Комплексные соединения. Среди биологически активных веществ, содержащихся в организме, ионы металлов занимают особое место

Среди биологически активных веществ, содержащихся в организме, ионы металлов занимают особое место. Так, биокатионы являются наиболее чувствительными "химическими точками" организма. Эти биогенные элементы жизни находятся в организме, главным образом, в виде водных растворов их солей и комплексных (координационных) соединений.

Комплексными соединениями называются соединения, в узлах кристаллической решетки которых находятся сложные частицы (комплексные ионы), состоящие из центрального атома или иона и окружающих его нейтральных молекул или ионов. Комплексные ионы не разрушаются при переходе их в раствор или расплав.

Строение комплексных соединений получило объяснение в координационной теории А. Вернера (1893г). По координационной теории Вернера комплексные соединения характеризуются особым пространственным расположением частиц, составляющих их молекулы. Например: K⁺ | CN^- CN^- | K⁺

| CN^- Fe²⁺ CN^- | K₄[Fe(CN)₆]

K⁺ | CN^- CN^- | K⁺

Из приведенной координационной формулы видно, что один из ионов занимает центральное положение. Такой атом или ион называется комплексообразователем. Чаще всего комплексообразователями являются положительно заряженные ионы металлов, чаще металлы побочных подгрупп (d- и f-элементов), значительно реже - нейтральные атомы металлов (Fe, Ni) и отрицательно заряженные атомы неметаллов (N^-3, O^-2, S). Типичными комплексообразователями являются такие металлы, как Fe, Cu, Ag, Au, Hg, Co, Cr, Mn, Cd, Ni, Pt, и др. d- и f-элементы. Вблизи комплексообразователя в определенном порядке расположены полярные молекулы или ионы другого знака, иногда те и другие, их называют лигандами (аддендами), что значит "связанные". Важнейшими лигандами являются:

a) Нейтральные молекулы, имеющие дипольный характер: H₂O, NH₃, CO, NO, C₂H₄.

б) Ионы: H^-, O^-2, OH^-, Cl^-, J^-, Br^-, CN^-, HCO₃^-, а также биолиганды в виде макромолекул аминокислот и их производных, пептидов, белков, ферментов, гормонов, нуклеиновых кислот и их фрагментов.

Комплексообразователь и лиганды образуют внутреннюю сферу (обозначается квадратными скобками), а ионы, не вошедшие во внутреннюю сферы, образуют внешнюю сферу.Внутреннюю сферу часто заключают в квадратные скобки. Заряд комплексного иона равен алгебраической сумме зарядов комплексообразователя и лигандов. Число лигандов, располагающихся в непосредственной близости от центрального иона, называютсякоординационным числом иона (к.ч.). Часто встречаются координационные числа 2, 4, 6. Обычно координационное число в два раза больше заряда комплексообразователя, исключением является ион Fe²⁺ , для которого к.ч. равно 6, для Pt⁴⁺ - 6.

Если лиганды связаны с комплексообразователем одной связью и занимают одно координационное место во внутренней сфере комплекса, такие лиганды называются монодентантными (OH^-, Cl^-, J^-, Br^-, CN), две - бидентантными (CO₃^2-, С₂О₄^2-) - они занимают 2 координационных места. Некоторые лиганды присоединяются к центральному иону и большим числом координационных связей. Так, среди сложных органических соединений есть такие, которые могут выступать в роли три, тетра - и более - их называют полидентантными. Полидентантные органические лиганды, замыкаясь двумя или несколькими координационными связями, могут образовывать циклические комплексы.

Молекулы комплексных соединений отличаются вполне определенной геометрической структурой. Так, два лиганда часто располагаются около иона металла таким образом, что центральный ион и 2 лиганда оказываются на одной прямой. Три лиганда размещаются по углам треугольника, четыре - по углам квадрата или четырехгранника (тетраэдра), шесть - по углам восьмигранника (октаэдра), восемь - по углам куба. Если лиганды неодинаковы, то геометрические формы могут быть и не совсем правильными (искаженными), но, тем не менее, лиганды остаются фиксированными в определенных точках пространства вокруг центрального иона.

Комплексные соединения классифицируютпо заряду комплексного иона и по типу лигандов. По заряду комплексного иона комплексы бывают катионными (комплекс с положительным зарядом), анионными (комплекс с отрицательным зарядом), нейтральными (комплекс с нулевым зарядом).

По типу лигандов комплексы бывают: ацидокомплексы, - лигандами являются остатки кислот (Cl^-, J^-, Br^-, CN^-, HCO₃^-, CO₃^2-, С₂О₄^2-); гидроксикомплексы (ОН^-); аквакомплексы (H₂O); аминокомплексы (NH₃); смешанные, когда в комплекс входят несколько типов лиганд.

Отсюда, для правильного написания формулы комплексного соединения нужно знать: заряд (степень окисления) комплексообразователя; заряд лигандов; координационное число комплексообразователя; ионы внешней сферы.

При написании формул комплексного иона первым указывается символ комплексообразователя, затем указываются нейтральные лиганды в порядке H₂O, NH₃. После нейтральных лигандов следуют анионные лиганды. Анионные лиганды перечисляются в порядке: Н^-, О^-2, ОН^-, простые анионы, сложные анионы неорганических кислот, анионы органических кислот.

