10–15 мин. Температуру поддерживали постоянной с использованием водяного термостата (±0.5°С). Равновесную концентрацию ионов серебра в растворе по данным потенциометрического титрования определяли по уравнению:
(1)
$\lg [{{\operatorname{Ag} }^{ + }}] = \lg C_{{{\text{Ag}}}}^{ + }--\frac{{\Delta E}}{{1.985 \times {{{10}}^{{ - 4}}}~T{\text{/}}~n}},$Равновесную концентрацию МБ рассчитывали по уравнению Ледена:
где С2-МБ – начальная концентрация МБ в каждой точке титрования с учетом разбавления; ν – среднее число МБ, присоединенных ионом Ag+. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Имидазол проявляет основные свойства за счет пиридинового атома азота и слабые кислотные свойства за счет пиррольного азота (рKa = = 6.9). Следовательно, имидазол как амфотерное соединение способен принимать или отщеплять протон. Подвижность атома водорода NH-группы создает возможность его переноса к пиридиновому атому азота, являющемуся центром основности. Такой перенос протона обусловливает таутомерию имидазола, т.е. его существование в виде таутомерных форм, у которых положения 4 и 5 кольца равноценны. В научной литературе сведений о кислотно-основных свойствах меркаптопроизводных имидазола как в водных, так и в водно-органических растворах немногочисленны. Введение в молекулу бензимидазола меркаптогруппы может существенно повлиять на его кислотно-основные свойства.
В табл. 1 в качестве примера приведены результаты определения константы кислотной ионизации (рKа) 2-меркаптобензимидазола в растворе, содержащем 25 об. % этанола.
Таблица 1.
V, мл | рН | СНL, моль/л | [L–], моль/л | pKa |
---|---|---|---|---|
0.0 | 6.71 | 0.001 | – | – |
0.1 | 9.27 | 0.000960159 | 0.0000398406 | 10.65 |
0.2 | 9.59 | 0.000920635 | 0.0000793651 | 10.65 |
0.3 | 9.74 | 0.000881423 | 0.000118577 | 10.61 |
0.4 | 9.84 | 0.00084252 | 0.000157480 | 10.57 |
0.5 | 9.94 | 0.000803922 | 0.000196078 | 10.55 |
0.6 | 10.05 | 0.000765625 | 0.000234375 | 10.56 |
0.7 | 10.11 | 0.000727626 | 0.000272374 | 10.54 |
0.8 | 10.16 | 0.000689922 | 0.000310078 | 10.51 |
0.9 | 10.21 | 0.000652510 | 0.000347490 | 10.48 |
1 | 10.29 | 0.000615385 | 0.000384615 | 10.49 |
1.1 | 10.32 | 0.000578544 | 0.000421456 | 10.46 |
1.2 | 10.34 | 0.000541985 | 0.000458015 | 10.41 |
1.3 | 10.39 | 0.000505703 | 0.000494297 | 10.40 |
1.4 | 10.41 | 0.000469697 | 0.000530303 | 10.36 |
1.5 | 10.45 | 0.000433962 | 0.000566038 | 10.33 |
1.6 | 10.48 | 0.000398496 | 0.000601504 | 10.30 |
1.7 | 10.51 | 0.000363296 | 0.000636704 | 10.27 |
1.8 | 10.55 | 0.000328358 | 0.000671642 | 10.24 |
1.9 | 10.57 | 0.000293680 | 0.00070632 | 10.19 |
2.0 | 10.58 | 0.000259259 | 0.000740741 | 10.12 |
рKа = 10.38 ± 0.04 |
В табл. 2 представлены значения рKа 2-меркаптобензимидазола в воде и водно-этанольных растворах, содержащих различное количество органического растворителя. Из данных таблицы видно, что константы кислотной ионизации 2‑меркаптобензимидазола при переходе от воды к водно-этанольным растворам уменьшаются.
Таблица 2.
