Estudio en disolución de quelatos del ácido C-bencil-iminodiacético con iones metálicos divaletnes de transición y post-transición

Estudio en disolución de quelatos del ácido C-bencil-iminodiacético con iones metálicos divalentes de transición y post-transición Disolution study of c-benzyl-iminodiacetic acid chelates with transition and post-transition divalent metalics ions ABARCA, M. E.; GONZÁLEZ, J. M.; GONZÁLEZ, S. y NICLÓS, J. Departamento de Química Inorgánica, Facultad de Farmacia, Universidad de Granada. 18071 Granada, España. RESUMEN Los estudios potenciométrico, conductimétrico y espectro fotométrico, de sistemas acuosos �LIM(I1) del ácido C-benciliminodiacético [H2L = C-Bz-IDA 0C�N(C�C02H)2] con cationes M(I1) (M = Cu, Ni, Co, Zn, Cd y Pb) revelan la formación de especies MHL, ML Y ML/-. La comparación de las constantes estequiométricas de formación (Iog B) Y en su caso de disociación ácida (pK.) de estos complejos, calculadas para 1=0.1 M (KNOl) Y t=25.00 ± 0.05 oC, con datos de bibliografia para que latos con ligandos relacionados, permite discutir la estructura más probable de los quelatos investigados. Palabras clave: Ácido C-bencil-imino di acético, complejos en disolución,iones metáli cos divalentes. ABSTRACT Aqueous solution systems H2L1M(I1) of C-benzyliminodiacetic acid [H2L = C-Bz IDA: 0CH2N(CH2C02H)2] and transition or post-transition M(ll) ions (M = Cu, Ni, Co, Zn, Cd y Pb) were studied by potentiometric, conductometric and spectrophotometric (Co, Ni, Cu) methods. The dissociation constants (pK.) aml/or formation constants (Iog B) of the species MHL, ML and ML/-for 1=0.1 M (KNOl) and t=25.00 ± 0.05 oC are reported. By appropiate comparisons of these results with literature data for related chelates, most probable structures for the studied C-Bz-IDA chelates are discussed. Key words: C-bencyl-iminodiacetic acid, disolution complexes, divalents metalics ions. Recibido 19-5-1994. Aceptado 26-6-1994. BIBLID [0004-2927(1994) 35:3; 457-470] Ars Pharrnaceutica, 35:3; 457-470,1994 458 M. E. ABARCA; J. M. GONZÁLEZ; S. GONZÁLEZ y J. NICLÓS INTRODUCCIÓN La mayor parte de los estudios realizados con C-derivados del ácido iminodiacético o N-carboximetil-aminoácidos (N-CM-aas) se ocupan de ácidos con un C-sustituyente alquílico (metilo, etilo, n-propilo ... ) o un C-alquilsustitu yente portador de un átomo o una agrupación potencialmente coordinante (como hidroximetilo, carboximetilo ... ). Menos información se tiene de C-derivados de H2IDA con sustituyente aromático (fenilo, hidroxi-fenilo ... ) o alquil-aromático (bencilo, metil-imidazódico ... ). Entre estos últimos se engloba al ácido C-bencil iminodiacético (C-Bz-IDA, H2L) o N-carboximetil-L-fenilalanina (N-CM-L-Phe) de cuya síntesis y caracterización informamos con anterioridad (1) R I /'CH-COOH H-N� CH2-COOH Ácidos H2IDA-C-sustituidos o N-CM-aas o I CH2 I /CH-COO H-N� CH2COOC-bencil-iminodiacetato (2-) (C-Bz-IDA) En la bibliografía existe abundante información acerca de quelatos metáli cos de N-henciliminodiacetato (2-) (N-Bz-IDA) (2), pero no se aportan datos relativos a sus análogos con C-benciliminodiacetato (2-) (C-Bz-IDA) o N carboximetil-fenilalaninato (2-) ambas complexonas portadoras de un grupo fenilo "articulado" por un grupo metileno en el