Луцкий Д.Л., Николаев А.А. Координационные соединения
Подождите немного. Документ загружается.
41
Другим примером биологической роли комплексных соедине-
ний является функционирование ферментов класса оксидоредуктаз –
цитохромов. Цитохромы содержат два комплексообразователя, в ка-
честве которых выступают катион железа или меди. В качестве лиган-
дов выступает тетрадентатный макроциклический лиганд – порфирин,
и две связи с комплексообразователем формирует белок. Все это при-
водит к ряду биологически важных функций, например, цитохромок-
сидаза (имеющая в качестве комплексообразователей сразу и железо и
медь) приобретает способность транспортировать электрон за счет
изменения степени окисления комплексообразователей:
Fe
3+
+ ē ↔ Fe
2+
Cu
2+
+ ē ↔ Cu
+
Рассмотрим, что происходит при отравлении ядами групп циа-
нидов. Цианиды способны быстро всасываться из желудочно-
кишечного тракта и попадать в кровь, при этом ион CN
-
практически
не взаимодействует с гемоглобином, но зато эффективно связывается
с окисленной формой цитохромоксидазы и блокирует оба комплексо-
образователя:
Нарушение электронотранспортной функции цитохромоксида-
зы приводит к нарушению клеточного дыхания. Кислород не усваива-
ется из крови, венозная кровь оказывается насыщенной кислородом.
Поэтому при отравлении цианидами кожные покровы становятся яр-
ко-розовыми. Патогенетической терапией является внутривенное вве-
дение метгемоглобинобразователей – нитритов (нитрит натрия), так
как метгемоглобин, в отличие от гемоглобина, эффективно связывает
цианид-ионы с образованием стойкого комплекса цианметгемоглоби-
CN
цит охромоксидаза
акт ивный цент р
(Fe, Cu)
цит охромоксидаза
акт ивный цент р
(Fe, Cu)
CN
-
42
на. При достаточно высокой концентрации метгемоглобина в крови с
ним связываются не только свободные цианид-ионы, но и цианид-
ионы уже связавшиеся с цитохромоксидазой, что приводит к воста-
новлению клеточного дыхания. Важно не передозировать метгемогло-
бинообразователи, в противном случае могут развиться нарушения
сходные с нарушениями, возникающими при отравлении угарным
газом.
Важное биологическое значение имеют ионофоры – полиден-
татные природные лиганды, образующие с катионами комплексное
соединение и в таком виде транспортирующие их через биологиче-
ские мембраны. Пример одного из ионофоров – антибиотика валино-
мицина приведен ниже.
Fe
2+
H
2
O
глобин
N
NN
N
гемоглобин
Fe
3+
OH
глобин
N
NN
N
метгемоглобин
Fe
2+
CN
глобин
N
NN
N
цианметгемоглобин
H H
H
NaNO
2
CN
-
O
HN
O
NH
O
O
O
NH
O
O
O
O
NH
O
O
O
HN
O
O
O
O
HN
O
O
Валиномицин
43
В водных растворах валиномицин транспортирует ион калия, к
которому имеет максимальное сродство. Координация иона калия с
валиномицином осуществляется за счет шести сложноэфирных групп
ориентированных внутрь цикла.
Другими примерами ионофоров являются антибиотик монен-
син и антибиотик нонактин.
Все ионофоры подразделяются на функционирующие по «ме-
ханизму переносчика» и по «канальному механизму»:
M
+
ион
мембрана
M
+
ион
ионофор
M
+
ион
ионофор
M
+
ион
раст вор
раст вор
ионофор
ионофор
M
+
ион
M
+
ион
M
+
ион
ионофор
ионофор
"Механизм переносчика"
"Канальный механизм"
44
Антибиотическое действие ионофоров основано на переносе
катионов через гидрофобную мембрану по градиенту концентрации,
что приводит к уменьшению мембранного потенциала, который, как
известно, жизненно необходим для процесса клеточного дыхания.
Валиномицин, моненсин, нонактин действуют по «механизму
переносчика», в качестве примера каналообразующего ионофора
можно привести циклический декапептид – грамицидин S.
Грамицидин S способен оказывать бактериостатическое и бак-
териоцидное действие на стрептококки, стафилококки, пневмококки,
возбудителей анаэробной инфекции и другие микроорганизмы. В ка-
честве лекарственного препарата грамицидин S применяется только
местно. Выраженное сперматоцидное действие позволяет использо-
вать грамицидин S в качестве контрацептивного средства (в виде пас-
ты).
В качестве лекарственных препаратов в медицине использу-
ются некоторые комплексные соединения золота, например, хризолан
Na
3
[Au(S
2
O
3
)
2
], который обладает антиревматической активностью.
D-Phe
L-Val
L-Orn
L-Pro
D-Phe
L-Leu
L-Pro
L-Orn
L-Val
L-Leu
Грамицидин S
45
Комплексные соединения платины, например, цисплатин, ис-
пользуются в онкологии в качестве противоопухолевых средств при
лечении рака мочевого пузыря, шейки матки, яичников и семенников.
Но цисплатин обладает рядом побочных эффектов.
Другое комплексное соединение платины – карбоплатин. Этот
препарат имеет меньше побочных эффектов, но также проявляет кли-
ническую активность.
Pt
NH
3
NH
3
Cl
Cl
цисплатин
O
Pt
O
NH
3
NH
3
карбоплатин
46
ПОНЯТИЕ О БАЛАНСЕ БИОКОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЕЙ И
БИОЛИГАНДОВ. ОСНОВЫ ХЕЛАТОТЕРАПИИ
В любом живом организме, в том числе и в организме челове-
ка, непрерывно происходят два противоположно направленных про-
цесса – образование биокомплексов и их распад.
В общем виде биокомплекс можно записать как комплекс, со-
стоящий из биокомплексообразователя (M
Bio
) и биолигандов (L
Bio
). В
норме in vivo должно существовать равновесие, которое будет иметь
следующий вид:
При нарушении этого равновесия могут развиваться различ-
ные патологические состояния. Если нарушение равновесия связано с
нарушением баланса комплексообразователей, которые относятся к
микроэлементам, то развивается микроэлементоз, если комплексо-
образователь относится к макроэлементам (K, Na, Ca и др.), то также
может развиваться патологический процесс. Серьезная патология мо-
жет быть обусловлена и нарушением равновесия со стороны лигандов.
Патологические, токсические лиганды могут поступать в организм из
вне, а могут, в силу каких-либо причин, образовываться в самом орга-
низме.
Если токсические комплексообразователи обозначим M
Tox
, а
токсические лиганды L
Tox
, то патологические процессы можно запи-
сать как смещение равновесия:
M
Bio
+ L
Bio
[M
Bio
L
Bio
]
M
Bio
[M
Bio
L
Bio
]
[M
Bio
L
Tox
]
L
Tox
L
Bio
Условие: К
н
(
M
Bio
L
Tox
) < К
н
(
M
Bio
L
Bio
)
Направление смещения равновесия при пат ологии
L
Bio
[M
Bio
L
Bio
]
[M
Tox
L
Bio
]
M
Tox
M
Bio
Условие: К
н
(
M
Tox
L
Bio
) < К
н
(
M
Bio
L
Bio
)
Направление смещения равновесия при пат ологии
47
Необходимо помнить, что понятия «токсический» и «био-» по
отношению к лигандам и комплексообразователям являются относи-
тельными, поскольку биокомплексообразователи при избыточном по-
ступлении могут становиться токсическими, биолиганды при опреде-
ленных условиях могут проявлять себя как токсические. Поэтому по-
нятия «токсический» и «био-» используются исходя из конкретных
условий функционирования организма.
Действие токсических лигандов и методы детоксикации были
разобраны выше на примере отравления угарным газом, цианидами и
др.
Механизм токсического действия некоторых комплексообра-
зователей будет рассмотрен во второй части, а пока опишем основные
принципы лечения (хелатотерапии) с использованием специальных
препаратов-лигандов (L
Med
) при подобных токсических воздействиях.
При отборе лигандов, которые планируется использовать для
хелатотерапии, руководствуются четырьмя основными принципами:
1) лиганд-препарат не должен быть токсичным для организма;
2) лиганд-препарат не должен разрушаться или модифициро-
ваться в биологической среде;
3) лиганд-препарат должен обладать высоким сродством к
токсическим комплексообразователям;
4) лиганд-препарат должен обладать низким сродством к био-
комплексообразователям.
Приведенные выше условия можно записать в виде смещения
равновесия:
M
Tox
[M
Tox
L
Bio
]
[M
Tox
L
Med
]
L
Med
L
Bio
Условие: К
н
(
M
Tox
L
Med
) < К
н
(
M
Tox
L
Bio
)
Направление смещения равновесия при хелат от ерапии
M
Bio
[M
Bio
L
Bio
]
[M
Bio
L
Med
]
L
Med
L
Bio
Условие: К
н
(
M
Bio
L
Bio
) < К
н
(
M
Bio
L
Med
)
Направление смещения равновесия при хелат от ерапии
48
В качестве лигандов-препаратов для хелатотерапии эффектив-
но используются следующие препараты: трилон Б, тетацин, пен-
тацин, дефероксамин, пеницилламин, британский антилюизит
(БАЛ), унитиол, криптанид, алюминон и ряд других. Их химические
формулы приведены в «Приложении».
Некоторое представление о практическом использовании хела-
тотерапии в современной медицине дает приведенная ниже схема, на
которой показано, какие именно лиганды-препараты выбирают для
хелатотерапии при отравлении солями металлов.
Ca Cu Hg
Pb
Cd
Fe Be, Al
Th, Co, U
As, Au, Ti, Tl, Bi
Rb, Sr, Ba
Трилон Б Тетацин
Пентацин
Дифероксамин
Пеницилламин
БАЛ
Криптанид
Алюминон
Y, Cs
Pu, Zn
49
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1.
Вычислите заряды комплексных ионов, образованных плати-
ной(IV):
1) [Pt(NH
3
)
4
Cl
2
];
2) [Pt(NH
3
)Cl
5
].
Решение.
Заряд внутренней сферы равен простой алгебраической сумме
зарядов всех частиц, содержащихся во внутренней сфере, то есть
«заряд внутренней сферы = заряд M + заряд L»;
1) В комплексном соединении [Pt(NH
3
)
4
Cl
2
] заряд комплексооб-
разователя (иона платины) равен +4, лиганды NH
3
– нейтральные,
заряд хлорид-иона равен –1. Учитывая, что во внутренней сфере со-
держится два хлорид-иона, рассчитаем алгебраическую сумму заря-
дов: +4+4×0+2×(–1)=+2.
2) В комплексном соединении [Pt(NH
3
)Cl
5
] заряд комплексооб-
разователя (иона платины) равен +4, лиганд NH
3
– нейтральный, за-
ряд хлорид-иона равен –1. Учитывая, что во внутренней сфере со-
держится пять хлорид-ионов, рассчитаем алгебраическую сумму за-
рядов: +4+0+5×(–1)= –1.
Ответ: 1) [Pt(NH
3
)
4
Cl
2
]
2+
;
2) [Pt(NH
3
)Cl
5
]
–
.
Пример 2.
В растворе комплексной соли состава CoCl(NO
3
)
2
4NH
3
не об-
наружены молекулы NH
3
, ионы NO
3
–
и ионы кобальта. Весь хлор, со-
держащийся в составе этой соли, образует хлорид серебра при взаимо-
действии с раствором нитрата серебра. Измерение электрической про-
водимости показывает, что комплексная соль диссоциирует на два ио-
на. Напишите координационную формулу комплексного соединения.
Определите координационное число комплексообразователя.
Решение.
Так как молекулы NH
3
, ионы NO
3
–
и ионы кобальта в растворе
не обнаружены, следовательно, они входят в состав внутренней сфе-
ры комплексного соединения. Хлорид-ион, образующий хлорид серебра,
является внешней сферой комплексной соли. Два иона, на которые дис-
50
3d
3s 3p
L
L
L
L
L
L
социирует комплексная соль, представляют собой комплексный ион
(внутреннюю сферу), [Co(NH
3
)
4
(NO
3
)
2
]
+
и ион Cl
–
(ион внешней сферы).
Таким образом, комплексное соединение имеет следующую ко-
ординационную формулу: [Co(NH
3
)
4
(NO
3
)
2
]Cl.
Характеристическим координационным числом комплексооб-
разователя называют общее число
-связей, образующихся между
комплексообразователем и лигандами в конкретном комплексном со-
единении. В комплексном соединении [Co(NH
3
)
4
(NO
3
)
2
]Cl содержатся
четыре монодентантных лиганда NH
3
и два монодентантных лиган-
да NO
3
, следовательно, координационное число кобальта равно шес-
ти.
Ответ: [Co(NH
3
)
4
(NO
3
)
2
]Cl, КЧ=6.
Пример 3.
Напишите электронное строение и укажите тип гибридизации
комплексообразователя в комплексном ионе [Al(H
2
O)
6
]
3+
. Определите
геометрическое строение комплекса.
Решение.
Согласно методу валентных связей донорами пар электронов
являются конкретные атомы многоатомных лигандов. В лиганде H
2
O
донорным атомом является атом кислорода.
Для определения электронного строения комплексообразова-
теля необходимо найти его заряд. Зная, что заряд внутренней сферы
равен +3, лиганды H
2
O – нейтральные, рассчитаем заряд комплексо-
образователя, приняв его за икс: x+6×0=+3, x=+3.
Ион Al
3+
(акцептор) имеет следующее электронное строение
[
10
Ne]3s
0
3p
0
.
Лиганд H
2
O донор одного электрона, шесть аква лигандов
донируют шесть электронов.
Графически взаимодейст-
вие комплексообразователя и ли-
гандов можно представить в виде
схемы, из которой следует, что
комплексообразователь находится
в состоянии sp
3
d
2
-гибридизации,
следовательно комплекс будет
иметь октаэдрическое строение.