Kinetics of ligand exchange reactions of lanthanide(III) complexes formed with the derivatives of diethylenetriaminepentaacetate. The role of non-kovalent interactions.
Kinetics of ligand exchange reactions of lanthanide(III) complexes formed with the derivatives of diethylenetriaminepentaacetate. The role of non-kovalent interactions.
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Department of Inorganic and Analytical Chemistry (University of Debrecen)
Participants
Kálmán, Ferenc Király, Róbert Pálinkás, Zoltán Tircsó, Gyula Tóth, Imre
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-12-31
Funding (in million HUF)
7.757
FTE (full time equivalent)
6.98
state
closed project
Summary in Hungarian
A lantanoida(III)-aminopolikarboxilát komplexek izotóp-csere reakciói, Cu2+ és Zn2+ ionokkal történő fémioncsere reakciói kinetikáját részletesen tanulmányozták, de ligandumcsere reakcióikról nagyon kevés ismeretünk van. Tervezzük a dtpa és öt származéka Gd3+ komplexe és a trietiléntetramin-hexaacetát (ttha) közötti ligandumcsere reakciók kinetikai vizsgálatát, a tapasztalati sebességi egyenletek megállapítását. A ligandumcsere reakciók mechanizmusára 1H- és 13C-NMR-es vizsgálatokból következtetünk. Az Eu3+ és Y3+ komplexekben koordinált ligandumok intramolekuláris átalakulásainak dinamikájáról, egy-egy iminodiacetát vagy iminodiacetát-amid csoport de-koordinációjának gyakoriságáról nyerünk információt. Kapcsolatot keresünk az intramolekuláris átalakulások és a makroszkópikus ligandumcsere sebességét jellemző mennyiségek között. A ligandumcsere reakciók sebességét tanulmányozzuk β-ciklodextrin és HSA jelenlétében is. A benzil csoportot tartalmazó dtpa származékokkal kapott eredményekből következtetünk arra, hogy a koordinált ligandum β-ciklodextrinnel (mint modellrendszer) és HSA-val történő nemkovalens kölcsönhatása hogyan befolyásolja a ligandumcsere reakciók sebességét. Hasonló ligandumcsere vizsgálatokat tervezünk a Gd3+ komplexek és transzferrin mint kicserélő ligandum között. Megvizsgáljuk a nemkovalens kölcsönhatásoknak a komplexképződési egyensúlyokra gyakorolt hatását a stabilitási állandók β-ciklodextrin és HSA jelenlétében és távollétében történő meghatározásával. A fiziológiás pH környezetében nyert kinetikai adatok közvetlenül alkalmazhatóak az MRI kontrasztanyagok jellemzésére, a disszociálódó (és így toxikus hatást eredményező) komplex mennyiségi becslésére. A stabilitási állandók felhasználhatók a vérplazmában lehetséges egyensúlyok leírására (plazma modell).
Summary
The kinetic properties of the lanthanide (III) aminopolycarboxilate complexes have been studied in detail with the use of isotope-exchange and metal exchange reactions with Cu2+ and Zn2+, but there are very few data for the ligand exchange reactions. Recently we intend to start the kinetic study of the ligand exchange reactions occuring between the Gd3+ complexes of dtpa and five dtpa derivatives and triethylenetetramine-hexaacetate (ttha) ligand. The rate law of the reactions will be found in a broad range of pH. Some information will be obtained for the mechanisms of the exchange reactions with the study of the intramolecular rearangements of the coordinated ligands in the Y3+ and Eu3+ complexes by 1H-NMR spectroscopy. We attempt to find relationship between the life-time of the free, de-coordinated iminodiacetate or iminodiacetate-amide group and the rates of the macroscopic ligand exchange. The rates of ligand exchange reactions will be studied in the presence of β-cyclodextrine and HSA. The results of these studies will indicate that how do the non-covalent interactions between the benzyl groups of the ligands and β-cyclodextrine (as a model system) or HSA influence the rates of the ligand exchange. Similar kinetic studies will be carried out between the Gd3+ complexes and transferrin as a ligand. The effect of the non-covalent interactions on the equilibrium properties of complexes will also be studied by determining the stability constants of the Gd3+ complexes in the presence and absence of the β-cyclodextrine and HSA. The kinetic data obtained at around physiological pH can be directly used to chracterize the properties of Gd3+ complexes as contrast agents in MRI, by estimating the amount of the dissociated complexes, that is the toxicity of the contrast agents. The stability constants determined can be used to describe the species distribution in the blood plasma and for the construction of plasma models.
