Журнал неорганической химии, 2019, T. 64, № 2, стр. 190-195

ВВЕДЕНИЕ

Яблочная кислота HOOCCH₂CH(OH)COOH (H₂mal, соли – малаты) относится к биологически важным гидроксикислотам. Ее разнообразные свойства, в том числе антиоксидантные, кислотные и способность к комплексообразованию, широко используются в медицине и фармакологии. В связи с поиском новых лекарственных препаратов большой интерес представляет способность анионов яблочной кислоты образовывать координационные соединения с ионами биологически активных d-элементов. Для малатного комплекса ванадия(IV) подтверждена выраженная гипогликемическая активность [1, 2], что делает соединения такого типа чрезвычайно перспективными для создания антидиабетических средств. Однако в связи с малой устойчивостью полученного соединения, описанного в [1] как моноядерный комплекс бис(L-малато)оксованадия(IV), его структура не установлена методом РСА. При синтезе подобных координационных соединений часто существует проблема получения устойчивых интермедиатов с ионами металлов.

Возможности координации с ионами металлов яблочной кислоты и ее анионных форм связаны с наличием трех функциональных центров – двух карбоксильных и одной гидроксильной групп. Несимметричное расположение гидроксильной группы в молекуле относительно карбоксильных групп приводит к поляризации анионных форм и создает возможность их различного ион-дипольного ориентирования при образовании координационных соединений с ионами металлов. Это позволяет анионам яблочной кислоты в качестве лигандов образовывать как моно-, так и полиядерные координационные соединения. При определенном расположении функциональных групп в этих лигандах легко образуются хелатные комплексы с ионами металлов. Хелатные структуры с катионами металлов представляют большой интерес в связи с их ролью в кислотном катализе [3].

Некоторые вопросы, связанные с получением устойчивых координационных соединений с анионами яблочной кислоты, требуют детального рассмотрения. Один из таких вопросов относится к влиянию пространственного расположения функциональных карбоксильных и гидроксильных групп на хелатирующие возможности лигандов при образовании комплексов с ионами металлов. Другой связан с формированием координационных соединений анионами яблочной кислоты, в том числе и за счет атомов кислорода гидроксильной группы, которое проводят в кислой среде. Это условие не согласуется с ограничением депротонирования гидроксильной группы, происходящим только в сильнощелочной среде.

Задачей настоящей работы являлось исследование особенностей координации анионных форм яблочной кислоты к ионам металлов-комплексообразователей методами квантовой химии с целью интерпретации экспериментальных данных.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Квантово-химическое моделирование соединений с расчетами термодинамических характеристик и учетом влияния растворителя в рамках модели поляризуемого континуума (PCM) [4, 5] выполнено по программному комплексу GAUSSIAN’09 [6] методом DFT M06 [7] в базисе 631G(d,p) [8, 9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате квантово-химического моделирования получены четыре устойчивых геометрических изомера яблочной кислоты (I–IV) с разным взаимным расположением О= и Н–О-групп двух карбоксильных и одного гидроксильного центров и рассчитанными значениями энергии Гиббса с учетом растворителя (∆G° + ∆E_solv), различающимися в пределах 16 кДж/моль (табл. 1). Три изомера (I, II, IV) имеют хелатное строение за счет сближения атомов кислорода концевых карбоксильных групп и один – цепочечное строение (III). Пространственное расположение функциональных групп этой кислоты, по всей видимости, должно влиять на координационные возможности ее анионов в комплексах.

Обычно полагают, что кислотные свойства яблочной кислоты обусловлены преимущественно диссоциацией карбоксильных групп. Поэтому ее часто относят к двухосновным гидроксикарбоновым кислотам и обозначают H₂mal, включая протон гидроксильной группы в анион mal^2–. Авторами [10] уточнены экспериментальные значения рK_а для кислотной диссоциации этой кислоты: рK_а1 = 3.26, рK_а2 = 4.78. Диссоциация протона гидроксильной группы, по результатам этой работы, характеризуется значением рK_а3 = 12.34.

Для простоты изложения присвоим следующие номера центрам депротонирования яблочной кислоты: Н₍₁₎O₍₁₎OCCH₂CHO₍₃₎H₍₃₎COO₍₂₎H₍₂₎. Согласно полученным квантово-химическим данным, в реакции кислотной диссоциации наименьшее значение (∆G° + ∆E_solv) = 146 кДж/моль соответствует переносу протона $Н _{{({\text{1}})}}^{ + }$ к молекуле растворителя Н₂О от карбоксильной группы хелатного изомера II. В результате образуется анионная система (II-H₁), наиболее стабилизированная водородными связями (рис. 1).