esqueleto molecular del ion iminodiacetato (2-). R' I /CH-COO R-N �CH -COO2 R Ph-CH2 H R' Complexona H N-Bz-IDA Ph-CH2 C-Bz-IDA Snyder y Angelici (3) han investigado la estabilidad de quelatos 1: 1 de Cu(II) con una serie de ácidos H2IDA-C-sustituidos. Sus resultados ponen de manifiesto que los quelatos CuL de C-alquil-iminodiacetatos son algo más estables que el complejo Cu(IDA), interpretándose los resultados en el sentido de que los C-sustituyentes introducidos en el esqueleto molecular del ligando iminodiacético (IDA) deben ejercer efectos (inductivo y estérico) que favorecen Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470, 1994 ESTUDIO EN DISOLUCIÓN DE QUELATOS DEL ÁCIDO C-BENCIL-IMINODIACÉTICO 459 la coordinación al Cu(II) al mismo tiempo que dificultan la retención del último protón disociable_ ) , El presente trabajo aborda el estudio de la capacidad complejante del ácido C-Bz-IDA, frente a una selección de cationes divalentes de transición y post transición (M=Co, Ni, Cu, Zn, Cd y Pb). PARTE EXPERIMENTAL Estudio electrométrico y espectrofotométrico El estudio de la formación de complejos en sistemas H2L1M(II) (H2L=ácido C-bencil-irninodiacético, M=Co, Ni, Cu, Zn, Cd y Pb) se llevó a cabo registran do las valoraciones potenciométricas y conductimétricas de 25 mI de las mez clas H2L/M(II) = 1/0; 1/1 Y 2/1 para cada sistema, operando a 25.00 ± 0.05 oC, con atmósfera inerte (de N2) y una concentración inicial de C-Bz-IDA de 2.44 x 10-3M. Las disoluciones a valorar potenciométricamente se prepararon con fuerza iónica ajustada a 1=0.1 M (KN03). Mediante métodos complexométricos descritos en textos de Análisis Químico (4-6) se valoran las disoluciones madre de los nitratos metálicos (E. Merck p.a.). Las valoraciones potenciométricas y conductimétricas se registraron en un Equipo Valorador Automático Radiometer RTS 622, utilizando en las segundas un conductímetro Radiometer CDMT convenientemente adaptado al equipo de valoración, otros detalles experimenta les de estos métodos se dan en referencia (7, 8). El ácido C-Bz-IDA y su clorhidrato se preparó según se indica en ref. 1 y sus constantes estequiométricas de disociación son p� = 1.57, pK¡ = 2.48 Y pK2 = 8.88 ± 0,01 (1, 2). Los sistemas C-Bz-IDAIM(Il) de cationes coloreados Cu(II), Ni(I1) y Co(ll) se investigaron también por espectrofotometria de visible, usando un Espectrofo tómetro Cary-Varian 210. Se registraron los espectros de absorción de luz visible (350-800 nm) de series de 5 a 8 mezclas (50 mI) para las relaciones C-Bz IDAIM(ll) = 0/1, 1/1 Y 2/1 ajustando el pH de las mezclas ligando/catión con venientemente. La relación estequiométrica ligando/metal se investigó también aplicando el método de JOB o de las variaciones continuas, para distintas longitu des de onda, a disoluciones con pH=4 del sistema C-Bz-IDAlCu(II). El equipo espectrofotométrico y otros detalles experimentales se especifican en ref. (2). Los resultados de los estudios electrométrico y espectro fotométrico de los sistemas H2L/M(Il) del ácido C-Bz-H2IDA investigados revelan la formación de que latos ML y ML22-sin que pueda descartarse, además, la formación de la especie M(HLt (*). Sobre esta base, se procedió al cálculo de las constantes de (*) Por mayor simplicidad siempre que se estime oportuno, se omite la carga eléctrica de las especies iónicas, indicando por L el anión diva lente del ácido C-Bz-IDA. Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470, 1994 460 M. E. ABARCA; J. M. GONZÁLEZ; S. GONZÁLEZ y J. NICLÓS formación (13) de los quelatos M(HL), ML Y ML22-, así como la constante de disociación (KJ ácida de M(HL). Constante estequiométrica de disociación de MHL y de formación de ML y ML2 La constante de disociación calculada corresponde al equilibrio: MHL # ML + H(I) donde (ML) (H) K�HL = (MHL) Las constantes estequiométricas de formación de complejos (13) se defmen por los equilibrios y ecuaciones siguientes: (MHL) M + HL # MHL (II) con BMHL = (M) (HL) M + L # ML (III) con BML = M + 2L # ML2 (IV) con BML2 = (ML) (M) (L) indicando con letra K la constante de formación de ML2 a partir de ML y L, según el equilibrio: ML +L #ML2 con K = (ML) (L) Este valor de "K" está relacionado con BML2 y BML del modo siguiente: K = log BML2 -log BML Todos los cálculos de constantes de disociación ácida (de MHL) y de formación (BMHU BML Y BML2) de los sistemas investigados se hicieron con los datos potenciométricos apropiados de valoraciones de mezclas H2L1M(Il) con (H2L) = 2.44 x 10-3 M (constante) y relación ligando/catión = 1/1 ó 2/1, según proceda, usando un programa general para un ácido n-prótico HnL de mezclas HnL/M(I1) desarrollado en BASIC por A. Matilla Hemández en un estudio a\1tet\Qt ( 9 ) . Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470, 1994 ESTUDIO EN DISOLUCiÓN DE QUELATOS DEL ÁCIDO C-BENCIL-IMlNODlACÉTlCO 461 Los diagramas de distribución del metal y del ligando, en función del pH, para mezclas con relación ligando/catión 1/1 y 2/1 de Cu(II), Co(II), Cd(II) y Pb(lI) (como sistemas representativos de las principales situaciones que se van a dar en cuanto a la formación de complejos de C-bencil-iminodiacético), se obtuvieron con datos de concentración de las especies que coexisten en equili brio a distintos valores de pH, estimados con el programa COMICS (10). RESULTADOS Y DISCUSIÓN El comportamiento electrométrico de sistemas H2LIM(I1) con cationes de transición y post-transición, ilustrado en la figura 1 para M=Cu y Cd, es esencialmente análogo al descrito por Chaberek y Matell (11) en el estudio potenciométrico de los correspondientes sistemas H2IDAIM(I1) (1: 1) Y (2: 1). Con carácter general (menos evidente con M=Cu), del examen de las gráficas conductimétricas (2), se observa cambios en la pendiente para a= 1, sugiriendo esto la formación de especies ML a través de un intermedio protonado MLH. La formación de esta especie puede igualmente deducirse del comportamiento potenciométrico de las mezclas 1/1 con M=Ni, Co, Zn, Cd y tal vez Pb (2), con una inflexión para a= 1. Una discusión detallada del comportamiento potenciométrico y conductimé trico de los sistemas C-Bz-IDAIM(I1) de cationes de transición y post-transi ción (2) revela, no obstante, que sus mezclas más representativas son las diso luciones con relación ligando/metal = 1/1 Y 2/1. Para las mezclas H2LIM(I1)) = 1/1, este comportamiento se explica en base a los siguientes equilibrios H2L + M(II) + OH # MLH + H20 (O � a � 1) (V) MLH + OH # ML + H,o (1 � a � 2) (VI) ML + OH # Y2 ML/- + Y2 M(OH)2 (2 � a � 3) (VII) donde