Формулы комплексных соединений читают строго справа налево, соблюдая в формуле порядок расположения лигандов. В названиях комплексных соединений сначала называют анион в именительном падеже, а затем катион в родительном падеже.

I. Если в соединение входит комплексный катион, то сначала называют лиганды по порядку расположения в комплексе, после чего следует название комплексообразователя (русское название элемента). В скобках римскими цифрами показывают степень окисления комплексообразователя. Нейтральные молекулы, выступающие в качестве лигандов, имеют свое обычное название, кроме аммиака - амин, воды - аква, СО - карбонил, NO - нитрозил. Отрицательно заряженные лиганды называют с окончанием на «о». Например, Н^- - гидридо, О^-2 - оксо, ОН^- - гидроксо, F^- - фторо, Cl^- - хлоро, S^-2 - тио, CN^- - циано, SO₄^-2 - сульфато, СН₃СОО^- - ацетато, CNS^- - тиоцианато, С₂О₄^-2 - оксалато. Если лигандов несколько, то вначале называют ион внешней сферы, затем лиганды греческими числами: - 2-ди, 3-три и т.д.

Например: названия комплексных катионов

[Со Н₂О (NH₃)₅] Cl₃ - хлорид пентаамминаквакобальта (III)

[Pt (NH₃)₅ Cl] Cl₃ - хлорид хлоропентаамминплатины (IV)

[Pt H₂O (NH₃)₂ OH] NO₃ - нитрат гидроксодиамминакваплатины (II)

[Cu (H₂O)₄] SO₄ - сульфат тетрааквамеди (II)

II. Если в соединение входит комплексный анион, то сначала называют лиганды по указанному выше порядку. Далее называют комплексообразователь, используя корень его латинского названия с добавлением слога – «ат», после чего в скобках римскими цифрами указывают степень окисления комплексообразователя. В последнюю очередь называется катион внешней сферы в родительном падеже. Например:

K [Ag (CN)₂] - дицианоаргентат (I) калия

K₂ [Cu Cl₄] - тетрахлорокупрат (II) калия

K₃ [Fe (CN)₆] - гексацианоферрат (III) калия

K₂ [Pt Cl₂ (NO₂)₂] - динитродихлороплатинат (IV) калия

Наименование нейтральных комплексов составляются из названия лигандов и русского названия комплексообразователя в именительном падеже. При этом валентность комплексообразователя не указывается. Например: [CO (NH₃)₃ Cl₃] - трихлоротриамминкобальт.

[Pt (NH₃)₂ Cl₄] - тетрахлородиамминплатина.

Внутренняя и внешняя сфера в молекулах комплексных соединений связана ионной связью. Комплексообразователь и лиганды связаны ковалентной связью по донорно-акцепторному механизму: лиганды играют роль донора электронной пары, а комплексообразователь - роль акцептора, на свободной орбитали которого располагается электронная пара лиганда.

Диссоциация комплексных соединений идет в две ступени. Первичная диссоциация комплексных соединений идет по типу ионизации сильных электролитов и протекает нацело: [Ag (NH₃)₂] Cl → [Ag (NH₃)₂]⁺ + Cl^-

Лиганды с комплексообразователем связаны более прочной связью и диссоциация комплексного иона протекает в меньшей степени. Этот вид диссоциации называется вторичной.

[Ag (NH₃)₂]⁺ → Ag⁺ + 2NH₃

Мерой устойчивости комплексного иона служит его константа нестойкости и обозначается К_н.

Чем меньше константа нестойкости, тем устойчивее комплекс.

Комплексные соединения играют огромную роль в процессах жизнедеятельности растений и животных. В организме животных и растений комплексные соединения выполняют самые разнообразные функции: накопление и перемещение различных веществ и энергии; образование и расщепление химических связей; участие в процессах дыхания, фотосинтеза, биологического окисления и ферментативном катализе. Такие важнейшие в биологическом отношении вещества, как гемоглобин, хлорофилл, цианкоболамин, являются внутрикомплексными, хелатными соединениями. В них четыре координационных места занимает одна частица, называемая порфином, а комплексообразователем в гемоглобине является - Fe⁺², а в хлорофилле - Mg², в витамине B₁₂ - Cо⁺³.

Комплекс железа с порфирином имеет плоское строение, в котором ион железа соединен 4 координационными связями с 4 пиррольными кольцами, 5 связь идет на присоединение белка глобина, но шестое место в координационной сфере свободно. Это место и занимает молекула кислорода, переносимого гемоглобином в процессе дыхания.

В последнее время установлено, что комплексные соединения платины и палладия оказывают тормозящее действие на развитие злокачественных опухолей и с успехом могут применяться для терапевтических целей, образование хелатных (внутрикомплексных) соединений, используются при растворении солей в почечных камнях и снижении жесткости воды, обусловленной присутствием ионов кальция и магния. Известна высокая бактерицидная активность некоторых комплексных соединений серебра. Трилон Б (ЭДТА) способен образовывать комплексы со многими металлами, в том числе с Са⁺². Это дает возможность применять его при заболеваниях, сопровождающихся избыточным отложением солей кальция в организме.