Рис. 1.

Хелатная структура аниона Hmal^– (II-H₁).

В анионе (II-H₁) расстояния между атомами кислорода внутри каждой карбоксильной группы составляют 2.22–2.26 Å. Близкое расположение лигандных атомов, а также большая подвижность протона ${\text{H}}_{{\left( {\text{2}} \right)}}^{ + },$ позволяющая ему мигрировать между атомами O₍₁₎ и O₍₂₎, способствуют координации аниона Hmal^– к металлу-комплексообразователю как одним, так и двумя атомами кислорода любой карбоксильной группы. В результате с различными ионами металлов, как в случае обычных карбоновых кислот [11–14], могут формироваться координационные соединения, в которых анионы яблочной кислоты могут выступать в роли моно- и бидентатных лигандов.

Процесс отрыва протона ${\text{H}}_{{\left( {\text{3}} \right)}}^{ + }$ от гидроксильной группы нуждается в более значительных энергетических затратах. Образование модельного аниона (II-H₃) в этом процессе требует 261 кДж/моль, а для анионов других молекулярных изомеров это значение увеличивается до 290–300 кДж/моль. В структурах последних следует отметить неожиданный эффект существенного увеличения межатомных расстояний между атомами углерода в центральной части анионов –CH₂–CHO₍₃₎– по сравнению с таковыми в нейтральных геометрических изомерах I–IV и анионе (II-H₁) (табл. 1), который может оказывать влияние на устойчивость этих лигандов в составе координационных соединений.

В анионах [H₍₁₎O₍₁₎OC–CH₂–CHO₍₃₎–COO₍₂₎–]^2–, происходящих от молекулярных изомеров I, III и IV, при одновременном отсутствии протонов ${\text{H}}_{{\left( {\text{2}} \right)}}^{ + }$ и ${\text{H}}_{{\left( {\text{3}} \right)}}^{ + }$ у близко расположенных карбоксильной и гидроксильной групп следует отметить большую электронную избыточность в области нахождения трех атомов кислорода. По данным распределения электронной плотности, там локализовано ~80% отрицательного заряда аниона. Протон ${\text{H}}_{{\left( {\text{1}} \right)}}^{ + }$ карбоксильной группы аниона, происходящего от хелатных изомеров указанной группы, развернут в противоположную сторону от области избыточного отрицательного заряда. Поэтому единственным путем для выравнивания электроотрицательности атомов [15] в анионной системе является перемещение избыточной электронной плотности вдоль линии связи –CH₂ ← CHO₍₃₎COO₍₂₎–. Однако по мере накопления отрицательного заряда в области связывания начинают возрастать силы электростатического отталкивания групп атомов. Это приводит к увеличению межатомных расстояний, уже отмеченному ранее для однозарядных анионов (табл. 1). В случае анионов [H₍₁₎O₍₁₎OC–CH₂–CHO₍₃₎–COO₍₂₎–]^2– квантово-химическое моделирование указанных изомерных форм показало, что еще бóльшая избыточность электронной плотности может приводить к распаду двухзарядного аниона на два фрагмента – [H₍₁₎O₍₁₎OCCH₂]^– и [CH(O₍₃₎)COO₍₂₎]^–.

Вместе с тем структура модельного аниона с депротонированными карбоксильной и гидроксильной группами (II-H₂–H₃) (рис. 2), ведущего свое происхождение от хелатного молекулярного изомера II, оказалась устойчивой лишь при немного увеличенном значении R(C–C) = 1.572 Å. В этом анионе благодаря миграции подвижного протона ${\text{Н }}_{{({\text{1}})}}^{ + }$ в область наибольшего отрицательного заряда за счет Н-связи достигается более равномерное распределение электронной плотности. Миграции протона особенно способствует хелатная конформация (II) яблочной кислоты, в которой расстояние между атомом Н₍₁₎ карбоксильной группы и атомом О₍₂₎ другой карбоксильной группы минимально.

Рис. 2.

Анион mal^– (II-H₂–H₃) c учетом растворителя.

