Hydroxamic acids interactions with metals in aqueous and micellar media: a mechanistic study of complexation reactions and metallacrown formation
Résumé
This thesis is focused on the different aspects of hydroxamic acids coordination, in particular on their ability to give rise to metal complexes of different stoichiometry and geometry. An in depth analysis of the binding mechanisms is carried out with the help of complementary approaches, ranging from classical spectrophotometry to a more peculiar kinetic analysis by fast techniques. Hydroxamic acids have a high binding affinity to a range of transition metal ions, particularly Fe(III), and are ligands ubiquitous in coordination chemistry and chemical biology. Since the possible biological activity of hydroxamic acids must be correlated with the formation of their metal complexes, interest in these systems has increased extensively over the past decade. Furthermore, hydroxamic acids can be used in extractive metallurgy as flotation agents, because of their ability to form very stable chelates with various metal ions. Hence, studies on hydroxamic acids metal complexes formation and dissociation reactions are object of vast interest, as they conduct to the comprehension of the involved microscopic mechanisms and to the evaluation of their physical and chemical requirements. In this context this thesis focuses on the equilibria and mechanisms involved in this class of complexation reactions mainly in aqueous solution, but also in micellar media. Reactions of some hydroxamic acids with three relevant and common cations in biological, industrial and environmental fields are investigated. In particular, examples of three different modes of coordination of hydroxamic acids with metal ions are reported and analyzed: from mononuclear complexes (Ni(II)) to supramolecular compounds (Cu(II)), passing through a dinuclear complex (Fe(III)). The hydroxamic acids taken into account are salicylhydroxamic acid (SHA), benzohydroxamic acid (BHA) and (S)-a alaninehydroxamic acid (Alaha). This study is mainly based on a combination of kinetic and thermodynamic methods in order to analyze the investigated systems in different perspectives. In this thesis a new method is developed that enables the evaluation of the separate contributions to the equilibrium and rate parameters in the aqueous and micellar phase (Nickel-SHA system). Furthermore, the formation of a dinuclear complex (M2L) in aqueous solution, formed by the reaction of Fe(III) with SHA, is demonstrated for the first time. Such a complex provides the rationale for the building of supramolecular structures as metallacrowns, whose self-assembly mechanism is also worked out in this thesis work, together with metallacrowns host-guest solution equilibria (Copper-Alaha and Copper-Lanthanum-Alaha systems). Special attention is also paid to the complex speciation of the Fe(III) ion in aqueous solution. In particular, the non-negligible contribution of the Fe(III) trimer is proved and its structure is clarified. This thesis, together with putting into light the richness of hydroxamic acids coordination mechanisms, reveals the importance of a complementary approach, based on both kinetics and thermodynamics, for the treatment of complex systems involved in multiple equilibria.
Mon travail de thèse se focalise sur la compréhension de différents aspects de la réactivité des acides hydroxamiques avec les métaux, comme la thermodynamique des équilibres, la structure des complexes métalliques, la cinétique des réactions et l'identification d'intermédiaires réactionnels. J'ai réalisé une analyse des systèmes réactionnels en variant les conditions environnementales, afin de déterminer les facteurs clefs qui gouvernent la réactivité. En particulier, j'ai déterminé les mécanismes réactionnels pour les processus de formation/dissociation des complexes métal-acide hydroxamique. Cela permet de mieux comprendre ce qui se passe à l'échelle moléculaire en conditions dynamiques et, donc, de maîtriser certaines propriétés physico-chimiques de la réaction lors d'une application de la réaction même. Les acides hydroxamiques sont une famille de composés organiques ayant une affinité importante pour différents métaux de transition. Pour cette raison, ce sont des ligands ubiquitaires en chimie et biochimie. En particulier, un des rôles physiologiques des acides hydroxamiques est associé à leur utilisation comme sidérophores, mais ils sont aussi des molécules bioactives avec des propriétés anti-tumorales, anti-fungales, anti-malaria et antituberculeuse. D'autre part, dans le domaine industriel, les acides hydroxamiques sont largement utilisés comme agents chélatants de différents métaux (Cr, Zn, Ni, Cu, Fe) ou comme agent de flottation dans la métallurgie extractive. Compte tenu de ces diverses applications, les études sur les mécanismes de formation/dissociation de complexes métalliques des acides hydroxamiques suscitent un intérêt croissant dans les communautés de physico-chimie et biochimie. Dans ce contexte, j'ai effectué une analyse détaillée, en solution aqueuse et en milieu micellaire, des mécanismes de réaction de différents acides hydroxamiques avec des ions métalliques communs dans les domaines biologique, industriel et environnemental. En particulier, j'ai étudié en détail la polyvalence des modes de coordination des acides hydroxamiques à travers les mécanismes de formation (i) d'un complexe mononucléaire (Ni(II)/acide salicylhydroxamique), (ii) d'un complexe dinucléaire (Fe(III)2/acide salicylhydroxamique), (iii) de composés supramoléculaires (metallacrowns) basés sur la chélation du Cu(II) par l'acide (S)-a-aminohydroxamique. De plus, j'ai accomplis une caractérisation chimique et structurale de ces différents complexes, dans le but de définir un lien entre leur structure et leur réactivité. Ce travail met aussi en évidence l'importance d'une approche basée sur l'utilisation de méthodes complémentaires (thermodynamiques et cinétiques) pour l'analyse de mécanismes de réaction complexes contrôlés par des équilibres multiples.
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