VISOKOŠOLSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM KEMIJSKA koordinacijskih spojin z dvoveznimi dušikovimi ligandi in načrtovanje sintez analognih spojin z estri piridin

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Alenka Golub

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

VISOKOŠOLSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM KEMIJSKA TEHNOLOGIJA

Analiza sinteznih postopkov in struktur bizmutovih koordinacijskih spojin z dvoveznimi dušikovimi ligandi in

načrtovanje sintez analognih spojin z estri piridin dikarboksilatov

DIPLOMSKO DELO

Alenka Golub

M

ENTOR

: prof. dr. Iztok Turel

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisana Alenka Golub sem avtorica diplomskega dela z naslovom: Analiza sinteznih postopkov in struktur bizmutovih koordinacijskih spojin z dvoveznimi dušikovimi ligandi in načrtovanje sintez analognih spojin z estri piridin dikarboksilatov.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom prof.

dr. Iztoka Turela;

• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, 1.9.2021 Podpis avtorice:

(6)

(7)

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Iztoku Turelu za pomoč in strokovne nasvete pri izdelavi diplomskega dela. Velika zahvala gre doc. dr. Jakobu Kljunu, ki me je usmerjal

pri pisanju diplomske naloge in vodil tekom eksperimentalnega dela. Zahvaljujem se tudi ostalemu kolektivu na katedri za anorgansko kemijo, ki so mi pomagali pri izvedbi

eksperimentalnega dela.

Posebna zahvala gre staršema, sestri Nini, bratu Urošu, fantu Mihu in vsem prijateljem, ki so mi ves čas stali ob strani in me spodbujali tekom študija.

Hvala tudi vsem ostalim, ki so pripomogli k nastanku diplomskega dela.

(8)

(9)

Analiza sinteznih postopkov in struktur bizmutovih koordinacijskih spojin z dvoveznimi dušikovimi ligandi in načrtovanje sintez analognih spojin z estri piridin dikarboksilatov

Povzetek: V diplomskem delu sem povzela do zdaj znane pomembnejše lastnosti bizmuta in kako se ta uporablja v medicini. V strokovni literaturi sem pregledala strukture in sintezne postopke bizmutovih kompleksov z 2,2´-bipiridinom in 1,10-fenantrolinom kot modelnima ligandoma. Pri tem sem se osredotočila na spojine s halogenidnimi in nitratnimi ligandi. V eksperimentalnem delu sem nekatere od sintez skušala ponoviti z 2,2´-bipiridinom.

Cilj diplomske naloge je bil poskus izvedbe lažjih sinteznih postopkov iz strokovne literature z izbranim piridin-4,5-dikarboksilatnim estrom sintetiziranim v laboratoriju.

Reakcije sem izvedla z bizmutovim kloridom in bizmutovim nitratom. Produkte sem karakterizirala z metodami masne spektrometrije visoke ločljivosti (HRMS), ¹H NMR spektroskopijo in UV-Vis spektroskopijo.

Ključne besede: bizmut, bipiridin, piridin-4,5-dikarboksilatni ester

(10)

(11)

Analysis of synthetic procedures and structures of bismuth coordination compounds with nitrogen-binding ligands and planning of synthetic analog compounds with pyridine dicarboxylate esters

Abstract: In my thesis, I summarized so far known important characteristics of bismuth and how it is used in medicine. In the professional literature, I have reviewed the structures and synthetic procedures of bismuth complexes with 2,2´-bipyridine and 1,10- phenanthroline as model ligands. I focused on compounds with halogenido and nitrato ligands. In the experimental part, I tried to repeat some of the syntheses with 2,2´- bipyridine.

The thesis aimed to perform some of the easier synthetic procedures from the scientific literature with a selected pyridine-4,5-dicarboxylate ester synthesized in the laboratory. I performed the reactions with bismuth chloride and bismuth nitrate. The products were characterized by high-resolution mass spectrometry (HRMS), ¹H NMR spectroscopy and UV-Vis spectroscopy.

Keywords: bismuth, bipyridine, pyridine-4,5-dicarboxylate ester

(12)

(13)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Bizmut ... 1

1.1.1 Bizmut (III) ... 2

1.1.2 Bizmut (V) ... 2

1.2 Uporaba bizmuta v medicini... 3

1.2.1 Bakterija Helicobacter pylori... 3

1.2.2 Ostali zdravstveni učinki bizmuta ... 4

1.3 2,2´-bipiridin in 1,10-fenantrolin ... 5

2 Namen dela ... 7

3 Rezultati in razprava ... 9

3.1 Analiza strukture in postopkov priprave nevtralnega kompleksa bizmuta... 9

3.2 Analiza strukture in postopkov priprave ionskega kompleksa bizmuta ... 10

3.3 Analiza strukture in postopkov priprave kompleksa z dvema dvoveznima NN ligandoma ... 13

3.4 Analiza strukture in postopkov priprave dvojedrnega kompleksa bizmuta ... 16

4 Eksperimentalni del ... 17

4.1 Seznam uporabljenih kemikalij ... 17

4.2 Metode karakterizacije ... 17

4.2.1 Masna spektrometrija visoke ločljivosti (HRMS) ... 17

4.2.2 ¹H NMR spektroskopija ... 17

4.2.3 UV-Vis spektroskopija ... 17

4.2.4 Rentgenska strukturna analiza ... 18

4.3 Sinteza kompleksa [Bi(L)Cl3] ... 19

4.3.1 Sinteza (GA21_01) ... 19

4.3.2 Sinteza (GA21_05) ... 20

4.3.3 Sinteza (GA21_07) ... 22

4.4 Sinteza kompleksa [Bi(L)2(NO3)3] ... 23

(14)

4.4.1 Sinteza (GA21_02) ... 23

4.4.2 Sinteza (GA21_09) ... 23

4.5 Sinteza kompleksa [Bi(L)2Cl3] ... 25

4.5.1 Sinteza (GA21_03) ... 25

4.6 Sinteza kompleksa [Bi(L)2][OTf]3... 26

4.6.1 Sinteza (GA21_04) ... 26

4.6.2 Sinteza (GA21_06) ... 27

4.7 Masna spektrometrija visoke ločljivosti (HRMS) ... 28

4.8 ¹H NMR spektroskopija ... 29

4.9 UV-Vis spektroskopija ... 32

5 Zaključek ... 33

6 Literatura ... 35

7 Priloge ... 37

(15)

Kazalo slik

Slika 1: Strukture a) BSS, b) CBS in c) RBC kompleksa. ... 4

Slika 2: Struktura 2,2´-bipiridina ... 5

Slika 3: Struktura 1,10-fenantrolina ... 5

Slika 4: Struktura piridin-4,5-dikarboksilatnega estra ... 7

Slika 5: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(dppz)Cl3] ... 9

Slika 6: Reakcijska shema sinteze kompleksa [BpyH][Bi(NN)Br4] ... 10

Slika 7: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bu4N][Bi(bpy)I4] ... 11

Slika 8: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)2][OTf]3 ... 12

Slika 9: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(phen)2(NO3)2(NCS)] ... 13

Slika 10: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)2(NO3)3] ... 13

Slika 11: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(phen)2(NO3)3] ... 14

Slika 12: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)2(NO3)(NCS)2] ... 14

Slika 13: Reakcijska shema sinteze kompleksa [BiCl3(phen)2] ... 15

Slika 14: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi2(NN)2I6] ... 16

Slika 15: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)Cl3] ... 19

Slika 16: Raztopina kompleksa [Bi(bpy)Cl3] ... 20

Slika 17: Produkt [Bi(bpy)Cl3] po sušenju... 20

Slika 18: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(L1)Cl3] ... 20

Slika 19: Ostanek produkta na filter papirju ... 21

Slika 20: Izločeni kristali v matični lužnici ... 21

Slika 21: Raztopina [Bi(L1)Cl3] ... 22

Slika 22: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(L1)2(NO3)3] ... 23

