12.2.6. Сера и ее соединения

В периодической системе сера расположена в III периоде, в группе VIA. Электронная конфигурация ее атома ls²2s²2p⁶3s²3p⁴. Наличие во внешнем слое двух неспаренных электронов позволя­ет атому серы образовывать две связи. Однако, в отличие от ки­слорода, у атома серы на валентном уровне имеется пять свобод­ных d-орбиталей. Поэтому при возбуждении у атома серы могут возникать состояния с четырьмя неспаренными электронами 3s²3p³3d¹ и с шестью неспаренными электронами 3s¹3p³3d², ко­торые позволяют сере образовывать 4 и 6 связей соответственно. Максимальная степень окисления серы в соединениях +6 (SO3, H₂S0₄, R-OSO3H, а минимальная -2 (H₂S, R—SH, R—S—R). В серосодержащих биосубстратах организма сера обычно имеет минимальную степень окисления (-2), что способствует высо кой восстановительной активности этих соединений, особенно соединений, содержащих тиольную группу (R—SH). Эта группа легко окисляется в дисульфидную группу (R—S—S—R), содер­жащую атомы серы со степенью окисления —1.

Большой радиус атома серы, невысокая электроотрицатель­ность (ОЭО = 2,5), наличие внутреннего электронного экрана 2s²2p⁶ и вакантных Зd-орбиталей во внешнем слое способствуют уменьшению энергии серосодержащих связей и увеличивают поляризуемость как связей, так и неподеленных пар электронов внешнего слоя. Все это делает атом серы в соединениях чрезвы­чайно мягким центром, склонным к взаимодействию прежде все­го с мягкими легкополяризуемыми реагентами, а также к обра­зованию связей с аналогичным атомом серы (R—S—S—R).

Кислотно-основные свойства. Высокая поляризуемость (мяг­кость) атома серы объясняет низкое сродство ее соединений с об­щей формулой R—SH к протону - самому жесткому из реагентов:

Это проявляется, как видно из приведенных данных, в резком уменьшении основности и увеличении кислотности серосодер­жащих соединений по сравнению с кислородными аналогами.

Высокая поляризуемость электронной оболочки атома серы ска­зывается также на окислительно-восстановительных, комплексообразующих и нуклеофильных свойствах серосодержащих соединений.

Окислительно-восстановительные свойства. Из всех органо­генов только сера в степени окисления -2 окисляется легче, чем углерод органических соединений. Поэтому защитные свойства относительно окислителей и активных радикалов проявляют прежде всего тиолы R—SH. При мягком окислении тиолов про­исходит образование дисульфидов:

Этот процесс в условиях организма носит обратимый характер, о чем свидетельствует значение его нормального восстанови­тельного потенциала.

Свободную тиольную группу содержит а-аминокислота цистеин, которая при мягком окислении переходит в цистин:

Цистеинсодержащие белки в результате подобного окисления образуют дисульфидные связи, вследствие чего изменяются их конформация и биологические функции. В организме роль протекторов цистеинсодержащих белков выполняют глютатион (G—SH), являющийся трипептидом, содержащим цистеин, и дигидролипоевая кислота, которые принимают на себя действие окислителя и таким образом защищают чувствительные белки. Окисление этих протекторов происходит по-разному: для глютатиона оно протекает межмолекулярно, сшивая его две молекулы дисульфидным мостиком, а для дигидролипоевой кислоты -внутримолекулярно с образованием липоевой кислоты:

Поскольку эти процессы носят обратимый характер, то они позволяют поддерживать в организме тиол-дисульфидное рав­новесие, которое лежит в основе регуляции активности фермен­тов и гормонов, проницаемости мембран, свертывания крови и адаптации организма к экстремальным воздействиям.

При появлении в клетке радикалов вследствие неферментативного окисления или радиационного воздей­ствия, тиоловые протекторы, взаимодействуя с этими радика­лами, нейтрализуют их. При этом появляются тиоловые ради­калы, менее активные и склонные к самоликвидации за счет образования дисульфидов:

Таким образом, тиоловые протекторы защищают организм и в случае атаки радикалами, но концентрация этих естественных протекторов ограничена. С целью усиления протекторной защиты организма от указанных воздействий используют тиоловые анти­доты, содержащие две близко расположенные тиоловые группы (2,3-димеркаптопропанол-1 (БАЛ)) или тио- и аминогруппы (2-амино-З-меркапто-З-метилбутановая кислота (пеницилламин)), а также препараты унитиол и сукцимер (разд. 10.4), используе­мые в хелатотерапии как лиганды при отравлении ионами тя­желых металлов.

