Журнал физической химии, 2021, T. 95, № 7, стр. 1027-1035

Комплексные соединения аминокислот и пептидов с ионами d-металлов представляют интерес с точки зрения их биологической активности и находят широкое применение в фармакологии и косметологии [1]. Использование неводных и смешанных растворителей позволяет изменять растворимость комплексов, повышать эффективность трансдермального переноса биологически активных веществ [2], оптимизировать условия синтеза комплексных соединений [3, 4]. Изучение связи между термодинамическими функциями процессов комплексообразования и сольватации частиц в водно-органических средах дает возможность прогнозировать термодинамические параметры реакций, протекающих в неводных и смешанных растворителях.

Большой объем экспериментальных данных, связанных с исследованиями реакций комплексообразования ионов d-металлов с лигандами класса аминов, позволил выявить ряд закономерностей во влиянии растворителя на термодинамику этих процессов [5]. Показана применимость этих закономерностей к реакциям комплексообразования с участием заряженных лигандов, исходя из данных по константам устойчивости ацетатов и глицинатов d-металлов в водных растворах спиртов и диметилсульфоксида [6]. В настоящей работе обобщены собственные и литературные данные по устойчивости комплексных соединений d-металлов с глицинат-ионом и глицилглицинат-ионом и тепловым эффектам реакций их образования в различных водно-органических растворителях. Расширение круга рассматриваемых процессов комплексообразования, привлечение результатов термохимических исследований, сопоставление и анализ этих данных с учетом изменения термодинамических параметров пересольватации реагентов позволяют выявить особенности влияния растворителя на реакции образования комплексов с заряженными N-, O-донорными лигандами, содержащими пептидную группу.

Анион глицина (NH₂CH₂COO⁻) образует комплексные частицы с ионами двухвалентных d-металлов через атомы азота аминогруппы и кислорода карбоксилатной группы [7]. C ионом серебра(I), не склонным к хелатообразованию, более вероятно образование линейных комплексов посредством атома азота аминогруппы [8, 9]. Анион глицилглицина (NH₂CH₂CONHCH₂COO⁻) способен образовывать комплексы за счет наличия трех потенциально возможных центров координации: аминогруппы, карбоксилатной группы и пептидной группы. Установлено [9, 10], что с ионами d-металлов глицилглицинат-ион образует комплексы посредством донорных атомов азота аминогруппы и кислорода пептидной группы. Процесс комплексообразования глицилглицинат-иона с ионом меди(II) имеет особенность, связанную с протеканием реакции диссоциации пептидной группы, что приводит к образованию как нормальных, так и депротонированных глицилглицинатов меди(II) [10]. При образовании депротонированных комплексов меди(II) координация смещается с пептидного кислорода на пептидный азот [10].

В настоящей работе рассматриваются изменение устойчивости и тепловые эффекты реакций образования монолигандных комплексов d-металлов с глицинат-ионом и глицилглицинат-ионом, образованных без депротонирования пептидной группы. Константы устойчивости глицинатов меди(II), никеля(II) и серебра(I) в водных растворах этанола (EtOH), изопропанола (i‑PrOH), ацетона (MeAc), диметилсульфоксида (DMSO) определены в работах [11–16], никеля(II), марганца(II), цинка(II) в водных смесях с метанолом (MeOH), диоксаном (DOX), ацетонитрилом (MeCN), диметилформамидом (DMF) – в [17], серебра(I) в смеси вода–диоксан – в [18]. Константы устойчивости глицилглицинатов никеля(II), меди(II) в водных растворах этанола, ацетона, диметилсульфоксида приведены в [19–23], кобальта(II) в растворителе вода–EtOH в [24]. Тепловые эффекты реакций образования глицинатов никеля(II) и серебра(I) в водно-этанольных и водно-диметилсульфоксидных растворах определены в работах [25–28], глицината меди(II) и глицилглицината никеля(II) в растворителе вода – DMSO – в [29, 30]. Изменение энергии Гиббса и изменение энтальпии пересольватации ионов металлов в водно-органических растворителях приводятся в работах [31–33]. Изменение энтальпии пересольватации в смесях воды с этанолом и диметилсульфоксидом глицинат-иона взято из [26, 34], глицилглицинат-иона – из [35, 36]. Изменение энергии Гиббса переноса глицинат-иона и глицилглицинат-иона из воды в водно-спиртовые смеси приведено в [37, 38], водно-диметилсульфоксидные смеси – в [39, 40]. Для глицинатов никеля(II) и серебра(I) константы устойчивости в воде и смесях воды с ацетоном и диметилсульфоксидом получены при Т = 298 К и ионной силе растворов µ = 0.3 (NaClO₄), в прочих случаях константы определены при Т = 298 К и µ = 0.1 (NaClO₄). Тепловые эффекты рассматриваемых реакций комплексообразования определены при Т = 298 К, для глицинатов Ag(I) и Ni(II) в растворителе вода–диметилсульфоксид при µ = = 0.3 (NaClO₄), в прочих случаях при µ = 0.1 (NaClO₄). Значения Δ_trG_r и Δ_trH_r, отнесенные к указанным условиям, при оценке сольватационных вкладов реагентов в изменение термодинамических параметров реакций комплексообразования использовали наряду со стандартными значениями ΔG° и ΔН° переноса реагентов из воды в водно-органические растворители.

