RO133980A2 - Compuşi coordinativi ai gd() şi mn() utilizabili ca precursori de obţinere a nanostructurilor de tip "carbon dots" - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a unor compuşi coordinativi ai Gd(III) şi Mn(II) utilizabili ca precursori de preparare a nanostructurilor de tip "Carbon dots". Procedeul conform invenţiei constă în reacţia în mediu apos, la temperaturi de 50...100°C, dintre cloruri de mangan, respectiv, de mangan şi N-hidroximaleinimidă, N-hidroxisuccinimidă, N-hidroxiftalimidă, la un raport de combinare metal/ligand de 1/3, respectiv, 1/2, urmată de purificarea şi uscarea compuşilor coordinativi rezultaţi, şi eliminarea conţinutului de apă prin precondiţionare termică.

Description

COMPUȘI COORDINATIVI AI Gd(III) ȘI Mn(II) UTILIZABILI CA PRECURSORI DE OBȚINERE A NANOSTRUCTURILOR DE TIP „CARBON DOTS”

Invenția se referă la compuși de coordinație ai Gd³⁺ și Mn²⁺ destinați procesării pirolitice specifice obținerii de nanostructuri fotoluminescente de tip “Carbon Dots” și la un procedeu de preparare a acestora. Compușii de coordinație sunt preparați din reacția clorurilor de Gd³⁺ și Mn²⁺ cu N-Hidroximaleimida (NHM), NHidroxisuccinimida (NHS) și N-Hidroxiftalimida (NHF) fiind ulterior uscați și preconditionați termic în vederea utilizării acestora ca precursori de obținere printr-un procedeu pirolitic a unor nanostructuri fotoluminescente de tip “Carbon Dots”. Compușii coordinativi preparați și pre-conditionați termic permit obținerea unor “Carbon Dots” dopate cu Gd³⁺ sau Mn²⁺.

Se cunosc compuși de coordinație ai Gd³⁺ și Mn²⁺ obținuți prin reacția sărurilor acestora cu diverși liganzi organici. în cazul compușilor coordinativi ai Gd³⁺ majoritatea studiilor vizează aplicarea acestora ca agenți de contrast în investigații RMN. Astfel, au fost obținuți compuși de coordinație ai Gd³⁺ cu liganzi organici precum Bifenil-2,2'-bisamida și derivații acesteia [1], 1,1'-bis(amino)ferocen [2], 4clorofenoxiacetat [3], sau acizi carboxilici (oxalic, glicolic, malic) [4]. Au fost de asemenea raportați compuși de coordinație ai Gd³⁺într-un context mai general care a vizat prepararea și studiul unor complecși ai lantanidelor [5,6], Au fost preparați compuși coordinativi ai Gd³⁺ cu proprietăți de luminescență [7-9] valorificabili în aplicații din domeniile optoelectronicii sau bioimagisticii. Compușii coordinativi ai Mn²⁺ au fost extensiv studiați atât în contextul general al studiilor privind coordinarea cu diverși liganzi orgamcTȚT0,11 ] cât mai ales a aplicațiilor acestora în cataliză [12], agenți antibacterieni sau antifungici [13] sau, mai recent, ca agenți de contrast în investigațiile medicale RMN [14,15].

Principalele dezavantaje ale compușilor de coordinație Gd³⁺ și Mn²⁺ raportați până în prezent sunt:

- nu pot fi utilizați ca precursori de preparare prin metoda pirolitică, a nanostructurilor fotoluminescente de tip “Carbon Dots”;

a 2018 00704

21/09/2018

- structura chimică a liganzilor utilizați la prepararea compușilor de coordinație nu este favorabilă obținerii unor nanostructuri de tip Carbon Dots” cu o configurație morfo-structurală specifică și emisie fotoluminescență intensă.

Cei mai asemănători compuși de coordinație ai Gd³⁺ și Mn²⁺ sunt cei realizați prin reacția de complexare dintre clorurile unor lantanide și N-Hidroxisuccinimida (NHS) [16] sau N-Hidroxiftalimida (NHF) în mediu de dimetilformamidă urmată de introducerea în matrice de poly-(N-vinil-pirolidona) [17] și complecși ai Mn²⁺ și Co²⁺ cu 2,2'-tiodietanol [11] sau liganzi derivați din 1-(3,5dibromo,2-hidroxi,4metill fenil)2naftil sulfanil etanona [18].

