6. Общая характеристика d-элементов viiiб-группы (семейство железа и семейство платины)
В VIIIБ-группе периодической системы расположены химические элементы — переходные металлы: Fе, Со, Ni, Rn, Rh, Рd, Оs, Ir, Рt.
Закономерные изменения свойств элементов четвертого периода (Fе, Со, Ni) проявляются значительно четче, чем у остальных элементов VIIIБ-группы. Поэтому Fе, Со, Ni объединены в семейство железа. Другие шесть элементов — в семейство платины.
Элементы семейства железа имеют близкие по значениям орбитальные радиусы (123, 118, 114 пм). Это можно объяснить тем, что ns-электроны частично экранируются (n-1)d-электронами. При этом увеличение заряда ядра на единицу не вызывает соответствующего роста экранирования:
Рост электроотрицательности в ряду Fе (1,83) — Со (1,88) — Ni (1,91) показывает, что от железа к никелю должно происходить уменьшение основных и восстановительных свойств. В электрохимическом ряду напряжений элементы подгруппы железа стоят перед водородом.
По распространенности в природе, применению соединений в медицине и технике и роли в организме железо стоит на первом месте в VIIIБ-группе. Элементы семейства железа в соединениях проявляют степень окисления +2, +3. Соединения элементов со степенью окисления +2 малоустойчивы. Более устойчивы соединения элементов со степенью окисления +3.
Химические свойства соединений железа, кобальта, никеля. Оксиды общей формулы МО могут быть получены восстановлением оксидов более высокой валентности (М2О3, М3О4), а также окислением металла М, термическим разложением солей и гидроксидов без доступа воздуха.
Оксиды нерастворимы в воде, растворяются в кислотах с образованием оксоаквакатионов, придающих раствору зеленую окраску различных оттенков:
МО + 2Н3О+ + 3Н2О ⇄ [М(Н2О)6]2+
При подщелачивании этих растворов выпадают осадки гидроксидов основного характера М(ОН)2. Гидроксид Fе(ОН)2 — белого цвета (на воздухе зеленый за счет частичного окисления). Гидроксид Со(ОН)2 — синего цвета (на холоду, α-форма) или розового цвета (в теплом растворе, β-форма). При образовании коллоидного раствора появляется коричневое окрашивание. Гидроксид Ni(ОН)2 представляет собой зеленые кристаллы.
Из трех перечисленных гидроксидов в аммиаке и солях аммония растворяется только Ni(ОН)2:
Ni(ОН)2 + 2NН4Сl + 4NН4ОН → [Ni(NН3)6]Сl2 + 6Н2О
зеленый синий
Гидроксид никеля (II) окисляется на воздухе. Гидроксиды железа (II) и кобальта (II) окисляются (как и соли) лишь в присутствии влаги:
4Fе(ОН)2 + O2 + 2Н2О → 4Fе(ОН)3
Восстановительные свойства уменьшаются в ряду Fе2+ — Со2+ — Ni2+. У солей Ni2+ восстановительные свойства практически отсутствуют.
В биогенных соединениях железо связано в комплекс с органическими лигандами (миоглобин, гемоглобин). Степень окисления железа в этих комплексах дискутируется. Одни авторы считают, что степень окисления равна +2, другие предполагают, что она меняется от +2 до +3 в зависимости от степени взаимодействия с кислородом.
Оксид железа (III). Fе2О3 в природе существует в виде минерала гематита красного цвета (аналогия с кровью).
Оксид железа (III) соответствует гидроксиду Fе(ОН)3, обладающему слабо выраженными амфотерными свойствами. При его растворении в щелочи образуется гидроксоанионы:
Fе(ОН)3 + 3ОН- → [Fе(ОН)6]3-
Fе(ОН)3 может выпасть в осадок при обработке солей железа (III) раствором КСN низкой концентрации. При более высоких концентрациях образуется калий гексацианоферрат (III) К3[Fе(СN)6]:
2FеСl3 + 6КСN + 6Н2О → 2Fе(ОН)3 + 6КСl + 6НСN
Fе(ОН)3 + 6КСN → К3[Fе(СN)6] + 3КОН
Это токсичное соединение упоминается в алхимической литературе (VII—XVII в.) под названием красная кровяная соль.
Калий гексацианоферрат (III), как и желтая кровяная соль — калий гексацианоферрат (II) К4[Fе(СN)6], применяется в аналитической химии для определения ионов Fе2+ и Fе3+. Оба иона образуют комплексные соединения, где координационное число металла равно 6. Анионные комплексы Fе (III) более устойчивы, чем анионные комплексы Fе (II).
