Общая химия (часть 2, 2012 г

Комплексоны так прочно связывают катионы металлов, что при их добавлении растворяются такие плохо растворимые соли, как сульфаты кальция и бария, оксалаты и карбонаты кальция. Поэтому их применяют для умягчения воды, для маскировки «лишних» ионов металла при крашении и в изготовлении цветной плёнки. В химическом анализе явление комплексообразования позволяет разделять такие столь близкие по свойствам элементы как лантаноиды и актиноиды. Некоторые давно используемые комплексоны приведены в таблице 20.

Таблица 20. Полидентатные лиганды

Хелатотерапия

В организме непрерывно происходит образование и разрушение биокомплексов из катионов металлов и биолигандов (порфинов, аминокислот, белков, полинуклеотидов), в состав которых входят донорные атомы кислорода, азота, серы. Обмен с окружающей средой поддерживает концентрации этих веществ на постоянном уровне, обеспечивая металло-лигандный гомеостаз. Нарушение сложившегося равновесия ведет к ряду патологических явлений – металлоизбыточным и металлодефицитным состояниям. В качестве примера можно привести неполный перечень заболеваний, связанных с изменением металло-лигандного баланса только для одного иона – катиона меди. Дефицит этого элемента в организме вызывает синдром Менкеса, синдром Морфана, болезнь Вильсона-Коновалова, цирроз печени, эмфизему лёгких, аорто- и артериопатии, анемии. Избыточное поступление катиона Cu2+ может вести к серии заболеваний самых разных органов: ревматизму, бронхиальной астме, воспалению почек и печени, инфаркту миокарда и т.д., называемых гиперкупремиями. Известен и профессиональный гиперкупреоз – медная лихорадка.

Негативные воздействия чаще всего свойственны катионам d-металлов, что связано с устойчивостью образуемых ими биокомплексов. Если константа нестойкости комплексного иона с таким переходным металлом ниже, чем константа нестойкости комплекса с каким-либо биокатионом организма, при его поступлении идёт вытеснение последнего. Это видно из схемы:

где M1L – биокомплекс; M2 – ион поступающего d-металла.

В результате возможно накопление чуждого организму комплекса M2L, обладающего токсичным действием.

Опасность представляет отравление человека именно теми металлами, которых он в нормальных условиях не содержит или содержит в незначительных количествах, поэтому поступление даже небольших их доз приводит к заметному изменению концентрации таких компонентов. Природа снабдила человеческий организм некоторыми средствами защиты от токсикозов. Во-

182

первых, ионы металлов, за исключением натрия, калия и кальция, лишь с трудом попадают в организм через пищеварительный тракт и их поступление с пищей не обязательно оканчивается отравлениями. Во-вторых, почки освобождают кровь от металлов, не являющихся необходимыми для жизнедеятельности. Однако в ряде случаев, в условиях возрастающей антропогенной активности человека, возникает необходимость в фармакотерапии.

Выведение ионов тяжелых металлов из организма под действием хелатирующих лигандов называется хелатотера-

пией. Чтобы выполнить функцию детоксикантов, вводимые ком- плексоны-лиганды должны отвечать ряду требований:

-быть нетоксичными;

-не подвергаться разложению или какому-либо изменению в биологической среде;

-эффективно связывать ионы-токсиканты, причем вновь образующиеся соединения должны быть более прочными, чем те, которые существовали в организме;

-не разрушать жизненно необходимые комплексы: ге-

моглобин, витамин В12, цитохромы и др.

Одним из первых лекарственных комплексонов, используемых в таких целях, был 2,3-димеркаптопропанол (британский антилюизит; табл. 19). Близок ему по структуре применяемый в России унитиол. Унитиол эффективно выводит из организма мышьяк, ртуть, хром, висмут; препарат менее перспективен при отравлениях свинцом.

С учётом приведенных требований наибольшее распространение среди комплексонов получили различные соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), из которых самой доступной является динатриевая соль, известная как трилон Б. Применение трилона Б показано, к примеру, при отравлениях соединениями кальция.

