полезная метода

для окисной ртути реакции. Нерастворимые в воде препараты ртути предварительно обрабатывают разведенной хлористоводородной кислотой с целью перевода ртути в ионизированное состояние. При подщелачивании полученного раствора выпадает желтый осадок окиси ртути (II):

При постепенном добавлении к раствору соли окисной ртути раствора калия йодида сначала выпадает красный осадок йодида ртути (II), который при добавлении избытка реактива растворяется с образованием бледно-желтого, почти бесцветного раствора комплексной соли тетрайодмеркуроата калия:

Оба метода высокоспецифичны, просты и надежны в исполнении. Ртутьсодержащие растворы после работы сливают в специально подготовленные склянки.

B кислых растворах (6—7 М НСl) образуют черный осадок сульфида HgS. Имеются три модификации сульфида ртути: красная форма, имеющая искаженную решетку хлорида натрия с зигзагообразными цепями Hg-S- Hg, идентичная минералу киноварь; черная форма, встречающаяся в виде минерала метациннобарита, имеющая структуру цинковой обманки; киноварь, которая образуется при действии тиосульфата натрия на нейтральный раствор хлорида ртути (II).

Сульфид ртути растворим в царской водке; в соляной кислоте он растворяется только в присутствии окислителей (например, пероксида водорода) или комплексообразующих ионов. Чувствительность обнаружения ртути с сульфид-ионом зависит от кислотности анализируемого раствора. Например, предел обнаружения ртути в сильнокислых растворах—10 мкг. Из растворов с концентрацией 6—7М НСl вместе со ртутью осаждаются сульфиды мышьяка (V) и меди (II).

Йодид калия при взаимодействии с ионами ртути (II) осаждает красный осадок HgI2. Имеются две модификации иодида ртути (II): красная и желтая. Красная модификация при нагревании до 150°С переходит в желтую. Йодид ртути кристаллизуется в слоистых решетках. Осадок HgI2 растворяется в избытке йодида калия, в растворах тиосульфата или цианида с образованием устойчивых комплексных ионов. В водных растворах ионы Hg2+ с галогенид-, цианид-, тиосульфат-ионами и другими анионами образуют комплексы типа HgX+, HgX2, HgX3–, HgX42–,. При более высоких содержаниях ртути в растворе образуются полиядерные комплексные соединения. Если одновременно в растворе присутствует несколько анионов разных по природе, то образуются смешаннолигандные

комплексы HgXnYi, например HgClBr, HgBr2I-, HgI2Br22– и др.

371

При действии NH3 или ионов аммония и концентрированного раствора щелочи на раствор, содержащий комплексные ионы HgI42–, выпадает характерный красно-бурый осадок:

Эту реакцию под названием реакции Несслера используют для обнаружения Hg2+ и NH4+. Предел обнаружения ртути - 5 мкг.

Реакция с щелочами Hg2+ + 2ОН– = HgО (желтый) + Н2О. Осадок HgO растворяется в азотной кислоте, в растворах хлоридов и иодидов щелочных металлов с образованием соответственно Hg(NO3)2, HgCl2 и комплекса [HgI4]2–:

HgO + 2 HNO3 → Hg(NO3)2 + H2O

HgO +2 Cl– + H2O → HgCl, + 2 OH–

HgO +4 I– + H2O → [HgI4]2– + 2 OH–

§5. Обнаружение катионов марганца (II), Mn2+

Висмутат натрия, оксид свинца (IV), персульфат аммония в азотнокислой среде при нагревании быстро окисляют ионы марганца (II) до марганцевой кислоты НМnО4, имеющей характерную краснофиолетовую окраску:

Окисление персульфатом аммония проводят в присутствии катализатора ионов серебра (I), которые окисляются персульфатом аммония до ионов серебра (II)

Далее ионы серебра (II) окисляют ионы марганца (II) до перманганат иона, а ионы серебра (I) при этом регенерируются:

Висмутат натрия окисляет ионы марганца (II) в отличие от других окислителей без нагревания. Обнаружению марганца мешают восстановители, в том числе хлорид-ион и большие количества иона марганца (II) . Предел обнаружения марганца — 2 мкг.

§6. Обнаружение катионов меди (II) Сu2+

В ГФ используются следующие методы обнаружения ионов меди

(II).

372

Реакция восстановления меди (II) металлами до металлической меди

– Реакцию дают металлы, расположенные в ряду напряжений металлов

левее меди.

