Авторска справка за приносите на научните трудове на д-р Анифе Исмаилова Ахмедова във връзка с участие в конкурс за доцент (професионално направление 4.2 Химически науки Аналитична химия, обявен в ДВ, бр. 41 от 01.06.2012) Приложеният списък с научни трудове включва общо 24 публикации, от които 20 са в специализирани международни списания с Impact Factor (IF). В 17 от публикациите от общо 20-те, с които участвам в конкурса, съм първи автор и авторът за кореспонденция. Точно толкова са и публикациите в списания с IF. Публикации 1, 2 и 3 са включени в дисертацията за степен Доктор и няма да бъдат разгледани в настоящата справка за научните приноси на трудовете, участващи в конкурса. Въпреки това, те всъщност маркираха трите основни насоки на последващите ми научни интереси и съответно могат да бъдат отнесени към всяко едно от следните направления: I. Синтез и охарактеризиране на метални комплекси с широк набор от спектроскопски, магнитни и рентгеноструктурни методи II. Изследване на оптичните свойства и структурата на 2-заместени 1,3-индандиони и техни метални комплекси III. Приложение на комбиниран (експериментален и теоретичен) подход за структурно описание на органични вещества и техни метални комплекси Както става видно, научните ми изследвания почти изцяло попадат в областта на структурния анализ с разнообразие в използваните методи и изследваните обекти. Обектите са подбирани съобразно техни потенциални приложения с оглед на оптичните и/или биологичните им свойства с основен акцент върху металните им комплекси. Основен момент в почти 50% от работите е приложението на квантово-химични методи за структурно описание на вещества, за които не могат да бъдат получени рентгеноструктурни данни. Стр. 1 от 10
I. Синтез и охарактеризиране на метални комплекси с широк набор от спектроскопски, магнитни и рентгеноструктурни методи Приносният характер на публикациите, обединени в тази група, от една страна касае оптимизиране и дефиниране на синтетичните условия за стабилизиране на конкретно окислително състояние (в случаите на редокси активни реагенти) и условията за получаване на комплекси с дефиниран състав (моно- или ди-ядрени), а от друга страна демонстрира приложението на спектроскопски техники като ЕПР, Мьосбауер и рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS), излизащо извън рамките на конвенционалното им използване, а почти винаги придружено с детайлен теоретичен анализ и симулиране на експерименталните данни, базирано на спин-хамилтонян формализъм и/или математическо разлагане на спектри на съставните им компоненти. Резултатите от детайлния спектроскопски анализ са използвани в допълнение към рентгеноструктурния, ако такъв е бил приложим, или самостоятелно за определяне на пространствената и/или електронна структура на веществата. Описани са синтезите и спектралните характеристики на близо 20 метални комплекса, както и кристалните структури на 8 съединения (4 метални комплекса и 4 на свободни лиганди). Тук попадат публикации 4, 6, 7, 9 13 и 17, получили общо 14 цитирания. Една част от тази група публикации описват синтеза и структурата на парамагнитни комплекси на 2-ацетил-1,3-индандион (2АИД), като продължение от работата ми по докторската ми дисертация. Детайлни ЕПР измервания [6] на Cu(II) комплекс на 2АИД (на прахова проба, магнитно разредена такава и в замразен разтвор при 110К в два различни разтворителя - DMSO и THF), допълнени с компютърна симулация на експерименталните спектри за по-точно определяне на ЕПР параметрите, демонстрират спепента на настъпващите геометрични изменения с промяна на средата и обкръжението на магнитния център. Друг парамагнитен комплекс на 2АИД е изучен структурно и магнитохимично, а именно комплексът с Со(II) [13]. Кристалната структура на комплекса показва октаедрична геометрия на металния център, екваториалните позиции на който са заети от донорните атоми на две молекули лиганд, координирани бидентатно след депротониране, а аксиалните позиции от молекули вода. Стр. 2 от 10
