Одеський Національний Медичний Університет

Кафедра медичної хімії

Методична розробка проведення практичного заняття по темі:

:

«Будова і класифікація комплексних сполук. Комплексоутворювання в біологічних системах»

для викладачів ОНМедУ по курсу «Медична хімія»

Одеса - 2015

Тема: Металлолігандний гомеостаз. Порушення гомеостазу. Основи хелатотерапії.

Актуальність теми :

Біологічна роль d-елементів обумовлена здатністю принимати участь у лігандообмених, гетерогених, протолітічних і редокс-процесів. Практично усі іони d-елементів в умовах організму знаходиться в зв'язаному стані у вигляді комплексних сполук з різними біолігандамі.

Нижче викладені основні положення теорії лігандообменних равновесий дозволяють зрозуміти суть реакцій комплексоутворювання, що протікають в організмі, з'ясувати природу металлолігандного гомеостазу, а причини його порушення. Учбовий матеріал цього розділу теоретично обгрунтовує застосування хелатотерапії для виведення з організму деяких ксенобіотиків, що поступають в нього, як правило, в екологічно несприятливих ситуаціях.

Контрольні питання:

1. Суть реакцій комплексоутворювання в організмі.

2. Природа металлолігандного гомеостазу. Причини його порушення.

3. Основні термодинамічні принципи хелатотерапії.

1. Теоретичні основи

1.1. Константа нестійкої комплексного з'єднання

Схемний процес комплексоутворювання можна представити таким чином:

де — іон атома-комплексоутворювач; – ліганд (х може приймати значення O)

З термодинамічних позицій стійкість комплексного іона, що утворився, характеризується константою стійкості :

(1)

Зазвичай стійкість комплексних з'єднань характеризують константою нестійкості Кн:

Константи нестійкості дозволяють прогнозувати спрямування лігандообменних процесів. У водному розчині у відсутність інших лігандов іон металу існує у вигляді аквакомплексу, тобто комплексу, в якому навколо центрального нона координовані молекули води:

[Cu (H2O)4]2+ тетрааквамедь (II); [Fe (Н2O)6]3+ – гексаакважелезо (III). Освіта у водному розчині комплексу між іоном металу і яким-небудь лігандом можна розглядати як реакцію заміщення молекул води в внутрішній координаційній сфері цим лігандом:

Наприклад:

[Zn (H₂O)₄ ]²⁺ + 4NH₃ [Zn (NH₃)₄] ²⁺+ 4Н₂O; (Сг(Н₂О)₆]³⁺+4OН^- [Сг(ОН)₄(Н₂O)₂] + 4Н₂О

Лігандообменниє реакції протікають по механізму SN. Міцність комплексних сполук, що утворюються, залежить від багатьох чинників. Крім природи реагуючих речовин, вплив роблять і умови проведення реакції. В більшості випадків в малополярних розчинниках міцність комплексних сполук вища, ніж в полярних, оскільки в них взаємодія між іонамі-комплексоутворювачами і молекулами розчинника слабка. На стійкість комплексів впливає зміна температури: з її підвищенням, як правило, стійкість знижується (більшість діссоциатівних процесів при підвищенні температури протікають інтенсивніше). Нарешті, на стійкість комплексних іонів впливає значення рH середовища.

На відміну від реакцій іонного обміну утворення комплексних сполук часто не є квазімиттєвим процесом. Наприклад, руйнування гексааммінкобальта(III) при додаванні кислоти повністю відбувається при 20°С за декілька днів (відзначимо, що константа рівноваги цієї реакції має дуже велике значення: K=10²⁵).

Для кінетичної характеристики комплексних сполук використовуються парні поняття—лабільний (швидко вступаючий в реакції) і інертний (поволі вступаючий в реакції). Ці поняття застосовуються відносно конкретної реакції, тобто комплексної сполуки і реагенту. Лабільними комплексами, за пропозицією. Таубе, вважаються такі, які повністю обмінюються лігандамі протягом 1 мін при тем¬ пературе 25 °С. Необхідно чітко розрізняти термодинамічні [міцний (стійкий) / непрочный (нестійкий)] і кінетичні (інертний /лабильный) поняття.

1.2. Суміщені рівноваги і конкуруючі процеси.

За наявності у розчині декількох лігандов, здібних до утворення комплексної сполуки з іоном металу, спостерігається суміщена лігандообменна рівновага. Процеси утворення комплексного сполуки іона металу з кожним з лігандов є такими, що конкурують: переважаючим буде процес, який веде до утворення найміцнішого (тобто з найменшою константою нестійкості комплексної сполуки. Висновок про порівняльну міцність комплексних - сполук на підставі величин констант нестійкості можна робити тільки для однотипних сполук.

Існують і такі суміщені лігандообменниє рівноваги, в яких об'єктом конкуренції є ліганд, а частинки які конкурують — іони металів.

Приклад конкуренції за іон металу. У розчині присутні іони цинку, аміак, цианід-іон. Іон цинку здатний утворювати, окрім аквакомплексу, аміачним і цианідний комплекс. Як що кожен з присутніх в даному розчині лігандов є монодентатним, а цинк у всіх трьох комплексних іонах має координаційне число 4, стійкість сполук можна порівнювати безпосередньо по константах. Міцнішим є цианідний комплекс, процес утворення якого і переважатиме в даній системі.

Приклад конкуренції за ліганд. В даний час з різними цілями, у тому числі і в медицині, використовується етілендіамінтетрауксусна кислота (ЕДТА) або її дінатрйева сіль—Na₂ ЕДТА.

НООС—CH₂ CН₂—СООН

N—СН₂—СН₂—N

нсос— CН₂ CН₂—соон

Для написання формули ЕДТА та її аніонів використовують позначення H₄Y, Н_зY^– , H₂У^2– і т.д. Nа₂ ЕДТА можна записати як Na₂H₂ У. ЕДТА та її сіль утворюють міцні комплекси майже зі всіма металами (окрім лужних). Особливістю їх взаємодії є незалежність величини молярного співвідношення металл/ ЕДТА від заряду іона металу, яке завжди рівне 1:1. Припустимо, що у розчині є іони металів: магнію, міді(II), заліза(II). хрому(III), марганцю(II). При введенні в такий розчин ЕДТА в невеликій кількості відбувається скріплення того іона, який утворює найміцніший комплекс: Fe3+. У міру додавання нових порцій ЕДТА відбуватиметься скріплення і інших іонів в наступній послідовності: Сг³⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺.