Синтез, строение, биологическая активность и люминесцентные свойства координационных соединений меди(II), никеля(II), кобальта(II), бора(III) и алюминия(III) на основе трикетоноподобных лигандов : диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук : 02.00.01

Поликарбонильные соединения как мультидонорные лиганды для координации и распознавания металлов привлекают значительный интерес исследователей. Несмотря на то, что комплексообразующие свойства дикетонов изучаются со времен Альфреда Вернера, подобные соединения и их аналоги не теряют своей актуальности и по сей день. Лиганды на их основе способны образовывать индивидуальные и полимерные координационные системы разнообразного строения, обусловленного особенным распределением хелатирующих групп в пространстве. Разнообразие синтетических процедур для получения лигандов делает возможной комбинацию фрагментов β-дикетона в различных топологических структурах и позволяет вводить другие функциональные группы, что направленно изменяет дентатность и общую донорность лигандов, расширяя таким образом спектр возможных координационных соединений. Очевидно, что этот раздел координационной химии является актуальным и имеет большой потенциал развития.
Комплексы металлов и металлоидов с лигандами, содержащими в своей структуре дикетонные фрагменты, обладают специфическими физическими и химическими свойствами. Они обусловливают широкие возможности применения координационных соединений в различных областях: катализ органических и биохимических реакций, молекулярная электроника, включая молекулярные переключатели и молекулярный магнетизм, медицинские препараты и материалы. Координационные соединения на основе органических лигандов проявляют широкий спектр биологической активности и находят медицинское применение как в диагностике, так и в терапии инфекционных, вирусных, онкологических заболеваний и нарушений метаболизма. Интерес представляют также координационные соединения дикетонов с алюминием и дифторидом бора, обладающие молекулярной люминесценцией. Хотя свечение комплексов лантаноидов проявляется в более узких диапазонах длин волн, комплексы алюминия и бора имеют не меньшее значение вследствие более низкой стоимости и, в ряде случаев, высоких квантовых выходов.
Производные 2-гидроксихроман-4-онов, являющиеся родственными флавоноидам соединениями, вследствие кольчато-цепной таутомерии способны как существовать в
4
циклической форме, так и иметь тридентатную структуру (схема 1.1). Такое расположение донорных атомов является структурно подобным β,δ-трикарбонильным соединениям, но изменение электронного строения одной из дентатностей создает особенности комплексообразования с ионами металлов и металлоидов. Трикетоноподобная нециклическая структура 2-гидрокси-2-трифторметилхроман-4-онов позволяет формировать разнообразную гамму координационных соединений, как моноядерного, так и полиядерного строения (схема 1.1), что открывает широкие возможности для получения новых координационных соединений нетривиального и непредсказуемого строения.
Принимая во внимание, что в литературе практически отсутствует информация о комплексообразующей способности трикетоноподобных нециклических форм 2- гидрокси-2-трифторметилхроман-4-онов и их производных, настоящая работа расширяет спектр как хелатирующих органических лигандов с дентатностью два и более, так и комплексов на их основе. В связи с этим, данная работа является актуальной и представляет значительный интерес для области синтеза новых координационных
соединений.
хромоновая форма
трикетоноподобная форма
OH O OH CF3
R
R
O
OH
O CF 3
OH OMO
CF3
CF3
CF3 HOMOMO
CF3
5
R = H (1, H2L1), CH3 (2, H2L2), CF3 (3, H2L3) R’O O O
Mn+
(H2L7)
Mn+
OOO OOO MM MMM
R’ = CH3 (HL4),
O O O
(H2L6), OO
CF3
O O
CF3
O
CF3
CF3
CF3 CF3
OR’OO R’OOO MMM
Степень
Схема 1.1 разработанности темы
H3C O
HL5
исследования. Исследования комплексообразования металлов и металлоидов с β,δ-трикетонами и

трикетоноподобными соединениями и сведения о химических, физических и биологических свойствах комплексов немногочисленны. Однако они показывают высокую перспективность использования данного типа лигандов для получения комплексов нетривиального строения, обладающих биологическими, фотофизическими, магнитными и другими полезными свойствами.
Цель диссертационной работы:
Синтез координационных соединений меди(II), никеля(II), кобальта(II), бора(III) и алюминия(III) на основе трифторметилсодержащих трикетоноподобных лигандов и исследование биологической активности и фотофизических свойств полученных комплексов.
Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи:
1. Синтез координационных соединений исследуемых лигандов с ионами Cu(II), Ni(II), Co(II), B(III) и Al(III). Получение монокристаллов синтезированных комплексов, установление особенностей их строения методами элементного анализа, ИК- и ЯМР спектроскопии и рентгеноструктурного анализа (РСА).
2. Изучение кислотно-основных и комплексообразующих свойств исследуемых лигандов с ионами Cu(II), Ni(II) и Co(II) в водно-спиртовых растворах методом спектроскопии УФ и видимой области.
3. Исследование противовирусных, антибактериальных и противогрибковых свойств комплексов меди(II) и бора(III) in vitro в сравнении с лигандами.
4. Изучение спектрально-люминесцентных свойств комплексов алюминия(III) и бора(III).
Научная новизна и теоретическая значимость работы.
Впервые установлено, что нециклические формы 2-гидрокси-2- трифторметилхроман-4-онов и их производные являются эффективными хелатирующими лигандами при образовании координационных соединений с ионами 3d- металлов и p-элементов, выступая в качестве трикетоноподобных лигандов.
Получены комплексы меди(II) с 1,1,1-трифтор-4-(2-гидроксифенил)бутан-2,4- дионом (H2L1), 1,1,1-трифтор-4-(2-гидрокси-5-метилфенил)бутан-2,4-дионом (H2L2) и 1,1,1-трифтор-4-(2-гидрокси-5-трифторметилфенил)бутан-2,4-дионом (H2L3), 1,1,1- трифтор-4-(2-метоксифенил)бутан-2,4-дионом (HL4), 1,1,1-трифтор-4-(4-
6

