3. Биологическая роль р-элементов III группы и применение в медицине.

Бор относится к примесным микроэлементам, его массовая доля в организме человека составляет 10^–5%. Бор концентрируется главным образом в лёгких [0,34 мг], щитовидной железе [0,30 мг], селезёнке [0,26 мг], печени, мозге [0,22 мг], почках, сердечной мышце [0,21 мг]. Биологическое действие бора ещё недостаточно изучено. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде труднорастворимых солей борной кислоты с катионами металлов.

Избыток бора вреден для организма человека. Имеются данные, что большой избыток бора угнетает амилазы, протеиназы, уменьшает активность адреналина. Предполагается, что снижение активности адреналина, являющегося производным полифенола, связано с его взаимодействием с ортоборной кислотой.

Установлено, что бор участвует в углеродно-фосфатном обмене, взаимодействует с рядом биологически активных соединений [углеводами, ферментами, витаминами, гормонами]. Вместе с тем употребление пищевых продуктов с большим содержанием бора нарушает в организме обмен углеводов и белков, что приводит к возникновению эндемических кишечных заболеваний — энтеритов.

Ортоборную кислоту применяют в качестве антисептического средства. Высокая растворимость борной кислоты в липидах обеспечивает быстрое проникновение её в клетки через липидные мембраны. В результате происходит свёртывание белков [денатурация] цитоплазмы микроорганизмов и их гибель.

Как антисептик широко применяют и буру — кристаллогидрат натрия тетрабората Na₂B₄O₇∙10H₂O. Фармакологическое действие препарата обусловлено гидролизом соли с выделением борной кислоты: Na₂B₄O₇ + 7H₂O  4H₃BO₃ + 2NaOH

Образующиеся щелочь и кислота вызывают свёртывание белков микробных клеток.

В зубопротезировании борную кислоту Н₃ВО₃ используют в качестве наполнителя формы при отливке стальных зубов.

В состав стоматологических паст, применяемых как клей-прослойка для зубных протезов, входит натрий метаборат NaBO₂ в смеси с алюминием гидроксидом Al(OH)₃.

По содержанию в организме человека [10^–5 %] алюминий относится к примесным микроэлементам. Алюминий концентрируется главным образом в сыворотке крови, лёгких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру оболочек мозга человека.

Квасцы применяют для полосканий, промываний и примочек при воспалительных заболеваниях слизистых оболочек и кожи. Кроме того, этот препарат применяют как кровоостанавливающее и прижигающее средство при порезах [свёртывающее действие].

Жжёные квасцы используют в виде присыпок как вяжущее и высушивающее средство при потливости ног. Осушающее действие связано с тем, что жжёные квасцы медленно поглощают воду.

Жжёные квасцы в 8% растворе Al(CH₃COO)₃ — жидкость Бутова — действуют как коагулянты. Фармакологическое действие основано на образовании комплексов с белками, выпадающих в виде гелей

[Al³⁺ + Pr  AlPr],

что приводит к гибели микробных клеток и снижает воспалительную реакцию.

Следует отметить применение в стоматологии каолина [белой глины] Al₂O₃·SiO₂·2H₂O в составе цементов, как временный пломбировочный материал, а также для штамповки коронок.

Алюминий оксид — составная часть зубоврачебных цементов — «цемента для фиксации несъёмных протезов», силикатного цемента «силицин», применяемого для пломбирования зубов, фиксации одиночных коронок, мостов. При употреблении напитков [например, «Фанта»] и пищи с повышенной кислотностью такие цементы довольно быстро разрушаются.

Соли алюминия и кислородсодержащих кислот растворимы в воде. Исключение составляет алюминий фосфат AlPO₄. Образование малорастворимого фосфата играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Усвоение фосфора организмом уменьшается в присутствии катионов Al³⁺ — вследствие образования в кишечнике малорастворимого алюминий фосфата. Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении препаратов алюминия — например, средства против повышенной кислотности желудка Al(OH)₃ [алмагеля]. В желудке алюминий гидроксид образует гель, который нейтрализует гидроксоний-ионы желудочного сока:

Al(OH)₃ + 3H₃O⁺  Al³⁺ + 6H₂O.

Перешедшие в раствор ионы алюминия в кишечнике переходят в малорастворимую форму — алюминий фосфат.

Биологическая активность р-элементов IIIA группы связана главным образом с их способностью к образованию комплексных соединений с кислородсодержащими лигандами и нерастворимых фосфатов.

В заключение необходимо отметить, что биологическая роль р-элементов IIIA группы изучена недостаточно. Установлено, что алюминий принимает участие в ферментативных процессах как в качестве активатора (катализирует реакцию трансаминирования), так и в качестве ингибитора (тормозит синтез гемоглобина). Свойством ингибировать многие серосодержащие ферменты обладает ион таллия.

Вопросы для самоконтроля:

1. Все ли соли алюминия можно выделить из водных растворов? Почему? Ответ подтвердите уравнениями реакций.

2. Объясните причину, по которой координационные числа бора и алюминия различаются.

3. Отличаются ли продукты взаимодействия оксида алюминия с щелочами в водном растворе и при сплавлении? Приведите уравнения реакций.

4. За счет чего молекула BF₃ может присоединять к себе другие молекулы или ионы (например: H₂O, NH₃, F^-)? Почему невозможно присоединение таких молекул, как СН₄?

5. Какую функцию выполняют галогены бора с точки зрения теории кислот и оснований Льюиса?

6. Для чего применяют альмагель? На чем основано его действие? Что нужно учитывать при назначении этого препарата?

7. Почему каолин можно использовать только в виде временного пломбировочного материала?

8. Какие соединения называют квасцами и какова их общая формула? Что такое жженые квасцы? На чем основано их вяжущее действие?

9. Объясните химизм антисептического действия борной кислоты и буры?

10. Борную кислоту применяют в медицине в виде 1% спиртового раствора. Рассчитайте молярную, нормальную, моляльную концентрации и титр такого раствора. Плотность раствора равна 0,8 г/мл.

5.2. р-элементы IV группы

IVA группу периодической системы элементов составляют углерод, кремний, германий, олово и свинец.

Общая электронная формула валентной оболочки атомов элементов IVA группы: ns²np²_. В невозбуждённом состоянии не спарены два р-электрона. Следовательно, в соединениях эти элементы могут проявлять степень окисления +2. Но в возбуждённом состоянии электроны внешнего энергетического уровня приобретают конфигурацию ns¹np³, и все 4 электрона оказываются неспаренными.

В соответствии с электронным строением возбуждённого состояния элементы IVА группы могут проявлять в соединениях степень окисления +4. Радиусы атомов элементов IVA группы закономерно возрастают с увеличением порядкового номера. В этом же направлении закономерно снижается энергия иониза ции и электроотрицательность:

При переходе в группе С — Si — Ge — Sn — Pb уменьшается роль неподелённой электронной пары на внешнем s-подуровне при образовании химических связей. Поэтому если для углерода, кремния и германия наиболее характерна степень окисления +4, то для свинца — +2.

В живом организме углерод, кремний и германий находятся в степени окисления +4, для олова и свинца характерна степень окисления +2.

Элементы IVA-группы могут проявлять и степень окисления –4, например, в летучих гидридах ЭН₄.

В соответствии с возрастанием размеров атомов и падением энергии ионизации Е_И при переходе от углерода к свинцу неметаллические свойства ослабевают, так как снижается способность присоединять электроны и увеличивается лёгкости их отдачи. Действительно, первые два члена группы — углерод и кремний — типичные неметаллы; германий, олово и свинец — амфотерные элементы с ярко выраженными металлическими свойствами у последнего:

Усиление металлических признаков в ряду С — Si — Ge — Sn — Pb проявляется и в химических свойствах простых веществ. В обычных условиях элементы С, Si, Ge и Sn устойчивы по отношению к воздуху и воде. Свинец же окисляется на воздухе. В электрохимическом ряду напряжений металлов Ge располагается после водорода, а Sn и Pb — непосредственно перед водородом. Поэтому германий не реагирует с кислотами типа HCl и разбавленной H₂SO₄.

Среди неорганических соединений углерода, кремния и их аналогов для медиков и биологов наибольший интерес представляют кислородные соединения этих элементов.

Углерод (IV) и кремний (IV) оксиды ЭО₂ являются кислотными, и соответствующие им гидроксиды Н₂ЭО₃ — слабыми кислотами. Оксид С (II) – несолеобразующий. Соответствующие оксиды и гидроксиды остальных элементов IVA группы амфотерны.

Т.к. в главных подгруппах с увеличением радиуса увеличиваются металлические свойства, то характер кислородных соединений подгруппы Ge меняется: в ряду низших оксидов и гидроксидов при переходе от Ge к Pb усиливаются основные свойства, а у высших – нарастают кислотные.

С позиции окислительно-восстановительных свойств элементы С, Si, Ge, Sn и Pb достаточно устойчивы по отношению к воздуху и воде (металлы Sn и Pb — за счёт образования оксидной плёнки на поверхности). В то же время соединения свинца (+4) — сильные окислители:

5PbO₂ + 2MnSO₄ + 3H₂SO₄  5PbSO₄ + 2HMnO₄ + 2H₂O

Германиты и станниты, как производные соответствующих элементов в низших степенях окисления, являются сильными восстановителями:

2Bi(OH)₂ + 3Na₂[Sn(OH)₄] → 2Bi + 3Na₂[Sn(OH)₆].

Для плюмбитов такие реакции не характерны. Для плюмбатов характерны оксилительные свойства в кислой среде.

Комплексообразующие свойства наиболее характерны для свинца, так как его катионы Pb²⁺ являются более сильными комплексообразователями по сравнению с катионами остальных р-элементов IVA группы. Катионы свинца образуют прочные комплексы с биолигандами.

Элементы группы IVA резко различаются как по содержанию в организме, так и по биологической роли. Углерод играет основополагающую роль в жизнедеятельности организма, где его содержание составляет около 20 %. Содержание в организме остальных элементов IVA группы находится в пределах 10^–4–10^–8 %. В то же время, если кремний и германий, несомненно, играют важную роль в жизнедеятельности организма, то олово и особенно свинец — токсичны. Таким образом, с ростом атомной массы элементов IVA группы токсичность их соединений растёт.