Лигандите са йони или молекули, които са директно свързани с комплексообразуващия агент и са донори на електронни двойки. Тези богати на електрони системи, имащи свободни и подвижни електронни двойки, могат да бъдат донори на електрони, например: Съединенията на p-елементи проявяват комплексообразуващи свойства и действат като лиганди в комплексно съединение. Лигандите могат да бъдат атоми и молекули

(протеини, аминокиселини, нуклеинови киселини, въглехидрати). Ефективността и силата на донорно-акцепторното взаимодействие между лиганда и комплексообразователя се определя от тяхната поляризуемост - способността на частицата да трансформира своите електронни обвивки под външно въздействие.
Константа на чупливост:

Кнест= 2 /

Към устата=1/Кнест

Реакции на лигандно заместване

Един от най-важните етапи в катализата на металния комплекс - взаимодействието на субстрата Y с комплекса - се осъществява по три механизма:

а) Замяна на лиганда с разтворител. Този етап обикновено се изобразява като дисоциация на комплекса

Същността на процеса в повечето случаи е замяната на лиганда с разтворител S, който след това лесно се заменя със субстратна молекула Y

б) Прикрепване на нов лиганд в свободна координата с образуване на асоциат, последвано от дисоциация на заменения лиганд

в) Синхронно заместване (тип S N 2) без междинно образуване

Представи за структурата на металоензимите и други биокомплексни съединения (хемоглобин, цитохроми, кобаламини). Физикохимични принципи на транспорта на кислород от хемоглобина.

Характеристики на структурата на металоензимите.

Биокомплексните съединения се различават значително по стабилност. Ролята на метала в такива комплекси е много специфична: заместването му дори с елемент, подобен по свойства, води до значителна или пълна загуба на физиологична активност.

1. B12: съдържа 4 пиролови пръстена, кобалтов йон и CN- групи. Насърчава прехвърлянето на Н атом към С атом в замяна на всяка група, участва в процеса на образуване на дезоксирибоза от рибоза.

2. хемоглобин: има кватернерна структура. Четири полипептидни вериги, свързани заедно, образуват почти правилна форма на топка, като всяка верига е в контакт с две вериги.

Хемоглобин- дихателен пигмент, който придава червения цвят на кръвта. Хемоглобинът се състои от протеин и железен порфирин и пренася кислород от дихателните органи до телесните тъкани и въглероден диоксид от тях до дихателните органи.
Цитохроми- сложни протеини (хемопротеини), които извършват поетапен трансфер на електрони и/или водород от окислени органични вещества към молекулярен кислород в живите клетки. Това произвежда богатото на енергия съединение ATP.
Кобаламини- естествени биологично активни органокобалтови съединения. Структурната основа на К. е кориновият пръстен, състоящ се от 4 пиролови ядра, в които азотните атоми са свързани с централния кобалтов атом.

Физикохимични принципи на транспорта на кислород от хемоглобина- Атомът (Fe (II)) (един от компонентите на хемоглобина) е способен да образува 6 координационни връзки. От тях четири се използват за осигуряване на самия Fe(II) атом в хема, петата връзка се използва за свързване на хема с протеиновата субединица, а шестата връзка се използва за свързване на молекулата O2 или CO2.

Метално-лигандна хомеостаза и причини за нейното нарушаване. Механизмът на токсичното действие на тежки метали и арсен въз основа на теорията на твърдите и меките киселини и основи (HSBA). Термодинамични принципи на хелатотерапията. Механизмът на цитотоксичното действие на платиновите съединения.

В тялото непрекъснато се образуват и разрушават биокомплекси от метални катиони и биолиганди (порфини, аминокиселини, протеини, полинуклеотиди), които включват донорни атоми на кислород, азот и сяра. Обменът с околната среда поддържа концентрациите на тези вещества на постоянно ниво, осигурявайки метал лиганд хомеостаза. Нарушаването на съществуващия баланс води до редица патологични явления - състояния на метален излишък и метален дефицит. Като пример можем да цитираме непълен списък от заболявания, свързани с промени в баланса метал-лиганд само за един йон - медния катион. Дефицитът на този елемент в организма причинява синдром на Менкес, синдром на Морфан, болест на Уилсън-Коновалов, цироза на черния дроб, белодробен емфизем, аорто- и артериопатия, анемия. Прекомерният прием на катиона може да доведе до редица заболявания на различни органи: ревматизъм, бронхиална астма, възпаление на бъбреците и черния дроб, миокарден инфаркт и др., наречени хиперкупремия. Известна е и професионалната хиперкупреоза – медна треска.

