eötvös loránd universityteo.elte.hu/minosites/ertekezes2008/bogdan_cs.pdf · 2019. 2. 22. ·...

Etán- és propánvázon szubsztituált

oligofoszfonátok és oligofoszfono-karboxilátok

protonálódásának és fémkomplexeinek vizsgálata

Doktori (PhD) értekezés

Bogdán Csilla

Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémia Doktori Iskola

Analitikai, kolloid- és környezetkémia, elektrokémia doktori program

A doktori iskola vezetője: Dr. Inzelt György egyetemi tanár, D. Sc.

Doktori programvezető: Dr. Záray Gyula egyetemi tanár, D. Sc.

Megbízott témavezető: Dr. Szakács Zoltán egyetemi tanársegéd, Ph. D.

Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai Intézet

Magyar Tudományos Akadémia, KFKI,

Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

2007

Köszönetnyilvánítás

Szeretnék köszönetet mondani mindazoknak akik segítettek a kutatásban és az értekezés

elkészítésében.

Köszönetet mondok Dr. Gaizer Ferencnek, aki bevezetett e szakterület rejtelmeibe, a kísérleti

munkát figyelemmel kísérte, irányította és tudásával, szakmai tapasztalatával segítette a kutatást.

Külön köszönet illeti témavezetőmet, Dr. Szakács Zoltánt aki tudásával, tapasztalatával,

nyitott emberi magatartásával és türelmével segítette a munkám minden lépését.

Köszönetet mondok Dr. Péczely Gábornak a Pécsi Tudományegyetem Szervetlen Kémiai

Tanszék munkatársának a vegyületek szintézisében nyújtott segítségért.

Köszönöm Dr. Bodor Andreának az NMR mérésekben és a kiértékelésekben nyújtott elméleti

és gyakorlati segítségét.

Köszönettel tartozom a KFKI Részecske – és Magfizikai Kutatóintézet Magfizikai Főosztály

vezetőjének, Dr. Nagy Dénes Lajosnak és a főosztály minden munkatársának, emberi és erkölcsi

támogatásukért.

Nem utolsó sorban köszönöm családomnak a sok biztatást, türelmet és megértést.

Tartalomjegyzék

1 Bevezetés...................................................................................................................... 1

1.1 Célkitűzések........................................................................................................... 2

2 Irodalmi előzmények ................................................................................................... 4

2.1 Oligofoszfonsavak és oligofoszfono-karbonsavak előállítási módszerei ................. 4

2.2 Komplex egyensúlyok leírása és vizsgálata ............................................................ 7

2.2.1 Protonálódási egyensúlyok .......................................................................... 7

2.2.2 Komplexképződési egyensúlyok.................................................................. 8

2.2.3 A potenciometriás titrálás ............................................................................ 9

2.3 A foszfonsavak egyensúlyi kémiája...................................................................... 10

2.3.1 A foszfonsavak aciditása............................................................................ 11

2.3.2 Oligo-foszfonátok és foszfono-karboxilátok fő protonálódási útvonalai ..... 12

2.3.3 A foszfonsavak komplexképző tulajdonságai............................................. 14

2.3.3.1 A foszfonátcsoport koordinációs tulajdonságai............................ 14

2.3.3.2 A foszfonátok fémkomplexei ...................................................... 15

2.3.3.3 A foszfonsavak protonált komplexei ........................................... 16

2.4 A vizsgált vegyületek gyakorlati alkalmazási területei.......................................... 17

2.4.1 Ipari alkalmazások..................................................................................... 17

2.4.2 Gyógyászati alkalmazások......................................................................... 18

2.4.3 Alkalmazás a fényképészetben................................................................... 19

2.4.4 Alkalmazás tisztítószerek adalékanyagaként .............................................. 19

2.4.5 Mezőgazdasági alkalmazás ........................................................................ 20

3 A kísérleti munkában felhasznált anyagok és módszerek........................................ 23

3.1 Felhasznált vegyszerek......................................................................................... 23

3.2 A vizsgált vegyületek előállítása .......................................................................... 23

3.2.1 Etán-1,1,2-trifoszfonsav (ETP) .................................................................. 24

3.2.2 2,3-difoszfono-propánsav (PDPMC).......................................................... 24

3.2.3 2,3-difoszfono-butándisav (EDPDC) ......................................................... 25

3.2.4 2-foszfono-butándisav (EMPDC)............................................................... 26

3.2.5 1-foszfono-1,2,3-propán-trikarbonsav (PMPTC)........................................ 27

3.2.6 Difoszfonometil-propán-dikarbonsav (PDPDC)......................................... 28

3.2.7 1,1,2-etán-trikarbonsav (ETC) ................................................................... 29

3.3 Potenciometriás titrálások .................................................................................... 30

3.3.1 A protonálódási állandók meghatározása ................................................... 30

3.3.2 Fémkomplex-képződés tanulmányozása .................................................... 30

3.4 NMR-pH titrálások .............................................................................................. 31

4 Kísérleti eredmények és értékelésük......................................................................... 32

4.1 A vizsgált vegyületek sav-bázis tulajdonságai ...................................................... 32

4.1.1 Az etán-1,2-difoszfono-1,2-dikarbonsav NMR-pH titrálása ....................... 37

4.2 A ligandumok fémkomplex-képzése .................................................................... 43

4.2.1 Nikkel(II)-komplexek ................................................................................ 50

4.2.2 Réz(II)-komplexek..................................................................................... 53

4.2.3 Cink(II)-komplexek ................................................................................... 56

4.2.4 Kadmium(II)-komplexek ........................................................................... 58

4.2.5 Kalcium(II)-komplexek ............................................................................. 60

4.3 A komplexképzés áttekintő értékelése .................................................................. 63

5 Összefoglalás, új tudományos eredmények .............................................................. 65

6 Irodalomjegyzék ........................................................................................................ 66

6.1 Az értekezés alapját képező közlemények ............................................................ 66

6.2 Konferenciaelőadás.............................................................................................. 66

6.3 Hivatkozott irodalmak jegyzéke ........................................................................... 66

7 Összefoglalás.............................................................................................................. 73

8 Summary ................................................................................................................... 74

1

1 Bevezetés

Az élő szervezetben jelen lévő szerves C—P kötés bioszintézisét véglények, gombák és

kagylók esetében figyelték meg, például a Tetrahymena nevű véglény csillóit alkotó

foszfolipidek 50-75%-a foszfonolipid [1]. 1959-ben Horiguchi és Kandatsu a juh bendőjében

előforduló csillós véglényből 2-aminoetil-foszfonsavat izolált [2]. Az ezt követő kutatások során

ismertté vált, hogy a szerves foszfonátok, illetve foszfono-karboxilátok változatos biológiai

hatásokkal és gyakorlati jelentőséggel rendelkeznek. A foszfono-hangyasav Foscarnet néven

terjedt el a gyógyszeriparban, mint a Herpes vírusok több fajtájának hatásos ellenszere [3]. A

foszfono-ecetsavról már az 1970-es években ismertté vált, hogy több enzim inhibítora, szintén a

Herpes Symplex vírus ellen alkalmazzák [4]. A foszfonátok enziminhibíciós hatása gyakran azon

alapul, hogy aminosavak és peptidek amidcsoportjának enzimatikus átalakulásakor fellépő

tetraéderes intermedierrel strukturális analógiát mutatnak. A klinikai radiodiagnosztikai

módszerek elterjedése számos új ligandum előállítását és komplexkémiai tulajdonságaik

termodinamikai és kinetikai vizsgálatát tette szükségessé. A csontszcintigráfiai alkalmazásokban

– a kalciumionnal szembeni nagy affinitásuk miatt – különösen fontosak az oligofoszfono-

karbonsavak nagy stabilitású és inert fémkomplexei, melyekből gátolt a toxikus radionuklid

kiszabadulása [5, 6].

Az oligo(foszfono/karboxilátok) kitűnő kelátképzését felhasználják még többek között nem

kívánt csapadékok, lerakódások (például vízkő) képződésének megakadályozására, nyomelemek

bevitelére a szervezetbe vagy éppen toxikus fémionok eltávolítására a szervezetből

(detoxifikáció) vagy talajokból (remediáció). Mivel e vegyületek ellenállnak a biodegradációnak

[7], különösen fontos környezetbeli sorsuk nyomon követése és modellezése. Ez adja a vizes

közegű speciációs tanulmányok jelentőségét.

Az Eötvös Loránd Tudományegyetem volt Tanárképző Főiskolai Karának Kémiai Tanszékén

lehetőségem nyílt megismerkedni a komplex egyensúlyok tanulmányozására szolgáló alapvető

és nagy pontosságú módszer, a potenciometriás titrálás gyakorlatával és számítógépes

programmal [8, 9] segített tervezésének, kiértékelésével. Dr. Gaizer Ferenc egyetemi tanár

irányításával szerves oligofoszfonsavak, illetve foszfono-karbonsavak protonálódási és

komplexképzési egyensúlyainak vizsgálatába kapcsolódtam be [10]. A düsseldorfi Heinrich

Heine Egyetemen Dr. Gerhard Hägele professzor és kutatócsoportja már régóta tanulmányozzák

e vegyületek előállítását, szerkezetét, protonálódási és (kisebb volumenben) fémkomplexképzési

2

egyensúlyait pH-metriás és NMR titrálásokkal [11], így e korábbi együttműködés folytatásaként

inspiratív és hasznos információkhoz juthattam hozzá.

A választás azért esett az etán- és a propánvázon szubsztituált oligofoszfonsavakra és az

oligofoszfono-karbonsavakra, mert szakirodalmuk áttekintése során megállapítottuk, hogy az

egyre szélesebb gyakorlati alkalmazásaik alapjául szolgáló komplexképző tulajdonságaikra csak

elvétve találhatók megbízható adatok. Az eddigi egyensúlyi vizsgálatok elsősorban aminoalkil-

foszfonsavakra [12, 13, 14], alkil- vagy aril-difoszfonsavakra [15, 16], valamint monofoszfono-

monokarbonsavakra [17] korlátozódtak.

Ennek valószínű okaként említhető, hogy az oligofoszfonátok egyensúlyi vizsgálata számos

metodikai és elméleti problémát vet fel.

1. Számos hasonló bázicitású, de nem szimmetriaekvivalens csoport protonálódása átfedő

pH-tartomány(ok)ban zajlik, amelyek teljes jellemzése csak mikroegyensúlyi leírással

lehetséges.

2. Fémkomplexeikben a különböző helyzetű donorcsoportok változatos koordinációs

módokra és szerkezeti izomerek kialakulására adnak lehetőséget, amelyek között néha

spektroszkópiai módszerekkel is nehéz különbséget tenni [18]. A koordinált foszfonát-

csoport ezenkívül H+ megkötésére is képes, így protonált fémkomplexek is kiala-

kulhatnak.

3. Érdekes különlegessége e vegyületeknek, hogy zavaró kölcsönhatásba léphetnek az

üvegelektróddal: „elektródmérgek” [19].

1.1 Célkitűzések

Komplex egyensúlyi mérések céljára hét polisavat választottunk ki, köztük az alkalmazott

kémia szempontjából is jelentős vegyületekkel (lásd: 2.4. fejezet). A molekulák etán- és

propánvázon szubsztituált oligofoszfonsavak és olyan oligofoszfono-karbonsavak, amelyek

vicinális, illetve geminális helyzetben, különböző számban és arányban tartalmazzák ezen

funkciós csoportokat (1.1. ábra). Összehasonlítás céljából az etánvázas trikarbonsavat is

megvizsgáltuk.

Mivel a vegyületek többsége kereskedelmi forgalomban nem kapható, célul tűztük ki

előállításukat irodalmi receptek alapján, illetve azok továbbfejlesztésével.

Potenciometriás titrálással makroszkopikus szinten jellemezzük a vegyületek sav-bázis

tulajdonságait (a protonálódási állandók és részecskeeloszlás meghatározása).

3

Egy kiválasztott vegyület, a szimmetrikus EDPDC esetén arra voltunk kíváncsiak, hogy a

funkciós csoportok protonálódási sorrendje hogyan tükröződik a multinukleáris (1H, 13C, 31P)

NMR paraméterekben.

Munkánk legfontosabb célja, hogy standardizált körülmények között határozzuk meg hét

vegyület komplexeinek sztöchiometriáját és stabilitási állandóit biológiai fontosságú (Cu2+, Zn2+,

Ni2+) és toxikus (Cd2+) átmenetifémionokkal, valamint – a vízkő megelőzésére szolgáló

alkalmazásokra tekintettel – kalciumionokkal és következtetéseket vonjunk le arra nézve, hogyan

befolyásolja a funkciós csoportok minősége, száma és helyzete a fémion-affinitást.

P O 3 H 2

C H C H 2

P O 3 H 2

H C

P O 3 H 2

P O 3 H 2

PTP

C H C H 2

PO 3 H 2 PO 3 H 2

PO 3 H 2

ETP

CH CH2

PO3H2 PO3H2

COOH

EDPMC

CH CH

PO3H2

PO3H2COOH

CH2

COOH

PDPDC

CH CH

PO3H2 PO3H2

COOH COOH

EDPDC

CH CH2

COOH COOH

PO3H2

EMPDC

CH CH

PO3H2

COOH COOH

CH2

COOH

PMPTC

CH CH2

COOH COOH

COOH

ETC

1.1. ábra. A vizsgált vegyületek szerkezete és rövidített neve (a szisztematikus neveket lásd a 3. fejezetben)

4

2 Irodalmi előzmények

Az alábbiakban az általunk vizsgálandó vegyületcsalád főbb előállítási lehetőségeit tekintjük

át, majd a komplex egyensúlyok leírására szolgáló alapvető összefüggések és módszer, a pH-

metriás titrálás ismertetése következik. Ezután áttekintjük a foszfonátok sav-bázis tulajdonságait

(beleértve a protonálódási szekvenciák tanulmányozását is), majd a koordinációs sajátságok

összefoglalása következik. A fejezet a vegyületcsalád széleskörű gyakorlati alkalmazásainak

bemutatásával zárul.

2.1 Oligofoszfonsavak és oligofoszfono-karbonsavak előállítási módszerei

Az alkilfoszfonsav-észterek előállítására vonatkozó első közlemények az 1870-es évekből

származnak [20]. 1897-ben Michaelis és Becker [21] azt tapasztalta, hogy a dialkil-foszfitokból

– amelyek foszfor-triklorid és primer-alkoholok lúgos közegben végbemenő reakciója során

keletkeznek – fémnátriummal történő kezelés hatására nátrium-dialkil-foszfitok képződnek. A

keletkező nátriumvegyület alkil-halogeniddel könnyen alkilezhető, így egy alkil-monofoszfonsav

dietilésztere keletkezik:

+

POEt

OEt

O

H

-OH

OEt

OEtP

Na

H21/2-P

OEt

OEt

ONa+

R Br O

OEt

OEtP

RNaBr

Ezt követően több közleményben számoltak be alkil-monofoszfonsavak előállításáról [22, 23,

24], de e vegyületek kielégítő tisztaságban történő általános előállítási módszere még váratott

magára.

Az alkilfoszfonsavak általános előállítási módszerét Arbuzov dolgozta ki az 1950-es évek

elején [25]. Eszerint alkilfoszfonsavak dietilészterei keletkeznek, ha trietil-foszfitot alkil-

halogeniddel alkilezünk:

5

R Br + POEt

OEt

EtO

POEt

OEt

EtO

R

+Br

-

POEt

OEt

O

R+ EtBr

Átmeneti termékként egy kvaterner foszfóniumion lép fel, amely nem izolálható a

reakcióelegyből.

A fenti két módszer alkil-monofoszfonsavak előállítására alkalmas, amelyet tovább fejlesztve,

mono- és polietilén-difoszfonsavak előállítására két általános módszert dolgoztak ki [26].

1. Foszfonsavak előállítása Michaelis–Arbuzov típusú reakcióval: trialkil-foszfitok dihalogén-

származékokkal történő alkilezése

X (CH2)n X + P(OR)32 (RO)2OP(CH2)n PO(OR)2 + 2 RX

ahol –X leggyakrabban –Cl.

2. Foszfonsavak előállítása Michaelis–Becker típusú reakcióval: nátrium- vagy kálium-

dialkil-foszfitok alkilezése dialkil halogenidekkel:

X (CH2)n X + MOP(OR)22 PO(OR)2(RO)2OP(CH2)n + MX2

ahol M = Na vagy K.

Mindkét módszer egyaránt alkalmas alkil–difoszfonátok előállítására, ha n ≥ 3. Rövidebb

összekötő szénlánc esetén a Michaelis–Arbuzov- vagy Michaelis–Becker-reakciók során vagy

nagyon csekély az átalakulási arány, vagy csak melléktermék keletkezik [27]. E vegyületek

előállítására a módosított Michaelis–Becker típusú reakció alkalmas. A módszer lényege, hogy a

molekulát lépésenként szintetizálják: az első reakciólépés során csak egyetlen C—P kötést

alakítanak ki, majd a keletkező monofoszfonát-származék Michaelis–Becker tipusú reakcióban

reagál dialkil-foszfittal, melynek során a megfelelő difoszfonát keletkezik [15]:

X (CH2)n PO(OR)2 + MOP(OR)2PO(OR)2(RO)2OP(CH2)n

ahol n = 1, 2.

A bemutatott reakciók SN2 mechanizmus szerint zajlanak, ahol a dialkilsó a megfelelő

nukleofil reakciótárs.

6

Oligofoszfonsavak képződnek abban az esetben is, ha kiindulási anyagként alkil–halogenidek

helyett telítetlen halogénszármazékokat alkalmazunk. Ilyenkor addíció történik az aktivált

kettős- vagy hármaskötésre, amely könnyen lejátszódik [28]. Az általunk vizsgált etánvázon

szubsztituált polifoszfonsavak észterei a következő reakcióegyenletekkel szemléltethető módon

állíthatók elő [29, 30, 31]:

CH2 CCl2 + 3 Na O P(OR)2

CHCl CCl2 + 4

CCl2 + 3 Na O P(OR)2

Na O P(OR)2

CCl2 + 5 Na O P(OR)2CCl2

(RO)2OP CH2 PO(OR)2CH

PO(OR)2

(RO)2OP CH CH PO(OR)2

PO(OR)2

PO(OR)2

Az oligofoszfono-karbonsavakat szintén Michaelis-addícióval lehet előállítani [28]. Ennek

során a kiindulási anyagként használt dialkil-foszfitok, mint nukleofil reaktánsok, telítetlen

karbonsavészterekre addícionálódnak Na-metilátos közegben:

RO2C CH2 CO2R

PO(OR)2

CHRO2C CH CH CO2R+(RO)2OPH

PO(OR)2

CH

PO(OR)2

CH2 CO2R(RO)2OPH+

HC CH CO2R

PO(OR)2

+ HC C CO2R(RO)2OPH

A keletkező észterekből hidrolízissel lehet felszabadítani a megfelelő savakat, a vegyületek

előállításának ez a legkritikusabb lépése. Általában savas hidrolízist alkalmaznak, amelynek

során az észtert legalább 8-10 órán át tömény sósavval refluxáltatják. A hidrolízis hozama

általában kielégítő, de a vegyületek általában nehezen feldolgozható olajok formájában válnak

ki. Célszerűnek látszott a szintézis ezen utolsó lépését módosítani, az általunk javított eljárás

leírása a részletes receptekkel együtt a 3.2. fejezetben kapott helyet.

7

2.2 Komplex egyensúlyok leírása és vizsgálata

2.2.1 Protonálódási egyensúlyok

Az oldatfázisban végzett komplexkémiai vizsgálatok legáltalánosabb kísérleti módszere, a

pH-potenciometriás titrálás. Alkalmazására az ad lehetőséget, hogy az általában savi formában

jelenlévő ligandum fémkomplex-képzésekor H3O+ ionok (a továbbiakban egyszerűsítésként

végig H+-ionok) szabadulnak fel, ezzel a komplexképződésnek megfelelő pH-tartományban extra

lúgoldat-fogyás lép fel [32].

Többértékű savak, bázisok és amfolitok ionizációja egységesen tárgyalható, ha az egyen-

súlyokat a konjugált bázis protonfelvételének irányából szemléljük. Az egyszerűség kedvéért az

iontöltéseket elhagyjuk. Jelölje L egy ligandum protonálatlan formáját, amely n számú funkciós

csoportjára maximálisan n számú H+-t tud felvenni. Az i. asszociációs lépésre (i = 0, 1, ..., n) a

következő egyenlet és egyensúlyi állandó vonatkozik:

HLH 1 +−i LHi ]H][LH[

]LH[

1−

=i

iiK (2.1)

Az így definiált látszólagos protonálódási állandók csak az adott hőmérsékleten és

ionerősségnél érvényesek és mérésükhöz az elektródot a p[H]-skálára kell kalibrálni [33]. A

protonálódási állandók logaritmusa (log alatt a továbbiakban végig a tízes alapú logaritmust

értjük) számértékben megegyezik a megfelelő savi disszociációs állandók negatív logarit-

musával: log HiK = pKa, n−i+1.

Ekvivalens, de tömörebb formalizmushoz jutunk, ha a HiL részecskék képződését közvetlenül

az L és H komponensekből kiindulva írjuk fel βi összevont (bruttó, kumulatív) protonálódási

állandóval:

HL i+ LHi ∏=

==i

j

ji

ii K

1]H][L[

]LH[β (2.2)

Az L részecske képződési állandója definíció szerint egységnyi: β0 = 1. A továbbiakban a

log β01i jelölés alatt mindig a (2.2) egyenlet szerinti bruttó állandókat értjük.