Problema tehnică pe care își propune să o rezolve invenția este obținerea în mediu apos a unor compuși de coordinație ai Gd³⁺ și Mn²⁺ cu N-Hidroximaleimida (NHM), N-Hidroxisuccinimida (NHS) și N-Hidroxiftalimida (NHF) sub formă de pulberi din care s-au eliminat moleculele de apă din sfera exterioară de coordinare a cationilor menționați anterior și realizarea unei configurații fizico-chimice favorabilă utilizării ca precursori de sinteză printr-o metodă pirolitică a nanostructurilor fotoluminescente de tip Carbon Dots”.

Soluția problemei tehnice constă în obținerea într-o primă etapă a compușilor coordinativi la un raport de combinare metal/ligand de 1/3 respectiv de 1/2 urmată de separare, purificare și liofilizare, produșii obținuți sub formă de pulberi fiind ulterior pre-conditionați termic pentru eliminarea apei din sfera exterioară de coordinare a cationilor centrali și obținerii unei configurații fizico-chimice favorabile.

Principalele avantaje ale invenției propuse sunt:

- Utilizarea compușilor coordinativi la obținerea printr-o metodă pirolitică a nanostructurilor de tip Carbon Dots”;

- Obținerea unor Carbon Dots” dopate cu Gd³⁺ și Mn²⁺ cu randamente crescute de emisie fotoluminescență;

- Obținerea de nanostructuri de tip Carbon Dots” utilizabili ca agenți de contrast în tehnicile de investigare RMN;

- Procedeu de preparare facil.

Conform invenției, obținerea compușilor coordinativi utilizabili ca precursori de preparare a nanostructurilor de tip Carbon Dots” implică într-o primă etapă reacția de complexare dintre clorurile de Gd³⁺ și Mn²⁺ și N-Hidroxisuccinimida (1,2), NHidroxiftalimida (3,4), N-Hidroximaleimida (5,6) la un raport de combinare metal/ligand de 1/3 respectiv 1/2 (în cazul Mn²⁺). Reacția decurge în mediu apos sub a 2018 00704

21/09/2018 agitare, la temperatura de 50-100°C, timp de 2-3 ore într-un balon de sticlă dotat cu refrigerent de reflux. Pentru compușii coordinativi obținuți cu N-Hidroxisuccinimida și N-Hidroximaleimida temperatura de lucru este de 50-60°C iar pentru compușii coordinativi preparați cu N-Hidroxiftalimida temperatura de lucru este 85-100°C pentru a permite dizolvarea completă a ligandului în mediul de reacție. Procesele de complexare decurg conform reacțiilor(1 -6):

