Синтез, строение и биологическая активность координационных соединений элементов 4, 5, 14 и 15 групп с дикислородными лигандами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00426

НазваниеСинтез, строение и биологическая активность координационных соединений элементов 4, 5, 14 и 15 групп с дикислородными лигандами

Руководитель Приходченко Петр Валерьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-203 - Химия координационных соединений

Ключевые слова пероксид водорода, координационная химия, пероксосоединения, комплексные соединения, пероксокомплексы, дикислородные лиганды, неорганическая химия, комплексообразование, синтез, p-элементы, d-элементы

Код ГРНТИ31.17.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Координационные соединения, содержащие в качестве лигандов различные формы дикислорода (молекулярный кислород О2, супероксид-анион (О2)-, гидропероксид-анион ООН-, пероксид-анион (О2)2-), участвуют в ключевых биологических процессах живых организмов, в том числе обеспечивают клеточное дыхание, выполняют сигнальные и защитные функции, а также определяют гибель клеток. С другой стороны, дикислородные комплексы переходных металлов являются промежуточными соединениями в процессах селективного каталитического окисления органических соединений. Кроме того, реакции окисления с участием молекулярного кислорода зачастую связаны с образованием дикислородных комплексов на соответствующих координационных центрах. Несмотря на актуальность этой области координационной химии, которая подтверждается ежегодным ростом числа научных публикаций по данной тематике, ряд направлений в координационной химии дикислорода остается недостаточно исследованным. Так, относительно малоисследованным классом дикислородных комплексов остаются координационные соединения с гидропероксолигандами: структурно охарактеризованы только 20 таких соединений, что составляет лишь около 1% от структурных данных о дикислородных комплексах. Вместе с тем, известно, что протонированные дикислородные лиганды проявляют повышенную активность в каталитических процессах. Кроме того, координированные гидропероксогруппы вследствие их нуклеофильности способны реагировать с координационными центрами с образованием пероксомостиковых структур, высвобождая молекулу пероксида водорода. По-видимому, именно высокая реакционная способность гидропероксокомплексов обуславливает сложность их получения и изучения. Гидропероксокомплексы также способны диспропорционировать с образованием супероксопроизводных, которые могут быть стабилизированы за счет координации с р-элементом. Другим малоизученным классом координационных соединений остаются комплексы с органическими пероксидами, большинство из которых на данный момент представлены производными коммерчески доступных трет-бутил и кумил-пероксидов. Однако химия органических пероксидов бурно развивается в последнее время, и использование этих соединений в качестве лигандов для получения новых пероксокомплексов может способствовать решению задач их стабилизации при сохранении ряда полезных свойств, в том числе, высокой биологической активности. Также неисследованными являются дикислородные координационные соединения с пероксомостиковыми лигандами, соединяющими атомы переходного и непереходного элементов, при этом, такие структуры могут обладать высокой реакционной активностью, при сохранении стабильности за счет координации дикислорода с р-элементом. В данном проекте предполагается решить актуальную научную проблему, связанную с получением и исследованием физических, химических свойств и биологической активности новых стабильных координационных дикислородных соединений. В качестве элементов комплексообразователей предполагается использовать элементы 4, 5, 14 и 15 групп периодической системы, поскольку эти элементы устойчивы в высших степенях окисления, способны образовывать устойчивые дикислородные соединения с различными типами координации, и поэтому являются удобными объектами для реализации принципиально новых синтетических подходов, которые предполагается использовать для решения научных проблем и задач данного проекта. В качестве одного из таких синтетических подходов предполагается использование элементоорганических координационнных соединений, содержащих один или несколько гидроксолигандов, координированных с атомом элемента 4, 5, 14 или 15 групп периодической системы, поскольку подобные исходные системы реагируют с пероксидом водорода или органическими гидропероксидами без каких-либо дополнительных условий. Еще один новый подход заключается в использовании в качестве реагента концентрированного пероксида водорода и его растворов в безводных растворителях, что позволит получить и охарактеризовать ранее неизвестные пероксокомлпексы, например, координационные соединения, в которых один атом комплексообразователя координирован с двумя гидропероксогруппами. Важной задачей, которую предполагается решить в ходе выполнения данного проекта, является поиск новых соединений с биологической активностью. Для этого синтезированные комплексы будут исследованы на антигельминтную, фунгицидную, противовирусную, противомалярийную и противоопухолевую активность. Таким образом, решение научной проблемы и соответствующих научных задач, связанных с получением и исследованием физических и химических свойств новых стабильных координационных дикислородных соединений с высокой биологической активностью, подразумевает комбинирование подходов неорганической, органической, физической и координационной химии, которые предполагается реализовать в ходе выполнения данного проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Булдашов И.А., Медведев А.Г., Михайлов А.А., Чураков А.В., Лев О., Приходченко П.В. Non-covalent interactions of the hydroperoxo group in crystalline adducts of organic hydroperoxides and their potassium salts CrystEngComm, 24, 6101-6108 (год публикации - 2022)
10.1039/D2CE01017H