A különböző protonáltsági fokú részecskék koncentrációösszege a ligandum Lc bemérési

(analitikai) koncentrációjával egyenlő:

∑∑==

==++++=n

i

i

i

n

i

inc00

2L H]][L[]LH[]LH[...]LH[]HL[]L[ β (2.3)

8

2.2.2 Komplexképződési egyensúlyok

Fémkomplexek képződe az alább bemutatott egyensúlyi folyamatokkal és állandókkal

jellemezhető. Ha L a protonálatlan ligandum és M a koordinálódó fémion, általánosan a

következő egyensúlyi folyamatot és stabilitási állandót lehet felírni:

LM pq + pqLM [ ] pq

q

qpβ]L[M

]LM[ p= (2.4)

A ligandumok egyúttal Brønsted-bázisok is, tehát kompetícióval kell számolni a proton és a

komplexképző fémion között, melyet a következő kumulatív (bruttó) stabilitási (kéződési)

állandóval jellemezhetünk:

HLM rpq ++ rpq HLM [ ] rpq

rq

qprβ]H[]L[M

]HLM[ p= (2.5)

Egyszerűsíthető a tárgyalás fémion:ligandum = 1:1 aránynál, tehát többfogú ligandumok

egymagvú monokomplexei esetében:

LM + ML ]L][M[

]ML[110 =β . (2.6)

A pH csökkenésével protonált komplexek is képződhetnek. Az MLHr komplex újabb proton-

felvételére a következő egyenletet és stabilitási állandó vonatkozik:

HMLH +r 1MLH +r [ ] ]H[MLH

]MLH[K 1H

11r

rr

+= , (2.7)

A MLHr komplex így definált protonálódási állandója a stabilitási állandókkal a következő

kapcsolatban van:

log =H11K r log β11r+1 − log β11r (2.8)

Az MLHr komplex képződését úgy is felfoghatjuk, mintha a fémion a protonált ligandummal

reagálna:

LHM r+ rMLH ]LH[]M[

]MLH[11

r

rrK = , (2.9)

A K11r állandót az MLHr komplex látszólagos stabilitási állandójának nevezzük és a

kumulatív állandókkal a következő összefüggés írható fel:

log K11r = log β11r −log β01r (2.10)

9

A ligandum különböző protonáltsági fokú részecskéinek relatív fémion-affinitását a log K11r

látszólagos stabilitási állandók felhasználásával egyértelműbb összehasonlítani, mint a kumulatív

log β11r állandókkal.

Különböző ligandumok általában különböző számú és minőségű donorcsoportot tartal-

maznak, így fémion-affinitásuk már csak ezért is eltérő. Ezt a hatást a bázicitással korrigált

stabilitási állandókkal lehet figyelembe venni [18]: az ML komplex stabilitási állandójának

logaritmusából levonjuk a ligandum csoportjainak össz-bázicitását tükröző log β0r1 értékét, ami a

tulajdonképpen teljesen protonált HnL részecske stabilitási állandója.

LM + ML log βadj

= log β110 – log β01r (2.11)

Összehasonlítások során βadj

torzítatlanabbul jellemzi a különböző ligandumok saját

(„intrinsic”) affinitását egy adott fémionnal szemben.

2.2.3 A potenciometriás titrálás

Az elektród hidrogénion-koncentrációra (a továbbiakban végig: pH = −log [H+]) történő

kalibrációja ún. üres (blank) titrálással oldható meg, amikor is ismert mennyiségű erős savat erős

bázis faktorozott oldatával titrálunk [33]. A titrálás minden egyes pontjában [H+] (vagy [OH−])

kiszámítható és a bővített Nernst-egyenlet [34] segítségével kapcsolatba hozható az üveg-

elektróddal mért elektromotoros erővel,

[ ] [ ] [ ]+++ +++= HHHlog vOHHo

KjjgEE (2.12)

ahol Eo az üvegelektródra jellemző állandó (formálpotenciál), g az üvegelektród gyakorlati

meredeksége (elméletileg RT ln10/zF), jH és jOH a savas, illetve a lúgos tartományban fellépő

diffúziós potenciálokat korrekcióba vevő tényezők, Kv pedig a víz ionszorzata az adott

hőmérsékleten és ionerősségnél (pKv = 13,63 ± 0,01 a mi körülményeink között: T = 25 °C és I =

0,5 M NaClO4).

A továbbiakban az általunk használt MAXIPOT-F program [9] terminológiája szerint

foglaljuk össze a potenciometriás titrálások kiértékelésének menetét. Az üres titrálás kiértékelése

tulajdonképpen a (2.12) egyenletben szereplő elektródparaméterek meghatározását jelenti,

titrálási pontonként (i) számított és mért elektromotoros erők eltérés-négyzetösszegének mini-

malizálásával:

( ) [ ] .min),,,,(1

2

vOHHo

,,2

→−=∆ ∑∑=

NMP

i

iszim KjjgEEEE (2.13)

10

Az ezt követő titrálás során a ligandum általában erős savat is tartalmazó oldatát titráljuk

faktorozott lúgoldattal, ekkor a kiértékelés célja a kumulatív protonálódási állandók (log β01i)

meghatározása. A harmadik fajta titrálás a fémion-ligandum kölcsönhatás jellemzésére szolgál,

ahol ismertek a komponensek bemérési összkoncentrációi (TH, TOH, TL és TM) a mintában és a

titráló oldatban egyaránt. Ezt a titrálást különböző TL/TM arányok mellett megismétlik, hogy

minél a legkülönbözőbb komplexek képződésére is legyen információ.

A hígulás figyelembe vételével a titrálás minden pontjában ismerjük az összkoncentrációkat

(TH, TOH, TL és TM) és feltételezünk egy egyensúlyi modellt a képződő MqLpHr komplexek (q, p,

r) összetételére, célunk a részecskék összetételének igazolása, valamint a βqpr stabilitási állandók

kiszámítása. A titrálás minden pontjában érvényesek az alábbi anyagmérleg-egyenletek [32]:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] jjj

jjjjjj

rqp

rqp

j

j

j

rqpj rKrKTT HLMHHHLMHH vvOHH β∑∑ +−=+−=− (2.14)

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] jjj

jjjjjj

rqp

rqp

j

jrqp

j

j ppT HLMMHLMMM β∑∑ +=+= (2.15)

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]∑ ∑+=+=j

rqp

rqp

j

jrqpjjjj

jjjjjjqqT HLMLHLMLL β (2.16)

Ez az általános modell az esetlegesen képződő hidroxokomplexeket is magába foglalja, ahol rj

negatív egész szám. Az egyensúlyi modell megoldása a szabad komponensek egyensúlyi

koncentrációinak: [M], [L] és [H] pontonkénti kiszámítását jelenti. A számított [H] értékét a

(2.12) bővített Nernst-egyenletbe helyettesítve ismét számított Esz,i értékekhez jutunk, melyekkel

a (2.17) egyenlethez hasonló súlyozatlan négyzetösszeg definiálható és minimalizálható immár

konstans értéken tartott protonálódási állandókkal és csak a komplexek stabilitási állandóit

változtatva. A számított és mért titrálási görbék egyezését a számszerűleg a következő egyenlet

szerinti szórás jellemzi,

1

2

−−

∆=

NPNMP

Eσ (2.17)

ahol NMP a mérési pontok és NP az iterált paraméterek száma. A Gauss-módszeren alapuló

legkisebb négyzetek módszere hibabecslést is ad a finomított paraméterekre, jelen esetben a

stabilitási állandók logaritmusára.

2.3 A foszfonsavak egyensúlyi kémiája

Az erős C−P kötést tartalmazó foszfonsavak a szerves foszfátészterekkel szemben gyakor-

latilag nem hidrolizálnak és éppen ez egyik oka biodegradációval szembeni rezisztenciájuknak

11

is. A következő alfejezetekben az (oligo)foszfonsavak és karboxiláttal szubsztitált származékaik

sav-bázis és komplexképző sajátságait tekintjük át, további, gyakorlati fontosságú vegyület-

családok, például aminoalkil-foszfonátok igen terjedelmes irodalmára itt csak utalunk [35].

2.3.1 A foszfonsavak aciditása

Már az 1960-as évektől kezdve ismertté vált, hogy az alifás foszfonsavak első disszociációjuk

során erősebb (PO3H−: log KH < 1,5), a második során viszont általában gyengébb savak ( −2

3PO :

log KH ≈ 5-8), mint az azonos szénláncú karbonsavak [16, 36, 37, 38]. Rizkalla közleménye [35]

jó összefoglalását adja e korai vizsgálatoknak. A log KH < 1 protonálódási állandó a

potenciometriás titrálás ismert korlátai miatt még akkor is csak igen pontatlanul határozható

meg, ha a foszfonsav-mintához erős savat adunk. Ilyen kis állandó pontos meghatározására

külön NMR titrálási módszert írtak le, in situ NMR-pH indikátormolekula alkalmazásával [39].

Rizkalla közleményében [35] található annak megállapítása is, hogy a geminális

biszfoszfonátok protonaffinitására nem igaz a szubsztituensek Taft-egyenlet [40] szerinti

additivitása, amelynek okaira a következő alfejezetben térünk ki.

Grabenstetter szerint erős kölcsönhatás alakul ki a geminális helyzetű difoszfonát-csoportok

között, ezért a molekula úgy is tekinthető, mintha csak egyetlen savi jellegű csoportot

tartalmazna, amelyhez négy disszociábilis proton kapcsolódik [16]. A nagy töltéssűrűségű

geminális foszfonátcsoportok első H+ felvétele „kooperatív” módon megy végbe, log H1K > 10

állandóval [16, 41, 42]. Röntgenkrisztallográfiával igazolták, hogy szilárd fázisban is kialakul a

2.1. ábrán bemutatotthoz hasonló hidrogénhidas szerkezet [43, 44].

PO3

R'

R

C

PO3

H

3-

2.1. ábra. Geminális difoszfonsavak monoprotonált formájában kialakult hidrogénhíd

Vicinális difoszfonsavak, például az 1,2-etilén-difoszfonsav esetében is kialakulhat még

hidrogénhíd, de a foszfonátcsoportok távolságának növekedésével ennek sztérikus feltételei

nagymértékben romlanak. Ezt 31P-NMR és infravörös [44] mérési adatok is alátámasztják. A

foszfonátokat elválasztó szénlánc növekedésével a log H1K értékek fokozatosan csökkennek,

közelítve a monofoszfonátokra jellemző értéket [15, 16, 36].

12

2.3.2 Oligo-foszfonátok és foszfono-karboxilátok fő protonálódási útvonalai

A multinukleáris NMR-pH titrálás különösen hatékony eszköz többfogú ligandumok

protonálódási szekvenciájának tanulmányozására [45]. A karboxilát 13COO- és a foszfonát-

csoport 31PO32- aláhúzással jelölt NMR-aktív magjainak, illetve a szomszédos szénkötésű

hidrogének kémiai eltolódása közvetlenül jelzi a H+ felvételét. Ha a molekula többi funkciós

csoportja az említett „szenzormagoktól” elegendően távol (legalább 3-4 kovalens kötés

távolságra) helyezkedik el, megvalósítható a protonálódási egyensúlyok funkcióscsoport-szintű

követése, amely a mikroállandók kiszámításának alapfeltétele [45]. A kötőhelyek zsúfolódása

esetén, mint ami az általunk vizsgált vegyületekben is előfordul, mindegyik csoport H+-felvétele

többé-kevésbé az összes NMR-mag titrálási görbéjén tükröződik. Ezekben az esetekben csak

modellvegyületek NMR paramétereinek felhasználásával, bonyolultabb módszerekkel nyílik

mód mikroállandók számítására [45], azonban a protonálódás sorrendjére ezekben az esetekben

is fontos kvalitatív következtetések vonhatók le.

Az NMR-pH titrálás a foszfonsavak, oligofoszfonsavak és foszfono-karbonsavak vizsgálata

során is hatékony eszköznek bizonyult (további vegyületcsaládokra vonatkozó eredmények

áttekintésére [45] jelen dolgozatban nem vállalkozhatunk). Hägele és düsseldorfi kutatócsoportja

ezen vegyületek protonálódának szerkezeti aspektusait is már évtizedek óta tanulmányozza 1H, 13C, 31P (és fluorszubsztituált vegyületekre, 19F) NMR-pH titrálásokkal [11, 13, 46, 47, 48, 49].

Az általa összeépített potenciometriás titrátor/NMR spektrométer (200 és 500 MHz) rendszerek a

mérések különösen hatékony, automatizált eszközét jelentik [11, 13, 46, 47, 48, 49]. Ha a

ligandum csak egy-egy foszfonát-, illetve karboxilátcsoportot tartalmaz (például foszfono-

ecetsav), a protonálódás sorrendje általában a vártnak megfelelő: PO32-, COO-, végül PO3H

-. A

funkciós csoportok számának növekedésével azonban már nem teljesül a ∆log KH = log KHi –

KHi-1 > 3 feltétel, tehát különböző csoportok átfedő protonálódása játszódik le, ami teljes

részletességgel csak mikroállandókkal jellemezhető (kivéve a legszimmetrikusabb eseteket).

Ilyen esetekben az egyes pH-tartományokban bekövetkező spektrumjel-eltolódások

(protonálódási eltolódások, ∆δ) relatív nagyságából már csak a protonálódás fő útvonalára

következtethetünk. Például az általunk is vizsgált EMPDC 13C magjainak titrálási profiljaiból a

2.2. ábrán vázolt disszociációs séma vezethető le [46], míg a tetrafunkciós PMPTC mindkét

diasztereomerjére [13, 50], valamint ennek difoszfono-analógjára, a PDPDC-re [48] a 2.3. ábrán

látható sémákat javasolták. Ezekből az a közös következtetés vonható le, hogy többértékű savak

13

disszociációja olyan sorrendben történik, hogy a lehető legkevesebb ionizált csoport között

léphessen fel elektrosztatikus taszítás.

2.2. ábra. Az etán-1-foszfono-1,2-dikarbonsav (EMPDC) 13C{1H} NMR titrálás alapján megállapított fő disszociációs útvonala [46]

2.3. ábra. A propán-1-foszfono-1,2,3-trikarbonsav (PMPTC, balra, [13, 50]) és a propán-1,1-difoszfono-2,3-dikarbonsav (PDPDC, jobbra, [48]) 31P{1H}- és 13C{1H}-NMR titrálások alapján levezetett fő disszociációs útvonala

14

A 31P NMR-pH profilok értelmezése gyakran ütközik nehézségekbe. Míg a monofoszfonátok

vagy 1-hidroxi-foszfonátok protonálódása során a 31P rezonanciajelek az alacsonyabb térerő

irányába tolódnak el [11, 45], már a legegyszerűbb foszfono-karboxilátok [46, 48, 51, 52] vagy

amino-alkilfoszfonátok [11, 45, 46] esetén is szélsőértéket mutat a δP-pH titrálási görbe. Ezt

korábban a funkciós csoportok induktív effektusának protonálódás hatására bekövetkező

előjelváltásával próbálták magyarázni [48]. Mai tudásunk a foszfonátok 31P-NMR kémiai

eltolódásait befolyásoló tényezők szerepéről (hidrogénhíd, O–P–O kötéstávolság és kötésszög)

elég hiányos [53, 54].

Bár a természetes izotópeloszlás és a giromágneses tényező miatt a 13C mag sokkal kevésbé

érzékenyen mérhető, mint akár az 1H és 31P atommagok, a 13C NMR-pH titrálások előnye, hogy

a rezonanciajel kémiai eltolódása kb. 200 ppm tartományt fed le, amely csak kismértékben függ

a külső körülményektől (hőmérséklet, oldószer D2O-tartalma) és a protonálódás során bekövet-

kező kémiai eltolódások mértéke nagyobb, mint az 1H NMR esetén [45]. Mindemellett a 13C

rezonanciajelek kémiai eltolódása gyakran érzékeny távolabbi karboxilát- vagy foszfonát-

csoport(ok) sav-bázis egyensúlyaira is [45]. Az alifás karbonsavak esetében protonálódás során

általában a karboxil-13C 4-5 ppm eltolódása tapasztalható a nagyobb tér irányába [45]. Hägele és

mtsai publikációiból általánosan megállapítható, hogy még több foszfonátcsoport jelenlétében is

monoton a 13C NMR-pH profilok lefutása, de természetesen nem szelektív a karboxilátcsoportra.

2.3.3 A foszfonsavak komplexképző tulajdonságai

2.3.3.1 A foszfonátcsoport koordinációs tulajdonságai

A foszfonátcsoport koordinációjára jellemző, hogy a fémionhoz egyfogú, kétfogú, sőt ritkán

háromfogú [55] oxigén-donorként kapcsolódhat. Három oxigénatom koordinációja esetén

tetraéderes szerkezet jöhet létre, míg két oxigén kapcsolódása esetén négyes kelátgyűrű alakulhat

ki, ami a 2.2. ábrával szemléltethető.

P

O

O

R

O

M

2.4. ábra. Foszfonátcsoport kétfogú ligandumként történő koordinációja fémionhoz

A két oxigén egyidejű koordinációját infravörös spektroszkópiás módszerrel mutatták ki [35].

Szintén spektroszkópiai mérésekkel bizonyították, hogy a foszfor-oxigén kötés hossza a

foszfonátokban átmenetet képez az egyszeres P–O és a kétszeres P=O kötéstávolságok között,

15

amely a foszforatom sp3d hibridizációjával valósulhat meg, így két elektron három oxigénatom

között delokalizálódik. Ezt elméleti számításokkal is igazolni lehetett, és jó összhangban állt a

szubsztituált monofoszfonsavaknak kalciumionokkal alkotott komplexeinek vizsgálatakor kapott

eredményekkel [35].

2.3.3.2 A foszfonátok fémkomplexei

Az alkil-monofoszfonátok általában monodentát ligandumként koordinálják a fémionokat. Az

átmenetifém-ionokkal képzett komplexek stabilitása (log β110) 2-3 közötti érték [56].

Különösen hatékony kompexképzőnek bizonyultak a geminális biszfoszfonátok [41, 42],

amelyek fémkomplexeiben hatos kelátgyűrű kialakulására nyílik lehetőség. Számos 1-hidroxi-

1,1-biszfoszfonát tett szert ipari vagy gyógyászati (a Ca2+-metabolizmussal vagy a csont-

képződéssel, osteoporózissal kapcsolatos) jelentőségre.

A biszfoszfonátok komplexképzését kalcium- és magnéziumionokkal vizsgálva Irani [36] és

Grabensttetter [16] arra a következtetésre jutott, hogy ha a két foszfonátcsoport közötti távolság

egy szénatommal nő, az ML komplex stabilitási állandója kb. két nagyságrenddel csökken.

Spektrofotometriás mérések arra mutatnak, hogy a szénlánc növekedésével növekszik a két

foszfonátcsoport szabad rotációja. A két foszfonátcsoport a kölcsönös taszítást igyekszik

csökkenteni, ezért egymáshoz képest úgy helyezkednek el, hogy köztük a kölcsönhatás a lehető

legkisebb legyen. Ez a fémkomplex stabilitását sztérikus ok révén csökkenti, megszüntetve a

bidentát koordináció lehetőségét.

Noha azonos hard oxigén donoratomokat tartalmaznak, a foszfonát és a karboxilátcsoport

bázicitásbeli, sztereokémiai és polaritási tulajdonságai jelentősen eltérnek. A foszfonát-

karboxilát szubsztitúció hatását a komplexstabilitásra több kutatócsoport is vizsgálta a

közelmúltban. Sawada és mtsai a nitrilo-triacetát (NTA) származékainak alkáliföldfém- és

átmenetifém-komplexeit vizsgálva arra a következtetésre jutottak, hogy egyre több karboxilát-

foszfonát szubsztitúció hatására növekszik a komplex stabilitása [57]. Kiss Tamás és mtsai ezzel

szemben alumíniumionra megállapították, hogy a log β értékek növekedése csak látszólagos: a

ligandum valódi („intrinsic”) fémion-affinitását mérő bázicitással korrigált állandók (βadj) már

ezzel ellentétes trendet mutatnak [18]. Ennek oka a foszfonátcsoport nagyobb térigényében és

töltésében keresendő. Hasonló következtetésre jutottak ugyanezen ligandumok oxovanádium(IV)

komplexei [58], valamint a réz(II)-amino(karboxilát/foszfonát) komplexek stabilitásának

összehasonlításakor is [59].

16

A foszfonátokkal stabilis komplexek alakulnak ki még erősen hidrolizáló fémionok, például

Al(III), Tl(III), Au(III), Zr(IV) vagy Th(IV) esetén is [60]. Tízszeres feleslegű nitrilo-

trisz(etilénfoszfonát) az Au(III)-ionokat akár még pH = 11-ig is képes oldatban tartani, míg az

igen hatékony komplexképzőként ismert EDTA csak pH 9-ig képes megakadályozni a

hidrolízist. 31P NMR mérések alapján rámutattak arra is, hogy nitrilotrisz(etilénfoszfonát) 0,2 M-

os oldatában a Tl(III)-ionok akár pH = 12-es oldatban is ellenállnak a hidrolízisnek [60].

Az amino(polifoszfonátok) [61, 62] és a geminális biszfoszfonátok [63] még az alkálifém-

ionokkal is gyenge komplexet képeznek. Ez elsősorban a lúgos pH-tartományban jelentős és a

legnagyobb protonálódási állandókat érinti, de egyes esetekben még savas közegben is

kompetíció léphet fel az alkáliion és a vizsgált átmenetifémion között [63].

2.3.3.3 A foszfonsavak protonált komplexei

Mivel a foszfonátcsoport utolsó protonfelvétele általában a fémkomplex kialakulásának

megfelelő pH-tartománynál savasabb körülmények között játszódik le, protonált fémkomplexek

kialakulására is lehetőség nyílik [41]. A foszfonátokat éppen ezen tulajdonságuk különbözteti

meg karboxilát analógjaiktól, mivel az egyfogú donor karboxilát protonálódásakor megszűnik a

fémionhoz történő koordináció. A protonált fémkomplexek stabilitása – megfelelő korrekció

után, a log Ki látszólagos állandókat tekintve – általában összemérhető vagy nem sokkal kisebb a

nemprotonált komplexekénél.

Protonált fémkomplexeket röntgendiffrakcióval [60] szilárd fázisban is kimutattak, például a

hidroxietilén-difoszfonsav esetén akár három protont tartalmazó kelátkomplex is kialakulhat

[64]. Természetesen az oldatfázisú affinitás a lúgos közegben a legnagyobb, amikor a

ligandumok teljesen protonálatlan formában vannak jelen.

Az irodalomban közölt adatok a foszfonátkomplexek összetételére és komplexstabilitási

állandóikra vonatkozóan meglehetősen ellentmondásosak. Például a sokak által tanulmányozott

hidroxi-etilén-biszfoszfonsav Cu(II)-ionokkal képzett komplexeinek különböző fém/ligandum

koncentrációarányoknál tanulmányozása során egyes kutatók azt találták, hogy ötszörös

ligandumfelesleg esetén Cu(H3L)22- összetételű biszkomplexek képződnek. Ezek a pH

növekedésével Cu(H2L)24- és Cu(HL)2

6- komplexekké alakulnak át [65]. Egy másik

kutatócsoport szerint viszont még tízszeres ligandumfelesleg esetén sem képződnek bisz-

komplexek, csak a mono¬komplexek szukcesszív deprotonálódása (CuLH3, CuLH2, CuLH)

figyelhető meg [66]. A ’80-as évek végén Vasziljev és munkatársai felülbírálták az

eredményeket és arra a következtetésre jutottak, hogy 1:2 és 1:3 fémion : ligandum arányok

17

esetén valóban nem képződnek biszkomplexek, csak (CuLHn)n-3 összetételűek [63]. Általában

elfogadott tény a szakirodalomban, hogy ha a molekulában nő a foszfonátcsoportok száma, a

biszkomplexek képződése sztérikus és elektrosztatikai okokból egyaránt gátolt [18, 42, 63].

A protonált (MLHr) és protonálatlan (ML) komplexek oldhatósága töltésüktől függ. Néhány

esetben, általában töményebb oldatokban (0,2-0,4 M), ha a fémion koncentrációja több

nagyságrenddel nagyobb, mint a ligandum koncentrációja, többmagvú, áthidalt komplexek

képződését is megfigyelték, amely nagymértékben megnehezíti a speciáció kizárólag pH-metriás

titrálással történő meghatározását [42]. A oligomerizációt nem kíséri szükségszerűen csapadék-

leválás. Az 1:1 arányú nitrilotrisz(etilén-foszfonsav):Al3+ rendszer 0,2 M-os oldatában a 31P-

NMR olyan jelszélesedést mutatott, hogy lehetetlenné vált a spektrum még kvalitatív szinten

történő kiértékelése is [67].

A foszfonátkomplexek szerkezetére vonatkozóan oldatfázisú és szilárd 13C és 31P NMR

adatok állnak rendelkezésünkre, noha ezek száma korlátozott, olykor hiányosak és nem kellő

mértékben értelmezettek a kapott eredmények. Általánosan ismert, hogy nehéz általános

korrelációt megfogalmazni a 31P δ-értékek és a molekulaszerkezet között. Ennek oka az, hogy az

elektronsűrűséget számos tényező befolyásolja: a szubsztituensek elektronegativitása, π-kötések

delokalizációja vagy az oldószerhatás [45, 68].

2.4 A vizsgált vegyületek gyakorlati alkalmazási területei

A többértékű foszfonsavaknak és foszfono-karbonsavaknak - köztük az általunk vizsgáltaknak

is - jelentős gyakorlati szerepe van. Legfontosabb alkalmazásaikat a teljesség igénye nélkül a

következő alfejezetkben foglaljuk össze.

2.4.1 Ipari alkalmazások

Fontos alkalmazási területük a korrozióvédelem. A szerves foszfonátokat már a 60-as

években használták, elsősorban a vízkőkiválás gátlására. A 70-es évek közepe táján azonban

ismertté vált a korróziós inhibitor hatásuk is. Széles körben alkalmazható inhibitorhatásuk abban

áll, hogy e vegyületekben található C—P kötés sokkal erősebb, így stabilisabb a hidrolízissel

szemben, mint a korábban korróziós inhibitorként alkalmazott polifoszfátokban található O—P

kötés. Többmolekulás védőréteget alkotnak a korrodeálódó anyag és a korrozív közeg között.

A foszfonátok inhibitorhatása növelhető, ha más anyagokkal (kromát, szilikát, cink- és

kalciumsók) együtt alkalmazva ún. szinergikus inhibitorkeverékeket állítanak elő. A szinergikus

18

inhibitorok hatásmechanizmusa különbözik a különálló komponensek mechanizmusától,

leggyakrabban olyan kölcsönhatás lép fel a komponensek között, melynek következtében a

korróziós védőhatás jelentősen megnövekszik. Ezért acélfelületek, egyes fémfelületek

tisztítására, kezelésére, a felületi oxidrétegek eltávolítására alkalmasak, valamint korrózió

megelőzésre szolgáló bevonatok készítésére is használják ezeket mind a mai napig. Újabban

olyan polimereket állítanak elő, amelyben a foszfonsava(ka)t rendszerint telítetlen karbonsavval

kopolimerizálják [69].

Ma már a foszfono-karbonsavakat is használják fémfelületek tisztítására és korrózió-

védelmére, valamint hűtővizek csőrendszereiben a korrózió megelőzésére és a vízkőlerakodás

megakadályozására is.

A foszfono-karbonsavakat a textiliparban is alkalmazzák: a cellulóz alapú szövetek

utókezelése során elősegítik a cellulóz szálak térhálósodását, így a szövet nem gyűrődik [70, 71].

Az élelmiszeriparban üvegedények, fémkazánok vízkövesedésének megakadályozására

használják, mert komplex formában megkötik a kalcium- és magnéziumionokat, így nem válik ki

csapadék [72, 73].

A fémiparban is alkalmazzák ezeket a vegyületeket: a fémek úszó-lebegtető elválasztása során

a nehézszuszpenzióhoz alkilfoszfono-karbonsavakat adnak az ötvözetek korroziójának elkerülése

érdekében [74, 75, 76, 77, 78, 79].

2.4.2 Gyógyászati alkalmazások

A vizsgált vegyületek közül egyesek alkalmazhatóak a gyógyászatban terápiás, mások

profilaktikus és diagnosztikai célokra. Diagnosztikai alkalmazásuk abban áll, hogy a

csontszcintigráfiában használt radioaktív nyomjelző készítmények komponenseként használják

őket [80]. A csontszcintigráfiás vizsgálat leggyakoribb célja a daganatok csont-áttétének

kimutatása, továbbá áttétek keresése és követése (elsősorban: emlő-, prosztata-, tüdőrák);

malignus csontdaganatban a multiplicitás kimutatása és a terápia követése; jóindulatú

folyamatok: osteomyelitis kimutatása és elkülönítése; izületi protézisek lazulása, gyulladása;

metabolikus csontbetegség kimutatása. A daganatos csontrész környéke a megnövekedett

oszteoblaszt-tevékenységnek megfelelően fokozottan dúsítja a radiofarmakont.

Már a nyolcvanas évek elején felfedezték, hogy ha a röntgendiagnosztikában alkalmazott 99Tc(III)-hoz foszfono-karbonsavat adnak, stabilis, inert komplex képződik [81]. Számos

szabadalom jelent meg, amelyekben a csontszcintigráfiában használható radiofarmakonok

összetételére tettek javaslatot [82, 83]. Mára már úgy tűnik, hogy erre a célra az 1,1,-

19

biszfoszfono-2,3-propándikarbonsav (PDPDC) a legalkalmasabb. E vegyület alkalmazásával

biztosítható a Tc(III) nagy stabilitása és radiokémiai tisztasága a fiziológiás pH-jú oldatban is

[6].

Kínai urológusok egyik kutatócsoportja arról számolt be, hogy in vitro tanulmányozták a

kalcium-oxalát kristálynövekedését, amelynek során tapasztalták, hogy ugyanez a vegyület, a

PDPDC gátolja a kristály növekedését, így feltehetően hatásos gyógyszer lehet a vesekő

kialakulás megelőzésében [84].

Profilaktikus alkalmazásuk során egyrészt gélesedésgátló hatásuk van, ezért különböző

étvágycsökkentő szerek komponenseként használják [85]. Az 1-foszfono-1,2-etándikarbonsav

(EMPDC) növeli a csontok ásványi anyaghoz való affinitását és gátolja a csontreszorpciót a

szervezetben. A kezelést követően a foszfonátok metabolikusan lebomlanak [86]. Fogászati

implantátumokban a titán-dioxid lemez felületét etán-1,1,2-trifoszfonsavval kezelik, ennek

hatására megnövekszik a kémiai kölcsönhatás az implantátum és a csontszövet között. [87, 88].

A geminális biszfoszfonátok (aledronát, pamidronát) az oszteoporózis megelőzésében is

jelentős szerepet töltenek be a gyógyászatban [89].

2.4.3 Alkalmazás a fényképészetben

Az 1970-es és az 1980-as években - a színes fényképészet fénykorában - több szabadalom

jelent meg a színes előhívók és rögzítőszerek összetételére vonatkozóan, amelyekben különböző

oligofoszfono-karbonsavakat javasolnak, előhívók és rögzítők komponenseiként. Ezek a

vegyületek egyrészt az ezüst-halogenid tartalmú előhívószereket stabilizálják, másrészt a

kalcium- és nehézfémionok álcázószerei, gátolják a csapadékleválást, ha az előhívószer fémion

szennyeződéseket tartalmaz. Mint a rögzítőfürdők komponensei, stabilizálják az ezüst-halogenid

tartalmú fényérzékeny színes fotóanyagot és növelik a rögzítés folyamatának sebességét. Erre a

célra a vizsgált vegyületeink közül többet is alkalmasnak találtak, így a legtöbb általunk vizsgált

vegyületet is: PDPDC, PMPTC, EMPDC, EDPDC és ETP [90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97].

2.4.4 Alkalmazás tisztítószerek adalékanyagaként

Jó komplexképző készségük miatt alkalmazzák őket detergensek és különböző tisztítószerek

komponenseiként is. Ezekben adalékanyagokként kelátképző, vízkőlerakodás gátló és vízlágyító

szerepük van és fokozzák a zeolitok és más detergens összetevők aktivitását. A két-és

háromértékű fémionokkal stabilis komplexet képeznek, amelyek nem hidrolizálnak a mosási

folyamat során és nem terhelik a környezetet sem [98, 99, 100, 101, 102]. Így a kálcium- és

20

magnéziumionok komplexben kötöttek és nem csökkentik a felületaktív anyagok hatását. A

nehézfémionok komplexben tartása azért is fontos, mert így kevésbé terhelik a környezetet és

nem katalizálják a peroxidok bomlását.

2.4.5 Mezőgazdasági alkalmazás

Agrokémiai szempontból egyes biszfoszfonsavak, vagy ezek sói ill. hidrolizálható észtereik jó

gyomírtószerek. A magvak kikelése után (post emergensen) fejtik ki hatásukat, ami a növények

növekedésének gátlásán alapul [103, 104].

A vizsgált vegyületek felhasználási területeit a konkrét irodalmi hivatkozásokkal a 2.1.

táblázatban foglaltam össze.

21

2.1. táblázat. A vizsgált vegyületek felhasználási területei

Vegyület Fototechnika Fémipar Textilipar Gyógyászat Élelmiszeripar Detergensek

és tisztítószerek

Agrokémia

P

P P P

Litográfia [105]

P

PPP

Színes előhívóban kelátkápző

[70]

szálfestés [71]

Fogászati implantá-tumok [70],

csontimplantá-tumok [88]

Szintetikus detergensek komponense

[71]

C

P P

Korróziógátló vízkőlerakodás

gátló [69, 106]

Hb-oxigénleadását

serkenti [107]

kazánok vízkövesedésének megakadályozása

[74, 75]

gyomírtószer komponense

[70]

P

P c c

Színes előhívóban álcázószer [70, 94, 95]

Al- és ötvözeteinek

anódos oxidréteges bevonása;

felületkezelés [108, 109, 110]

Étvágycsökkentő ké-szítmények

komponense; csontszcintigráfia [6, 66, 85, 80, 83, 84, 111, 112, 113,

114, 115, 116, 117, 118]

Adalékanyag,

kelátképző [119]

P

CC

P

Színes előhívóban kelátképző [91, 93, 94, 96, 97, 120]

koróziógátló vízkőlerakodás-

gátló [121]

Fogkőképződés megakadályozása; aorta elmeszesedé-

sének megaka-dályozása;

Ca-megkötés [122]

Detergensek komponense [72, 73, 99]

22

2.1. táblázat. A vizsgált vegyületek felhasználási területei (folytatás)

Vegyület Fototechnika Fémipar Textilipar Gyógyászat Élelmiszeripar Detergensek

és tisztítószerek

Agrokémia

P

P P P

Litográfia [105]

P

PPP

Színes előhívóban kelátkápző

[94]

szálfestés [120]

Fogászati implantá-tumok [87],

csontimplantá-tumok [88]

Szintetikus detergensek komponense

[90]

C

P P

Korróziógátló vízkőlerakodás

gátló [74, 78, 106]

Hb-oxigénleadását

serkenti [107]

kazánok vízkövesedésének megakadályozása

[74, 75]

gyomírtószer komponense

[104]

P

P c c

Színes előhívóban álcázószer [91, 94, 95]

Al- és ötvözeteinek

anódos oxidréteges bevonása;

felületkezelés [108, 109, 110]

Étvágycsökkentő ké-szítmények

komponense; csontszcintigráfia [6, 66, 80, 83, 84, 85, 111, 114, 112,

113, 115, 116, 117, 118]

Adalékanyag,

kelátképző [119]

P

CC

P

Színes előhívóban kelátképző [91, 93, 94, 96, 97, 120]

koróziógátló vízkőlerakodás-

gátló [121]

Fogkőképződés megakadályozása; aorta elmeszesedé-

sének megaka-dályozása;

Ca-megkötés [122, 123]

Detergensek komponense [72, 73, 99]

23

3 A kísérleti munkában felhasznált anyagok és módszerek

3.1 Felhasznált vegyszerek

A mérésekhez használt valamennyi alapvegyszert (NaOH, NaClO4, HClO4) és faktor-

alapanyagot analitikai tisztaságban a Reanal, Sigma és Aldrich gyártóktól szereztük be.

A fémkomplex-képződés tanulmányozásához a vizsgált fémek analitikai tisztaságú per-

klorátjait használtuk (Aldrich-termékek). Inert gázként a Linde által forgalmazott nagy tisztaságú

5.5-ös (99,9995%) nitrogéngázt használtunk. Az NMR-spektroszkópiás mérésekhez használt

D2O a Merk cég terméke volt.

A potenciometriás titrálások során oldószerként kétszer desztillált vizet használtunk.

3.2 A vizsgált vegyületek előállítása

A vizsgált foszfonsavakat és foszfono-karbonsavakat saját laboratóriumunkban, illetve

kooperáció keretében a Pécsi Tudományegyetem Szervetlen Kémiai Tanszékén Péczely Gábor

vezetésével állítottuk elő. A polisavak tényleges anyagtartalmát faktorozott NaOH oldattal

történő potenciometriás titrálással határoztuk meg, ennek alapján a vegyületek nem tartalmaztak

protolitikusan aktív szennyeződéseket. Az alábbiakban megadott <100%-os tartalom annak az

ismert ténynek tulajdonítható, hogy az oligofoszfono-karbonsavak alkilésztereinek savas

hidrolízise során keletkező savak igen higroszkóposak.

Az előállítás utolsó, hidrolitikus lépését az irodalmi receptek szerint tömény sósavval végezve

gyakran nehezen kristályosodó, sűrű olajként váltak ki a polisavak, ráadásul tapasztalatunk

geminális foszfono-karbonsavak esetén dekarboxileződés is bekövetkezhet. Előnyösnek látszott

egy olyan módszer kidolgozása, amelynek során a hidrolízist csak vízzel hajtjuk végre. A

módszer lényege, hogy sztöchiometrikus arányban vett észter és víz elegyét leforrasztott

üvegcsőben, több órán keresztül (5-6 óra) az elegy forráspontjának megfelelő hőmérsékletű

olajfürdőben tartottuk. A víz és az alkohol ledesztillálása után, általában még mindig olajok

formájában válnak ki a keletkező vegyületek. Nehezen kristályosodó, igen higroszkópos

anyagok, a kristálykiváláshoz több idő (néha hetek) volt szükséges. Mivel a kristályosodás lassú

folyamat, zárványként szennyeződés is megkötődhet, ezért további átkristályosítást is

alkalmaztunk.

24

3.2.1 Etán-1,1,2-trifoszfonsav (ETP)

Szükséges anyagok

250,0 cm3 tetrahidro-furán

9 g (80%-os; 0,3 mol) nátrium-hidrid

8 cm3 (9,69 g; 0,1 mol) vinilidén-klorid

58,43 g (0,423 mol) dietil-foszfit

300,0 cm3 metilén-klorid

Az eljárás menete [29, 31, 124]

Mechanikus keverővel és hűtővel ellátott háromnyakú gömblombikban 200,0 cm3 tetrahidro-

furánban szuszpendált 9,0 g (80%-os; 0,3 mol) nátrium-hidridhez, 30,0 cm3 THF-ben oldott

41,43 g (0,3 mol) dietil-foszfitot csepegtetünk, majd a gázfejlődés megszűnéséig kevergetjük

szobahőmérsékleten a lombik tartalmát. Ezután 8 cm3 (9,69 g; 0,1 mol) vinilidén-kloridot adunk

az oldathoz. Az elegyet egy hétig autóklávban melegítjük 100-105 ºC-on. 1 hét elteltével újabb

17,0 g (0,123 mol) dietil-foszfitot adunk az elegyhez , és az autoklávban további egy hétig

melegítjük. Ennek befejeztével az oldószert ledesztilláljuk, 150 cm3 víz hozzáadása után 6x50

cm3 metilén-kloriddal extraháljuk, az egyesített szerves fázisokat 2x50 cm3 vízzel kirázzuk és

nátrium-szulfáton szárítjuk. A metilén klorid ledesztillálása után a maradékot vákuumban

hevítjük 20 Hgmm-en kb. 90ºC-ig kapunk előpárlatot, ezután a maradékot vízzel felvesszük,

éterrel háromszor kirázzuk, a vizes fázist aktív szénnel derítjük, szűrjük és bepároljuk. 5,49 g

(12,52%) színtelen viszkózus olajat, a vegyület trietil észterét kapjuk.A reaktánsok között a

következő „anomális” Michaelis-Becker típusú reakció játszódik le.

CH2

CCl2

+2 NaO PO(OEt)2

HO PO(OEt)2

(EtO)2OP PO(OEt)2CH

CH2 PO(OEt)2

A teljesség kedvéért megjegyzendő, hogy e vegyület egy másik eljárás szerint is előállítható

[125].

A hidrolízis végén, amelyet cc. HCl-val hajtottunk végre, 93,62% tisztaságú etán-1,1,2-

triszfoszfonsavat kaptunk, amely a vegyület monohidrátjának felel meg.

3.2.2 2,3-difoszfono-propánsav (PDPMC)

Szükséges anyagok:

74,5 g (0,52 mol) 2,3-diklór-propionsav,

291 cm3 (250g; 5 mol) etanol,

19,6 g (0,2 mol) cc. H2SO4,

25

500 cm3 éter (az extraháláshoz),

34,26 g 97%-os (0,2 mol) trietil-foszfit.

Az eljárás menete [28, 126]

74,5 g (0,52 mol) 2,3-diklór-propionsav, 291 cm3 (250 g; 5 mol) etanollal és 19,6 g (0,2 mol)

tömény kénsavval készített elegyét visszafolyós hűtő alkalmazásával 7 órán át forraljuk. Az

elegyet jeges vízre öntjük, majd 3x100 cm3 éterrel extraháljuk. Az egyesített éteres fázisokat

vízzel kirázzuk, vízmentes nátrium-szulfáton szárítjuk. Az étert ledesztilláljuk, majd a nyers

terméket vákuumdesztillációs eljárással tisztítjuk: 20 Hgmm nyomáson 74-84 ºC között 28,88 g

(32,47%) 2,3-diklór-propionsav-észtert kapunk.

17,1 g (0,1 mol) diklór-származékot és 34,26 g (0,2 mol) trietil foszfit elegyét 4 órán át enyhe

forralásban tartjuk. A melegítés végére sárgás színű, sűrű, viszkózus elegyet kapunk. Az anyagot

etanolban oldjuk, aktív szénnel derítjük, szűrjük, majd az etanolt ledesztilláljuk. Ezt követően a

szűrletet autóklávban 50 cm3 vízzel 5 órán át 135 ºC-on melegítjük. A fehér, álláskor zöldülő,

szilárd csapadékot tartalmazó anyagról az alkoholt ledesztilláljuk, a maradékot vízzel átmossuk

és leszűrjük. A vizes fázist 4x50 cm3 éterrel kirázzuk, aktív szénnel derítjük, szűrjük és

bepároljuk. A reakció kitermelése 25,2% volt, melynek során 12,68 g színtelen viszkózus olajat,

a 2,3-difoszfono-propánsav pentaetil-észterét kapjuk. A lejátszódó Michaelis-Becker típusú

reakció a következő:

ClCH2

ClCH

COOEt

+ NaPO(OEt)22

CH2

CH

COOEt

PO(OEt)2

PO(OEt)2 + 2 NaCl

A fenti reakciót első ízben Kamai és Kukhtin tanulmányozta 1957-ben [127]. Megjegyzendő

azonban, hogy a 2,3-difoszfono-propánsav pentaetil észtere dietil-foszfitnak (HP(O)(OEt)2)

acetilén-monokarbonsav-etilészterre(H-C≡C-COOEt) történő Pudovik-típusú addíciója során is

előállítható.

