eötvös loránd universityteo.elte.hu/minosites/ertekezes2008/bogdan_cs.pdf · 2019. 2. 22. ·...
TRANSCRIPT
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)
Szükséges anyagok:
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
Az eljárás menete [28, 126]
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
Az eljárás menete [28, 126]
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)
Szükséges anyagok:
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)
Szükséges anyagok:
144,22 g (0,5 mol) metilén-difoszfonsav-tetraetilészter
86,12 g (0,5 mol) maleinsav-dietilészter
25 cm3 nátrium-metilát
Az eljárás menete [28]
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)
Szükséges anyagok:
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
Az eljárás menete [128]
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))))
log ββββ114 log K4
(H+: log ββββ014014014014))))
log ββββ113 log K3
(H+: log ββββ013013013013))))
log ββββ112 log K2
(H+: log ββββ012012012012))))
log ββββ111 log K1
(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:
pH-tartomány (NMPb)
log ββββ115 log K5
(H+: log ββββ015015015015))))
log ββββ114 log K4
(H+: log ββββ014014014014))))
log ββββ113 log K3
(H+: log ββββ013013013013))))
log ββββ112 log K2
(H+: log ββββ012012012012))))
log ββββ111 log K1
(H+: log ββββ011011011011))))
log ββββ110 log ββββ110
adj log ββββ11-1
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
4.3. táblázat folytatása
Vegyület, vázlatos képlete
Kation TM/TL:
pH-tartomány (NMPb)
log ββββ115 log K5
(H+: log ββββ015015015015))))
log ββββ114 log K4
(H+: log ββββ014014014014))))
log ββββ113 log K3
(H+: log ββββ013013013013))))
log ββββ112 log K2
(H+: log ββββ012012012012))))
log ββββ111 log K1
(H+: log ββββ011011011011))))
log ββββ110 log ββββ110
adj log ββββ11-1
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
4.3. táblázat folytatása
Vegyület, vázlatos képlete
Kation TM/TL:
pH-tartomány (NMP)
log ββββ115
log K5 (H+: log ββββ015015015015))))
log ββββ114 log K4
(H+: log ββββ014014014014))))
log ββββ113 log K3
(H+: log ββββ013013013013))))
log ββββ112 log K2
(H+: log ββββ012012012012))))
log ββββ111 log K1
(H+: log ββββ011011011011))))
log ββββ110 log ββββ110
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.