Studio della formazione di complessi tra alluminio e molecole di interesse ambientale, biologico e farmaceutico

In this thesis work, the coordination properties of several ligands with pharmaceutical, biological and toxicological properties towards Al3+ have been studied. The investigated molecules are 3-hydroxy-2-(1H)-pyridinone (HPyr), 2-hydroxyphenylethanone (HPE), 2-hydroxybenzeneacetic acid (HBA), 2-hydroxynicotinic acid (HNic), 3-hydroxypicolinic acid (HPic), and glutamic acid (Glu). The reliability of the speciation data has been considered as one of the primary goals. For this reason, each metal-ligand system has been studied by means of a combination of more analytical techniques, so that independent results have been obtained regarding the stoichiometry of the existing complexes and their stability constants. The techniques employed have been potentiometry, UV-Vis spectrophotometry, and 1H-NMR spectroscopy. For HPyr it was also possible to obtain a crystal, so that the structure of an Al-HPyr complex has been evaluated by means of a X-ray diffractometric analysis. The complexation strength of the studied ligands has been compared each other and with the complexation strength of other ligands previously studied in the literature. The comparison results indicate that Al3+ complexes can be very stable only if the chelating oxygens bear a significant partial negative charge and they can form a 5 or 6-membered chelation ring. HBA forms very weak complexes, as a 7-membered chelation ring is formed by this ligand. In the case of Glu, the complexes are weak because the metal centre is coordinated also by nitrogen, which has a lower affinity towards Al3+ than negatively charged oxygens. HPE bears two oxygens and forms a six-membered chelation ring. However, this ligand forms much weaker complexes than HPyr, HNic, and HPic, because the net negative charge on the HPE oxygens is 0.5, and not (practically) –1 as it is in the other three ligands. Another aim of this work was the set-up of a new computer programme, PITMAP, which can be used for the elaboration of potentiometric titrations. PITMAP input files are the titration data, and the output results are the stability constants of the species which form in solution at equilibrium, through fitting of experimental parameters.

Questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio approfondito delle proprietà leganti di alcuni composti di interesse farmaceutico, biologico o ambientale con lo ione Al3+. Le molecole studiate sono state il 3-idrossi-2-(1H)-piridinone (HPyr), il 2-idrossifeniletanone (HPE), l'acido 2-idrossibenzenacetico (HBA), l'acido 2-idrossinicotinico (HNic), l'acido 3-idrossipicolinico (HPic) e l'acido glutammico (Glu). Fra gli obiettivi primari del lavoro di tesi è stata posta l’affidabilità dei risultati ottenuti; pertanto ogni sistema è stato studiato attraverso la combinazione di più tecniche analitiche in grado di fornire, in maniera indipendente, informazioni quantitative e qualitative sulla natura delle specie presenti e sulla loro stabilità. Le tecniche utilizzate sono state la potenziometria, la spettrofotometria UV-vis e la spettroscopia 1H-NMR. Per HPyr è stato inoltre possibile ottenere un cristallo e quindi derivare la struttura di un complesso tra Al3+ ed HPyr mediante diffrattometria a raggi X. Il confronto tra la forza complessante dei vari leganti studiati, e con altri precedentemente studiati in letteratura, ha confermato le linee guida nel determinare l’affinità dei vari gruppi funzionali nei confronti dell’alluminio, e precisamente la necessità che il gruppo chelante abbia una significativa carica parziale negativa all’ossigeno e formi un anello chelante a 5 o a 6 atomi; in effetti HBA forma complessi molto deboli dato che è molto sfavorita la formazione di un anello chelante a 7 atomi. Nel caso di Glu i complessi sono deboli dato che alla coordinazione partecipa l’azoto, la cui affinità nei confronti dell’alluminio è minore che non quella dell’ossigeno. HPE ha due ossigeni che formano un anello chelante a sei atomi, tuttavia esso forma complessi assai più deboli di quelli formati da HPyr, HNic e HPic, poichè nel caso di HPE la carica parziale negativa sugli ossigeni chelanti è pari a –0.5, mentre per gli altri tre essa è molto prossima a –1. Un altro obiettivo del lavoro è consistito nella scrittura di un nuovo programma di calcolo, PITMAP, per l'elaborazione dei dati potenziometrici. Il programma permette di leggere i dati delle titolazioni e ricavare, previa ottimizzazione dei parametri, le costanti di equilibrio relative alle specie presenti in soluzione.