Данните от проведените нискотемпературни ЕПР и магнитохимични измервания отговарят на октаедричен високоспинов комплекс, но наблюдаваната анизотропия в ЕПР спектъра е неочаквано висока. Вероятно обяснение на това остава възможността за диполни взаимодействия между магнитните центрове, тъй като кристалографски определените интерметални разстояния са твърде големи и по-скоро изключват възможността за спинобменни взаимодействия. Синтезирани са моноядрен и диядрен Cu(II) комплекси на енамина на 2АИД, описан в публикации 3 и 8. Оптимизирана е синтетичната процедура за разделното получаване на комплексите и тяхната структура е определена с помощта на рентгеноструктурен анализ от монокристали [7]. Кристалните структури еднозначно показват бидентатно координиране на лиганда след депротониране на амино групата. Моноядреният комплекс има октаедрична структура, в която аксиалните позиции са заети от свободната карбонилна група на лиганда от съседна молекула комплекс. По този начин се реализира двуизмерна мрежа, разпространяваща се по осите b и c на кристала. Този комплекс е изучен и с ЕПР спектроскопия в твърдо състояние и в разтвор, които ясно показват съответно свръхфино взаимодействие с ядрата на 63,65 Cu и суперсвръхфино взаимодействие с ядрата на 14 N. В димерния комплекс ролята на мостови лиганди се изпълнява от хидроксилните аниони, а медните центрове имат плоскоквадратна геометрия. От серията комплекси на 2АИД беше дешифрирана кристалната структура на комплекса му с Fe(III) [10], която показва октаедрична fac геометрия на комплекса и наличието на два стереозомера в кристалната решетка, Λ и. ЕПР спектърът на комплекса е очаквано широк и не много информативен. За сметка на това обаче, детайлни Мьосбауерови спектри, регистрирани при ниски температури и с приложено външно магнитно поле, придружени с два вида компютърна симулация на експерименталните данни, проведени по време на специализацията ми в Университета в Любек, Германия, показаха различими спектрални характеристики след разлагане на спектрите, съответстващи на два нееквивалентни високоспинови Fe(III) центъра. Спин-хамилтонян формализмът бе използван като алтернативен начин за симулация на експерименталните Мьосбауерови спектри, чрез който бяха определени детайли около електронния строеж, симетрията и Стр. 3 от 10
възможността за спин-спин релаксационни взаимодействия. Направеният детайлен анализ на спектралните данни бе в съгласие с определената кристална структура, показваща наличието и на силни π-π stacking междумолекулни взаимодействия, водещи до забележими различия в обкръжението на металните центрове. Друга статия [17], демонстриращата приложението на Мьосбауеровата спектроскопия в сферата на новите материали, разглежда оптично индуцираното популиране на възбудени магнитни състояния при редкоземни (RE) нитропрусиди (RE 2 [Fe(CN) 5 NO] 3 ) обект на научен интерес на доц. Русанов от ФзФ на СУ, с когото работим в сътрудничество. За целта бяха синтезирани пълната серия лантаноидни нитропрусиди, и подробно описани настъпващите промени в електронния им строеж при облъчване с 505 nm, съгласно данните от измерените Мьосбауерови параметри при приложено силно магнитно поле и при изключително ниски температури, достигащи до 300 mk(!). Приложението на друга съвременна спектроскопска техника, а именно високочестотна ЕПР спектроскопия, оперираща при 190 GHz и магнитно поле до 10 Т, за изследване на бързи обменни магнитни процеси е описано в публикация 4. Приложението е демонстрирано на примера на тримерен комплекс на Cu(II) с аденин и хлоридни йони, играещи ролята на мостови или терминални лиганди. С помощта на прецизни измервания в широк температурен интервал от 300 4К, проведени по време на специализацията ми в Университета във Флоренция, беше възможно да се наблюдават отчетливо различими ЕПР сигнали за двете нисколежащи дублетни състояния. Коалесценция на сигналите се наблюдава при температури повисоки от 50К. На базата на проведените експерименти бе възможно да се пресметне енргетичната разлика между двете дублетни състояния (~15 сm -1 ), както и скоростната константа на преминаване от порядъка на 5*10-12 s при ниски температури. Друг клас съединения, чиято структура и комплексообразувателни свойства бяха обект на изследване, са серия от циклоалкан-спиро-5- дитиохидантоини поради тяхната очаквана биологична активност. Кристалната структура на четири представителя от серията, определена с рентгеноструктурен анализ от монокристали, е описана в публикация 11. Тази структурна информация залегна в основата на по-нататъшните Стр. 4 от 10