A pentaészter sztöchiometrikus vízzel történő hidrolízise során, 97,47%-os tisztaságú etán-

1,1,2-triszfoszfonsavat (ETP) kaptunk.

3.2.3 2,3-difoszfono-butándisav (EDPDC)


20 g (175 mmol) acetilén-dikarbonsav

kb. 50 cm3 etil-alkohol

150 cm3 éter

26

20 cm3 absz. alkohol

20,45 g (148 mmol) dietil-foszfit

0,7 g fémnátrium


20,0 g (175 mmol) acetilén-dikarbonsav alkoholos oldatába 2,5 órán át HCl-gázt vezetünk,

majd az elegyet egy éjszakán át állni hagyjuk. A fölös etanolt és a sósavat ledesztilláljuk, a

maradékot 50 cm3 vízzel felvesszük, majd 3x50 cm3 éterrel kirázzuk. Az egyesített éteres

fázisokat addig mossuk vízzel, amíg a vizes fázis pH-ja 7 nem lesz. Az éteres oldatot vízmentes

nátrium.szulfáton szárítjuk, az étert ledesztilláljuk, majd az étert vákuumban frakcionálva

desztilláljuk. A reakció során 25,6 g (86%) acetilén- dikarbonsav-dietil-észtert kapunk, 126 és

130 °C forrásponthatárok között.

20 cm3 abszolút alkoholban 0,7 g nátriumot oldunk fel. Lehűlés után 20,45 g (148 mmol)

dietil-foszfitot, majd 12,45 g (73,1 mmol) acetilén-dikarbonsav-dietil-észtert csepegtetünk az

oldathoz, majd egy órán át forraljuk. A felesleges alkoholt ledesztilláljuk, majd éterrel

extraháljuk az észtert. Az éteres fázist vízmentes nátrium-szulfáton szárítjuk, az oldószert

ledesztilláljuk, majd a maradék difoszfono-borostyánkősav-észtert vákuumban melegítjük. Az

előpárlat 20 Hgmm nyomáson kb. 125 °C hőmérsékletig fogható fel; ezután a hőmérséklet

erősen lecsökken s a folyadék erősen habzik. A melegítést 15-30 perc után megszüntetve, lehűlés

után a desztillációs maradékot vízben feloldjuk, éterrel többször kirázzuk, a sötétszínű fázist

aktív szénen derítjük és szűrés után bepároljuk (ROTA). A lejátszódó Pudovik-típusú addíciós

reakció kitermelése 10,3% volt, melynek során 2,09 viszkózus, színtelen folyadékot kapunk.

COOEt

C

C

COOEt

+ H PO(OEt)22CH

COOEt

COOEt(EtO)2PO

CH(EtO)2PO

A képződő hexaetilésztert tömény sósavval hidrolizáltuk, amely során 98,40%-os tisztaságú

2,3-difoszfono-butándisavat (EDPDC) kaptunk, amely meso és rac sztereoizomerek elegye volt,

ezt nem választottuk komponenseire.

3.2.4 2-foszfono-butándisav (EMPDC)

Szükséges anyagok

100 cm3 absz. alkohol

1 g fémnátrium

82,86 g (0,6 mol) dietil-foszfit

27

113,86 g (0,66 mol) maleinsav-dietilészter


Háromnyakú gömblombikban 100 cm3 abszolút alkoholban 1 g nátriumot oldunk, az elegyhez

82,86 g (0,6 mol) dietil-foszfitot csepegtetünk, majd erős keverés közben 113,86 g (0,66 mol)

maleinsav-dietil-észtert. (Az adagolás során melegszik az elegy). Az oldószert ledesztilláljuk

(ROTA), az elegyet negyven órán át 140 és 160 °C közötti hőmérsékleten olajfürdőben

melegítjük. Lehűlés után az éterben fololdott anyagot vízzel többször kirázzuk és nátrium-

szulfáton szárítjuk. Szűrés után az étert ledesztilláljuk (ROTA) és a maradékot vákuum-

desztilláljuk. A főpárlatot 200-210 °C között, 20 Hgmm nyomáson szedjük. A reakció

kitermelése 28%, melynek során 52,08 g 2-foszfono-borostyánkősav-tetraetilésztert kaptunk. A

Pudovik-típusú addíciós reakció a következő:

+ H PO(OEt)2

COOEtCH

CH COOEt

(EtO)2OP COOEtCH

CH2 COOEt

A tetraetil-észter tömény sósavval végrehajtott hidrolízise után képződő 2-foszfono-

butándisav (EMPDC) 92,11%-os volt.

3.2.5 1-foszfono-1,2,3-propán-trikarbonsav (PMPTC)


112,025 g (0,50 mol) foszfono-ecetsav-trietil-észter

114,16 g (0,5 mol) maleinsav-dibutil-észter

20 ml nátrium-etilát

Az eljárás menete [28]

20 ml nátrium-etilát-oldathoz 112,025 g (0,5 mol) foszfonoecetsav-trietilésztert és 114,16 g

(0,5 mol) maleinsav-dibutilésztert csöpögtetünk. A hőmérséklet 70 °C-ig emelkedik. Az exoterm

reakció lezajlása után a reakcióelegyet még 5 órán keresztül 100-110 °C-on tartjuk. Ezután az

észtert ledesztilláljuk, a kitermelés 40,3% volt. A reaktánsok között lejátszódó Michaelis-típusú

addíció a következő:

COOEt

CH2 PO(OEt)2

+CH COOBu

CH COOBu

(EtO)2OP COOBuCH

COOBuCH

CH2 COOEt

28

A keletkező pentaészternek sztöchiometrikus mennyiségű vízzel végrehajtott hidrolízise során

97,6%-os propán-1-foszfono-1,2,3-trikarbonsav (PMPTC) képződött, amely threo és erythro

formák elegye. A sztereoizomereket nem választottuk szét.

3.2.6 Difoszfonometil-propán-dikarbonsav (PDPDC)


144,22 g (0,5 mol) metilén-difoszfonsav-tetraetilészter

86,12 g (0,5 mol) maleinsav-dietilészter

25 cm3 nátrium-metilát


0,5 mol metilén-difoszfonsav-tetraetilésztert és 0,5 mol maleinsav-dietilésztert 80 °C-ig

melegítünk és 25 cm3 nátrium-metiláttal elegyítjük. Az elegyet visszafolyós hűtővel ellátott

csiszolatos gömblombikban 6 órán át 110 °C-on tartjuk. Lehűlés után a keletkező észtert

ledesztilláljuk. A reakció kitermelése 38,4% volt. A metilén-difoszfonsav-tetraetilészter és a

maleinsav-dietilészter között lejátszódó Michaelis-típusú addíció a következő:

CH2

PO(OEt)2

PO(OEt)2

+CH COOEt

CH COOEt

(EtO)2OP PO(OEt)2CH

COOEtCH

CH2 COOEt

A hidrolízist követően (forralás öt órán át szöchiometrikus mennyiségű vízzel), a keletkező

propán-1,1-difoszfono-2,3-dikarbonsav (PDPDC) tisztasága 96,4% volt.

Az észterek hidrolízise

A foszfonsavak és a foszfono-karbonsavak vízzel történő hidrolízisét célszerűen úgy hajtjuk

végre, hogy sztöchiometrikus mennyiségű észtert és vizet leforrasztott üvegcsőben legalább 5

órán át olajfürdőben, az elegy forráspontján tartunk. (A melegítés során a fázishatár eltűnik). A

tömény sósavval végrehajtott hidrolízist visszafolyós hűtővel ellátott gömblombikban hajtjuk

végre. A szintén sztöchiometrikus arányban vett észtert és savat az elegy forráspontján tartjuk

legalább két-három órán át.

A hidrolízis lejátszódása után az üvegcső tartalmát gömblombikba mossuk, az alkohol és víz

nagyobb részét pedig ledesztilláljuk (ROTA). A maradékot vízben felvesszük, éterrel néhányszor

kirázzuk, majd a színező szennyeződések eltávolítása végett aktív szénen derítjük. Szűrés és a

víz ledesztillálása (ROTA) után általában színtelen olajat kapunk. A keletkező savak esetenként

csak hosszabb állás után kristályosodnak ki.

29

3.2.7 1,1,2-etán-trikarbonsav (ETC)


150 cm3 absz. etanol

6,9 g (0,3 mol) fémnátrium

48 g (0,3 mol) malonsav-dietil-észter

38,6 g (0,315 mol) monoklór-ecetsav-etilészter


Keverővel ellátott háromnyakú gömblombikban 150 cm3 abszolút etanolban 6,9 g (0,3 mol)

nátriumot oldunk. Az oldódás befejezése után a forrásig melegített oldatba 48 g (0,3 mol)

malonsav-dietilésztert csepegtetünk, majd 38,6 g (0,315 mol) monoklór-ecetsav-etilésztert olyan

ütemben, hogy forrásban maradjon az oldat. Az adagolás befejezése után további négy óra

hosszat forraljuk az elegyet. Az alkoholfelesleg ledesztillálása után (ROTA) vizet adunk az

elegyhez, majd éterrel extraháljuk az észtert, és az éteres oldatot vízmentes nátrium-szulfáton

szárítjuk. Az éter ledesztillálása után a maradékot vákuumdesztilláljuk. 20 Hgmm nyomáson 154

és 168 °C között fogjuk fel a főpárlatot; 23,9 g (32,5%) etán-1,1,2-trikarbonsavtrietilészter

keletkezik.

CH2

COOEt

COOEt

+ Cl CH2 COOEt

COOEt

CH2 COOEtCH

COOEt

Az észter hidrolízise

24,6 g (0,1 mol) trietil-észtert 29,4 g (0,525 mol) kálium-hidroxid 37,5 cm3 vízzel és 75 cm3

etanollal készült oldatával visszafolyós hűtő alkalmazásával 6 órán át forralunk. A elesleges

alkohol ledesztillálása után (ROTA), erőteljes hűtés és keverés közben az oldat pH-ját tömény

sósavval 1-esre állítjuk be, a kivált szilárd anyagot szűrjük, a szűrletet pedig éterrel extraháljuk.

A termék vízben jól oldódik, ezért a 15-szőrös éteres extrakció ellenére is nagyon kicsi a

kitermelés. A kitermelés kb. 70%-ra növelhető perforátoros extrakció alkalmazásával. Az éteres

fázist telített konyhasó-oldattal mossuk, vízmentes magnézium-szulfáton szárítjuk, szűrjük és

bepároljuk. 4,05 g (25%) etán-1,1,2-trikarbonsavat kapunk; Op.: 158 °C.

30

3.3 Potenciometriás titrálások

3.3.1 A protonálódási állandók meghatározása

Az üvegelektródot minden mérési napon a pH = −log[H+] skálára kalibráltuk üres titrálással,

majd a vizsgálandó vegyületet a kalibráláshoz használt alapoldatban titráltuk a protonálódási

állandók meghatározása és egyes esetekben a tisztaság ellenőrzése céljából. A mérések során

50,00 cm3 oldatrészleteket titráltunk, amelyek koncentrációja 3-5 mmol⋅dm-3 közti érték a

vizsgált vegyületre, 10 mmol⋅dm-3 perklórsavra és az állandó ionerősség biztosítása céljából 0,5

mol⋅dm-3 nátrium-perklorátra nézve. A mérőoldat olyan karbonátmentes, 0,1 mol⋅dm-3 kon-

centrációjú NaOH-oldat volt, amely 50,0 m/m%-os NaOH-oldat hígításával készült, mert az

ilyen töménységű lúgból a nátrium-karbonát kiválik és leülepedik (S. P. Sörensen eljárás). Az

állandó ionerősség biztosítása végett a mérőoldat szintén 0,4 mol⋅dm-3 volt nátrium-perklorátra

nézve. Méréseink során az oldatkészítéshez kétszer desztillált, frissen kiforralt vizet alkalmaz-

tunk, hogy a szén-dioxid zavaró hatását a lehető legkisebb mértékűre csökkentsem. E célból

nagytisztaságú nitrogéngázt buborékoltattam át az oldatokon, amelyet előzőleg 10 m/m%-os

NaOH-ot és 0,5 mol⋅dm-3 koncentrációjú NaClO4-ot tartalmazó gázmosókon vezettem át és a

rendszert 25,0 ± 0,1ºC hőmérsékletre termosztáltam. A mérőoldatot 0,2 cm3-enként adagoltam és

a mérés során rögzítettem az egyes mérőoldat-térfogatokhoz tartozó cellapotenciál értéket.

3.3.2 Fémkomplex-képződés tanulmányozása

A fémiont is tartalmazó titrálások során szintén 50,00 cm3 oldatrészleteket titráltunk, amelyek

összetétele megegyezett a 3.3.1 fejezetben leírtakkal azzal a különbséggel, hogy a titrálandó

oldat rendre Ni-, Cu(II)-, Zn-, Cd- vagy Ca-ionok perklorátjait is tartalmazta. A fémion :

ligandum koncentrációarány 1 : 1 illetve 2 : 1 volt, kivéve a kalciumionos rendszereket, ahol 5 :

1 és 10 : 1 arányú oldatokban mértünk. A fém-perklorátokból törzsoldatot készítettünk, amelyek

pontos koncentrációját komplexometriás titrálással határoztuk meg. Erre a célra mérőoldatként

olyan 0,05 mol⋅dm-3 koncentrációjú EDTA-oldatot használtunk, amelyet pro analysi tisztaságú

szilárd anyag pontos bemérésével készítettünk. Az EDTA-mérőoldat faktorát fémcinkre

(Aldrich, gran. extra pur) állítottuk be.

A vizsgálandó foszfonsavak törzsoldatait frissen készítettük – vagy legfeljebb két napig hűtve

tároltuk – szilárd anyag (vagy olajszerű folyadék) bemérésével.

31

A 0,1 mol⋅dm-3 perklórsavoldat faktorát analitikai tisztaságú KHCO3-ra állítottuk be, majd a

faktorozott perklórsavval határoztuk meg a 0,1 M NaOH/0,4 M NaClO4-mérőoldat pontos

koncentrációját sav-bázis pH-metriás titrálási görbék (blank) Gran-féle linearizálásával [129].

A pH mérésére ±0,1 mV pontosságú, digitális kijelzésű Radelkis OP 240 típusú pH/mV

készüléket, érzékelő elektródként OP-0719P típusú üvegelektródot és OP-0820P típusú kettős

diffúziós határrétegű Ag/AgCl referenciaelektródot használtunk, amelyben elválasztó elektrolit-

ként 0,5 mol⋅dm-3 NaClO4 volt.

A pH-metriás mérések eredményeinek értékelését a 2.2.3. fejezetben ismertetett MAXIPOT-F

programmal [9] végeztük.

3.4 NMR-pH titrálások

Az NMR-spektroszkópiás méréseket Bruker Avance 250 és Bruker DRX 500 típusú

műszerekkel végeztük.

A 13C-NMR spektrumok 125 MHz-en, a 31P-NMR spektrumok 101 MHz-en készültek szoba-

hőmérsékleten, H2O:D2O = 1:2 oldószerben. A 13C- és a 31P-spektrumok felvételénél a proton-

lecsatolt spektrumban jmod, illetve zgig szekvenciákat alkalmazva szüntettük meg a hidrogének

csatolását. A kémiai eltolódások ppm értékeinek meghatározására a 13C esetében TMS-t, a 31P

esetében pedig 85%-os ortofoszforsavat alkalmaztunk, mindkettőt külső referenciaként. A

spektrumokat WINNMR program segítségével értékeltük ki.

Az NMR-pH titrálások során 600 µl térfogatú oldatrészleteket titráltunk, amelyek kon-

centrációja 0,5 mol⋅dm-3 körüli volt a vizsgálandó vegyületre nézve. Azért, hogy az egyensúly-

mérések körülményeitől csak kevéssé térjünk el, a titrálandó oldatrészletek HClO4 -ra nézve 10

mmol⋅dm-3, NaClO4-ra pedig 0,5 mol⋅dm-3 voltak. Titráló oldatként perklórsavra faktorozott,

8 M NaOH-oldatot használtunk, hogy 20-25 µl oldat egy lúgekvivalensnek feleljen meg. Ez az

oldat 0,4 mol⋅dm-3 volt Na-perklorátra. Az EDPDC esetében 28% volt a hígulás a titrálás során.

32

4 Kísérleti eredmények és értékelésük

4.1 A vizsgált vegyületek sav-bázis tulajdonságai

A potenciometriás titrálásokat a 2-től 12-ig terjedő pH-tartományban végeztük. A pH 4 és 8

közötti mérési pontok általában jól reprodukálhatók voltak, ennél savasabb, illetve bázikusabb

közegben azonban esetenként váratlan és kiszámíthatatlan potenciál-eltolódásokat tapasztaltunk.

Feltehetően egyes vegyületeink „mérgezték” az üvegelektród membránját. Ennek egyik való-

színű oka az lehet, hogy a nagy méretű, többszörös töltésű anionok adszorbeálódtak az üveg-

membrán felületén, a deszorpció folyamata azonban változó sebességű, esetenként nagyon lassú

volt. Egy másik lehetséges ok kovalens P-O-Si kötések kialakulása az elektródfelületen, amelyre

„makroméretben” irodalmi példát is ismerünk: Kläui és mtsai az [(C5H5)Co{P(O)(OH)2}3H]

fémorganikus triszfoszfonsav kristályosításakor a [{(C5H5)Co[P(O)(OH)2]2[P(O)2(OH)]}2Si]·8

H2O vegyületet különítették el vizes oldatból, amely hexakoordinált szilíciumatomot tartalmaz

[19]. Az üvegelektródot zavaró hatás különösen hangsúlyos volt az etánvázas triszfoszfonsavra

(ETP) vonatkozó méréseinkben (lásd a protonfelvételi görbék szórását már pH 8 felett a 4.1.

ábrán) és gyakran már néhány titrálás után szükség volt az üvegelektród cseréjére is. Legjobb

eredményeket a Radelkis Goldglass márkanevű üvegelektródokkal értük el. Ha a pH-skála szélső

tartományaiban a párhuzamos titrálások pontjai közötti eltérés nagyobb volt, mint 0,3 pH-

egység, a reprodukálhatatlan pontokat kihagytuk a parallel mérések közös számítógépes

kiértékeléséből.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a

ZH

4.1. ábra. Az ETP protonfelvételi görbéi (ZH) a lúgekvivalensek (a) függvényében: a mérési pontok a lúgos tartományban jelentős szórást mutatnak és nem tartanak a protonálatlan állapotnak megfelelő zérus értékhez sem

33

P

PPP

C

P P

P

P c c

P

CC

P

P

CC

cc

P

c

CC

C

P

P P P

4.2. ábra. A vizsgált ligandumok protonfelvételi görbéi (ZH) és részecskeeloszlás-diagramjai a pH-függvényében

34

A vegyületek protonfelvételi görbéit a lúgekvivalensek függvényében a 4.2. ábrán mutatjuk

be, ahol a a lúgekvivalenseket jelenti,

LH

NaOH

nT

T=a

ZH pedig a protonálatlan anion által megkötött H+-ok átlagos számát:

( ) [ ] [ ][ ]L

HH

KTT

Z

wOHH

H

−+−

=

++

4.2. táblázat. A vegyületek lépcsőzetes protonálódási állandói (log KH), alsó indexben hibabecslésként az utolsó számjegyre vonatkozó becsült standard deviáció, az összes mérési adatpont száma (NMP, 3-5 titrálást egyesítve) és az illeszkedés jóságát jellemző σ, mV-ban [I = 0,5 M (NaClO4), T = 25,0 ± 0,1 ºC]

log KH A vegyület

jele

Vázlatos képlet

pH-tartomány 1 2 3 4 5 6

NMP σσσσ

(mV)

PTP

P

P P P

10,88-1,9 12,0523 11,477 8,844 6,284 3,504 2,0910 327 2,57

ETP

P

PPP

11,4-2,1 11,1321 8,8316 6,0014 3,0511 1,7913 - 105 3,61

EDPMC

C

P P

10,5-2,0 10,324 7,206 4,866 2,397 - - 202 3,55

PDPDC P

P c c

11,3-1,9 11,4423 7,9214 5,547 4,234 2,286 - 43 0,79

EDPDC P

CC

P

10,8 -1,9 11,8811 7,738 6,749 4,5811 3,4113 - 65 3,14

EMPDC

P

CC

11,3 - 2,9 9,0418 6,6715 4,5714 2,5215 - - 90 6,87

PMPTC cc

P

c

8,90 -1,96 8,553 6,232 4,602 3,492 1,615 - 150 1,41

ETC

C C

C

6,07 -1,97 5,713 4,212 2,402 - - - 244 2,45

Az irodalomból ismert, hogy a hidrogén-foszfonát csoport logaritmikus protonálódási

állandója 1,5 alatti érték (lásd például [18]), melynek pontos meghatározása potenciometriás

35

titrálással igen nehézkes, csak speciális NMR-titrálással lehetséges [39]. Ezzel összhangban még

erős sav (HClO4) feleslegének alkalmazásával sem sikerült a vizsgált oligofoszfonátok teljes

protonálódását (PTP: H8L; ETP, PDPDC: H6L; EDPMC, PMPTC: H5L; EMPDC: H4L)

elérni, így legsavasabb log KH állandóikat kiszámítani sem. Ahogy a 4.2. táblázatból is látható,

az összes protonálódási állandó meghatározása csak az etán-1,1,2-trikarbonsav (ETC: H3L)

esetén volt lehetséges.

A meghatározott állandók segítségével kiszámítottuk a különböző protonáltsági fokú

részecskék százalékos eloszlását a pH függvényében és ezeket az összes vegyületre a 4.2. ábrán

mutatjuk be az összehasonlíthatóság kedvéért.

