Стійкість координаційних сполук комплексонів похідних дикарбонових кислот. Успіхи сучасного природознавства

Дикарбонові кислоти утворюють два ряди функціональних похідних - по одній і двох карбоксильних груп.

Кислотні властивості.З накопиченням кислотних груп збільшуються кислотні властивості сполук. Кислотність дикарбонових кислот більша, ніж монокарбонових. Так, щавлева кислота (pK a 1,23) значно сильніша за оцтову (pK a 4,76), що пов'язано з -/- ефектом групи СООН, і завдяки цьому більш повної деколізації негативного заряду в сполученій підставі.

Вплив заступника найбільш виразно проявляється за його близького розташування до кислотного центру.

Декарбоксилювання.При нагріванні із сірчаною кислотою щавлева кислота декарбоксилюється, а мурашина кислота, що утворилася, розкладається далі.

Малонова кислота легко декарбоксилюється при нагріванні вище 100°С.

Освіта циклічних ангідридів.У дикарбонових кислотах, що містять чотири або п'ять атомів вуглецю в ланцюгу і здатних внаслідок цього перебувати в клешнеподібної конформації, відбувається зближення у просторі функціональних груп. Внаслідок внутрішньомолекулярної атаки однією карбоксильною групою (нуклеофілом) електрофільного центру іншої карбоксильної групи відбувається утворення (при нагріванні) стійкого п'ятиабо відповідно шестичленного циклічного ангідриду, як показано на прикладах бурштинової та глутарової кислот. Іншими словами, ангідриди дикарбонових кислот є продуктами. внутрішньомолекулярної циклізації

Малеїнова та фумарова кислоти виявляють подібні хімічні властивості: вступають у реакції, властиві сполукам з подвійним зв'язком (знебарвлення бромної води, водного розчину перманганату калію) та сполукам з карбоксильними групами (утворюють два ряди похідних - кислі та середні солі, ефіри тощо). ). Однак тільки одна з кислот, а саме малеїнова, щодо м'яких умов зазнає внутрішньомолекулярної циклізації з утворенням циклічного ангідриду. У фумарової кислоти внаслідок віддаленості карбоксильних груп один від одного в просторі утворення циклічного ангідриду неможливе.

Окислення бурштинової кислоти in vivo. Дегідрування (окислення) бурштинової кислоти у фумарову, що каталізується в організмі ферментом, здійснюється за участю коферменту ФАД. Реакція протікає стереоспецифічно з утворенням фумарової кислоти (в іонній формі – фумарат).

3.1.4. Таутомеріяβ -дикарбонільних сполук

Певна протонна рухливість атома водню у α-атома вуглецю в карбонільних сполуках (слабкого СН-кислотного центру) проявляється в їх здатності до реакцій конденсації. Якщо рухливість такого атома водню зросте настільки, що він зможе відщепитися у вигляді протона, це призведе до утворення мезомерного іона (I), негативний заряд якого розосереджений між атомами вуглецю і кисню. Зворотне приєднання протона до цього іону відповідно до його граничних структур може призводити або до вихідного карбонильному з'єднання, або до енолу.

Відповідно до цього карбонільна сполука може існувати в рівновазі з ізомером - енольною формою.Такий вид ізомерії називають таутомерією,а ізомери, що перебувають у стані рухомого
рівноваги, - таутомірами.

Таутомерія – рівноважна динамічна ізомерія. Її сутність полягає у взаємному перетворенні ізомерів з перенесенням будь-якої рухомої групи та відповідним перерозподілом електронної щільності.

У розглянутому випадку між кетонною та енольною формами здійснюється перенесення протона, тому таку рівновагу називають прототропною таутомерією,зокрема, кето-енольною таутомерією.

У монокарбонільних сполуках (альдегідах, кетонах, складних ефірах) рівновага практично повністю зміщена у бік кетонної форми. Наприклад, вміст енольної форми в ацетоні становить лише 0,0002%. За наявності другої електроноакцепторної групи у α-атома вуглецю (наприклад, другої карбонільної групи) вміст енольної форми зростає. Так, в 1,3-дикарбонільному з'єднанні ацетилацетоні (пентандіоні-2,4) єнольна форма переважає.

Загальна хімія: підручник / О. В. Жолнін; за ред. В. А. Попкова, А. В. Жолніна. – 2012. – 400 с.: іл.

Глава 7. КОМПЛЕКСНІ СПОЛУКИ

Глава 7. КОМПЛЕКСНІ СПОЛУКИ

Комплексоутворюючі елементи є організаторами життя.

К. Б. Яцимирський

Комплексні з'єднання - найбільший і різноманітний клас з'єднань. У живих організмах є комплексні сполуки біогенних металів з білками, амінокислотами, порфіринами, нуклеїновими кислотами, вуглеводами, макроциклічними сполуками. Найважливіші процеси життєдіяльності відбуваються з участю комплексних сполук. Деякі з них (гемоглобін, хлорофіл, гемоціанін, вітамін В 12 та ін) відіграють значну роль у біохімічних процесах. Багато лікарських препаратів містять комплекси металів. Наприклад, інсулін (комплекс цинку), вітамін 12 (комплекс кобальту), платинол (комплекс платини) і т.д.

7.1. КООРДИНАЦІЙНА ТЕОРІЯ А. ВЕРНЕРА

Будова комплексних з'єднань

При взаємодії частинок спостерігається взаємна координація частинок, яку можна визначити як процес комплексоутворення. Наприклад, процес гідратації іонів закінчується утворенням аквакомплексів. Реакції комплексоутворення супроводжуються перенесенням електронних пар і призводять до утворення чи руйнації сполук вищого ладу, про комплексних (координаційних) сполук. Особливістю комплексних сполук є наявність у них координаційного зв'язку, що виник за донорно-акцепторним механізмом:

Комплексними сполуками називаються сполуки, що існують як у кристалічному стані, так і в розчині, особливістю

яких є наявність центрального атома оточеного лігандами. Комплексні сполуки можна як складні сполуки вищого порядку, які з простих молекул, здатних до самостійного існування у розчині.

За координаційною теорією Вернера в комплексному поєднанні розрізняють внутрішнюі зовнішню сферу.Центральний атом з оточуючими його лігандами утворюють внутрішню сферу комплексу. Її зазвичай укладають у квадратні дужки. Решта в комплексному поєднанні становить зовнішню сферу і пишеться за квадратними дужками. Навколо центрального атома розмішається певна кількість лігандів, що визначається координаційним числом(Кч). Число координованих лігандів найчастіше дорівнює 6 чи 4. Ліганд займає біля центрального атома координаційне місце. При координації змінюються властивості як лігандів, і центрального атома. Часто координовані ліганди неможливо виявити за допомогою хімічних реакцій, характерних для них у вільному стані. Більш міцно пов'язані частинки внутрішньої сфери називаються комплексом (комплексним іоном).Між центральним атомом та лігандами діють сили тяжіння (утворюється ковалентний зв'язок по обмінному та (або) донорно-акцепторному механізму), між лігандами – сили відштовхування. Якщо заряд внутрішньої сфери дорівнює 0, зовнішня координаційна сфера відсутня.

Центральний атом (комплексоутворювач)- Атом або іон, який займає центральне положення в комплексному з'єднанні. Роль комплексоутворювача найчастіше виконують частинки, мають вільні орбіталі і досить великий позитивний заряд ядра, отже, може бути акцепторами електронів. Це катіони перехідних елементів. Найбільш сильні комплексоутворювачі - елементи IB і VIIIB груп. Рідко в якості комплексоутворення

ників виступають нейтральні атоми d-елементів і атоми неметалів різною мірою окислення - . Число вільних атомних орбіталей, що надаються комплексоутворювачем, визначає його координаційне число. Величина координаційного числа залежить від багатьох факторів, але зазвичай вона дорівнює подвоєному заряду іона-комплексоутворювача:

Ліганди- іони або молекули, які безпосередньо пов'язані з комплексоутворювачем та є донорами електронних пар. Ці електронадлишкові системи, що мають вільні та рухливі електронні пари, можуть бути донорами електронів, наприклад:

Сполуки р-елементів виявляють комплексоутворюючі властивості і виступають у комплексному поєднанні як ліганди. Лігандами можуть бути атоми та молекули (білка, амінокислот, нуклеїнових кислот, вуглеводів). За кількістю зв'язків, що утворюються лігандами з комплексоутворювачем, ліганди поділяються на моно-, ді-і ліганди полідентату.Вищеперелічені ліганди (молекули та аніони) є монодентатними, оскільки вони донори однієї електронної пари. До бідендатних лігандів відносяться молекули або іони, що містять дві функціональні групи, здатні бути донором двох електронних пар:

До полідентатних лігандів можна віднести 6-дентатний ліганд етилендіамінтетраоцтової кислоти:

Число місць, які займає кожен ліганд у внутрішній сфері комплексного з'єднання, називається координаційною ємністю (дентатністю) ліганду.Вона визначається числом електронних пар ліганду, які беруть участь у освіті координаційного зв'язку з центральним атомом.

Крім комплексних сполук, координаційна хімія охоплює подвійні солі, кристалогідрати, що розпадаються у водному розчині на складові, які в твердому стані в багатьох випадках побудовані аналогічно комплексним, але нестійкі.

Найбільш стійкі та різноманітні комплекси за складом та виконуваними ними функціям утворюють d-елементи. Особливо велике значення мають комплексні сполуки перехідних елементів: заліза, марганцю, титану, кобальту, міді, цинку та молібдену. Біогенні s-елементи (Na, К, Mg, Са) утворюють комплексні сполуки тільки з лігандами певної циклічної структури, виступаючи також як комплексоутворювач. Основна частина р-Елементів (N, P, S, Про) є активною діючою частиною комплексоутворювальних частинок (лігандів), у тому числі і біолігандів. У цьому полягає їхня біологічна значимість.

Отже, здатність до комплексоутворення – це загальна властивість хімічних елементів періодичної системи, ця здатність зменшується в наступному порядку: f> d> p> s.

7.2. ВИЗНАЧЕННЯ ЗАРЯДУ ОСНОВНИХ ЧАСТОК КОМПЛЕКСНОЇ СПОЛУКИ

Заряд внутрішньої сфери комплексного з'єднання являє собою суму алгебри зарядів утворюють її частинок. Наприклад, величина та знак заряду комплексу визначаються наступним чином. Заряд іону алюмінію дорівнює +3, сумарний заряд шести гідроксид-іонів -6. Отже, заряд комплексу дорівнює (+3) + (-6) = -3 та формула комплексу 3-. Заряд комплексного іона чисельно дорівнює сумарному заряду зовнішньої сфери та протилежний йому за знаком. Наприклад, заряд зовнішньої сфери K3 дорівнює +3. Отже, заряд комплексного іона дорівнює -3. Заряд комплексоутворювача дорівнює за величиною і протилежний за знаком алгебраїчної сумі зарядів решти всіх частинок комплексного з'єднання. Звідси, в K 3 заряд іона заліза дорівнює +3, оскільки сумарний заряд решти частинок комплексного з'єднання дорівнює (+3) + (-6) = -3.