спектроскопски и теоретични изследвания на металните комплекси на този клас съединения. Първите синтезирани комплекси бяха тези с йоните на Cu(II) и Cu(I), като и двата вида се получават от соли на Cu(II) [12]. Реакционните условията за тяхното получаване бяха оптимизирани и ясно дефинирани. Доказан беше очакваният факт, че 2,4-дитио-хидантоините редуцират Cu(II) до Cu(I) с помощта на ЕПР и рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS), с които бяха изследвани получените комплекси. XPS спектрите показаха сложна съставна форма и бяха подложени на компютърно разлагане на съставни компоненти, което улесни изграждането на хипотеза за структурата на Cu(I) комплексите. За стабилизиране на Cu(II) състоянието и изолиране на съответния комплекс е наложително използването на силна основа за предварително депротониране на лиганда. Така получените комплекси показват ясно изразен ЕПР сигнал с аксиална анизотропия и силно свръхфино взаимодействие. На базата на тези данни, допълнени с тези от ИЧ спектроскопия и елементен анализ, бяха изказани хипотези за състава и структурата на комплексите. Резултатите от описаните изследвания са представени на 14 научни конференции. II. Изследване на оптичните свойства и структурата на 2-заместени 1,3- индандиони и техни метални комплекси Цялостният интерес към изследване на оптичните и комплексообразувателните свойства на 2-ацетил-1,3-индандиона (2АИД) и неговите производни (частично описани и в предходната част) произтича от установената висока фотостабилност на 2АИД при облъчване с УВ-лъчение - по-висока от тази на широко използвани в козметичните препарати слънцезащитни средства и описана в публикация 2. В съответствие и с наблюдаваното силно Стоксово отместване във флуоресцентните спектри на 2АИД е изказана хипотезата за реализиране на бърз процес на тавтомеризация във възбудено състояние. Квантово-химични изчисления върху тавтомерните форми на 2АИД в основно и във възбудено състояние, както и на две други органични вещества с известна фотостабилност, очертаха основните фактори, които я обуславят, а именно реализирането на Стр. 5 от 10
бързи процеси на фотоизомеризация във възбудено състояние, в частност фототавтомеризация или цис-транс изомеризация, последвани от бърза релаксация и реализиране на обратния процес в основно състояние [9]. Предпоставка за това е, че енергетично предпочитаният изомер не е един и същ в основно и във възбудено състояние. Така се реализира цикъл от последователни и противоположни по посока изомеризационни процеси във възбудено и в основно състояния, инициирани от абсорбираното УВ лъчение. Скоростта на тези процеси определя вероятността за реализиране на странични процеси на фотодеградация. Резултатите от нашите изчисления в допълнение към експериментални литературни данни сочат, че веществата, при които се реализира вътрешномолекулен процес на фототавтомеризация са по-фотостабилни от тези, при които се реализира процес на цис-транс изомеризация. Разбира се и други фактори, като възможни взаимодействия с молекулите на разтворителя, също са решаващи и бяха много показателно демонстрирани на примера на 2АИД в ДМСО [2]. С оглед потенциално практическо приложение като оптични сензори бяха изучени серия от производни на 2АИД, в които метилната група от ацетилния остатък беше заместена със спрегната ароматна система с цел получаване на вещества, абсорбиращи във видимата част на спектъра на светлината. Описан е синтезът на серия от нови 2-заместени 1,3-индандиони и на техни метални комплекси с йоните на Cu(II), Zn(II), Cd(II), Co(II) и Ni(II) [16, 23] и кристалната структура на 4 от тях [21, 23]. Успешно беше получен монокристал на Cd(II) комплекс на един от изучената серия лиганди и беше определена неговата кристална структура [15]. Структурното описание на всички останали комплекси е направено на базата на спектроскопски данни и квантово-химични изчисления. Основен акцент в тези изследвания, обаче, бяха оптичните свойства на свободните лиганди и на техните комплекси. Описани са техните абсорбционни и емисионни спектри във видимата и УВобластта. Търсени са индикации за евентуални тавтомеризационни процеси с помощта на изброените спектроскопски методи както и с квантово-химични. Резултатите показват по-голяма вероятност за реализиране на цис-транс изомеризация отколкото вътрешномолекулен пренос на протон. Проведените изследвания върху потенциалната им фотостабилност показаха, че тя е Стр. 6 от 10