Циркулацията на тежките метали се извършва частично под формата на йони или комплекси с аминокиселини и мастни киселини. Водещата роля в транспортирането на тежки метали обаче принадлежи на протеините, които образуват силни връзки с тях.

Те са фиксирани към клетъчните мембрани и блокират тиоловите групи на мембранните протеини– 50% от тях са ензимни протеини, които нарушават стабилността на протеиново-липидните комплекси на клетъчната мембрана и нейната пропускливост, предизвиквайки освобождаването на калий от клетката и проникването на натрий и вода в нея.

Такъв ефект на тези отрови, които са активно фиксирани върху червените кръвни клетки, води до нарушаване на целостта на мембраните на еритроцитите, инхибиране на процесите на аеробна гликолиза и метаболизма в тях като цяло и натрупване на хемолитично активен водороден пероксид поради по-специално инхибиране на пероксидазата, което води до развитие на един от характерните симптоми на отравяне със съединения от тази група - хемолиза.

Разпределението и отлагането на тежки метали и арсен става в почти всички органи. От особен интерес е способността на тези вещества да се натрупват в бъбреците, което се обяснява с богатото съдържание на тиолови групи в бъбречната тъкан, наличието на протеин в нея - металобионин, съдържащ голям брой тиолови групи, което допринася за до дълготрайно отлагане на отрови. Чернодробната тъкан, която също е богата на тиолови групи и съдържа металобионин, също се характеризира с висока степен на натрупване на токсични съединения от тази група. Срокът на депозита например за живак може да достигне 2 месеца или повече.

Освобождаването на тежки метали и арсен става в различни пропорции през бъбреците, черния дроб (с жлъчката), лигавицата на стомаха и червата (с изпражненията), потните и слюнчените жлези, белите дробове, което обикновено е придружено от увреждане на отделителната апаратура. на тези органи и се проявява със съответните клинични признаци.симптоми.

Смъртоносната доза за разтворими живачни съединения е 0,5 g, за каломел 1–2 g, за меден сулфат 10 g, за оловен ацетат 50 g, за бяло олово 20 g, за арсен 0,1–0,2 g.

Концентрацията на живак в кръвта е повече от 10 μg/l (1γ%), в урината повече от 100 μg/l (10γ%), концентрацията на мед в кръвта е повече от 1600 μg/l (160γ% ), арсенът е повече от 250 μg/l (25γ).%) в урината.

Хелатотерапията е отстраняването на токсични частици

от тялото, въз основа на тяхното хелатиране

комплексонати на s-елементи.

Лекарства, използвани за елиминиране

токсични вещества, включени в тялото

частиците се наричат ​​детоксикатори.

Реакциите на координационните съединения винаги протичат в координационната сфера на метал със свързани в него лиганди. Следователно е очевидно, че за да се случи нещо изобщо, лигандите трябва да могат да попаднат в тази сфера. Това може да стане по два начина:

• координационно ненаситен комплекс свързва нов лиганд
• във вече завършена координационна сфера един лиганд се заменя с друг.

Вече се запознахме с първия метод, когато обсъждахме координационната ненаситеност и правилото за 18-те електрона. Тук ще се занимаем с второто.

Лиганди от всеки тип могат да бъдат заместени във всяка комбинация

Но обикновено има негласно правило - броят на заетите координационни места не се променя. С други думи, броят на електроните не се променя по време на заместването. Замяната на един вид лиганд с друг е напълно възможна и често се случва в действителност. Нека обърнем внимание само на правилното боравене с зарядите, когато променяме L-лиганда на X-лиганда и обратно. Ако забравим за това, тогава степента на окисление на метала ще се промени и замяната на лигандите не е окислително-редукционен процес (ако намерите или излезете с обратен пример, уведомете ме - автоматично ще бъде кредитиран правилно далеч, ако не мога да докажа, че сте сбъркали и дори в В този случай гарантирам положителен принос към кармата).