Slika 23: Obarvana raztopina kompleksa ... 24

Slika 24: Raztopina kompleksa [Bi(bpy)2Cl3] ... 25

Slika 25: Produkt spojine po sušenju ... 25

Slika 26: Raztopina kompleksa [Bi(bpy)2][OTf]3 ... 26

Slika 27: Kristali spojine [Bi(bpy)2][OTf]3 ... 26

Slika 28: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(L1)2][OTf]3 ... 27

Slika 29: Nastalo obarvano olje ... 27

Slika 30: Rjavo-rumen produkt ... 27

Slika 31: Masni spekter GA21_01... 28

Slika 32: Masni spekter GA21_03... 29

Slika 33: ¹H NMR spekter 2,2´-bipiridina v DMSO ... 30

(16)

Slika 34: ¹H NMR spekter koordinacijske spojine GA21_03 v DMSO... 30

Slika 35: ¹H NMR spekter liganda (L1) v CH3CN ... 31

Slika 36: ¹H NMR spekter koordinacijske spojine GA21_06 v CH3CN ... 31

Slika 37: UV-Vis spekter spojine GA21_03 ... 32

Slika 38: UV-Vis spekter spojine GA21_06 (črna črta) in liganda L1 (rdeča črta) ... 32

Slika 39: ¹H NMR spektra 2,2´-bipiridina (modra črta) in GA21_03 (rdeča črta) v DMSO ... 37

Slika 40: ¹H NMR spektra liganda L1 (modra črta) in GA21_06 (rdeča črta) v CH3CN ... 37

Kazalo tabel

Tabela 1: Uporabljene kemikalije pri eksperimentalnem delu ... 17

(17)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

Bpy 2,2´-bipiridin BSN bizmutov subnitrat BSS bizmutov subsalicilat CBS koloidni bizmutov subcitrat DMSO dimetil sulfoksid

DTPA dietilentriaminpentaacetat Dppz dipiridofenazin

L ligand

L1 modelni ligand

NN dvovezni dušikov ligand (bipiridin, fenantrolin, dipiridofenazin…) OTf trifluorometansulfonatni anion oz. triflatni anion

Phen fenantrolin

RBC ranitidin bizmutov citrat

(18)

(19)

Analiza sinteznih postopkov in struktur bizmutovih koordinacijskih spojin z dvoveznimi dušikovimi ligandi in načrtovanje sintez analognih spojin z estri piridin dikarboksilatov

1

1 Uvod

1.1 Bizmut

Bizmut se v periodnem sistemu elementov nahaja v 6. periodi in 15. skupini pod vrstnim številom 83. Je najtežji stabilni element v periodnem sistemu elementov. Njegova elektronska konfiguracija je [Xe]4f¹⁴6p³ in ima le en stabilen izotop ²⁰⁹Bi. Odkrit je bil v 15. stoletju. V preteklosti so ga zamenjevali s svincem, antimonom, kositrom in živim srebrom.^[1] V naravi se največkrat pojavi v obliki bizmutovega(III) oksida, sulfida, selenida, telurid sulfida in drugih. Bizmut ima le eno alotropno modifikacijo. Ta je srebrno rdeče barve in se pri sobni temperaturi nahaja v trdnem agregatnem stanju.

Glavna nahajališča bizmuta so v Boliviji, Peruju, Mehiki in Španiji. V največji meri ga pridobivajo z oksidacijo sulfidnih materialov s kisikom in redukcijo oksidov s koksom.

Uporablja se pri izdelavi zlitin, za katere je značilno nizko tališče, saj jim dodatek bizmuta zniža tališče. ^[2]

Je krhek in kristaliničen ter med vsemi kovinami najbolj diamagneten. Slabo prevaja elektriko in toploto. Značilnost bizmuta je, da je njegova gostota v trdnem agregatnem stanju manjša od gostote v tekočem agregatnem stanju. Bizmutovi atomi imajo v zunanji lupini enako elektronsko strukturo kot dušik, zato lahko tvori tri enojne kovalentne vezi z oksidacijskim številom +3 ali -3. Ima nizko elektronegativnost, osamljen par elektronov pa je precej inerten zato je stanje +5 nestabilno in redko.

Izmed težkih kovin je bizmut najmanj toksičen. Toksične so predvsem topne anorganske bizmutove spojine.^[3]

Močno so razširjene bizmutove koordinacijske spojine. To lahko pripišemo bizmutovi značilnosti šibke baze, zaradi stabiliziranih 6s orbital in koordinaciji okoli kovinskega centra Bi(III), ki je razširjeno zaradi razpoložljivosti nezasedenih d in/ali Bi-X orbital ter šibko zaščito 4f orbital.^[4]

(20)

2

1.1.1 Bizmut (III)

Bizmut s tremi vodikovimi atomi tvori bizmutin BiH3, ki je zelo nestabilen in razpade že pod 0 °C. Molekula bizmutina je najtežji analog molekuli amonijaka in ima piramidalno strukturo.

Bizmut tvori naslednje trihalogenide: BiF3, BiCl3, BiBr3 in BiI3. Vsi se nahajajo v trdnem agregatnem stanju pri sobni temperaturi. V parni fazi imajo strukturo trigonalne piramide.

Nastanejo lahko s kombiniranjem elementov pri visokih temperaturah. Pri hidrolizi z vodo tvorijo netopne BiOX (X=F, Cl, Br, I) spojine. Trihalogenidi bizmuta so Lewisove kisline in tvorijo komplekse s številnimi estri.

Bizmut s kisikom tvori Bi2O3, ki je bazičen in Bi2O5, ki je kisel. V naravi se pojavlja kot bizmit in nastane ob segrevanju bizmuta s kisikom.^[5]

Bizmut ima visoko afiniteto do dušika, kisika in žvepla. Zaradi razmeroma visokega ionskega polmera, je nagnjen k tvorbi kompleksov z visokimi koordinacijskimi števili.^[4]

Pred kratkim so ugotovili, da naj bi Bi(III) imel visoko afiniteto do kisikovih in dušikovih ligandov v vodni raztopini.

Vezava bizmuta na ligande je običajno zelo hitra, v roku nekaj minut. ^[6]

1.1.2 Bizmut (V)

Večina spojin Bi(V) je v vodnem mediju zelo nestabilnih. Največ kompleksov ima koordinacijsko število 5, lahko se pa pojavi tudi v obliki s koordinacijskim številom 6 ali 7, za katero so ugotovili, da so nenavadno stabilne.^[6] Ima močne oksidacijske lastnosti v vodnih medijih, zato ga veliko vključujejo v oksidacijske reakcije. ^[4]

Reakcija BiF3 z F2 pri 880 K vodi do nastanka edino znanega Bi(V) halida, BiF5, ki je močan oksidant. ^[6]

(21)

3

1.2 Uporaba bizmuta v medicini

Bizmut se začne v medicini pojavljati že v srednjem veku. Prvi opis uporabe bizmuta se pojavi leta 1786 za zdravljenje dispepsije. Leta 1889 je Felix Balzer odkril, da lahko bizmut uporabljamo kot sredstvo za preprečitev sifilisa, ta uporaba pa se z odkritjem antibiotikov, v 20. stoletju, močno zmanjša. Kombinacija bizmuta in jodoforma se je, zaradi protimikrobnih in protibakterijskih lastnosti, uporabljala pri kirurških povojih ran.

Zaradi neprevidne uporabe (prevelike doze) bizmuta je v 70. letih prišlo do številnih nevrotoksičnih obolenj pri ljudeh v Franciji in Avstraliji.^[6] Nepravilna uporaba bizmutovih zdravil lahko povzroči tudi encefalopatijo, ledvično odpoved ipd. ^[7]

Danes se bizmutove spojine uporabljajo pri zdravljenju sifilisa, hipertenzije, okužb, kožnih boleznih in boleznih prebavil. Najpogosteje se uporabljata dve spojini bizmuta, bizmutov subsalicilat (BSS) in koloidni bizmutov subcitrat (CBS). Prva uspešno zdravi dispepsijo in diarejo, druga se uporablja pri zdravljenju obolenj želodca in dvanajstnika.

Slednja se razlikuje od ostalih bizmutovih spojin, saj je dobro topna v vodi in daje koloidno raztopino.

Številni farmacevtski izdelki, ki vsebujejo bizmut se uporabljajo za zdravljenje bakterijskih okužb (Heliobacter pylori, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia multivorans in B. cenocepacia).^[7]

Razvijajo se tudi številna nova zdravila, ki vsebujejo bizmut. Nedavno je bilo odobreno zdravilo ranitidin bizmutov citrat (RBC), ki združuje antisekretorni učinek ranitidina z zaščito sluznice.

O biokoordinacijski kemiji Bi(III) z beljakovinami, encimi in celičnimi membranami je malo znanega. Ciljna mesta v beljakovinah in encimih so Fe(III) (npr. N in O ligandi v transferinu) in Zn(II) (npr. S ligandi v metalotoneinu).

Raziskave na področju bizmutovih spojin postajajo vedno bolj pomembne, zlasti zaradi odkritij uporabe v radioterapiji in protivirusnih učinkov.^[6]

1.2.1 Bakterija Helicobacter pylori

Helicobacter pylori je gram negativna bakterija, ki je glavni patogeni razlog za kronično vnetje želodčne sluznice in peptične razjede. Je eden od dejavnikov tveganja za želodčne novotvorbe kot je na primer rak želodca. Bakterija lahko povzroča bolezenska stanja tudi izven želodca, kot so na primer anemija, pomanjkanje vitamina B12 in idiopatsko trombocitopenično purpuro. Prisotna je v več kot 50 % prebivalstva po svetu.^[4]

(22)

4

V 80. letih prejšnjega stoletja sta avstralska strokovnjaka Warren in Marshall identificirala to bakterijo, katere rast lahko zaviramo z bizmutom. Ker je bakterija že odporna na širok spekter antibiotikov, se za zdravljenje uporabljajo tudi bizmutove spojine, saj organizmi do danes še niso razvili odpornosti nanj.^[8]

Trenutni pogled na gastro-zaščitni učinek bizmutovih zdravil nakazuje, da je bizmut imel več funkcij pri celjenju razjed H. pylori. Prvi učinek zdravil z bizmutom je zaščitna prevleka pred agresivnimi dejavniki bakterije. Prevleka je zgrajena iz kompleksov bizmuta z glikoproteini, ki služijo kot pregrada pred kislimi prebavnimi encimi pepsina.

Drugi učinek je indukcija izločanja povečanih ravni zaščitnih faktorjev sluznice preko prostaglandina in epidermalnega rastnega dejavnika. Ta povzroči zaviranje proteolitične aktivnosti pepsina v želodčnem soku. Tako CBS kot RBC ščitita želodčno sluz pred peptično razgradnjo lumina in izboljšujeta lastnosti sluznice. Zadnji do sedaj raziskan učinek bizmutovih zdravil je neposredna antibakterijska aktivnost proti H. pylori. Splošno se bizmut veže na metaloproteine in/ali metaloencime bakterije H. pylori in s tem deregulira njihovo funkcijo in prekine številne biološke procese.^[4]

1.2.2 Ostali zdravstveni učinki bizmuta

Bizmutovi tioli se lahko uporabljajo pri zdravljenju okužb z bakterijo Pseudomonas, ki povzroča težave pri dihanju ljudem, ki trpijo za cistično fibrozo in imunsko oslabljenim bolnikom. Že majhna koncentracija bizmutovih tiolov zmanjša oprijem P. aeruginosa na povrhnjico celic z oviranjem tvorbe bakterijskih zunajceličnih polisaharidov.

BSS se uporablja za pomoč pri lajšanju zgage, slabosti, prebavnih motnjah in diareji.

Spojina je sestavljena iz Bi(III) ionov, salicilatov, vode in drugih okso ligandov. CBS in RBC se uporabljata pri terapijah za zdravljenje bolezni prebavil, v kombinacij z različnimi antibiotiki.^[4]

a) b) c)

Slika 1: Strukture a) BSS, b) CBS in c) RBC kompleksa.

(23)

5

Bizmutov izotop ²¹²Bi se uporablja v radioterapiji. Uporablja se za zdravljenje raka, v spojinah s kompleksnimi ligandi kot je dietilentriaminpentaacetat (DTPA). Določeni bizmutovi kompleksi naj bi zavirali delovanje virusa HIV-1. ^[6]

Študija trinajstih bizmutovih tiolov je potrdila protibakterijsko učinkovitost v kroničnih ranah proti bakterijama P. aeruginosa in S. aureus, ki sta odporni na antibiotike.

Bizmut lahko uporabimo tudi kot material za zapiranje zobne pulpe, saj ima protibakterijske lastnosti, nizko citotoksičnost in ugoden pH.^[7]

1.3 2,2´-bipiridin in 1,10-fenantrolin

Številne raziskave poročajo, da je afiniteta med bizmutovimi centralnimi ioni in dušikovimi ligandi zelo velika. Med temi ligandi predvsem izstopata bipiridin in fenantrolin, ki spadata med dvovezne ligande. ^[9]

Bipiridin je organska spojina s kemijsko formulo C10H8N2. Bipiridinski ligand se največ pojavlja pri kompleksih s kovinskim centralnim ionom zaradi svoje redoks stabilnosti in nevtralnosti. Po strukturi razlikujemo asimetrične (2,3´, 2,4´ in 3,4´) in simetrične (2,2´, 3,3´ in 4,4´) bipiridinske izomere. Pri raziskovanih bizmutovih kompleksih sem se osredotočila na 2,2´-bipiridin, ki spada med nevtralne, simetrične kelatne ligande. ^[10]

Slika 2: Struktura 2,2´-bipiridina

1,10-fenantrolin je heterociklična organska spojina s kemijsko formulo C12H8N2. Je tipičen dvovezni ligand in največkrat tvori kompleks s kovinskim centralnim ionom. Po lastnostih je podoben bipiridinu, vendar je nekoliko šibkejši donor. ^[11]

Slika 3: Struktura 1,10-fenantrolina

(24)

(25)

7

2 Namen dela

Namen raziskovalnega dela, v sklopu diplomske naloge, je bil pregledati obstoječe strukture in sintezne postopke bizmutovih kompleksov z bipiridinom in fenantrolinom kot modelnima ligandoma. Pri tem sem se osredotočila na štiri glavne skupine bizmutovih kompleksov: a) z enim NN dvoveznim ligandom in tremi enoveznimi ligandi, b) z enim NN dvoveznim ligandom in štirimi enoveznimi ligandi, c) z dvema NN dvoveznima ligandoma in d) dvojedrne bizmutove komplekse. Na podlagi ugotovitev iz do sedaj zapisane literature na tem področju, sem izvedla sinteze z bipiridinom in bipiridinskim analogom iz družine metilnih estrov piridin-4,5-dikarboksilatov s kemijsko formulo C12H10N2O4S, ki je bil pripravljen v našem laboratoriju. Skušala sem načrtovati analogne bizmutove komplekse s solmi klorida in nitrata ter izvesti sinteze med bizmutovimi solmi in modelnim ligandom bipiridina ter izbranim piridin-4,5-dikarboksilatnim estrom (Slika 4).

