Μελέτη της δομικής ειδογένεσης και των φθορισμομετρικών ιδιοτήτων οργανικών υποστρωμάτων με τοξικά μεταλλοϊόντα σε υδατικό και μη υδατι...

Abstract

The transition elements manganese [Mn(II)], iron [Fe(III)], cobalt [Co(II)] and nickel [Ni(II)] are essential trace metal ions, which are involved in key bio-molecules in human and/or plant physiology. Furthermore, the aforementioned abundant elements can also play various roles in advanced materials. Of the aforementioned metal ions, manganese [Mn(II)] is an essential element involved in the active sites of various metalloenzymes, such as mitochondrial superoxide dismutase (SOD), key to the integrity of cellular processes. Iron [Fe(III)] is found in many biological systems, in all living organisms (bacteria, plants and mammals), entering various and crucial interactions at the binary and ternary level. Moreover, cobalt [Co(II)] has been found to exist in the human body as a metal cofactor, required for a specific group of enzymatic systems, such as the B12 coenzyme and vitamin B12. Finally, nickel [Ni(II)], as a metal cofactor, plays an important role in metalloenzymes, such as Ni-Fe hydrogenases, urease and Ni-superoxide dismutase. In all biological systems, metal ions can be mobilized through interactions with physiological organic substrates. In so doing, they can form soluble bioavailable species in biological fluids. In each case, the target ligands can be low as well as high molecular mass substrates. Therefore, the aforementioned metal ions are capable of coordinating ligands including α-hydroxy-carboxylic acids, organophosphonic acids, amino-acids, thereby entering physiologically critical binary and ternary interactions. One such representative α-hydroxy-carboxylic acid substrate is the low molecular mass binder D(-)-quinic acid, 1α,3α,4α,5β-tetrahydroxy-1-cyclohexane carboxylic acid. D(-)-quinic acid. It is a naturally occurring molecule found in plants and fruits. The specific chemical structure of quinic acid suggests that it can act as a well-defined chelator due to the presence of a) a carboxylic group capable of coordinating with metalloelements, b) α-hydroxy group, and c) three abutting hydroxy groups. The structural formula of quinic acid projects those features that in the presence of metal ions promote formation of variable nature binary and ternary lattices with distinct physicochemical properties, akin to the nature of the reagents and the employed reaction conditions. Therefore, in an effort to delineate the interactions of divalent and trivalent metal ions with quinic acid in solution and in the solid state, the structural speciation approach was invoked and implemented.

Furthermore, three representative low molecular mass organophosphonic binders were used to probe their interactions with the toxic divalent metal ion Ni(II). The organophosphonic acids were a) N-(phosphonomethyl) glycine (Glyphosate), b) Imino-bis(methylphosphonic) acid (IDA2P) and c) N-(phosphonomethyl)-iminodiacetic acid (NTAP). All three organophosphonic acids consist of at least one phosphonate group, which has been proven to interact with metalloelements. In the case of glyphosate and NTAP binders, their molecular structure consists of one and two carboxylate groups, respectively, which have been proven to interact with metalloelements in a variety of modes. In addition, the presence of at least one carboxylate group in the molecular formula of the two aforementioned organophosphonic acids increases the solubility in water and thus the possibility of isolating different species under variable conditions (pH, stoichiometry, temperature, etc.). Over the last decades, targeted research efforts have been carried out to investigate such interactions with the prospect of developing applications in advanced materials as well as biological systems. Metal phosphonates have potential applications in the areas of catalysis, ion exchange, photochemistry, and chemistry of materials. Not long ago, bisphosphonic acids, such as etidronate, were established as effective treatment agents in clinical disorders such as Paget’s disease of bone, myeloma and bone metastasis. In