2. Приходченко П.В. ПОЛИЯДЕРНЫЕ ПЕРОКСОКОМПЛЕКСЫ Р-ЭЛЕМЕНТОВ Тезисы докладов IX Всероссийская конференция по химии полиядерных соединений и кластеров «Кластер-2022», С. 32 (год публикации - 2022)

3. Медведев А.Г., Михайлов А.А., Егоров П.А., Трипольская Т.А., Мельник Е.А., Лев О., Приходченко П.В. Полиядерные пероксокомплексы p-элементов - исходные системы для получения функциональных наноматериалов Тезисы докладов IX Всероссийская конференция по химии полиядерных соединений и кластеров «Кластер-2022», С.68 (год публикации - 2022)

4. Егоров П.А., Медведев А.Г., Приходченко П.В. Полиядерные соединений олова и свинца с органическими пероксолигандами Тезисы докладов IX Всероссийская конференция по химии полиядерных соединений и кластеров «Кластер-2022», с. 101 (год публикации - 2022)

5. Приходченко П.В., Булдашов И.А., Медведев А.Г., Михайлов А.А., Чураков А.В., Лев О. Structure-directing Role of Hydrogen Bonds of Hydroperoxo Groups in Crystalline Adducts of Organic and Inorganic Hydroperoxides Сборник тезисов 2-nd International Symposium "Noncovalent Interactions in synthesis, catalysis, and crystal engineering", Moscow, 14-16 November 2022, C. 33 (год публикации - 2022)

6. Медведев А.Г., Михайлов А.А., Чураков А.В., Гришанов Д.А., Лев О., Приходченко П.в. Noncovalent interactions in crystalline hydroperoxo complexes of p-block elements Сборник тезисов 2-nd International Symposium "Noncovalent Interactions in synthesis, catalysis, and crystal engineering", Moscow, 14-16 November 2022, С.101 (год публикации - 2022)

7. Медведев А.Г., Савельев О.Ю., Крутько Д.П., Михайлов А.А., Лев О., Приходченко П.В. Speciation of tellurium(VI) in aqueous solutions: Identification of trinuclear tellurates by 17О, 123Те and 125Te NMR spectroscopy Molecules, 27(24), 8654 (год публикации - 2022)
10.3390/molecules27248654

8. Приходченко П.В. КОМПЛЕКСЫ С ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА Материалы XII Международной научной конференции "Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения", с. 13-14 (год публикации - 2023)

9. Приходченко П.В. Комплексы с пероксидом водорода Сибирский химический симпозиум. СХС-2023, с. 36-37 (год публикации - 2023)

10. Приходченко П.В., Медведев А.Г. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ПРОЦЕССА В ПЕРОКСИДНЫХ СИСТЕМАХ Сборник тезисов докладов Седьмой международной конференции стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель 2023», Москва, 2023, 132 с., с. 17 (год публикации - 2023)

11. Егоров П.А., Гришанов Д.А., Медведев А.Г., Чураков А.В., Михайлов А.А., Оттенбахер Р.В., Брыляков К.П., Бабак М.В., Лев. О., Приходченко П.В. Organoantimony Dihydroperoxides: Synthesis, Crystal Structures, and Hydrogen Bonding Networks Inorganic Chemistry, Volume 62, Issue 25, 9912–9923 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.inorgchem.3c00929

12. Булдашов И.А., Медведев А.Г., Михайлов А.А., Чураков А.В.,Приходченко А.В. Сoordination and hydrogen bonding diversity of OOH ligand in crystalline organoelement and inorganic hydroperoxides Mendeleev Communications (год публикации - 2023)

13. Медведев А.Г., Егоров П.А., Михайлов А.А., Беляев Е.С., Киракосян Г.А., Горбунова Ю.Г., Филиппов О.А., Белкова Н.В., Шубина Е.С., Бреховских М.Н., Кирсанова А.А., Бабак М.В., Лев О., Приходченко П.В. Synergism of primary and secondary interactions in a crystalline hydrogen peroxide complex with tin Nature Communications, Том 15, 5758 (год публикации - 2024)
10.1038/s41467-024-50164-9