puede apreciarse la formación preferentemente de especies MLH y ML. No debe descartarse la formación de hidroxo-complejo ML(OH)-. Este fenómeno de hidrólisis y desproporción es comúnmente observado en complejos 1: 1 y donde el carácter dentado del ligando no satisface el entorno de coordi nación del metal que, además, puede admitir la coordinación de un segundo ligando. El comportamiento de las mezclas H2LIM(II) = 2/1 es el esperado para disoluciones con un 100% de exceso de ligando respecto a las correspondientes mezclas 1/1 y explicándose por los siguientes equilibrios entre a=O y a=2. 2JI,L + M(I1) + 20H # MLH + LH + 2H,o (O � a � 1) (VIlla) Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470, 1994 462 M. E. ABARCA; J. M. GONZÁLEZ; S. GONZÁLEZ y J. NICLÓS o bien - 2H2L + M(II) + 20H # M(I1) + 2LH + 2HP MLH + LH + OH # ML + LH + H20 (1 � a � 1.5) o bien M(I1) + 2LH + OH # ML + LH + HP ML + LH + OH # ML/-+ HP (VIIIb) (lXa) (IXb) (1.5 � a � 2) Los equilibrios VIlla y IXa/IXb corresponden a la formación de especies con relación ligando/catión 1/1 en presencia de una cantidad equimolar de especie monoprotonada LH. Entre a= 1.5 y a=2 las especies 1/1 reaccionan con LH para dar el quelato 2: 1 ML22-que, debe reprimir la hidrólisis alcalina del ion metálico. Con objeto de obtener información adicional sobre la simetría y el entorno de coordinación en los quelatos del ácido C-bencil-iminodiacético, se realizó el estudio espectrofotométrico de los sistemas H2L1M(Il) con cationes coloreados (M=Cu, Ni y Co). En la figura 2 se representa los espectros de las mezclas representativas del sistema C-Bz-IDNCu(lI) 1/1 y 2/1, incluyendo igualmente el espectro visible de una disolución de nitrato de Cu(lI) (2.1 x lO-3M). Los espectros de mezclas 1/1 con pH variando entre 2.47 y 8.77 muestran todos una extinción claramente superior al acuocatión, con un valor de Amax. próximo a 718 nm, como corresponde a la formación predominantemente de un solo complejo y, que según lo indicado en el estudio potenciométrico y conductimé trico debe ser CuLo Para un pH=6.78 se estima un coeficiente de extinción máxima Amax = 80, lo que corresponde a una especie octaédrica con un entorno marcadamente distorsionado. Los espectros de las mezclas 2/1, entre pH =2.55 Y 10.70, son todos, al igual que las 1/1, de semejante extinción, su valor de A max está algo despla zado hacia menores longitudes de onda (Emox = 694 Y Emax = 78 para pH 8.63). Este comportamiento debe atribuirse a la progresiva transformación de CuL en CuL22-, siendo el entorno del Cu(lI) semejante en ambos complejos. En la Tabla 1 se recogen datos de los espectros electrónicos de Cu(lI) y el resto de cationes coloreados con los que se llevó a cabo el estudio espectrofotomé trico. Como puede apreciarse, el comportamiento de las mezclas H2L1M(II) siendo M(I1) = Ni Y Co es enteramente similar al sistema H2L1Cu(II). Por aplicación del método de JOB a mezclas H2L1Cu(lI) a las longitudes de Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470, 1994 ESTUDIO EN DISOLUCIÓN DE QUELATOS DEL ÁCIDO C-BENCIL-IMINODIACÉTICO 463 A = 650, 716 Y 750 nm, se aprecia la formación predominante de complejos con relación ligando/metal 1/1 como corresponde esencialmente a la especie CuLo Como se ha indicado