Slika 4: Struktura piridin-4,5-dikarboksilatnega estra

(26)

(27)

9

3 Rezultati in razprava

3.1 Analiza strukture in postopkov priprave nevtralnega kompleksa bizmuta

Slika 5: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(dppz)Cl3]

V obstoječi literaturi je opisana ena koordinacijska spojina bizmuta s heterocikličnim ligandom NN in tremi kloridnimi ioni v razmerju 1:1:3. Kompleks [Bi(dppz)Cl3] pripravimo z reakcijo med dipirido[3,2-a:2´,3´-c]fenazinom (dppz) v suhem metanolu.

Zmes dodajamo reagentu bizmutovemu(III) kloridu (BiCl3). Množinsko razmerje med ligandom dppz in BiCl3 je 1:1. Reakcijska shema je razvidna iz zgornje slike (Slika 5).

Ob koncentriranju in rahlem segrevanju omenjene raztopine se izloči oborina, ki jo prefiltriramo in posušimo. Končni produkt je kristal oz. prah, ki je obstojen na zraku. V dobljenem kompleksu ima bizmut naboj 3+, kloridni ioni pa 1-. Kompleks ima koordinacijsko število 5 in geometrijo kvadratne piramide, pri čemer eden izmed dušikovih atomov predstavlja vrh piramide, drugi dušikov atom in kloridni ioni pa so razporejeni po ekvatorialni ravnini.^[12]

Izvedbo sinteze spojin z bipiridinskimi analogi iz družine metilnih estrov pridin-4,5- dikarboksilatov po zgoraj omenjeni metodi, bi izvedla pri sobni temperaturi in nato ob segrevanju zmesi na 50 °C. Kot glavni reagent bi uporabila BiCl3 in za topilo suhi metanol. Predviden čas reakcije je 3 ure. Raztopino bi prefiltrirala in posušila pri sobnih pogojih, dokler se ne bi izločili kristali. V eksperimentalnem delu je podrobneje opisan predlagani postopek sinteze, ki vključuje zatehte in reakcijske pogoje (poglavje 4.3.1).

(28)

10

3.2 Analiza strukture in postopkov priprave ionskega kompleksa bizmuta

Slika 6: Reakcijska shema sinteze kompleksa [BpyH][Bi(NN)Br4]

V strokovni literaturi je objavljenih 5 spojin enojedrnega kompleksa bizmuta z enim ligandom NN in štirimi drugimi ligandi in 1 ionski kompleks bizmuta z dvema ligandoma NN. Spojino [BpyH][Bi(NN)Br4] pripravimo po zgornji reakcijski shemi (Slika 6).

Reakcija poteče med bizmutovim(III) nitratom (Bi(NO3)3) in kalijevim bromidom (KBr) v destilirani vodi in alkoholni raztopini bpy v razmerju množin 1:2:2. Reakcijo vodimo pri sobni temperaturi in med konstantnim mešanjem do popolne homogenizacije raztopine. Reakcijski čas je približno 5 ur, raztopina pa je obstojna še nadaljnje 2-3 dni v hladilniku. Med ohlajanjem raztopine kristalizira kompleks v obliki rumenih kristalov, ki jih ločimo s filtracijo, očistimo in posušimo na zraku. Koordinacijsko število kompleksa je 6, njegova geometrijska oblika je nesimetrična. Okoli centralnega iona so vezani 4 bromidni anioni in dvovezni dušikov ligand bpy. Kation (bpyH⁺) ni koordiniran na bizmutov ion in sodeluje pri interakcijah med vzporednimi aromatskimi obroči, ki pripadajo sosednjim verigam v spojini. Kompleks je monomer in ima številne podobnosti z monomerom [Bi(phen)2(NO3)3], ki ga bom predstavila v nadaljevanju. ^[13]

(29)

11

V naslednjem primeru ionskega kompleksa bipiridina sta omenjeni sintezi, ki sta po strukturi enaki, razlika je le v NN ligandu. V prvi spojini je na bizmut vezan bipiridin, v drugi pa fenantrolin. Kompleks [Bu4N][Bi(bpy)I4] dobimo med bizmutovim(III) jodidom (BiI3) in tetrabutilamonijevim jodidom (Bu4NI). Reakcija poteče med intenzivnim mešanjem ob dodatku reaktanta bipiridina. Kot produkt se nam izloči oranžno obarvana zmes, kateri dodamo raztopino benzena in pustimo pri sobni temperaturi 24 ur, da izpari vsa tekočina. Končni produkt so oranžni kristali. Pri sintezi drugega kompleksa je način izvedbe analogen zgoraj opisanemu postopku. Razlika v pripravi [Bu4N][Bi(phen)I4] je, da namesto bipiridina uporabimo kot reaktant fenantrolin hidrat (phen·H2O). Razmerje med reagenti ni odvisno od strukture in zgradbe spojine, saj je v obeh primerih bilo razmerje BiI3: Bu4NI:NN 1:1:1. Pri topilu je pomembno, da smo izbrali le aceton v kombinaciji z benzenom, saj le tako dobimo čiste komplekse. S koordinacijskim številom 6 imata dobljena kompleksa obliko popačenega oktaedra, na katerega je vezan en NN ligand ter štirje jodidni ioni.^[14]

Slika 7: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bu4N][Bi(bpy)I4]

V strokovni literaturi sta [Bu4N][Bi(phen)I4] in [Bu4N][Bi(bpy)I4] pripravljena tudi na nekoliko drugačen način. Kompleksa pripravimo z reakcijo med BiI3, Bu4NI, fenantrolinom (v primeru liganda bipiridina dodamo 2,2´-bipiridin) in acetona.

Reakcijsko shemo prikazuje Slika 7. Reakcija poteče ob rahlem segrevanju in konstantnem mešanju raztopine. Reakcijski čas je 2 uri. Rumenemu filtratu v vakuumu zmanjšamo volumen. Dodatek dietil etra povzroči nastanek rumeno obarvanih kristalov, ki jih odvzamemo po centrifugiranju, speremo z dietil etrom in posušimo v vakuumu. V primeru, kjer je na bizmut vezan bipiridin je dobljena raztopina rdeča, izločeni kristali pa so obarvani oranžno. ^[15]

(30)

12

Slika 8: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)2][OTf]3

Zadnja v literaturi opisana sinteza ionskega kompleksa bizmuta z dvema dvoveznima ligandoma bipiridina je [Bi(bpy)2][OTf]3. Spojina je bila pripravljena z reakcijo med BiCl3 in AgOTf (Slika 8). Za topilo so v raziskavi uporabili acetonitril. Prvi del reakcije poteče v temi, nato dodamo reaktant bpy. Reakcijski čas je približno 2 uri. Kristale so pridobili s prekristalizacijo pri -30 °C. Izolirani produkt je obstojen pri sobnih pogojih.^[16]

Sintezo analognih spojin bi izvedla z reagentom BiCl3. Za topilo bi izbrala acetonitril.

Reakcija bi potekala pri sobnih pogojih pod konstantnim mešanjem. Dobljeno raztopino bi nato prefiltrirala in posušila na zraku z namenom, da se zmanjša volumen in izločijo kristali. V eksperimentalnem delu je opisan postopek, ki vključuje zatehte in reakcijske pogoje predlagane sinteze (poglavje 4.6).

(31)

13

3.3 Analiza strukture in postopkov priprave kompleksa z dvema dvoveznima NN ligandoma

Pri razmerju 1:2:3 med bizmutom, NN in ostalimi ligandi je v strokovni literaturi opisanih 6 različnih kompleksov. Od tega imajo 4 spojine na bizmut vezan bipiridin, 2 spojini pa fenantrolin.