С, об. % | 0 | 10 | 25 | 35 | 45 | 55 |
---|---|---|---|---|---|---|
pKa | 9.60 [16] | 10.24 ± 0.05 | 10.38 ± 0.04 | 10.57 ± 0.05 | 10.61 ± 0.01 | 10.80 ± 0.02 |
В [17] обсуждаются кислотно-основные свойства и спектральные эффекты протонирования диаминов бис-бензимидазольного ряда. Показано, что аннелирование имидазола приводит к сильному снижению его основности. Так, рKа бензимидазола составляет только 5.53, в то время как значение рKа имидазола равно 6.95. Проведенные нами исследования показали, что молекула 2-меркаптобензимидазола способна к присоединению протона, и константа ее кислотной ионизации как основания при 25°С составляет pKa = 4.45 ± 0.05. Другими словами, присоединение меркаптогруппы к молекуле бензимидазола приводит к снижению его основных свойств.
С целью сопоставления кислотно-основных свойств 2-меркаптобензимидазола экспериментально найденные значения рKа были использованы для построения диаграмм долевого распределения различных его форм в широком интервале рН.
Как видно из рис. 1, молекула 2-меркаптобензимидазола в области рН 0.5–2.5 полностью протонирована. При рН 7–8 молекула 2-меркаптобензимидазола преимущественно (99.72%) находится в форме нейтральной молекулы, а выше рН 11 существует в виде отрицательно заряженного иона L–.
Так, как комплексообразование серебра(I) с 2‑меркаптобензимидазолом нами исследовано в нейтральной области рН, то можно предположить, что в реакции комплексообразования с серебром(I) участвуют нейтральные молекулы 2‑меркаптобензимидазола. Проведенные исследования показали, что при титровании водно-этанолного раствора AgNO3 подобным раствором 2-меркаптобензимидазола потенциал серебряного электрода уменьшается. При этом изменение потенциала зависит и от состава водно-этанольного раствора. Чем больше содержание этанола в растворе, тем сильнее изменяется потенциал серебряного электрода. В табл. 3 в качестве примера представлены экспериментальные результаты потенциометрического титрования системы Ag+/Ag 2-меркаптобензимидазолом в растворе, содержащем 55 об. % этанола при 298 K.
Таблица 3.
E, мВ | ∆E, мВ | СМБ × 106, моль/л | [Ag+] × 106, моль/л |
---|---|---|---|
302.1 | – | – | – |
297.0 | 5.1 | 3.98 | 8.2 |
290.1 | 12.0 | 7.94 | 6.22 |
281.2 | 21.0 | 11.9 | 4.36 |
269.2 | 33.1 | 15.7 | 2.72 |
254.3 | 48.1 | 19.6 | 1.51 |
240.4 | 62.3 | 23.4 | 0.87 |
226.4 | 76.2 | 27.2 | 0.50 |
217.3 | 85.1 | 31.0 | 0.35 |
209.3 | 93.3 | 34.7 | 0.25 |
203.5 | 99.4 | 38.5 | 0.20 |
197.5 | 105.3 | 42.1 | 0.16 |
190.0 | 112.2 | 49.4 | 0.121 |
184.0 | 118.1 | 56.6 | 0.095 |
179.1 | 123.1 | 63.7 | 0.078 |
171.1 | 131.0 | 80.9 | 0.056 |
160.2 | 142.0 | 113 | 0.035 |
150.3 | 152.0 | 150 | 0.022 |
145.2 | 157.2 | 172 | 0.018 |
132.2 | 170.2 | 224 | 0.010 |
124.4 | 178.3 | 269 | 0.007 |
119.3 | 183.0 | 309 | 0.005 |
106.3 | 196.1 | 346 | 0.003 |
99.1 | 203.0 | 378 | 0.002 |
На основании данных табл. 3 и экспериментальных результатов, полученных при титровании растворов, содержащих 25, 35 и 45 об. % этилового спирта, строили график зависимости ΔЕ от –lg СМБ, из которых находили среднее число молекул МБ, присоединенных серебром(I). Эти экспериментальные данные были использованы для расчета равновесной концентрации МБ по уравнению:
На рис. 2 приведена графическая зависимость ΔЕ от –lg[МБ] для комплексов серебра(I) с МБ в растворах, содержащих различное количество этанола. Видно, что при избытке МБ тангенс угла наклона прямой сохраняет постоянное значение, равное двум. При малых концентрациях МБ тангенс угла значительно меньше, что свидетельствует о ступенчатом характере комплексообразования между ионами серебра(I) и МБ. При этом изменение содержания этанола в растворе не влияет на количество комплексных частиц, образующихся между серебром(I) и МБ.