Комплексообразующие свойства. Тиолсодержащие биосуб­страты, вследствие большой поляризуемости атома серы, являют­ся мягкими и активными лигандами. Поскольку катионы тяже­лых металлов относятся к мягким комплексообразователям, особенно Cu²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, то они активно взаимодействуют с тиольными группами многих серосодержащих биосубстратов, включая ферменты (Ф-SH), с образованием прочных комплексов:

В результате субстрат или фермент теряет биологическую актив­ность, поэтому ионы тяжелых металлов являются токсикантами. Детоксикация организма от катионов металлов-токсикантов с помощью хелатотерапии была рассмотрена в разд. 10.5.

Сродство катионов Ag⁺ к тиольным группам настолько ве­лико, что AgN0₃ используют для количественного определения содержания в исследуемой пробе групп —SH методом титрова­ния. Это позволяет оценивать буферную емкость антиоксидантной системы организма (разд. 9.3.9).

Нуклеофильные и электрофильные свойства. Большой ра­диус атома серы и наличие двух неподеленных электронных пар способствуют его высокой поляризуемости. Благодаря этому для тиолов характерна высокая нуклеофильность за счет атома серы. Вследствие высокой нуклеофильности тиоловые биосубстраты чувствительны к действию алкилирующих реагентов, включая такие отравляющие вещества, как люизит и иприт. Действие люизита связано с ингибированием дигидролипоевой кислоты -кофактора оксидазных ферментов:

Защитные свойства от действия люизита проявляют выше­перечисленные тиоловые антидоты (БАЛ, унитиол и др.), кото­рые не только связывают свободные молекулы яда, но и высво­бождают дигидролипоевую кислоту из ее комплекса с люизитом.

Вследствие высокой нуклеофильности и повышенной кислот­ности тиолы легче вступают в реакцию этерификации, чем спирты. Эта особенность тиолов реализуется в природе в случае кофер-мента А, содержащего тиольную группу (HSKoA). Кофермент А при взаимодействии с карбоновыми кислотами в присутствии фермента ацилкоа-синтетазы образует ацилкофермент А:

Этот процесс эндэргонический и поэтому сопряжен с гидроли­зом АТФ.

В ацилкоферменте А карбонильный атом углерода имеет вы­сокий частичный положительный заряд 8+ и соответственно вы­сокую электрофильность. Это объясняется слабым сопряжением -электронов связи С=0 с неподеленной электронной парой атома серы, что обусловлено его большими размерами. Поэтому данный кофермент выполняет роль переносчика ацильной груп­пы на кислородсодержащие субстраты (разд. 19.2). Например, ацетилкофермент А превращает холин в ацетилхолин:

Кроме того, ацильная группа в ацилкоферменте А настолько акти­вирована, что при его участии осуществляются реакции расщепле­ния и образования связей С—С в биосубстратах. Благодаря ацил-коферменту А в организме синтезируются жирные кислоты (разд. 19.4.1), стероиды, а в микроорганизмах - различные антибиотики. Высокая нуклеофильность атома серы в аминокислоте ме-тионине (CH3SR) способствует ее реакции с АТФ с образованием S-аденозилметионина, содержащего S-метилсульфониевую груп­пу, в которой атом серы, несущий положительный заряд, является сильным электрофилом:

С помощью этого биосубстрата осуществляется биологическое метилирование аминов. Например, 2-аминоэтанол (коламин), под­вергаясь полному метилированию S-аденозилметионином, превращается в холин:

Таким образом, тиоловые субстраты живых систем вследст­вие высокой поляризуемости атома серы выполняют биохимиче­ские функции, участвуя в синтезе метаболитов и поддержании тиол-дисульфидного равновесия в антиоксидантной системе. В то же время они оказываются чрезвычайно чувствительными к внеш­ним воздействиям окислителей, катионов металлов-токсикантов и алкилирующих веществ благодаря специфическим химическим свойствам серосодержащих соединений.

Круговорот серы в природе. По содержанию в природе се­ра — один из распространенных элементов. В земной коре она присутствует в виде свободной серы, сульфидов и сульфатов (рис. 12.6). Последних много и в гидросфере. Потребности животных в соединениях серы удовлетворяются только за счет рас­тений, которые усваивают ее в основном из почвы в виде сульфа­тов и включают в состав серосодержащих белков. В результате сжигания ископаемого топлива, загрязненного серой, и плавки сульфидных руд в атмосферу поступают загрязняющие ее окси­ды серы (разд. 14.1.1). Оксид серы(4), растворяясь в дождевой воде и окисляясь кислородом воздуха, возвращается кислотны­ми дождями в виде сульфат-ионов в почву и гидросферу (разд. 14.1.3). В круговороте серы большую роль играют аэробные и анаэробные микроорганизмы, которые восстанавливают и окис­ляют серосодержащие соединения.