7. Биологическая роль d-элементов семейства железа. Применение их соединений в медицине
Железо Fе и кобальт Со — необходимые микроэлементы живых организмов.
Железо — биогенный элемент, содержится в тканях животных и растений. Общая масса железа в организме взрослого человека примерно 5г, что составляет 0,007%. Металлическое железо мало токсично, а соединения Fе(II), Fе(III) и Fе(VI) в больших количествах опасны для здоровья.
Наиболее важными с физиологической точки зрения являются железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталаза. Гемоглобин — главная составная часть эритроцитов. Обеспечивает внешнее дыхание, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям. Миоглобин, цитохромы, каталаза обеспечивают клеточное дыхание.
Все эти белки состоят из собственно белковых частей и связанных с ними активных центров.
Активный центр представляет собой макроциклическое комплексное соединение — гем (от греч. гема — кровь). В качестве макроциклического лиганда выступает тетрадентантное соединение — порфирин. Донорные атомы азота расположены по углам квадрата, в центре которого расположен ион железа. В целом, комплекс имеет октаэдрическую конфигурацию. Пятая орбиталь через азот аминокислоты — гистидина используется для связи тема с белком. Шестая орбиталь свободна и может связывать различные низкомолекулярные лиганды R: О2, Н2О2, СО, СN-.
Гемоглобин состоит из четырех белковых молекул (субъединиц), которые образуют единый макромолекулярный агрегат. Каждая субъединица по строению аналогична молекуле миоглобина. Таким образом, гемоглобин может одновременно связывать четыре молекулы О2, а миоглобин — одну.
В тканях имеется также несколько негемовых железосодержащих белковых комплексов. Это, например, ферменты — оксидазы, а также белки — накопители (депо) и переносчики железа. Избыток железа переносится с кровью белком — трансферрином и накапливается в виде белка — ферритина в различных тканях и органах, особенно в печени, селезенке, костном мозге. Ферритин (Мт = 460 000) состоит из 24 белковых молекул (субъединиц), которые образуют сферу диаметром 12—14 нм. Каждая субъединица содержит полость диаметром 7 нм, вмещающую до 4500 атомов железа. Таким образом, каждый агрегат ферритина может хранить запас примерно 100 000 атомов железа, обеспечивая многочисленные реакции метаболизма с участием этого элемента.
На основе законов химического равновесия нетрудно понять функционирование гемоглобина как переносчика кислорода от легких к тканям.
Гемоглобин без кислорода (дезоксигемоглобин) представляет собой слабую кислоту и его химическую формулу можно представить в виде ННb+. Присоединение кислорода сопровождается отщеплением протона и образуется оксигемоглобин НbО2. При этом имеет место равновесие:
ННb+ + О2 ⇄ НbО2 + Н+
При поступлении бедной кислородом венозной крови в легкие, где парциальное давление кислорода велико (до 20 кПа), его растворимость возрастает согласно закону Генри. Это приводит в соответствии с принципом Ле Шателье к смещению равновесия вправо и образованию оксигемоглобина. Дополнительное смещение равновесия вправо обусловлено тем, что в легких значение рН повышено (до 7,5). В результате в легких дезоксигемоглобин практически полностью (до 97%) насыщается кислородом и переходит в оксигемоглобин. В капиллярах, пронизывающих периферические ткани, парциальное давление кислорода снижается до 5 кПа, а значение рН снижается до 7,2. В результате равновесие смещается влево. В оттекающей с периферии крови гемоглобин насыщен кислородом лишь на 65%. Таким образом, при циркуляции крови в организме равновесие ННb+ + О2 ⇄ НbО2 + Н+ периодически сильно смещается (на 35%) то вправо, то влево.
Металлокомплексные свойства гемсодержащих белков проявляются при действии таких токсических веществ как СО (угарный газ) и МСN (цианиды — соли синильной кислоты).
Углерод моноксид СО — один из продуктов неполного сгорания топлива. Значительные количества этого газа выделяются при работе котельных, двигателей внутреннего сгорания, курении. При вдыхании СО с воздухом в легких параллельно с оксигемоглобином НbО2 образуется металлокомплексное соединение — карбонилгемоглобин НbСО. Константа устойчивости НbСО примерно в двести раз больше, чем у НbО2. Поэтому даже малые количества СО «перехватывают» значительную долю дезоксигемоглобина. В результате поступление кислорода к органам уменьшается. Появляются признаки гипоксии — кислородной недостаточности. В первую очередь страдают нервные ткани. Для детоксикации — устранения отравляющего действия углерод моноксида во многих случаях достаточно прекратить его поступление и усилить кислородную вентиляцию — вывести пострадавшего на «свежий» воздух. При этом опять работает принцип Ле Шателье — равновесие смещается в сторону образования оксигемоглобина.