Анионы глицина (G^–) и глицилглицина (GG^–) в водных растворах образуют с ионами переходных металлов комплексные частицы с достаточно высокой константой устойчивости (рис. 1, 2), что характерно для комплексов с аммиаком и алифатическими N-донорными лигандами [41–43 и др.]. При переходе от воды к водно-органическим смесям прирост устойчивости аминокомплексов, как правило, не превышает 1 лог. единиц [41–43 и др.]. Рост устойчивости глицинатных и глицилглицинатных комплексов в водно-органических растворах (рис. 1, 2) значительно выше и соизмерим с изменением устойчивости комплексов с ацетат-ионом [44, 45 и др.].

В водных растворах соотношение констант устойчивости комплексов двухзарядных ионов с глицинат-ионом, либо с глицилглицинат-ионом соответствует ряду Ирвинга–Вильямса: Mn²⁺ < < Co²⁺ < Ni²⁺ < Cu²⁺ > Zn²⁺. Природа органического сорастворителя оказывает дифференцирующее действие на устойчивость комплексных соединений, но соотношение констант устойчивости как глицинатов, так и глицилглицинатов d‑металлов в соответствующих водно-органических смесях при любой концентрации органического сорастворителя сохраняется по ряду Ирвинга–Вильямса (рис. 1, 2). Устойчивость глицината Ag⁺ занимает промежуточное положение между глицинатами марганца(II) и никеля(II) как в водных, так и в водно-органических растворах (рис. 1).

Изменение констант устойчивости комплексов d-металлов с лигандами аминного типа [43], ацетат- [44, 45], глицинат- (рис. 1) и глицилглицинат- (рис. 2) ионами в большинстве случаев описывается монотонно возрастающими зависимостями $\lg K$ = ƒ(X_{орг.комп}). В смесях воды с сильнокоординирующими растворителями (например, диметилсульфоксидом) для комплексов с аммиаком и этилендиамином зависимости $\lg K$ = = ƒ(X_{орг.комп}) носят экстремальный с максимумом характер [5, 41, 42]. Для глицинатов двухзарядных переходных металлов (рис. 1), так же как ацетатов [45], изменение $\lg K$ практически во всей области составов водно-диметилсульфоксидного растворителя прямолинейно. Для комплексов, в которых отсутствует координация по карбоксилатной группе, а именно глицилглицинатах никеля(II) и меди(II), глицинатах Ag(I), так же как для аминных комплексов, наибольший прирост констант устойчивости наблюдается в области низких концентраций диметилсульфоксида в растворе, при высоком содержании DMSO устойчивость глицилглицината меди(II) и глицината серебра(I) растет незначительно, а в случае глицилглицината никеля(II) даже несколько снижается (рис. 1, 2). В работе [6] было показано, что такое разнообразие характера зависимостей констант устойчивости координационных соединений от состава водно-органического растворителя определяется динамикой сольватационных вкладов реагентов в изменение энергии Гиббса реакций.

Используя значения констант устойчивости глицинатных и глицилглицинатных комплексов переходных металлов в водных (K_w) и водно-органических (${{K}_{{{\text{w}} + {\text{s}}}}}$) растворах [11–24], рассчитали изменение энергии Гиббса реакций при переходе от воды к ее смесям с органическим сорастворителем:

Как показывает рис. 3, вклад от изменения сольватного состояния иона-комплексообразователя (Δ_trG°(Meⁿ⁺)) в изменение устойчивости комплексов в водно-органических смесях может быть различен в зависимости от природы металла и растворителя. Перенос лигандов (глицинат- и глицилглицинат-ионов) из воды в смешанные растворители независимо от типа органического компонента характеризуется положительной величиной Δ_trG°(L⁻) (рис. 3) и способствует росту отрицательного значения Δ_trG° реакций комплексообразования: Значения изменения энергии Гиббса пересольватации глицинат- и глицилглицинат-ионов в соответствующих растворителях близки между собой, сопоставимы с Δ_trG° ацетат-иона [46] и существенно превышают ΔG° переноса аминов (аммиака, этилендиамина [5, 6]). Значительное ослабление сольватации лигандов карбоксилатного типа с увеличением концентрации в растворе органического сорастворителя в целом определяет заметный рост устойчивости их комплексов с ионами переходных металлов.

Установлено [5, 6], что монотонный рост устойчивости комплексов во всей области составов смешанного растворителя наблюдается в тех случаях, когда увеличение содержания органического сорастворителя приводит к ослаблению сольватации лиганда, а различие в изменении сольватации центрального и комплексного ионов невелико. Такая ситуация реализуется, например, при образовании комплексов d-металлов с лигандами аминного типа, ацетат-ионом [5, 6], а также с глицинат- и глицилглицинат-ионами, в водно-спиртовых растворах (рис. 3). В смесях с сильнокоординирующими растворителями, такими как диметилсульфоксид, изменение устойчивости комплексов с d-металлами зависит от действия двух сольватационных вкладов противоположной направленности. Ослабление сольватации лигандов способствует упрочнению их комплексов с ионами металлов, а стабилизация сольватной оболочки центрального иона в ДMSO дает противоположный вклад в смещение равновесия комплексообразования. Преобладание первого фактора в начальной области составов водно-диметилсульфоксидного растворителя, а при более высоком содержании DMSO – второго, обусловливает экстремальный (с максимумом) характер зависимости от состава растворителя вода–DMSO констант устойчивости комплексов d-металлов с аминами [5, 6]. Можно полагать, что аналогичные факторы обусловливают характер изменения устойчивости в водно-диметилсульфоксидных растворах глицилглицинатных комплексов d-металлов (рис. 3).

Термохимическое изучение реакций комплексообразования ионов d-металлов с глицинат- и глицилглицинат-ионами показало, что протекание данных процессов в водном растворе характеризуется высоким экзо-эффектом (∆Н_r = –17.6 [28], –24.6 [29], –18.3 [26] и –16.7 кДж/моль [30] для комплексов [AgG], [CuG]⁺, [NiG]⁺ и [NiGG]⁺ соответственно (µ = 0.1 M)), сопоставимым с изменением энтальпии образования аммиачных комплексов (∆Н_r = –16.2 [47] и –19.6 кДж/моль [48] для [NiNH₃]²⁺ и [CuNH₃]²⁺ соответственно (µ = 0.1M)).

При переходе к водно-органическим растворителям наблюдается увеличение экзотермичности реакций образования глицинатных и глицилглицинатных комплексов d-металлов (рис. 4). Изменение ΔН° сольватации ионов металлов в большинстве случаев не способствует росту экзотермичности реакций при переходе от воды к смешанным растворителям. Изменение энтальпии пересольватации глицинат- и глицилглицинат-ионов положительно во всей области составов водно-органических растворителей, в значительной мере определяет рост экзо-эффекта реакций комплексообразования (рис. 4), но в большей или меньшей степени компенсируется различиями в сольватации комплексного и центрального ионов:

Как показывают представленные на рис. 3 и 4 зависимости, рост в водно-органических растворителях отрицательных значений Δ_trG° и ∆_trH° реакций комплексообразования с глицинат- и глицилглицинат-ионами не превышает изменения соответствующих термодинамических параметров пересольватации лигандов, что соответствует закономерностям, установленным для аминных и ацетатных комплексов d-металлов [5, 6].