Többértékű ligandumok log KH makroállandói elvileg nem rendelhetők hozzá az egyes

funkciós csoportokhoz [45], azonban több, általunk vizsgált vegyület állandóira is teljesül a

log Ki+1 − log Ki = ∆log K > 2,5 egyszerűsítő feltétel. Ezekben az esetekben a HiL makro-

részecske relatív koncentrációja 100%-hoz közelít és jó közelítéssel megtehető a KH

i+1 és KH

i

makroállandók bázikus centrumhoz rendelése. A funkciós csoportokat hasonló pozícióban tartal-

mazó modellvegyületek irodalmi protonálódási állandói is értékes összehasonlításokra adnak

lehetőséget, valamint elektrosztatikus megfontolások is segíthetik a valószínű protonálódási

sorrend felállítását, miszerint olyan szerkezetű részecskék (protonáltsági izomerek) előfordulása

valószínűbb, amelyekben a negatív töltésű csoportok kovalens (és feltehetően térbeli) távolsága

maximális (lásd: 2.3.2. fejezet).

Wozniak és Nowogrocki szerint [38] a monofoszfonsavakra log K1H < 8 értékek jellemzők

(4.3. táblázat). Kevéssel magasabb, mintegy 8,5-10,3-as értékeket találtak azoknál a biszfoszfon-

savaknál, amelyeknél a foszfonátcsoportokat két vagy három szénatom választja el [16, 36].

Lényegesen nagyobb, mintegy 11 feletti log K1H értékeket találtak viszont geminális bisz-

foszfonsavak esetén [16, 41, 42]. Hasonló nagyságú állandókat mértünk a vizsgált geminális tri-

és tetrafoszfonsav (PTP, ETP) esetén, az első H+-t tehát a geminális foszfonát-pár itt is

„kooperatív” módon veszi fel. Másrészt, az említett két foszfonsav kettőnél több foszfono-

csoportot tartalmaz, a nagyobb össztöltés további oka lehet a nemprotonált anion bázicitása

növekedésének. Feltételezhető, hogy e két hatás eredményezi a két oligofoszfonsav nagy log K1H

értékét, valamint a log K2H értéket is a tetrafoszfonsav PTP esetén. Az eloszlási görbék szerint

(4.2. ábra) e két vegyület esetében a lúgos tartományban H2L a domináns részecske, a HL

képződése viszont nem számottevő. A titrálási görbék az L részecske feltételezése nélkül is

illeszthetők voltak a 11,4 alatti pH-tartományban.

36

A bonyolultabb foszfonsavak és foszfono-karbonsavak közötti különbségek tisztázása végett

elvégeztem az etán-1,1,2-triszfoszfonsavval (ETP) analóg trikarbonsav (ETC) egyensúlyi

vizsgálatát is. A protonálódási állandók értékei (4.2. táblázat) és az eloszlási görbék (4.2. ábra)

alapján az állapítható meg, hogy a trikarbonsav pH = 7 felett teljesen deprotonált alakban van

jelen. A triszfoszfonsav oldata azonban ebben a pH-tartományban mono- és diprotonált

részecskéket tartalmaz, sőt kevés H3L részecske is képződik. A triszfoszfonsav teljes deproto-

nálódása csak pH 12 fölött következik be. Ezek az eredmények – összhangban az irodalomban

találtakkal – azt is jelentik, hogy a vegyes foszfono-karbonsavak esetében az első proton(ok) a

foszfonátcsoport(ok)on kötődnek meg.

4.3. táblázat. A funkciós csoportokat hasonló pozícióban tartalmazó modellvegyületek irodalmi protonálódási állandói

Vegyület log K1 log K2 log K3 log K4 log K1-log K2 Irodalom

P

7,55 2,19 - - 5,36 [38]

P

7,79 2,29 - - 5,5 [38]

P P

10,22 10,47

7,25 6,88

2,65 2,70

1,70 -

2,97 3,59

[36] [16]

P

P

11,58 7,14 2,84 - 4,44 [16]

PP

8,96 7,44 2,71 1,50 1,52 [36]

P P

8,35 7,44 2,70 1,60 0,91 [16]

cP

7,93 4,8 1,20 - 3,13 [130]

P C

7,71 4,52 2,01 3,19 [48]

A 4.2. ábrát vizsgálva az is megállapítható, hogy az öt vegyes sav esetében az egyes

protonálódási lépések jól elkülönülnek, ami lehetőséget kínál a mért log KH állandók közelítő

csoporthoz rendelésére. A vizsgált trikarbonsavra (ETC) és a monofoszfonsavakra kapott

egyensúlyi adatok [38] alapján nagy valószínűséggel feltételezhető, hogy a monofoszfono-

trikarbonsav (PMPTC) 8,55-ös log K1H értéke a foszfonát-csoport első protonálódási lépéséhez

rendelhető. Ezt látszik megerősíteni a metán- és etán-monofoszfono-monokarbonsavak [17, 131]

állandóinak 7,7 körüli értéke is. Az eloszlási görbék jellege alapján a 6,23-as, a 4,60-as és a 3,49-

es logaritmusú protonálódási állandók a karboxilátcsoportokhoz rendelhetők, míg az 1,61-es

állandó a foszfonátcsoport második protonjának felvételéhez.

37

Az etán-monofoszfono-dikarbonsav (EMPDC) állandói valamivel nagyobbak az előbbi

vegyületéinél, de a log K1H = 9,07 állandó egyértelműen a foszfonátcsoport első H+-felvételéhez

rendelhető, a 6,67-es és a 4,57-es log K1H értékek pedig a karboxilátokhoz. A log K4

H = 2,52 a

hidrogénfoszfonát-csoport protonfelvétele lehet.

Az etán-difoszfono-monokarbonsavra (EDPMC) kapott állandók szintén könnyen értel-

mezhetőek. Valószínű, hogy a log K1H = 10,32 és a log K2

H = 7,2 értékek a két foszfonátcsoport

első protonálódási lépéseihez rendelhetők. A log K3H = 4,86 nagysága alapján a karboxilát proto-

nálódási állandója, míg log K4H = 2,39 az egyik hidrogénfoszfonát-csoport protonfelvétele lehet.

Az utolsó, ötödik protonálódási lépésre viszont nem kaptunk megbízható információt a jelen

kísérleti körülményeink között.

A két difoszfono-dikarbonsav (PDPDC, EDPDC) esetében elsőként a két foszfonátcsoport

protonálódását lehet feltételezni. A geminális propán-difoszfono-dikarbonsavra (PDPDC) a

log K3H = 5,54 és log K4

H = 4,23 értékek nagy valószínűséggel a két karboxilát protonálódásához

rendelhetők, a vicinális etán-difoszfono-dikarbonsav (EDPDC) esetében pedig a log K3H = 6,47

és a log K4H = 4,58 értékek. Az EDPDC 3,41-es, valamint a kísérletileg nem elérhető log K6

H

állandói a hidrogén-foszfonátok protonfelvételét jellemzik.

A vizsgált vegyületek protonálódási egyensúlyainak részletesebb tárgyalását közeli bázicitású

csoportok átfedő protonálódása, valamint különböző energiagáttal elválasztott rotamerek

egyensúlyai bonyolítják. A gátolt rotáció megjelenése valószínűleg molekulánként akár több

intramolekuláris hidrogénhíd képződésével is magyarázható, ami szintén a log KH értékek

növekedéséhez vezet.

Rotamer- és sav-bázis egyensúlyok eddigi legrészletesebb tárgyalása multinukleáris NMR

mérések alapján Andreas Lindner disszertációjában [50] található meg a PMPTC vegyületre,

ezek az eredmények azonban eddig nem kerültek szélesebb körű publikálásra. Az általunk

vizsgált EDPDC vegyületre azonban tudomásunk szerint még egyáltalán nem történtek NMR-

pH titrálások, ezért elvégeztük e vegyület pH-függő 1H/31P/13C NMR titrálását.

4.1.1 Az etán-1,2-difoszfono-1,2-dikarbonsav NMR-pH titrálása

Az EDPDC 1H NMR spektruma két multiplett jelet tartalmaz 1,6 és 2,3 ppm körül, amely

arra utal, hogy a két metin hidrogénatom diasztereotóp (4.5. ábra). A proton-lecsatolt 31P NMR

spektrumban egyetlen szigulett jelenik meg a foszfonátcsoportok szimmetriájának, valamint a

gyors protoncsere egyensúlyoknak megfelelően. A 13C{1H} spektrumban a 31P maggal való

38

csatolás miatt találunk egy-egy dublettet a karboxilát szénre (J = 17,1 Hz, amely a lúgos közegbe

érve 19,6 Hz-re növekszik), illetve 30 ppm körül a tercier szénatom-magokra (J = 3,5 Hz).

A különböző pH-jú mintákra kapott 1H, 31P{1H} és 13C{1H} spektrumok sorozatát a 4.5-4.8.

ábrákon mutatjuk be.

1.21.62.02.42.83.23.64.04.44.85.2

(ppm)

4.3. ábra. Az EDPDC 1H NMR-pH titrálásának spektrumsorozata (480 mM oldat D2O-ban, 25 °C, 250 MHz)

048121620242832

(ppm)

a = 0a = 1

a = 2

a = 3a = 4

a = 5a =6a = 7

O

O

O

OP P

OO--

C

O

O

O--

HC

OC

CH

4.4. ábra. Az EDPDC 31P{1H} NMR-pH titrálásának spektrumsorozata (480 mM oldat D2O-ban, 25 °C, 101 MHz)

39

174.0175.5177.0178.5180.0181.5183.0184.5186.0187.5

(ppm)

a = 7

a =6a =5a =4a =3

a =2a =1a =0

O

O

O

OP P

OO--

C

O

O

O--

HC

OC

CH

4.5. ábra. Az EDPDC 13C{1H} NMR-pH titrálásának spektrumsorozata, karbonil tartomány (480 mM oldat D2O-ban, 25 °C, 62,9 MHz)

21.022.023.024.025.026.027.028.029.030.031.032.033.034.0

(ppm)

a = 7

a = 6

a = 5a = 4

a = 3

a = 2

a = 1

a = 0

O

O

O

OP P

OO--

C

O

O

O--

HC

OC

CH

4.6. ábra. Az EDPDC 13C{1H} NMR-pH titrálásának spektrumsorozata, alifás tartomány (480 mM oldat D2O-ban, 25 °C, 62,9 MHz)

40

O

H2C

O

O

OP P

OO--

C

O

O

O

H2C

O

O

CH2

OP P

O-

C C

O

OO

-

O

O

H

O

O

-CH2

C

O

H2C

O

O

CH2

OP P

C COO

O

O

H

O

O

H

O

H2C

O

O

CH2

OP P

C COO

O

O

O

O

H

H

H

O

H2C

O

O

CH2

OP P

C COO

O

O

HO H

HHO

O

H2C

OH

O

CH2

OP P

C COO

O

O

HO H

HHO

6,74

11,88

7,73

4,58

3,41H

4.7. ábra. Az EDPDC feltételezett fő protonálódási útvonala, az adott lépéshez közelítőleg hozzárendel-hető makroállandók értékével együtt

A páronként szimmetrikus foszfonát- és karboxilátcsoportokat tartalmazó vegyület fő

protonálódási útvonalát a 4.7. ábrán mutatjuk be és a részecskeeloszlási görbéken ábrázolt 31P és 13C kémiai eltolódások (4.8. és 4.9. ábrák) segítségével diszkutáljuk. Az 1H NMR titrálás során

ugyanis többé-kevésbé folyamatos, így kevésbé informatív a rezonanciajelek eltolódása.

Az első két hidrogénion a foszfonátcsoportokon kötődik az a = 4-6 (pH = 7,22–12,5) tarto-

mányban. Ekkor a foszfor rezonanciajelének kémiai eltolódása mintegy 3,2 ppm-et változik a

kisebb tér irányába, míg a karboxilszenek 13C atomjain -1,55 ppm-es változás észlelhető.

Szembetűnő azonban a 31P és főként a karboxil 13C jelek kiszélesedése, amely az NMR időskálán

egy kicserélődési reakció lelassulását jelzi. A kicserélődési reakció elvileg lehetne az etántengely

körüli gátolttá váló rotáció is, de valószínűbb, hogy a geminális hidrogénfoszfonát és

41

karboxilátcsoportok közötti hidrogénhidak kialakulásáról van szó. Az NMR-pH titrálások

irodalmából ismert tény, hogy egész titráltsági fokoknál tapasztalt félértékszélesség-növekedés

intramolekuláris hidrogénhidat tartalmazó HiL részecske képződését valószínűsíti, míg

„félegész” titráltsági fokok esetén intermolekuláris hidrogénhíddal összekötött asszociátummal

kell számolnunk, például átlagosan 1,5 protonszámú részecske esetén [HL-H-LH] szerkezettel

[47].

Az első két hidrogéniont tehát feltehetően kooperatív módon köti meg a geminális foszfonát-

és karboxilátcsoport-pár: P(O)OH…OOC, ezt látszik megerősíteni a nagy log KH

1 11,88

érték is (vö. a kettővel még negatívabb töltésű PTP 12,05 állandójával!). A harmadik és

negyedik H+ belépése e hidrogénhidak felbomlását igényli, amely valószínűleg lassabb

kinetikával megy végbe, ezért tapasztalunk az a = 4 – 2 tartományban végig széles csúcsokat e

funkciós csoportok „riporter” spinjein. A foszfor rezonanciajel kémiai eltolódásának kismértékű,

csupán 0,5 ppm változása tapasztalható nagyobb terek irányába, míg a karboxil szénatomok

kémiai eltolódása ugrásszerűen, mintegy -4,6 ppm-et változik, ami alátámasztja a

karboxilcsoportok H+-felvételét.

A H4L részecske kialakulása után már csak a hidrogénfoszfonát-csoportok protonálódása van

hátra az a = 2 – 0 tartományban, amelyet a δP jelentős, 4,8 ppm-es eltolódása tükröz. A karboxil

∆δ értéke mintegy 1,4 ppm-es a nagyobb tér irányába, jelezve mind a foszfoncentrum

protonálódásának induktív effektusát, mind a hidrogénhidas kapcsolat gyengülését. A

vonalszélesség visszatér a lúgos közegben megfigyelt értékre, tehát a protoncsere ismét

pillanatszerűvé válik mindegyik fajta mag „időskáláján”.

42

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8a

%

20

22

24

26

28

30

32pH

δδ δδ/p

pm

LH5

LH4

LH3

LH2

LHL

δP

1,88 3,98 5,64 7,22 9,73 12,51 13,31

A

4.8. ábra. Az EDPDC részecskeeloszlása és 31P kémiai eltolódása a lúgekvivalensek (a), illetve a pH függvényében (480 mM oldat D2O-ban, 25 °C, I = 0,5 M NaClO4). A szaggatott vonal a görbék valószínű menetét jelöli

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8a

%

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185pH

δδ δδ/p

pm

LH5

LH4

LH3

LH2

LH

L

δC

1,88 3,98 5,64 7,22 9,73 12,51 13,31

B

4.9. ábra. Az EDPDC részecskeeloszlása és karboxil 13C kémiai eltolódása a lúgekvivalensek (a), illetve a pH függvényében (458 mM oldat D2O-ban, 25 °C, I = 0,5 M NaClO4). A szaggatott vonal a görbék valószínű menetét jelöli

43

4.2 A ligandumok fémkomplex-képzése

A fémkomplexek sztöchiometriájának és stabilitási állandóinak meghatározását pH-

potenciometriás módszerrel végeztem. Csak kevés esetben (például a PDPDC-Cu2+, PDPDC-

Ni2+, ETC-Ca2+ rendszerekben) sikerült a kísérletterv szerinti teljes 1,8-11 pH-tartományban

végrehajtani a mérést. A többi rendszerben az üvegelektród potenciálja már gyakran savas pH-

nak megfelelő tartományban labilissá vált (4-5 mV-os ingadozások), az oldat ekkor rendszerint

opálossá vált vagy szilárd csapadék vált ki. A homogén oldatfázisú komplexképződés pH-

tartományait a 4.4. táblázatban tüntettük fel. Erre nehéz általános tendenciát megállapítani, de

általában a vicinális karboxilátokat tartalmazó ligandumok voltak képesek magasabb pH értékig

oldatban tartani a vizsgált fémionokat.

A homogén közegű komplexképződés egyes esetekben viszonylag szűk pH-tartománya annak

is köszönhető, hogy a vizsgálatokat nem az irodalomban gyakoribb ligandumfelesleggel, hanem

1:1 és 2:1 fém-ligandum arányoknál végeztük. A polisavak szerkezetének ismeretében ugyanis

arra voltunk kíváncsiak, hogy képződnek-e két- vagy többmagvú fémkomplexek. A kalcium

esetén ötszörös és tízszeres fémion-feleslegre is szükség volt megfelelő pontosságú stabilitási

állandók számításához.

Az adott fémion-ligandum párra vonatkozó titrálások reprodukálható adatpontjait összesítve a

MAXIPOT programmal [9] végeztük a kiértékelést, az előzőleg meghatározott kumulatív

protonálódási állandók β01i értékeit állandónak tekintve. Új részecske képződésének matematikai

kritériumaként az illeszkedés jóságának javulását, az új stabilitási állandó hibáját és a részecske

csúcskoncentrációját vettük alapul (a komplexek kémiai realitását az alábbiakban elemezzük). A

részecskeszelektálásról egységesen megállapítható, hogy ML, MLH, MLH2, valamint a

ligandum össztöltésének megfelelő további MLHi részecskék képződését valószínűsítik a

potenciometriás titrálási görbék. Egyes esetekben MLH−1 összegképletű, hidroxidiont vagy

deprotonált koordinált vízmolekulát tartalmazó komplexek képződése is számítható volt a lúgos

tartományban. Biszkomplexek, protonált biszkomplexek, például ML2H, M(HL)2, M(LH2)2

vagy többmagvú komplexek (M2L, M2LH, ...) képződését viszont a legkülönbözőbb

részecskék kombinációját feltételező egyensúlyi modell illesztésével sem sikerült

valószínűsíteni.

Ahhoz, hogy a különböző fémionokkal szemben mutatott affinitás összehasonlításakor

figyelembe lehessen venni a különböző ligandum-donorcsoportok eltérő bázicitását, a

44

bázicitással korrigált βadj állandókat, valamint a protonált ligandum komplexképzésének

megfelelő egyensúlyi állandókat (Ki) is számítottunk (ezek definícióját lásd a 2.2.2. fejezetben).

Az összes egyensúlyi állandót az 4.4. táblázatban foglaltuk össze, a teljesség kedvéért a

kumulatív protonálódási állandók értékeit is feltüntetve (H+ sorai).

Az egyensúlyi állandók ismeretében TL = TM = 5 mmol/dm3 összkoncentrációra kiszámítottuk

a részecskeeloszlási görbéket is, ezeket a következő alfejezetekben a fémionok szerint csopor-

tosítva mutatjuk be. A komplexek koordinációs módjaira azok protonálódási állandói, illetve

azonos ionerősségnél modell ligandumokra mért irodalmi komplexstabilitási állandók

segítségével állítunk fel hipotéziseket. Ahol 0,5 M ionerősségre nem találtunk irodalmi adatot,

0,1 M-ra publikált adatokat használjuk fel közelítésként, mivel e két ionerősségre még

többszörös töltésű ionokra is 0,1 logaritmikus egységen belül azonos aktivitási tényezők

számíthatók a Davies-egyenlettel.