(1) GdCI₃xH₂O + 3(C4H₅NO₃) [Gd(C4H4NO3)3(H₂O)3](H₂O)x + 3HCIÎ (2) MnCI₂x4H₂O + 2(C4H₅NO₃) [Mn(C4H4NO₃)₂(H₂O)](H₂O)_x + 2HCIÎ (3) GdCI₃xH₂O + 3(C₈H₅NO3) [Gd(C₈H4NO3)3(H₂O)₃](H₂O)x + 3HCIÎ (4) MnCI₂x4H₂O + 2(C4H₅NO₃) [Mn(C₈H4NO₃)₂(H₂O)](H₂O)x + 2HCIÎ (5) GdCI₃xH₂O + 3(C4H₃NO₃) [Gd(C4H₂NO₃)3(H₂O)₃](H₂O)x + 3HCIÎ (6) MnCI₂x4H₂O + 2(C4H₃NO₃) -+ [Mn(C4H₂NO₃)₂(H₂O)](H₂O)_x + 2HCIî în urma reacțiilor de complexare rezultă compușii de coordinație sub formă de precipitat parțial solubil în mediul apos de reacție. Masele de reacție se răcesc treptat până la temperatura de cca. 3-4°C, fiind supuse ulterior centrifugării. După centrifugare, supernatantul conținând complecși parțial coordinați, compuși chimici nereacționați și HCI este eliminat, precipitatul umed fiind colectat într-un vas de sticlă. Purificarea compușilor de coordinație astfel rezultați se realizează prin adăugarea sub agitare magnetică de apă bi-distilată la temperatura de cca. 3-4°C, urmată de centrifugare. Operația de purificare se repetă de 2-3 ori pentru eliminarea completă a compușilor solubili (complecși parțial coordinați, reactanți, HCI). în cazul fiecăruia dintre compușii coordinativi astfel purificați, precipitatul umed rezultat după purificare este înghețat la -30 - -40°C și apoi liofilizat pentru obținerea în stare uscată. Pentru utilizarea compușilor de coordinație astfel preparați ca precursori de obținere a nanostructurilor de tip Carbon Dots” printr-un procedeu pirolitic, este necesară o etapă de pre-condiționare termică care implică eliminarea moleculelor de apă (H₂O)_X situate în sfera exterioară de coordinare a cationilor centrali (Gd³⁺ și Mn²⁺) și a apei de rețea reținută în structura cristalină. Pre-condiționarea termică trebuie să evite destructurarea complecșilor și pierderea moleculelor de apă situate în prima sferă de coordinare a cationului central. Ca urmare a evaluării treptelor de descompunere termică rezultate în urma invetigațiilor termogravimetrice, pre-condiționarea implică expunerea termică sub vacuum timp de 36-48 ore a compușilor de coordinație purificați și uscați prin liofilizare, la temperaturi de 95-98°C în cazul a 2018 00704

21/09/2018 [Gd(C4H4NO3)3(H₂O)3](H₂O)x, [Mn(C4H4NO₃)₂(H₂O)](H₂O)x, 105-110°C în cazul [Gd(C8H4NO3)₃(H₂O)3](H₂O)x, [Mn(CsH4NO3)₂(H₂O)](H₂O)x respectiv 85-87°C pentru [Gd(C4H₂NO₃)3(H₂O)₃](H₂O)x si [Mn(C4H₂NO₃)₂(H₂O)](H₂O)x.

în continuare este prezentat un exemplu de realizare a invenției în vederea obținerii compușilor coordinativi utilizabili ca precursori într-un proces pirolitic de preparare a nanostructurilor de tip Carbon Dots”.

- într-o procedură experimentală tipică, etapa inițială implică dizolvarea în 5 mL apă bi-distilată a câte Irnmol de clorură de gadoliniu, respectiv clorură de mangan. Reacția de complexare decurge într-un balon de sticlă Schlenck de 100 mL prevăzut cu 2 gâturi, dotat cu refrigerent de reflux, termometru, agitator magnetic și sistem de încălzire, în care inițial se adaugă ligandul (NHS, NHM sau NHF) în cantități stoechiometrice (3 mmol pentru compușii de coordinație ai Gd³⁺, respectiv 2 mmol pentru cei ai Mn²⁺) și apă bi-distilată. Pentru compușii coordinativi preparați cu NHS și NHM se utilizează cca. 20 mL de apă, respectiv cca. 40 mL în cazul celor preparați cu NHF. Pentru dizolvarea completă a liganzilor se pornește agitarea magnetică și se ridică temperatura la 50-60°C în cazul NHM și NHS respectiv 7080°C în cazul NHF. După dizolvarea completă a liganzilor, se adaugă soluțiile de clorură de gadoliniu respectiv mangan preparate anterior. în cazul compușilor de coordinație preparați cu NHS și NHM se păstrează temperatura la 50-60°C iar în cazul celor preparați cu NHF se ridică temperatura la 90-100°C. încălzirea și agitarea energică a masei de reacție se mențin pe toată durata procesului de complexare care durează cca. 3 ore. Pe parcursul reacției de complexare, soluția limpede inițială devine opalescentă cu o tentă de culoare variind de la galben deschis la portocaliu sau roz, caracteristica fiecărui compus de coordinație prezentat. După oprirea încălzirii și agitării magnetice se transferă conținutul balonului de sinteză într-un recipient de sticlă, suspensia compusului de coordinație fiind mai întâi răcită la o temperatură de 3-4°C după care este centrifugată la o turație de cca. 5000 rpm timp de 10-15 min. După centrifugare se înlătură supernatantul cu aspect limpede care conține complecși parțial coordinați, compuși chimici nereacționați și HCI, precipitatul de compus coordinativ fiind colectat ulterior adăugându-se sub agitare magnetică o cantitate de cca. 40 mL apă bidistilată. Suspensia bine omogenizată timp de cca. 3040 min. este din nou centrifugată, la finalizare fiind eliminat și de această dată supernatantul. Operația de purificare se reia de cca. 2-3 ori. Precipitatul umed obținut a 2018 00704