В работе [6] показано, что термодинамические характеристики реакции комплексообразования (∆_trY° = ∆_trG°, ∆_trH°) можно представить в виде функции двух переменных, а именно коэффициента различий (α_dif) и изменения термодинамического состояния лиганда:

Это соотношение позволяет по изменению сольватного состояния лиганда прогнозировать изменение устойчивости координационных соединений и энтальпии реакции их образования при замене одного растворителя на другой [6]. Показано [5, 6], что величина коэффициента различий зависит от природы лиганда и центрального иона и сохраняет постоянное значение во всем диапазоне составов водно-органического растворителя. Для процессов образования комплексов ионов d-металлов с аммиаком и алифатическими аминами величина α_dif изменяется в диапазоне 0.0–0.6 [5, 6], для реакций комплексообразования с ацетат-ионом α_dif лежит в диапазоне 0.6–0.8 [5, 6]. Расчет коэффициента различий для процессов комплексообразования глицинат-иона с ионами никеля(II), меди(II), марганца(II), цинка(II), серебра(I) показал (табл. 1) соответствие указанному для ацетатных комплексов диапазону значений α_dif. Был сделан вывод [5, 6], что диапазон значений α_dif = 0.6–0.8, применим для лигандов карбоксилатного типа. Однако рассмотрение процессов комплексообразования глицилглицинат-иона с ионами Ni(II), Cu(II), Co(II) показывает, что соотношение изменения энергии Гиббса реакций и пересольватации лиганда в водно-органических растворах определяется значением α_dif ≤ 0.6 (табл. 1). Коэффициент различий, рассчитанный через изменение энтальпии реакции образования глицилглицината никеля(II) в водно-диметилсульфоксидном растворе и изменение энтальпии пересольватации глицилглицинат-иона, также характеризуется величиной ниже диапазона значений, установленного для ацетатных [5, 6] и глицинатных комплексов (табл. 1).

Было рассчитано значение α_dif для процесса образования комплекса меди(II) с диглицилглицинат ионом (GGG^–) в водно-этанольном и водно-диметилсульфоксидном растворах. Значения ∆G  этой реакции взяты из работ [49, 50]. Изменение энергии Гиббса пересольватации диглицилглицинат-иона в водно-этанольных смесях рассчитали, используя данные по растворимости диглицилглицина [51], значения ∆_trG° протона [31], ∆G_r диссоциации диглицилглицина [52] в данном растворителе. Изменение энергии Гиббса пересольватации диглицилглицинат-иона в водно-диметилсульфоксидных смесях рассчитали, исходя из значений ∆_trG° диглицилглицина [53], ∆_trG° протона [31], ∆G_r диссоциации диглицилглицина [50] в данном растворителе.

Результаты расчетов показали, что значение α_dif для реакции образования комплекса меди(II) с диглицилглицинат-ионом в водных растворах этанола и диметилсульфоксида составляет 0.5 и 0.6 соответственно. Полагаем, что для глицилглицинатных, а также диглицилглицинатных комплексов d-металлов является общим диапазон значений α_dif = 0.3–0.6. Можно отметить, что в отличие от аминных комплексов [5, 6], для глицинатных и глицилглицинатных комплексов наблюдается совпадение (табл. 1) значений α_dif, рассчитанных через изменение энергии Гиббса и энтальпийные характеристики реакций и сольватации лигандов.

В работе [6] на основе сопоставления значений α_dif для процессов образования аминных, ацетатных и некоторых глицинатных комплексов сделан вывод о том, что увеличение коэффициента различий, а, следовательно, и увеличение различия в изменении сольватации центрального и комплексного ионов, происходит при переходе от нейтральных лигандов к заряженным и при увеличении размеров лиганда. Результаты данной работы показывают, что для заряженных N–O-донорных лигандов, образующих комплексы посредством атомов амино- и пептидной групп, диапазон значений коэффициентов различий соответствует установленным для комплексов с нейтральными лигандами аминного типа. Не происходит и увеличения значений α_dif при образовании комплексов в ряду [MeG]⁻–[MeGG]⁻–[MeGGG]⁻. При переходе от глицинатных к глицилглицинатным комплексам удаленность карбоксилатной группы и ее неучастие в координации приводят к уменьшению коэффициента различий до значений, соответствующих аминным комплексам. В пептидных комплексах с увеличением длины лиганда величина α_dif практически не изменяется, вероятно, в виду того, что в глицилглицинатных и диглицилглицинатных комплексах тип координации одинаков.

Таким образом, на примере образования глицинатных и глицилглицинатных комплексов d‑металлов, показана применимость общих закономерностей в изменении термодинамических параметров реакций в водно-органических растворах, установленных для аминных и ацетатных комплексов. Выявлены различия в долевом вкладе пересольватации глицинат- и глицилглицинат-иона в изменение термодинамических параметров реакций в смешанных растворителях, что позволило расширить возможности сольватационного подхода к описанию роли растворителя в реакциях комплексообразования с лигандами, имеющими пептидную группу.