this regard, the aqueous chemistry of Mn(II), Fe(III), Co(II) and Ni(II) was investigated in-depth, targeting their interactions with organic substrates in aqueous and non-aqueous media. These efforts led to the synthesis and isolation of many soluble and potentially bioavailable species between the aforementioned metalloelements and the physiological substrate D-(-)-quinic acid under variable molecular stoichiometries, media pH values, variable nature bases. The isolated species were characterized analytically and spectroscopically (FT-IR, UV-Visible). X-ray crystal structure studies on all isolated species revealed mononuclear and dinuclear species of M(II,III)-D-(-)-quinic acid, with the metal ion in an octahedral environment displaying a variety of coordination modes of D-(-)-quinic acid. Magnetic susceptibility and EPR studies on the isolated species provide valuable information on the nature and properties of each species both in the solid state and in solution. Finally, aqueous speciation studies of the examined binary systems of M(II,III)- D-(-)-quinic acid shed light onto the various chemical aspects arising by varying M(II,III)-substrate molar stoichiometries and pH values. Collectively, the

synthetic as well as the aqueous speciation studies provide global and detailed information on each examined binary system both in the solid state and in solution. Similar techniques were used to characterized the synthesized and isolated species of the binary systems Ni(II)-organophosphonic acids. Therefore, all isolated species were characterized analytically and spectroscopically (FT-IR, UV-Visible). X-ray crystal structure studies on all isolated species revealed mononuclear and dinuclear species of Ni(II)-organophosphonic acids, bearing the metal in an octahedral environment. Further magnetic susceptibility studies, cyclic voltammetry and thermogravimetric analysis provide valuable information on the nature of the arising interactions. Finally, the aqueous speciation studies of the binary system Ni(II)-NTAP reveal the nature of the arising species in solution under different stoichiometries and pH values. In so doing, the aqueous speciation studies complement the synthetic studies, thereby reflecting the importance of the structural speciation approach adopted in this work. Overall, the design, synthesis, isolation and physicochemical characterization of novel materials of Μn(II), Fe(III), Co(II) and Ni(II) with physiological and physiologically relevant substrates were the highlights of the research efforts made. The physicochemical properties of the title compounds in the solid state and in solution project clearly their significance as a) discrete metal ion centers emerging through binary and ternary interactions in biologically relevant and environmental fluids, b) polymeric or non-polymeric inorganic-organic hybrid materials with distinct structural, spectroscopic, electrochemical and magnetic properties, and c) precursor species for the synthesis of novel magnetic materials with desirable properties akin to technological applications (single molecule magnets, heterometallic catalysts, etc.). Finally, special analytical techniques like fluorescence spectroscopy were employed in an effort to develop a sensitive and specific methodology to identify and quantify toxic metalloelements in solutions using carefully-designed and well-configured fluorescence substrates. The reason for the specific experiments actually arose from the progressively escalating pollution of the environment due to the increased presence of toxic metalloelements. To this end, synthetic efforts afforded initially the formulation and subsequently the synthesis of a specific phenanthroline-containing fluorescence probe with distinct chemical reactivity properties toward metal ions. Consequently, fluorescence measurements (emission as well as excitation measurements) were carried out in the presence of different metalloelements in order

to identify and quantify specific metalloelements. The specific fluorescence probe has proven to be a viable substrate for the sensitive identification of the toxic metalloelement Zn(II).