7.3. НОМЕНКЛАТУРА КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК

Основи номенклатури розроблені у класичних працях Вернера. Відповідно до них у комплексному з'єднанні спочатку називають катіон, а потім аніон. Якщо з'єднання неелектролітного типу, його називають одним словом. Назва комплексного іона пишеться одне слово.

Нейтральний ліганд називають так само, як і молекулу, а до ліганд-аніонів додають в кінці «о». Для координованої молекули води використовують позначення "аква-". Для позначення числа однакових лігандів у внутрішній сфері комплексу як приставку перед назвою лігандів використовують грецькі числівники ді-, три-, тетра-, пента-, гекса-і т.д. Приставку мононе використовують. Ліганди перераховують за абеткою. Назву ліганда розглядають як єдине ціле. Після назви ліганда слід найменування центрального атома із зазначенням ступеня окислення, яку позначають римськими цифрами у круглих дужках. Слово аміну (з двома «м») пишеться стосовно аміаку. Для решти амінів вживається лише одне «м».

C1 3 - гексаммінкобальту (III) хлорид.

C1 3 - аквапентаммінкобальту (III) хлорид.

Cl 2 - пентаметиламмінхлорокобальту (III) хлорид.

Діамміндібромоплатину (II).

Якщо комплексний іон є аніоном, його латинська назва має закінчення «am».

(NH 4) 2 - амоній тетрахлоропаладат (II).

K – калій пентабромоаммінплатинат (IV).

K 2 – калій тетрароданокобальтат (II).

Назва складного ліганду зазвичай укладають у круглі дужки.

NO 3 - дихлор-ді-(етилендіамін) кобальту (III) нітрат.

Br - бромо-трис-(трифенілфосфін) платини (II) бромід.

У тих випадках, коли ліганд пов'язує два центральні іони, перед його назвою вживається грецька літераμ.

Такі ліганди називають містковимита перераховують останніми.

7.4. ХІМІЧНИЙ ЗВ'ЯЗОК І БУДОВА КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК

В утворенні комплексних сполук важливу роль відіграють донорно-акцепторні взаємодії ліганду та центрального атома. Донором електронної пари зазвичай є ліганд. Акцептор - центральний атом, який має вільні орбіталі. Зв'язок цей міцний і не розривається при розчиненні комплексу (неіоногенний), і його називають координаційної.

Поряд із зв'язками утворюються π-зв'язки по донорно-акцепторному механізму. При цьому донором служить іон металу, що віддає свої спаровані d-електрони ліганду, що має енергетично вигідні вакантні орбіталі. Такі зв'язки називають датними. Вони утворюються:

а)за рахунок перекриття вакантних р-орбіталей металу з d-ор-біталлю металу, на якій знаходяться електрони, що не вступили в σ-зв'язок;

б) при перекриванні вакантних d-орбіталей ліганду із заповненими d-орбіталями металу.

Мірою її міцності є ступінь перекривання орбіталей лігану та центрального атома. Спрямованість зв'язків центрального атома визначає геометрію комплексу. Для пояснення спрямованості зв'язків використовують уявлення про гібридизацію атомних орбіталей центрального атома. Гібридні орбіталі центрального атома є результатом змішування нерівноцінних атомних орбіталей, в результаті форма та енергія орбіталей взаємно змінюються, і утворюються орбіталі нової однакової форми та енергії. Число гібридних орбіталей завжди дорівнює числу вихідних. Гібридні хмари розташовуються в атомі на максимальній відстані один від одного (табл. 7.1).

Таблиця 7.1.Типи гібридизації атомних орбіталей комплексоутворювача та геометрія деяких комплексних сполук

Просторова структура комплексу визначається типом гібридизації валентних орбіталей і числом неподілених електронних пар, які у його валентному енергетичному рівні.

Ефективність донорно-акцепторного взаємодії ліганду і комплексоутворювача, отже, і міцність зв'язку з-поміж них (стійкість комплексу) визначаються їх поляризованістю, тобто. здатністю трансформувати свої електронні оболонки під зовнішнім впливом. За цією ознакою реагенти поділяються на «жорсткі»,або малополяризовані, та «м'які» -легкополя-різовані. Полярність атома, молекули або іона залежить від їхнього розміру та числа електронних шарів. Чим менший радіус та електронів у частинки, тим вона менша поляризується. Чим менший радіус і менше електронів у частинки, тим вона гірше поляризується.

Жорсткі кислоти утворюють з електронегативними атомами О, N, F лігандів (жорстких основ) міцні (жорсткі) комплекси, а м'які кислоти утворюють з донорними атомами Р, S і I лігандів, що мають низьку електронегативність і високу поляризацію, міцні (м'які) комплекси. Ми спостерігаємо тут прояв загального принципу «подібне до подібного».

Іони натрію, калію внаслідок своєї жорсткості практично не утворюють стійких комплексів з біосубстратами та у фізіологічних середовищах знаходяться у вигляді аквакомплексів. Іони Са 2+ та Mg 2+ утворюють досить стійкі комплекси з білками і тому у фізіологічних середовищах знаходяться як в іонному, так і у зв'язаному стані.

Іони d-елементів утворюють з біосубстратами (білками) міцні комплекси. А м'які кислоти Cd, Pb, Hg дуже токсичні. Вони утворюють міцні комплекси з білками, що містять R-SH сульф-гідрильні групи:

Ціанід-іон токсичний. М'який ліганд активно взаємодіє з d-металами в комплексах з біосубстратами, активуючи останні.

7.5. ДИСОЦІАЦІЯ КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК. СТІЙКІСТЬ КОМПЛЕКСІВ. ЛАБІЛЬНІ ТА ІНЕРТНІ КОМПЛЕКСИ

При розчиненні у воді комплексних сполук зазвичай вони розпадаються на іони зовнішньої та внутрішньої сфер, подібно до сильних електролітів, оскільки ці іони пов'язані іоногенно, в основному електростатичними силами. Це оцінюється як первинна дисоціація комплексних сполук.

Вторинна дисоціація комплексного з'єднання - це розпад внутрішньої сфери на її компоненти. Цей процес протікає на кшталт слабких електролітів, оскільки частки внутрішньої сфери пов'язані неионогенно (ковалентної зв'язком). Дисоціація має ступінчастий характер:

Для якісної характеристики стійкості внутрішньої сфери комплексної сполуки використовують константу рівноваги, що описує повну її дисоціацію, звану константою нестійкості комплексу(Кн). Для комплексного аніону - вираз константи нестійкості має вигляд:

Чим менше значення Кн, тим стійкішою є внутрішня сфера комплексного з'єднання, тобто. тим менше вона дисоціює у водному розчині. Останнім часом замість Кн використовують значення константи стійкості (Ку) – величини, зворотної Кн. Чим більше значення Ку, тим стабільніший комплекс.

Константи стійкості дозволяють прогнозувати напрямок лігандообмінних процесів.

У водному розчині іон металу існує у вигляді аквакомплексів: 2 + - гексаакважелезо (II), 2 + - тетрааквамедь (II). При написанні формул гідратованих іонів координовані молекули води гідратної оболонки не вказуємо, але маємо на увазі. Утворення комплексу між іоном металу та будь-яким лігандом розглядаємо як реакцію заміщення молекули води у внутрішній координаційній сфері цим лігандом.

Лігандообмінні реакції протікають механізмом реакцій S N -Типу. Наприклад:

Значення констант стійкості, наведені у таблиці 7.2, свідчать про те, що за рахунок процесу комплексоутворення відбувається міцне зв'язування іонів у водних розчинах, що вказує на ефективність використання даного типу реакцій для зв'язування іонів, особливо полідентатними лігандами.

Таблиця 7.2.Стійкість комплексів цирконію

На відміну від реакцій іонного обміну утворення комплексних сполук часто не є квазімгненним процесом. Наприклад, при взаємодії заліза (III) з нітрилтриметиленфосфоновою кислотою рівновага встановлюється через 4 доби. Для кінетичної характеристики комплексів використовуються поняття лабільний(Швидко вступає в реакцію) та інертний(Повільно вступає в реакцію). Лабільними комплексами, за пропозицією Г. Таубе, вважаються такі, що повністю обмінюються лігандами протягом 1 хв при кімнатній температурі та концентрації розчину 0,1 М. Необхідно чітко розрізняти термодинамічні поняття [міцний (стійкий)/неміцний (нестійкий)] та кінетичні [ інертний та лабільний] комплекси.

У лабільних комплексів заміщення лігандів відбувається швидко та швидко встановлюється рівновага. У інертних комплексів заміщення лігандів протікає повільно.

Так, інертний комплекс 2+ у кислому середовищі термодинамічно нестійкий: константа нестійкості дорівнює 10 -6 , а лабільний комплекс 2 дуже стійкий: константа стійкості дорівнює 10 -30 . Лабільність комплексів Таубе пов'язує із електронною структурою центрального атома. Інертність комплексів властива, головним чином, іонам із незакінченою d-оболонкою. До інертних відносяться комплекси З, Сr. Ціанідні комплекси багатьох катіонів із зовнішнім рівнем s 2 p 6 лабільні.

7.6. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПЛЕКСІВ

Процеси комплексоутворення позначаються на властивості всіх частинок, що утворюють комплекс. Чим вище міцність зв'язків ліганду та комплексоутворювача, тим меншою мірою в розчині проявляються властивості центрального атома та лігандів і тим помітніше позначаються особливості комплексу.

Комплексні сполуки виявляють хімічну та біологічну активність внаслідок координаційної ненасиченості центрального атома (є вільні орбіталі) та наявності вільних електронних пар лігандів. У цьому випадку комплекс володіє електро-фільними та нуклеофільними властивостями, відмінними від властивостей центрального атома та лігандів.

Необхідно враховувати вплив на хімічну та біологічну активність будови гідратної оболонки комплексу. Процес утворення

ня комплексів впливає на кислотно-основні властивості комплексної сполуки. Утворення комплексних кислот супроводжується збільшенням сили кислоти або основи відповідно. Так, при утворенні комплексних кислот із простих енергія зв'язку з іонами Н+ падає і сила кислоти відповідно зростає. Якщо у зовнішній сфері знаходиться іон ОН - , то зв'язок між комплексним катіоном та гідроксид-іоном зовнішньої сфери зменшується, і основні властивості комплексу збільшуються. Наприклад, гідроксид міді Cu(ОН) 2 - слабка, важкорозчинна основа. При дії на нього аміаку утворюється аміакат міді (OH) 2 . Щільність заряду 2+ порівняно з Cu 2+ зменшується, зв'язок з іонами ВІН - послаблюється і (OH) 2 поводиться як сильна основа. Кислотно-основні властивості лігандів, пов'язаних з комплексоутворювачем, зазвичай проявляються сильніше, ніж кислотно-основні властивості їх у вільному стані. Наприклад, гемоглобін (Нb) або оксигемоглобін (НbО 2) виявляють кислотні властивості за рахунок вільних карбоксильних груп білка-глобіну, що є лігандом ННb ↔ Н + + Hb - . У той же час аніон гемоглобіну за рахунок аміногруп білка глобіну виявляє основні властивості і тому зв'язує кислотний оксид СО 2 з утворенням аніону карбаміногемоглобіну (НbСО 2 -): СО 2 + Hb - ↔ НbСО 2 -.

Комплекси виявляють окислювально-відновні властивості за рахунок окисно-відновних перетворень комплексоутворювача, що утворює стійкі ступені окислення. Процес комплексоутворення сильно впливає величини відновлювальних потенціалів d-елементів. Якщо відновлена ​​форма катіонів утворює з цим лігандом стійкіший комплекс, ніж його окислена форма, то величина потенціалу зростає. Зниження величини потенціалу відбувається, коли стійкіший комплекс утворює окислена форма.Наприклад, під дією окислювачів: нітритів, нітратів, NO 2 H 2 O 2 гемоглобін в результаті окислення центрального атома перетворюється на метгемоглобін.

Шоста орбіталь використовується в утворенні оксигемоглобіну. Ця ж орбіталь бере участь у освіті зв'язку з монооксидом вуглецю. В результаті утворюється макроциклічний комплекс із залізом – карбоксигемоглобін. Цей комплекс у 200 разів стійкіший, ніж комплекс заліза з киснем у гемі.

Рис. 7.1.Хімічні перетворення гемоглобіну в людини. Схема з кн.: Слєсарєв В.І. Основи хімії живого, 2000

Освіта комплексних іонів впливає каталітичну активність іонів комплексоутворювачів. У ряді випадків активність зростає. Це зумовлено утворенням у розчині великих структурних систем, здатних брати участь у створенні проміжних продуктів та зниження енергії активації реакції. Наприклад, якщо до Н 2 Про 2 додати Cu 2+ або NH 3 процес розкладання не прискорюється. У присутності ж комплексу 2+, що утворюється у лужному середовищі, розкладання перекису водню прискорюється у 40 млн разів.

Отже, на гемоглобіні можна розглянути властивості комплексних сполук: кислотно-основні, комплексоутворення та окисно-відновні.

7.7. КЛАСИФІКАЦІЯ КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК

Існує кілька систем класифікації комплексних з'єднань, що ґрунтуються на різних принципах.

1. За належністю комплексної сполуки до певного класу сполук:

Комплексні кислоти H 2;

Комплексні основи OH;

Комплексні солі K4.

2. За природою ліганда: аквакомплекси, аміакати, ацидоком-плекси (як ліганди виступають аніони різних кислот, K 4 ; гідроксокомплекси (як ліганди - гідроксильні групи, K 3 ); комплекси з макроциклічними лігандами, всередині яких розміщені центральний атом.

3.По знаку заряду комплексу: катіонні - комплексний катіон у комплексному з'єднанні Cl 3 ; аніонні – комплексний аніон у комплексному з'єднанні K; нейтральні – заряд комплексу дорівнює 0. Комплексне з'єднання зовнішньої сфери не має, наприклад. Це формула протипухлинного препарату.

4.По внутрішній структурі комплексу:

а) залежно від числа атомів комплексоутворювача: моноядерні- До складу комплексної частинки входить один атом комплексоутворювача, наприклад Cl 3 ; багатоядерні- у складі комплексної частки кілька атомів комплексоутворювача - залізопротеїновий комплекс:

б) залежно від кількості видів лігандів розрізняють комплекси: однорідні (однолігандні),містять один вид ліганду, наприклад 2 +, і різнорідні (різнолігандні)- два види лігандів або більше, наприклад, Pt(NH 3) 2 Cl 2 . До складу комплексу входять ліганди NH 3 і Cl - . Для комплексних сполук, що у внутрішній сфері різні ліганди, характерна геометрична ізомерія, коли при однаковому складі внутрішньої сфери ліганди в ній розташовуються по-різному відносно один одного.

Геометричні ізомери комплексних сполук відрізняються не тільки за фізичними та хімічними властивостями, але й біологічною активністю. Цис-ізомер Pt(NH 3) 2 Cl 2 має яскраво виражену протипухлинну активність, а транс-ізомер - ні;

в)залежно від дентатності лігандів, що утворюють моноядерні комплекси, можна виділити групи:

Одноядерні комплекси з монодентатними лігандами, наприклад 3+;

Одноядерні комплекси з полідентатними лігандами. Комплексні сполуки з полідентатними лігандами називають хелатними сполуками;

г) циклічні та ациклічні форми комплексних сполук.

7.8. ХЕЛАТНІ КОМПЛЕКСИ. Комплекси. КОМПЛЕКСОНАТИ

Циклічні структури, які утворюються в результаті приєднання іона металу до двох донорних атомів або більше, що належать одній молекулі хелатоутворюючого агента, називаються хелатними сполуками.Наприклад, гліцинат міді:

У них комплексоутворювач як би веде всередину ліганда, охоплений зв'язками, як клешнями, тому вони за інших рівних умов мають більш високу стійкість, ніж сполуки, що не містять циклів. Найбільш стійкі цикли, що складаються з п'яти чи шести ланок.Це правило вперше сформульовано Л.А. Чугаєвим. Різниця

стійкості хелатного комплексу та стійкості його нециклічного аналога називають хелатним ефектом.

Як хелатоутворювальний агент виступають полідентатні ліганди, які містять 2 типи угруповань:

1) групи, здатні до утворення ковалентних полярних зв'язків за рахунок реакцій обміну (донори протонів, акцептори електронних пар) -СН 2 СООН, -СН 2 РО(ОН) 2 -CH 2 SO 2 OH - кислотні групи (центри);

2) групи-донори електронних пар: ≡N, NH, C = O, -S-, -OH, - основні групи (центри).

Якщо такі ліганди насичують внутрішню координаційну сферу комплексу та повністю нейтралізують заряд іона металу, то сполуки називають внутрішньокомплексними.Наприклад, гліцинат міді. У цьому комплексі зовнішня сфера відсутня.

Велика група органічних речовин, що містять у молекулі основні та кислотні центри, називається комплексонами.Це багатоосновні кислоти. Хелатні сполуки, що утворюються комплексонами при взаємодії з іонами металів, називають комплексонатами,наприклад, комплексонат магнію з етилендіамінтетраоцтовою кислотою:

У водному розчині комплекс існує в аніонній формі.

Комплексони та комплексонати є простою моделлю складніших сполук живих організмів: амінокислот, поліпептидів, білків, нуклеїнових кислот, ферментів, вітамінів та багатьох інших ендогенних сполук.

Нині випускається величезний асортимент синтетичних комплексонів із різними функціональними групами. Формули основних комплексонів представлені нижче:

Комплексони за певних умов можуть надавати неподілені електронні пари (кілька) для утворення координаційного зв'язку з іоном металу (s-, p- або d-елементи). В результаті утворюються стійкі сполуки хелатного типу з 4-, 5-, 6- або 8-членними циклами. Реакція протікає у широкому інтервалі pH. Залежно від pH, природи комплексоутворювача, його співвідношення з лігандом утворюються комплексонати різної міцності і розчинності. Хімізм утворення комплексонатів можна представити рівняннями на прикладі натрієвої солі ЕДТА (Na 2 H 2 Y), який у водному розчині дисоціює: Na 2 H 2 Y→ 2Na + + H 2 Y 2- і іон H 2 Y 2- взаємодіє з іонами металів незалежно від ступеня окиснення катіону металу, з однією молекулою комплексону взаємодіє найчастіше один іон металу (1:1). Реакція протікає кількісно (Кр>109).

Комплексони та комплексонати виявляють у широкому інтервалі pH амфотерні властивості, здатність брати участь у реакціях окислення-відновлення, комплексоутворення, утворюють сполуки з різноманітними властивостями залежно від ступеня окислення металу, його координаційної насиченості, мають електрофільні та нуклеофільні властивості. Все це визначає здатність пов'язувати величезну кількість частинок, що дозволяє малою кількістю реагенту вирішувати великі та різноманітні завдання.

Інша незаперечна перевага комплексонів і комплексонатів - це мала токсичність і здатність перетворювати токсичні частки

малотоксичні або навіть біологічно активні. Продукти руйнування комплексонатів не накопичуються в організмі та нешкідливі. Третя особливість комплексонатів – це можливість їх використання як джерела мікроелементів.

Підвищена засвоюваність обумовлена ​​тим, що мікроелемент вводиться в біологічно активній формі і має високу мембрано-проникність.

7.9. ФОСФОРЗМІСНІ КОМПЛЕКСОНАТИ МЕТАЛІВ - ЕФЕКТИВНА ФОРМА ПЕРЕТВОРЕННЯ МІКРО-І МАКРОЕЛЕМЕНТІВ У БІОЛОГІЧНО АКТИВНИЙ СТАН І МОДЕЛЬ ДОСЛІДЖЕННЯ БІОЛОГІЇ

Концепція біологічна активністьохоплює широке коло явищ. З точки зору хімічного впливу під біологічно активними речовинами (БАВ) прийнято розуміти речовини, які можуть діяти на біологічні системи, регулюючи їхню життєдіяльність.

Здатність до такого впливу трактують як здатність до біологічної активності. Регуляція може виявлятись у ефектах стимулювання, пригнічення, розвитку тих чи інших ефектів. Крайнім проявом біологічної активності є біоцидна дія,коли внаслідок впливу речовини-біоциду на організм останній гине. При менших концентраціях у більшості випадків біоциди чинять на живі організми не летальну, а стимулюючу дію.

В даний час відома велика кількість таких речовин. Проте у багатьох випадках застосування відомих БАВ використовують недостатньо, нерідко з ефективністю, далекою від максимальної, і застосування нерідко призводить до побічних ефектів, які можуть бути усунені шляхом введення БАВ модифікаторів.

Фосфоровмісні комплексонати утворюють сполуки з різноманітними властивостями залежно від природи, ступеня окислення металу, координаційної насиченості, складу та будови гідратної оболонки. Все це визначає поліфункціональність комплексонатів, їх унікальну здатність субстехіометричного дії,

ефект загального іона та забезпечує широке застосування в медицині, біології, екології та в різних галузях народного господарства.

При координації іоном металу комплексу відбувається перерозподіл електронної щільності. Внаслідок участі неподіленої електронної пари при донорно-акцепторному взаємодії відбувається зміщення електронної щільності ліганду (комплексона) до центрального атома. Зниження щодо негативного заряду на ліганді сприяє зменшенню кулонівського відштовхування реагентів. Тому координований ліганд стає доступнішим для атаки нуклеофільним реагентом, що має на реакційному центрі надлишок електронної щільності. Зміщення електронної щільності від комплексону до іону металу призводить до відносного збільшення позитивного заряду атома вуглецю, а отже, і полегшення його атаки нуклеофільним реагентом, гідроксильним іоном. Гідроксильований комплекс серед ферментів, які каталізують процеси метаболізму в біологічних системах, займає одне з центральних місць у механізмі ферментативної дії та детоксикації організму. В результаті багатоточкової взаємодії ферменту з субстратом відбувається орієнтація, що забезпечує зближення активних груп в активному центрі та переведення реакції у внутрішньомолекулярний режим, до початку перебігу реакції та утворення перехідного стану, що забезпечує ферментативну функцію ФКМ.У молекулах ферменту можуть відбуватися конформаційні зміни. Координація створює додаткові умови для окислювально-відновної взаємодії між центральним іоном та лігандом, оскільки встановлюється безпосередній зв'язок між окислювачем та відновником, що забезпечує перехід електронів. Для комплексів перехідних металів ФКМ може бути характерні переходи електронів типу L-M, M-L, M-L-M, у яких беруть участь орбіталі як металу (M), і лігандів (L), які пов'язані у комплексі донорно-акцепторными зв'язками. Комплексони можуть служити місточком яким осцилируют електрони багатоядерних комплексів між центральними атомами одного чи різних елементів різною мірою окислення (комплекси перенесення електронів та протонів).Комплексони визначають відновлювальні властивості комплексонатів металів, що дозволяє виявляти високі антиоксидантні, адаптогенні властивості, гомеостатичні функції.

Отже, комплексони перетворюють мікроелементи на біологічно активну, доступну для організму форму. Вони утворюють стійкі,

більш координаційно насичені частинки, нездатні руйнувати біокомплекси, отже, малотоксичні форми. Комплексонати сприятливо діють при порушенні мікроелементного гомеоста через організм. Іони перехідних елементів у комплексонатній формі виступають в організмі як фактор, що визначає високу чутливість клітин, до мікроелементів шляхом їхньої участі у створенні високого градієнта концентрації, мембранного потенціалу. Комплексонати перехідних металів ФКМ володіють біорегуляторними властивостями.

Наявність у складі ФКМ кислотних та основних центрів забезпечує амфотерні властивості та їх участь у підтримці кислотно-основної рівноваги (стан ізогідрії).

Зі збільшенням числа фосфонових груп у складі комплексону змінюються склад та умови утворення розчинних та малорозчинних комплексів. Збільшення числа фосфонових груп сприяє утворенню малорозчинних комплексів у ширшому інтервалі pH, зрушує сферу їх існування в кислу область. Розкладання комплексів відбувається при pH понад 9.

Вивчення процесів комплексоутворення з комплексонами дозволило розробити методики синтезу біорегуляторів:

Стимулятори зростання пролонгованої дії в колоїдно-хімічній формі - це поліядерні гомо-і гетерокомплексні сполуки титану і заліза;

Стимулятори росту у водорозчинній формі. Це різнолігандні комплексонати титану на основі комплексонів і неорганічного ліганду;

Інгібітори росту - фосфоровмісні комплексонати s-елементів.

Біологічна дія синтезованих препаратів на зростання та розвиток вивчена у хронічному експерименті на рослинах, тваринах та людині.

Біорегуляція- це новий науковий напрямок, що дозволяє регулювати напрямок та інтенсивність біохімічних процесів, що можна широко використовувати в медицині, тваринництві та рослинництві. Воно пов'язане з розробкою способів відновлення фізіологічної функції організму з метою профілактики та лікування захворювань та вікових патологій. Комплексони та комплексні сполуки на їх основі можна віднести до перспективних біологічно активних сполук. Вивчення їхньої біологічної дії в хронічному експерименті показало, що хімія дала в руки медиків,

тваринників, агрономів та біологів новий перспективний засіб, що дозволяє активно впливати на живу клітину, регулювати умови харчування, зростання та розвиток живих організмів.

Дослідження токсичності застосовуваних комплексонів та комплексонатів показало повну відсутність впливу препаратів на кровотворні органи, артеріальний тиск, збудливість, частоту дихання: не відмічено зміну функції печінки, не виявлено токсикологічного впливу на морфологію тканин та органів. Калієва сіль ОЕДФ не має токсичності в дозі, що в 5-10 разів перевищує лікувальну (10-20 мг/кг) при дослідженні протягом 181 діб. Отже, комплексони відносяться до малотоксичних сполук. Вони використовуються як лікарські препарати для боротьби з вірусними захворюваннями, отруєннями важкими металами та радіоактивними елементами, порушенням кальцієвого обміну, при ендемічних захворюваннях та порушенні балансу мікроелемента в організмі. Фосфоровмісні комплекси і комплексонати не піддаються фотолізу.

Прогресуюче забруднення довкілля важкими металами - продуктами господарську діяльність людини є постійно діючим екологічним чинником. Вони можуть накопичуватися в організмі. Надлишок та нестача їх викликають інтоксикацію організму.

Комплексонати металів зберігають в організмі хелатоутворюючий ефект по ліганду (комплексону) і є незамінними для підтримки металолігандного гомеостазу. Інкорпоровані важкі метали до певної міри нейтралізуються в організмі, а низька ресорбційна здатність перешкоджає передачі металів уздовж трофічних ланцюгів, в результаті це призводить до певної «біомінізації» їхньої токсичної дії, що особливо актуально для Уральського регіону. Наприклад, вільний іон свинцю відноситься до тіолових отрут, а міцний комплексонат свинцю з етилендіамінтетраоцтовою кислотою малотоксичний. Тому детоксикація рослин та тварин полягає у застосуванні комплексонатів металів. Вона заснована на двох термодинамічних принципах: їх здатності утворювати міцні зв'язки з токсичними частинками, перетворюючи їх на малорозчинні або стійкі у водному розчині сполуки; їх нездатності руйнувати ендогенні біокомплекси. У зв'язку з цим ми вважаємо важливим напрямом боротьби з екоотруєння та отриманням екологічно чистої продукції - це комплексонотерапію рослин і тварин.

Проведено вивчення впливу обробки рослин комплексо-ми різних металів при інтенсивній технології вирощування.

картоплі на мікроелементний склад бульб картоплі. Зразки бульб містили 105-116 мг/кг заліза, 16-20 мг/кг марганцю, 13-18 мг/кг міді та 11-15 мг/кг цинку. Співвідношення та вміст мікроелементів типові для рослинних тканин. Бульби, вирощені із застосуванням та без застосування комплексонатів металів, мають практично однаковий елементний склад. Застосування хелатов не створює умови для накопичення важких металів у бульбах. Комплексонати меншою мірою, ніж іони металів, сорбуються ґрунтом, стійкі проти його мікробіологічного впливу, що дозволяє їм тривалий час утримуватися у ґрунтовому розчині. Ефект післядії 3-4 роки. Вони добре поєднуються з різними отрутохімікатами. Метал у комплексі має нижчу токсичність. Фосфоровмісні комплексонати металів не подразнюють слизову оболонку очей і не ушкоджують шкіру. Сенсибілізуючі властивості не виявлені, кумулятивні властивості комплексонатів титану не виражені, а в деяких дуже слабкі. Коефіцієнт кумуляції дорівнює 09-30, що вказує на низьку потенційну небезпеку хронічного отруєння препаратами.

В основі фосфоровмісних комплексів лежить фосфорвуглецевий зв'язок (С-Р), який виявлений і в біологічних системах. Вона входить до складу фосфоноліпідів, фосфоногліканів та фосфопротеїнів клітинних мембран. Ліпіди, що містять амінофосфонові сполуки, стійкі до ензиматичного гідролізу, забезпечують стабільність, а отже, і нормальне функціонування зовнішніх клітинних мембран. Синтетичні аналоги пірофосфатів – дифос-фонати (Р-С-Р) або (Р-С-С-Р) у великих дозах порушують обмін кальцію, а у малих нормалізують його. Дифосфонати ефективні при гіперліпемії та перспективні з позицій фармакології.

Дифосфонати, що містять зв'язки Р-С-Р є структурними елементами біосистем. Вони біологічно ефективні та є аналогами пірофосфатів. Показано, що дифосфонати є ефективними засобами для лікування різних захворювань. Дифосфонати є активними інгібіторами мінералізації та резорбції кісток. Комплексони перетворюють мікроелементи на біологічно активну, доступну для організму форму, утворюють стійкі більш координаційно-насичені частинки, нездатні руйнувати біокомплекси, а отже, малотоксичні форми. Вони визначають високу чутливість клітин до мікроелементів, беручи участь у формуванні високого концентрації градієнта. Здатні брати участь в утворенні багатоядерних сполук титану гетероядер-

ного типу - комплексів перенесення електронів і протонів, брати участь у біорегуляції обмінних процесів, резистентності організму, здатності утворювати зв'язки з токсичними частинками, перетворюючи їх на малорозчинні або розчинні, стійкі, неруйнівні ендогенні комплекси. Тому їх застосування для детоксикації, елімінації з організму, отримання екологічно чистих продуктів (комплексонотерапії), а також у промисловості для регенерації та утилізації промислових відходів неорганічних кислот та солей перехідних металів є досить перспективним.

7.10. ЛІГАНДООБМІННІ ТА МЕТАЛООБМІННІ

РІВНОВАГИ. ХЕЛАТОТЕРАПІЯ

Якщо в системі кілька лігандів з одним іоном металу або кілька іонів металу з одним лігандом, здатних до утворення комплексних сполук, то спостерігаються конкуруючі процеси: у першому випадку лігандообмінна рівновага – конкуренція між лігандами за іон металу, у другому випадку металообмінна рівновага – конкуренція між іонами металу за ліганд. Переважним буде процес утворення найміцнішого комплексу. Наприклад, у розчині є іони: магнію, цинку, заліза (III), міді, хрому (II), заліза (II) та марганцю (II). При введенні в цей розчин невеликої кількості етилендіамінтетраоцтової кислоти (ЕДТА) відбуваються конкуренція між іонами металів та зв'язування в комплекс заліза (III), оскільки він утворює з ЕДТА найбільш міцний комплекс.

В організмі постійно відбуваються взаємодія біометалів (Мб) та біолігандів (Lб), утворення та руйнування життєво необхідних біокомплексів (МбLб):

В організмі людини, тварин та рослин є різні механізми захисту та підтримки даної рівноваги від різних ксенобіотиків (чужорідних речовин), у тому числі від іонів важких металів. Іони важких металів, не пов'язані в комплекс, та їх гідроксокомплекси є токсичними частинками (Мт). У цих випадках, поряд з природною металолігандною рівновагою, може виникнути нова рівновага, з утворенням міцніших чужорідних комплексів, що містять метали токсиканту (МтLб) або ліганди-токсіканти (МбLт), які не виконують

необхідні біологічні функції. При попаданні в організм екзогенних токсичних частинок виникають суміщені рівноваги і як наслідок – конкуренція процесів. Переважним буде той процес, який призводить до утворення найбільш міцної комплексної сполуки:

Порушення металолігандного гомеостазу викликають порушення процесу обміну речовин, інгібують активність ферментів, руйнують важливі метаболіти, такі як АТФ, клітинні мембрани, порушують градієнт концентрації іонів у клітинах. Тому створюються штучні системи захисту. Належне місце у цьому методі займає хелатотерапія (комплексонотерапія).

Хелатотерапія - це виведення токсичних частинок з організму, що базується на хелатуванні їх комплексонатами s-елементів. Препарати, які застосовуються для виведення інкорпорованих в організмі токсичних частинок, називають детоксикантами.(Lg). Хелатування токсичних частинок комплексонатами металів (Lg) перетворює токсичні іони металів (Мт) на нетоксичні (МтLg) пов'язані форми, придатні для ізоляції та проникнення через мембрани, транспорту та виведення з організму. Вони зберігають у організмі хелатообразующий ефект як у ліганду (комплексону), і по іону металу. Це забезпечує металолігандний гомеостаз організму. Тому застосування комплексонатів у медицині, тваринництві, рослинництві забезпечує детоксикацію організму.

Основні термодинамічні принципи хелатотерапії можна сформулювати у двох положеннях.

I. Детоксикант (Lg) повинен ефективно зв'язувати іони-токсіканти (Мт, Lт), з'єднання (МтLg), що знову утворюються, повинні бути міцнішими, ніж ті, які існували в організмі:

ІІ. Детоксикант не повинен руйнувати життєво необхідних комплексних сполук (МбLб); сполуки, які можуть утворюватися при взаємодії детоксиканту та іонів біометалів (MбLg), повинні бути менш міцними, ніж ті, що існують в організмі:

7.11. ЗАСТОСУВАННЯ КОМПЛЕКСОНІВ І КОМПЛЕКСОНАТІВ У МЕДИЦІНІ

Молекули комплексонів практично не зазнають розщеплення або будь-якої зміни в біологічному середовищі, що є їхньою важливою фармакологічною особливістю. Комплексони нерозчинні в ліпідах і добре розчиняються у воді, тому вони не проникають або погано проникають через клітинні мембрани, а отже: 1) не виводяться кишківником; 2) всмоктування комплексоутворювачів відбувається тільки при їх ін'єкції (лише пеніциламін приймають внутрішньо); 3) в організмі комплексони циркулюють переважно у позаклітинному просторі; 4) виведення з організму здійснюється головним чином через нирки. Цей процес відбувається швидко.

Речовини, що усувають наслідки впливу отрут на біологічні структури та інактивуючі отрути за допомогою хімічних реакцій, називають антидотами.

Одним із перших антидотів, який застосували у хелатотерапії, є британський антилюїзит (БАЛ). В даний час застосовують унітіол:

Цей препарат ефективно виводить з організму миш'як, ртуть, хром та вісмут. Найбільш широко використовують при отруєнні цинком, кадмієм, свинцем та ртуттю комплексони та комплексонати. Застосування їх засноване на утворенні міцніших комплексів з іонами металів, ніж комплекси цих іонів з сірковмісними групами білків, амінокислот і вуглеводів. Для виведення свинцю використовують препарати на основі ЕДТА. Введення в організм у великих дозах препаратів є небезпечним, оскільки вони пов'язують іони кальцію, що призводить до порушення багатьох функцій. Тому застосовують тетацин(СаNa 2 ЕДТА), який використовують для виведення свинцю, кадмію, ртуті, ітрію, церію та інших рідкісноземельних металів та кобальту.

З часу першого лікувального використання тетацину в 1952 році цей препарат знайшов широке застосування в клініці професійних захворювань і залишається незамінним антидотом. Механізм дії тетацину дуже цікавий. Іони-токсіканти витісняють координований іон кальцію з тетацину у зв'язку з утворенням міцніших зв'язків з киснем та ЕДТА. Іон кальцію, у свою чергу, витісняє два іони натрію, що залишилися:

Тетацин вводять у організм як 5-10% розчину, основою якого є фізіологічний розчин. Так, вже через 1,5 години після внутрішньочеревної ін'єкції в організмі залишається 15% введеної дози тетацину, через 6 годин - 3%, а через 2 доби - лише 0,5%. Ефективно та швидко діє препарат при застосуванні інгаляційного методу введення тетацину. Він швидко всмоктується та довго циркулює в крові. Крім того, тетацин використовують для захисту від газової гангрени. Він пригнічує дію іонів цинку та кобальту, які є активаторами ферменту лецитинази, що є токсином газової гангрени.

Зв'язування токсикантів тетацином в малотоксичний і міцніший хелатний комплекс, який не руйнується і легко виводиться з організму через нирки, забезпечує детоксикацію та збалансоване мінеральне харчування. Близьким за структурою та складом до пре-

паратам ЕДТА є натрієво-кальцієва сіль діетилентріамін-пентаоцтової кислоти (СаNa 3 ДТПА) - пентацинта натрієва сіль діетилентріамінпентафосфонової кислоти (Na 6 ДТПФ) - тримефа-цин.Пентацин застосовують переважно при отруєннях сполуками заліза, кадмію та свинцю, а також для видалення радіонуклідів (технеція, плутонію, урану).

Натрієва сіль етилендіаміндіізопропілфосфонової кислоти (СаNa 2 ЕДТФ) фосфіцинуспішно використовується для виведення з організму ртуті, свинцю, берилію, марганцю, актиноїдів та інших металів. Комплексонати дуже ефективні видалення деяких токсичних аніонів. Наприклад, етилендіамінтетраацетат кобальту (II), що утворює змішано-лігандний комплекс з CN-, може бути рекомендований як антидот при отруєння ціанідами. Аналогічний принцип є основою способів виведення токсичних органічних речовин, зокрема пестицидів, містять функціональні угруповання з донорними атомами, здатними до взаємодії з металом комплексонату.

Ефективним препаратом є сукцимер(Дімеркаптоянтарна кислота, димеркаптосукциновая кислота, хемет). Він міцно пов'язує практично всі токсиканти (Hg, As, Pb, Cd), але виводить із організму іони біогенних елементів (Cu, Fe, Zn, Co), тому майже не застосовується.

Фосфоровмісні комплексонати є потужними інгібіторами кристалоутворення фосфатів та оксалатів кальцію. Як антикальцифікуючий препарат при лікуванні сечокам'яної хвороби запропоновано ксидифон - калієво-натрієва сіль ОЕДФ. Дифосфонати, крім того, у мінімальних дозах збільшують включення кальцію до кісткової тканини, попереджають патологічний вихід його з кісток. ОЕДФ та інші дифосфонати запобігають різним видам остеопорозу, включаючи ниркову остеодистрофію, періоденталь-

ну деструкцію, також деструкцію пересадженої кістки у тварин. Описано також антиатеросклеротичний ефект ОЕДФ.

У США запропоновано низку дифосфонатів, зокрема ОЕДФ, як фармацевтичні препарати для лікування людини і тварин, які страждають на метастазований рак кісток. Регулюючи проникність мембран, дифосфонати сприяють транспортуванню протипухлинних ліків у клітину, отже, і ефективного лікування різних онкологічних захворювань.

Однією із актуальних проблем сучасної медицини є завдання експресної діагностики різних захворювань. У цьому аспекті безперечний інтерес представляє новий клас препаратів, що містять катіони, здатні виконувати функції зонда - радіоактивних магніторелаксаційних та флюоресцентних міток. Як основні компоненти радіофармацевтичних препаратів використовуються радіоізотопи деяких металів. Хелатування катіонів цих ізотопів комплексонами дозволяє підвищити їх токсикологічну прийнятність для організму, полегшити їх транспортування та забезпечити у відомих межах вибірковість концентрації у тих чи інших органах.

Наведені приклади аж ніяк не вичерпують всього різноманіття форм застосування комплексонатів у медицині. Так, дикалієва сіль етилендіамінтетраацетату магнію використовується для регулювання вмісту рідини в тканинах при патології. ЕДТА застосовується у складі антикоагулянтних суспензій, що використовуються при розподілі плазми крові, як стабілізатор аденозинтрифосфату при визначенні глюкози в крові, при освітленні та зберіганні контактних лінз. Під час лікування ревматоїдних захворювань широко використовують дифосфонати. Вони особливо ефективні як протиартрит-них засобів у поєднанні з протизапальними засобами.

7.12. КОМПЛЕКСИ З МАКРОЦИКЛІЧНИМИ СПОЛУКАМИ

Серед природних комплексних сполук особливе місце займають макрокомплекси на основі циклічних поліпептидів, що містять внутрішні порожнини певних розмірів, в яких знаходиться кілька кисневмісних груп, здатних зв'язувати катіони тих металів, у тому числі натрію та калію, розміри яких відповідають розмірам порожнини. Такі речовини, перебуваючи в біологі-

Рис. 7.2.Комплекс валіноміцину з іоном K+

чеських матеріалах, забезпечують транспорт іонів через мембрани і тому називаються іонофорами.Наприклад, валіноміцин транспортує іон калію через мембрану (рис. 7.2).

За допомогою іншого поліпептиду граміцидину Аздійснюється транспорт катіонів натрію за естафетним механізмом. Цей поліпептид згорнути в «трубочку», внутрішня поверхня якої вистелена кисневмісними групами. В результаті виходить

досить великої довжини гідрофільний канал з певним перерізом, що відповідає розміру іона натрію. Іон натрію, входячи в гідрофільний канал з одного боку, передається від одного до іншого кисневим угрупованням, подібно до естафети по іонопровідному каналу.

Отже, циклічна молекула поліпептиду має внутрішньомолекулярну порожнину, до якої може увійти субстрат певного розміру, геометрії за принципом ключа та замка. Порожнина таких внутрішніх рецепторів облямована активними центрами (ендорецепторами). Залежно від природи іона металу може відбуватися нековалентна взаємодія (електростатична, утворення водневих зв'язків, ван-дер-ваальсові сили) із лужними металами та ковалентна із лужноземельними металами. В результаті цього утворюються супрамолекули- складні асоціати, що складаються з двох або більше частинок, що утримуються разом міжмолекулярними силами.

Найбільш поширені в живій природі тетрадентатні макроцикли – порфіни та близькі їм за структурою кориноїди.Схематично тетрадентний цикл може бути представлений у наступному вигляді (рис. 7.3), де дуги означають однотипні вуглецеві ланцюги, що з'єднують донорні атоми азоту замкнутий цикл; R 1 , R 2 , R 3 , Р 4 -вуглеводневі радикали; М n+ - іон металу: у хлорофілі іон Mg 2+ , у гемоглобіні іон Fe 2+ , у гемоціаніні іон Cu 2+ , у вітаміні В 12 (кобаламін) іон С 3+ .