метоксифенил)бутан-2,4-дионом (HL5) и методом РСА изучено их строение. Впервые показано, что исследованные лиганды формируют моноядерные комплексы как с цис-, так и транс-расположением лигандов и биядерные комплексы. Установлено влияние электронодонорной способности атома кислорода, находящегося в ароматическом кольце, на комплексообразующие свойства лиганда.
Впервые изучены кислотно-основные свойства соединений H2L1, H2L2, H2L3 и комплексообразующие свойства лигандов H2L1 и HL4 в водно-спиртовых растворах.
Синтезированы комплексы никеля(II) с лигандами H2L1, H2L4 и H2L5 и изучено их строение. Обнаружено, что в зависимости от расположения кислородсодержащего заместителя в ароматическом кольце лиганды могут образовывать как моноядерный, так и гептаядерный комплекс со структурой спирокубана.
Установлено, что реакции соединений 1–3 с эфиратом трехфтористого бора не позволяют получить координационные соединения, а приводят к дегидратации исходных реагентов. В то же время с использованием лигандов HL4, HL5, 1,2-бис-[2-(4,4,4- трифторбутан-1,3-дион)фенокси]этана (H2L6) и 1,2-бис-[2-(4,4,4-трифторбутан-1,3- дион)фенокси]пропана (H2L7) получены дикетонаты дифторида бора.
Получены комплексы алюминия(III) на основе H2L1, H2L2, HL4 и HL5 и методом РСА изучено их строение. Обнаружено, что в зависимости от электронодонорной способности атома кислорода, связанного с ароматическим кольцом, образуются как моноядерные комплексы, обладающие фотолюминесцентными свойствами, так и биядерные, которые таковыми не обладают.
Таким образом, методом РСА впервые изучено молекулярное и кристаллическое строение 4 лигандов и 21 комплексов.
Для комплексов алюминия(III) и бора(III) изучены спектрально-люминесцентные свойства.
Впервые изучена противовирусная, антибактериальная и противогрибковая активность соединений H2L1, HL4, HL5, H2L6, H2L7, комплексов меди(II) с соединениями H2L1, HL4, HL5 и антибактериальная активность комплексов дифторида бора с соединениями HL4, HL5. Показан высокий уровень защиты растений Nicotiana benthamiana от заражения Tobacco mosaic virus за счет инактивации вируса исследуемыми соединениями. Установлено, что комплексы проявляют противомикробные свойства,
7

демонстрируя низкие значения минимальной ингибирующей концентрации в отношении Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pectobacterium atrosepticum, Candida albicans. Оценка класса опасности лигандов и металлокомплексов, проведенная на беспородных белых мышах при внутрижелудочном введении на примере нескольких соединений показала их соответствие 5 классу токсичности согласно ГОСТ 32644-2014 [1].
Практическая значимость работы.
Кристаллографические данные 25 соединений включены в базу структурных данных Кембриджского кристаллографического центра и могут быть использованы для изучения соединений близкого строения и молекулярного моделирования.
Разработаны методики синтеза новых комплексов меди(II), никеля(II), кобальта(II), бора(III) и алюминия(III) на основе трикетоноподобных нециклических форм 2-гидрокси- 2-трифторметилхроман-4-онов и их производных.
Результаты исследования комплексообразования в растворах (стехиометрия, оптимальный диапазон pH образования комплексов) и данные о влиянии различных факторов на состав образующихся металлокомплексов (природа комплексообразователя, структура лиганда, в том числе положение заместителей, условия депротонирования, а также природа солиганда) могут служить основой для синтеза новых металлокомплексов на основе лигандов близкого строения.
Полученные данные по биологической активности исследованных соединений могут использоваться в направленном поиске сельскохозяйственных и медицинских препаратов. Четыре лиганда и два комплекса меди(II) рекомендованы для дальнейшего всестороннего изучения in vitro и in vivo, поскольку проявили высокий уровень активности и, следовательно, являются потенциальными медицинскими и сельскохозяйственными препаратами.
Достоверность полученных данных подтверждается сопоставлением полученных результатов с литературными данными и данными независимых стандартных методов. Анализ структуры, чистоты и состава получаемых соединений, а также исследование их свойств осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах Центров коллективного пользования Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ) и «Спектроскопия и анализ органических
8