Заместване, включващо хапто лиганди

С по-сложните лиганди няма повече трудности - просто трябва да запомните едно доста очевидно правило: броят на лигандните места (тоест общият брой лиганди или лигандни центрове от X- или L-тип) се запазва. Това следва пряко от запазването на броенето на електрони. Ето примери, които се разбират от само себе си.

Нека обърнем внимание на последния пример. Изходният реагент за тази реакция е железен дихлорид FeCl2. Доскоро бихме казали: „Това е просто сол, какво общо има координационната химия с това?“ Но повече няма да си позволим такова невежество. В химията на преходните метали няма „само соли“; всички производни са координационни съединения, към които се прилагат всички съображения за броене на електрони, d-конфигурация, координационно насищане и т.н. Железният дихлорид, както сме свикнали да го пишем, би се оказал Fe(2+) комплекс от тип MX 2 с конфигурация d 6 и брой електрони 10. Недостатъчно! Глоба? В крайна сметка вече разбрахме, че лигандите могат да бъдат имплицитни. За да осъществим реакцията, се нуждаем от разтворител, а за такива реакции това най-вероятно е THF. Разтварянето на кристалната желязна сол в THF се случва именно защото донорният разтворител заема свободни пространства и енергията на този процес компенсира разрушаването на кристалната решетка. Не бихме могли да разтворим тази „сол“ в разтворител, който не предоставя услугите за солватация на метали поради основността на Люис. В този случай и в милиони подобни, солватацията е просто координационно взаимодействие. Нека напишем, само за определеност, резултата от солватацията под формата на комплекса FeX 2 L 4, в който два хлорни йона остават в координационната сфера под формата на два X-лиганда, въпреки че най-вероятно те също са изместени от молекули на донорния разтворител с образуване на зареден комплекс FeL 6 2+. В случая това не е толкова важно. Така или иначе, можем спокойно да приемем, че имаме 18-електронен комплекс и отляво, и отдясно.

Заместването, добавянето и дисоциацията на лигандите са тясно и неразривно свързани

Ако си спомним органичната химия, тогава имаше два механизма на заместване при наситен въглероден атом - SN1 и SN2. При първия заместването става на два етапа: старият заместител първо напуска, оставяйки празна орбитала на въглеродния атом, която след това се заема от нов заместител с двойка електрони. Вторият механизъм предполага, че напускането и идването се извършват едновременно, съгласувано и процесът е едноетапен.

В химията на координационните съединения е напълно възможно да си представим нещо подобно. Но се появява и трета възможност, която наситеният въглероден атом не е имал - първо прикрепяме нов лиганд, след това отделяме стария. Веднага става ясно, че този трети вариант едва ли е възможен, ако комплексът вече има 18 електрона и е координационно наситен. Но е напълно възможно, ако броят на електроните е 16 или по-малко, тоест комплексът е ненаситен. Нека веднага да си припомним очевидната аналогия от органичната химия - нуклеофилното заместване при ненаситен въглероден атом (в ароматен пръстен или при карбонил въглерод) също възниква първо като добавяне на нов нуклеофил и след това елиминиране на стария.

Така че, ако имаме 18 електрона, тогава заместването става като абстракция-добавка (любителите на „умните“ думи използват термина дисоциативно-асоциативен или просто дисоциативен механизъм). Друг начин би изисквал разширяване на координационната сфера до брой от 20 електрона. Това не е абсолютно невъзможно и понякога дори се обмислят такива варианти, но определено е много нерентабилно и всеки път при съмнение за такъв път се изискват много сериозни доказателства. В повечето от тези истории изследователите в крайна сметка заключиха, че са пропуснали или пропуснали нещо и асоциативният механизъм беше отхвърлен. Така че, ако оригиналният комплекс има 18 електрона, тогава първо един лиганд трябва да напусне, след това нов трябва да заеме неговото място, например:

Ако искаме да въведем хапто-лиганд, заемащ няколко места в координационната сфера, тогава първо трябва да ги освободим всички. По правило това се случва само при доста тежки условия, например, за да се заменят три карбонила в хромов карбонил с η 6 -бензен, сместа се нагрява под налягане в продължение на много часове, освобождавайки от време на време освободения въглероден оксид. Въпреки че диаграмата изобразява дисоциацията на три лиганда с образуването на много ненаситен комплекс с 12 електрона, в действителност реакцията най-вероятно протича на етапи, оставяйки един карбонил наведнъж и бензенът навлиза в сферата, постепенно увеличавайки хаптичността, през етапи минус CO - дигапто - минус още един CO - тетрахапто - минус още един CO - хексагапто, така че да не се получават по-малко от 16 електрона.