Донорні атоми азоту розташовані по кутах квадрата (позначені пунктиром). Вони жорстко скоординовані у просторі. Тому

порфірини та кориноїди утворюють міцні комплекси з катіонами різних елементів і навіть лужноземельних металів. Істотно, що незалежно від дентатності ліганду хімічний зв'язок та будова комплексу визначаються донорними атомами.Так, наприклад, комплекси міді з NH 3 , етилендіаміном і порфірин мають однакову квадратну будову і подібну електронну конфігурацію. Але полідентатні ліганди пов'язуються з іонами металів набагато сильніше, ніж монодентатні ліганди.

Рис. 7.3.Тетрадентатний макроцикл

з тими самими донорними атомами. Міцність етилендіамінових комплексів на 8-10 порядків більша, ніж міцність тих же металів з аміаком.

Біонеорганічні комплекси іонів металів з білками називають біокластерами -комплексами іонів металів із макроциклічними сполуками (рис. 7.4).

Рис. 7.4.Схематичне зображення структури біокластерів певних розмірів білкових комплексів з іонами d-елементів. Типи взаємодій білкової молекули. М n+ - іон металу активного центру

Усередині біокластеру є порожнина. До неї входить метал, який взаємодіє з донорними атомами зв'язуючих груп: ОН - , SH - , COO - , -NH 2 , білків, амінокислот. Найбільш відомі металофер-

менти (карбоангідраза, ксантиноксидаза, цитохроми) є біокластерами, порожнини яких утворюють центри ферментів, що містять Zn, Mo, Fe відповідно.

7.13. Багатоядерні комплекси

Гетеровалентні та гетероядерні комплекси

Комплекси, до складу яких входить кілька центральних атомів одного чи різних елементів, називають багатоядерними.Можливість утворення багатоядерних комплексів визначається здатністю деяких лігандів зв'язуватися із двома чи трьома іонами металів. Такі ліганди називаються містковими.Відповідно містковиминазиваються і комплекси. Принципово можливі й одноатомні містки, наприклад:

Вони використовуються неподілені електронні пари, що належать одному й тому атому. Роль містків можуть виконувати багатоатомні ліганди.У таких містках використовуються неподілені електронні пари, що належать різним атомам. поліатомного ліганду

А.А. Грінберг та Ф.М. Філінів досліджували місткові сполуки складу, в яких ліганд пов'язує комплексні сполуки одного і того ж металу, але в різних ступенях окиснення. Г. Таубе назвав їх комплексами перенесення електрона.Він досліджував реакції перенесення електрона між центральними атомами різних металів. Систематичні дослідження кінетики та механізму окисно-відновних реакцій привели до висновку, що перенесення електрона між двома комплексами про-

виходить через лігандний місток, що утворюється. Обмін електроном між 2+ та 2+ відбувається через утворення проміжного місткового комплексу (рис. 7.5). Перенесення електрона відбувається через хлоридний містковий ліганд, закінчуючись утворенням комплексів 2+; 2+.

Рис. 7.5.Перенесення електрона у проміжному багатоядерному комплексі

Велика різноманітність поліядерних комплексів отримана завдяки використанню органічних лігандів, що містять кілька донорних груп. Умовою їхнього утворення є таке розташування донорних груп у ліганді, яке не дозволяє замикатися хелатним циклам. Непоодинокі випадки, коли ліганд має можливість замикати хелатний цикл і одночасно виступати в ролі місткового.

Початком перенесення електрона, що діє, є перехідні метали, що виявляють кілька стійких ступенів окислення. Це надає іонам титану, заліза та міді ідеальних властивостей переносників електронів. Сукупність варіантів утворення гетерово-стрічкових (ГВК) та гетероядерних комплексів (ГЯК) на основі Ti та Fe представлена ​​на рис. 7.6.

Реакцію

Реакція (1) називається перехресною реакцією.В обмінних реакціях інтермедіатом будуть гетеровалентні комплекси. Всі теоретично можливі комплекси дійсно утворюються в розчині в тих чи інших умовах, що доведено різними фізико-хімічними

Рис. 7.6.Утворення гетеровалентних комплексів і гетероядерних комплексів, що містять Ti і Fe

методами. Для здійснення перенесення електронів реагенти повинні знаходитися в близьких станах. Ця вимога називається принципом Франка-Кондону. Перенесення електрона може відбуватися між атомами одного перехідного елемента, що знаходяться в різному ступені окислення ГВК, або різних елементів ГЯК, природа металоцентрів яких різна. Ці сполуки можна визначити, як комплекси перенесення електронів. Вони є зручними переносниками електронів та протонів у біологічних системах. Приєднання та віддача електрона викликає зміни лише електронної конфігурації металу, не змінюючи структуру органічної складової комплексу.Всі ці елементи мають кілька стійких ступенів окислення (Ti +3 та +4; Fe +2 та +3; Cu +1 та +2). На нашу думку, цим системам надано природою унікальної ролі забезпечення оборотності біохімічних процесів з мінімальними енергетичними витратами. До оборотних реакцій відносять реакції, що мають термодинамічні та термохімічні константи від 10 -3 до 10 3 і з невеликим значенням ΔG o і Е oпроцесів. У цих умовах вихідні речовини та продукти реакції можуть перебувати у порівнянних концентраціях. При зміні їх у деякому діапазоні легко можна досягти оборотності процесу, тому в біологічних системах багато процесів мають коливальний (хвильовий) характер. Окисно-відновні системи, що мають у своєму складі вищезгадані пари, перекривають широкий діапазон потенціалів, що дозволяє їм вступати у взаємодії, що супроводжуються помірними змінами Δ G oі Е°, з багатьма субстратами.

Імовірність утворення ГВК та ГЯК значно підвищується, коли розчин містить потенційно місткові ліганди, тобто. молекули або іони (амінокислот, гідроксикислот, комплексонів та ін), здатні зв'язати відразу два металоцентр. Можливість делекалізації електрона в ГВК сприяє зниженню повної енергії комплексу.

Більш реально сукупність можливих варіантів утворення ГВК та ГЯК, у яких природа металоцентрів різна, видно на рис. 7.6. Детальний опис утворення ГВК та ГЯК та їх роль у біохімічних системах розглянуті у роботах О.М. Глєбова (1997). Окисно-відновні пари повинні структурно підлаштуватися один до одного, тоді перенесення стає можливим. Підбираючи компоненти розчину, можна "подовжувати" відстань, на яку переноситься електрон від відновника до окислювача. При узгодженому переміщенні частинок може відбуватися перенесення електрона великі відстані по хвильовому механізму. Як «коридор» може бути гідратований білковий ланцюжок та ін. Висока ймовірність перенесення електрона на відстань до 100А. Довжину коридору можна збільшити добавками (іонами лужних металів, фоновими електролітами). Це відкриває великі можливості в галузі управління складом та властивостями ГВК та ГЯК. У розчинах вони грають роль своєрідного «чорного ящика», наповненого електронами та протонами. Залежно від обставин, він може віддавати їх іншим компонентам або поповнювати свої «запаси». Оборотність реакцій з їх участю дозволяє багаторазово брати участь у циклічних процесах. Електрони переходять від одного металевого центру до іншого, осцилують між ними. Молекула комплексу залишається несиметричною і може брати участь в окисно-відновних процесах. ГВК та ГЯК беруть активну участь у коливальних процесах у біологічних середовищах. Цей тип реакцій називають коливальними реакціями.Вони виявлені у ферментативному каталізі, синтезі білків та інших біохімічних процесах, що супроводжують біологічні явища. Сюди відносяться періодичні процеси клітинного метаболізму, хвилі активності в серцевій тканині, тканини мозку і процеси, що відбуваються на рівні екологічних систем. p align="justify"> Важливим етапом обміну речовин є відщеплення водню від поживних речовин. Атоми водню переходять при цьому в іонний стан, а відокремлені від них електрони вступають у дихальний ланцюг та віддають свою енергію на утворення АТФ. Як нами встановлено, комплексонати титану є активними переносниками як електронів, а й протонів. Здатність іонів титану виконувати свою роль в активному центрі ферментів типу каталаз, пероксидаз і цитохромів визначається його високою здатністю до комплексоутворення, формування геометрії координованого іона, утворення багатоядерних ГВК та ГЯК різного складу та властивостей функції pH, концентрації перехідного елемента Ti і органічної складової комплексу, їх мольного співвідношення. Ця здатність проявляється у підвищенні селективності комплексу

по відношенню до субстратів, продуктів метаболічних процесів, активацією зв'язків у комплексі (ферменті) та субстраті за допомогою координації та зміни форми субстрату відповідно до стеричних вимог активного центру.

Електрохімічні перетворення в організмі, пов'язані з перенесенням електронів, супроводжуються зміною ступеня окислення частинок та виникненням окислювально-відновного потенціалу у розчині. Велика роль цих перетвореннях належить багатоядерним комплексам ГВК і ГЯК. Вони є активними регуляторами вільнорадикальних процесів, системою утилізації активних форм кисню, перекису водню, окислювачів, радикалів та беруть участь в окисленні субстратів, а також у підтримці антиокислювального гомеостазу, у захисті організму від окислювального стресу.Їхня ферментативна дія на біосистеми аналогічна ферментам (цитохро-мам, супероксиддисмутазе, каталазі, пероксидазі, глутатіон-редуктазі, дегідрогеназам). Усе це свідчить про високі антиоксидантні властивості комплексонатів перехідних елементів.

7.14. ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ ПІДГОТОВЛЕНОСТІ ДО ЗАНЯТТІВ І ЕКЗАМЕН

1.Дати поняття про комплексні сполуки. У чому їхня відмінність від подвійних солей, і що в них спільне?

2.Складіть формули комплексних сполук за їх назвою: амоній дигідроксотетрахлороплатинат (IV), тріаммінтринітроко-бальт (III), дайте їх характеристику; вкажіть внутрішню та зовнішню координаційну сферу; центральний іон та ступінь його окислення: ліганди, їх кількість та дентатність; характер зв'язків. Напишіть рівняння дисоціації у водному розчині та вираз для константи стійкості.

3. Загальні властивості комплексних сполук, дисоціація, стійкість комплексів, хімічні властивості комплексів.

4.Як реакційна здатність комплексів характеризується з термодинамічних та кінетичних позицій?

5. Які амінокомплекси будуть більш міцними, ніж тетрааміно-мідь (II), а які менш міцними?

6. Наведіть приклади макроциклічних комплексів, утворених іонами лужних металів; іонами d-елементів.

7. За якою ознакою комплекси відносять до хелатних? Наведіть приклади комплексних хелатних і нехелатних сполук.