В связи с тем, что в системе серебро(I) – МБ протекает ступенчатое комплексообразование, общие константы устойчивости рассчитывали нелинейным методом наименьших квадратов [18] и методом, предложенным в [19]. В табл. 4 приведены величины общих констант устойчивости комплексов серебра (I) с МБ, рассчитанные нелинейным методом наименьших квадратов.
Таблица 4.
${{С}_{{{{{\text{C}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{H}}}_{{\text{5}}}}{\text{OH}}}}}$, об. % | Общие константы устойчивости | |
---|---|---|
lg β1 [AgL]+ | lg β2 [AgL2]+ | |
10 [14] | 5.58 ± 0.05 | 9.25 ± 0.11 |
25 | 5.66 ± 0.06 | 9.84 ± 0.09 |
35 | 5.73 ± 0.05 | 10.05 ± 0.07 |
45 | 6.19 ± 0.04 | 10.09 ± 0.08 |
55 | 6.28 ± 0.05 | 10.38 ± 0.09 |
Для определения констант устойчивости в программу рекомендованную авторами [19] вводились следующие параметры: общие аналитические концентрации исходных соединений, изменение потенциала индикаторного электрода, предположительно протекающие процессы (реакции комплексообразования, реакции протонирования 2-меркаптобензимидазола):
В табл. 5 приведены величины общих констант устойчивости комплексов серебра(I) с 2-МБ, рассчитанные по методике, предложенной в [19].
Таблица 5.
${{C}_{{{{{\text{C}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{H}}}_{{\text{5}}}}{\text{OH}}}}}$, об. % | lg β1 [AgL]+ | lg β1 [AgL2]+ |
---|---|---|
25 | 5.63 ± 0.04 | 9.63 ± 0.08 |
35 | 5.64 ± 0.02 | 9.67 ± 0.03 |
45 | 5.84 ± 0.05 | 9.75 ± 0.06 |
55 | 5.93 ± 0.1 | 9.76 ± 0.1 |
Сравнение данных табл. 4 и 5 показывает, что рассчитанные двумя независимыми методами величины констант устойчивости несколько отличаются друг от друга.
При сравнении полученных нами данных по комплексообразованию серебра(I) с 2-БИ и данными, полученными автором работы [8], которые изучали процесс комплексообразования Ag(I) с имидазолин-5-тионом в водно-этанольных растворах при 298 K, показано, что устойчивость имидазолин-5-тионных комплексов Ag(I) превосходит устойчивость 2-меркаптобензимидазольных комплексов серебра во всем изученном интервале содержания неводного компонента. Если константа устойчивость монозамещенного комплекса Ag(I) с имидазолин-5-тионом в растворе содержащем 25 об. % этанола равна 6.33 ± ± 0.03 лог. ед., то для 2-МБ комплекса серебра(I) это значение составляет 5.66 ± 0.06. При этом установлено, что устойчивость как имидазолин-5-тионных, так и 2-меркаптобензимидазольных комплексов Ag(I) с увеличением содержания этанола в растворе увеличивается.