Така че, ако имаме комплекс с 16 електрона или по-малко, тогава замяната на лиганда най-вероятно се случва като добавяне-елиминиране (за тези, които обичат дълбоко звучащите думи: асоциативно-дисоциативно или просто асоциативно): новият лиганд първо идва , тогава старият си тръгва. Възникват два очевидни въпроса: защо старият лиганд си тръгва, защото 18 електрона са много добри и защо в този случай не се направи обратното, както при 18-електронните комплекси. На първия въпрос е лесно да се отговори: всеки метал има свои собствени навици и някои метали, особено късните, с почти напълно запълнени d-обвивки, предпочитат 16-електронния брой и съответните структурни типове и следователно изхвърлят допълнителния лиганд , връщайки се към любимата си конфигурация. Понякога се намесва и пространственият фактор, съществуващите лиганди са големи, а допълнителният се чувства като пътник в автобус в час пик. По-лесно е да слезете и да се разходите, отколкото да страдате така. Все пак можете да избутате друг пътник, да го оставите да се разходи и ние ще отидем. Вторият въпрос също е прост - в този случай дисоциативният механизъм първо трябва да даде 14-електронен комплекс, а това рядко е от полза.

Ето един пример. За разнообразие, нека заменим X-лиганда с L-лиганд и няма да се бъркаме относно степени на окисление и заряди. Още веднъж: при заместване степента на окисление не се променя и ако X-лигандът е напуснал, тогава загубата трябва да бъде компенсирана от заряда на метала. Ако забравим за това, тогава степента на окисление ще намалее с 1, но това е неправилно.

И още нещо странно. Връзка метал-пиридин се образува поради несподелената двойка на азота. В органичната химия в този случай определено ще покажем плюс на пиридиновия азот (например при протониране или образуване на кватернерна сол), но никога не правим това в координационната химия с пиридин или други L-лиганди. Това е ужасно неприятно за всички, които са свикнали със строгата и недвусмислена система за рисуване на структури в органичната химия, но ще трябва да свикнете, не е толкова трудно.

Но няма точен аналог на SN2 в химията на координационните съединения, има далечен, но той е сравнително рядък и всъщност не ни е необходим.

Стабилни и лабилни лиганди

Не бихме могли изобщо да говорим за механизмите на заместване на лиганда, ако не беше едно изключително важно обстоятелство, което ще използваме много: заместването на лиганда, било то асоциативно или дисоциативно, задължително предполага дисоциацията на стария лиганд. И за нас е много важно да знаем кои лиганди напускат лесно и кои напускат зле, предпочитайки да останат в координационната сфера на метала.

Както скоро ще видим, при всяка реакция някои от лигандите остават в координационната сфера и не се променят. Такива лиганди обикновено се наричат ​​зрителски лиганди (ако не искате такива прости, „ненаучни“ думи, използвайте английската дума spectator в местната транскрипция spectator, spectator ligand, но, моля ви, не spectator - това е непоносимо!) . А някои участват директно в реакцията, превръщайки се в реакционни продукти. Такива лиганди се наричат ​​актьори (не актьори!), тоест активни. Съвсем ясно е, че лигандите-актьори трябва лесно да бъдат въведени и отстранени в координационната сфера на метала, в противен случай реакцията просто ще блокира. Но е по-добре да оставим наблюдателните лиганди в координационната сфера по много причини, но поне поради такава банална като необходимостта да се избегне ненужната суета около метала. По-добре е само лигандни участници и в необходимите количества да могат да участват в желания процес. Ако има повече налични координационни места от необходимото, допълнителни лигандни участници могат да седят върху тях и дори такива, които ще участват в странични реакции, намалявайки добива на целевия продукт и селективността. В допълнение, наблюдателните лиганди почти винаги изпълняват много важни функции, например осигуряват разтворимостта на комплексите, стабилизират правилното валентно състояние на метала, особено ако не е съвсем обикновено, подпомагат отделните етапи, осигуряват стереоселективност и т.н. Все още няма да го дешифрираме, защото ще обсъдим всичко това подробно, когато стигнем до конкретни реакции.

