Слесарев. Основы Химии живого
.pdfсн2— |
сн— сн2 |
сн2— сн— соон |
SH |
SH S03Na |
SH NH—СОСН3 |
|
унитиол |
N-ацетилцистеин |
Тиолы вносят значительный вклад в буферную емкость антиоксидантной системы. Восстановление дисульфидов в тиолы в организме происходит под действием восстановленных форм пиридин-протеинов, содержащих НАД(Н) и НАДФ(Н).
Другим эффективным антиоксидантным средством является ас корбиновая кислота (витамин С), которая под действием окисли телей, особенно радикалов, легко отдает два электрона и два катио на водорода, переходя при этом в дегидроаскорбиновую кислоту:
+ 2е~ + 2Н+
аскорбиновая кислота |
|
дегидроаскорбиновая кислота |
(восстановленная форма) |
= 0 ,0 8 В |
(окисленная форма) |
Вероятно, именно за счет антиоксидантной активности прием витамина С в повышенных дозах способствует предотвращению простудных и других заболеваний или снижению остроты их протекания.
В отличие от аскорбиновой кислоты, которая хорошо раство рима в воде, другие природные антиоксиданты ((3-каротин, вита мины А, Е, К, Р) хорошо растворимы в жирах. Антиоксидантные свойства этих веществ в основном определяются наличием в них легко окисляемых группировок. Витамин А и p-каротин со держат длинную углеводородную систему сопряженных двойных связей, витамин Е (токоферол) - хиноидную группировку, вита мин К - нафтохиноидыую группировку, а витамин Р - резорци новую группировку. Все эти вещества являются эффективными ловушками свободных радикалов в организме. С помощью лекар ственных и профилактических средств на основе антиоксидантов достигается увеличение сопротивляемости организма свободнора дикальному окислению. Таким образом, хотя организм не мо жет эффективно контролировать развитие и скорость свободно радикального окисления, но с помощью антиоксидантной бу ферной системы достигается сдерживание этого процесса.
Увеличение в клетке (ткани) концентрации свободных ради калов или пероксидов приводит к снижению буферной емкости антиоксидантной системы, что создает реальную угрозу воздейст вия этих окислителей на жизненно важные субстраты и развития так называемого «окислительного стресса». Для оценки буфер ной емкости антиоксидантной системы предложено (В. В. Соко ловский, 1984) использовать коэффициент тиол-дисульфидного соотношения крови. Буферная емкость антиоксидантной системы
16 -4723 |
241 |
будет тем больше, чем больше в системе содержится тиолов. Кон троль за тиол-дисульфидным соотношением дает более полную информацию об уровне активности антиоксидантной системы, чем другие показатели: содержание витамина А, витамина С, витамина Е или активность супероксиддисмутазы. Этот показа тель позволяет судить о состоянии одного из важных звеньев биохимического механизма неспецифической реакции организма на экстремальные воздействия.
9.4.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЕЙ И ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ
ВМЕДИКО-САНИТАРНОЙ ПРАКТИКЕ
Многие сильные окислители: перманганат калия КМп04, пероксид водорода Н202, раствор иода, хлорная известь CaClOCl, а также хлор и
озон (для хлорирования и озонирования воды) широко используются в качестве бактерицидных средств в медико-санитарной практике, так как за счет сильных окислительных свойств они эффективно уничто жают микроорганизмы.
Токсическое действие оксидов азота, озона, хлора, брома, нитратов и нитритов, хроматов и дихроматов связано с их окислительными свойства ми. При отравлениях окислителями или восстановителями для их ней трализации используются окислительно-восстановительные реакции. Так, при отравлениях сероводородом (сильный восстановитель) постра давшему дают подышать слегка увлажненной хлорной известью, из ко торой выделяются небольшие количества хлора, при этом протекает ре акция:
HjjS + Cla — ► 2HC1 + S
При отравлениях парами брома (сильный окислитель) дают вды хать пары аммиака:
ЗВг2 + 8NH3 —► 6NH4Br + N2
Применение разнообразных восстановителей как антиоксидантов в лекарственных и профилактических средствах было рассмотрено в предыдущем разделе.
Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе мето
дов оксидиметрии: перманганатометрии, иодометрии, хроматометрии, которые широко применяются в клиническом анализе для определения в крови ионов кальция, мочевой кислоты, холестерина, сахара, фермен тов каталазы и пероксидазы. В санитарно-гигиенической практике эти методы используются для определения окисляемости воды, содержа ния «остаточного» хлора в хозяйственных и питьевых водах, а также ♦активного» хлора в дезинфицирующих средствах (хлорной извести и хлораминах).
Таким образом, окислительно-восстановительные процессы в организме играют исключительно важную роль, снабжая его энер гией и необходимыми метаболитами, а также участвуя в регуля торных механизмах жизнедеятельности. Благодаря нейрогуморальной регуляции достигается поразительная сбалансированность между содержанием окислителей, восстановителей и продуктов их взаимодействия в живых организмах, обеспечивающая в них состояние окислительно-восстановительного гомеостаза.
Объекты |
Комплексообразователь |
|
||
взаимодействия |
М (П )„ - |
акцептор электронных пар |
|
|
□ |
|
|||
п —координационное числокомплексообразователя |
||||
Свободная АО |
Лиганд |
|
|
|
комплексен |
|
|
||
образователя |
|
|
|
|
GD |
|
|
[М([д]ь)л] |
|
Электронная |
комплексе- |
лиганды |
внутренняясфера |
|
пара наАО |
||||
образователь |
|
комплексного |
||
лиганда |
|
|||
|
|
соединения |
||
Глава 10
КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА
После изучения этой главы выдолжны:
-иметь представление о следующих понятиях и величинах: комплексообразователь, лиганд, координационное число, дентатность лиганда, внутренняя и внешняя сферы комплексного соеди нения, хелатные и полиядерные комплексные соединения;
-знать: особенности химической связи во внутренней сфере комплексных соединений;
-условия образования, разрушения и трансформации ком плексных соединений;
-особенности строения и функции в организме миоглобина, гемоглобина, метгемоглобина, цитохромов, ионофоров;
-понимать сущность металлолигандного гомеостаза и возмож ностей его нарушения и восстановления; комплексонометрии и ее применения в санитарно-клиническом анализе.
10.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ
Многие процессы жизнедеятельности протекают с участием комплексных соединений. В живых организмах присутствуют комплексные соединения биогенных металлов с белками, вита минами и другими веществами, играющими роль ферментов или выполняющими специфические функции в обмене веществ. Ха рактерной особенностью комплексных соединений является на личие в них химической связи, возникшей по донорно-акцептор- ному механизму:
м < О л |
+ «ОЦь |
|
комплексооб- |
лиганды |
внутренняя сфера |
разователь |
|
комплексного |
|
|
соединения |
16* |
243 |
Поэтому сущность реакции комплексообразования заключается во взаимодействии двух противоположностей: акцептора элек тронной пары и донора электронной пары.
Комплексные соединения - устойчивые химические со единения сложного состава, в которых обязательно име ется хотя бы одна связь, возникшая по донорно-акцеп- торному механизму.
Комплексные соединения состоят из комплексообразователя и лигандов, образующих внутреннюю сферу, и внешней сфе ры, состоящей из ионов, которые компенсируют заряд внутрен
ней сферы.
Комплекеообразователъ (центральный атом) - атом или ион, который является акцептором электронных пар, предоставляя свободные атомные орбитали, и занима ет центральное положение в комплексном соединении.
Роль комплексообразователя в основном выполняют атомы или ионы d- и /-металлов, так как они имеют много свободных
атомных орбиталей на валентном уровне и достаточно большой положительный заряд ядра, за счет которого способны притя гивать электронные пары доноров. Число свободных атомных орбиталей, предоставляемых комплексообразователем, опреде ляет его координационное число. Значение координационного
числа комплексообразователя зависит от многих факторов, но обычно оно равно удвоенному заряду иона комплексообразова теля. Наиболее характерными координационными числами яв ляются 2, 4 и 6 :
В комплексных соединениях комплексообразователь связан с лигандами.
«Лиганды - молекулы или ионы, которые являются до норами электронных пар и непосредственно связаны с комплексообразователем.
Обычно лигандами являются ионы или молекулы, содержащие неподеленные (свободные) электронные пары или достаточно подвижные я-электронные пары.
Лиганды-анионы: |
и |
g и |
и |
и |
g |
NO2 , |
F~, |
Cl , |
Br , |
I", |
OH", |
||
|
фторид |
хлорид |
бромид |
йодид |
гидроксид |
нитрит |
|
□ |
□ |
□ |
□ |
|
|
|
CN-, CNS-, RS-, |
RCOO- |
|
|
||
|
цианид |
роданид |
тиолат |
карбоксилат |
|
|
244
Лиганды-молекулы: |
g |
g |
g |
g |
н 20 , |
ROH, |
R—0 —R, |
CO, |
|
|
вода |
спирты |
эфиры |
МОНООКСИД |
|
|
|
|
углерода |
g |
g |
g |
R C H = C H 2, R C = C H |
NH3, |
R N H 2, |
RNHR, |
|
аммиак |
амины |
этиленовые и ацетилено- |
|
|
|
|
вые углеводороды (за счет |
|
|
|
электронных пар л-связей) |
По числу связей, образуемых лигандом с комплексообразователем, лиганды делятся на моно-, би- и полидентатные. Все
вышеуказанные лиганды являются монодентатными, так как они выступают донорами только одной электронной пары.
К бидентатным лигандам относятся молекулы или ионы, со держащие две функциональные группы и способные выступать донорами двух электронных пар:
g |
и |
g |
g |
g |
g |
h 2 n c h 2 c h 2 n h 2 |
-OOC-COO- |
H2 NCH2 COO- |
|||
молекула этилендиамина |
дианион щавелевой кислоты |
анион аминоуксусной |
|||
|
|
|
|
кислоты |
|
Примерами полидентатных лигандов являются: |
|
||||
|
|
- о о с с н ^ ц |
о/СНгСОО- |
||
|
|
Q |
.№ -С Н 2— CH2- N |
Q |
|
|
|
"ООССН2 |
|
СН2 СОО" |
|
дианион порфирина |
|
тетраанион этилендиаминтетрауксусной |
|||
4-дентатный лиганд |
|
кислоты (EDTA) |
|
||
|
|
|
б-дентатный лиганд |
|
|
В соответствии со своей дентатностью лиганд может образовы вать соответствующее число связей с комплексообразователем.
Лиганды координируются вокруг комплексообразователя, образуя внутреннюю сферу комплексного соединения.
Внутренняя сфера комплексного соединения есть сово н купность центрального атома и лигандов.
Во внутренней сфере связь комплексообразователя с лигандами имеет донорно-акцепторное происхождение и является ковалент ной. При записи формулы комплексного соединения его внутрен нюю сферу выделяют квадратными скобками, например [NHJCl; K;i[Fe(CN)6]. Заряд внутренней сферы комплексного соединения г
245
равен алгебраической сумме зарядов комплексообразователя и всех лигандов. Внутренняя сфера может быть:
а) заряжена положительно - катион:
[Cu2 +(NH3 )2r |
г - |
+2 + 4 |
0 * + 2 |
[Cu(NH3)4]2+ |
|
[Co3 +(NH3 )°(CN-)2]* |
г - |
+3 + 4 •0 + 2 |
(-1) - +1 |
[Co(NH3 )4 (CN)2]+ |
|
б) заряжена отрицательно - |
анион: |
|
|||
[Fe3 +(CN" ) 6 ] 2 |
г ® +3 + 6 |
(-1 ) - |
-3 |
[Fe(CN)e]3~ |
|
[Ni2 +(CNS-)e]* |
z —+2 + 6 |
•(-1) = -4 |
[Ni(CNS)e]4“ |
||
в) электронейтральна: |
|
|
|
|
|
[Fe°(CO)Jl* |
2 - 0 |
+ 5 0 |
= 0 |
|
[Fe(CO)6]° |
[Pt2 +(NH3 )°Cli]* |
г - |
+2 + 2 |
0 + 2 |
(-1) - 0 |
[Pt(NH3 )2 Cl2]° |
В соответствии с зарядом внутренней сферы комплексные со единения подразделяются на анионные, катионные и нейтраль ные комплексы.