8.На прикладі гліцинату міді дайте поняття про внутрішньокомплексні сполуки. Напишіть структурну формулу комплексонату магнію з етилендіамінтетраоцтовою кислотою в натрієвій формі.

9. Наведіть схематично структурний фрагмент будь-якого поліядерного комплексу.

10. Дайте визначення поліядерних, гетероядерних та гетерово-стрічкових комплексів. Роль перехідних металів у тому освіті. Біологічна роль цих компонентів.

11. Які типи хімічного зв'язку зустрічаються в комплексних сполуках?

12. Перерахуйте основні типи гібридизації атомних орбіталей, які можуть виникати у центрального атома в комплексі. Яка геометрія комплексу, залежно від типу гібридизації?

13. Виходячи з електронної будови атомів елементів s-, p- та d-блоків зіставити здатність до комплексоутворення та їх місце в хімії комплексів.

14. Дайте визначення комплексонів та комплексонатів. Наведіть приклади найбільш використовуваних у біології та медицині. Наведіть термодинамічні принципи, на яких ґрунтується хелатотерапія. Застосування комплексонатів для нейтралізації та елімінації ксенобіотиків з організму.

15. Розгляньте основні випадки порушення металолігандного гомеостазу в організмі людини.

16.Наведіть приклади біокомплексних сполук, що містять залізо, кобальт, цинк.

17.Приклади конкуруючих процесів за участю гемоглобіну.

18.Роль іонів металів у ферментах.

19.Поясніть, чому для кобальту в комплексах зі складними лігандами (полідентатними) більш стійкий ступінь окислення +3, а у звичайних солях, таких як галогеніди, сульфати, нітрати, ступінь окислення +2?

20.Для міді характерні ступені окислення +1 та +2. Чи може мідь каталізувати реакції із перенесенням електронів?

21. Чи може цинк каталізувати окисно-відновні реакції?

22. Який механізм дії ртуті як отрути?

23.Вкажіть кислоту та основу в реакції:

AgNO 3 + 2NH 3 = NO 3.

24.Поясніть, чому як лікарський препарат застосовується калієво-натрієва сіль гідроксиетілідендифосфонової кислоти, а не ОЕДФ.

25.Як за допомогою іонів металів, що входять до складу біокомплексних сполук, здійснюється транспортування електронів в організмі?

7.15. ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ

1. Ступінь окислення центрального атома в комплексному іоні 2- дорівнює:

а)-4;

б) +2;

в 2;

г)+4.

2. Найбільш стійкий комплексний іон:

а) 2-, Кн = 8,5 х10 -15;

б) 2-, Кн = 1,5 х10 -30;

в) 2-, Кн = 4х10 -42;

г) 2-, Кн = 1х10 -21.

3. У розчині міститься 0,1 моль сполуки PtCl 4 4NH 3 . Реагуючи з AgNO 3 воно утворює 0,2 моль осаду AgCl. Надайте вихідній речовині координаційну формулу:

а)Cl;

б) Cl 3;

в) Cl 2;

г) Cl 4 .

4. Яку форму мають комплекси, утворені в результаті sp 3 d 2-гі- бридизації?

1) тетраедра;

2) квадрата;

4) тригональної біпіраміди;

5) лінійну.

5. Підберіть формулу для сполуки пентааммінхлорокобальт (III) сульфат:

а) Na 3 ;

6) [СоСl 2 (NH 3) 4] Сl;

в) До 2 [С(SСN) 4];

г)SO 4;

д) [С(Н 2 Про) 6 ] С1 3 .

6. Які ліганди є полідентатними?

а) С1 -;

б) H 2 O;

в) етилендіамін;

г) NH 3;

д) SCN - .

7. Комплексоутворювачі - це:

а) атоми-донори електронних пар;

в) атоми- та іони-акцептори електронних пар;

г) атоми- та іони-донори електронних пар.

8. Найменшу комплексоутворювальну здатність мають елементи:

а)s; в) d;

б) p; г) f

9. Ліганди – це:

а) молекули-донори електронних пар;

б) іони-акцептори електронних пар;

в) молекули-і іони-донори електронних пар;

г) молекули- та іони-акцептори електронних пар.

10. Зв'язок у внутрішній координаційній сфері комплексу:

а) ковалентна обмінна;

б) ковалентна донорно-акцепторна;

в)іонна;

г)воднева.

11. Найкращим комплексоутворювачем буде:

До класу дикарбонових кислотвідносяться сполуки, що містять дві карбоксильні групи. Дикарбонові кислоти поділяють залежно від типу вуглеводневого радикалу:

насичені;

ненасичені;

ароматичні.

Номенклатура дикарбонових кислотаналогічна номенклатурі монокарбонових кислот (частина 2, розділ 6.2):

тривіальна;

радикально-функціональна;

систематична.

Приклади назви дикарбонових кислот наведено у таблиці 25.

Таблиця 25 – Номенклатура дикарбонових кислот

Ізомерія.Для дикарбонових кислот характерні такі види ізомерії:

Структурна:

скелетна.

Просторова :

оптична.

Методи одержання дикарбонових кислот.Дикарбонові кислоти отримують з використанням тих самих методів, що і у випадку монокарбонових кислот, за винятком кількох спеціальних способів, що застосовуються для окремих кислот.

Загальні способи одержання дикарбонових кислот

Окислення діолів та циклічних кетонів:

Гідроліз нітрилів:

Карбонілювання діолів:

Одержання щавлевої кислоти з форміату натрію сплавленням його у присутності твердого лугу:

Одержання малонової кислоти:

Одержання адипінової кислоти. У промисловості виходить при окисленні циклогексанолу 50% азотною кислотою в присутності мідно-ванадієвого каталізатора:

Фізичні властивості дикарбонових кислот. Дикарбонові кислоти – тверді речовини. Нижчі члени ряду добре розчиняються у воді і лише трохи розчиняються в органічних розчинниках. Розчиняючись у воді, утворюють міжмолекулярні водневі зв'язки. Кордон розчинності у воді лежить при З 6 - З 7 . Ці властивості здаються цілком природними, оскільки полярна карбоксильна група становить значну частину кожної з молекул.

Таблиця 26 - Фізичні властивості дикарбонових кислот

Таблиця 27 - Поведінка дикарбонових кислот при нагріванні

Високі температури плавлення кислот порівняно з температурами плавлення та кипіння спиртів та хлоридів, мабуть, обумовлені міцністю водневих зв'язків. При нагріванні дикарбонові кислоти розкладаються із заснуванням різних продуктів.

Хімічні властивості.У двоосновних кислот зберігаються всі загальні для карбонових кислот властивості. Дикарбонові кислоти перетворюються на солі і утворюють ті ж похідні, що і монокарбонові (галогенангідриди, ангідриди, аміди, складні ефіри), але реакції можуть йти як по одній (неповні похідні), так і по обидва карбоксильні групи. Механізм реакцій утворення похідних той самий, що й у монокарбонових кислот.

Двоосновні кислоти виявляють також ряд особливостей, обумовлених впливом двох СООН-груп.

Кислотні властивості. У дикарбонових кислот, порівняно з граничними одноосновними кислотами, підвищені кислотні властивості (середні константи іонізації, таблиця 26). Причиною цього є не лише додаткова дисоціація по другій карбоксильній групі, оскільки іонізація другого карбоксилу протікає значно важче і внесок у кислотні властивості другої константи ледь помітний.

Електроноакцепторна група, як відомо, викликає збільшення кислотних властивостей карбонових кислот, оскільки підвищення позитивного заряду на карбоксильному атомі вуглецю сприяє посиленню мезомерного ефекту р,π-сполучення, що, у свою чергу, посилює поляризацію зв'язку О–Нта полегшує її дисоціацію. Цей ефект виражений тим більше, чим ближче один до одного розташовані карбоксильні групи. Токсичність щавлевої кислоти пов'язана, перш за все, з її високою кислотністю, величина якої наближається до такої мінеральних кислот. Враховуючи індуктивний характер впливу, зрозуміло, що в гомологічному ряді дикарбонових кислот кислотні властивості різко зменшуються при видаленні карбоксильних груп один від одного.

Дикарбонові кислоти поводяться як двоосновні і утворюють два ряди солей – кислі (з одним еквівалентом основи) та середні (з двома еквівалентами):

Реакції нуклеофільного заміщення . Дикарбонові кислоти, подібно до монокарбонових, вступають у реакції нуклеофільного заміщення за участю однієї або двох функціональних груп і утворюють функціональні похідні - складні ефіри, аміди, хлорангідриди.

За рахунок високої кислотності щавлевої кислоти її складні ефіри отримують без застосування кислотних каталізаторів.

3. Специфічні реакції дикарбонових кислот. Взаємне розташування карбоксильних груп у дикарбонових кислотах суттєво впливає на їх хімічні властивості. Перші гомологи, у яких СООН-групи зближені, - щавлева і малонова кислоти - здатні при нагріванні відщеплювати оксид вуглецю (IV), у результаті видаляється карбоксильна група. Здатність до декарбоксилювання залежить від будови кислоти. Монокарбонові кислоти втрачають карбоксильну групу важче, тільки при нагріванні їх солей із твердими лугами. При введенні в молекули кислот ЕАзаступників схильність їх до декарбоксилювання зростає. У щавлевій і малоновій кислотах друга карбоксильна група виступає як такий. ЕАі тим самим полегшує декарбоксилювання.

3.1

3.2

Декарбоксилювання щавлевої кислоти використовується як лабораторний метод синтезу мурашиної кислоти. Декарбоксилювання похідних малонової кислоти є важливим етапом у синтезі карбонових кислот. Декарбоксилювання ді- та трикарбонових кислот характерне для багатьох біохімічних процесів.

У міру подовження вуглецевого ланцюга та видалення функціональних груп слабшає їхній взаємний вплив. Тому наступні два члени гомологічного ряду – бурштинова та глутарова кислоти – при нагріванні не декарбоксилюються, а втрачають молекулу води та утворюють циклічні ангідриди. Такий хід реакції зумовлений утворенням стійкого п'яти-або шестичленного циклу.

3.3

3.4 Прямою етерифікацією кислоти можуть бути отримані її повні ефіри, а взаємодією ангідриду з еквімольною кількістю спирту відповідні кислі ефіри:

3.4.1

3.4.2

3.5 Отримання імідів . Нагріванням амонійної солі янтарної кислоти одержують її імід (сукцинімід). Механізм цієї реакції такий самий, як і при отриманні амідів монокарбонових кислот з їх солей:

У сукциніміді атом водню в іміногрупі має значну протонну рухливість, що спричинено електроноакцепторним впливом двох сусідніх карбонільних груп. На цьому ґрунтується отримання N-бром-сукциніміда – сполуки, що широко використовуються як бромуючий агент для введення брому в алільне положення:

Окремі представники. Щавлева (етанднова) кислота НООС– СООН. У вигляді солей міститься у листі щавлю, кислиці, ревеню. Солі та ефіри щавлевої кислоти мають тривіальну назву оксалати. Щавлева кислота виявляє відновлювальні властивості:

Ця реакція використовується в аналітичній хімії для встановлення точної концентрації перманганату розчину калію. При нагріванні в присутності сірчаної кислоти відбувається декарбоксилювання щавлевої кислоти з наступним розкладанням мурашиної кислоти, що утворилася:

Якісною реакцією для виявлення щавлевої кислоти та її солей є утворення нерозчинного оксалату кальцію.