21/09/2018 după purificare este înghețat la -30 - -40°C și apoi liofilizat, obținându-se astfel compușii de coordinație sub formă de pulberi. Pre-condiționarea termică se realizează sub vacuum timp de 36-48 ore la temperaturi de 95-98°C în cazul [Gd(C4H4NO3)3(H₂O)₃](H2O)x, [Mn(C4H4NO3)2(H₂O)](H₂O)x, 105-110°C în cazul [Gd(C8H4NO3)3(H₂O)3](H₂O)x, [Mn(C8H4NO3)₂(H₂O)](H₂O)x respectiv 85-87°C pentru [Gd(C4H₂NO3)3(H₂O)3](H₂O)x si [Mn(C4H₂NO3)2(H2O)](H₂O)x. Compușii coordinativi precursori de obținere a nanostructurilor de tip Carbon Dots” se păstrează în recipiente etanșe pentru evitarea retenției de apă.

a 2018 00704

21/09/2018

Bibliografie [1] K.H. Jung, H.K. Kim, J.A. Park, K. S. Nam, G. H. Lee, Y. Chang, T.J. Kim, Gd Complexes of DO3A-(Biphenyl-2,2'-bisamides) Conjugates as MRI Blood-Pool Contrast Agents, ACS Med. Chem. Lett., 2012, 3 (12), pp 1003-1007.

[2] H.K. Kim, J.A. Park, K. M. Kim, N. S. Md, D.S. Kang, J. Lee, Y. Chang, T.J. Kim, Gdcomplexes of macrocyclic DTPA conjugates of 1,1'-bis(amino)ferrocenes as high relaxivity MRI blood-pool contrast agents (BPCAs), Chem. Commun., 2010,46, pp 8442-8444.

[3] W. Ferenc, M. Bernat, J. Sarzyhski, H. Gluchowska, Complexes of 4chlorophenoxyacetates of Nd(lll), Gd(lll) and Ho(lll). Ecletica Quimica, 2010, 35(1), pp 6775.

[4] M. Riri, M.Hor, O. Kamal, T. Eljaddi, A. Benjjar, M. Hlaîbi, New gadolinium(lll) complexes with simple organic acids (Oxalic, Glycolic and Malic Acid), J. Mater. Environ. Sci., 2011, 2 (3),pp 303-308.

[5] K. Masatoshi, Y. Toshiro, Synthesis and Structural Characterization of Ln(lll) Complexes (Ln = Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Lu) of Tripodal Tris[2-(salicylideneamino)ethyl]amine, Chem Letters, 1999, 28 (2), pp. 137-138.

[6] C.L. Deng, Z.H. Jiang, D. Z. Liao, S.P. Yan, G.L. Wang, Synthesis and Magnetism of Binuclear Nd(lll), Gd(lll) and Dy(lll) Complexes Using the Dianions of Chloranilic Acid as Bridging Ligands, Synthesis and Reactivity in Inorganic and Metal-Organic Chemistry,1993, 23(2), pp. 247-256.

[7] V. Taidakov, B. E. Zaitsev, A. N. Lobanov, A. G. Vitukhnovskii, N. P. Datskevich, A. S. Selyukov, Synthesis and luminescent properties of neutral Eu(lll) and Gd(lll) complexes with 1 -(1,5-dimethyl-1 h-pyrazol-4-yl)-4,4,4-trifluoro-1,3-butanedione and 4,4,5,5,6,6,6-heptafluoro1-(1-methyl-1H-pyrazol-4-yl)-1,3-hexanedione, Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2013, 58(4), pp. 411—415.