Оказва се, че някои от лигандите в координационната сфера трябва да са здраво свързани и да не са склонни към дисоциация и заместване с други лиганди. Такива лиганди обикновено се наричат координационно стабилен . Или просто стабилен, ако от контекста става ясно, че говорим за силата на връзките на лигандите, а не за тяхната собствена термодинамична стабилност, което изобщо не ни засяга.

И лигандите, които лесно и охотно влизат и излизат, и винаги са готови да дадат път на другите, се наричат координация лабилна , или просто лабилен и тук, за щастие, няма неясноти.

Циклобутадиен като лиганд

Това е може би най-яркият пример за факта, че в координационната сфера една много нестабилна молекула може да се превърне в отличен лиганд и по дефиниция координационно стабилна, дори само защото, ако се осмели да напусне топлата и уютна сфера навън, нищо добро няма изчакайте го (за сметка на изхода ще бъде точно енергията на антиароматната дестабилизация).

Циклобутадиенът и неговите производни са най-известните примери за антиароматизъм. Тези молекули съществуват само при ниски температури и в силно изкривена форма - за да се стигне възможно най-далеч от антиароматността, цикълът се изкривява в удължен правоъгълник, премахвайки делокализацията и максимално отслабвайки конюгацията на двойните връзки (това иначе се нарича ефектът на Ян-Телер от 2-ри вид: изродена система, а циклобутадиеновият квадрат е изроден бирадикал, помнете кръга на Фрост - той е изкривен и намалява симетрията, за да премахне израждането).

Но в комплексите циклобутадиенът и заместените циклобутадиени са отлични тетрахапто лиганди и геометрията на такива лиганди е точно квадрат с еднакви дължини на връзките. Как и защо това се случва е отделна история и не толкова очевидна, колкото често се представя.

Координационни лабилни лиганди

Трябва да разберете, че няма стоманобетонна ограда с бодлива тел и охранителни кули между зоните на лабилни и стабилни лиганди. Първо, зависи от метала и LMKO работи добре в този контекст. Например късните преходни метали предпочитат меки лиганди, докато ранните преходни метали предпочитат твърди. Да кажем, че йодидът се придържа много здраво към d 8 атомите на паладия или платината, но рядко навлиза в координационната сфера на титана или циркония в конфигурацията d 0 изобщо. Но в много метални комплекси с по-слабо изразени характеристики йодидът се проявява като напълно лабилен лиганд, който лесно отстъпва на други.

При равни други условия:

• L-лигандите обикновено са по-лабилни от X-лигандите;
• лабилността на Х-лигандите се определя от твърдостта/мекотата и природата на метала;
• „имплицитните“ лиганди са много лабилни: разтворители и мостове в димери и клъстери, до такава степен, че тяхното присъствие в координационната сфера често е напълно пренебрегвано и структурите без тях са нарисувани с формално ненаситена координационна сфера;
• Дихаптолигандите, например алкени и алкини, се държат като типични L-лиганди: те обикновено са доста лабилни;
• лиганди с по-голяма хаптичност рядко са лабилни, но ако полихапто лиганд може да промени начина на свързване към моно-хапто, той става по-лабилен, например η 3-алилите се държат по този начин;
• хелатните лиганди, образуващи 5- и 6-членни хелатни пръстени, са стабилни, а хелатите с по-малко или повече пръстенни атоми са лабилни, поне в един център (хелатният пръстен се отваря и лигандът остава да виси като прост). Ето как се държи ацетатът например;

Координационно стабилни лиганди

Нека повторим всичко отново, само от другата страна

В координационната сфера на металите обикновено се запазват (координационно стабилни):

• 5- и 6-членни хелатори;
• полихапто-лиганди: за да избиете циклопентадиенилите или бензена (арените) от координационната сфера, трябва да използвате всякакви специални техники - те просто не излизат, често издържат дори на продължително нагряване;
• лиганди, свързани с метал с висок дял на π-донорен ефект (обратно донорство);
• меки лиганди за късни преходни метали;
• “последен” лиганд в координационната сфера.