Заряд внутренней сферы компенсируется ионами внешней сферы комплексного соединения.
Внешняя сфера комплексного соединения - это положи тельно или отрицательно заряженные ионы, нейтрали зующие заряд комплексного иона и связанные с ним ион ной связью.
Суммарный заряд ионов внешней сферы всегда равен по значе нию и противоположен по знаку заряду внутренней сферы, что бы молекула комплексного соединения была электронейтральна
[Cu(NH3 )4 ]S04 |
Ca3 [Fe(CN) e ] 2 |
[Pt(NH3 )2 Cl2] |
внутренняя | внешняя |
внешняя I внутренняя |
внутренняя |
сфера I сфера |
сфера | сфера |
сфера |
1 0 .2 . |
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ |
|
ВКОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
ИОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ
Вобразовании химической связи во внутренней сфере ком плексного соединения важнейшую роль играет донорно-акцеп- торное взаимодействие лигандов (доноры) и комплексообразова теля (акцептор). При этом между ними возникает ковалентная
ине сильно полярная связь. Именно этим объясняются главные особенности свойств внутренней сферы комплекса: строго опре деленное пространственное расположение лигандов вокруг ком плексообразователя и достаточно высокая устойчивость к дис социации связи лиганда с комплексообразователем.
Вначале рассмотрим структуру внутренней сферы комплексно го соединения. Комплексообразователь (атом или катион метал
246
ла) предоставляет свободные орбитали, которые формируются из незанятых S - , р- и d-атомных орбиталей внешних электрон
ных слоев. При этом комплексообразователь предоставляет не чистые S - , р- и d-орбитали, а энергетически равноценные гиб
ридные орбитали, оси которых определенным образом распола гаются в пространстве (табл. 10.1). Это и создает структуру внутренней сферы комплекса, которая определяется типом гиб ридизации исходных свободных атомных орбиталей комплексообразователя.
Таблица 10.1
Тип гибридизации атомных орбиталей комплексообразователя и структура внутренней сферы комплексного соединения
Координа |
Тип |
Геометрия располо |
|
|
|
гибридизации |
Структура |
Пример |
|||
ционное |
(число атомных |
жения связей |
|||
число |
орбиталей) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
ер1 (2АО) |
L ------- •---------L |
линейная |
[AgtNHsbT |
|
4 |
ар* (4АО) |
|
Li |
тетраэдри |
[BFJ- |
|
|
|
1 |
ческая |
[NKNH3)4]a+ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
IX |
> |
|
|
|
sp2dx (4АО) |
V L |
квадратно |
|
|
4 |
L |
.^L |
[CU(NH3)4]2+ |
||
|
|
|
|
плоскостная |
[PUNHgfeCy |
6 |
sp3d2 (6АО) |
|
L |
октаэдриче |
[Fe(CN)e]8+ |
|
|
|
|
ская |
[Fe(CNW4+ |
L ^ J
< L L
Для комплексных соединений, содержащих во внутренней сфере различные лиганды, характерна геометрическая изомерия, наблюдаемая в тех случаях, когда при одинаковом составе внут ренней сферы лиганды в ней располагаются по-разному относи тельно друг друга. Если два одинаковых лиганда расположены рядом, то такое соединение называется цис-изомером, если эти лиганды расположены по разные стороны от комплексообразова теля, то это транс-изомер. Например, комплекс [Pt(NH3)2Cl2]
247
может быть построен по-разному: |
|
|
|
C l^ |
^N H 3 |
NH3n^ |
^C l |
|
Pt |
|
Pt |
C l^ |
^NHg |
C l^ |
^NHa |
цис-изомер |
транс-изомер |
||
Геометрические изомеры комплексных соединений различаются не только по физическим и химическим свойствам, но и по биоло гической активности. Так, цис-изомер комплекса [Pt(NH3)2Cl2]
проявляет ярко выраженную противоопухолевую активность, а транс-изомер - нет. Следовательно, не только состав, но и гео метрия внутренней сферы комплексных соединений чрезвычай но важны для их биологического действия.
