СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Co(II), Ni(II), Cu(II) И Zn(II) C 2,2'-СУЛЬФАНДИИЛБИС(5-МЕТИЛ-1,3,4-ТИАДИАЗОЛОМ)

АННОТАЦИЯ

Целью исследования является синтез пяти новых комплексных соединений на основе катионов 3d-металлов (Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II)) из соответствующих кристаллогидратов нитратов и хлоридов с использованием органического лиганда - 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола). Состав, структура и ключевые свойства этих координационных соединений были изучены с применением современного комплекса физико-химических методов, включая сканирующую электронную микроскопию и энергодисперсионный анализ СЭМ-ЭДА, квантово-химические расчёты, метод ИК- и Raman-спектроскопии, а также синхронный дифференциально-термический анализ (ТГ-ДТА). Установлено, что процесс комплексообразования ионов металлов с гетероциклическим лигандом протекает при молярном соотношении металл: лиганд = 1:2. Показано, что координация ионов металлов осуществляется бидентатно через атомы азота лиганда и атомы кислорода молекул воды.

ABSTRACT

The aim of the study is to synthesize five new complex compounds based on 3d metal cations (Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II)) from the corresponding nitrate and chloride crystallohydrates using the organic ligand 2,2'-sulfanediyl bis(5-methyl-1,3,4-thiadiazole). The composition, structure and key properties of these coordination compounds were comprehensively studied using a modern set of physicochemical methods, including scanning electron microscopy and energy dispersive analysis (SEM-EDX), quantum chemical calculations, IR and Raman spectroscopy and simultaneous differential thermal analysis (TG-DTA). The complexation of transition metal ions with a heterocyclic ligand was found to occur at a metal-to-ligand molar ratio of 1:2. The metal ions exhibit bidentate coordination through the nitrogen atoms of the heterocyclic ligand and the oxygen atoms of coordinated water molecules.

Ключевые слова: Синтез, лиганд, тиадиазол, комплекс, СЭМ анализ, квантово-химические расчёты, ИК спектроскопия, Раман спектроскопия, термогравиметрический анализ.

Keywords: Synthesis, ligand, thiadiazole, complex, SEM analysis, quantum chemical calculations, IR spectroscopy, Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis.

Введение. 1,3,4-Тиадиазол представляет собой гетероциклическое соединение, которое привлекает значительное внимание в области медицинской химии благодаря своим уникальным фармакологическим свойствам [1]. Это соединение и его производные обладают широким спектром биологической активности, включая антибактериальные [2], противовирусные [3], противовоспалительные [4], противоопухолевые [5], антипаразитарные [6], антидепрессантные [7] и другие эффекты.

Одним из ключевых преимуществ 1,3,4-тиадиазола является его структурная гибкость [8], которая позволяет проводить различные химические модификации, направленные на улучшение фармакологических характеристик и снижение токсичности [9], кроме того, 1,3,4-тиадиазол широко исследуется в контексте лекарственной устойчивости [10]. В условиях нарастающей устойчивости патогенов к существующим лекарственным препаратам, производные этого соединения представляют собой перспективный класс соединений для разработки новых терапевтических агентов [11].

Таким образом, 1,3,4-тиадиазол и его производные продолжают оставаться важными объектами исследований. Их свойства, биологическая активность и способность легко модифицироваться делают эти соединения перспективными для дальнейшего изучения. Исследование соединений на основе 1,3,4-тиадиазола открывает дополнительные возможности для разработки эффективных и безопасных лекарственных препаратов.

Целью данного исследования является определение строения и свойств комплексных соединений солей Co(II), Ni(II), Cu(II) и Zn(II) c 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазолом).

Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования были определены лиганд 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазол) и комплексные соединения на его основе с нитратами и хлоридами кобальта (II), никеля (II), меди (II) и цинка (II).

