Информационная часть

Комплексные соединения представляют собой сложные молекулярные частицы, образованные центральным атомом (ионом) и лигандами - заряженными или незаряженными частицами. Лиганды являются донорами неподеленных электронных пар, а центральный атом (ион), называемый также комплексообразователем, -акцептором электронов. Количество координированных вокруг комплексообразователя лигандов определяется координационным числом. Координационное число центрального атома всегда выше его степени окисления, т.к. часть ковалентных связей образуется по обменному, а часть – по донорно-акцепторному механизму.

Лиганды могут быть как нейтральными частицами (молекулы воды, аммиака, органических аминов и др.), так и анионами (гидроксид-, цианид-, галид- и др.). Если в составе лиганда находится один донорный атом, т.е. атом, способный предоставить для образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму неподеленную пару электронов, то такой лиганд называется монодентантным. Выше перечисленные лиганды являются монодентантыми. Бидентантные лиганды имеют в своем составе два донорных атома, например, этилендиамин (два атома азота). Полидентантными лигандами являются молекулы, имеющие более двух донорных атомов, доступных для координации.

Для составления названия комплексного соединения указывают в следующем порядке: число лигандов (моно-, ди-, три-, тетра-, пента-, гекса- и т.д.), название лиганда (если их несколько, то сначала анионные, потом нейтральные, перечисление производят в алфавитном порядке) и в последнюю очередь – центральный атом.

Комплексные катионы и нейтральные комплексы не имеют отличительных суффиксов, комплексные анионы имеют суффикс – ат, который добавляют к латинскому названию атома комплексообразователя. После названия комплексообразователя указывают в скобках степень его окисления.

Названия анионных лигандов оканчиваются на – о: сульфато-, тиосульфато-, фосфато-, нитрато-. Для некоторых лигандов используются видоизмененные названия: фторо- (F^-), хлоро- (С1^-), бромо- (Br^-), йодо- (J^-), меркапто- (HS^-), нитро- (NO ). Для нейтральных лигандов используются немодифицированные названия (например, мочевина, пиридин, этилендиамин и др.). Исключения составляют: вода – «акво» и аммиак – «аммин». Группы NO и СО, если они связаны непосредственно с ионами металла, называются «нитрозил» и «карбонил».

Для указания комплексообразователя в нейтральных комплексах и комплексных катионах используют русские названия соответствующих элементов. Например:

[Pt(NH₃)₃Cl]Cl – хлорид хлоротриамминплатины(II);

(NH₄)₂[Pt(OH)₂Cl₄] – дигидроксотетрахлороплатинат(IV) аммония;

[Pt(NH₃)₂Cl₂] – дихлородиамминплатина.

Комплексные соединения делятся на электролиты и неэлектролиты (например, тетракарбонилникель [Ni(CO)₄]). Среди комплексных электролитов различают кислоты (гексофторокремниевая кислота H₂[SiF₆]), основания (гидроксид диамминсеребра [Ag(NH₃)₂]OH) и соли.

Особый интерес представляют хелатные соединения. В их состав входят полидентантные лиганды, образующие не меньше двух связей с центральным атомом. Отличительной особенностью хелатных соединений является наличие циклических группировок атомов, включающих атом металла. Хелатами являются многие металлопротеиды, выполняющие функции в организме (ферменты, витамины, гемоглобин и др.). В хелатных соединениях ион металла оказывается зажатым клешней, отчего и произошло их название (хела – клешня).

К особым классам комплексных соединений относятся полиядерные комплексы. Для них характерно наличие нескольких координационных центров, т.е. центральных атомов с координированными лигандами. Связи между отдельными координационными центрами осуществляются за счет мостиковых лигандов.

Пример (схематично) – один из железопротеинов, широко распространненых в живых системах. Здесь: cys – остатки аминокислоты цистеина,  - белковый фрагмент.

Макроциклические комплексные соединения образованы полидентантными лигандами, внутри которых размещается центральный атом. Лиганды называются в этом случае «хозяином», а центральный атом - «гостем». «Гость» размещается во внутренней полости «хозяина», в какой-то степени изолирован от окружающей среды. Принцип макроциклического связывания широко используется в природе; особый интерес представляют мембранно-активные комплексы (ионофоры). К числу таких ионофоров относится хорошо известный антибиотик валиномицин.

Весьма интересны для биологии и медицины металлоцены, так называемые «сэндвичевы» соединения. Для «сэндвичевых» соединений характерно взаимодействие вакантных орбиталей центрального атома с  - электронами, например ароматических или ненасыщенных структур.

В медицине используется препарат ферроцерон, являющийся производным ферроцена – бис(циклопентадиенил) железа: Fe(C₅H₅)₂.

Схематично процесс комплексообразования можно представить:

Ме^z+ + nL^x-  [MeL_n]^z-nx, где

Ме^z+ - ион атома-комплексообразователя,

L^x- - лиганд.

С термодинамических позиций устойчивость образовавшегося комплексного иона характеризуется константой устойчивости:

По значению константы устойчивости  с помощью уравнения изотермы реакции можно рассчитать стандартную энергию Гиббса образования комплекса:

G^о = -RTln

Эта величина является энергетической характеристикой реакции образования комплексных соединений.