Эффективность донорно-акцепторного взаимодействия лиганда и комплексообразователя, а следовательно, и прочность связи между ними определяются их поляризуемостью, т. е. способно
стью трансформировать свои электронные оболочки под внеш ним воздействием. По этому признаку реагенты подразделяют ся на "жесткие”, или малополяризуемые, и "мягкие" - легкополяризуемые. Поляризуемость атома, молекулы или иона прежде всего зависит от размера молекулы и числа электрон ных слоев. Чем меньше радиус и число электронов у частицы, тем менее она поляризуема. Частицы с большим радиусом и большим числом электронов, наоборот, легко поляризуются. По этим признакам можно расположить в ряд комплексообразователи и лиганды, участвующие в процессах метаболизма:
Комплексообразователи:
Увеличение мягкости комплексообразователя |
О |
|
Na+, К+, Mg2+, Са2+, Mn2+, Fe2+, Со2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Hg2+
----- s-металлы |
— ^1*^ |
---------------------------------- d - металлы |
------------------------------- |
«<-------------------------------- |
металлы жизни -------------------------------- |
>|-< токсиканты - |
|
Лиганды: |
|
|
|
I |
|
Увеличение жесткости лиганда = |
> |
F", ОН', Н2 0 , СГ, Вг~, Г , RCOO-, NR3, RSH, CNT
Всоответствии с общим принципом "подобное в подобном"
испецификой донорно-акцепторного взаимодействия наиболее прочная и устойчивая к диссоциации ковалентная связь возни кает между мягкими комплексообразователями и мягкими ли гандами. С учетом того что белки, включая ферменты, содер жат мягкие легкополяризуемые группы —С00~, —NH^ и —SH, становится понятным, почему все "металлы жизни", относя щиеся к d-элементам, в организме встречаются щ^ктичеока
248
только в виде комплексов с_биосубстратами. С другой стороны, ясно, почему катионы тяж^к^меп^.тшгш. Cd24^ Ph*+r Hg_2+ сильно токсичны. Эти катиойЬг очень ’мягкие”, особенно катион Нg2+, и поэтому они активно образуют прочные комплексы с жизнен но важными белоксодержащими субстратами, нарушая их ме таболизм. Особенна Легко в реакцию комплексообразования вступают белки, содержащие группу —SH:
2RSH + 2Нg2+ —► |
R] + 2Н+ |
Склонностью к комплексообразованию объясняется также токсичность цианидов, так как анион CN- - очень мягкий ли ганд - активно взаимодействует с катионами d-металлов в ком плексах, замещая в них биосубстраты и тем самым инактиви руя эти биокомплексы.
Катионы Na+ и К+ вследствие своей жесткости практически не образуют устойчивых комплексов с биосубстратами и в фи зиологических средах находятся в основном в виде гидратиро ванных ионов. Катионы Mg2+ и Са2+ способны образовывать достаточно устойчивые комплексы с белками, и поэтому в фи зиологических средах они встречаются как в ионизованном, так
ив связанном состоянии (в виде комплексов с белками, а также нерастворимых солей - фосфатов, оксалатов и уратов).