Последното условие изглежда странно, но си представете комплекс, който има много различни лиганди, сред които няма абсолютно стабилни (без хелатори или полихапто-лиганди). След това, в реакциите, лигандите ще се променят, относително казано, в ред на относителна лабилност. Най-малко лабилен и последен останал. Този трик се случва, например, когато използваме паладиеви фосфинови комплекси. Фосфините са относително стабилни лиганди, но когато има много от тях и металът е богат на електрони (d 8, d 10), те отстъпват място един след друг на лигандите на актьорите. Но последният фосфинов лиганд обикновено остава в координационната сфера и това е много добре от гледна точка на реакциите, в които участват тези комплекси. Ще се върнем към този важен въпрос по-късно. Ето един доста типичен пример, когато само един, „последен“ фосфин остава от първоначалната координационна сфера на паладиево-фосфиновия комплекс в реакцията на Хек. Този пример ни доближава много до най-важната концепция в реакциите на комплексите на преходните метали - концепцията за контрол на лиганда. Ще го обсъдим по-късно.

Реметализиране

Когато заменяте някои лиганди с други, е важно да не прекалявате с реактивността на входящия лиганд. Когато имаме работа с реакции на органични молекули, за нас е важно да доставим точно една молекула от всеки реагент в координационната сфера. Ако две молекули влязат вместо една, има голяма вероятност от странични реакции, включващи два идентични лиганда. Възможна е и загуба на реактивност поради насищане на координационната сфера и невъзможността за въвеждане в нея на други лиганди, необходими за очаквания процес. Този проблем възниква особено често, когато в координационната сфера се въвеждат силни анионни нуклеофили, например карбаниони. За да се избегне това, се използват по-малко реактивни производни, в които вместо катиона на алкалния метал, който определя високата йонност на връзката, се използват по-малко електроположителни метали и металоиди (цинк, калай, бор, силиций и др.), образуващи ковалентни връзки с нуклеофилната част . Реакциите на такива производни с производни на преходен метал произвеждат продукти на лигандно заместване, по принцип точно както ако нуклеофилът е в анионна форма, но поради намалена нуклеофилност с по-малко усложнения и без странични реакции.

Такива реакции на заместване на лиганд обикновено се наричат ​​трансметализация, за да се подчертае очевидният факт, че нуклеофилът изглежда променя металите - по-електроположителни към по-малко електроположителни. Следователно това име съдържа елемент на неприятна шизофрения - сякаш вече се бяхме разбрали, че ще разглеждаме всички реакции от гледна точка на преходен метал, но изведнъж го загубихме отново и гледаме тази реакция и само тази реакция от гледна точка на нуклеофил. Ще трябва да имате търпение, така се е развила и приела терминологията. Всъщност тази дума се връща към ранната химия на органометалните съединения и до факта, че действието на литиеви или органомагнезиеви съединения върху халогениди на различни метали и металоиди е един от основните методи за синтез на всички органометални съединения, предимно непреходни. , а реакцията, която сега разглеждаме в химията на координационните съединения на преходните метали, е просто обобщение на древния метод на органометалната химия, от който всичко произлиза.

Как се случва трансметализацията?

Повторното метализиране е едновременно подобно на конвенционалното заместване и не е подобно. Изглежда - ако считаме, че непреходен органометален реагент е просто карбанион с противойон, тогава връзката въглерод-непреходен метал е йонна. Но тази идея изглежда вярна само за най-електроположителния метал – магнезия. Но вече за цинка и калая тази идея е много далеч от истината.

Следователно в реакцията влизат две σ връзки и четири атома в техните краища. В резултат на това се образуват две нови σ връзки и четири атома се свързват един с друг в различен ред. Най-вероятно всичко това се случва едновременно в четиричленно преходно състояние и самата реакция има съгласуван характер, както много други реакции на преходни метали. Изобилието от електрони и орбитали за буквално всички вкусове и всички видове симетрии прави преходните метали способни едновременно да поддържат връзки в преходни състояния с няколко атома.

В случай на повторно метализиране получаваме специален случай на много общ процес, който просто се нарича метатеза на σ-връзка. Не ги бъркайте само с истинската метатеза на олефините и ацетилените, които са пълноценни каталитични реакции със собствени механизми. В този случай говорим за механизма на трансметализация или друг процес, при който се случва нещо подобно.

Обща химия: учебник / А. В. Жолнин; редактиран от В. А. Попкова, А. В. Жолнина. - 2012. - 400 с.: ил.

Глава 7. СЛОЖНИ ВРЪЗКИ

Глава 7. СЛОЖНИ ВРЪЗКИ

Комплексообразуващите елементи са организаторите на живота.