По возрастающей степени устойчивости образующихся с ЭДТА комплексов металлы располагаются в следующем порядке:

Sr, Mg, Ca, Fe2+, Mn, Co, Zn, Cd, Pb, Cu, Hg, Ni. Это значит, что включая в себя жизненно важные ионы кальция и не выводя их из организма, ЭДТА является эффективным детоксикантом при отравлениях ионами, расположенными правее кальция, так как

183

катионы этих металлов, замещая центральный ион в комплексе, подвергаются более прочному хелатированию. Получающийся в реакции тетацина с катионом свинца комплекс Na2Pb-ЭДТА хорошо растворим в воде и легко удаляется из организма через почки. Таким образом, ЭДТА оказался достаточно универсальным реагентом.

В последнее время разработаны перспективные хелатообразующие средства, позволяющие избирательно выводить из организма те или иные ионы. Для удаления ионов железа используют, например, дефероксамин, для удаления меди – при острых отравлениях и гепатоцеребральной дистрофии – пеницилламин (табл. 19). Последний менее специфичен как лиганд: помимо ионов меди, он связывает также ионы ртути, свинца, что усиливает его достоинства, но также железа и кальция, что может вести к нежелательным последствиям из-за снижения концентрации этих металлов в биологических жидкостях.

Важную группу лекарственных препаратов составляют комплексы, в которых ионы-комплексообразователи выполняют роль не токсикантов, а лекарственных средств. К 2500 году до н.э. восходит история применения в медицине золота, которое использовали в Китае для лечения проказы. В настоящее время соединения этого металла употребляют в основном при лечении ревматоидного артрита, когда наиболее активные в физиологическом отношении атомы золота, в степени окисления +1, стабилизируются серосодержащими лигандами гидролитических ферментов, что блокирует разрушающее действие их на суставы.

Инертные, устойчивые хелаты золота обладают значительной антивирусной активностью. При этом они эффективны даже по отношению к тем из микроорганизмов, которые нечувствительны к влиянию антибиотиков. Существенно, что требующиеся для этого концентрации хелатов в большинстве случаев практически нетоксичны. Поэтому хелаты золота, а также цинка всё чаще используют для борьбы с вирусными инфекциями кожи и ран.

Токсический эффект некоторых комплексов реализуется при создании противораковых препаратов. Для разрушения раковых клеток особенно удачным оказалось применение соединений элементов восьмой В группы: никеля, палладия, платины, рутения и родия. Анионные комплексы платины (IV) оказывают бак-

184

терицидное действие (например, гексахлороплатинаты (IV)); нейтральные способны приостанавливать деление, но не рост клеток (например, цис-тетрахлородиамминплатина (IV)); цис- комплексы платины (II) обладают противоопухолевыми и лизогенными свойствами. Использование некоторых из этих комплексов в качестве противораковых препаратов приводило к снижению смертности, повышению числа случаев полного излечения и давало иммунитет к злокачественным опухолям, вызываемых канцерогенами и вирусами. При совместном использовании таких комплексов с другими лекарственными препаратами наблюдался синергический эффект, а вред, наносимый клеткам нормальных тканей, оказался возместимым. Положительное действие комплексных соединений в лечении раковых заболеваний, как правило, вызвано блокированием ими участков ДНК, принимающих участие в передаче генетической информации.

185

ХИМИЧЕСКИЙ ЭКВИВАЛЕНТ

Химическим эквивалентом называется условная или реальная частица вещества, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в ионообменных реакциях или электрону в окисли- тельно-восстановительных реакциях.

В роли химического эквивалента может выступать молекула (формульная единица), атом или ион вещества. В этом случае эквивалент является реально существующей частицей. Но часто он представляет собой условную частицу, которая в целое число раз меньше молекулы (формульной единицы), атома или иона вещества.

Одному и тому же веществу Х может соответствовать несколько химических эквивалентов. Определить, что именно представляет собой химический эквивалент Х (реальную частицу или какую-то часть её), можно только, исходя из конкретной химической реакции, в которой это вещество участвует.