Таким образом, прочность и устойчивость к диссоциации ковалентной связи между комплексообразователем и лигандами зависит от их природы, и прежде всего от способности вызывать
ипроявл^т^11оляризуемость.
1 0 .3 . ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПЛЕКСНЫ Х СОЕДИНЕНИЙ
Диссоциация в растворах
В растворах комплексные соединения могут подвергаться первичной и вторичной диссоциации.
«Первичная диссоциация комплексного соединения -
это распад комплексного соединения в растворе на ком плексный ион внутренней сферы и ионы внешней сферы.
В водных растворах первичная диссоциация комплексных со единений связана с разрывом в них ионной связи, и поэтому она практически необратима и ее уравнение следует записывать так:
[Ag(NH3)2]Cl |
[Ag(NH3)2r + С1- |
K4 [Fe(CN)e] — 4К+ + [Fe(CN)e]4-
[Pt(NH3 )4 Cl2 ]Cl2 — [Pt(NH3 )4 Cl2]2+ + 2СГ
Возникающий в результате первичной диссоциации подвижный комплексный ион ведет себя в растворе как целая самостоятель ная частица с характерными для нее свойствами. Поэтому в вод ных растворах комплексных соединений, как правило, нельзя об
249
наружить присутствие ионов или молекул, входящих в состав внутренней сферы. Так, в водных растворах [Ag(NH3)2]Cl не уда ется обнаружить присутствие катионов Ag+ и молекул NH3, в растворах K4[Fe(CN)6] - катионов Fe2+ и анионов CN- , а в рас творах [Pt(NH3)4Cl2]Cl2 обнаруживается присутствие только двух
моль-эквивалентов анионов хлора.
«Вторичная диссоциация комплексного соединения -
это распад внутренней сферы комплекса на составляю щие ее компоненты.
Вторичная диссоциация связана с разрывом ковалентной связи, поэтому она сильно затруднена и имеет ярко выраженный рав новесный характер подобно диссоциации слабых электролитов. Отрыв лигандов из внутренней сферы комплексного иона про исходит ступенчато:
[Ag(NH3)2]+ ^ |
[Ag(NH3)]+ + NH3 |
|
1-я ступень |
[Ag(NH3)]+ чйб: Ag+ + NH3
2-я ступень
Вторичная диссоциация, как всякий равновесный процесс, характеризуется константой равновесия, причем каждая стадия имеет свою константу. Для количественной характеристики ус тойчивости внутренней сферы комплексного соединения ис пользуют константу равновесия, описывающую полную ее дис социацию, называемую константой нестойкости комплекса ^нестДля комплексного иона [Ag(NH3)2]+ выражение констан
ты нестойкости имеет вид:
[Ag(NH3)2]+ ^ |
Ag+ + 2NH3 |
+ |
2 |
KaeCT = [Ag |
1[NH3] |
||
|
|
[Ag(NH3)$] |
|
Чем меньше KHeCT9 тем стабильнее внутренняя сфера комплек
са, т. е. тем меньше она диссоциирует в водном растворе. Зна чения Кнесткомплексных соединений, приведенные в табл. 1 0 .2 ,
свидетельствуют о том, что в результате процесса комплексооб-
Таблица 10.2
Константы нестойкости комплексных ионов
Комплексный ион |
|
^H«CT |
||
[NH4]+ 7 * |
NH3 + H+ |
5,4 •Ю" 10 |
||
[Ag(NH3)2]+ |
A g+ + 2NH3 |
9,3 |
10-8 |
|
[CU(NH3)4]2+ |
Cu2+ + 4NH3 |
2,1 |
•10~13 |
|
[Zn(OH)4]2~ |
Zn2+ + 40H~ |
3,6 |
io - ie |
|
[Fe(CN)e]3- |
Fe3+ + 6 |
CN- |
1,0 |
10~31 |
[Fe(CN)e]4- |
Fe2+ + 6 |
CN" |
1,0 •io -3e |
|
250