anteriormente, a partir de datos potenciométricos de mezclas H2L1M(I1), 1: 1 y 2: 1 se calcularon las constantes estequiométricas de formación (lag B) de quelatos, MHL, ML Y ML2 Y de disociación ácida (pKa) para las especies protonadas, así como lag K para la reacción ML + L # ML/ (tablas 11 y III). Puede comprobarse que el ácido C-Bz-IDA forma quelatos protonados MHL de moderada estabilidad y según la siguiente secuencia de cationes. Co = Zn < Pb < Cu -Ni < Cd donde es de señalar la posición avanzada del cadmio y la inversión Cu � Ni. Por su parte la fuerza ácida de los complejos MHL (tabla III) conduce a la siguiente secuencia de cationes: Cd « Co < Zn < Pb < Ni « Cu, donde el elevado valor de pK. (6.01) del complejo de cadmio hace suponer la protonación del nitrógeno en forma amónica, en lugar del grupo carboxílico y por tanto no coordinado; en consecuencia la coordinación, en estas circunstancias, se deberá realizar por los dos grupos carboxilato. Sin embargo, el complejo CuHL, con pKa � 2 deberá tener el ligando actuando como tridentado, con el grupo carboxílico coordinado. El resto de complejos MHL (de Ca, Zn, Pb y Ni) tienen valor de pK,. concordante con la existencia de un grupo carboxílico no coordinado en la forma HL-. Comparando los valores obtenidos para lag BML con los aportados por la bibliografia (11) para complejos con igual estequiometría (tabla IV y figura 3), puede afirmarse, en líneas generales, que la estabilidad de los complejos decrece según la secuencia de ligandos: IDAl-> N-BzIDA > C-Bz-IDAlEs de resaltar la semejanza de los quelatos PbL en las tres complexonas. De igual forma, en las tres la secuencia de cationes M(I1) que corresponde a la estabilidad de sus quelatos ML, siguen el orden natural de Irving-Williams (Ca � Zn < Ni < Cu > Zn). A la vista de los datos disponibles, se concluye que los efectos electrón-atrayentes de los sustituyentes N-bencilo y C-bencilo se ven contrarrestados por efectos estéricos que favorecen la quelación, siendo éstos probablemente mayores en el N-bencil IDA. La estructura más probable propuesta para estos quelatos ML es la de especies octaédricas con los dos anillos metal glicinato del ligando U-(tridentado) aproximadamente perpendiculares, (menos distorsionada que la estructura tipo Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470,1994 464 M_ E_ ABARCA; J_ M_ GONZÁLEZ; S_ GONZÁLEZ y J_ NICLÓS iminodiacetato de cobre (11)), pudiendo adoptar disposición casi coplanar en el caso del quelato CuL lo que explicaría su mayor estabilidad, la inversión observada entre Ni y Pb (Ni < Pb) en la estabilidad de sus quelatos ML de C Bz.IDA2-, puede indicar una situación de transición para PbL entre la estructura propuesta para M = Co, Ni y Zn y para M = Cu. Para quelatos de tipo ML2 (Tablas 11 y IV), de nuevo se observa la misma secuencia de estabilidad que la vista anteriormente para los del tipo ML con L = IDA2-, N-Bz-IDNY C-Bz-IDA2-(Fig. 3). La tendencia de los que latos ML a incorporar un segundo ligando para dar ML/- (Tabla IV) es similar en los tres ligando s considerados decreciendo de forma singular para los complejos de Cd(lI)'y Pb(lI) en ese orden. Asimismo es de señalar, para el caso del IDA2-la posición avanzada del Cu(II). De la información disponible se sugiere