14. Егоров П.А., Майоров Н.С., Михайлов А.А., Медведев А.Г., Приходченко П.В. SnCl4 complexation with polyether ligands: crystal structures of [SnCl4(diglyme)], [SnCl4(H2O)2]3ꞏ2(15-crown-5) and [SnCl4(15-crown-5)]2ꞏEt2O Russian Journal of Coordination Chemistry (год публикации - 2024)

15. Егоров П.А., Медведев А.Г., Приходченко П.В. Hydrogen bonding in crystalline organotin(IV) and antimony(V) hydroperoxo complexes Сборник тезисов докладов III Международного симпозиума «Нековалентные взаимодействия в синтезе, катализе и кристаллохимическом дизайне» (год публикации - 2024)

16. Приходченко П.В. The key role of the hydrogen bonding with the second coordination sphere in complexes with hydrogen peroxide Сборник тезисов докладов III Международного симпозиума «Нековалентные взаимодействия в синтезе, катализе и кристаллохимическом дизайне» (год публикации - 2024)

17. Майоров Н.С., Егоров П.А., Медведев А.Г., Михайлов А.А., Фатюшина Е.В., Булдашов И.А., Приходченко П.В. Polymorphism of triphenylantimony(V) bis-cumylperoxide Structural Chemistry (год публикации - 2024)
10.1007/s11224-024-02434-x

18. Егоров П.А., Медведев А.Г., Приходченко П.В. Синтез и строение комплексов олова(IV) с пероксидом водорода Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024» (год публикации - 2024)