45

4.4. táblázat A képződő (MqLpHr) komplexek kumulatív bruttó stabilitási állandói (ezek hibái alsó indexben vannak feltüntetve), a bázicitással korrigált [log βadj] stabilitási szorzatok, a látszólagos stabilitási állandók értékei [log Ki] és a protonálódási állandók (H+ sorok). (25°C, I=0,5 M)

Vegyület, vázlatos képleta

Kation TM/TL:

pH-tartomány (NMPb)

log ββββ115 log K5

(H+: log ββββ015015015015))))


(H+: log ββββ014014014014))))


(H+: log ββββ013013013013))))


(H+: log ββββ012012012012))))


(H+: log ββββ011011011011))))

log ββββ110 log ββββ110

adj log ββββ11-1

Cu2+ 1: 1,8-3,2 (55) 2: 1,8-3,2 (52) -

31,5564

2,54

29,7241

3,76 25,8459

5,88

19,79 8,66

- -

-

Ni2+ 1: 1,8-8,2 (138) 2: 1,8-4,8 (58) -

32,268

3,25

29,516

3,55

24,6510

4,69

18,849

7,71

10,3220

-20,48 -

Zn2+ 1: 1,8-3,7 (52) 2: 1,8-3,7 (52) -

32,3416

3,33

29,8715

3,91

∼25

∼5,0

∼22

∼10,9

- -

-

Cd2+ 1: 1,8-3,5 (49) 2: 1,8-3,0 (50) -

31,3714

2,36

29,398

3,43

24,4052

4,44

- -

- -

-

Ca2+ 5: 1,8-5,4 (109) 10: 1,8-4,7 (52) -

30,5214

1,51

28,0213

2,06

22,3398

2,37

16,62 5,49

- -

-

ETP

P

PPP

H+ - (30,8) (29,01) (25,96) (19,96) (11,13) - -

Cu2+ 1: 1,9-3,1 (39) -

31,0415

6,27

29,7111

7,33

25,9112

8,39 - - -

Ni2+ 1: 2,0-6,1 (75) -

31,915

7,14

29,544

7,16

24,964

7,44

19,584

9,26

12,658

-12,12 ∼3,6

Zn2+ 1: 2,0-3,7 (41) -

32,143

7,37

30,043

7,66

25,72 8 8,20

- - -

Cd2+ 1: 2,0-2,9 (32) -

31,2229

6,45

29,0434

6,66

-

- - -

Ca2+ 5: 2,0-5,5 (55) -

30,8638

6,09

28,3641

5,98

23,5957

6,07

-

- -

EDPMC C

P P

H+ - - (24,77) (22,38) (17,52) (10,32) - -

a P és C a megfelelő –PO3H2 és –COOH csoportokat jelöli

b a kiértékeléshez használt összes adatpont száma (rendszerint 3-4 titrálás adatait egyesítve)

46

4.3. táblázat folytatása

Vegyület, vázlatos képlete

Kation TM/TL:



(H+: log ββββ015015015015))))


(H+: log ββββ014014014014))))


(H+: log ββββ013013013013))))


(H+: log ββββ012012012012))))


(H+: log ββββ011011011011))))



Cu2+ 1: 2,0-8,0 (43) 2: 2,0-7,9 (43) - 32,57

3,37 29,008 4,10

24,7511 5,39

19,3025 7,86

13,2713 -18,14

-

Ni2+ 1: 2,0-10,5 (40) 2: 2,0-10,5 (42) - 32,0128

2,88 28,9132

4,01 24,0931

4,73 18,4332

6,99 11,1929 -20,22

-

Zn2+ 1: 2,1-7,1 (37) 2: 2,0-5,6 (43) - 32,3015

3,17 28,7913

3,89 24,1329

4,77 19,1924

7,75 13,0035 -18,41

-

Cd2+ 1: 2,0-4,6 (34)

- 32,7419 3,61

29,988 5,08

25,1977 5,83

20,64 9,20

- -

PDPDC

P

P c c

H+ - (31,41) (29,13) (24,9) (19,36) (11,44) - -

Cu2+ 1: 1,9-5,1 (112) 2: 1,9-4,4 (45)

-

33,7612

2,83 29,3616

3,01 24,5222

4,91 18,62

6,74 -

-

Ni2+ 1: 1,9-4,9 (107) 2: 1,9-4,9 (52)

-

33,666

2,73 29,3711

3,02 24,2812

4,67 18,44168

6,56 -

-

Zn2+ 1: 1,9-6,7 (61) 2: 1,9-6,1 (60)

-

33,948

3,01 29,959

3,60 24,909

5,29 18,1920

6,31 -

3,88

Cd2+ 1: 1,9-5,3 (69) 2: 1,8-6,3 (72)

-

33,397

2,46 29,218

2,86 23,918

4,30 -

-

-

Ca2+ 5: 1,9-9,9 (65) 10: 1,9-10,3(68)

-

32,3211

1,39 28,1010

1,75 21,745

2,13 14,317

2,43 -

-

EDPDC

P

CC

P

H+ - (34,34) (30,93) (26,35) (19,61) (11,88) - -

47



Kation TM/TL:



(H+: log ββββ015015015015))))


(H+: log ββββ014014014014))))


(H+: log ββββ013013013013))))


(H+: log ββββ012012012012))))


(H+: log ββββ011011011011))))



Cu2+ 1: 2,3-5,6 (56) 2: 2,1-4,2 (49)

-

-

28,246

7,96

25,255

9,54

21,174

12,13

16,453

-6,35 10,61

Ni2+ 1: 2,2-6,8 (69) 2: 2,3-6,6 (61)

-

- 30,523

10,24

26,657

10,94

21,7913

12,75

15,8135

-6,99 3,71

Zn2+ 1: 2,3-4,7 (55) 2: 2,0-4,7 (65)

-

-

29,588

9,30

25,687

9,97

20,7914

11,75

15,3114

-7,49 7,46

Cd2+ 1: 2,3-4,9 (38) 2: 2,2-4,4 (41)

-

-

29,0721

8,79

25,2518

9,54

20,4227

11,38

14,8627

-7,94 -

Ca2+ 5: 2,2-8,0 (70) -

-

27,721

7,44

23,731

8,02

18,412

9,37

11,332

-11,47 1,65

EMPDC

P

CC

H+ - - (22,80) (20,28) (15,71) (9,04) - -

Cu2+ 1: 1,9-6,0 (56) 2: 1,9-6,1 (60)

-

33,153

10,28

30,083

10,70

26,325

11,54

21,777

13,22

16,1810

-8,30

-

Ni2+ 1: 2,2-8,5 (58) 2: 1,9-8,3 (60)

-

32,495

9,62

29,155

9,77

24,829

10,04

19,4811

10,93

13,1216

-11,36

2,49

Zn2+ 1: 1,9-7,0 (62) 2: 1,8-6,5 (56)

-

33,906

11,03

30,577

11,19

26,259

11,47

21,059

12,50

15,0311

-9,45

-

Cd2+ 1: 1,9-5,3 (48) -

33,057

10,18

29,925

10,54

25,567

10,78

20,477

11,92

14,31 -10,17

-

PMPTC

cc

P

c

H+ - (24,48) (22,87) (19,38) (14,78) (8,55) -

48



Kation TM/TL:

pH-tartomány (NMP)

log ββββ115

log K5 (H+: log ββββ015015015015))))


(H+: log ββββ014014014014))))


(H+: log ββββ013013013013))))


(H+: log ββββ012012012012))))


(H+: log ββββ011011011011))))


adj

logββββ 11-1

Cu2+ 1: 1,9-5,0 (94) 2: 1,9-4,8 (49) 3: 1,9-4,7 (45)

-

-

-

12,305

2,38

9,472

3,76

4,784

-7,54

-

Ni2+

1: 2,0-4,5 (92) 2: 2,0-4,8 (46) 3: 2,0-4,8 (48)

-

-

-

-

5,13 -0,58

2,943

-9,38

-

Zn2+

1: 2,0-6,0 (96) 2: 2,0-5,5 (48) 3: 2,0-5,4 (96)

-

-

-

-

4,97 -0,74

2,1410

-10,18

-

Cd2+

1: 2,2-5,6 (96) 2: 2,0-5,6 (47) 3: 2,0-5,6 (47)

-

-

-

-

-

2,3610

-9,96

-

Ca2+ 5:1 2,0-11,0 (93) 10: 1,9-11,0 (92)

-

-

-

-

-

1,1621

-11,16

-

ETC

C C

C

H+ - - - (12,32) (9,92) (5,71) - -

49

4.5. táblázat Protonálódási állandók a vizsgált ligandumokra (a H+ soraiban: log HiK ) és azok MLHr

komplexeire (log H11iK ) vizes oldatban, 25 °C-on és 0,5 M (NaClO4) ionerősségnél

Ligandum Fémion log H

114K

(log H5K )

log H113K

(log H4K )

log H112K

(log H3K )

log H111K

(log H2K )

log H110K

(log H1K )

ETP

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

Ca2+

H+

-

-

-

-

-

(1,79)

2,75

1,83

2,47

1,98

2,50

(3,05)

4,86

3,88

4,90

4,99

5,69

(6,00)

5,81

6,05

3,30

-

5,71

(8,83)

8,52

-

-

-

-

(11,13)

EDPMC

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

Ca2+

H+

-

-

-

-

-

-

2,37

1,33

2,10

2,18

2,50

(2,39)

4,58

3,80

4,32

-

4,77

(4,86)

5,38

-

-

-

-

(7,20)

6,93

-

-

-

-

(10,32)

PDPDC

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

H+

-

-

-

-

(2,28)

3,10

3,50

3,51

2,76

(4,23)

4,82

4,25

4,66

4,79

(5,54)

5,66

5,45

4,94

4,55

(7,92)

7,24

6,03

6,19

-

(11,44)

EDPDC

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

Ca2+

H+

-

-

-

-

-

(3,41)

4,29

4,40

3,99

4,18

4,22

(4,58)

5,09

4,84

5,05

5,30

6,36

(6,74)

5,84

5,90

6,71

-

7,43

(7,73)

-

-

-

-

-

(11,88)

EMPDC

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

Ca2+

H+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

(2,52)

3,87

2,99

3,90

3,82

3,99

(4,57)

4,86

4,08

4,89

4,83

5,32

(6,67)

5,98

4,72

5,48

5,56

7,08

(9,04)

PMPTC

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

H+

-

-

-

-

(1,61)

3,34

3,07

3,33

3,13

(3,49)

4,33

3,76

4,32

4,36

(4,60)

5,34

4,55

5,20

5,09

(6,23)

6,36

5,59

6,02

6,16

(8,55)

ETC

Ni2+

Cu2+

Zn2+

Cd2+

Ca2+

H+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

(2,40)

-

2,83

-

-

-

(4,21)

2,19

4,69

2,83

-

-

(5,71)

50

4.2.1 Nikkel(II)-komplexek

4.10. ábra. A Ni(II)-ion és oligo(foszfonát/karboxilát)-komplexeinek eloszlása (TNi = TL = 5 mM). Szaggatott vonallal az LHi részecskék százalékos aránya TL-hez viszonyítva

A legtöbb ligandum esetén a nikkelionnal nyílt lehetőség a komplexképződés legszélesebb

pH-tartományban történő vizsgálatára és ezzel a legtöbb részecskefajta stabilitási állandójának

kiszámítására (4.10. ábra).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

NiL

NiLH

NiLH2

NiLH3

NiLH4

Ni2+

LH2

LH3

LH4

LH5 ETP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

NiL

NiLH

NiLH2

NiLH3

NiLH4

EDPMC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

% NiL

NiLH

NiLH2

NiLH3

NiLH4

Ni2+

LH4LH5

LH3

PDPDC

LH2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

% NiL

NiLHNiLH2

NiLH3

EMPDC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%NiL

NiLHNiLH2NiLH3

NiLH4

PMPTC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

NiLH2

LH3

NiLH3

NiLH4

LH4

LH5

Ni2+

EDPDCNiLH

P

PPP

P

P c c

P

CC

P

CC

P

C

P P

cc

P

c

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

NiL

LH

LH2LH3

Ni2+

L ETC

C C

C

51

Az ETC esetén csak 4-nél nagyobb pH-n észleljük az ML komplex kismértékű képződését,

melynek stabilitási állandója (log β110 = 2,94) jó egyezésben áll a malonátra mért irodalmi 2,74

értékkel [132]. Mivel a szukcinátra egy nagyságrenddel kisebb állandót (1,47) mértek [132], az

ETC koordinációjában feltehetően a geminális karboxilátok vesznek részt.

A speciációs görbék jelentős mennyiségű (>20%) komplexálatlan nikkeliont mutatnak az

ETP, EDPDC és PDPDC savas oldataiban. A fémiont nem kötő ligandum HiL részecskék

formájában van jelen, melyek csúcskoncentrációi 0,5 pH-egységen belül azonos aciditásnál

találhatók a megfelelő MLHr részecskékéivel. Az ETP ML, MLH és MLH2 komplexének

stabilitási állandói 2-3 nagyságrenddel nagyobbak a metilénbiszfoszfonátra publikált adatoknál

[133], tehát 6-os kelátgyűrű kialakulásával járó 1,1-biszfoszfonátként történő koordináció

valószínű. Az ETP ML komplexének bázicitással korrigált stabilitása (log βadj = -20,48) viszont

még a trikarboxilát ETC megfelelő értékénél (-7,54) is kisebb, a triszfoszfonát látszólag

nagyobb fémion-affinitását tehát túlkompenzálja a zsúfolt, kétszeresen negatív töltésű csoportok

közti taszítás és sztérikus gátlás. Az első három H+ felvételekor valószínűleg megmarad a

(legalább) kétfogú kelát koordináció, mivel a NiLH1-3 részecskék látszólagos stabilitási

állandóinak logaritmusa rendre 7,71; 4,69 és 3,55. A NiLH4 részecske kialakulásakor viszont az

egyik foszfonátcsoport teljes protonálódása miatt már valószínűleg kiszorul a koordinációs

szférából és egy monodentát foszfonátnak megfelelő stabilitásnál (metilfoszfonát: 2,25 [56]) alig

nagyobb érték, log K114 = 3,25 mérhető.

A szintén geminális biszfoszfonát kötőhelyet tartalmazó PDPDC nagy log β értékei szintén

csak a nagy kumulatív bázicitásnak köszönhetők, korrigált Ni2+-affinitása csekély: log βadj =

-20,22. Ebben az esetben már pH 5 felett csapadék vált ki az oldatból, így a NiL részecskére nem

kaptunk információt, a NiLH stabilitási állandóját is csak nagy hibával sikerült meghatározni. A

komplexek H+-felvétele valószínűleg a foszfonátcsoportokon megy végbe, a második lépésre:

log H111K = 5,84 (4.5. táblázat). A NiLH és NiLH2 komplexekből 28%-nál kisebb mennyiség

képződik a vizsgált pH tartományban, 4,9 feletti látszólagos stabilitási állandóik kelát szerkezetre

utalnak. 5,09 és 4,29 protonálódási állandókkal a karboxilátcsoportok protonálódása is bekövet-

kezik, a megfelelő log KH makroállandók fémion távollétében 6,74 és 4,58. A közeli log H113K =

4,29 és log H4K = 4,58 értékek arra utalhatnak, hogy az egyik karboxilátcsoport „szabadon”

protonálódik, tehát a vizsgált pH-tartományban egyáltalán nem koordinálódik a nikkelionhoz. A

NiLH4 részecskében valószínűleg monodentát {PO3H−} koordináció alakul ki.

A háromcsoportos EDPMC esetén már az egész vizsgált 2 < pH < 6 tartományban 10−4 M

alatt marad a ligandumhoz nem kötött Ni2+ koncentrációja (4.11. ábra), a korrigált fémion-

52

affinitás (log β110adj = -12,12) közepesnek mondható a később tárgyalandó EMPDC és PMPTC

ligandumokéhoz képest. A NiL komplex H+-felvétele log H110K = 6,93 és log H

111K = 5,38

állandókkal jellemezhető, amelyek kisebbek a szabad ligandum első két log KH értékénél (10,32

és 7,20), feltehetően a foszfonátcsoportokhoz rendelhetők. A NiLH2 komplexek protonaffinitása

viszont hasonló a szabad liganduméhoz (log H11rK ≈ log H

1+rK ): 4,58 ≈ 4,86 és 2,37 ≈ 2,39. Ez

jelenthetné azt, hogy a karboxilcsoport nem vesz részt a koordinációban, viszont ellentmond

ennek a látszólagos stabilitási állandók nagy (7 log egység feletti) értéke még a NiLH4

részecskére is, ahol már csak monodentát {PO3H−} koordináció képzelhető el (egy lehetséges

magyarázatot a következő bekezdésben adunk meg).

A foszfonát→karboxilát cserével levezethető EMPDC bázicitással korrigált stabilitási

állandója (log β110adj = -6,99) a vizsgált ligandumok közül a legnagyobb, ami erős tridentát

koordinációra utal. A NiL komplex első H+-felvétele a foszfonátcsoporton történik (log H110K =

5,98), amit a karboxilátok protonálódása követ (log H111K = 4,86 és log H

112K = 3,87). A protonált

komplexekre vonatkozó látszólagos stabilitási állandókat (log Ki > 10 értékek a 4.4. táblázatban)

óvatosan kell kezelni: kémiailag nehezen indokolható, hogy a mindhárom csoportján protonált

ligandum monodentát {PO3H−} koordinációval ilyen affinitást mutasson a fémionnal szemben.

Egyrészt a potenciometriás titrálás alkalmazhatóságának felső határához érkeztünk, másrészt

nem zárhatjuk ki a zsúfolt oligofoszfonátokra irodalomból ismert többmagvú, ligandummal

áthidalt részecskék keletkezését. Ilyen részecskék összetételére nem sikerült potenciometriás

egyensúlyi modellt találnunk, ez csak kiegészítő spektroszkópiai módszerek (pl. UV-látható)

segítségével lett volna lehetséges. Ha képződnek is ilyen részecskék, ezek vízoldhatók (tehát

töltéssel rendelkezők) kell, hogy legyenek, hiszen az oldat még gyenge opaleszcenciát sem

mutatott a titrálás során.

Hasonló problémák merülnek fel a PMPTC állandóinak elemzésekor is, amely olyan

szempontból a leghatékonyabb kelátornak bizonyult, hogy a legalacsonyabbra csökkentette a

szabad nikkelion koncentrációját (4.11. ábra), valamint protonált komplexeinek látszólagos

stabilitási állandói legalább tridentát koordinációra utaló, 9,5 feletti értékek (log egységben). A

NiLH3 és NiLH4 részecskék nagy stabilitási állandóinak kémiai értelmezését az is nehezíti, hogy

az ezekhez vezető protonálódási állandók csak alig kisebbek a szabad ligandumra mért

értékeknél: log H113K = 4,33 < 4,60 és log H

114K = 3,34 < 3,49.

Összefoglalásul megadjuk a ligandumok Ni(II)-ion affinitásának többféle paraméter ([Ni2+],

log β110adj és log Ki) által is megerősített sorrendjét:

ETC ~ EDPDC <<<< ETP ~PDPDC <<<<<<<< EDPMC <<<< EMPDC <<<<<<<< PMPTC

53

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1 2 3 4 5 6 7 8pH

log

[N

i2+]

ETP

EDPMC PDPDC

EDPDC

EMPDC

PMPTC

ETC

4.11. ábra. A komplexben nem kötött Ni(II)-ion koncentrációja a pH függvényében a vizsgált komplexképzők oldataiban (TNi = TL = 5 mM)

4.2.2 Réz(II)-komplexek

A négycsoportos EDPDC rézionnal képzett komplexeinek eloszlása (4.12. ábra) jól egyezik a

megfelelő nikkelkomplexekével. Kvalitatív hasonlóságot mutat a PMPTC és a PDPDC Ni2+- és

Cu2+-komplexeinek eloszlása is, ám ezeknél a ligandumoknál a CuLH és CuLH2 részecskék

képződési tartománya és csúcskoncentrációja mintegy 0,5 pH-egységgel savasabb tartományba

tolódik a megfelelő nikkelkomplexekéhez képest. A PDPDC-Cu2+ rendszerben a CuLH2 és

CuLH4 (∼64%), míg a PDPDC-Ni2+ esetén NiLH és NiLH3 a domináns komplexek (65-70%). A

savasabb tartományba tolódás már 1 pH egységnyi az EMPDC MLH és MLH2, valamint a szűk

pH-tartományban vizsgálható ETP MLH3 komplexe esetén. Az ETP esetén CuLH4 képződése

alárendeltté válik (24% pH 2-nél) NiLH4-hez képest (58%). A komplexképzés savasabb

tartományba tolódása a kompexek protonálódási állandóinak csökkenésében is tükröződik (v.ö. a

Ni2+- és Cu2+-komplexekre vonatkozó adatokat a 4.5. táblázatban) és a Cu2+-ionokkal való

erősebb kölcsönhatásra utal, az Irving-Williams sorrendnek megfelelően. Ezt támasztja alá az is,

hogy a protonált rézkomplexek log Ki látszólagos stabilitási állandói általában 0,5-1 logaritmus

egységgel nagyobbak a megfelelő nikkelkomplexekénél (4.4. táblázat).

54

4.12. ábra. A Cu(II)-ion és oligo(foszfonát/karboxilát)-komplexeinek eloszlása (TCu = TL = 5 mM). Szaggatott vonallal az LHi részecskék százalékos aránya TL-hez viszonyítva

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

EDPMC

CuLH2

CuLH3

CuLH4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CuLH

CuLH2

CuLH3

LH3

LH4CuLH4

Cu2+

LH5

EDPDC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CuLH2

CuLH3

CuLH4

Cu2+

LH4LH5

LH3ETP

P

PPP

C

P P

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%CuL

CuLH

CuLH2

CuLH3

CuLH4

Cu2+

LH3

LH4

LH5

PDPDC

P

P c c

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%CuL

CuLH

CuLH2

CuLH3

EMPDC

P

CC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CuL

CuLHCuLH

CuLH3

CuLH4

PMPTC

cc

P

c

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CuLCuLH

CuLH2

LHLH2

LH3

Cu2+

ETC

P

CC

P

CC

C

55

A réz(II)-EDPMC rendszer csak a szűk 2 < pH < 3 tartományban volt vizsgálható opálosodás

nélkük, ahol a döntően CuLH3 komplexet valószínűsítettek számítasaink, a monodentát {PO3H−}

koordinációhoz képest gyanúsan nagy látszólagos stabilitási állandóval (log K = 7,33).

Az ETC esetén a vizsgált fémionok közül egyedül a rézkomplexek esetén tudtunk

komplexképzést kimutatni: CuL és CuLH összetételű komplexek képződnek jelentősebb

részarányban 5-nél alacsonyabb pH-n. Mindkét részecskefajtában valószínűleg a geminális

karboxilátok képeznek hattagú kelátgyűrűt a fémionnal, ezt támasztja alá a CuL komplex

stabilitásának (log β110 = 4,78) összevetése a malonátra (log β110 = 4,94) és borostyánkősavra

(log β110 = 3,98) mért irodalmi értékekkel [134], valamint a CuLH komplex látszólagos

stabilitási állandója, log K1 = 3,76.

Összefoglalásul megadjuk a ligandumok Cu(II)-ion affinitásának többféle paraméter ([Cu2+] a

4.13. ábrán, log β110adj és log Ki) által is megerősített sorrendjét:

ETC ~ EDPDC <<<< ETP ~PDPDC <<<<<<<< EDPMC <<<< EMPDC <<<<<<<< PMPTC

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1 2 3 4 5 6 7 8pH

log

[C

u2

+]

EMPDC

PDPDC

ETP

EDPMC

EDPDC

PMPTC

ETC

4.13. ábra. A komplexben nem kötött Cu(II)-ion koncentrációja a pH függvényében a vizsgált komplexképzők oldataiban (TNi = TL = 5 mM)

56

4.2.3 Cink(II)-komplexek

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%ZnL

ZnLHZnLH2

ZnLH3

ZnLH4

PMPTC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

ZnLH

ZnLH2

ZnLH3ZnLH4

Zn2+

LH4

LH5

LH3

ETP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

ZnLH2

ZnLH3

ZnLH4

EDPMC

C

P P

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

% ZnL

ZnLH

ZnLH2

ZnLH3

ZnLH4

Zn2+

LH3

LH4

LH5

PDPDC

P

P c c

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

ZnL

ZnLH

ZnLH2

ZnLH3

EMPDC

P

CC

cc

P

c

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

ZnL

LH

LH2

LH3

Zn2+

L

ETC

CC

C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

ZnLH

ZnLH2

ZnLH3

ZnLH4

Zn2+

LH5

LH4LH3

EDPDC

P

CC

P

P

PPP

4.14. ábra. A Zn(II)-ion és oligo(foszfonát/karboxilát)-komplexeinek eloszlása (TZn = TL = 5 mM). Szaggatott vonallal az LHi részecskék százalékos aránya TL-hez viszonyítva

57

A cink(II)-ionnal képzett komplexek pH-függő speciációja (4.14. ábra) az ETP, ETC,

valamint a nagy affinitású PMPTC ligandumok esetén jó egyezést mutat a Ni2+-ionokra

bemutatottal. Az EMPDC és EDPDC vegyületekkel kialakuló cink(II)-komplexek eloszlása a

Ni2+-komplexek mellett a később tárgyalandó Cd2+-komplexekéhez is hasonlít. Az EDPDC

ligandummal keletkező MLH3 komplex csúcskoncentrációja a Zn2+ esetén a legnagyobb, ∼48%.