Cu2+ + Zn = Сu + Zn2+

Сu2+ + Fe = Сu + Fe2+

3 Сu2+ +2 А1 = 3 Сu +2 А13+

Гексацианоферрат (II) калия при рН ≤ 7 осаждает ионы меди в виде красно-бурого осадка Cu2Fe(CN)6, который растворим в аммиаке с образованием аммиакатов меди. Предел обнаружения меди –10 мкг. Проведению реакции мешают ионы Fe3+, Ni2+, Co2+, образующие с реагентом цветные осадки. Поэтому указанные ионы предварительно отделяют или связывают в устойчивые растворимые комплексные соединения. При очень малых концентрациях меди осадок не выпадает, но раствор окрашивается в розовый цвет.

Аммиак при взаимодействии с ионами меди сначала осаждает основные соли переменного состава зеленого цвета, легко растворимые в избытке реагента. При рН >9 образуются аммиачные комплексы меди интенсивно-синего цвета: Cu(NH3)(H2O)52+; Cu(NH3)4(H2O)22+. Предел обнаружения меди — 40 мкг.

Тетрароданомеркуриат (II) аммония в уксуснокислой среде с ионами меди в присутствии ионов цинка образует изоморфные кристаллы фиолетового цвета CuHg(SCN)4 и ZnHg(SCN)4 (рис. 2). Чтобы эта реакция удалась, необходимо брать очень разбавленный раствор соли меди, иначе вместо фиолетового выделяется желтовато-зеленый осадок CuHg(SCN)4.

Предел обнаружения меди – 2 мкг. Ионы Fe2+, Co2+, Ni2+ должны отсутствовать, так как они образуют окрашенные соединения с реагентом. Реакцию на медь можно выполнить в пробирке или как микрокристаллоскопическую. Если обнаружение меди проводить микрокристаллоскопическим методом с использованием соединения CuHg(SCN)4, можно обнаружить только 5 мкг.

Соляная кислота в присутствии пиридина и 2-пиколина с ионами Сu

(I) образует комплексы состава CuPyCl и Сu(Ру)3Сl, где Ру – пиридин или пиколин. Это соединение при минус 196°С интенсивно люминесцирует желтым цветом. Ионам Сu (I), подобно Ag+ и Аu+ (электронная конфигурация nd10), свойственна собственная люминесценция. Она обусловлена электронными переходами между энергетическими уровнями самого иона металла.

Реакцию обнаружения меди по ее люминесценции можно проводить капельным методом на фильтровальной бумаге. Предел обнаружения меди

– 0,06 мкг. Не мешают обнаружению меди 100-кратные количества Cd, Co, Zn, Ni, Fe(II, III), Mn, Cr. Остальные катионы, за исключением Pb2+, Bi2+, Sb(III), в любых количествах не мешают обнаружению меди.

373

§7.Лабораторная работа «Фармакопейные реакции d-элементов»

Опыт 1. Открытие ионов железа

Общая реакция на закисное и окисное железо.

Краствору соли закисного или окисного железа (около 0,02 г иона железа) прибавляют раствор сульфида аммония; образуется черный осадок, растворимый в разведенных минеральных кислотах.

Открытие закисного железа.

К2 мл раствора соли закисного железа (около 0,02 г иона железа) прибавляют 0,5 мл разведенной хлористоводородной кислоты и 1 мл раствора феррицианида калия; образуется синий осадок.

Открытие окисного железа.

А. К 2 мл раствора соли окисного железа (около 0,001 г иона железа) прибавляют 0,5 мл разведенной хлористоводородной кислоты и 1-2 капли раствора ферроцианида калия; образуется синий осадок.

Б. К 2 мл раствора соли окисного железа (около 0,001 г иона железа) прибавляют 0,5 мл разведенной хлористоводородной кислоты и 1- 2 капли

раствора роданида аммония; появляется красное окрашивание. Опыт 2. Открытие ионов Сu2+

Выполнение реакции

1. К 2—3 каплям раствора, содержащего ионы меди (II) (рН ≤ 7), прибавляют 1—2 капли раствора реагента. Образуется красно-бурый осадок.

2. К 2—3 каплям раствора, содержащего ионы меди (II), добавляют большой избыток раствора аммиака до рН>9. Появление интенсивносинего цвета раствора указывает на присутствие меди.

3. Поместите одну каплю раствора медного купороса на железную или цинковую пластинку. Наблюдайте образование красного налета

свободной меди.

Опыт 3. Открытие ионов Zn2+

Выполнение реакций

1. К 2 мл нейтрального раствора соли цинка (0,005-0,02 г иона цинка) прибавляют 0,5 мл раствора сульфида натрия или сероводорода; образуется белый осадок, нерастворимый в разведенной уксусной кислоте

илегкорастворимый в разведенной хлористоводородной кислоте.

2. К 2 мл раствора соли цинка (0,005-0,02 г иона цинка) прибавляют 0,5 мл раствора ферроцианида калия; образуется белый осадок, нерастворимый в разведенной хлористоводородной кислоте.