Τα μεταβατικά μεταλλοϊόντα μαγγάνιο [Mn(II)], σίδηρος [Fe(III)], κοβάλτιο [Co(II)] και νικέλιο [Ni(II)] είναι απαραίτητα ιχνοστοιχεία που εμπλέκονται ως βιο-μόρια κλειδιά στην ανθρώπινη φυσιολογία ή/και τη φυσιολογία των φυτών. Επιπλέον, τα αναφερόμενα μεταλλοϊόντα μπορούν να παίξουν σημαντικούς και ποικίλους ρόλους στο σχηματισμό προηγμένων υλικών, κυρίως λόγω των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Αρχικά, το μαγγάνιο [Mn(II)] χαρακτηρίζεται ως απαραίτητο μεταλλοϊόν και εμπλέκεται ως ενεργό κέντρο σε μεταλλοένζυμα, όπως η μιτοχονδριακή σουπεροξειδική δισμουτάση (SOD) που είναι απαραίτητη για κυτταρικές διεργασίες. Ο σίδηρος [Fe(ΙΙ,III)] υπάρχει σε πολλά βιολογικά συστήματα σε όλους τους έμβιους οργανισμούς (βακτήρια, φυτά και θηλαστικά) και εμπλέκεται σε ποικίλες διεργασίες. Επιπλέον, το κοβάλτιο [Co(II)] έχει αποδειχθεί ότι υπάρχει στο ανθρώπινο σώμα ως ανόργανος-παράγοντας που είναι απαραίτητος σε μια ειδική κατηγορία ενζυμικών συστημάτων. Μεταξύ αυτών συμπεριλαμβάνονται το συνένζυμο B12 και η βιταμίνη B12. Τέλος, το νικέλιο [Ni(II)], ως ένας ακόμη μεταλλο-παράγοντας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε μεταλλοένζυμα, όπως οι Ni-Fe υδρογενάσες, η ουρεάση και Ni-σουπεροξειδική δισμουτάση. Σε όλα τα βιολογικά συστήματα, τα μεταλλοϊόντα ενεργοποιούνται μέσω αλληλεπιδράσεών τους με οργανικά ligands. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι υποκατάστατες μπορεί να είναι χαμηλής ή/και υψηλής μοριακής μάζας. Ως αποτέλεσμα, τα αναφερόμενα μεταλλοϊόντα είναι ικανά να αλληλεπιδράσουν και να συναρμοστούν με ligands χαμηλής μοριακής μάζας, όπως τα α-υδροξυ-καρβοξυλικά οξέα ή τα οργανοφωσφονικά οξέα ή τα αμινοξέα, επεμβαίνοντας πλέον με αυτή τη μορφή σε περαιτέρω σημαντικές δυαδικές και τριαδικές αλληλεπιδράσεις στο αβιοτικό και βιολογικό κόσμο. Ένα χαρακτηριστικό α-υδροξυ-καρβοξυλικό οξύ χαμηλής μοριακής μάζας είναι το D-(-)-κινικό οξύ, 1α,3α,4α,5β-τετραυδροξυ-1-κυκλοεξανο καρβοξυλικό οξύ. Το D-(-)-κινικό οξύ είναι φυσιολογικό υπόστρωμα που βρίσκεται σε φυτά και φρούτα. Η συγκεκριμένη χημική δομή του οξέος εισηγείται ότι μπορεί να δράσει ως χηλικοποιητής, κυρίως λόγω της ύπαρξης: α) μιας καρβοξυλικής ομάδας, β) μιας α-υδροξυλικής ομάδας, και γ) τριών διακριτών γειτονικών αλκοολικών ομάδων. Επιπλέον, η χημική δομή του κινικού οξέος, εισηγείται ότι μπορεί να σχηματίσει ενώσεις-υλικά με μεταλλοϊόντα που διαθέτουν πλέγματα με διακριτές χημικές ιδιότητες ανάλογες με τις ποικίλες συνθήκες αντίδρασης. Επομένως, σε μια προσπάθεια να περιγραφούν και να κατανοηθούν πλήρως οι αλληλεπιδράσεις δισθενών και τρισθενών μεταλλοϊόντων με το κινικό οξύ στο διάλυμα και στη στερεά κατάσταση, σχεδιάστηκαν και πραγματοποιήθηκαν ποικίλα πειράματα στα πλαίσια ανάπτυξης νέων υλικών με διακριτές φυσικοχημικές ιδιότητες