Чаще устойчивость комплексных соединений характеризуют константой нестойкости:

Константы нестойкости позволяют прогнозировать направление лигандообменных процессов. В воде в отсутствие других лигандов ион металла существует в виде аквокомплексов, т.е. комплексов, в котором вокруг центрального иона координированы молекулы воды:

[Cu(H₂O)₄]²⁺ - тетрааквамедь (II)

[Fe(H₂O)₆]³⁺ - гексаакважелезо (III)

Образование в водной среде комплекса между ионом металла и каким-либо лигандом можно рассматривать как реакцию замещения молекул воды во внутренней координационной сфере на этот лиганд:

[Ме(Н₂О)_n]⁺ + nL  [MeL_n]⁺ + nH₂O

Прочность образующихся комплексных соединений зависит от:

• природы реагирующих веществ;

• природы растворителя (в малополярных растворителях прочность комплексов выше);

• температуры;

• рН среды.

Ионы железа (III) образуют с салициловой кислотой комплексы разной прочности, разного состава и разного цвета в зависимости от рН.

рН=1,0 Fe(C8H4O4)+ Kнест=410-17, max=530 нм

рН=2,5 Fe(C8H4O4) Kнест=3,510-12, max=480 нм

рН=7,4 Fe(C8H4O4) Kнест=210-6, max=440 нм

Комплексообразующая способность центрального атома определяется его электронным строением.

Например, ион Сu²⁺ имеет близкие по энергии и свободные 4s¹ и 4p³ орбитали. При взаимодействии с лигандами, например NH₃, эти орбитали подвергаются sp³ гибридизации. За счет неподеленной электронной пары NH₃ и 4-х свободных орбиталей меди (II) возникает 4 равноценные двухэлектронные -связи N-Cu²⁺ по донорно-акцепторному механизму.

В случае иона Fe²⁺ за счет спаривания холостых электронов возникает 6 свободных орбиталей: d²sp³, близкие по энергии. После d²sp³ гибридизации они выравниваются и могут образовать 6 ковалентных -связей с атомами донорами, например атомом N в CN^—ионе. Здесь механизм также донорно-акцепторный.

Геометрия комплексных ионов определяется типом гибридизации центрального иона. Если sp³- гибридизация, то или тетраэдр в NH , или квадрат (комплексы Cu²⁺ и Zn²⁺), если d²sp³- гибридизация – то, форма комплексного иона – октаэдрическая (комплексы Fe²⁺, Fe³⁺, Co²⁺). Координационные числа комплексообразователей также определяются типом гибридизации их свободных орбиталей.

В отличие от реакций ионного обмена образование комплексных соединений не является квазимгновенным процессом.

Для кинетической характеристики комплексных соединений используются понятия: лабильный – быстро вступающий в реакции и инертный – медленно вступающий в реакции. Эти понятия применяются в отношении конкретной реакции, т.е. комплексного соединения и реагента.

В комплексных соединениях, в отличие от простых молекул, существуют явление изомерии. Различают 4 вида изомерии комплексных соединений:

• координационная, когда различные лиганды могут в одном соединении координироваться то у одного, то у другого комплексообразователя. Примером являются соединения: [Co(NH₃)₆][Cr(CN)₆] и [Cr(NH₃)₆][Co(CN)₆].

• ионизационная, когда различные лиганды находятся то во внутренней сфере, то во внешней сфере. Примерами являются соединения: [Co(NH₃)₅Cl]SO₄ и [Co(NH₃)₅SO₄]Cl.

• гидратная, когда молекулы воды могут находиться во внутренней сфере как лиганды или во внешней сфере как кристаллизационная вода. Примерами являются соединения: [Co(H₂O)₆]Cl₃ и [Co(H₂O)₆Cl]Cl₂H₂O.

• геометрическая, когда относительно плоскости комплексообразователя лиганды могут находиться по одну сторону плоскости (цис-изомер) или по разные стороны плоскости (транс-изомер). Так комплексное соединение [Pt(NH₃)₂Cl₂] имеет цис- и транс- изомеры. Цис- изомер дихлородиаммин платины обладает цитотоксическим действием к раковым клеткам, а транс- изомер не обладает этим свойством.

При наличии в растворе нескольких лигандов, способных к образованию комплексного соединения с ионом металла, наблюдается совмещенное лигандообменное равновесие. Процессы образования комплексного соединения иона металла с каждым из этих лигандов будут конкурирующими между собой. Преобладающим будет тот, который приводит к образованию наиболее прочного (т.е. с наименьшей константой нестойкости) комплексного соединения.

Могут быть и такие совмещенные лигандообменные равновесия, в которых объектом конкуренции является лиганд, а конкурирующими между собой частицами – ионы металлов.

Например, если в растворе присутствуют ион цинка, аммиак и цианид-ион. Ион цинка способен образовывать:

а) аквокомплксы (лиганд – вода);

б) амминокомплексы (лиганд – аммиак);

в) цианидный комплекс.

Более прочный является цианидный комплекс, процесс его образования и будет преобладать в данной системе.

