лекция 2

1. Строение комплексных соединений. Лигандообменное равновесие

Химия
Институт фундаментальных основ и
информационных технологий в
медицине
Автор: старший преподаватель
Махачкеева Татьяна Александровна

2. ПЛАН ЛЕКЦИИ

1.Определение комплексных соединений (КС), их главный признак.
2. Основные положения координационной теории А. Вернера, ТВС, ТПЛ.
3. Классификация и номенклатура КС.
4. Поведение КС в растворе. Изолированное лигандообменное равновесие;
термодинамическая характеристика равновесия (Кн).
5. Совмещенные лигандообменные равновесия.
6. Металлолигандный гомеостаз и причины его нарушения.
7. Термодинамические принципы хелатотерапии.
2

3. Значение комплексных соединений

• Выполняют биологические функции в организме: перенос О2 к
тканям и органам гемоглобином, ионов металлов через мембрану
клетки с помощью ионофоров, действие металлоферментов
(карбоксипептидаза, карбоангидраза, цитохромы и т.п.) и другие
процессы.
• Являются лекарствами (Диакарб, Дисульфурам), регулируют
гемостаз и являются антидотами (ЭДТА).
• На реакциях комплексообразования основаны методы
диагностики (более 80 элементов ПСЭ можно определить
методами комплексометрии).
3

4. Комплексные соединения – …

… молекулярные соединения, не показывающие в растворе всех
свойств исходных для них соединений первого порядка
(достаточно простые по своей структуре соединения Н2О, SO3,
СО, NH3 и т.п.).
Главный признак КС – наличие 2х, 4х, 6и, а иногда и большего числа
химических групп, расположенных геометрически правильно
(координированных) вокруг иона металла. Они могут быть
нейтральными и заряженными, независимы или связаны друг с
другом, образовывая длинную гибкую молекулу.
4

5.

Альфред Вернер
(1866 — 1919)
Швейцарский химик. Профессор Цюрихского университета.
Лауреат Нобелевской премии
5

6. Положения координационной теории Вернера (1893)

1.
2.
3.
Положения координационной теории
Вернера (1893)
Основой КС является центральный ион или
комплексообразователь, роль которого выполняет катион
металла.
Комплексообразователь может проявлять не только «главную»
валентность, но и дополнительную или «побочную». Главная
валентность насыщается только анионами, побочная – и
анионами, и нейтральными молекулами и только в КС.
Координированные ионы и молекулы в КС называются
лигандами; они образуют внутреннюю сферу КС.
6

7. Положения координационной теории Вернера (1893)

4.
Количество лигандов, скоординированных вокруг
комплексообразователя, характеризуется координационным
числом.
5.
Комплексообразователь и внутренняя сфера КС составляют ядро
комплекса, которое при записи выделяется квадратными скобками.
Ядро может быть нейтральным или заряженным.
6.
Если ядро заряжено, то КС имеет внешнюю сферу за счёт
противоположно заряженных ионов.
7

8.

8

9. Недостатки координационной теории

• Связь между ядром и внешней сферой ионная,
поэтому, в растворе КС диссоцируют по уравнению
[Cr(NH3)6]Cl3 [Cr(NH3)6]3+ + 3Cl–
Недостатки:
• Не объясняет природу связи в ядре комплекса.
• Не учитывает природу лигандов.
9

10. Строение комплексных соединений (по ТВС)

• Комплексообразователь – акцептор электронов.
• Лиганд – донор электронов.
• Связь между лигандами и центральным ионом – донорноакцепторная.
• Из-за энергетической неравноценности орбиталей
комплексообразователя ТВС вводит понятие гибридизации
орбиталей.
• Гибридизация – смешение и выравнивание по форме и энергии
орбиталей, принадлежащих к разным уровням и подуровням.
10

11. Часто встречающиеся типы гибридизации орбиталей комплексообразователя

Тип гибридизации
Пространственное
строение КС
sp3
Тетраэдр
КЧ=4
КЧ=4
dsp2
Квадрат
d2sp3
Октаэдр
КЧ=6
11

12. Пример образования парамагнитного высокоспинового (спин-свободного) КС

[Cr(NH3)6]3+
23p64s13d54p0
Cr
3s
24
Cr3+ 3s23p64s03d34p0
*
*
NH3
* * * *
3d
* *
* * * * * *
4s
4p
Тип гибридизации d2sp3
12

13. Пример образования диамагнитного низкоспинового (спин-спаренного) КС

[Co(NH3)6]3+
27Co
Низкоспиновые комплексы,
как правило, меньше по
размеру. Этот феномен
обуславливает важнейшую
биологическую функцию –
транспорт О2 гемоглобином.
3s23p6 4s23d74p0
Co3+ 3s23p6 4s03d64p0
4s
3d
3d
4p
4s
3d
Тип гибридизации d2sp3
*
*
NH3
4p
** **
* *
4s
* * * * * *
4p
13