Slika 9: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(phen)2(NO3)2(NCS)]

Sinteza spojine [Bi(phen)2(NO3)2(NCS)] poteka v epruveti z dvema krakoma. V en krak natehtamo 1,10-fenantrolin, v drugi krak pa mešanico bizmutovega(III) nitrata in kalijevega tiocianata (KSCN). Reakcijska shema je prikazana na zgornji sliki (Slika 9).

Ob dodatku topila, tubo zamašimo in krak v katerem je fenantrolin segrevamo. Po 10 dneh reakcije se v hladnejšem kraku izločijo rumeni kristali, ki jih prefiltriramo, očistimo z acetonom in dietiletrom ter posušimo na zraku. Bizmut ima v spojini koordinacijsko število 7 na katerega se vežeta dvovezna liganda fenantrolina, preko kisika dva liganda NO3- in preko dušika ligand SCN^-. ^[17]

Slika 10: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)2(NO3)3]

V strokovni literaturi sta opisana dva kompleksa s podobno kemijsko strukturo.

Razlikujeta se v NN veznem ligandu. Spojini sta [Bi(bpy)2(NO3)3] in [Bi(phen)2(NO3)3].

Reakcija poteče med Bi(NO3)3·5H2O in bipiridinom (v primeru kjer je dušikov dvovezni

(32)

14

ligand fenantrolin, uporabimo namesto bipiridina fenantrolin) v topilu DMSO po zgornji reakcijski shemi (Slika 10). Reakcijo vodimo ob rahlem segrevanju. Po homogenizaciji, filtraciji in ohlajanju nam kristalizira brezbarven produkt.^[18]

Slika 11: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(phen)2(NO3)3]

V literaturi sem zasledila še en način priprave kompleksa [Bi(phen)2(NO3)3] (Slika 11).

Reagenta Bi(NO3)3·5H2O in manitol v terilnici homogeniziramo v pasto. Dodamo topilo in mešamo dokler ne dobimo homogene raztopine. Raztopino po kapljicah dodamo raztopini metanola in fenantrolina monohidrata med mešanjem pri povišani temperaturi za 30 minut. Reakcija poteka še nadaljnji 2 uri. Raztopino prenesemo v rotavapor, kjer večina tekočine izpari. Koncentrat speremo z diklorometanom, prefiltriramo in dobimo kristalinični produkt. Posamične kristale dobimo s počasno difuzijo dietiletra v filtrat, kar traja več dni. ^[9]

Slika 12: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)2(NO3)(NCS)2]

Pri pripravi kompleksa [Bi(bpy)2(NO3)(NCS)2] je množinsko razmerje med Bi(NO3)3, bpy in KSCN 1:2:2. Reakcijska shema je prikazana na zgornji sliki (Slika 12).

Bizmutov(III) nitrat raztopimo v destilirani vodi in dodamo alkoholno raztopino 2,2´-

(33)

15

bipiridina in kalijevega tiocianata. Reakcijski čas je 4 ure pri sobni temperaturi. Po pripravi jo lahko postavimo za 2-3 dni v hladilnik. Izločijo se rumeno-beli kristali, ki smo jih dobili s filtracijo in sprali z acetonom in etrom ter posušili na zraku.

Analogno lahko pripravimo kompleks [Bi(bpy)2(NO3)2(NCS)]. V pripravi se razlikuje le to, da natehtamo različno maso kalijevega tiocianata in zmes mešamo 6 ur pri sobni temperaturi. ^[13]

Slika 13: Reakcijska shema sinteze kompleksa [BiCl3(phen)2]

V literaturi je opisana priprava spojine [BiCl3(phen)2]. Za reakcijo potrebujemo bizmutov klorid (BiCl3), 1,10-fenantrolin in acetonitril (CH3CN), ki jih pod refluksom s konstantnim mešanjem segrejemo. Reakcija je prikazana zgoraj (Slika 13). Po 2 urah se bela snov počasi obarva roza. Rožnato snov nato filtriramo in dobimo kristalinično snov, ki predstavlja naš produkt. ^[19]

Koordinacijsko število bizmuta v večini teh kompleksov je 7. Posebna sta bizmutova kompleksa [Bi(phen)2(NO3)3] in [Bi(bpy)2(NO3)3], ki imata koordinacijsko število 10, saj se nitratni ioni na centralni ion bizmuta vežejo preko dveh koordinacijskih vezi (bidentatna vezava).

Sintezo spojin z bipiridinskimi analogi iz družine metilnih estrov pridin-4,5- dikarboksilatov bi izvedla pri sobnih pogojih. Izbrala bi reaktant BiCl3 ali Bi(NO3)3 in za topilo metanol ali acetonitril. Reakcijo bi izvajala približno 3 ure, nato bi sledilo filtriranje raztopine in izhlapevanje topila z namenom kristalizacije produkta. Podrobneje opisan postopek sinteze je zapisan v eksperimentalnem delu (poglavje 4.5).

(34)

16

3.4 Analiza strukture in postopkov priprave dvojedrnega kompleksa bizmuta

Slika 14: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi2(NN)2I6]

V do sedaj zapisani strokovni literaturi se pojavljajo tudi dvojedrne bizmutove koordinacijske spojine, kjer je bizmut z ligandom NN in drugimi ligandi v razmerju 2:1:6.

Opisan je bil en primer sinteze takšne spojine, ki se pojavlja v dveh oblikah. V prvi je na bizmut vezan dvovezni dušikov ligand bipiridin, v drugi pa fenantrolin. Sinteza kompleksa poteka v obeh primerih enako. Spojino [Bi2(NN)2I6] pripravimo z reakcijo (Slika 14) med BiI3 in Bu4NI, ki ju raztopimo v acetonu. Raztopino bipiridina (v primeru kjer se veže fenantrolin uporabimo tega) in acetona med mešanjem dodamo prvotni raztopini. Ob dodatku etanola, dobimo oranžno obarvano raztopino, ki jo pustimo na sobni temperaturi dokler se nam ne izločijo kristali. Centralna bizmutova iona sta povezana preko dveh mostovnih jodidnih ionov. Vsak ion bizmuta ima vezana še dva jodidna iona in en NN ligand.^[14]

Sintezo bipiridinskih analognih spojin z ligandi iz družine metilnih estrov piridin-4,5- dikarboksilatov bi izvedla tako, da bi v acetonu raztopila reagent BiI3 in poljubni NN ligand. Dodala bi etanol in zmes pustila na sobni temperaturi, dokler se mi ne bi izločili kristali. Predviden reakcijski čas je 24 ur.

(35)

17

4 Eksperimentalni del

4.1 Seznam uporabljenih kemikalij

V Tabela 1 so zapisane kemikalije, ki sem jih uporabila pri eksperimentalnem delu na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerze v Ljubljani.

Ime spojine Molekulska formula Molska masa [g/mol]

2,2´-bipiridin C10H8N2 156,2

Bizmutov(III) nitrat pentahidrat Bi(NO3)3·5H2O 485,1

Bizmutov(III) klorid BiCl3 315,3

DMSO C2H6OS 78,1

Acetonitril CH3CN 41,1

Metanol CH3OH 32,0

Etanol CH3CH2OH 46,1

Dietileter (C2H5)2O 74,1

Tabela 1: Uporabljene kemikalije pri eksperimentalnem delu

4.2 Metode karakterizacije

4.2.1 Masna spektrometrija visoke ločljivosti (HRMS)

Masni spektri visoke ločljivosti so bili posneti s spektrometrom Agilent 6224 Accurate Mass TOF LC/MS System, na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerze v Ljubljani.

4.2.2 ¹H NMR spektroskopija

Za karakterizacijo spojin sem v največji meri uporabila jedrsko magnetno resonanco.