στη στερεά φάση και στο υδατικό διάλυμα. Επιπλέον, οι αλληλεπιδράσεις τριών χαρακτηριστικών οργανοφωσφονικών οξέων χαμηλής μοριακής μάζας, μελετήθηκαν σε σχέση με το τοξικό μεταλλοϊόν Ni(II). Τα οργανοφωσφονικά οξέα είναι α) Ν-(φωσφονομεθυλο) γλυκίνη (Glyphosate), β) Ιμινο-δις(μεθυλοφωσφονικό) οξύ (IDA2P), και γ) Ν-(φωσφονομεθυλο)-ιμινοδιοξικό οξύ (NTAP). Και τα τρία οργανοφωσφονικά οξέα περιέχουν τουλάχιστον μία φωσφονική ομάδα, που είναι ικανή να αλληλεπιδρά με τα μεταλλοϊόντα. Στη χημική δομή των οξέων glyphosate και NTAP, περιέχεται μία και δύο καρβοξυλικές ομάδες, αντίστοιχα, που είναι ικανές να αλληλεπιδρούν με τα μεταλλοϊόντα με ποικίλους τρόπους. Επιπλέον, η ύπαρξη τουλάχιστον μίας καρβοξυλικής ομάδας, αυξάνει τη διαλυτότητά τους μέσα σε υδατικό διάλυμα. Άρα, αυξάνεται και η πιθανότητα για την απομόνωση διαφορετικών ειδών σε διάφορες πειραματικές συνθήκες (pH, μοριακή στοιχειομετρία, θερμοκρασία, αντισταθμιστικό ιόν, κ.ά.). Τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν γίνει πολλές ερευνητικές προσπάθειες για να μελετηθούν αλληλεπιδράσεις των οργανοφωσφονικών οξέων που βρίσκουν εφαρμογές στο σχηματισμό υλικών αλλά και σε βιολογικά συστήματα. Τα μεταλλο-φωσφονικά είδη εμφανίζουν δυνατότητα εφαρμογών στην κατάλυση, στην ιοντοανταλλαγή, στη φωτοχημεία, στη χημεία των υλικών, κ.τ.λ. Πρόσφατα, συγκεκριμένα διφωσφονικά οξέα (π.χ. το ετιντρονικό οξύ) έχουν προταθεί για θεραπείες οστών, όπως η νόσος οστών Paget, τα μυελώματα και η μετάσταση οστών. Με βάση τα προαναφερθέντα, μελετήθηκε σε βάθος η υδατική χημεία μεταλλοϊόντων Mn(II), Fe(III), Co(II) και Ni(II) με συγκεκριμένα οργανικά ligands σε υδατικά και μη υδατικά διαλύματα. Οι συνθετικές προσπάθειες οδήγησαν στην απομόνωση πολλών νέων υδατοδιαλυτών και πιθανώς βιοδιαθέσιμων ειδών, μεταξύ των εν λόγω μεταλλοϊόντων και του D-(-)-κινικού οξέος κάτω από ποικίλες αναλογίες, τιμές pH και με τη χρήση διαφορετικών βάσεων. Τα απομονωθέντα είδη χαρακτηρίστηκαν με πληθώρα φυσικοχημικών τεχνικών. Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ για κάθε είδος αποκάλυψε μονομερή και διμερή είδη της μορφής M(II,III)-D-(-)-κινικό οξύ, με οκταεδρική γεωμετρία και ποικίλους τρόπους συναρμογής του κινικού οξέος γύρω από το εκάστοτε μεταλλοϊόν. Ακόμη, οι μελέτες μαγνητικής επιδεκτικότητας και η φασματοσκοπία EPR στα είδη που απομονώθηκαν, δίνουν πληροφορίες που σχετίζονται με τη φύση των ειδών τόσο στη στερεά κατάσταση όσο και στο διάλυμα. Τέλος, οι μελέτες υδατικής ειδογένεσης στα εξεταζόμενα δυαδικά συστήματα M(II,III)-D-(-)-κινικό οξύ ρίχνουν φως στα διαφορετικά είδη που σχηματίζονται κάτω από διάφορες μοριακές αναλογίες και τιμές pH. Συμπερασματικά, η μελέτη της δομικής και υδατικής ειδογένεσης προσφέρει πληροφορίες που σχετίζονται τόσο με τη στερεά κατάσταση όσο και το διάλυμα σε κάθε εξεταζόμενο δυαδικό/τριαδικό σύστημα. Ανάλογες μέθοδοι χαρακτηρισμού χρησιμοποιήθηκαν για να χαρακτηρίσουν τα είδη που απομονώθηκαν από τις δυαδικές αλληλεπιδράσεις Ni(II) με οργανοφωσφονικά οξέα. Συγκεκριμένα, τα είδη που απομονώθηκαν χαρακτηρίστηκαν αναλυτικά και φασματοσκοπικά. Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, αποκάλυψε μονομερή και διμερή είδη της μορφής Ni(II)-οργανοφωσφονικά οξέα, με το οργανοφωσφονικό οξύ προσδίδοντας οκταεδρική γεωμετρία γύρω από το μεταλλοϊόν. Περαιτέρω τεχνικές, όπως η μελέτη της μαγνητικής επιδεκτικότητας, η κυκλική βολταμμετρία και η θερμοσταθμική ανάλυση αναμένεται να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τη φύση των αλληλεπιδράσεων κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μελέτες υδατικής ειδογένεσης του δυαδικού συστήματος Ni(II)-NTAP, οι οποίες αποκαλύπτουν τη φύση των αναδυόμενων ειδών στο διάλυμα κάτω από διαφορετικές μοριακές αναλογίες και τιμές pH. Συλλογικά, σχεδιάστηκαν, συντέθηκαν, απομονώθηκαν και χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά νέα υλικά Μn(II), Fe(III), Co(II) και Ni(II) με φυσιολογικά και φυσιολογικά σχετιζόμενα ligands. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των ενώσεων αυτών στη στερεά φάση και στο υδατικό διάλυμα αναδεικνύουν τη σημασία τους ως α) διακριτών μεταλλοκέντρων αναδυόμενων μέσα από δυαδικές και τριαδικές αλληλεπιδράσεις σε βιολογικά σχετικά και περιβαλλοντικά υγρά, β) πολυμερικών και μη πολυμερικών ανόργανων-οργανικών υβριδικών υλικών με διακριτές δομικές, φασματοσκοπικές, ηλεκτροχημικές, και μαγνητικές ιδιότητες, και γ) προδρόμων ενώσεων για τη σύνθεση νέων υλικών με επιθυμητές ιδιότητες που οδηγούν σε τεχνολογικές εφαρμογές (μονομοριακοί μαγνήτες, καταλύτες, κ.ά.). Παράλληλα, χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία φθορισμού ως κατάλληλο αναλυτικό εργαλείο, για τον ευαίσθητο, εκλεκτικό προσδιορισμό και ακολούθως τον ποσοτικό προσδιορισμό συγκεκριμένων τοξικών μεταλλοϊόντων σε διαλύματα με τη vii

χρήση συγκεκριμένων και καλά χαρακτηρισμένων φθορισμομετρικών δεικτών. Η ανάγκη για τη μελέτη των συγκεκριμένων πειραμάτων προέκυψε κυρίως από την παρατηρούμενη και αδιαμφισβήτητη συνεχόμενη αύξηση την ρύπανσης του περιβάλλοντος που σχετίζεται με την αυξανόμενη ύπαρξη τοξικών μεταλλοϊόντων. Επομένως, οι συνθετικές προσπάθειες αρχικά οδήγησαν στο σχηματισμό συγκεκριμένου φαινανθρολινικού φθορισμομετρικού δείκτη με διακριτές χημικές ιδιότητες. Οι μελέτες φθορισμού (μετρήσεις εκπομπής και διέγερσης) που πραγματοποιήθηκαν, έγιναν παρουσία διαφόρων μεταλλοϊόντων με σκοπό τον εκλεκτικό και ποσοτικό προσδιορισμό τους. Ο συγκεκριμένος μεταλλοφθορισμομετρικός δείκτης που συντέθηκε και χρησιμοποιήθηκε, αποδείχθηκε κατάλληλο υπόστρωμα για τον προσδιορισμό του μεταλλοϊόντος Zn(II).