много по-ниска от тази на 2АИД, което е в съответствие с теоретичните резултати за вероятността за протичане на вътрешномолекулни цис-транс изомеризационни процеси при 2-заместените 1,3-индандиони. Въпреки интересните оптични свойства, описани при някои от представителите от изучената серия, като цяло тя не показва потенциал за приложение като оптични сензори. За преодоляване на този недостатък беше получено производно на 2АИД с фенилаза-15-краун-5 за евентуално определяне на алкални и алкалоземни метални йони. Описана е кристалната структура на новосинтезирания краун-етерен лиганд, неговите оптични (абсорбционни и емисионни) свойства и повлияването им при взаимодействие със споменатите метални йони с помощта на съответните експериментални и квантово-химични методи [19]. Разгледаните статии са цитирани общо 8 пъти, a част от включените резултати са представени на 12 конференции. Една от публикациите е изцяло теоретична [9], други две са изцяло експериментални [16, 23], а останалите включват експериментални и квантово-химични резултати [15, 19, 21]. III. Приложение на комбиниран (експериментален и теоретичен) подход за структурно описание на органични вещества и техни метални комплекси В тази група са обединени публикации, които са основно фокусирани върху определянето на структурата на метални комплекси на органични вещества (лиганди). Структурните определяния са базирани на налични експериментални данни от спектроскопски измервания и допълнени с квантово-химични изчисления за окончателното описание на тяхната структура, тъй като израстването на монокристали от комплексите с необходимото качество за рентгеноструктурен анализ не бе възможно. Този проблем е нерядко срещан в координационната химия и използването на комбиниран подход от спектроскопски и квантово-химични методи за неговото преодоляване, с цел определяне на структурата на комплексите, се явява като най-добрата възможна алтернатива. Подходът, прилаган в повечето публикации, включва първоначално охарактеризиране на Стр. 7 от 10
свободните лиганди и на техните метални комплекси с възможно по-широк набор от спектроскопски методи. На базата на наличните експериментални данни се провеждат квантово-химични изчисления на спектралните характеристики на оптимизирани геометрии на лигандите и на моделни структури за комплексите. Моделирането на възможните структури на комплексите е съобразно експерименталните данни, позволяващи изграждането на хипотези за състава им и начина на координиране на лигандите. Наличието на кристални структури за някои от изследваните лиганди, както и спектроскопски данни за тях, е използвано за провеждането на тест за оценка на приложимостта на използвания за квантово-химични изчисления метод, преди неговото прилагане за моделиране на структурите на комплексите. Подобна оценка е направена за циклоалкан-спиро-5- хидантоини и техни тиоаналози на базата на налични експериментални резултати като ИЧ, ЯМР и рентгеноструктурни данни [18]. В тази публикация са описани и кристалните структури на два циклоалкан-спиро-5-(2- тиохидантоина). Резултатите показват, че методът на функционала на плътността (DFT) с използвания B3LYP функционал дава по-надеждни резултати за изчислените с GIAO метода 13 С-ЯМР отмествания, отколкото Хартри-Фок метода при използването на един и същ базисен набор (6-31G**). Интересно е да се отбележи, че докато за 2-тио и за 2,4-дитио аналозите на разглежданите хидантоини съвпадението между изчислените (GIAO- B3LYP/6-31G**) и експерименталните ЯМР данни е много добро (за последните - почти отлично), то за 4-тио хидантоините разминаванията са сериозни. Наличието на спрежение в хидантоиновия пръстен силно затруднява намирането на еднозначни корелации между изчислените структурни и ЯМР параметри. Анализът на вибрационните честоти също е силно затруднен, тъй като на практика няма изолирани вибрации на конкретна нормална координата. За по-голяма структурна информативност, бе проведен анализ на разпределението на потенциалната енергия (PED) на изчислените хармонични трептения на разгледаните 2-тио-хидантоини и оценен приносът на отделните нормални координати. Всичко това бе необходима крачка при последващото изследване на структурата на металните комплекси на дитио-хидантоините, за които беше проведено аналогично детайлно описание на структурните и спектралните им Стр. 8 от 10