Final report
Results in Hungarian
Hidrofób csoportot tartalmazó Gd3+-komplexek és beta-ciklodextrin vagy fehérjék nem-kovalens kölcsönhatása növeli a relaxivitást, de a komplexek stabilitását, inertségét csak kismértékben befolyásolja. A Gd(DTPA), Gd(BOPTA) és Gd(DTPA-BMA) komplexek (GdL) és a TTHA közötti ligandumcsere másodrendű reakcióként megy végbe. A GdL komplexek és Cu2+ vagy Zn2+ közötti fémioncsere reakciók citrát, foszfát, karbonát és hisztidinát jelenlétében a komplexek endogén ligandumok által segített disszociációjával folynak le. A Gd(DTPA-BMA) ligandumcsere és fémioncsere reakciói a gyorsabb intramolekuláris átrendeződések miatt sokkal gyorsabbak, mint a Gd(DTPA) és Gd(BOPTA) komplexeké. A nyolcfunkciós BCAED és BCAEP ligandumok Ln3+ komplexei logKLnL értékei nagymértékben nőnek a La-tól a Lu-ig. A Sm(EDTMP) és Ho(EDTMP) stabilitási állandói nagyok, de a fémcsere reakcióik Cu2+-citráttal gyorsan végbemennek pH 7 – 9 között a komplex proton katalizált disszociációjával. A makrociklusos DO2A2P ligandum Ln3+-komplexeinek sajátosságai (stabilitás, szerkezet, képződés és disszociáció sebesség) a Ln(DOTA) és Ln(DOTP) hasonló sajátosságai közötti értéküek.
Results in English
The non-covalent interaction between the Gd3+-complexes, containing hydrophobic groups, and beta-cyclodextrin or proteins result in the increase of the relaxivities, but the stability constants and the kinetic inertness of complexes is only slightly influenced. The ligand exchange between the Gd(DTPA), Gd(BOPTA) and Gd(DTPA-BMA) complexes (GdL) and TTHA occurs in second order reactions. The metal exchange reactions between the GdL complexes and Cu2+ or Zn2+, in the presence of citrate, phosphate, carbonate and histidinate, take place with the dissociation of complexes, assisted by the endogenous ligands. The ligand and metal exchange reactions of Gd(DTPA-BMA) are much faster than those of the Gd(DTPA) and Gd(BOPTA), because the intramolecular rearrangements in Gd(DTPA-BMA) are faster. The logKLnL values obtained for the Ln3+-complexes of the octadentate BCAED and BCAEP ligands increase to a great extent from La to Lu. In spite of the high stability constants of Sm(EDTMP) and Ho(EDTMP), their exchange reactions with Cu2+-citrate are fast and occur with the proton assisted dissociation of complexes in the pH range 7 – 9. The properties of the macrocyclic Ln(DO2A2P) complexes (stability, structure, formation and dissociation rates) were found to be amongst the similar properties of Gd(DOTA) and Gd(DOTP).
F. K. Kálmán, R. Király, E. Brücher: Stability Constants and Dissociation Rates of the EDTMP Complexes of Samarium(III) and Yttrium(III), EUROPEAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY, 2008
F.K. Kálmán, Zs. Baranyai, I Tóth, I. Bányai, R. Király, E. Brücher, S. Aime, A. D. Sherry: Synthesis, potentiometric, kinetic, and NMR studies of 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,7-bis(acetic acid)-4,10-bis(methylenephosphonic acid) (DO2A2P) and its complexes with Ca(II), Cu(II), Zn(II) and lanthanide(III) ions, INORGANIC CHEMISTRY, 2008
Gy. Tircsó, E. T. Benyó, E. H. Suh, P. Jurek, G. E. Kiefer, A. D. Sherry, Z. Kovács: (S)-5-(p-Nitrobenzyl)-PCTA, a Promising Bifunctional Ligand with Advantageous Metal Ion Complexation Kinetics, BIOCONJUGATE CHEMISTRY, 2009
Rojas-Quijano FA, Benyo ET, Tircso G, Kalman FK, Baranyai Zs. Aime S, Sherry AD, Kovacs Z.: Lanthanide(III) Complexes of Tris(amide) PCTA Derivatives as Potential Bimodal Magnetic Resonance and Optical Imaging Agents, CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL, 2009
Gy. Tircsó: Új irányvonalak a kontrasztanyag kutatásban, Magyar Kémikusoik Lapja, 2009
Zs. Baranyai, Z. Pálinkás, F. Uggeri, E. Brücher: Equilibrium Studies on the Gd3+, Cu2+ and Zn2+ Complexes of BOPTA, DTPA and DTPA-BMA Ligands: Kinetics of Metal-Exchange Reactions of [Gd(BOPTA)](2-), EUROPEAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY, 2010
Tei L, Baranyai Z, Brucher E, Cassino C, Demicheli F, Masciocchi N, Giovenzana GB, Botta M: Dramatic Increase of Selectivity for Heavy Lanthanide(III) Cations by Tuning the Flexibility of Polydentate Chelators, INORGANIC CHEMISTRY, 2010
Kubicek V, Havlickova J, Kotek J, Gy.Tircso, Hermann P, Toth E, Lukes I: Gallium(III) Complexes of DOTA and DOTA-Monoamide: Kinetic and Thermodynamic Studies, INORGANIC CHEMISTRY, 2010