Spektri so bili posneti na BRUKER AVANCE III 500 MHz NMR spektrometru na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerze v Ljubljani. Spektre je posnela dr.

Jerneja Kladnik.

4.2.3 UV-Vis spektroskopija

UV-Vis spekter sem posnela s spektrofotometrom UV-Vis Lambda 750 na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerze v Ljubljani.

(36)

18

4.2.4 Rentgenska strukturna analiza

Rentgensko strukturno analizo kristalov je opravil doc. dr. Jakob Kljun na difraktometru Oxford Diffraction SuperNova na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerze v Ljubljani.

(37)

19

4.3 Sinteza kompleksa [Bi(L)Cl

3

]

4.3.1 Sinteza (GA21_01)

Slika 15: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(bpy)Cl3]

Bizmutov kompleks [Bi(bpy)Cl3] sem poskusila pripraviti z reakcijo med bizmutovim kloridom in ligandom bpy v množinskem razmerju 1:1. Reakcijska shema je prikazana na zgornji sliki (Slika 15). V tehtalno ladjico sem zatehtala 0.079 g BiCl3 (0.25 mmol) in ga raztopila v 10 ml suhega metanola. Raztopini sem dodala magnetno telesce in mešala pri sobnih pogojih dokler se BiCl3 v celoti ni raztopil. Med tem sem v tehtalno ladjico zatehtala 0.039 g liganda bpy (0.25 mmol), ga prenesla v erlenmajerico in mu dodala 26 ml suhega metanola in magnetno telesce. Ko se je BiCl3 raztopil, sem ga dodala raztopini liganda in metanola ter mešala 3 ure pri 50 °C. V raztopini se je pojavila vidna oborina, celotna raztopina pa se je obarvala rahlo rožnato (Slika 16). Po 3 urah sem raztopini zmanjšala volumen na rotavaporju (približno za polovico). Preostanek v bučki sem odnučirala s pomočjo presesalne buče. Matično lužnico sem prelila v kristalizirko in jo postavila v digestorij. Po nekaj dneh je ves metanol izhlapel, v kristalizirki so nam ostali beli in rožnati kristali. Filtrno pogačo s filter papirjem sem prenesla na urno steklo in jo postavila v sušilnik segret na 45 °C, da se mi je produkt v celoti posušil. Dobljeni produkt je bil intenzivne rožnate barve (Slika 17). Po sušenju sem na njem izvedla še HRMS analizo.

(38)

20

Slika 16: Raztopina kompleksa [Bi(bpy)Cl3]

Slika 17: Produkt [Bi(bpy)Cl3] po sušenju 4.3.2 Sinteza (GA21_05)

Slika 18: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(L1)Cl3]

Analogno spojino sem poskusila izvesti še z izbranim modelnim ligandom piridin-4,5- dikarboksilatnega estra (Slika 18). Pri tem je bila masa BiCl3 enaka kot v zgoraj opisani reakciji, masa liganda L1 pa 0.070 g (0.25 mmol). Dobljena raztopina je bila rahlo motna in rumeno obarvana. Po nučiranju je na filter papirju ostala minimalna količina produkta

(39)

21

(Slika 19). Matično lužnico sem prelila v kristalizirko, prekrila s parafilmom in v njem naredila nekaj luknjic. Po 2 dneh so se izločili kristali, za katere sem po analizi rentgenske strukture ugotovila, da gre le za ligand, brez vključenega bizmuta (Slika 20). Zato lahko trdim, da reakcija ne poteče. Predvidevam, da do tega pride zaradi tega, ker se modelni ligand šibkeje veže od bipiridina.

Slika 19: Ostanek produkta na filter papirju

Slika 20: Izločeni kristali v matični lužnici

(40)

22

4.3.3 Sinteza (GA21_07)

Ker reakcija ni potekla, sem jo poskusila ponovno izvesti z nekaj spremembami pogojev.

Zatehte spojin so bile enake, razlika je bila v tem, da sem uporabila manjše volumne metanola (5 ml). Raztopino sem prelila v epruveto z odebeljenim steklom, dodala mešalno telesce, zatesnila z zamaškom in mešala pri 85 °C. Ker v epruveti ni prišlo do vidne spremembe, sem skušala zamenjati topilo. V epruveto sem dodala 10 ml acetonitrila in segrevala na 80 °C pri odprti epruveti, da je izhlapel ves metanol. Ko je ves metanol izhlapel, sem dodala 2 kapalki acetonitrila in segrevala še dodatnih 30 min, da sem se prepričala, da metanol ni več prisoten. Epruveto sem nato zopet zatesnila in povišala temperaturo na 100 °C ter ob segrevanju opazovala morebitne spremembe. Raztopina je bila rumeno obarvana (Slika 21), vendar se produkt ni izločil. Reakcija ni potekla.

Slika 21: Raztopina [Bi(L1)Cl3]

(41)

23

4.4 Sinteza kompleksa [Bi(L)

2

(NO

3

)

3

]

4.4.1 Sinteza (GA21_02)

Naslednja spojina z bizmutom, ki sem jo skušala sintetizirat je bila [Bi(bpy)2(NO3)3] (Slika 10). Kompleks sem pripravila tako, da sem na tehtalno ladjico zatehtala 0.2425 g Bi(NO3)3·5H2O (0.5 mmol) in 0.1562 g bpy (1 mmol) v množinskem razmerju 1:2.

Spojini sem prenesla v epruveto z odebeljenim steklom, dodala 2 kapalki DMSO in mešalno telesce ter zmes segrevala 1 uro na 100 °C ob konstantnem mešanju. Po 1 uri sem raztopino še vročo prefiltrirala s pomočjo steklene kapalke in vate. Prefiltrirano raztopino sem ohladila na sobno temperaturo in postavila v digestorij, da bi se izločili kristali. V spojini je čez nekaj dni nastala le manjša bela oborina brez kristalov zato nadaljnjih analiz nisem izvedla.

4.4.2 Sinteza (GA21_09)

Slika 22: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(L1)2(NO3)3]

Spojino sem pripravila podobno kot v zgoraj opisanem postopku, reakcijska shema je prikazana na zgornji sliki (Slika 22). Razlika je, da sem v tem primeru uporabila manjše količine spojin. Zatehtala sem 0.0606 g spojine Bi(NO3)3·5H2O (0.125 mmol) in 0.0696 liganda L1 (0.25 mmol). Reakcijo sem izvajala v epruveti z odebeljenim steklom v katero sem dodala natehtane spojine, 1 kapalko topila DMSO in magnetno telesce. Nastala raztopina je rumeno obarvana (Slika 23). Ker je bila raztopina po 1 uri še vedno bistra, je nisem prefiltrirala, ampak brez filtracije ohladila na sobno temperaturo s pomočjo ledene kopeli. Kljub ohlajanju se kristali niso izločili, zato sem raztopino prelila v kristalizirko, jo zaprla s parafilmom v katerega sem naredila nekaj luknjic in jo pustila v digestoriju.

Po 2 dneh so se izločili kristali za katere sem po analizi rentgenske strukture ugotovila, da predstavljajo prost ligand brez bizmutovega iona. Zato lahko trdim, da reakcija ne poteče.

(42)

24

Slika 23: Obarvana raztopina kompleksa

(43)

25

4.5 Sinteza kompleksa [Bi(L)

2

Cl

3

]

4.5.1 Sinteza (GA21_03)

Spojino sem pripravila tako, da sem na tehtalno ladjico zatehtala 0.1246 g BiCl3 (0.395 mmol) in nato še 0.1562 g bpy (1 mmol), reakcijska shema je prikazana na Slika 13. Vse skupaj sem stresla v 50 ml erlenmajerico in dodala 10 ml acetonitrila. Zmes sem pod refluksom mešala 2 uri in segrevala na 100 °C.