E cinkkomplex látszólagos stabilitási állandója (log K3 = 3,60) már kelátkomplex kialakulását is

elképzelhetővé teszi geminális {PO3H−, COO−} (vagy esetleg vicinális {PO3H

−, PO3H−})

donorszettekkel, míg a többi fémion megfelelő log K2 állandói legalább 0,5 log egységgel

kisebbek. A második karboxilát protonálódásakor a ZnLH3 komplex esetén is monodentát

{PO3H−}-koordináció alakul ki, vesd össze a log K4 = 3,01 látszólagos stabilitási állandót a

metilfoszfonát log β = 2,60 értékével [56].

A közepes affinitású PDPDC cinkion-speciációja pH 3 alatt a rézionokéval mutat

hasonlóságot (a ZnLH4 részecskefajta dominál), míg nagyobb pH-n a nikkelionokéval, ám a

ZnLH2 és ZnLH részecskék csúcskoncentrációi 0,3, illetve 0,5 pH-egységgel alacsonyabban

találhatók, mint a megfelelő nikkelkomplexek esetén.

A ligandumok többféle mutató (például a [Zn2+], 4.15. ábra) által megadott affinitási

sorrendje:

ETC~ EDPDC <<<< PDPDC ~ ETP <<<<<<<< EDPMC <<<<<<<< EMPDC <<<<<<<< PMPTC

A cinkkomplexek esetén is felhívjuk a figyelmet a legnagyobb affinitású EDPMC, EMPDC

és PMPTC MLH3 és MLH4 komplexei stabilitási állandóinak kémiailag megkérdőjelezhető,

erősen közelítő jellegére.

Az ETP-Zn2+ rendszerben NMR előkísérleteket is végeztünk a komplexek további, szerkezeti

jellemzésére (TZn:TL = 1:1 és 2:1 koncentrációarányok, (saját) pH = 1,5). Bár az NMR-minták

szemmel látható opalizálást nem mutattak, jellegtelen, széles csúcsokat kaptunk. A spektrumok

habitusát és pH hatására történő változásait még kvalitatíve sem sikerült értelmeznünk.

58

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1 2 3 4 5 6 7 8pH

log

[Z

n2+]

ETP

EDPMC PDPDC

EDPDC

EMPDC

PMPTC

ETC

4.15. ábra. A komplexben nem kötött Zn(II)-ion koncentrációja a pH függvényében a vizsgált komplexképzők oldataiban (TZn = TL = 5 mM)

4.2.4 Kadmium(II)-komplexek

A vicinális foszfonátcsoport-párt tartalmazó vegyületek közül az ETP és az EDPMC Cd(II)-

komplexképzését csak a savas pH-tartomány egy-egy szűk intervallumában sikerült csapadék

kiválása nélkül tanulmányozni, ez a megfelelő log β komplexstabilitási állandók nagy

szórásában is tükröződik (4.4. táblázat). A kadmium(II)-triszfoszfonát komplexek eloszlási

görbéi majdnem azonosak a Cu2+-ETP rendszerével, míg megfelelő trikarboxilát ETC Cd2+-

speciációja a cinkével mutat jó egyezést. Az EDPDC, PDPDC és a nagy affinitású EMPDC

részecskeeloszlási görbéi a nikkelionokéval mutatnak rokonságot. A vizsgált fémionok közül a

Cd2+-nak alakulnak ki a legnagyobb látszólag stabilitású protonált fémkomplexei a PDPDC

ligandummal. Az MLH4 speciesz kelátszerkezete is leginkább a kadmium(II)-ion esetén

valószínűsíthető geminális {PO3H−, PO3H

−} donorokkal: log K4 = 3,61.

A bázicitással korrigált és látszólagos stabilitási állandók, valamint a [Cd2+] pH-függése

(4.16. ábra) alapján felállított affinitási sorrend:

ETC ~ EDPDC <<<< ETP <<<< PDPDC <<<<<<<< EDPMC <<<<<<<< EMPDC <<<<<<<< PMPTC

59

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CdLL

LH

LH2LH3

Cd2+

ETC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CdLH3

CdLH4

Cd2+

LH3

LH4

LH5 ETP

P

PPP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%CdLH3

CdLH4

EDPMC

C

P P

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CdLH

CdLH2

CdLH3

CdLH4

Cd2+

LH4

LH5

PDPDC

P

P c c

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CdLH2

CdLH3

CdLH4

LH3

LH4

Cd2+

LH5

EDPDC

P

CC

P

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CdL

CdLH

CdLH2

CdLH3

EMPDC

P

CC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CdL

CdLHCdLH2

CdLH3

CdLH4

PMPTC

cc

P

c

CC

C

4.16. ábra. A Cd(II)-ion és oligo(foszfonát/karboxilát)-komplexeinek eloszlása (TCd = TL = 5 mM). Szaggatott vonallal az LHi részecskék százalékos aránya TL-hez viszonyítva

60

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1 2 3 4 5 6 7 8pH

log

[C

d2+]

ETP

EDPMC

PDPDC EDPDC

EMPDC

PMPTC

ETC

4.17. ábra. A komplexben nem kötött Cd(II)-ion koncentrációja a pH függvényében a vizsgált komplexképzők oldataiban (TCd = TL = 5 mM)

4.2.5 Kalcium(II)-komplexek

A kalciumkomplexek stabilitása (a log β, log βadj vagy log K paraméterek bármelyikét

tekintve) 1-2,5 log egységgel kisebb az előzőekben vizsgált átmenetifémekhez képest. Legkisebb

stabilitáskülönbség (∆log K ∼ 0,5-0,6) az EDPMC Cd2+- és Ca2+-komplexei között lép fel. Az,

hogy a különbségek csak ekkorák, azzal is magyarázható, hogy a vizsgált ligandumok Pearson

szerint hard karboxilát- és foszfonátcsoportjai kedvezőek az ugyancsak hard Lewis-sav számára,

szemben a vizsgált, főként borderline karakterű átmenetifémionokkal. Nitrogén-donoratomot is

tartalmazó oligo(foszfonát/karbonát) ligandumok esetén 4-8 nagyságrend stabilitáskülönbség is

megfigyelhető [57].

A legkisebb affinitású ETC ligandummal csak pH 5 felett képződik CaL komplex, 10% alatti

mennyiségben (4.18. ábra). Az analóg triszfoszfonát ETP komplexképzése ezzel szemben csak

pH 5 alatt vizsgálható csapadék kiválása nélkül. Míg a kis populációjú CaHL és CaLH2

részecskékre csak nagy szórással tudtunk stabilitási állandókat számítani, pH 4 körül 30% körüli

csúcskoncentrációval domináns a CaHL3 összetételű komplex, látszólagos állandója (log K3 =

2,06) alapján valószínűleg monodentát {PO3H−} koordinációval. A CaHL4 komplex kon-

centrációja pH 2 körül sem haladja meg a 10%-ot az általunk választott körülmények között.

61

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

% LH5LH4

LH3

LH2

LH

Ca2+

CaL

PDPD

C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CaLH

CaLH2

CaLH3

CaLH4

LH2

LH3

LH4

LH5

Ca2+

ETP

P

PPP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CaLH2

CaLH3

CaLH4

EDPMC

C

P P

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CaLH

CaLH2

CaLH3

CaLH4

LHLH2

LH3

LH4

LH5

Ca2+

EDPDC

P

CC

P

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

% CaL

CaLH

CaLH2

CaLH3

EMPDC

P

CC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

%

CaL

L

Ca2+

LH

LH2LH3

ETC

CC

C

P

P P P

4.18. ábra. A Ca(II)-ion és oligo(foszfonát/karboxilát)-komplexeinek eloszlása (TCa = 25 mM, TL = 5 mM). Szaggatott vonallal az LHi részecskék százalékos aránya TL-hez viszonyítva. A PDPDC speciesz-eloszlásának számításához irodalmi stabilitási állandókat használtunk fel [135]

A 4.19. ábra alapján az ETP-től alig elmaradó mértékű komplexáltsági fok jellemzi a

potenciálisan négyfogú EDPDC és a Ca2+ kölcsönhatását. A 4.18. ábrán megfigyelhető, hogy a

CaHL komplex pH 9 felett 40% körüli részarányt ér el. A második foszfonát protonálódásával a

fiziológiás pH-tartományban képződik a CaLH2 részecske, 20% csúcskoncentrációval. Az e két

részecskéhez „vezető” protonálódási állandók (7,43 és 6,36) a Ca2+ esetén térnek el legkevésbé a

szabad ligandumra érvényes log KH értékektől (7,73 és 6,74, lásd: 4.5. táblázat). A 2,5-nél kisebb

log K látszólagos stabilitási állandók (4.4. táblázat) monodentát komplexképzésre utalnak.

Végezetül, a geminális foszfonát-karboxilát csoportpárt tartalmazó EMPDC és EDPMC igen

hatékony komplexképzőnek bizonyultak, jelenlétükben a szabad [Ca2+] jóval 1% alá csökken

(4.18. ábra). Az EDPMC speciációja gyakorlatilag azonos az átmenetifém-ionokéval (MLH2,

MLH3 és MLH4 a savas tartományban), míg az EMPDC esetén képződő ML, MLH MLH2 és

62

MLH3 komplexek csúcskoncentrációja magasabb pH-tartomány felé tolódik el, ami a fémion-

ligandum kötés gyengülését is jelzi az átmenetifémekhez viszonyítva. A log K > 6 látszólagos

stabilitási állandók a komplexek kelátszerkezetére utalnak.

A bázicitással korrigált és látszólagos stabilitási állandók, valamint a [Ca2+] pH-függése (4.19.

ábra) alapján a vizsgált ligandumok Ca2+-affinitására a következő sorrend állítható fel:

ETC <<<< EDPDC <<<< ETP <<<< EMPDC = EDPMC

A propánvázas kelátorok komplexképzését kalciumionnal nem vizsgáltuk. Claessen és van

der Linden [135] 0,1 M (CH3)4NNO3 közegben a következő stabilitási állandókat határozta meg

a PDPDC-Ca2+ rendszerre: log β110 = 4,1; log K2 = 4,15; log K3 = 2,91 és log KCa2HL = 3,83. Az

előbbi állandókkal az általunk alkalmazott összkoncentrációknál számított részecskeeloszlás azt

mutatja, hogy a geminális foszfonátcsoport kevéssé hatékony kelátora a kalciumionnak.

Méréseink szerint a hatékony Ca2+-komplex képzés feltételének bizonyul a geminális foszfonát-

karboxilát csoportpár jelenléte (EDPMC és EMPDC). A két ilyen csoportpárt zsúfolt

helyzetben tartalmazó EDPDC esetén azonban már a donorcsoportok közötti sztérikus gátlás és

elektrosztatikus taszítás 4-6 nagyságrenddel csökkenti a fémion-affinitást.

-1,8

-1,75

-1,7

-1,65

-1,6

-1,55

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pH

log

[C

a2+]

ETC

EMPDC

EDPDC

EDPMC

ETP

4.19. ábra. A komplexben nem kötött Ca(II)-ion koncentrációja a pH függvényében a vizsgált komplexképzők oldataiban (TCa = 25 mM, TL = 5 mM)

63

4.3 A komplexképzés áttekintő értékelése

Munkánk során oligo(foszfonát/karboxilát) ligandumok komplexképzését különböző Pearson-

karakterű és geometriai preferenciájú fémionokkal vizsgáltuk.

A vizsgált ligandumok esetében a donoratomok száma és minősége alapján általában nehéz

általános tendenciát megállapítani a komplexek stabilitására vonatkozóan. Úgy tűnik, hogy

abban az esetben mutatkozik erősebbnek a fémligandum kölcsönhatás, ha a molekula

geminális helyzetű foszfonát- és karboxilát csoportot tartalmaz. Nagyon valószínű, hogy ezzel a

csoportpárral hatos gyűrűs kelátszerkezet alakul ki, ezt még a protonált komplexek látszólagos

állandójának nagysága is alátámasztja (log K > 6). E hatás a foszfono-ecetsavnál még nem

észlelhető, vicinális harmadik kötőhely jelenlétében maximális (EMPDC, EDPMC és

PMPTC), kevésbé érvényesül viszont az etánvázas difoszfono-dikarbonsav (EDPDC) esetén. E

vegyület kisebb affinitásának valószínűleg sztérikus és elektrosztatikai okai lehetnek a funkciós

csoportok „zsúfolódásából” következően. Ez lehet a magyarázata annak is, hogy a geminális

foszfonát-karboxilát párt tartalmazó PMPTC nagyságrendekkel nagyobb affinitást mutat az

összes vizsgált fémionnal szemben, mint az egyébként köztudottan jó komplexképző 1,1-

biszfoszfonát részletet tartalmazó PDPDC.

A vizsgált ligandumok relatív komplexstabilitását a komplexben nem kötött fémion-

koncentrációk, valamint a látszólagos stabilitási állandók alapján összehasonlítva megállapítható,

hogy a 4 < pH < 5 tartományban a legstabilabb komplexeket a propán-1-foszfono-1,2,3-

trikarbonsav (PMPTC) képezi. Itt a pM (= -log [M2+]) értékek 6 és 7 között változnak. A

következő, szintén erős komplexképző hajlamot mutató ligandumok az etán-1,2-difoszfono-1-

karbonsav (EDPMC) és az etán-1-foszfono-1,2-dikarbonsav (EMPDC), ahol a pM értékek 4,5-

5,5 között változnak. Leggyengébb komplex kölcsönhatást az etán-1,2-difoszfono-1,2,-dikarbon-

sav (EDPDC), az etán-1,1,2-difoszfonsav (ETP) és a propán-1,1-difoszfono-2,3-dikarbonsav

(PDPDC) tanúsította.

Az egyre növekvő számú karboxilátcsoportot tartalmazó ligandumok különböző fémionokkal

képzett komplexeinek stabilitására a következő sorrendek írhatók fel:

ETP: Zn2+ > Ni2+ ~ Cd2+ > Cu2+

EDPMC: Zn2+ > Ni2+ ~ Cu2+ > Cd2+

PDPDC: Cd2+ > Cu2+ ~ Zn2+> Ni2+

EDPDC: Zn2+ > Cu2+ ~ Ni2+ ~ Cd2+

EMPDC: Cu2+ > Zn2+ > Cd2+ > Ni2+

64

PMPTC: Zn2+ ~ Cu2+ > Cd2+ > Ni2+

ETC: Cu2+ > Ni2+ ~ Cd2+ ~ Zn2+

Az összehasonlításból kiolvasható, hogy a vizsgált foszfonát-tartalmú ligandumok gyakran a

már kissé hard karakterű Zn2+-ionokkal szemben mutatják a legnagyobb affinitást és az

átmentifém-komplexek stabilitásának „természetes” sorrendje, az Irving-Williams sor (βNiL <

βCuL > βZnL > βCdL) csak a trikarboxilát ETC-re teljesül. Ez a tendencia különösen érvényesül

abban az esetben, ha a foszfonátcsoportok száma meghaladja a karboxilátokét vagy egyenlő

azzal. Megjegyezzük, hogy az NTA részben vagy teljesen foszfonált származékainak komplexei

esetén viszont teljesül az Irving-Williams sorrend [57], ebben – borderline karakterű átmeneti-

fém-ionokról lévén szó – valószínűleg kulcsszerepet játszik az aminocsoport koordinációja is.

Összhangban az irodalomban közölt amino(foszfonát/karboxilát) rendszerekre közölt

tendenciákkal [18, 58, 59], az ETP → EDPMC → EMPDC → PMPTC irányban nem

tapasztalható affinitáscsökkenés, hanem az intrinsic affinitást mérő korrigált és látszólagos

állandókat tekintve, affinitásnövekedés következik be. Ez abban is megnyilvánul, hogy az ML

komplexek képződési maximumának pH-ja a lúgosabb tartomány felé tolódik.

65

5 Összefoglalás, új tudományos eredmények

Doktori munkám eredményei a következő tézispontokban összegezhetők.

1. Etán- és propánvázon szubsztituált oligofoszfono- és oligofoszfono-karbonsavakat

állítottunk elő. A polisavak észtereit dietil-foszfitból kiindulva szintetizáltuk. Irodalmi

módszerek továbbfejlesztésével olyan eljárást dolgoztunk ki, amelynek során a tömény

sósavas hidrolízist enyhébb, vizes kezeléssel hajtottuk végre.

2. Meghatároztuk a vizsgált polisavak protonálódási állandóit. A foszfonátcsoportok

számával a log KH protonálódási makroállandók növekednek és a protonaffinitás jelentősen,

2-3 log K egységgel növekszik, ha a foszfonátcsoportok egymáshoz viszonyítva geminális

pozícióban helyezkednek el.

3. pH-függő 13C és 31P NMR mérésekkel alátámasztottuk az EDPDC feltételezett

protonálódási sorrendjét. A protonálódás fő útvonalát (foszfonát – karboxilát –

hidrogénfoszfonát) a 31P atom rezonanciajeleinek downfield-upfield-downfield eltolódása

követi, míg a karboxil 13C atomon monoton eltolódást észlelünk nagyobb tér irányába. A

ligandum kétszeresen protonált állapotában a 13C és 31P NMR spektrumjelek kiszélesedése

erős kölcsönhatásra, feltételezhetően hidrogénhidas szerkezetre utal a két funkcióscsoport

között

4. Meghatároztam a vizsgált vegyületek átmenetifém- (Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+), valamint a

Ca2+-ionokkal képződő komplexeinek sztöchiometriáját és stabilitási állandóit.

Számításaink szerint csak egymagvú ML komplexek és ezek protonált formái (MLHr)

képződnek, amelyek képződési pH-tartománya kevéssé tér el az egyes protonált

ligandumoknak (LHi) megfelelő intervallumoktól. A foszfonátokhoz képest egyre növekvő

számú karboxilátcsoportot tartalmazó ligandumok – a stabilitási állandók megfelelő

korrekciója után – általában nagyobb fémionaffinitást mutatnak. A legstabilabb komplexek

azokkal a ligandumokkal alakulnak ki, amelyek geminális pozicióban foszfonát–karboxilát

egységet tartalmaznak. A látszólagos stabilitási állandók értékei azt mutatják, hogy a

foszfonátcsoportot tartalmazó ligandumok komplexei, sőt ezek protonált formái is a legtöbb

esetben kelátszerkezetűek. A foszfonátcsoportok számának növekedésével a komplexek

stabilitása egyre kevésbé követi az Irving-Williams sorrendet.

66

6 Irodalomjegyzék

6.1 Az értekezés alapját képező közlemények

E1. Bogdán Cs., Péczely G., Gaizer F. „Protonation constants of ethane and propane frame-substituted

oligophosphonic and oligophosphonocarboxylic acids”. Polyhedron, 2001, 10, 1809. (impakt faktor

[2000]: 1,20)

E2. Bogdán Cs., Péczely G., Hägele G. „Metal complexes of ethane and propane frame-substituted

oligophosphonic and oligophosphonocarboxylic acids”. Phosph. Sulf. and Silic. (in press) (impakt

faktor [2005]: 0,564)

6.2 Konferenciaelőadás

E3. Bogdán Cs. „Etán- és propánvázon szubsztituált oligofoszfonsavak és oligofoszfono-karbonsavak

protonálódási egyensúlyainak vizsgálata pH-potenciometriás és pH-függő NMR spektroszkópiás

módszerekkel” (előadás) XL. Komplexkémiai Kollokvium, 2005. május 18-20., Dobogókő. Program

és előadáskivonatok, p. 34.

6.3 Hivatkozott irodalmak jegyzéke

1. L. P. Wackett, S. L. Shames, C. P. Venditti, C. T. Walsh, J. of Bacteriology, 1987, 169, 710.

2. E. Baer, N. Stanacev, J. Biol. Chem. 1964, 239, 3209.

3. P. Chrisp, S. P. Clissold, Drugs, 1991, 41, 104.

4. J. C.-H. Mao, E. E. Robishaw, L. R. Overby, J. Virology, 1975, 15, 1281.

5. M. Kurematsu, Sh. Koboshi (Konishiroku Photo Ind. Co. Ltd., Japan), Jpn. Kokai Tokkyo Koho (Jpn. Patent), JP 61272742, 03. Dec. 1986.

6. J. Vucina, N. Vucevic, J. Serbian Chem. Soc. 2001, 66, 591.

7. B. Novack, Water Res. 1988, 32, 1271.

8. F. Gaizer, G. Göndös, L. Gera, Polyhedron, 1986, 5, 1149.

9. F. Gaizer, I. I. Kiss, Talanta, 1994, 41, 419.

10. F. Gaizer, G. Hägele, S. Goudetsidis, H. Papadopoulos, Magyar Kémiai Folyóirat 1990, 96, 97.

11. G. Hägele, Z. Szakács, J. Ollig, S. Hermens, C. Pfaff, Heteroatom Chem. 2000, 11, 562.

67

12. G. Hägele, S. Goudetsidis, E. Wilke, J. Seega, H. Blum, M. Murray, Phosph. Sulph. Silic., 1990, 48, 131.

13. G. Hägele, C. Arendt, H.-W. Kropp, H.-J. Majer, J. Ollig, Phosph. Sulph. Silic. 1996, 109, 205.

14. A. Bier, S. Failla, P. Finocchiaro, G. Hägele, M. Latronico, E. Libertini, and J. Ollig; Phosph. Sulf.

Silic., 155, 89 (1999).