que la escasa tendencia del Pb(lI) a dar quelatos ML/-con C-Bz-IDA debe atribuirse a los efectos derivados del mayor tamaño de este ión metálico. Con el programa "SPECIES" pudieron construirse los diagramas de espe ciación del sistema C-Bz-IDAlM(II) (M(II) = Cu, Ca, Cd y Pb) de gran utilidad para ilustrar el solapamiento o la separación de los equilibrios de formación de complejos en un determinado sistema ligando/metal. A la vista de los mismos (Fig. 4) se confirma para todos los sistemas estudiados la formación preferente de especies ML para mezclas con relación H2L/M(II) 1/1 y 2/1 a pH < 5 para el sistema H2L1Cu(lI) y a pH superiores para el resto de sistemas. Igualmente en medios ácidos se comprueba la presencia limitada del metal libre, M(II), así como de la especie protonada MLH. A valores pH > 5, para el Cu(lI) y pH > 7 para los demás sistemas, la especie ML reacciona con LH y OH para dar ML22-. Tabla l.-Datos de los espectros electrónicos de sistemas H2L1M(II) en disolución acuosa (M=Cu, Ni, Co). M=2_1 X 103-M (Cu), 4.8 x 103-M (Ni) Y 2.0 x 103M (Co). M(lI) Relación pH Especie más A mos. e max. HjJM(IJ) abundante (nm) (mol.J.cm-I) Cu(lI) 1/1 6.78 CuL 718 80 2/1 8.63 CuL22-694 78 Ni(II) 1/1 8.43 NiL 650 2.92 2/1 8_15 NiL/- 634 4_0 Co(II) 1/1 8.22 CoL 498 9.4 2/1 10.80 CoL/-506 11.2 Cu(I1): cmax = 810 nm; Amax = 13 Ni(lI): Cm .. = 660 nm; Amax = 1.94 Co(lI): Cm" = 515 nm; Amax_ = 4_6 Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470, 1994 ESTUDIO EN DISOLUCIÓN DE QUELATOS DEL ÁCIDO C-BENCIL-IMINODIACÉTICO 465 Tabla I1.-Constantes estequiométricas de formación (log B) de quelatos de C-Bz-IDA, para 1=0.1 M (KN03) Y t=25 oC, con la desviación típica standard (s) y el número de valores promediados (N). M(Il) Co(n) Ni(I1) Cu(I1) ZN(I1) Cd(I1) Pb(I1) log f3MHL (s;N) 3.60 (0.01;6) 4.04 (0.02;6) 3.97 (0.02;6) 3.60 (0.01;7) 4.88 (0.02;6) 3.83 (0. 02;6) log f3 ML (s;N) log f3MJs;N) 6.68 (0.01;10) 12. 15 (0. 02;15) 7. 10 (0. 01;11) 13. 06 (0. 01;8) 11.34 (0. 02; 13) 16. 45 (0.02;8) 6.76 (0.02;13) 12. 26 (0.02;7) 5.52 (0. 02;14) 10.27 (0. 01;10) 7.40 (0.01;11) 9.70 (0.04;7) Tabla 1II.-Constantes de disociación ácida pKa de quelatos MHL de C-Bz-IDA con desviación típica y valores promediados y valores de log K para la reacción ML + L # ML/-. 1 = 0. 1 M (KN03) y t = 25 oc. M(JI) Co(I1) Ni(I1) Cu(I1) Zn(I1) Cd(I1) Pb(I1) • log K = log B ML2 -log BML pKa MHL (S;N) 4. 86 (0. 01;8) 4.19 (0. 01;10) 1.97 (0. 01;10) 4.81 (0. 02;10) 6.01 (0. 02;7) 4.27 (0. 02;6) log K' 5.47 5. 96 5. 11 5.50 4.75 2. 30 Tabla IV.-Constantes estequiométricas de formación de quelatos 1: 1 (Iog BML) de H2IDA N Bz-H2IDA y C-Bz-H2IDA. 1 = O.IM (KN03) Y t = 25 oC. LIGANDO COMPLEJO IDA2-N-Bz-IDA2C-Bz-IDA2CoL 6. 94 6. 87 6.68 NiL 8.13 7. 92 7. 10 CuL 10.57 10.62 11.34 ZnL 7.24 7.01 6.76 CdL 5.71 6. 88 5.52 PbL 7.41 7.39 7. 40 BffiLIOGRAFíA (1) ABARCA GARCÍA, M. E., GONZÁLEZ PÉREZ, J. M., GONZÁLEZ GARCÍA, S. & NICLÓS GUTIÉRREZ, J. (1990): Ars Pharm., 31:257-266. (2) ABARCA GARCÍA, M. E. (1990): "Estudio de complejos de N-carboximetil-fenilalanina con cationes divalentes de transición y post-transición". Tesis Doctoral, Universidad de Granada. (3) SNYDER, R. V. & ANGELICI, R. J. (1973): J. Inorg. Nuc!. Chem. , 35:523. Ars Pharmaceutica, 35:3; 457-470,1994