СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Zn(II) С САЛИЦИЛАМИДОМ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании подробно рассмотрены синтез, кристаллическая структура и спектроскопические свойства нового комплексного соединения [Zn(Sal)₂(H₂O)₂], где Sal представляет собой салициламид (2-гидроксибензамид). Комплекс был получен с использованием стандартных методик синтеза, а его структура установлена методом рентгеноструктурного анализа. Установлено, что ион Zn²⁺ координируется с кислородом карбонильной группы салициламида, в то время как гидроксильная группа в координации не участвует. Дополнительно проведены ИК-Фурье- и УФ-спектроскопические исследования. Анализ Hirshfeld-поверхностей с помощью программного обеспечения Crystal Explorer 17.5 выявил, что водородные связи играют важную роль в стабилизации кристаллической решётки, внося 23,3% в общую межмолекулярную упаковку. Полученные данные способствуют более глубокому пониманию пространственной структуры комплекса и природы внутрикристаллических взаимодействий.

ABSTRACT

This scientific article presents a detailed study of the synthesis, crystal structure, and spectroscopic properties of a novel coordination compound [Zn(Sal)₂(H₂O)₂], where Sal refers to salicylamide (2-hydroxybenzamide). The complex was synthesized using standard procedures, and its molecular and crystal structure was determined by single-crystal X-ray diffraction analysis. The results revealed that the Zn²⁺ ion coordinates with the oxygen atom of the carbonyl group of salicylamide, while the hydroxyl group does not participate in coordination. Additionally, the compound was characterized using IR-Fourier and UV spectroscopy. Hirshfeld surface analysis performed using Crystal Explorer 17.5 software showed that intermolecular hydrogen bonding plays a significant role in stabilizing the crystal lattice, contributing 23.3% to the overall intermolecular interactions. These findings provide deeper insight into the spatial structure of the complex and the nature of its crystal packing and non-covalent interactions.

Ключевые слова: комплексное соединение, салициламид, рентгеновская дифракция (РФА), структура.

Keywords: complex compound, salicylamide,X-ray diffraction (XRD), structure.

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня одной из важных задач остается обеспечение высокой урожайности растений и их защита от различных бактериальных, вирусных и вредоносных грибковых заболеваний до тех пор, пока их ростки не выйдут из почвы и не будут готовы к плодоношению. В связи с этим учёные-химики и почвоведы работают в комплексе, используя различные стимуляторы почвы для хорошего роста растений и получения высоких урожаев, и предоставляют соответствующие выводы. Учёные-химики также изучили биометаллические элементы, влияющие на рост растений: Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo и т.д., и предоставили информацию о росте и развитии растений [1].

В последние годы было синтезировано много новых металлокомплексов с этими переходными металлами (медь, цинк, кобальт, марганец, никель). Причиной этого является его низкая стоимость, низкая токсичность и высокая эффективность биосовместимости с живыми организмами [2,3,4].

Медь, Cu(II), представляет собой катион металла с электронной конфигурацией 3d⁹, который участвует в нескольких биологических процессах как структурно, так и каталитически, таких как клеточное дыхание или биосинтез нейротрансмиттеров, выступая в качестве кофактора для многих металлопротеинов и стимулируя несколько ферментативных процессов [5,6]. Благодаря высокой редоксивной (окислительно-восстановительной) активности терапевтическая эффективность координационных соединений меди не ограничивается антипролиферативным действием. Координационные соединения меди могут быть весьма эффективны при лечении вирусных инфекций, воспалительных заболеваний и микробных инфекций благодаря нескольким механизмам действия. Кроме того, они также используются как антибактериальное средство против рака, туберкулеза, воспалений и микробов, а также в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — диагностике злокачественных опухолевых клеток и болезни Альцгеймера [7].

Цинк Zn(II) обладает электронной конфигурацией 3d¹⁰, является важным элементом с полностью заполненными 3d-орбиталями, поэтому, хотя комплексы Zn(II) не обладают энергетической стабильностью поля лигандов, их координационная гибкость с аминокислотами или белками, особенно с атомами-донорами O, широка. Эти свойства имеют отношение к их каталитической роли в металлоферментах, обеспечивая возможность различных взаимодействий с субстратами [8]. Они участвуют в нескольких стадиях клеточного метаболизма: в дыхании, иммунных функциях, синтезе ДНК и делении клеток [9].