15. K. Moedritzer, and R. R. Irani, J. Inorg. Nucl. Chem., 1961, 22, 297.

16. R. J. Grabenstetter, O. T. Quimby, T. J. Flautt, J. Phys. Chem. 1967, 71, 4194.

17. M. Wozniak, G. Nowogrocki, J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1981, 2423.

18. M. Kilyén, A. Lakatos, R. Latajka, I. Lábadi, A. Salifoglon, C. P. Raptopoulou, H. Kozlowski, T. Kiss, J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2002, 18, 3578.

19. W. Kläui, N. Mocigemba, A. Weber-Schuster, R. Bell, W. Frank, D. Mootz, W. Poll, H. Wunderlich, Chemistry Eur. J. 2002, 8, 2335.

20. A. Michaelis, Justus Liebigs Ann. Chemie, 1876, 181, 265.

21. A. Michaelis, Th. Becker, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 1897, 30, 1003.

22. P. Nylen, Chem. Berichte, 1924, 57, 1023.

23. G. M. Kosolapoff, J. Amer. Chem. Soc. 1945, 67, 1180.

24. A. E. Arbuzov, Arbuzova, J. Russ. Phys. Chem. Soc., 1930, 64, 1533.

25. A. E. Arbuzov, I. Razumov, Otd. Khim. Nauk SSSR, 1951, 714.

26. A. N. Pudovik, Izv., 1952, 926.

27. G. Schwarzenbach, J. Zurc, Monatsh., 1950, 81, 202.

28. K. H. Worms, H. Blum, Z. anorg. allg. Chem. 1979, 457, 219.

29. G. Hägele, Patent DE 31 11 152 A1, Henkel KgaA, Düsseldorf, 1982.

30. G. Hägele, U. Fischer, A. Gaedecke, H. Ridder, A. Sienkiewicz, E. Wilke, J. Seega, Phosph. Sulph. Silic. 1987, 30, 151.

31. G. Hägele, M. Ackermannn, M. Batz, R. Fuhler, H.-W. Kropp, H. Papadopoulos, U. Prior, J. Ollig, E. Wilke, M. Murray, Phosph. Sulph. Silic. 1993, 77, 320.

32. M. T. Beck, I. Nagypál, „Chemistry of complex equilibria”, Ellis Horwood Ltd., Chichester, 1990.

33. H. M. Irving, M. G. Miles, L. D. Pettit, Anal. Chim. Acta 1967, 38, 475.

34. G. Biedermann, L. G. Sillén, Arkiv Kemi 1953, 5, 425.

35. E. N. Rizkalla, Rev. Inorg. Chem. 1983, 5, 223.

36. R. R. Irani, K. Moedritzer, J. Phys. Chem. 1962, 66, 1349.

68

37. R. Carrol, R. Irani: Inorg. Chem. Acta, 1967, 6, 1994.

38. M. Wozniak, G. Nowogrocki, Talanta, 1979, 26, 381.

39. Z. Szakács, G. Hägele, R. Tyka, Anal Chim Acta 2004, 522, 247.

40. R. W. Taft Jr. „Steric Effects in Organic Chemistry”, ed. M.S. Newman, Wiley, New York, 1956.

41. B. Boduszek, M. Dyba, M. Jezowska-Bojczuk, T. Kiss, H. Kozlowski, J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1997, 973.

42. M. Dyba, M. Jezowska-Bojczuk, E. Kiss, T. Kiss, H. Kozlowski, Y. Leroux, D. E. Manouni, J.

Chem. Soc. Dalton Trans. 1996, 1119.

43. S. W. Peterson, E. Gebert, A. H. Reis, J. Phys. Chem. 1977, 81, 466.

44. E. Gebert, A. H. Reis Jr., M. E. Druyan, S. W. Peterson, G. W. Mason, D. F. Peppard, J. Phys.

Chem. 1977, 81, 471.

45. Z. Szakács, M. Kraszni, B. Noszál, Anal. Bioanal. Chem. 2004, 378, 1428.

46. J. Ollig, „Untersuchungen zur titrationsabhängigen Kernresonanzspektroskopie”, PhD disszertáció, Heinrich-Heine Universität Düsseldorf, 1996.

47. C. E. Uhlemann, „Konformationsanalytische und titrationsabhängige Untersuchungen an

Aminocarbonsäuren und Carbonsäuren – Referenzierungsproblematik in der modernen Fluor-

NMR-Spektroskopie”, PhD disszertáció, Heinrich-Heine Universität Düsseldorf, 2002.

48. M. Grzonka, „Untersuchungen zur titrationsabhängigen 31P-Kernresonanzspektroskopie von Phonsphon- und Phosphinsäuren”, PhD disszertáció, Heinrich-Heine Universität, Düsseldorf, 1989.

49. G. Hägele, Review in "Phosphorus-31

P-NMR Spectral Properties in Compound Characterization

and Structural Analysis". (Edit. L. D. Quin und J. G. Verkade). VCh Verlag, pp. 395-409, 1994.

50. A. Lindner, „1-Phosphonopropan-1,2,3-tricarbonsäure – NMR- und konformationsanalytische

Untersuchungen”, PhD disszertáció, Heinrich-Heine Universität Düsseldorf, 2000.

51. P-M. L. Robitaille, P. A. Robitaille, G. G. Brown Jr., G. G. Brown, J. Magn. Reson. 1991, 92, 73.

52. P. H. C. Heubel, A. Popov, J. Solution Chemisty, 1979, 8, 9.

53. I. Moedritzer, Inorg. Chem. 1967, 5, 936.

54. C. F. G. C. Geraldes, A. D. Sherry, W. P. Cacheri, Inorg. Chem 1989, 28, 3336.

55. Burai László, „1,4,10-Trioxa-7,13-diaza-ciklopentadekán-N,N’-bisz(metilénfoszfonsav) előállítása

és komplexképző sajátságai”, Szakdolgozat, Kossuth Lajos Tudományegyetem, Debrecen, 1993.

56. H. Sigel, D. Chen, N. A. Corfu, F. Gregan, A. Holy, M. Strasak, Helv. Chim. Acta 1992, 75, 2634.

57. K. Sawada, W. Duan, M. Ono, K. Satoh, J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2000, 919.

58. D. Sanna, I. Bódi, S. Bouhsina, G. Micera, T. Kiss, J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1999, 3275.

69

59. M. Jezowska-Bojczuk, T. Kiss, H. Kozlowski, P. Decock, J. Barycki, J. Chem. Soc. Dalton Trans., 1994, 811.

60. K. Popov, H. Rönkkömaki, L. H. J. Lajunen, Pure and Applied Chem. 2001, 73, 1641.

61. K. Popov, A. Popov, H. Rönkkömäki, L. H. J. Lajunen, M. Hannu-Kuure, A. Vendilo, N. Tsirul’nikova, Inorg. Chim. Acta 2003, 344, 1.

62. G. Grossmann, K. A. Burkov, G. Hägele, L. A. Myund, S. Hermens, C. Verwey, S. M. Arat-ool, Inorg. Chim. Acta 2004, 357, 797.

63. V. P. Vasil’ev, V. I. Shorokhova, Russian J. Gen. Chem. 1985, 57, 158.

64. L. M. Shkolnikova, A. A. Masyuk, E. G. Afonin, Koord. Khim. 1989, 15, 747.

65. Sh. E. Wassershtein, N. V. Nam, Zh. Neorg. Khim. 1973, 18, 1028.

66. H. Wada, Q. Fernando, Anal. Chem. 1971, 6, 751.

67. V. A. Larchenko, K. I. Popov, A. I. Grigoryev, L. V. Nikitina, N. M. Dyatlova, Koord. Khim. 1984, 10, 1187.

68. Sabine Olagon-Bourgert, Francine Chastaltte, Magnetic Resonance in Chemistry, 1995. 33 971.

69. A. C. Archer, R. J. Putman, S. M. Rush (Albright&Wilson UK Limited, UK): Brit. UK Pat. Appl., GB 2331942 A1, 09. Jun. 1999.

70. Tang Robert H., Williams Jr. W. A. (Ppg Industries Inc., USA): US Patent, US 5496476 A, 05. Mar. 1996.

71. Wilhelm D., Fietier I. (Societe Francaise Hoechst, Fr.): Eur. Pat. Appl., EP 484196 A’ 06. May 1992.

72. G. Hans; R. Walter; Sch. Hartmut Ger. Offen. 2,015,068 21 Oct. 1971.

73. H. R. Geffers, W. H. Schultz, Ger. Offen. 2, 141, 1982.

74. D. P. Keith; H. P.A. Theodore; W. J. Michael;W. Gray Eur. Pat Appl. EP 491391 Al 24 jun. 1992.

75. B. Cook, J. G. Dingwall, T. M. Braym Ger. Offen. 2,632,774, 10 Feb.1977.

76. I. Sotoma, , Japan Kokai 7798,638, 18 Aug. 1977.

77. S. Reinhardt, J. Sommer, Juergen Ger. Offen. DE 3910042 4. Oct. 1990.

78. A. M. Chirkov, V. A. Transtov, M. P. Glazunov, PCT INT. Appl. WO 9412689 Al 9. Jun. 1994.

79. P. K. Dawis, P. A. T. Hoye, M. J. Williams, Phosphorus. Sulfur. Silic.. 1996, 1, 109.

80. A. Schwarz, Ger. Offen. 2, 755, 874, Jun 1979.

81. J. Knop, P. Strizke, E. Kroeger, C. Schneider, G. Wasmus, Nuklearmedizin 1982, 21, 145.

82. H. Panek-Finda (Mallinckrodt Medical Inc. USA) PCT Int. Appl. WO 9200758 A1, 23. Jan. 1992.

70

83. J. Rimmer (Amersham International PLC, UK): Eur. Pat. Appl. EP 786442 A2, 11. May 1983.

84. Z. J. Xiao, P. Zili, S. E. Papapoulus, D. J. Kok, I. Que, Chem. Abstract 2000, 30, 1719.

85. H. Blum, C. Gloxhuber, C. Heine, K. H. Worms, U.S. Patent 4,125608 14 Nov. 1978.

86. A. Esswein, F. Bauss, R. Muehlbauer, H. Guenther, E. Bosies, Phosphorus, Sulfur and Silicon and

the Related Elements, 1999, 144, 13.

87. C. Viornery, H. L. Guenther, B.-O. Aronsson, P. Pechy, P. Descouts, M. Gratzel, J. Biomedical

Mat. Research, 2002, 62, 149.

88. P. Descouts, B.-O. Aronsson, M. Gratzel, C. Viornery, P. Pechy, PCT Int. Appl., WO 0240073 A1, 23. May 2002.

89. E. Orwoll, M. Ettinger, S. Weiss, P. Miller, D. Kendler, J. Graham, S. Adami, K. Weber, R Lorenc, P. Pietschmann, K. Vandormael, A. Lombardi, The New Eng. J. of Medicine, 2000, 343, 604.

90. S. Kutz, Jpn. Kokai Tokkyo Koho (Jpn. Patent) JP 8029883, 03. Mar. 1980.

91. I. Shimamura, J. Ogawa, Ger. Oftfen. 2, 707, 989, 25 Aug 1977.

92. K. Frank, H. D. Block, Ger. Offen. 2, 732,153, 25 Jan. 1979.

93. Y. Fujita, S. Ueda, T. Ichikawa, A. Abe, Eur. Pat. Appl. EP 330043, 30 Aug. 1989.

94. Konishiroku Photo Ind. Co. Ltd., Kokai Tokkyo Koho (Jpn. Pat.) 80, 126,241 29 Sept 1980.

95. Y. Sadahiro, E. Sakamoto, Kokai Tokkyo Koho (Jpn. Pat.) JP 79,96,026 30 Jul. 1979.

96. T. Ishikova, N. Okki, Y. Yagihara, F. H. Morio, Eur. Pat. Appl. EP 279464, 24. Aug. 1988.

97. T. Ishikova, F. H. Takatoshi, M. Yagihara, K. Andok, Eur. Pat. Appl. EP 279464, 24 Aug. 1988.

98. H. Geffer, U. Henrich, M. Quaedvlige, R. Schliebs (Bayer AG, Leverkusen), Pat. No. Fr 2,007,938 16. Jan. 1970.

99. D. A. Nicholson, D. Campbell, U.S. 3,562,166 24. Dec.1966.

100. E. Schmadel, G. Jakobi, K. H. Worms, Ger. Offen. 2,217,692 18. Oct. 1973.

101. H. Blum, K. H. Worms, Ger. Offen. 2,217,692 18 Oct. 1973.

102. A. Joachim, Ger. Offen., 1,038,692, 11 Sept. 1958.

103. H. Takahashi, M. Kuwabara, M. Mutsukado, Jpn. Kokai Tokkyo Koho (Jpn. Pat.), JP 76 88,636, 03. Aug. 1976.

104. K. J. Fiesher, F. X. Woollard, M. R. Leadbelter, PCT Int. Appl. WO 963 1124 Al, 58, 10 Oct. 1996.

105. Konishiroku Photo Industry Koho Jp. 60, 748 29. Jan. 1985.

106. B. Cook, J. G. Dingwall, B. M. Thomas (Ciba-Geigy AG., Switz.): Ger. Offen., DE 2632774, 10. Feb. 1977.

71

107. R. E. Benesch, R. Benesch, S.Yung, E. B. Robinson, R.: Can. J. Biochem., 1973, 51(7) 1120.

108. D. Brodalla, W. Kirchhoff, W. Wuest, H. Blum, W. Riedel (Henkel KGaA., Ger.) Ger. Offen. DE 3820650 A1, 21. Dec.1989.

109. G. M. Van Rosmalen, Chemical Engineering Communications, 1983, 20, 209.

110. S. Kuepper, B. Calaminus (Henkel KGaA.), Ger. Offen., DE 19612646 A1, 02. Oct. 1997.

111. C. Schuemichen, H. Schmidt, Nuklear medizin, Supplementum 1982, 19, 930.

112. M. Crodoba, G. Montero de Espinosa, R. Raposo, Anales de la Real Academia de Farmacia, 1988, 54, 636.

113. W. Vanlic-Razumenic, J. Petrovic, M. Tomic, B. Ajdinovic, M. Rastovac, Radiol. Jugoslavica 1991, 47, 25.

114. E. K. J. Pauwels, R. I. J. Feitsma, Nuclear Med. Communications 1984, 5, 467.

115. N. Vanlic-Razumenic, V. Nikolic, D. Veselinovic, J. Radioanal. Nucl. Chem. 1993, 173, 261.

116. J. Vucina, D. Vuga, T. Maksin, N. Vanlic-Razumenic, J. Radioanal. and Nuc. Chem. 1994, 186, 333.

117. P. Del Soldato P. (Nicox S.A., Fr.), PCT Int. Appl. WO 2000-EP3239, 11. Apr. 2000.

118. M. Puille, K. Altland, R. P. Linke, M. K. Steen- Mueller, R. Klett, D. Steiner, R. Bauer, Eur. J.

Nucl. Med. and Mol. Imag. 2002, 29, 376.

119. A. Heins, H. Blum, K. H. Worms (Henkel und Cie. GmbH), Ger. Offen., DE 2217692, 18. Ian. 1973.

120. N Ogura, K. Ozaki, T. Hishige, M. Aoyanagi (Kao Corp., Japan): Jpn. Kokai Tokkyo Koho (Jpn. Patent), JP 07331289 A2, 19. Dec. 1995.

121. J. A. Mikroyannidis, Phosphorus. Sulfur and Silic., 1987, 32, 113.

122. M. D. Francis, U.S. Patent 3,553,315 05 Jan 1971.

123. A. Marshall (Ciba-Geigy Corp., USA), US Patent, US 4351796 A, 28. Sept. 1982.

124. U. Fischer, G. Hägele, Z. für Naturforsch., 1985, 40B, 1152.

125. R. C. Saunders, P. Simpson, J. Chem. Soc. 1963, 3351.

126. A. N. Pudovik, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Transl.) 1952, 916.

127. G. Khamai, V. A. Kukhtin, Chem. Abstr. 1957, 51, 11985.

128. Organikum, Műszaki Kiadó, Budapest, 1967, 437.

129. G. Gran, Acta Chem. Scand. 1950, 29, 559.

130. U. Fischer, Doktorarbeit, H. Heine Universität, Düsseldorf, 1986.

72

131. H. Stunzi, D.D Perrin, J. Inorg Biochem. 1979, 10, 309.

132. J. Fuentes, R. Reboso, A. Rodriguez: Polyhedron, 1989, 8, 1365.

133. M. Kabachnik, R. Lastovskii, T. Medved, Proc. Acad. Sci. USSR, 1967, 177, 1060.

134. C. Cotzee, Polyhedron, 1989, 8, 1239.

135. R. A. M. J. Claessens, J. G. M. van der Linden, J. Inorg. Biochem. 1984, 21, 73.

73

7 Összefoglalás

Doktori munkám során ipari (korrózió- és vízkőgátló), színes fényképészeti és biomedicinális

(csontszcintigráfiás) jelentőségű etán- és propánvázon szubsztituált oligofoszfonsavak és

foszfono-karbonsavakat állítottam elő. Irodalmi módszerek továbbfejlesztésével olyan eljárást

dolgoztunk ki, amelynek során a tömény sósavas hidrolízist enyhébb, vizes kezeléssel hajtottuk

végre.

Potenciometriás titrálással vizsgáltam az előállított ligandumok sav-bázis tulajdonságait.

Megállapítottam, hogy a foszfonátcsoportok számával a protonálódási makroállandók

növekednek és a bázicitás jelentősen, 2-3 log K egységgel növekszik, ha a foszfonátcsoportok

egymáshoz viszonyítva geminális pozícióban helyezkednek el.

pH-függő 13C és 31P NMR mérésekkel alátámasztottuk az etán-1,1-difoszfonát-2,3-

dikarboxilát feltételezett protonálódási sorrendjét: foszfonát → karboxilát → hidrogénfoszfonát.

A ligandum kétszeresen protonált állapotában a 13C és 31P NMR spektrumjelek szimultán

kiszélesedése erős kölcsönhatásra, feltételezhetően hidrogénhidas szerkezetre utal a két funkciós-

csoport között.

Meghatároztam a vizsgált vegyületek átmenetifém- (Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+), valamint a Ca2+-

ionokkal képződő komplexeinek sztöchiometriáját és stabilitási állandóit. Számításaink szerint

csak egymagvú ML komplexek és ezek protonált formái (MLHr) képződnek, amelyek képződési

pH-tartománya kevéssé tér el az egyes protonált ligandumoknak (LHi) megfelelő

intervallumoktól. A foszfonátokhoz képest egyre növekvő számú karboxilátcsoportot tartalmazó

ligandumok – a stabilitási állandók megfelelő, a ligandum összbázicitásának különbségét is

figyelembe vevő korrekciója után – általában nagyobb fémionaffinitást mutatnak. Ennek

elektrosztatikus és sztérikus okai lehetnek. A legstabilabb komplexek azokkal a ligandumokkal

alakulnak ki, amelyek geminális pozicióban foszfonát–karboxilát egységet tartalmaznak. A

látszólagos stabilitási állandók értékei azt mutatják, hogy a foszfonátcsoportot tartalmazó

ligandumok komplexei, sőt ezek protonált formái is a legtöbb esetben kelátszerkezetűek. A

foszfonátcsoportok számának növekedésével a komplexek stabilitása egyre kevésbé követi az

Irving-Williams sorrendet.

74

8 Summary

Ethan- and propane-frame oligophosphonic and phosphono-carboxylic acids of industrial

(anti-corrosion and anti-scaling), colour photography and biomedicinal (bone-scintigraphic)

importance were prepared during my PhD studies. By modification of known synthetic methods,

the last hydrolysis by concentrated hydrochloric acid could be replaced by a milder, aqueous

procedure.

Potentiometric titrations were carried out to characterize the acid-base properties of the

synthesized ligands. It was established that the macroscopic protonation constants gradually

increase with the number of phosphonate groups present and the basicity is elevated by 2-3 log K

units upon the geminal position of the phosphonate moieties.

pH-dependent 13C and 31P NMR studies corroborated the proposed sequence of protonation

for ethane-1,1-diphosphonate-2,3-dicarboxylate: phosphonate → carboxylate → hydrogen-

phosphonate. In its diprotonated species the simultaneous exchange broadening of 13C and 31P

NMR resonance signals points to a stronger interaction, presumably hydrogen bonds between the

two functional groups.

Stoichiometric compositions and stability constants were determined for the investigated

compounds with transition metal (Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+) or Ca2+ ions. Our calculations

substantiate the formation of mononuclear ML complexes and their protonated forms (MLHr)

only. The pH range of formation for the latter species only slightly differs from those of the

protonated ligands LHi. The ligands holding an increasing number of carboxylate groups as

compared to phosphonates exhibit generally a greater metal-binding affinity, if the

corresponding stability constants are corrected for the different total basicity of the ligands. This

may be rationalized by electrostatic and steric reasons. The most stable complexes are formed

with those ligands holding phosphonate and carboxylate donor units in geminal position. The

conditional stability constants indicate that the complexes of phosphonate ligands as well as their

protonated forms have a chelated structure. With growing number of phosphonate moieties in the

molecule, the complex stabilities increasingly fail to follow the Irving-Williams order.

eötvös loránd universityteo.elte.hu/minosites/ertekezes2008/bogdan_cs.pdf · 2019. 2. 22. ·...

Documents