В медицине применяющаяся этилендиаминтетрауксусная кислота или ее динатриевая соль – сокращенно ЭДТА является полидентантным лигандом. Это 4-х основная кислота (Н₄Y) или ее динатриевая соль (Na₂H₂Y) образуют прочные комплексы почти со всеми металлами (кроме щелочных) постоянного состава 1:1. Если в растворе имеются ионы металлов: магния, цинка, меди (II) и железа (III), то при введении в такой раствор ЭДТА в небольшом количестве будет происходить связывание того иона, который образует наиболее прочный комплекс, т.е. железа (III). По мере добавления новых порций ЭДТА будет происходить связывание и других ионов в такой последовательности: меди (II), цинка, магния (сравните константы нестойкости комплексонатов этих металлов). Заключение о сравнительной прочности комплексных соединений на основании величин констант нестойкости можно делать только для однотипных соединений.

Одним из типичных комплексных соединений, отличающихся высокой устойчивостью и большой специфичностью роли металла, является гемоглобин. Гемоглобин, являясь слабой кислотой, входит в состав наиболее емкой буферной системы крови. Собственно комплексным соединением в гемоглобине является гем, входящий в структуру гемоглобина. Гем относится к группе металлопорфиринов, в которых центральным ионом является железо (II) с координационным числом 6. Хелатообразующим лигандом является тетрадентантный порфин. В координационной сфере железа (II) только 4 места заняты донорными атомами азота порфирина. Пятое место занимает донорный атом азота в радикале гистидина, связывающего гем с белковой частью молекулы – глобином. Шестое место является вакантным, его может занимать либо молекула О₂ (образуется оксигемоглобин), либо молекула воды.

Оксид углерода (II) образует примерно в 300 раз более прочное, чем кислород, соединение с гемоглобином – карбоксигемоглобин. Токсичность угарного газа объясняется исходя из теории совмещенных лигандообменных равновесий: кислород и оксид углерода (II) конкурируют между собой за центральный ион – атом железа (II), находящийся в порфириновом комплексе.

Нарушение металло-лигандного гомеостаза возможно в следующих случаях:

• В организм поступают ионы – токсиканты из окружающей среды; наиболее опасные – ионы Hg(II), Cd(II), Tl(I). Все они способны образовывать прочные комплексы с биолигандами, серьезно нарушая параметры стационарного состояния.

• В организм поступают микроэлементы, необходимые для жизни, но в значительно больших количествах. Это обусловлено особенностью биогеохимических провинций (например, для Урала характерен избыток никеля).

• Нарушение металло-лигандного гомеостаза возможно и в результате недостаточного поступления важнейших микроэлементов (например, в Тюменской области – недостаток меди).

• Попадание из окружающей среды токсичных лигандов. Это средства химической защиты растений, моющие средства. Они содержат донорные атомы азота, серы, кислорода, фосфора, которые способны координироваться ионами биометаллов.

• В ряде случаев в организме образуются «фальшивые лиганды» (лигандная патология). Связанные «фальшивыми лигандами» ионы не могут образовывать жизненно необходимые биокомплексы.

В состав активных центров многих ферментов наряду с донорными атомами азота и кислорода входят атомы серы. При попадании в организм ионов тяжелых металлов возникает совмещенные равновесия и конкуренция процессов. Ионы Hg(II), Pb(II) и Tl(I) образуют с атомами серы более прочные соединения, чем ионы биометаллов. Ионы металлов-токсикантов выигрывая конкуренцию блокирует активные центры ферментов и выключают их из управления метаболизмом. Такие металлы называют тиоловыми ядами.

Выведение ионов тяжелых металлов из организма под действием хелатирующих реагентов называется хелатотерапией. Один из первых препаратов БАЛ (британский антилюзит). В настоящее время применяется унитиол (2,3-димеркаптопропансульфонат натрия). Он эффективно выводит из организма мышьяк, ртуть, хром, висмут. Для детоксикации организма при отравлениях свинцом используют препарат тетацин-кальций (CaNa₂Y). Этот препарат применяют также для выведения кадмия, ртути, урана и редкоземельных металлов.

Основные термодинамические принципы хелатотерапии заключаются в двух положениях. Вводимый детоксикант:

а) должен эффективно связывать ионы - токсиканты; вновь образующиеся соединения должны быть прочнее, чем те, которые существовали в организме;

б) не должен разрушать жизненно необходимые комплексные соединения; соединения, которые могут образовываться при взаимодействии детоксиканта и ионов биометаллов, должны быть менее прочными, чем существующие в организме.

Почти все токсиканты (Hg, Pb, As, Cd) эффективно связывает сукцимер (димеркаптоянтарная кислота), он не выводит из организма ионы биометаллов. Этот препарат применяют в качестве антидота при отравлениях соединениями упомянутых металлов.

Препараты, способные вступать в реакции комплексообразования, используются для лечения различных заболеваний. Препараты золота (кризанол) применяются для лечения ревматоидного артрита. Цис- изомер дихлородиаммин платины (цис ДДП) применяется для лечения некоторых форм онкологических заболеваний.