соединений» Института органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения Российской академии наук (ИОС УрО РАН) такими методами, как ИК-Фурье спектроскопия, элементный анализ (ЭА), ЯМР спектроскопия, спектрофотометрия, флуориметрия, газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС). Рентгеноструктурный анализ (РСА) проводили в ИОС УрО РАН и в Научно- исследовательском центре «Курчатовский институт».
Методология и методы исследования.
Проведенные экспериментальные исследования и обсуждение полученных результатов соответствуют общепринятым методологиям неорганической химии: целенаправленный синтез и установление взаимосвязи строение − свойства. Подтверждение состава и строения полученных соединений проводили методами ЯМР спектроскопии, элементного анализа, ИК-Фурье спектроскопии, рентгеноструктурного анализа. Для установления влияния химического строения исследуемых органических соединений на их способность взаимодействовать с ионами металлов использовали методы изучения состава комплексов в растворе: методы молярных отношений и изомолярных серий. Для оценки противовирусной, антибактериальной и фунгицидной активности синтезированных соединений использовались общепринятые и описанные в литературе методы биологических исследований. Исследование спектрально- люминесцентных свойств растворов и твердых образцов проводили в соответствии со стандартными методиками.
На защиту выносятся следующие положения:
Данные по синтезу и строению комплексных соединений меди(II), никеля(II), кобальта(II), бора(III) и алюминия(III) на основе трикетоноподобных нециклических форм 2-гидрокси-2-трифторметилхроман-4-онов и их производных.
Результаты исследования кислотно-основных и комплексообразующих свойств в водно-спиртовых растворах.
Результаты исследования спектрально-люминесцентных свойств координационных соединений бора и алюминия.
Результаты исследования противовирусной, антибактериальной и противогрибковой активности, а также оценки острой токсичности комплексов в сравнении с лигандами.
9

Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие во всех этапах работы, включая сбор, систематизацию и анализ литературных данных по синтезу и свойствам комплексных соединений p-элементов (B, Al) и d-металлов (Cu, Ni, Co) с ди- , три- и поликетонами, постановку целей и задач исследования, планирование и выполнение экспериментов, в том числе и биологических испытаний, анализ и интерпретацию полученных данных, написание и оформление публикаций по результатам исследования. Обсуждение полученных результатов и написание научных статей проведено автором совместно с научным руководителем и соавторами.
Апробация работы. Основные результаты представлены диссертантом на конференциях регионального, всероссийского и международного уровня, в том числе на конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2008 г.), Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург, 2009 г.), Всероссийской молодежной Школе-конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (г. Москва, 2016 г.), The Fourth International Scientific Conference: Advances in Synthesis and Complexing (г. Москва, 2017 г.), XXVII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (г. Нижний Новгород, 2017 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы картофелеводства: фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Томск, 2018 г.), IX International Agriculture Symposium «AGROSYM 2018» (Jahorina, Bosnia and Herzegovina, 2018 г.). По материалам работы опубликованы 4 статьи в российских и международных журналах, 7 тезисов докладов.
Финансирование диссертационной работы проводилось при поддержке Российского научного фонда (грант No 16-16-04022), Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (задание No 4.6653.2017/8.9), Совета по грантам Президента Российской Федерации (стипендия Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, на 2018-2020 годы), а также при финансовой поддержке молодых ученых в рамках реализации программы развития УрФУ.
10

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 научных работах, в том числе в 4 научных статьях в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ (1 – в российском журнале, 3 – в зарубежных), 7 тезисах и материалов докладов научных конференций международного, российского и регионального уровней.
Структура диссертации. Диссертационная работа включает в себя введение, обзор литературы (глава 1), результаты и их обсуждение (глава 2), экспериментальную часть (глава 3), заключение, список цитируемой литературы из 211 наименований. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста и включает 16 схем, 33 таблицы, 73 рисунка.
Автор выражает благодарность и признательность своему научному руководителю к.х.н., доценту Пестову А.В. за чуткое руководство и всестороннюю поддержку; д.х.н., профессору Сосновских В.Я. за предоставленные для исследования соединения; к.х.н., доценту Глухаревой Т.В. и к.х.н. Калининой Т.А. за помощь в исследовании и обсуждении биологических свойств соединений; д.х.н., профессору Хрусталеву В.Н. (РУДН) и к.х.н. Слепухину П.А. (ИОС УрО РАН) за сотрудничество и проведение рентгеноструктурных исследований; Кривопалову С.А. (ИИФ УрО РАН) за исследование острой токсичности; к.х.н. Пузыреву И.С. (ИОС УрО РАН) за помощь в исследовании люминесцентных свойств.