19. Егоров П.А., Медведев А.Г., Майоров Н.С., Приходченко П.В. Комплексы олова (IV) с молекулярным пероксидом водорода XV Конференция молодых учёных по общей и неорганической химии. Тезисы докладов (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный 2024 год получены следующие научные результаты. 1. Методом 1Н ЯМР спектроскопии охарактеризована устойчивость к гидролизу трифенил германий гидропероксида Ph3GeOOH и кумилпероксида трифенилгермания Ph3GeOOCMe2Ph в диметилсульфоксиде, толуоле и диметилформамиде в присутствии воды. Установлено, что гидроперококомплекс трифенилгермания быстро гидролизуется даже под воздействием остаточной воды в органическом растворителе. Показано, что комплекс трифенилгермания с кумилпероксидом значительно более устойчив к гидролизу по сравнению с Ph3GeOOH, что, по-видимому, обусловлено гидрофобностью координированного пероксидного лиганда. 2.Синтезирован и структурно охарактеризован бессольватный гидропероксид триметилолова полимерного строения, Me3SnOOH. Методом РСА, а также с привлечением DFT расчетов с периодическими граничными условиями охарактеризованы геометрические параметры и энергетические характеристики координационных и нековалентных взаимодействий с участием молекулы пероксида водорода и гидропероксидного лиганда в кристаллическом соединении олова(IV) Me3SnOOHꞏ0.5H2O2. Показано, что протонированный атом кислорода гидропероксолиганда, как и пероксид водорода, обладает пониженной координирующей способностью. Это первый пример координационного взаимодействия протонированного атома кислорода гидропероксолиганда с р-элементом. 3. Получены и охарактеризованы различными методами, в том числе, методом РСА новые комплексы висмута(V) с мостиковым пероксолигандом, (Ph3BiCl)2O2, третбутилпероксидом, Ph3BiClOOCMe3, кумилпероксидом, Ph3BiClOOCMe2Ph и 1,1’-пероксибис(1-гидропероксициклогексаном) Ph3BiCl(OO-C6H10-OO-C6H10-OOH). Показана ключевая роль хлоридного лиганда в стабилизации пероксокомплексов висмута(V). Синтезированы и структурно охарактеризованы две полиморфные модификации бис-кумилпероксида трифенилсурьмы(V), Ph3Sb(OOСMe2Ph)2, что является первым примером полиморфизма пероксокомплексов. На основании анализа структурных данных всех известных и полученных в ходе выполнения проекта пероксокомплексов р-элементов показано, что комплексы р-элементов с различными типами пероксолигандов (органические пероксолиганды, пероксолиганды, гидропероксолиганды) проявляют схожие координирующих свойства. 4. Исследована возможность получения координационных соединений с пероксомостиковыми лигандами, соединяющими атомы переходного (ванадий(V)) и р-элемента (кремний, германий, олово(IV)). Установлено, что пероксокомплексы, содержащие одновременно элементы 4 или 5 группы и 14 или 15 группы периодической системы с мостиковыми пероксолигандами неустойчивы и разлагаются с образованием соответствующих оксокомплексов. Так, из пероксидных прекурсоров получен и структурно охарактеризован комплекс ванадия(V) и германия(IV) VO(OGePh3)3. Получены экспериментальные данные, позволяющие предполагать образование комплекса, в котором атомы олова(IV) и ванадия(V) связаны мостиковым пероксолигандом. 5. Синтезирован и охарактеризован различными методами, включая РСА, пероксотитанат аммония состава (NH4)4Ti(O2)2∙6.4(H2O2)∙1.6(H2O). В кристаллической структуре данного соединения каждый атом кислорода пероксотитанат -аниона [Ti(O2)4]4- участвует в образовании водородных связей с двумя сольватными молекулами пероксида водорода. Это первый пример структурно охарактеризованного гомолептического пероксокомплекса титана(IV). Данное соединение перспективно для использования в синтезе высокодисперсных материалов на основе диоксида титана. 6. Синтезирован и структурно охарактеризован первый комплекс индия(III) с пероксидом водорода [mer-InCl3(H2O)2(H2O2)]∙18-краун-6. С использованием DFT расчетов с периодическими граничными условиями получены значения энергий координационной и водородных связей с участием лиганда Н2О2. Как и в случае с ранее полученными комплексами олова(IV) с пероксидом водорода, ключевую роль в стабилизации комплекса индия(III) играют водородные связи лиганда Н2О2 с хлоридным лигандом и второй координационной сферой -молекулой краун-эфира. 7. Предложено объяснение вероятного механизма координации пероксида водорода с металлоцентрами ферментов. Анализ структурных данных и квантово-химические расчеты для модельных комплексов олова(IV) показали наличие кооперативного (синергетического) эффекта между координационной связью пероксида водорода с атомами олова(IV) и водородными связями, которые образует пероксид водорода со второй координационной сферой. Водородные связи не только сами стабилизируют образующуюся структуру, но и усиливают координационную связь. Это объясняет, почему координация пероксида водорода, хотя и невозможна в водных растворах в равновесных условиях, широко распространена в природе. В пероксидазах расстояние от металлоцентра до протоноакцепторной группы (Fe···N His42 ) составляет примерно 5,7 Å, что слишком велико для активации воды, но подходит для активации пероксида водорода. Таким образом, водородная связь Fe-O(H)-OH···N стабилизирует координацию пероксида водорода с атомом железа гемопротеина. 8. Исследована противоопухолевая активность комплексов олова, кремния, германия c гидропероксо-, пероксо- и органопероксолигандами и их гидроксо- аналогов (19 соединений) по отношению к пяти клеточным линиям колоректального рака и одной здоровой клеточной линии фибробластов легких (MRC5). Согласно полученным данным, соединения олова обладают высокой активностью. Показано, что комплексы германия(IV) с пероксолигандами обладают наиболее высокими показателями селективности среди всех исследованных соединений. Вместе с тем, основной проблемой использования пероксокомплексов р-элементов как противоопухолевых препаратов является их склонность к гидролизу с образованием соответствующих гидроксопроизводных. В этой связи, перспективным направлением представляется синтез и исследование противоопухолевой активности стабилизированных наночастиц на основе пероксидов р-элементов, и получение и исследование комплексов, содержащих значительное число гидрофобных групп около пероксидного лиганда, например комплексы с органическими пероксидами. По результатам выполненной работы в 2024 году опубликованы три статьи в рецензируемых изданиях: Nature Communications, Russian Journal of Coordination Chemistry и Structural Chemistry. Новостная заметка об исследованиях размещена на сайте Российского научного фонда и в аккаунтах Фонда в социальных сетях (https://rscf.ru/news/chemistry/uchenye-predlozhili-novyy-podkhod-k-polucheniyu-kompleksov-peroksida-vodoroda-s-metallom), сайте РАН, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, научном микроблоге Минобрнауки России, а также ряде других популярных средств массовой информации (Коммерсант, Научная Россия, Поиск, Индикатор, InScience, Mendeleev.info, Дзен).

Публикации

Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта разработаны фундаментальные основы получения комплексов элементов 4,5, 15 и 15 групп с различными типами дикислородных лигандов – пероксо-, гидропероксо-, органопероксо-, супероксолигандами и пероксидом водорода. Создан научный задел для последующего использования данных соединений в наукоемких технологиях.