14. Пример образования высокоспинового внешнеорбитального комплекса

• Оба предыдущих примера показывают образование
внутриорбитальных комплексов, т.к. размещение электронных
пар лигандов начинается с внутренних 3d-орбиталей.
• Образование внешнеорбитального комплекса иллюстрирует
пример
[CoF6]3–
*
*
F–
Тип гибридизации sp3d2
3d
**
** ** **
4s
4p
** **
4d
14

15. Классификация лигандов по «силе»…

… проводится на основе квантовомеханической теории поля лигандов (ТПЛ).
Сильные лиганды обладают способностью спаривать электроны
комплексообразователя, слабые – никогда.
I–< Br–< Cl–= SCN–< F–< H2O< NO2–< ЭДТА< NH3 <CN– = CO
Слабые
Средней силы
Сильные
Образование низко- и высокоспиновых комплексов зависит также:
1. от степени окисления (СО) комплексообразователя: чем выше СО, тем лучше
идёт спаривание электронов;
2. от размера d-орбитали комплексообразователя: чем больше размер, тем
лучше идёт спаривание электронов.
15

16. Дентатность (координационная ёмкость) лигандов …

… (от латинского dentalus – имеющий зубы) определяется числом
донорных атомов, доступных для координации. Упрощённо
показывает количество -связей лиганда с атомом
комлексообразователя.
ЛИГАНДЫ
Монодентатные
Hal–, OH–, NH3, H2O и др.
Бидентатные
S2–, SO32–, C2O42–,
NH2–(CH2)2–NH2
Полидентатные
ЭДТА, Gly
16

17. Классификация комплексных соединений

1.
Хелаты (от греческого χλατ – клешня) образуются за счёт
способности полидентатных лигандов координироваться к
комплексообразователю сразу в нескольких точках.
O
C
O
NH2
CH2
Cu
Меn+
H2C
NH2
Диглицинатомедь (II)
O
C
O
В разработку теории хелатов большой вклад внёс советский учёный Л.А. Чугаев.
17

18. Классификация комплексных соединений

2. Полиядерные комплексы – (от слова «поли» – много)
включают несколько комплексообразователей с
координированными полидентатными лигандами.
Железосеросодержащие белки
Cys
S
S
S
Cys
наиболее ранние в
Fe
Fe
Cys
S
S
ЖСБ
эволюционном отношении
S
Cys
белки, содержащие атомы
металлов.
18

19. Классификация комплексных соединений

3.
Макроциклические комплексы –
комплексообразователь («гость»)
размещается во внутренней полости
полидентатного лиганда («хозяин») и
изолирован от окружающей среды. Данные
соединения широко распространены в
природе: гемоглобин, хлорофилл,
цианокобаламин и др.
19

20. Поведение КС в растворах

1. Способность КС к диссоциации
a. [Cr(NH3)6]Cl3 [Cr(NH3)6]3+ + 3Cl–
b. [Cr(NH3)6]3+ Cr3+ + 6NH3
Процесс b характеризуется термодинамическими
константами: нестойкости (Кн) и устойчивости (β).
20

21. Поведение КС в растворах

2. Способность КС к замене лигандов
[Zn(H2O)4]2+ + 4NH3 [Zn(NH3)4]2+ + 4H2O
Лабильный комплекс – комплекс, полностью
обменивающий лиганды в течение 1 минуты при t=25 С.
Инертный комплекс – комплекс, практически не
обменивающий лиганды.
21

22. Номенклатура КС …

… язык, который в названии передаёт строение КС.
Порядок составления названия КС:
1. Координационное число (моно-, ди-, три-, тетра-, пента-, гексаи т.д.).
2. Название лиганда (если несколько, то первыми называют
анионы с окончанием «о», искл. Н2О – «аква», NH3 – «аммин»,
затем нейтральные молекулы; перечисление в алфавитном
порядке).
22

23. Номенклатура КС …

3. Название комплексообразователя (в комплексном
катионе русские названия, в комплексном анионе
латинские названия с суффиксом «ат». После названия
комплексообразователя в скобках указывают его СО).
Пример: [Cr(NH3)6]3+Cl3 гексааммин хрома (III) хлорид
[CoF6]3–Na3 гексафторокобальтат (III) натрия
[Pt(NH3)3Cl]Cl хлоротриаммин платины (II) хлорид
23

24. Комплексообразующая способность s-, p-, d- элементов

• s- элементы, в принципе не должны давать КС, т.к. не
имеют низких по энергии свободных орбиталей. Однако
дают КС, но только с полидентатными лигандами.
• d-элементы – типичные комплексообразователи, т.к.
d-подуровни у них заполнены не полностью. Самые
прочные КС образуют d-элементы с электронной
конфигурацией иона d6.
24

25. Изолированное лигандообменное равновесие

реализуется при диссоциации комплексного иона,
который является слабым электролитом, т.к. связь
между
комплексообразователем
и
лигандом
донорно-акцепторная.
Fe(SCN)6 3 Fe3+ + 6SCN
Константа равновесия данного процесса получила
название3константы
нестойкости (Кн):
6
Fe SCN
Кн
меньше значение Кн, тем
Fe SCN 6 3 Чем
прочнее комплекс.
25