Slika 24: Raztopina kompleksa [Bi(bpy)2Cl3]

Med potekom reakcije je prišlo do spremembe barve iz bele v rahlo rožnato (Slika 24).

Erlenmajerico sem po končani reakciji postavila na ledeno kopel, da se je izoboril produkt, ki sem ga nato odnučirala. Na filter papirju so ostali vidni rožnati kristali, ki sem jih do konca posušila v sušilniku (Slika 25). Na produktu po sušenju sem izvedla HRMS,

1H NMR in UV-Vis analize.

Slika 25: Produkt spojine po sušenju

Matično lužnico sem prelila v kristalizirko in postavila v digestorij, kjer sem nekaj tednov preverjala morebitno tvorbo kristalov (kristali v matični lužnici v roku 3 tednov niso nastali).

(44)

26

4.6 Sinteza kompleksa [Bi(L)

2

][OTf]

3

4.6.1 Sinteza (GA21_04)

Zadnji primer spojine z bizmutom, ki sem jo skušala izvesti v laboratoriju je kompleks z dodatkom srebrovega triflata (Slika 8). Na tehtalno ladjico sem najprej zatehtala 0.0394 g BiCl3 (0.125 mmol) in 0.0964 g AgOTf (0.375 mmol), ki sem ju nato raztopila v 6 ml acetonitrila. V erlenmajerico sem dodala mešalno telesce in raztopino najprej mešala 1 uro v temi. Po 1 uri sem nato v 3 odmerkih dodala 0.0781 g bpy (0.5 mmol) in mešala še 1 uro pri svetlobi. Barva raztopine je iz bele prešla v rožnato (rožnata raztopina z belo oborino) (Slika 26).

Slika 26: Raztopina kompleksa [Bi(bpy)2][OTf]3

Raztopino sem nato odnučirala in preostanek na filter papirju posušila v sušilniku.

Matično lužnico sem prelila v bučko in volumen na rotavaporju zmanjšala približno na 3 ml. Po koncentriranju sem filtrat prelila v kristalizirko in pustila 2 dni v digestoriju, da so se izločili kristali (Slika 27).

Slika 27: Kristali spojine [Bi(bpy)2][OTf]3

(45)

27

4.6.2 Sinteza (GA21_06)

Slika 28: Reakcijska shema sinteze kompleksa [Bi(L1)2][OTf]3

Analogno sem izvedla sintezo istega kompleksa z razliko, da sem v tem primeru namesto bipiridina uporabila ligand L1. Reakcijska shema je prikazana na zgornji sliki (Slika 28).

Ker je pripravljenega liganda L1 v omejenih količinah, sem za sintezo uporabila manjše količine spojin 0.0394 g BiCl3 (0.125 mmol), 0.0964 g AgOTf (0.375 mmol) in 0.0696 g liganda L1 (0.25 mmol). Preostali del sinteze je enak.

Slika 29: Nastalo obarvano olje

Po 2 dneh se kristali niso izločili, nastalo je rožnato olje (Slika 29), ki sem ga najprej raztopila v 3 kapljicah acetonitrila. Nato sem dodala 2 kapalki dietiletra. Ker sta nastali 2 fazi in se snov v dietiletru ni raztopila, sem počakala, da je ves dietileter izhlapel in nato dodala etanol, v katerem se olje uspešno raztopilo. Raztopino sem prelila v bučko, jo dala na rotavapor, dokler ni ves etanol izhlapel. Bučko sem nato še dodatno sušila 1 uro v sušilniku. Po sušenju sem iz bučke postrgala rjavo-rumeno trdno snov (Slika 30), ki sem jo dala na UV-Vis in ¹H NMR analizo.

Slika 30: Rjavo-rumen produkt

(46)

28

4.7 Masna spektrometrija visoke ločljivosti (HRMS)

Spektre HRMS sem posnela za produkta sintez GA21_01 in GA21_03.

Spekter spojine GA21_01 (Slika 31) potrdi nastanek pričakovane spojine, vendar le z enim kloridnim ligandom namesto s tremi. Izračunano razmerje med maso in nabojem m/z je bilo 403.0408.

Slika 31: Masni spekter GA21_01

(47)

29

Pri spektru GA21_03 (Slika 32) je bilo razmerje med maso in nabojem m/z prav tako 403.0405. Razmerje bi moralo biti višje, saj sem pričakovala vezavo dveh bipiridinov na bizmut. Ker so v filtratu spojine ostali prisotni beli in rožnati kristali, bi temu pripisala izgubo enega liganda. Prav tako lahko zaradi dobljenega razmerja predvidevamo vezavo enega kloridnega liganda in ne treh.

Slika 32: Masni spekter GA21_03

4.8

¹

H NMR spektroskopija

Sintetizirane spojine so bile posnete v DMSO-d6 in v acetonitrilu (CH3CN).

Spodnji spekter (Slika 33) prikazuje spojino 2,2´-bipridina, spekter (Slika 34) pa prikazuje GA21_03, posneto v DMSO. Iz obeh spektrov je razvidno, da so razmerja med integrali enaka zato lahko predvidevamo, da je število protonov enako. Ker je spojina simetrična je za protone na enakih pozicijah izrisan le en vrh (npr. HA=HA´, …). Manjši premik vrhov v kombinaciji z masno spektrometrijo in izrazito spremembo barve potrjuje nastanek kompleksa, vendar le z vezavo enega bipiridina. Slika združenih spektrov je priložena v prilogi (Slika 39).

(48)

30

Slika 33: ¹H NMR spekter 2,2´-bipiridina v DMSO

Slika 34: ¹H NMR spekter koordinacijske spojine GA21_03 v DMSO

(49)

31

Naslednja slika (Slika 35) prikazuje spekter liganda L1, posnetega v CH3CN. V spektru vidimo 8 signalov, od tega pripada en signal vodi in en signal acetonitrilu. Iz spektra je razvidno, da je razmerje integralov med protoni enako 1:1:1:1:3:3. Prvi štirje signali so ekvivalentni 1 H, druga dva pa 3 H.

Slika 35: ¹H NMR spekter liganda (L1) v CH3CN

Slika 36 prikazuje spekter spojine GA21_06 posnete v CH3CN. Na spektru je vidnih 7 signalov, ki so še bolj izrazito zamaknjeni kot v primeru prejšnje spojine. Izrazit premik vrhov v kombinaciji z masno spektrometrijo in spremembo barve potrjuje nastanek kompleksa. Združena spektra sta priložena v prilogi (Slika 40).

Slika 36: ¹H NMR spekter koordinacijske spojine GA21_06 v CH3CN

(50)

32

4.9 UV-Vis spektroskopija

Kot topilo za vzorce sem uporabila metanol. Spektre sem posnela v območju valovnih dolžin med 250 in 800 nm. Spekter spojine GA21_03 je prikazan na Slika 37. Vrh spektra je pri valovni dolžini 280 nm. Spekter spojine GA21_06, v primerjavi z izbranim ligandom sintetiziranim v laboratoriju je viden na Slika 38. Vrh izbranega liganda je pri valovni dolžini 321 nm, vrh sintetizirane spojine pa pri 319 nm. Na osnovi teh rezultatov konkretnejših sklepov ne morem narediti.