Анион mal^2– потенциально обладает высокой комплексообразующей способностью за счет трех атомов кислорода. Экспериментально доказано, что в координационных соединениях с ионами металлов он образует бидентатные связи обеими карбоксильными группами, карбоксильной и гидроксильной группами одновременно [16–19], а также тридентатные связи за счет двух карбоксильных и одной гидроксильной групп [20–24]. Ранее было отмечено, что депротонирование яблочной кислоты по всем трем кислородным центрам возможно только при высоких значениях рН. При этом в большинстве случаев ион металла-комплексообразователя будет образовывать малорастворимые гидроксосоединения различного типа, в том числе и полимерные. Поэтому обычно синтез координационных соединений с анионами яблочной кислоты проводят в кислой среде [19]. Однако, исходя из величины экспериментальной характеристики рK_а3 = 12.34 для яблочной кислоты [10], процесс комплексообразования одновременно карбоксильной и гидроксильной группами кажется нереализуемым в кислой среде.

Очевидно, что в условиях кислой среды образование координационных соединений ионов металла за счет их донорно-акцепторной связи с атомом кислорода гидроксильной группы яблочной кислоты не может быть связано с обычным процессом кислотной диссоциации ее третьего протона. Оно происходит только в процессе конкурентного замещения более электроположительным, чем протон, ионом металла-комплексообразователя. Ион металла снимает электростатическое напряжение в центральной части лиганда, образуя донорно-акцепторные связи с атомами кислорода, и предотвращает его распад, оттягивая на себя излишнюю электронную плотность. Внедрение иона металла в область наибольшего отрицательного заряда в данном случае ингибирует распад аниона яблочной кислоты [3].

В качестве примера устойчивой структуры с бидентатной координацией аниона mal^2– карбоксильной и гидроксильной группами была получена оптимизированная модельная структура комплексного аниона [V^V(O)₂(mal)]^– (рис. 3). Этот анион является прототипом окисленной части биядерного смешановалентного соединения [(O)(phen)₂V^IV(μ-O)V^V(O)(phen)(mal)]⁺, полученного и исследованного методом РСА в работе [19]. В свободном катионе диоксованадила (VO₂)⁺ рассчитанный положительный заряд на ванадии составляет 1.54 е, что делает ион ванадия(V) более электроположительным центром, чем протон. Образование донорно-акцепторных связей (VO₂)⁺ с атомами кислорода приводит к оттягиванию электронной плотности из центральной области –CH₂–CH(O)– лиганда mal^2– и формированию устойчивого хелатного пятичленного цикла. При образовании комплексов этого типа процессу конкурентного замещения третьего протона кислоты ионом металла способствуют близость расположения координирующихся атомов кислорода карбоксильной и гидроксильной групп и хелатная структура самого аниона, в которой электронное распределение более равномерно за счет образования водородной связи между атомами кислорода карбоксильных групп. Примеры координационных соединений, в которых анион mal^2– действует как би- и тридентатный лиганд, образуя устойчивые пятичленные циклы с ионами металлов, а также благодаря своей протяженности связывает различные координационные полиэдры [25], представлены на рис. 4.

Рис. 3.

Структура модельного комплекса [V^V(O)₂(mal)]^– с бидентатной координацией аниона mal^2– атомами кислорода карбоксильной и гидроксильной групп.

Рис. 4.

Схематическое представление би- и тридентатной координации анионов яблочной кислоты к иону металла [25].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное в работе квантово-химическое моделирование яблочной кислоты и ее анионных форм показало, что перенос протона гидроксильной группы, происходящий только в щелочной среде, требует больших энергетических затрат. При отсутствии протонов одновременно у карбоксильной и гидроксильной групп выявлен эффект значительного ослабления связи С–С в центральной части аниона, обусловленный большой электронной избыточностью в этой области. Установлено, что в стабилизации анионных форм кислоты большую роль играет образование водородных связей.

Экспериментально доказанная способность формирования яблочной кислотой координационных соединений ионов металлов в кислой среде посредством гидроксильной группы объясняется тем, что образованию донорно-акцепторных связей предшествует не диссоциация протона, а процесс его конкурентного замещения более электроположительным катионом металла. Комплексообразование снимает электростатическое напряжение в центральной части аниона mal^2– посредством оттягивания избытка электронной плотности. На примере модельного соединения [V^V(O)₂(mal)]^– с бидентатной координацией аниона mal^2– атомами кислорода карбоксильной и гидроксильной групп продемонстрирована возможность образования устойчивого пятичленного цикла: металл–анион яблочной кислоты. Процессу конкурентного замещения протона гидроксильной группы яблочной кислоты ионом металла способствует близость расположения координирующихся атомов кислорода карбоксильной и гидроксильной групп в хелатной структуре аниона.