26. Классификация биокомплексов (БК) по устойчивости

I группа: прочные БК с маленькой Кн. Теряют биоактивность
при замене и комплексообразователей (КО), и лигандов (Л),
например: гемоглобин (Hb), цитохромы, каталаза, хлорофилл,
витамин В12.
II группа: непрочные БК с большой Кн. Биоактивность их
падает незначительно при замене и КО, и Л. Нужны для
выполнения определённых функций в организме, например:
Фермент + Ме-активатор Компл. соед.
Фермент + Ме-активатор
26

27. Совмещённые лигандообменные равновесия

1-й тип
Кн2
Zn2+
S
белок
Hg2+
Кн1
Вывод: в совмещённых лигандообменных равновесиях (СЛОР) доминирует
тот процесс, в котором образуется более прочный комплекс с меньшей Кн.
В нашем случае Кн2 Кн1.
27

28. Совмещённые лигандообменные равновесия

2-й тип
Кн2
О2
Fe2+
Кн1
CO
Вывод: в СЛОР доминирует тот процесс, в котором образуется
более прочный комплекс с меньшей Кн.
В нашем случае Кн2 Кн1 в 3500 раз.
28

29. Металлолигандный гомеостаз

Гомеостаз постоянство показателей внутренней
среды металлолигандный гомеостаз постоянство
таких показателей внутренней среды, как КО и Л.
Причины нарушения
1. Попадание металлов-токсикантов (МТ) из
окружающей среды. Механизм действия описан на
примере тиоловых ядов (слайд 6). Для вывода МТ также
используют СЛОР.
SO3Na
29

30.

SO3N
a
S
белок
Hg2+
Кн3
Кн2
Кн3 Кн2
30

31. Причины нарушения

2. Высокая или низкая концентрация
микроэлементов в продуктах питания.
Дефицит микроэлементов чаще всего наблюдается в,
так называемых, биогеохимических провинциях и
способствует развитию эндемических заболеваний.
Пример: акобальтоз (Бурятия), молибденовая подагра
(Дагестан) и др.
31

32. Причины нарушения

Избыток микроэлементов также
ведёт
к
нарушению
метаболических процессов.
Пример: болезнь «любителей
пива»
из-за
избытка
СoCl2,
повышенная концентрация Cu2+ во
французских и Fe3+ в итальянских
винах.
32

33. Причины нарушения

3. Попадание в организм лигандов-токсикантов из
окружающей среды. Механизм действия описан выше.
Некоторые Л в организме
образуют прочный
комплекс с Cu2+, входящей в
состав фермента
лизилоксидаза. Фермент
разрушается, что приводит
к нарушению синтеза
коллагена и развивается
Lathyrism.
33

34. Причины нарушения

В состав чая, кофе и соевого белка
входят полифенольные соединения,
выполняющие роль лигандов и
образующие прочный комплекс с
ионами железа, тормозя его всасывание
анемия.
34

35. Причины нарушения

4. Выработка организмом
«фальшивых» Л. Пример этого
аутоиммунное заболевание
системная красная волчанка
(СКВ, болезнь Либмана-Сакса).
Механизм
действия
«фальшивых» Л образование
прочных непредусмотренных
природой комплексов с биоКО.
35

36. Термодинамические принципы хелатотерапии

I биоКО, необходимый организму;
Е биоЛ, необходимый организму;
Т КО-токсикант из окружающей среды;
D Л-детоксикант.
Основные принципы использования лекарств для лечения
больных:
1. связать токсикант: принцип выполняется, если Кн(ТD)
Кн(ТЕ);
2. не навредить организму: принцип выполняется, если Кн(ID)
Кн(IЕ)
36

37. Детоксиканты хелатотерапии

Для выведения Pb2+ используется трилонБ (EDTA); Cu2+
купренил; Hg2+ унитиол.
Для лечения онкологических заболеваний используется
цис-изомер дихлородиаммин платины.
Примером препарата может служить цисплатин,
который останавливает митоз в клетках.
Н3N
Cl Н N
Pt
Н3N
Cl Н N
Комплекс вступает в конкурентные
отношения с донорными атомами N
пуриновых и пиримидиновых оснований
ДНК, в результате чего генетическая
информация блокируется и клетки опухоли
не воспроизводятся.
37

38. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.
Использование основных положений теорий строения КС позволяет
предсказать их прочность и свойства.
2.
При разборе поведения КС в растворе необходимо учитывать
способность их ядер диссоциировать по типу слабого электролита.
Устанавливающееся при этом равновесие называется изолированным
лигандообменным и характеризуется Кн.
3.
Кн успешно используется для объяснения потери активности
биокомплексов, совмещенных лигандообменных равновесий в том
числе в лигандообменном гомеостазе, а также при выборе лекарств в
хелатотерапии.
38

39.

39