В работе были использованы сканирующая электронная микроскопия и энергодисперсионный анализ СЭМ-ЭДА (JEOL JSM-IT200LA, Япония). Квантово-химические расчёты проведены метод теории функционала плотности (DFT), реализованным в пакете GAUSSIAN 09, с функционалом B3LYP; (базисы 6-311G(d,p) для лиганда и GenECP (LANL2DZ для 3d-металлов и 6-311G(d,p) для остальных атомов), для расчёта спектров плотности состояний (DOS) использовалась программа GaussSum 3.0. ИК-спектры были получены на ИК-Фурье спектрометре “IRAffinity-1S” фирмы SHIMADZU (Япония), Раман-спектры были зарегистрированы в области 300-3300 см^-1 на спектрометре BRAVO фирмы Bruker (Германия). Образцы дериватограмм синхронного дифференциально-термического анализа (ТГ-ДТА) получали на синхронном термоанализаторе Shimadzu DTG-60, реализующим совмещение термогравиметрии и дифференциального термического анализа. Программа нагрева печи от 37 до 800°C осуществлялась электронным нагревателем со скоростью 10°C/мин, при продувке аргоном (80 мл/мин). Держателем служил фарфоровый тигель. Разрешение сигнала при ТГА 0,1 мкг.

Методика синтеза 2,2'-сульфанедиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) (L).

К суспензии МТДТ (5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тион) (0,02 моль) в этанольно-водной смеси (10 мл: 10 мл), при постоянном перемешивании и поддержании температуры 40°С, по каплям добавляли 60% раствор перекиси водорода (1,5 мл) (рис. 1). При этом раствор становился прозрачным и приобретал желтый цвет. Через час непрерывного перемешивания наблюдалось выпадение кристаллического осадка светло-желтого цвета (L). Полученный осадок был отделён фильтрованием и промыт дистиллированной водой, после чего высушен на воздухе до постоянной массы. Фильтрат оставляли на дальнейшую кристаллизацию. Выход реакции составил 84%, температура плавления полученного вещества составила - 116°С.

Рисунок 1. Схема синтеза 2,2'- сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) (L)

Методика синтеза комплексных соединений кобальта (II), никеля (II), меди (II) и цинка (II) с лигандом L. К этанольным растворам (0,1 моль) нитратов и хлоридов металлов, при постоянном перемешивании, по каплям добавляли раствор лиганда в этаноле (2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) (L) (0,2 моль). Смесь непрерывно перемешивали в течение 5 часов при комнатной температуре. Полученные растворы фильтровали и оставляли для кристаллизации. Через несколько суток выпадал мелкокристаллический осадок, который был отфильтрован, высушен на воздухе, а фильтрат оставлен для дальнейшей кристаллизации. По истечении 10 дней из маточных растворов были извлечены монокристаллы (рис. 2).

Рисунок 2. Схема синтеза комплексных соединений

Результаты и обсуждение.

СЭМ анализ синтезированного комплексного соединения меди с 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазолом) показал информацию о пористой и фрагментированной неоднородной текстуре, что говорит о возможном аморфном характере соединения [12]. Результаты СЭМ-ЭДА демонстрируют, что основные элементы - углерод, азот, сера, кислород, хлор и медь - присутствуют в пропорциях, согласующихся с ожидаемой структурой ([Cu(L)₂H₂O]Cl₂) комплексного соединения с хлоридом меди (рис. 3). Экспериментальные данные по атомным долям элементов подтверждают наличие одной молекулы воды в комплексе [Cu(L)₂H₂O]Cl₂. Рассчитанная теоретическая атомная доля кислорода (3.33%) соответствует экспериментальному значению (3.45%) с минимальным отклонением, что свидетельствует о присутствии одной молекулы воды в составе комплекса.

Рисунок 3. Микроструктура, качественный и количественный состав комплекса [Cu(L)₂H₂O]Cl₂ по результатам SEM-EDX

По результатам квантово-химических расчетов выполненных методом DFT (B3LYP 6-311G(d,p)/LANL2DZ) определены геометрические параметры комплексов, оценена их стабильность и проанализировано электронное строение (распределение электронной плотности, ВЗМО и НСМО), что позволило охарактеризовать природу химических связей, реакционную способность и потенциальные свойства [13].