параметри. Комплексите на серия циклоалкан-спиро-5-(2,4-дитиохидантоини) с Cu(I) и Ni(II) са изолирани и изучени в твърдо състояние. Използваните спектроскопски методи са ИЧ и 13 С-ЯМР спектроскопия в твърдо състояние. Описанието на структурата на получените комплекси бе възможно единствено с използването на квантово-химични изчисления както на структурата им така и на съответните спектрални параметри [20, 22], за което е използван описаният вече подход. Интересно е да се отбележи, че въпреки близката структура на лигандите, различаващи се само по размера на наситения пръстен, за техните Cu(I) комплекси се предполага различна структура съгласно настъпващите изменения в 13 С-ЯМР спектрите в твърдо състояние на лигандите в резултат на комплексообразуването. Това е основният експериментален резултат, който е използван при подбора на найдобрия теоретичен модел за структурата на комплексите, подкрепен със съответните изчислени ЯМР отмествания. Експерименталните данни и квантово-химичните изчисления показват димерни структури за комплексите с Ni(II), имащи плоскоквадратна геометрия на металнитe центрове и мостово координиране на лигандите след депротониране на N3-H и общ състав Ni 2 L - 4. Направен е опит да се отчетат евентуални междумолекулни взаимодействия при някои от Cu(I) комплексите [22]. Това е критичен момент при сравняването на експериментални и теоретични данни без отчитане на влиянието на средата. Именно в тази насока са част от последните ми теоретични изследвания, резултати от които са докладвани на 3 конференции. Експериментални данни, които са представени на други 4 конференции, се отнасят до Pt(II) и Ru(III) на циклоалкан-спиро-5-(2,4-дитиохидантоини) както и на два нови дитиохидантоинови лиганда с голям ароматен заместител при спиро-5-атома (9-флуорен-спиро-5-(2,4-дитиохидантоин) и бензоциклохексан-спиро-5-(2,4-дитио-хидантоин), за които имаме in vitro данни за наличие на концентрационно зависима цититоксичност към 4 вида човешки туморни клетъчни линии. Тези данни мотивират продължаването на задълбочените изследвания върху комплексите на дитио-хидантоини, с основен акцент върху описанието на структурата им с помощта на описания комбиниран подход от експериментални и квантово-химични изследвания, тъй като доброкачествени кристали от тези комплекси също все още не може да Стр. 9 от 10
бъдат изолирани. За сега е описан синтезът и структурата на Cu(II) и Ni(II) комплексите на 9-флуорен-спиро-5-(2,4-дитиохидантоин) [14]. Прави впечатление, че това съединение показва коренно различни комплексообразувателни свойства от описаните по-горе циклоалкан-спиро производни на разглежданите дитиохидантинови лиганди: i) структурата на получените комплекси е мономерна, съгласно експерименталните и изчислени ИЧ спектрални данни; ii) не настъпва редукция на Cu(II) до Cu(I), доказано с ЕПР спектър с ясно изразени свръхфина и суперсвръхфина структура при стайна и при ниска температура; iii) предполага се монодентатно (при Cu-комплекса) или хелатно (при Ni-комплекса) координиране на базата на експерименталните ИЧ и 13 С-ЯМР спектри в твърдо състояние и оптимизираните с квантово-химични методи структури. Приложението на 13 С-ЯМР спектроскопията в твърдо състояние в комбинация с квантово-химични изчисления за описание на структурата на метални комплекси е демонстрирано и при Al(III) комплекса на флавоноида кверцетин [24]. И тук са проведени квантово-химични изследвания за отчитане на ефекта на междумолекулните взаимодействия, налични в твърдата фаза, върху структурата и 13 С-ЯМР отместванията. Геометрична оптимизация и изчисленията на тензора на магнитно екраниране на ядрата са направени за клъстери от молекули кверцетин, съгласно наличните в литературата кристалографски данни. Резултатите показват основните тенденции във влиянието на наличните междумолекулни водородни връзки върху 13 С-ЯМР отместванията на кверцетин и са използвани за обяснение на наблюдаваните особености в твърдотелния ЯМР спектър на комплекса му с Al(III). След детайлно разглеждане на голям набор от моделни структури, както и на изчислените за тях 13 С-ЯМР данни, беше възможно дефинирането на най-вероятната структура на комплекса кверцетин-al(iii) - за първи път в твърда фаза. Всички заключения са направени на базата на най-доброто съответствие между експериментални и изчислени ЯМР данни. Публикациите, включени в това направление са били цитирани 5 пъти, и представени на 12 научни конференции. София подпис:... 30.07.2012 /А.Ахмедова Стр. 10 от 10