[8] M. D. Regulacio, Μ. H. Pablico, J. A. Vasquez, P. N. Myers, S. Gentry, M. Prushan, S. Tam-Chang, S. L. Stoll, Luminescence of Ln(lll) Dithiocarbamate Complexes (Ln = La, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy), Inorg. Chem., 2008, 47 (5), pp. 1512-1523.

[9] C. S. Stan, C. Peptu, M. Popa, D. Sutiman, P. Horlescu , Novei Y3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+ and Tb3+ complexes with 2-(1H-1,2,4-Triazol-3-yl)pyridine and their remarkable photoluminescent properties, Elsevier- Inorganica Chimica Acta, 2015, 429, pp. 160-167.

[10] S. I. Chan, B. M. Fung, H. Lîitje, Electron Paramagnetic Resonance of Mn(ll) Complexes in Acetonitrile, Journal of Chemical Physics,1967, 47, pp. 2121-2130.

[11] Y. Zhang , S. Wang, C. Bridges, J. E. Greedan, Co(ll) and Mn(ll) complexes of 2,2'thiodiethanol: [Coll(2,2'-thiodiethanol)2CI2] and [Mn(2,2'-thiodiethanol)CI2]n, Canadian Journal of Chemistry, 2000, 78(10),pp. 1289-1294.

[12] Η. T. Ban, T. Kase, M. Murata, Manganese - based transition metal complexes as new catalysts for olefin polymerizations, Polymer Chemistry, 2001,39(21), pp. 3733-3738.

[13] I. Kani, O. Atlier, K. Guven, Mn(ll) complexes with bipyridine, phenanthroline and benzoic acid: Biological and catalase-like activity, J. Chem. Sci., 2016, 128(4), pp. 523-536.

[14] G. EM, I. Atanasova , F. Blasi, I. Ay, P. Caravan, A Manganese Alternative to Gadolinium for MRI Contrast, J Am Chem Soc., 2015,137(49), pp.15548-57.

[15] A. Forgăcs, M. R. Figueroa, J. L. Barriada, C. Platas-lglesias, Mono-, Bi-, and Trinuclear Bis-Hydrated Mn(2+) Complexes as Potențial MRI Contrast Agents, Inorg. Chem., 2015, 54 (19), pp. 9576-9587.

[16] C. S. Stan, I. Roșea, D. Sutiman, M. S. Secula, Highly luminescent europium and terbium complexes based on succinimide and N-hydroxysuccinimide , Journal of Rare Earths, 2012, 30(5), pp.401-407.

[17] C. Y. Roșea, P. Horlescu, C. S. Stan, D. Sutiman, Photoemissive polymer composite based on new Y(lll), Gd(lll) and Tb(lll) complexes with N-hydroxyphtalimide, Turkish J. of Chemistry, 2017, 41(5), pp.648-657.

[18] D. Sibiescu, S. Turcuman (Antighin), D. Tutulea, I. Roșea, Igor Crețescu, M. S. Secula, New Complexes of Mn(ll), Fe(lll) and Co(ll), Rev. de Chimie, 2010, 61(3).

Claims (1)

1. REVENDICĂRI

   1. Compuși de coordinație ai Gd³⁺ și Mn²⁺ cu N-Hidroximaleimida, NHidroxisuccinimida și N-Hidroxiftalimida utilizabili ca precursori de obținere printr-un procedeu pirolitic a unor nanostructuri fotoluminescente de tip Carbon Dots”, caracterizați prin aceea că: se obțin prin reacția în mediu apos la temperaturi cuprinse în intervalul 50-100°C dintre clorurile de gadoliniu respectiv mangan și N-Hidroximaleimida, N-Hidroxisuccinimida, NHidroxiftalimida la un raport de combinare metal/ligand de 1/3 respectiv 1/2, urmată de purificarea și uscarea prin liofilizare a compușilor de coordinație rezultați și de eliminarea conținutului de molecule de apă situate în sfera exterioară de coordinare sau în rețeaua cristalină printr-o procedură de precondiționare termică care evită destructurarea compusului de coordinație și conduce la stabilirea unei configurații fizico-chimice care permite obținerea printr-un procedeu pirolitic de nanostructuri de tip Carbon Dots” cu proprietăți fotoemisive.