Анализ распределения электронной плотности и зарядов на атомах лиганда 2,2′-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола) показал, что основными центрами координации являются атомы азота тиадиазольных колец, обладающие наибольшим отрицательным зарядом (рис. 4).

Рисунок 4. МЭП 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола)

Рассчитаны термодинамические параметры, включая внутреннюю энергию, теплоёмкость и энтропию (таблица 1). 

Таблица 1.

Термодинамические параметры L

Вклад в энергию ВЗМО вносят преимущественно атомные орбитали азота и серы. DOS-спектр лиганда подтверждает наличие значительного энергетического разрыва между ВЗМО и НСМО, что свидетельствует о высокой реакционной устойчивости лиганда (рис. 5).

Рисунок 5 а. Энергии молекулярных орбиталей; б- Спектр плотности состояний (DOS) лиганда 2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола)

Комплексы [Co(L)₂(H₂O)₂]²⁺, [Ni(L)₂(H₂O)₂]²⁺ и [Zn(L)₂(H₂O)₂]²⁺ характеризуются октаэдрической координацией металла с участием четырёх атомов азота двух лигандов и двух атомов кислорода молекул воды, формируя два устойчивых хелатных цикла (правило Чугаева). Комплекс [Cu(L)₂H₂O]²⁺ имеет геометрию квадратной пирамиды, обусловленную эффектом Яна–Теллера для Cu²⁺, с аксиально координированной молекулой воды и удлинением связей вдоль оси z. Отклонения от идеальной геометрии связаны со стерическими и электронными факторами; для Co(II) и Ni(II) они минимальны, тогда как в комплексе [Zn(L)₂(H₂O)₂]²⁺ искажения обусловлены d¹⁰-конфигурацией Zn²⁺, слабой склонностью к строго октаэдрической координации, различием лигандов и межмолекулярными взаимодействиями, при сохранении стабильности за счёт хелатного эффекта (рис. 6).

Рисунок 6. Геометрическое строение координационных полиэдров

Так как все комплексы относятся к катионному типу, МЭП их внутренних сфер отражен в синих и голубых тонах, что говорит о равномерном распределении положительного молекулярного электростатического потенциала (рис. 7)

Рисунок 7 МЭП и распределение зарядов в комплексах

Термодинамическая устойчивость комплексов оценена по параметрам ΔH, ΔS и ΔG, рассчитанным по закону Гесса для всех реакций синтеза (таблица 2) [13]. Наиболее стабильным по суммарной энергии электронов и энтальпии является комплекс [Ni(L)₂(H₂O)₂]²⁺, тогда как наименьшую энергетическую устойчивость демонстрирует [Zn(L)₂(H₂O)₂]²⁺.

Таблица 2

Термодинамические параметры комплексов

Анализ энергии Гиббса (ΔG) реакций образования комплексов показал, что наибольшую термодинамическую выгоду имеет [Cu(L)₂H₂O]²⁺ (-397,02 ккал/моль), что свидетельствует о высокой устойчивости комплекса в стандартных условиях [13]. Анализируя полученные данные, можно вывести ряд термодинамической устойчивости комплексов: Zn²⁺<Co²⁺<Ni²⁺<Cu²⁺.

Энергетический разрыв является показателем химической стабильности и электронотранспортных свойств: чем он больше, тем ниже реакционная способность [14]. Наименьший ΔE (5,05 эВ) у [Cu(L)₂H₂O]²⁺, что указывает на его наибольшую реакционную способность, тогда как наибольший ΔE (5,27 эВ) у [Co(L)₂(H₂O)₂]²⁺ свидетельствует о более высокой устойчивости комплекса [15]. Узкая запрещённая зона комплексов Cu(II) и Zn(II) может обусловливать их потенциальные антиоксидантные и каталитические свойства (Таблица 3).

Таблица 3.