Число, показывающее, какую часть реальной частицы вещества Х составляет его химический эквивалент, называется фактором эквивалентности и обозначается fэкв.(Х).

Фактор эквивалентности вещества является безразмерной величиной и определяется по формуле

fэкв. ( Х ) z1*

где z* – число эквивалентности вещества.

В реакциях ионного обмена для кислоты число эквивалентности равно числу ионов Н+, замещённых в её молекуле на ионы металла или NH4+.

У одноосновных кислот (HCl, HNO3, и т.д.) число эквивалентности всегда равно единице. Для многоосновных кислот (H3PO4, H2S и т.д.) оно может принимать несколько значений, в зависимости от количества замещенных ионов водорода в их молекулах.

187

Для основания в реакциях ионного обмена число эквивалентности равно количеству ионов ОН-, замещённых в его формульной единице на кислотные остатки.

У однокислотных оснований (КОН, NaOH и т.д.) число эквивалентности всегда равно единице. Многокислотные основания (Al(OH)3, Ba(OH)2 и т.д.) могут иметь несколько значений числа эквивалентности.

Для соли число эквивалентности равно произведению числа ионов металла (или NH4+), содержащихся в её формульной единице, на заряд одного такого иона.

В общем случае эквивалент любого вещества Х записывается следующим образом 1/z*(X).

Поясним вышесказанное на примере следующих реакций:

1)H3PO4 + 3KOH = K3PO4 + 3H2O fэкв.(H3PO4) = 13 , fэкв.( KOH) = 1

Химическими эквивалентами исходных веществ будут, со-

В реакции на одну молекулу Н3РО4 расходуется три формульных единицы КОН, но на 1·3 = 3 химических эквивалента Н3РО4 расходуется такое же количество химических эквивалентов (3·1 = 3) КОН.

2)H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O

Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:

В реакции на одну молекулу Н3РО4 расходуется одна формульная единица Ca(OH)2, но на 1·2 =2 химических эквивалента Н3РО4 расходуется такое же количество химических эквивален-

тов (1·2 = 2) Ca(OH)2.

188

3)Al(OH)3 + 2HCl = AlOHCl2 + 2H2O fэкв.(Al(OH)3) = 12 , fэкв.( HCl) = 1

Химическими эквивалентами исходных веществ будут соответственно:

В реакции на одну формульную единицу Al(OH)3 расходуется две молекулы HCl, но на 1·2=2 химических эквивалента Al(OH)3 расходуется такое же количество химических эквива-

лентов (1· 2=2)HCl.

4)Al2(SO4)3 + 3BaCl2 = 3BaSO4↓ + 2AlCl3 fэкв.(Al2(SO4)3) = 16 , fэкв.( BaCl2) = 12 ;

Химическими эквивалентами исходных веществ будут, соответственно:

В реакции на одну формульную единицу Al2(SO4)3 расходуется три формульных единицы BaCl2, но на 1·6=6 химических эквивалентов Al2(SO4)3 расходуется такое же количество химических эквивалентов (3·2 = 6) BaCl2.

Для вещества Х, участвующего в окислительновосстановительной реакции (ОВР), z* является величиной, равной числу электронов, которые одна его молекула (формульная единица) присоединяет (если Х является окислителем) или отдаёт (если Х является восстановителем) в ходе реакции.

Например, в реакциях:

1) 3H2S-2 + 2 HN+5 O3 = 3S0 + 2N+2 O + 4 H2O

восстановитель окислитель

189

В реакции на три молекулы H2S расходуется две молекулы HNO3, но на 3·2=6 химических эквивалентов H2S расходуется такое же количество химических эквивалентов (2·3=6) HNO3.

2) 5H2C2+3O4+2KMn+7O4+3Н2SО4=10C+4O2+K2SO4+ 2Mn+2SO4 +8H2O

восстановитель окислитель

В реакции на пять молекул H2C2O4 расходуется две формульных единицы KMnO4, но на 5·2=10 химических эквивалентов H2C2O4 расходуется такое же количество химических эквива-

лентов (2·5=10) KMnO4.