Опыт 4. Открытие ионов Ag+

Выполнение реакции.

К 1—2 каплям раствора, содержащего ионы серебра, добавляют 1—2 капли 30%-ного раствора уксусной кислоты и 1—2 капли раствора сульфида аммония. Образуется черный осадок сульфида серебра.

375

2. К 2—3 каплям испытуемого раствора, подкисленного азотной кислотой, добавляют 2—3 капли 2 М раствора НСl. Образуется аморфный белый осадок. Его центрифугируют, промывают водой и обрабатывают 2—3 каплями концентрированного раствора NH3. Каплю полученного раствора помещают на предметное стекло. Через некоторое время после испарения растворителя образуются характерные кристаллы Ag(NH3)2Cl.

Опыт 5. Открытие ионов Mn2+

Выполнение реакции

1.К капле раствора нитрата или сульфата марганца прибавляют каплю концентрированной азотной кислоты, 3–4 капли воды и немного твердого висмутата натрия. Раствор окрашивается в малиновый цвет.

2.К 5—6 каплям раствора (NH4)2S2O8 прибавляют каплю 2М

раствора H2SO4, 1—2 капли концентрированной Н3РО4 (фосфорная кислота стабилизирует ионы MnO4– и препятствует их разложению), 1—2 капли раствора AgNO3 и нагревают. В нагретую окислительную смесь вносят при помощи стеклянной палочки минимальное количество раствора, содержащего ионы Mn2+ и не содержащего хлорид-ионы, перемешивают и наблюдают красно-фиолетовую окраску раствора.

376

ТЕМА 16. ХИМИЯ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ФЕРМЕНТОВ

Вопросы к занятию

1.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: общая характеристика. Металлоферменты.

2.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: VI Б группа (Cr, Mo, W).

3.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: VII Б группа (Mn, Te).

4.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: VIII Б группа (подгруппа железа: Fe, Co, Ni; семейство платины: Pt).

5.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: I Б группа (Cu, Ag, Au).

6.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: II Б группа (Zn, Cd, Hg).

7.Неорганические соединения d-элементов в перечне ГФ.

§1. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: общая характеристика

Необходимо отметить высокие комплексообразующие способности d-элементов, которые обычно значительно выше, чем у s- и р-элементов. Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организмах они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов со средним временем обмена гидратной оболочки от 10–1 до 10–10 с. Поэтому можно утверждать, что «свободные» ионы металлов в организме не существуют: это либо их гидраты, либо продукты гидролиза.

В биохимических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы-комплексообразователи. Лигандами при этом выступают биологически активные вещества, как правило, органического характера или анионы неорганических кислот.

Рис. Схематическое изображение структуры биокластера рубредоксина (рубредоксин — белок, выделенный из ciostridium pasteurianum): Fe — железо (II, III), S — cepa(II); железо связано с четырьмя цистииовымн (Cys) атомами серы, его связевые облака имеют тетраэдрическую

377

конфигурацию

Белковые молекулы образуют с d-элементами бионеорганические комплексы — кластеры или биокластеры. Ион металла (металлкомплексообразователь) располагается внутри полости кластера, взаимодействуя с электроотрицательными атомами связывающих групп белка: гидроксильных (—ОН), сульфгидрильных (—SH), карбоксильных (—СООН) и аминогрупп белков (H2N–). Для проникновения иона металла в полость кластера необходимо, чтобы диаметр иона был соизмерим с размером полости. Таким образом, природа регулирует формирование биокластеров с ионами d-элементов определенных размеров (схематически биокластер представлен на рис.).

Наиболее известные металлоферменты: карбоангидраза, ксантиноксидаза, сукцинатдегидрогеназа, цитохромы, рубредоксин. Они представляют собой биокластеры, полости которых образуют центры связывания субстратов с ионами металла.

Биокластеры (белковые комплексы) выполняют различные функции. Транспортные белковые комплексы доставляют к органам кислород и необходимые элементы. Координация металла идет через кислород

карбоксильных групп и азот амино-групп белка. При этом образуется устойчивое хелатное соединение:

В качестве координирующего металла выступают d-элементы (кобальт, никель, железо и др.). Пример железосодержащего транспортного белкового комплекса — трансферрин.

Другие биокластеры могут выполнять аккумуляторную (накопительную) роль — это железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, ферритин.

Биокомплексные соединения значительно различаются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. Роль металла в таких комплексах высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Примерами таких соединений являются гемоглобин, витамины В12, хлорофилл и некоторые металлоферменты, например, цитохромы. В организме присутствуют и менее прочные комплексы, которые образуются только для выполнения определенных функций, после

378

чего распадаются: например, образование между ионом металла и ферментом комплексного соединения на период осуществления катализа. Большинство таких ферментов обладают каталитической активностью, но без иона металла она будет ниже. Ионы металлов выполняют функцию активаторов. Специфичность металлов в этих комплексах не выражена. Он может быть заменен на другой металл без потери физиологической активности. К биологическим соединениям с невысокими значениями констант устойчивости можно отнести соединения, которые стабилизируют сложные структуры. Например, образование металлополинуклеотидных комплексов стабилизирует двойную спираль ДНК. Комплексы с ДНК (в основном с донорным атомом кислорода, фосфатных групп, частично с донорными атомами азота оснований) образуют двухзарядные ионы марганца, кобальта, железа и никеля. Они взаимозаменяемы. Промежуточное положение между этими двумя группами биокомплексов занимают диссоциирующие металлоферменты. Ионы металлов в этих комплексах выполняют функции кофактора. Например, карбоксипептидаза в отсутствии иона металла неактивна. Максимальная активность в присутствии иона цинка.

Итак, с повышением прочности комплекса повышается специфичность его биологического действия.

В живых организмах действует большое число ферментов, в состав которых входят ионы металлов, выполняющие следующие функции: 1) они являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата, 2) ион металла формирует каталитически активную конформацию структуры фермента, 3) в ряде случаев ионы металла, которые могут находиться в переменных степенях окисления, участвует в транспорте электронов (многоядерные комплексы).

Концентрации ионов d–элементов в организме поддерживаются постоянными за счет существования механизма металлолигандного гомеостаза, основными звеньями которого являются: всасывание, распределение, транспорт, депонирование и элиминация. Параметры всасывания и элиминации в норме сбалансированы, т.е. при уменьшении поступления в организм того или иного микроэлемента уменьшается его выведение и наоборот. Для поддержания постоянной концентрации ионов металлов в организме существуют депонированные и транспортные формы. Например, железо в организме млекопитающих депонируется в составе ферритина – водорастворимого белка,в котором находится мицеллярное ядро неорганического соединения железа (III). В депонированной форме находится около 25% железа. Регуляция металлолигандного гомеостаза осуществляется с помощью нервной, эндокринной и иммунной систем. Комплексонаты переходных металлов обеспечивают сбалансированность минерального питания, активизируют

379

метаболические процессы, интенсифицируют рост и развитие организма. Наибольшую близость в биологическом действии (процессах иммуногенеза, кроветворения, стимулирующем эффекте) показали комплексонаты, образованные ионами металлов в степени окисления +2, сходные по электронной структуре атомы. Это обусловливает неспецифичность в их биологическом действии поддерживается и активно проявляется в присутствии полидентатных лигандов – комплексонов. Комплексонаты, образованные ионом металла с более высокой степенью окисления, малым размером иона, более высоким сродством к электрону, обладают наиболее высоким стимулирующим эффектом. Для ионов переходных металлов в биологическом действии их комплексонатов характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе Д.И.Менделеева в ряду Ti – Zn. По интенсивности

их стимулирую щего действия на организм их можно расположить в следующий ряд: Ti4+ > Fe3+ > Cu2+ > Fe 2+

§2 Лигандообменные и металлообменные равновесия. Хелатотерапия. Термодинамические принципы хелатотерапии.

Если в системе несколько лигандов с одним ионом металла или несколько ионов металла с одним лигандом способных к образованию комплексных соединений, то наблюдаются конкурирующие процессы: в первом случае лигандообменное равновесие - конкуренция между лигандами за ион металла, во втором случае металлообменное равновесие - конкуренция между ионами металла за лиганд. Преобладающим будет процесс образования наиболее прочного комплекса. Например, в растворе имеются ионы: магния, цинка, железа (III), меди, хрома (II), железа (II) и марганца (II). При введении в этот раствор небольшого количества этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) происходит конкуренция между ионами металлов и связывание в комплекс железа (III), так как он образует с ЭДТА наиболее прочный комплекс.

В организме постоянно происходит взаимодействие биометаллов (Мб) и биолигандов (Lб), образование и разрушение жизненнонеобходимых биокомплексов (МбLб)

Мб + Lб  МбLб

В организме человека, животных и растений имеются различные механизмы защиты и поддержки данного равновесия от различных ксенобиотиков (чужеродных веществ) и в том числе от ионов тяжелых металлов. Ионы тяжелых металлов, не связанные в комплекс, и их гидрокомплексы, являются токсичными частицами (Мт). В этих случаях, наряду с естественным металлолигандным равновесием, может возникнуть новое равновесие, с образованием более прочных чужеродных комплексов, содержащих металлы токсиканты (MтLб) или лиганды–токсиканты (МбLт),

380