Slika 37: UV-Vis spekter spojine GA21_03

Slika 38: UV-Vis spekter spojine GA21_06 (črna črta) in liganda L1 (rdeča črta)

250 300 400 500 600 700 800

0,9

-0,0-0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

nm

A

GA21-06 D.Sample LIGAND-TIAZOL D2.Sample

Name Description

250 300 400 500 600 700 800

1,2

-0,0 -0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

nm

A

(51)

33

5 Zaključek

V okviru diplomske naloge sem se zaradi omejenega časa, namenjenega za delo v laboratoriju (epidemija COVID-19), pri eksperimentalnem delu osredotočila na izvedbo enostavnejših sinteznih postopkov kompleksnih spojin z bizmutom. Glavna reagenta za izvedbo sintez sta bili bizmutovi soli BiCl3 in Bi(NO3)3, in 2,2´-bipiridin ter izbrani ligand piridin-4,5-dikarboksilatnega estra (predhodno pripravljen v našem laboratoriju). Sinteze sem izvajala pri sobnih pogojih. Po zgledu podatkov iz strokovne literature sem za topilo uporabljala predvsem metanol ali acetonitril. V poskusih sintez, ko eno topilo ni sprožilo reakcije, sem tega skušala nadomestiti z drugim.

Pri sintezah, kjer sem kot reaktant uporabila 2,2´-bipiridin, je večina kompleksov nastala po pričakovanju. To so potrdile tudi nekatere kasnejše analize vzorcev (masna spektrometrija visoke ločljivosti (HRMS), ¹H NMR in UV-Vis spektroskopija). Sinteza kompleksa [Bi(bpy)Cl3] poteče v celoti, sinteza [Bi(bpy)2Cl3] je potekla deloma, saj je v spojini bil vezan le en dvovezni ligand bpy, pri sintezi kompleksa [Bi(bpy)2][OTf]3 nisem izvedla analize, ki bi potrdila nastanek pričakovanega kompleksa, vendar zaradi nastalih kristalov, kot jih predvidevajo v strokovnem članku, predvidevam, da je kompleks vsaj deloma nastal.

Kompleksi, ki sem jih skušala ponoviti z izbranim ligandom pripravljenim v našem laboratoriju, v večini niso nastali. Deloma je nastal le kompleks [Bi(L1)2][OTf]3, za katerega je ¹H NMR analiza pokazala, da vzorec vsebuje ligand, vendar ta analiza ni dovolj, da bi lahko potrdila nastanek pričakovane spojine. Masna spektrometrija je potrdila nastanek bizmutove zvrsti z vezanim dušikovim ligandom. Ostali kompleksi, kljub temu da so se izločili lepi kristali, ne nastanejo, saj sem po rentgenski strukturni analizi ugotovila, da ligand ni vezan na bizmut. Vzrok za to je, najverjetneje, šibka vezava liganda na kovinski kation bizmuta. Očitno imajo estrske skupine, ki so vezane na ligandu, pa tudi ostale, razlike v primerjavi z nesubstituiranim bipiridinom, kar velik vpliv na razporeditev elektronov v ligandu.

Področje raziskav koordinacijskih spojin z bizmutom še veliko skriva. S pisanjem te diplomske naloge sem spoznala le del že znanega. Z opravljenimi eksperimenti sem potrdila izvedbo nekaterih sintez, ki pa bi jih lahko z več časa in spremembo različnih pogojev ponovila tudi s sintetiziranimi spojinami v laboratoriju.

(52)

(53)

35

6 Literatura

[1] N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the Elements. Elsevier Butterworth- Heinemann 1997, str. 547-599.

[2] F. Lazarini, J. Brenčič: Splošna in anorganska kemija. Ljubljana: UL, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo 2017, str. 557.

[3] Bismuth. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/bismuth (pridobljeno 16. mar. 2021).

[4] R. Wang, H. Li, T. K. Y. Ip, H. Sun: Bismuth drugs as antimicrobial agents. Adv.

Inorg. Chem. 2020, 75, 183–205.

[5] C. E. Housecroft, A. G. Sharpe: Inorganic Chemistry. Pearson Education Limited 2005, str. 385-432.

[6] P. J. Sadler, H. Li, H. Sun: Coordination chemistry of metals in medicine: Target sites for bismuth. Coord. Chem. Rev. 1999, 185–186, 689–709.

[7] F. T. Beatrix Bialek: Medical use of bismuth: The two sides of the coin. J. Clin.

Toxicol. 2011, 3, 1-5.

[8] J. G. Kusters, A. H. M. Van Vliet, E. J. Kuipers: Pathogenesis of Helicobacter Pylori infection. Clin. Micro. Rev. 2006, 19, 449–490.

[9] C. H. Li, Y. Jiang, J. H. Jiang, X. Li, S. X. Xiao, L. M. Tao, F. H. Yao, H. Zhang, X. M. Xia, L. H. Yao, H. Zhou, Y. Xiang, Y. Tian, Q. Li : Standard molar enthalpy of formation of [(C12H8N2)2Bi(O2NO)3] and its biological activity on Schizosaccharomyces pombe. J. Therm. Anal. Calorim. 2017, 128, 1743–1751.

[10] C. Kaes, A. Katz, M. W. Hosseini: Bipyridine: The most widely used ligand. A review of molecules comprising at least two 2,2′-bipyridine units. Chem. Rev.

2000, 100, 3553–3590.

[11] Phenanthroline. Wikipedia, the free encyclopedia.

https://en.wikipedia.org/wiki/Phenanthroline (pridobljeno 20. maj 2021)

[12] E. H. Lizarazo-Jaimes, R. L. Monte-Neto, P. G. Reis, N. G. Fernandes, N. L.

Speziali, M. N. Melo, F. Frézard, C. Demicheli: Improved antileishmanial activity of Dppz through complexation with antimony(III) and bismuth(III): Investigation of the role of the metal. Molecules 2012, 17, 12622–12635.

[13] S. Taheri, A. Morsali: Synthesis, characterization and crystal structure of new mixed-anions of bismuth(III) complexes. Asian J. Chem. 2005, 17, 717–724.

[14] S. A. Adonin, M. N. Sokolov, V. P. Fedin: Mono- and binuclear Bi(III) iodide complexes containing 2,2′-bipyridyl and 1,10-phenanthroline: Synthesis and structure. J. Struct. Chem. 2015, 56, 708–713.

(54)

36

[15] A. W. Kelly, A. M. Wheaton, A. D. Nicholas, F. H. Barnes, H. H. Patterson, R. D.

Pike: Iodobismuthate(III) and iodobismuthate(III)/iodocuprate(I) complexes with organic Ligands. Eur. J. Inorg. Chem. 2017, 2017, 4990–5000.

[16] S. S. Chitnis, A. P. M. Robertson, N. Burford, B. O. Patrick, R. McDonald, M. J.

Ferguson: Bipyridine complexes of E³⁺ (E = P, As, Sb, Bi): Strong lewis acids, sources of E(OTf)3 and synthons for E^I and E^V cations. Chem. Sci. 2015, 6, 6545–

6555.

[17] A. Morsali: Syntheses and characterization of two new mixed-ligand bismuth(III) complexes, crystal structure of [Bi(Phen)2(NO3)(NCS)2(MeOH)]. 2020, 2, 2–5.

[18] L. J. Barbour, S. J. Belfield, P. C. Junk, M. K. Smith: Bidentate nitrogen base adducts of bismuth(III) nitrate. Aust. J. Chem. 1998, 51, 337–342.

[19] A. K. Adcock, R. L. Ayscue, L. M. Breuer, C. P. Verwiel, A. C. Marwitz, J. A.

Bertke, V. Vallet, F. Réal, K. E. Knope: Synthesis and photoluminescence of three bismuth(III)-organic compounds bearing heterocyclic N-donor ligands. Dalton Trans. 2020, 49, 11756–11771.

(55)

37

7 Priloge

Slika 39: ¹H NMR spektra 2,2´-bipiridina (modra črta) in GA21_03 (rdeča črta) v DMSO

Slika 40: ¹H NMR spektra liganda L1 (modra črta) in GA21_06 (rdeča črta) v CH3CN