Рассмотрим химические свойства важнейших серосодержа­щих соединений.

Сероводород H2S. При гниении белковых веществ под дейст­вием микроорганизмов образуется сероводород. Это бесцветный газ с характерным неприятным запахом. Очень ядовит, так как за счет связывания атомов меди в цитохромоксидазе блокирует перенос электронов с этого фермента дыхательной цепи на ки­слород. Поэтому при вдыхании сероводорода наступает обмороч­ное состояние и даже смерть от паралича дыхания. Сероводород является составной частью некоторых природных минеральных вод, которые применяются в медицине.

Один объем воды при стандартных условиях растворяет около трех объемов сероводорода (0,1 М раствор H2S). В водном растворе сероводород является очень слабой двухосновной ки­слотой, диссоциирующей ступенчато:

Сероводородная кислота образует два типа солей: средние - суль­фиды (Na2S) и кислые - гидросульфиды (NaHS), которые в водных

Рис. 12.6. Круговорот серы в природе

растворах легко гидролизуются по аниону и поэтому их раство­ры пахнут сероводородом. Гидролиз сульфидов многозарядных катионов А1³⁺, Сг³⁺ протекает и по аниону, и по катиону, по­этому он практически необратим (разд. 8.3.1):

Сульфиды, и особенно сероводород, являются сильными восстановителями и в зависимости от условий могут окисляться до S, S0₂ или H2SO4:

В осстановительные свойства сероводорода лежат в основе дея­тельности фотосинтезирующих анаэробных бактерий, продуци­рующих из H₂S и СO2 углеводыи серу:

П рисутствие сероводорода качественно обнаруживают, пропус­кая воздух через растворы солей свинца или кадмия и наблюдая образование окрашенных осадков сульфидов:

Количественно содержание сероводорода определяют методом иодометрии:

К ислородные соединения серы. Сера с кислородом образует два кислотных оксида: SO2 - оксид серы(4) и SO3 - оксид cepы(6).

При растворении в воде оксид серы(4) образует сложную рав­новесную систему на основе слабой малоустойчивой сернистой ки­слоты:

Э та кислота образует два типа солей: средние - сульфиты (Na2SO3, K2SO3) и кислые - гидросульфиты (NaHS0₃, KHSO3). Раствори­мые соли сернистой кислоты гидролизуются в водных раство­рах по аниону:

При нагревании раствора Nа2SО3 с порошком серы образуется тиосульфат натрия, соль очень неустойчивой тиосерной кислоты H2S2O3:

Тиосульфат натрия применяется в медицинской практике как универсальный антидот, свойства которого будут рассмотрены в конце этого раздела.

Окислительно-восстановительные свойства SC2, воздействие его на организм и определение его в воздухе будут рассмотрены в разд. 14.1.

Оксид серы(6) SO3 активно поглощает воду, образуя сильную серную кислоту, которая полностью диссоциирована по первой ступени и в меньшей степени по второй ступени:

Соли серной кислоты — сульфаты и гидросульфаты - в водном рас­творе не подвергаются гидролизу по аниону. Многие сульфаты хо­рошо растворимы в воде и применяются в качестве лекарственных препаратов: Na2S0₄ • 7Н₂0 - глауберова соль, MgS0₄ * 7Н2О -горькая соль, CuS0₄ • 5Н2О - медный купорос, ZnS02 • 7Н₂0 -цинковый купорос. Практически нерастворимы BaS0₄, SrS0₄, PbS0₄. Сульфат бария BaS0₄ применяется как контрастное веще­ство при рентгенологическом исследовании пищевода и желудка, так как хорошо поглощает рентгеновское излучение.

П ри жестком окислении серосодержащие субстраты могут окисляться до сульфатов. Образующаяся в организме эндогенная серная кислота участвует в обезвреживании ядовитых соедине­ний фенола, крезола, индола, вырабатываемых в кишечнике из аминокислот микробами. С этими соединениями серная кислота образует эфиры сульфаты, которые выводятся из организма с мочой:

Соли серной кислоты практически не являются окислителя­ми, но сама серная кислота активно проявляет окислительные свойства. В разбавленных растворах серная кислота - окислитель за счет катионов водорода, которые восстанавливаются до элементарного водорода. Концентрированная серная кислота явля­ется окислителем за счет S⁺⁶, окисляя металлы и неметаллы и превращаясь при этом в SO2, S или H2S, в зависимости от свойств партнера по реакции и условий ее проведения.

Тиосульфат натрия Na2S2O3. Поскольку один из атомов серы в тиосульфат-ионе эквивалентен атому кислорода, считают, что его степень окисления равна -2, а сте­пень окисления центрального атома серы +6 (как в сульфате). Формальные же степени окисления этих атомов серы равны 0 и +4 соответственно. Тиосульфат-ион про­являет окислительно-восстановительную двойственность, явля­ется активным лигандом в реакциях комплексообразования, для него характерны также реакции осаждения. Эти особенности объясняют, почему тиосульфат натрия применяется в медицине как один из универсальных антидотов.

П ри отравлениях галогенами и другими сильными окисли­телями антитоксическое действие Na2S2O3 объясняется его вос­становительными свойствами. При этом сильными окислителя­ми тиосульфат окисляется до сульфат-иона, а слабыми - до тетратионат-иона:

Последняя реакция широко используется в объемном анализе в методе иодометрии.

При отравлениях цианидами антитоксическое действие Na2S2O3 объясняется его окислительными свойствами. Он окисляет цианид-ион в значительно менее ядовитый тиоцианат-ион:

При подкислении водных растворов тиосульфатов происхо­дит разложение образующейся неустойчивой тиосерной кислоты:

Данная реакция используется для лечения больных чесоткой, так как образующиеся сера и оксид cepы(4) оказывают противопаразитарное действие.

Тиосульфат-ион образует прочные комплексные соединения со многими катионами металлов-токсикантов: кадмия, меди(1), ртути(2), свинца(2), серебра. С катионами серебра он образует прочный водорастворимый комплекс, в котором ионы серебра связаны сильней, чем в нерастворимых галогенидах серебра:

Поэтому тиосульфат натрия широко используется при обработ­ке кино- и фотопленок, а также рентгеновских снимков в каче­стве фиксажа для закрепления изображения путем удаления остаточных галогенидов серебра из обрабатываемых материалов. Эффективность тиосульфата натрия при отравлениях свинцом и ртутью связана не только с реакцией комплексообразования, но и с образованием плохо растворимых нетоксичных соединений: тиосульфатов, сульфитов и сульфидов этих металлов.

О бщая характеристика и биологическая роль тяжелых элементов группы VIA. Селен Se и теллур Те - элементы неме­таллического характера, а полоний Ро - металл и очень редкий радиоактивный элемент. В соединениях эти элементы проявля­ют степени окисления -2, +4 и +6, последняя для полония не характерна. Устойчивость соединений этих элементов в различ­ных степенях окисления изменяется следующим образом:

Селен физиологически активен, а биологическое действие теллура и полония (без учета его радиоактивности) не выявлено. В живых организмах селен, как и сера, входит в состав биосубстратов в степени окисления -2. Вследствие близости химиче­ских свойств этих элементов они могут замещать друг друга в соединениях. При этом селен может выступать как синергистом, так и антагонистом серы, о чем свидетельствует биологическая активность селенсодержащих соединений.

При поступлении в организм селен прежде всего накаплива­ется в ногтях и волосах. Их основу составляют серосодержащие аминокислоты цистеин и метионин. Селен замещает атомы се­ры в этих аминокислотах, превращая их в селеноцистеин и селенометионин. Эти необычные кислоты также входят в состав активных центров следующих ферментов: глютатионпероксидазы, глютатионредуктазы и формиатдегидрогеназы, обеспечивая их высокую ферментативную активность. Хорошо известна спо­собность селена предохранять организм от отравления ртутью и кадмием. Причем связывание катионов этих токсичных метал­лов происходит не селенсодержащими группами метаболитов, а другими активными центрами, которые мало влияют на биоло­гическую активность метаболитов. Интересным является также факт взаимосвязи между низкой смертностью от рака и высо­ким содержанием селена в пище. В то же время замещение группы SH на группу SeH в ряде ферментов приводит к сниже­нию их дегидрогеназной активности и ингибированию клеточ­ного дыхания.

Соединения, содержащие Se⁺⁴, - селениты - более токсичны, чем цианиды. Это, вероятно, вызвано их окислительными свой­ствами, из-за которых происходит превращение тиолсодержащих белков (Prot SH) в белки, содержащие группы —S—Se—S—:

Наличие такой группы может привести к изменению третичной структуры белков и нарушению их биологической функции.