Щавлева кислота легко окислюється, кількісно перетворюючись при цьому на діоксид вуглецю і воду:

Реакція є настільки чутливою, що її використовують в об'ємному аналізі для встановлення титрів розчинів перманганату калію.

Малонова (пропандіова) кислота НООС– СН 2 – СООН. Міститься в соку цукрових буряків. Малонову кислоту вирізняє значна протонна рухливість атомів водню в метиленовій групі, обумовлена ​​електроноакцепторним впливом двох карбоксильних груп.

Водневі атоми метиленового угруповання настільки рухливі, що можуть заміщатися на метал. Однак із вільною кислотою це перетворення неможливе, оскільки водневі атоми карбоксильних груп значно рухливіші і заміщуються в першу чергу.

Замістити α -водневі атоми метиленової групи на натрій можливо лише захистивши карбоксильні групи від взаємодії, що дозволяє зробити повна етерифікація малонової кислоти:

Малоновий ефір при взаємодії з натрієм, відщеплюючи водень, утворює натрій-малоновий ефір:

Аніон Na-малонового ефіру стабілізовано поєднанням НЕПатома вуглецю з π -електронами зв'язків С=Про. Na-малоновий ефір, як нуклеофіл, легко вступає у взаємодію з молекулами, що містять електрофільний центр, наприклад, з галогеналканами:

Перераховані реакції дозволяють використовувати малонову кислоту для синтезу низки сполук:

Бурштинова кислота є безбарвною кристалічною речовиною з т. пл. 183 °С, розчиняється у воді та спиртах. Бурштинова кислота та її похідні досить доступні та знаходять широке застосування в органічному синтезі.

Адипінова (гександіова) кислота НООС-(СН 2 ) 4 -СООН.Є безбарвною кристалічною речовиною з т. пл. 149 °С, мало розчинна у воді, краще – у спиртах. Велика кількість адипінової кислоти йде виготовлення поліамідного волокна нейлону. Завдяки своїм кислотним властивостям адипінова кислота використовується в побуті для видалення накипу з емальованого посуду. Вона реагує з карбонатами кальцію та магнію, переводячи їх у розчинні солі, і водночас не псує емаль, як сильні мінеральні кислоти.

Комплексони (поліамінополікарбонові кислоти) є одними з найбільш широко застосовуваних полідентатних лігандів. Інтерес до комплексонів, похідних дикарбонових кислот і особливо до похідних бурштинової кислоти (КПЯК), зріс останніми роками, що з розробкою простих і доступних методів їхнього синтезу і наявністю вони низки специфічних практично корисних властивостей.

Найважливіший спосіб синтезу КПЯК заснований на дії малеїнової кислоти з різними сполуками, що містять первинну або вторинну аміногрупу. Якщо як такі сполуки беруть аліфатичні моноаміномонокарбонові кислоти, одержують комплексони змішаного типу (КСТ), а при взаємодії малеїнової кислоти з аміаком отримують імінодіянтарну кислоту (ІДЯК), найпростіший представник КПЯК. Синтези проходять у м'яких умовах, не вимагаючи високих температур чи тиску, та характеризуються досить високими виходами.

Говорячи про практичне застосування КПЯК, можна виділити такі області.

1. Виробництво будівельних матеріалів. Застосування КПЯК у цій галузі засноване на їх яскраво вираженій здатності уповільнювати процес гідратації в'яжучих матеріалів (цемент, бетон, гіпс та ін.). Ця властивість важлива і сама по собі, оскільки дозволяє регулювати швидкість схоплювання в'язких, а у виробництві пористих бетонів вона дозволяє також економити значну кількість цементу. Найбільш ефективні в цьому відношенні ІДЯК та КСТ.

2. Водорозчинні флюси для паяння м'якими припоями. Такі флюси особливо актуальні для електро- та радіотехнічної промисловості, у яких технологія виробництва друкованих плат передбачає обов'язкове видалення з готової продукції залишків флюсу. Зазвичай каніфольні флюси, що використовуються при паянні, видаляються лише спиртоацетоновими сумішами, що вкрай незручно через пожежонебезпечність цієї процедури, тоді як флюси на основі деяких КПЯК змиваються водою.

3. Антианемічні та антихлорозні препарати для сільського господарства.Було виявлено, що комплекси іонів ряду 3d-перехідних металів (Cu 2+ , Zn 2+ . Co 2+ та ін) з КПЯК мають високу біологічну активність. Це дозволило створити на їх основі ефективні антианемічні препарати для профілактики та лікування аліментарної анемії хутрових звірів (насамперед норок) у звірівництві та антихлорозні препарати для профілактики та лікування хлорозу плодово-ягідних культур (особливо винограду), що вирощуються на карбонатних ґрунтах (південні регіони) ) і з цієї причини схильних до захворювання на хлороз. Важливо також відзначити, що завдяки здатності зазнавати вичерпного руйнування в умовах довкілля, КПЯК є екологічно нешкідливими продуктами.

Крім вищевказаних областей, показано наявність у КПЯК антикорозійної активності, показано можливість їх застосування у хімічному аналізі, медицині та деяких інших областях. Способи отримання КПЯК та їх практичного застосування у різних галузях захищені авторами цієї доповіді численними авторськими свідоцтвами на винаходи та патентами.

Бібліографічне посилання

-> Додати матеріали на сайт -> Металургія -> Дятлова Н.М. -> "Комплексони та комплексонати металів" ->

Комплексони та комплексонати металів - Дятлова Н.М.

Встановлено, що комплексони стабілізують неперехідні елементи в ступені окислення +3 по відношенню до дуже характерних для них процесів гідролізу та полімеризації. В результаті, наприклад, індій у присутності комплексонів здатний взаємодіяти з такими лігандами, як аміак, піридин, тіосульфат, сульфіт-іон; талій(ІІІ)-з о-фенан-троліном, для яких координація цими елементами нехарактерна.

Різнолігандні комплекси мають значну стійкість. Імовірність їх утворення наростає із збільшенням радіусу при переході від алюмінію до талію та в міру зменшення дентатності комплексону. У разі Індія, як правило, кількість монодентатних лігандів, що входять до координаційної сфери, не перевищує трьох; наприклад, відомі дуже стійкі комплексонати: 2-, 3~, 3-. Комплексонати Індія успішно використовуються для отримання сплавів Індія та золота з лужних середовищ.

У нормальних комплексів з комплексонами - похідними дикарбонових кислот, зокрема 1,3-діамінопропілен-№-діянтарної та 2-гідрокси-1,3-діамінопропілен-^^діянтар-ної, - спостерігаються ті ж закономірності, що і для традиційних лігандів типу ЕДТА, проте відмінності у стійкості комплексонатів сусідніх елементів групи суттєво нижчі, ніж у комплексів ЕДТА. Нижче виявились і абсолютні значення констант стійкості. Так, для алюмінію та галію співвідношення КояьІКмь для обох дикарбонових кислот приблизно дорівнює 10 .

Підвищена стійкість комплексонатів галію та індія була зафіксована в нормальних комплексонах N,N"-6hc(2-гідроксибензил)етилендіамін-^№-діоцтової кислоти. Для обох елементів значення /Cml виявилося рівним ^lO40 (при 25°С і [х = 0 1. Однак різниця в значеннях логарифмів констант стійкості склала всього 0,09.

Талій (III) є сильним окислювачем, тому для нього нехарактерні комплекси з комплексонами, що мають сильні відновлювальні властивості. Разом з тим, введення комплексонів у розчин, що містить Tl111, стабілізує його по відношенню до дії відновників. Наприклад, добре відомо, що швидкість окислювально-відновного

360взаємодії талію (III) з сульфатом гідразину велика. Введення в розчин Th (SO*) з таких комплексонів, як HTA, ЕДТА, суттєво уповільнює процес відновлення сульфатом гідразину, а у разі ДТПА при рН = 0,7-2,0 окислювально-відновну взаємодію не було виявлено навіть при 98 °С . Зазначається, що у випадку швидкість окислювально-відновної реакції досить складним чином залежить від pH.

Комплексони амінокарбонового ряду можуть окислятися талієм (III). Встановлено, що в результаті комплексоутворення такий ліганд, як етилендіаміндімалонова кислота, окислюється, хоча і дуже повільно, в кислій ділянці pH вже при кімнатній температурі, етилендіаміндіантарна кислота окислюється при 30-40 °С. У разі ЦГДТА окиснення відбувається з помітною швидкістю при 98 0C.

Талій(I) є слабким комплексоутворювачем, значення Kml лежить для амінокарбонових кислот у межах IO4-IO6. Примітно, що для нього виявлені моно-протоновані комплексонати з ЦГДТА та ДТПА, протонування комплексу не призводить, як у випадку лужних катіонів, до повного руйнування комплексонату. Проте за цьому відзначається зниження стійкості комплексу кілька порядків.

Заслуговує на увагу та обставина, що комплексонат талію(I) з ЦГДТА, незважаючи на відносно низьку стійкість, виявився нелабільним у шкалі часу ЯМР, що зробило його доступним об'єктом для спектроскопічних досліджень.

З комплексонатів неперехідних елементів підгрупи германію описані сполуки германію(ІУ), олова(іУ), олова(ІІ) та свинцю (II).

Германій(IV) та олово(IV) утворюють внаслідок сильно вираженої схильності до гідролізу стійкі моноядерні комплексонати тільки з високодентатними лігандами, наприклад, ЕДТА, ГЕДТА, ЕДТФ, ДТПФ. Аква-гідроксо-іони цих елементів, як і аналогічні комплекси THTaHa(IV), цирконію(IV) і гафнію(IV) порівняно легко полімеризуються з утворенням полігерманієвих і поліолов'яних кислот. Нерідко такий процес укрупнення завершується утворенням колоїдних частинок. Введення у водні розчини комплексонів дозволяє суттєво розширити межі існування справжніх розчинів германію (IV) та олова (IV). Наприклад, германій(IV) утворює з ЕДТА моноядерний комплекс, стійкий у нейтральному та лужному середовищах аж до рН=10 . Утворення стійких у водних розчинах комплексів з лігандами амінофосфонового ряду НТФ, ЕДТФ, ДТПФ відзначається у широкій області – від рН = 2 до лужних розчинів. Збільшення співвідношення метал: ліганд

361 (понад 1) призводить до утворення в системах германій - ліганд, що містить фосфор, практично нерозчинних у воді поліядерних сполук .