При больших концентрациях углерод моноксид блокирует гемсодержащие белки клеточного дыхания и трудно избежать летального исхода.
Аналогичен механизм действия цианидов. Но их токсичность выше, чем для СО. Поступление в кровь даже очень небольших количеств этих веществ приводит к остановке дыхания и летальному исходу. Высокая токсичность цианидов объясняется высокой прочностью связи Fе — СN-, что обусловливает большую устойчивость цианидгемоглобина.
Кислородное дыхание приводит к образованию Н2О2. Это вещество обладает высокой окислительной способностью. При его взаимодействии с биоорганическими соединениями клеток образуются радикалы — очень активные молекулярные частицы с ненасыщенной валентностью и инициируется пероксидное окисление. Под действием радикалов разрушаются важнейшие составные части клетки — мембраны и ДНК. В ходе биологической эволюции природа выработала особый белок — фермент каталазу, которая разрушает водородпероксид. Тем самым ограничивается избыточное накопление этого вещества и предотвращается разрушение клетки.
Действие каталазы (СаtFе2+) может быть представлено в виде каталитического цикла из двух последовательных реакций:
СаtFе2+ + Н2О2 → СаtFе2+•Н2О2
СаtFе2+•Н2О2 + Н2О2 → СаtFе2+ + 2Н2О + О2
В результате разрушаются две молекулы водородпероксида, а молекула биокатализатора СаtFе2+ освобождается и может вступать в следующий каталитический цикл. Этот процесс очень быстрый. В течение секунды 1 молекула каталазы может осуществлять до 20 000 циклов.
При недостатке в организме железа может развиваться болезнь — железодефицитная анемия (малокровие). Возникает тканевая кислородная недостаточность, связанная с нехваткой железа для синтеза гемоглобина. В результате доставка кислорода к периферическим органам снижается, и, соответственно, понижается уровень клеточного дыхания, замедляется обмен веществ.
Введение в качестве лекарственных препаратов — хлорида железа (II) или сульфата железа (II) ослабляет остроту заболевания. Для этих же целей используется мелкодисперсный порошок металлического железа (железо восстановленное, до 1г на прием), который легко растворяется в соляной кислоте желудочного сока. Поэтому действие этого препарата аналогично действию хлорида железа (II). Однако более эффективны препараты, представляющие собой бионеорганические комплексы железа с сахарами, никотинамидом и другими органическими веществами. Такие комплексы хорошо всасываются в кровь, с чем и связана их фармакологическая эффективность.
Интересно отметить, что с древних времен до настоящего времени для лечения железодефицитной анемии применяют так называемое «железное вино» — напиток, который получают путем настаивания виноградного вина на железных опилках. Очевидно, железо растворяется в вине (кислая среда) и образует комплексы с природными органическими веществами, которые содержатся в нем в больших количествах. Понятно, что механизм действия древнего напитка примерно тот же, что и у современных препаратов.
Кобальт. Как и железо, кобальт также является одним из важнейших биогенных элементов. Общая масса кобальта в организме взрослого человека примерно 1,2 мг, что составляет менее 2∙10-6 %. Около 100 мг из этой массы находится в форме цианокобаламина (жирорастворимый витамин B12) и его аналогов. Это вещество, как и гем, представляет собой макроциклическое комплексной соединение.
В качестве макроциклического лиганда выступает тетрадентатное соединение — порфин. R представляет собой сложный органический заместитель. В аналогах цианокобаламина вместо аниона СN- выступают различные органические заместители.
Наиболее важную роль витамин В12 играет в развитии и формировании эритроцитов (эритропоэз). Дефицит витамина В12 (поступление менее 3 мкг в сутки) приводит к тяжелому заболеванию — злокачественной анемии (малокровии).
Установлено, что аналоги цианокобаламина являются активаторами — кофакторами различных ферментов, участвующих в эритропоэзе. Недостаток кофакторов проявляется в дефиците гемоглобина и эритроцитов.
Растения и животные не могут синтезировать витамин В12. Его вырабатывают лишь некоторые виды бактерий. В желудочно-кишечном тракте человека такие бактерии имеются. Они синтезируют достаточное количество витамина В12. Злокачественная анемия связана с нарушением всасывания этого витамина в кровь. Поэтому прием таблеток малоэффективно. Инъекция витамина (100—200 мкг в течение 2 сут) в кровь существенно улучшает состояние больного при злокачественном малокровии.