Известно, что при увеличении концентрации неводного компонента в водно-органических растворителях сила катионных кислот сначала возрастает, а затем уменьшается [20]. Положение и глубина минимума на зависимости ${\text{p}}{{K}_{{{\text{B}}{{{\text{H}}}^{ + }}}}}$ от состава растворителя зависит от природы как амина, так и растворителя. Авторы работы [21] установили, что если устойчивость протонированных форм лигандов значительно понижается в водно-органических растворах, то для комплексных соединений этих лигандов с металлами значения констант устойчивости проходят через минимум. При меньшем понижении устойчивости протонированных форм лигандов в водно-органических растворах наблюдается только рост устойчивости металл-лиганд комплексов при добавлении к воде органического растворителя.
Проведенные нами исследования показывают, что кислотные свойства 2-меркаптобензимидазола при переходе от воды к водно-этанольным растворам уменьшаются незначительно (табл. 2), т.е. происходит упрочнение молекулярной формы 2-меркаптобензимидазола в спиртовых растворах. Устойчивость комплексных соединений серебра(I) с этим органическим лигандом растет при переходе от водных к водно-этанольным растворам (табл. 4, 5).
Список литературы
Новикова Г.А., Молодкин А.К., Кукаленко С.С. // Журн. неорган. химии. 1988. Т. 33. Вып. 12. С. 3111.
Гагиева С.Ч., Цалоев А.Т., Гутнова Н.А. и др. // Там же. 2003. Т. 48. № 8. С. 1303.
Бусев А.И., Ломакина Л.Н., Игнатьева Т.И. // Там же. 1976. Т. XXI. Вып. 2. С. 500.
Аминджанов А.А., Сафармамадов С.М., Машали М.М., Баходуров Ю.Ф. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. № 3. С. 23.
Аминджанов А.А., Сафармамадов С.М., Мабаткадамова К.С. // ДАН РТ. 2010. Т. 53. № 1. С. 40.
Сафармамадов С.М. Комплексные соединения рения(V) с производными тиомочевины, азольсодержащими лигандами и аспекты их применения. Автореф. дис. … докт. хим. наук. Воронеж, 2008. 42 с.
Мошорин Г.В., Репкин Г.И., Шарнин В.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. Вып. 10. С. 29.
Содатдинова А.С. Комплексообразование серебра(I) с N,N-этилентиомочевиной, 1-формил- и 1-ацетил-3-тиосемкарбазидом. Автореф. дис… канд. хим. наук. Душанбе, 2016. 23 с.
Мигаль Ц.К., Плоае К.И. // Журн. неорган. химии. 1965. Т. Х. Вып. 11. С. 2519.
Удовенко В.В., Померанц Г.Б. // Там же. 1973. Т. ХVIII. Вып. 7. С. 1773.
Буду Г.В., Тхоряк А.П. // Там же. 1980. Т. 25. № 4. С. 1006.
Буду Г.В., Назарова Л.В., Тхоряк А.П. // Там же. 1975. Т. 20. № 11. С. 2094.
Каримова З.И., Баходуров Ю.Ф., Мабаткадамзода К.С. // Матер. международной конф. “Комплексные соединения и аспекты их применения”. Душанбе, 2018. С. 95.
Каримова З.И., Баходуров Ю.Ф., Мабаткадамзода К.С. // ДАН РТ. 2018. № 7–8. С. 315.
Альберт А., Сержент Е. Константы ионизации кислот и оснований. М.: Химия, 1964. Т. 61. № 9−10. 175 с.
http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/12_obshchie_svedeniya/6177
Некрасова Л.П. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 8−2. С. 231.
Kapustin E.I. The solution of certain classes of mathematical problems in the program Excel. Internet resources. (exponenta.ru/educat/systemat/Kapustin/ 014.asp).
Meshkov A.N., Gamov G.A. KEV: a free software for calculating the equilibrium composition and determining the equilibrium constants using UV-Vis and potentiometric data. Talanta. 2019. V. 198. P. 200.
Комплексообразование в неводных растворах / Г.А. Крестов и др. М.: Наука, 1989. 256 с.
Буду Г.В., Назарова Л.В. // Журн. неорган. химии. 1973. Т. XVIII. Вып. 6. С. 1531.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии