5 Органические производные металлов четвёртой группы

Органические производные металлов четвёртой группы – кремния, германия, олова и свинца – представляют собой соединения с наименее реакционноспособными связями атомов металлов с атомом углерода. Многие из них широко используются в промышленности, например, кремнийорганические силиконы, оловоорганические соединения (в качестве стабилизаторов поливинилхлоридных смол, катализаторов и пестицидов), известно использование тетраэтилсвинца для повышения октанового числа моторного топлива.

Органические производные германия получаются способами, которые во многом аналогичны способам получения кремнийорганических соединений, но практического применения они не имеют.

5.1 Кремнийорганические соединения

Содержание кремния в земной коре составляет около 30 %. На основе таких неорганических соединений, как кремнезём и силикаты, построены практически все минералы литосферы Земли. Очень мало кремния содержится в гидросфере, где он присутствует преимущественно в виде растворённого кремнезёма (кремниевой кислоты). Кремнезём широко используется в промышленности и в медицине: на его основе получают стекло, керамику, краски, адгезивные материалы, катализаторы, молекулярные сита и сорбенты, его можно использовать в качестве наполнителя для полимеров, кремнезём добавляют к пищевым продуктам, он входит в состав зубных паст.

Но кремнезём играет важную роль и в биосфере. Он в небольших количествах содержится в растениях и в тканях животных (около 0,001 %), но при этом с его участием идёт формирование костной ткани и некоторых структурных белков. Одноклеточные и многоклеточные организмы, в частности, диатомовые водоросли, губки и высшие растения, могут строить скелет из кремнезёма при температуре окружающей среды и при значениях рН, близких к нейтральным. К этому можно добавить, что соответствующие пространственные структуры живые организмы создают с высочайшей точностью. Механизм образования биокремнезёма из неорганических силикатов с участием усваивающих диоксид кремния ферментов силикатеинов, силаффинов, силацидинов и силиказ стал объектом интенсивных исследований, поскольку полученный ферментативным путём кремнезём может быть использован для создания материалов с уникальными электрическими, оптическими и каталитическими свойствами. И всё же возможности усваивания неорганического кремнезёма живыми организмами очень ограничены. В качестве примера можно привести силикоз – профессиональное заболевание, связанное с вдыханием минеральной пыли. Осевшие в лёгких частицы содержащих диоксид кремния минералов не только не подвергаются биотрансформации, но и не выводятся из лёгочной ткани. Следствием этого становятся необратимые изменения в лёгких, затрудняющие газообмен и повышающие риски онкологических заболеваний, туберкулёза, эмфиземы и пр.

В то же время у человека понижение уровня биокремнезёма, связанное с потерей организмом в пожилом возрасте этой минеральной составляющей живых тканей, вызывает снижение эластичности кожи и кровеносных сосудов. С помощью биодоступного кремния можно облегчать течение такого заболевания, как псориаз, снижать риск сердечнососудистых заболеваний и интенсифицировать обменные процессы в живых тканях. Основным источником поступающего в организм биокремнезёма являются продукты растительного происхождения, много его в полевом хвоще.

До настоящего времени не удалось получить точные представления о биохимических процессах, протекающих с участием соединений кремния. В живой природе, очевидно, отсутствуют метаболические процессы, связанные с образованием кремнийорганических соединений. Известны ферментативные реакции, протекающие с образованием С–С- и С–Н-связей, но аналогичные реакции, приводящие в живой природе к образованию Si–Si-, Si–С- или Si–Н-связей, неизвестны. Однако кремнийорганические соединения могут быть получены синтетическим путём, и в соответствии с этим возникает проблема взаимодействия таких полученных в лабораториях или в промышленном масштабе соединений с биохимическими мишенями, а также проблема метаболических превращений этих веществ в живых организмах.

В течение уже многих лет проводятся систематические исследования взаимодействия органических производных кремния с живыми системами. Было получено огромное число кремнийорганических соединений и исследованы их превращения в различных организмах с целью определения их биологической активности. Появилась новая область в биохимии, фармакологии и токсикологии, которую можно назвать биокремнийорганической химией. Опубликовано много обзоров по этой проблеме, среди которых можно выделить книгу М. Г. Воронкова и И. Г. Кузнецова «Кремний в живой природе», 1984 г.