Энергии молекулярных орбиталей комплексов

ИК-спектроскопический анализ позволил выявить характерные функциональные группы и установить участие атомов донорных центров в координации с ионами металлов. В инфракрасном спектре свободного лиганда (рис. 8) отсутствуют полосы в диапазоне 3000–3550 см^-1, что свидетельствует об отсутствии в его составе воды. Широкая полоса при 2922 см^-1 соответствует валентным колебаниям метильных групп (νCH₃), а полоса при 1387 см^-1 соотоветствует их деформационным колебаниям (δCH₃). Валентные колебания νC=N проявляются в виде интенсивной полосы при 1556 см^-1, тогда как колебания внутри тиадиазольного цикла фиксируются в области 1070–1100 см^-1, что характерно для связей N–N. [16]

Рисунок 8. ИК спектр лиганда (2,2'-сульфандиилбис(5-метил-1,3,4-тиадиазола)

В ИК-спектрах координационных соединений появляются широкие полосы в диапазоне 3400–3200 см^-1, соответствующие колебаниям νOH координированных молекул воды, отсутствующих в свободном лигандe. Для комплекса [Co(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂ (рис. 9) данная полоса зафиксирована при 3364 см^-1, для [Ni(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂ (рис. 10) на 3340 и 3329 см^-1. Смещения полос C=N после комплексообразования в сторону более высоких частот (до 1591 см^-1 у комплекса [Ni(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂, 1559 см^-1 у [Cu(L)₂H₂O](NO₃)₂ и 1597 см^-1 у [Zn(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂) (рис. 13) указывают на уменьшение электронной плотности на атоме азота, что подтверждает его участие в координации.

Усиление полос в области 1184–1198 см^-1 (δ кольца) подтверждает вовлечение ароматической системы в координационный процесс. Небольшие, но стабильные смещения полос, ассоциированных со связью N–N в пределах кольца (например, до 1102 см^-1 у комплекса с [Co(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂ и 1073 см^-1 у [Сu(L)₂H₂O]Cl₂), также свидетельствуют о перераспределении электронной плотности в гетероцикле. Более подробные данные о частотах L и комплексных соединений приведены в таблице 4.

Таблица 4.

ИК частоты лиганда и синтезированных комплексов

Рисунок 9. ИК спектр комплексного соединения [Co(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂

Рисунок 10. ИК спектр комплексного соединения [Ni(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂

Рисунок 11. ИК спектр комплексного соединения [Cu(L)₂H₂O](NO₃)₂

Рисунок 12. ИК спектр комплексного соединения [Сu(L)₂H₂O]Cl₂

Рисунок 13. ИК спектр комплексного соединения [Zn(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂

Подобно ИК-спектроскопии, рамановская спектроскопия также предоставляет важные данные о составе веществ [17]. Лиганд не имеет в своем составе воды, что подтверждается отсутствием характерных полос поглощения колебаний -OH группы, а в трех полученных спектрах комплексов (рис. 14) присутствуют характеристические полосы  при 3157 см^-1, 3142 см^-1 и 3122 см^-1, что говорит о наличии воды в составе. Кроме того, в спектрах всех синтезированных комплексов зафиксированы полосы рассеяния в области около 540 см^-1, которые соответствуют колебаниям связи металл–кислород. Наличие этих полос подтверждает участие молекул воды в координации с металлом, что соответствует данным элементного анализа, а также данным ИК-спектроскопии. [18]

В Раман-спектре свободного лиганда (L) (рис. 14) наблюдаются полосы валентных колебаний метильной группы (νCH₃) при 2993 и 2932 см^-1, характерная полоса колебаний связи CN при 1480 и 1423 см^-1, а также полоса N–N при 1080 см^-1. Колебания тиадиазольного кольца проявляются в области 768 см⁻¹ (δ ring) и 649 см^-1 (νCS). Полоса при 1190 см^-1 соответствует колебаниям группы NCS.

В результате комплексообразования с ионами Co(II) и Cu(II) в спектрах наблюдаются значительные изменения. Появление полос в области 3122–3157 см^-1 свидетельствует о присутствии координированной воды, что согласуется с ИК-спектрами. Сдвиг полос валентных колебаний νCN в сторону более высоких частот указывает на участие атома азота в координации с ионами металлов. Частоты колебания связи νN–N также смещаются, что указывает на перераспределение электронной плотности в тиадиазольном кольце. Существенные изменения наблюдаются в низкочастотной области спектров: появление полос при 534–486 см^-1 связано с образованием связей металл-кислород и металл-азот. Дополнительные полосы в области 490–432 см^-1 могут быть отнесены к колебаниям металл–NCS. Более подробные данные о частотах в Раман-спектрах L и комплексных соединений приведены в таблице 5.

Таблица 5

Основные частоты в Раман-спектрах лиганда и комплексов (см^-1)

Рисунок 14. Раман-спектры а - лиганда и комплексов: б -[Cu(L)₂H₂O](NO₃)₂, в - [Сu(L)₂H₂O]Cl₂, г - [Co(L)₂(H₂O)₂](NO₃)₂

Комплексы [Cu(L)₂H₂O]Cl₂ и [Cu(L)₂H₂O](NO₃)₂ изучены методом ТГА; установлено, что одна молекула воды входит в состав внутренней сферы. Вода в нитратном комплексе отщепляется при более высокой температуре (148 °C), чем в хлоридном (110 °C), следовательно, она сильнее координирована и стабилизирована за счет дополнительных водородных связей [19]. До 400^оС хлоридный комплекс теряет 75% от первоначальной массы образца, а нитратный - 60%. Конечным продуктом термолиза обоих комплексов определен оксид меди (II).

Рисунок 18. Дериватограммы комплексов [Cu(L)₂H₂O](NO₃)₂ и [Cu(L)₂H₂O]Сl₂

Заключение. Проведенные комплексные исследования позволили установить, что синтезированные координационные соединения нитратов Co(II), Ni(II), и Zn(II) характеризуются октаэдрической геометрией, в то время как координационные соединения на основе хлоридов и нитратов Cu(II) демонстрируют координацию квадратной пирамиды, устойчивость комплексов возрастает в ряду: Zn²⁺<Co²⁺<Ni²⁺<Cu²⁺. Установлено, что процесс комплексообразования происходит при молярном соотношении металла и лиганда 1:2. Установлена бидентатная координация металлов через атомы азота с гетероциклическим лигандом и атомами кислорода молекул воды. Предложены возможные брутто формулы комплексов: для соединений Zn, Co и Ni - [M(L)₂(H₂O)₂]²⁺, а для комплекса Cu - [M(L)₂H₂O]²⁺. Данные различия обусловлены координационными особенностями металлов и их стереохимическими предпочтениями.

Список литературы:

1. Ibraheem H., Al-Majedy Y., Al-Amiery A. 4-thiadiazole: The biological activities //Systematic Reviews in Pharmacy. – 2018. – V. 9. – I. 1. – P. 36-40. 10.5530/srp.2018.1.7 
2. Sahu S. et al. Synthesis and evaluation of antimicrobial activity of 1,3,4-thiadiazole analogues for potential scaffold //Journal of pharmacopuncture. – 2021. – V. 24. – I. 1. – P. 32. 10.3831/KPI.2021.24.1.32
3. Zheng H. et al. Novel 1,3,4-Thiadiazole Derivatives: Synthesis, Antiviral Bioassay and Regulation the Photosynthetic Pathway of Tobacco against TMV Infection //International Journal of Molecular Sciences. – 2023. – V. 24. – I. 10. – P. 8881. 10.3390/ijms24108881
4. Koval A. et al. An overview on 1,2,4-triazole and 1,3,4-thiadiazole derivatives as potential anesthesic and anti-inflammatory agents //ScienceRise: Pharmaceutical Science. – 2022. – I. 2 (36). – P. 10-17. 10.15587/2519-4852.2022.255276
5. Çevik U. A. et al. Synthesis and biological evaluation of novel 1,3,4-thiadiazole derivatives as possible anticancer agents //Acta Pharmaceutica. – 2020. – V. 70. – I. 4. – P. 499-513. 10.2478/acph-2020-0034
6. Camargo J. N. A. et al. Antiparasitic behavior of trifluoromethylated pyrazole 2-amino-1,3,4-thiadiazole hybrids and their analogues: Synthesis and structure-activity relationship //Frontiers in Pharmacology. – 2020. – V. 11. – P. 591570. 10.3389/fphar.2020.591570
7. Yusuf M., Khan R. A., Ahmed B. Syntheses and anti-depressant activity of 5-amino-1,3,4-thiadiazole-2-thiol imines and thiobenzyl derivatives //Bioorganic & medicinal chemistry. – 2008. – V. 16. – I. 17. – P. 8029-8034. 10.1021/jm001027w
8. Zhong W. Y. et al. Synthesis, mesomorphic and fluorescent properties of 1,3,4-oxadiazoles/thiadiazoles with a terminal 3-fluoro-4-cyanophenyl group //Tetrahedron. – 2023. – V. 144. – P. 133579. 10.1016/j.tet.2023.133579
9. Thanh N. D. et al. Synthesis, biological and molecular modelling for 1,3,4-thiadiazole sulfonyl thioureas: bacterial and fungal activity //RSC Medicinal Chemistry. – 2023. – V. 14. – I. 12. – P. 2751-2767. 10.1039/D3MD00508A
10. Lacerda M. L. et al. Antimicrobial resistance challenged with Platinum (II) and Palladium (II) complexes containing 1,10-phenanthroline and 5-Amino-1,3,4-Thiadiazole-2 (3H)-Thione in campylobacter jejuni //Antibiotics. – 2022. – V. 11. – I. 11. – P. 1645. 10.3390/antibiotics11111645
11. Wu N. et al. Synthesis, X-ray Crystal Structure, and Antimicrobial Studies of New Quinazolin-4 (3 H)-one Derivatives Containing the 1,2,4-Triazolo [3,4-b][1,3,4] thiadiazole Moiety and 4-Piperidinyl Linker //Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 2023. – V. 71. – I. 49. – P. 19277-19287. 10.1021/acs.jafc.1c01626
12. Калмыков К.Б., Дмитриева Н.Е. Сканирующая электронная микроскопия и рентгено-спектральный анализ неорганических материалов. Методическое пособие.- Москва, 2017.-54 с.
13. Joseph W. Ochterski. Thermochemistry in Gaussian // Gaussian, Inc.- 2000.-Р. 10-12
14. Koopmans T. Über die Zuordnung von Wellenfunktionen und Eigenwerten zu den einzelnen Elektronen eines Atoms //physica. – 1934. – V. 1. – I. 1-6. – P. 104-113. 10.1016/S0031-8914(34)90011-2.
15. Govindarajan M. et al. FT-IR, FT-Raman and UV spectral investigation: Computed frequency estimation analysis and electronic structure calculations on chlorobenzene using HF and DFT //Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2012. – V. 88. – P. 37-48. 10.1016/j.saa.2011.11.052
16. Nakamoto K. et al. Infrared spectra of metallic complexes. IV. Comparison of the infrared spectra of unidentate and bidentate metallic complexes //Journal of the American Chemical Society. – 1957. – V. 79. – I. 18. – P. 4904-4908. 10.1021/ja01575a020
17. Mulvaney S. P., Keating C. D. Raman spectroscopy //Analytical Chemistry. – 2000. – V. 72. – I. 12. – P. 145-158. 10.1021/a10000155
18. Smith E., Dent G. Modern Raman spectroscopy: a practical approach. – John Wiley & Sons, 2019
19. Ливер Э. Электронная спектроскопия неорганических соединений. В 2-х ч. Ч. 2. Пер. с англ.—М.: Мир. —1987.—445с.