Цинк — единственный металл, обнаруженный во всех классах ферментов. Исследования показывают, что Zn(II) обладает значительным антибактериальным и противовирусным действием. Кроме того, цинк подавляет рост многих бактерий, таких как Escherichiacoli, Streptococcus faecalis и некоторых штаммов почвенных бактерий. Как указывается в литературе, комплексы лигандов/лекарств с переходными металлами обладают большей бактерицидной активностью [10]. Также было обнаружено, что изомеры гидроксибензамида обладают способностью усиливать иммунную систему растений. Также британские ученые, синтезировав ряд координационных соединений изомеров гидроксибензамида, изучили их действие на растения и доказали повышение активности биометаллических комплексных соединений.

Продолжая данные научные исследования, в лабораторных условиях был проведен научный эксперимент с целью синтеза нового координационного соединения металлического цинка с салициловым амидом в растворе и определения его состава, структуры и свойств.

Цель данной научно-исследовательской работы заключается в разработке и внедрении различных методов синтеза дигидрата хлорида цинка(II) с его кристаллогидратом и комплексным соединением с 2-гидроксибензамидом. Состав и структура синтезированного соединения были изучены методами рентгенофазового анализа (РФА), элементного анализа и анализа поверхности молекулы по Хиршфельду с использованием программного обеспечения Crystal Explorer 17.5.

АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ И МЕТОДОЛОГИЯ

Анализ литературных источников и научных статей показывает, что с салициламидом проведено множество синтезов, а биологические эффекты синтезированных координационных соединений хорошо изучены. Например, в статье «Усиление антимикробной активности и снижение острой токсичности бензамида путем синтеза металлокомплексов» [11] синтезировано новое координационное соединение бензамида с металлами марганцем и медью и изучена его биологическая активность. Состав синтезированных металлокомплексов следующий: [Mn(BZA)₄Cl₂] и [Cu₂(BZA)₂(CH₃COO)₄] (BZA - бензамид), их структура была изучена методами элементного анализа, ИК-спектроскопии, рентгеновской кристаллографии и анализа поверхности по Хиршфельду.

Рисунок 1. Строение молекулы комплексного соединения [Mn(BZA)₄Cl₂]

Исследования insilico (молекулярная стыковка) показали, что биологически неактивное соединение BZA может обладать антимикробной активностью в результате образования комплексов металлов. Противогрибковая активность металлокомплексов выше, чем у известного соединения флуконазола, а антибактериальный эффект сопоставим с биологическим действием стандартного препарата левофлоксацина [12,13,14]. Определение острой токсичности металлокомплексных соединений invivo подтверждает, что исходное соединение снижено в металлокомплексе бензамида более чем в два раза, т.е. биологическая активность и токсичность БЗА усиливаются за счет образования металлокомплекса.

В статье «Квантово-химическое обоснование структуры координационного соединения солей кобальта (II) с салициламидом» представлен квантово-химический расчет молекулы салициламида, определение зарядов атомов и определение координационных центров с солями кобальта (II) [15]. Рассмотрена координация салициламида через атомы кислорода карбоксильной группы и азота амидной группы, а также координация карбоксильной и гидроксильной групп через атомы кислорода. Исходя из минимального образования теплоты, изучена оптимальная структура комплекса салициламида с солями кобальта (II).

По анализу Кембриджской кристаллографической базы данных (CCDC-2024), к 2024 году получено и определено строение более 120 комплексных соединений с салициламидом [16]. Впервые синтезировано комплексное соединение салициламида с металлическим цинком в среде раствора, состоящего из [Zn(Sal)₂(H₂O)₂], выращены монокристаллы и изучен их состав.

Экспериментальная часть

Предварительно, было взято 0,219 г (1 ммоль) дигидратной соли ацетата цинка(II) (Zn(CH3COO)2∙2H2O) и приготовлен 0,1 М водный раствор. Также было взято 0,274 г (2 ммоль) 2-гидроксибензамидного лиганда и приготовлен 0,2 М спиртовой раствор. Полученные растворы были взяты в мольном соотношении 1:2 (M:L) и перемешивались. Реакционная смесь сначала перемешивалась при комнатной температуре, затем при 60–70 °C на магнитной мешалке в течение 2 часов и обрабатывалась ацетатным буферным раствором с pH=6. По окончании процедуры реакционная смесь доводилась до комнатной температуры и выдерживалась в термостате постоянной температуры (40 °С) в течение 7 дней [17,18]. Бесцветные монокристаллы были получены путем медленного испарения.

Рисунок 2. Пространственное строение монокристалла комплексного соединения с синтезированным составом [Zn(Sal)₂(H₂O)₂]

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При изучении структуры синтезированного комплексного соединения была использована программа Mercuriy [19,20] проведено несколько анализов. По результатам данного анализа определены порядок связи атомов в комплексном соединении и расстояния между ними, угловые величины, а также водородные связи, результаты отображены с помощью соответствующих таблиц 1-3.

Таблица 1.

Кристаллографические данные и параметры, уточняющие структуру салициламидно-комплексного соединения цинка

Рисунок 3. Квантово-химическая модель строения комплексного соединения состава [Zn(Sal)₂(H₂O)₂]

Из изображений известно, что в образовании этого комплексного соединения [Zn(Sal)₂(H₂O)₂] участвовал кислород карбонильной группы в составе салициламида, а атом кислорода гидроксильной группы и атом азота аминогруппы в координации не принимали участие.

Таблица 2.

Параметры межатомных связей и валентные углы координационного комплекса

Рисунок 4. Углы связей комплексного соединения с полученным составом [Zn(Sal)₂(H₂O)₂]

Таблица 3.

Водородные связи в строении кристалла (A˚)

D-донор, A- акцептор. i-коды симметрии

Рисунок 5. Образование водородных связей между атомами полученного комплексного соединения

Параметры элементарной ячейки кристалла следующие: пространственная группа A1, a=15.26 Å, b=21.58 Å, c=22.64 Å, α=94.32°, β=104.24°, γ=92.04°, V=7113.4 Å3, Z=2. Комплекс [Zn(Sal)₂(H₂O)₂] моноядерный, образован молекулой 2-гидроксибензамида иона Zn²⁺, имеет нейтральную природу [21]. Значение расстояния между связями Zn-O(1), Zn-O(3), Zn-O(4), Zn-O(5) и Zn-O(6) в составе комплекса ровняется 1.8704Å, 1.8748Å, 2.6513Å, 1.9102Å и 1.9123Å соответственно. Можно заметить, что угловые величины O(1)-Zn(1)-O(3), O(1)-Zn(1)-O(4), O(1)-Zn(1)-O(5), O(1)-Zn(1)-O(6), O(3)-Zn(1)-O(4), O(3)-Zn(1)-O(5), O(3)-Zn(1)-O(6), O(4)-Zn(1)-O(5), O(4)-Zn(1)-O(6) и O(5)-Zn(1)-O(6) ровняются 80.37, 112.49, 78.87, 130.98, 76.11, 133.93, 83.26, 149.96, 107.71 и 80.22, соответственно [22].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При изучении состава, строения и свойств синтезированного комплексного соединения современными физико-химическими методами исследования установлено, что характер связи между атомом кислорода и центральным атомом цинка салициламида в соединении представляет собой прочную ионную связь. Центральный атом цинка в комплексном соединении имеет моноклинный тип, две молекулы координирируют салициламид через атомы кислорода и две молекулы – через атомы воды и кислорода, образуя комплексное соединение [Zn(Sal)₂(H₂O)₂]. Предлагаемый метод синтеза может быть использован при последующем синтезе аналогичных координационных соединений. Центральный атом цинка имеет координационное число 4 и гибридизован в состоянии sp³. Синтезированное координационное соединение может быть использовано в качестве нового стимулятора в сельском хозяйстве в виде раствора.

Список литературы:

1. М.Хьюз. Неорганическая химия биологических процессов. М.Мир. 1983.
2. Muthusamy S., Natarajan, R. Pharmacological Activity of a Few Transition Metal Complexes: A short review. J. Chem. Biol. Ther. – 2016. – Vol.1(2), R. 1–17.
3. Ndagi U., Mhlongo N., Soliman M.E. Metal complexes in cancer therapy–An update from drug design perspective. Drug Des. Devel. Ther. – 2017. – Vol.1, R. 599–616.
4. Savithri K., Kumar B.V., Vivek H.K., Revanasiddappa H.D. Synthesis and Characterization of Cobalt(III) and Copper(II) Complexes of 2-((E)-(6-Fluorobenzo[d]thiazol-2-ylimino) methyl)-4-chlorophenol: DNA Binding and Nuclease Studies—SOD and Antimicrobial Activities. Int. J. Spectrosc. – 2018. – Vol.18, R. 8759372.
5. Pavelkova M., Vyslozil J., Kubova K., Vetchþy D. Biological role of copper as an essential trace element in the human organism. Ces. Slov. Farm. –2018. – Vol.67(4), R. 143–153.
6. Hamamci Alisir S., Dege N., Tapramaz R. Synthesis, crystal structures and characterizations of three new copper (II) complexes including anti-inflammatory diclofenac. Acta Crystallogr. Sect. C Struct. Chem. – 2019. – 75(4), R. 388–397.
7. Krasnovskaya O., Naumov A., Guk D., Gorelkin P., Erofeev A., Beloglazkina E., and A. Majouga. Copper Coordination Compounds as BiologicallyActive Agents. Int. J. Mol. Sci. –  2020. – Vol.21(11), R. 1–37.
8. Ariana C. F. Santos, Luís P. G. Monteiro, Adriana C. C. Gomes, Fátima Martel, Teresa M. Santos and Bárbara J. M. Leite Ferreira. NSAID-Based Coordination Compounds for Biomedical Applications: Recent Advances and Developments. Int. J. Mol. Sci. – 2022. – Vol.23, 2855, R. 1–22.
9. Abu Ali H., Omar S.N., Darawsheh M.D., Fares H. Synthesis, characterization and antimicrobial activity of zinc (II) ibuprofen complexes with nitrogen-based ligands. Journal of Coordination Chemistry. – 2016. – 69(6), R. 1110-1122.
10. Zamble D. Introduction to the Biological Chemistry of Nickel. In The Biological Chemistry of Nickel; RSC Met: London, UK. – 2017. – pp. 1–11.
11. Sanjar Kamalov, Bakhrom Babaev, Aziz Ibragimov, Alisher Eshimbetov, Jamshid Ashurov, Adkhamjon Normamatov, Zavkibek Tilyakov, Sultan Usmanov, Javlon Tashpulatov, Bakhtiyar Ibragimov.  Antimicrobial activity enhancement and acute toxicity lowering of benzamide through preparation of metal complexes. Journal of Molecular Structure, 2024, 1303, 137620, DOI: 10.1016/j.molstruc.2024.137620
12. Acar C., Yalçın G., Ertan-Bolelli T., Kaynak Onurdağ F., Ökten S., Şener F., Yıldız İ. Synthesis and molecular docking studies of some novel antimicrobial benzamides. Bioorganic Chemistry, том 94, 103368.  DOI: 10.1016/j.bioorg.2019.103368
13. Ibragimov A.B., Ashurov Z.M., Zakirov B.S. Molecular and crystal structure of a mixed-ligand cadmium complex with p-hydroxybenzoic acid and monoethanolamine. Journal of Structural Chemistry 58(3):588-590. DOI:10.1134/S0022476617030209
14. Narmanova F.S., Turaev Kh.Kh., Kasimov Sh. A., Ashurov J. M. Synthesis, structure, Hirshfeld surface analysis, and molecular docking studies of the Cu(II) complex with 3-nitro-4-aminobenzoic acid. Structural Chemistry 35(5):1-8. DOI:10.1007/s11224-024-02320-6
15. Квантовохимическое обоснование строения координационного соединения солей кобальта (II) с салициламидом // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Матмуродова Ф.K. [и др.]. 2020. № 10(76). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/10739
16. The Cambridge  Structural  Database, URL: https://www.ccdc.cam.ac.uk/conts/retrievihg.html
17. Ali H.A., Jabali B. Synthesis, characterization and biological activity of novel complexes of zinc(II) diclofenac with nitrogen based ligands. Polyhedron. – 2016. – Vol.107, P. 97–106. 
18. Ruzmetov A. Kh., Ibragimov A.B., Myachina O.V., Kim R.N., Ibragimov B.T. Synthesis, crystal structure, Hirshfeld surface analysis and bioactivity of the Cu mixed-ligand complex with 4-hydroxybenzoic acid and monoehtanolamine // Chemical Data Collections. – 2022. – V.38. – p.100845.
19. Macrae C.F, Bruno I.J, Chisholm J.A. et. al. Mercury CSD 2.0 – new features for the visualization and investigation of crystal structures // J. Appl. Cryst. -2008. –V.41. -P.466-470. 
20. Sheldrick, G. M. Crystal structure refinement with SHELXL// Acta Cryst. 2015.–V. C71, P 3–8. doi:10.1107/S2053229614024218
21. CrysAlisPro. Ver. 1.171.33.40, UK: Oxford Diffraction, 2007.
22. Илюшин Ф.С., Орешко А.П. Дифракционный структурный анализ. –М.: физический факультет МГУ, ООО Издательский дом “Крепостновъ”, 2013. -616 с.