К. Б. Яцимирски

Комплексните съединения са най-обширният и разнообразен клас съединения. Живите организми съдържат сложни съединения на биогенни метали с протеини, аминокиселини, порфирини, нуклеинови киселини, въглехидрати и макроциклични съединения. Най-важните жизнени процеси протичат с участието на сложни съединения. Някои от тях (хемоглобин, хлорофил, хемоцианин, витамин B 12 и др.) играят значителна роля в биохимичните процеси. Много лекарства съдържат метални комплекси. Например инсулин (цинков комплекс), витамин B 12 (кобалтов комплекс), платинол (платинен комплекс) и др.

7.1. КООРДИНАЦИОННАТА ТЕОРИЯ НА А. ВЕРНЕР

Строеж на комплексни съединения

Когато частиците взаимодействат, се наблюдава взаимна координация на частиците, което може да се определи като процес на образуване на комплекси. Например процесът на хидратация на йони завършва с образуването на аквакомплекси. Реакциите на комплексообразуване са придружени от прехвърляне на електронни двойки и водят до образуване или разрушаване на съединения от по-висок порядък, така наречените комплексни (координационни) съединения. Особеност на комплексните съединения е наличието в тях на координационна връзка, която възниква по донорно-акцепторния механизъм:

Комплексните съединения са съединения, които съществуват както в кристално състояние, така и в разтвор, характеристика

което е наличието на централен атом, заобиколен от лиганди. Комплексните съединения могат да се разглеждат като комплексни съединения от по-висок порядък, състоящи се от прости молекули, способни на самостоятелно съществуване в разтвор.

Според координационната теория на Вернер комплексното съединение се разделя на вътрешниИ външна сфера.Централният атом със заобикалящите го лиганди образуват вътрешната сфера на комплекса. Обикновено се огражда в квадратни скоби. Всичко останало в сложното съединение съставлява външната сфера и се изписва извън квадратни скоби. Определен брой лиганди ще бъдат поставени около централния атом, който се определя координационен номер(kch). Броят на координираните лиганди най-често е 6 или 4. Лигандът заема координационно място близо до централния атом. Координацията променя свойствата както на лигандите, така и на централния атом. Често координираните лиганди не могат да бъдат открити с помощта на химични реакции, характерни за тях в свободно състояние. По-здраво свързаните частици на вътрешната сфера се наричат комплекс (комплексен йон).Между централния атом и лигандите има сили на привличане (ковалентна връзка се образува чрез обменен и (или) донорно-акцепторен механизъм) и сили на отблъскване между лигандите. Ако зарядът на вътрешната сфера е 0, тогава няма външна координационна сфера.

Централен атом (комплексообразуващ агент)- атом или йон, който заема централно място в сложно съединение. Ролята на комплексообразовател най-често се изпълнява от частици, които имат свободни орбитали и достатъчно голям положителен ядрен заряд и следователно могат да бъдат акцептори на електрони. Това са катиони на преходни елементи. Най-мощните комплексообразователи са елементи от групи IB и VIIIB. Рядко като комплексообразовател

Основните агенти са неутрални атоми на d-елементи и атоми на неметали в различна степен на окисление - . Броят на свободните атомни орбитали, осигурени от комплексообразуващия агент, определя неговото координационно число. Стойността на координационното число зависи от много фактори, но обикновено е равна на удвоения заряд на комплексообразуващия йон:

Лиганди- йони или молекули, които са пряко свързани с комплексообразователя и са донори на електронни двойки. Тези богати на електрони системи, които имат свободни и подвижни електронни двойки, могат да бъдат донори на електрони, например:

Съединенията на р-елементите проявяват комплексообразуващи свойства и действат като лиганди в комплексното съединение. Лигандите могат да бъдат атоми и молекули (протеини, аминокиселини, нуклеинови киселини, въглехидрати). Въз основа на броя на връзките, образувани от лигандите с комплексообразователя, лигандите се разделят на моно-, ди- и полидентатни лиганди.Горните лиганди (молекули и аниони) са монодентатни, тъй като са донори на една електронна двойка. Бидентатните лиганди включват молекули или йони, съдържащи две функционални групи, способни да отдадат две електронни двойки:

Полидентатните лиганди включват 6-дентатния лиганд на етилендиаминтетраоцетна киселина:

Броят на местата, заети от всеки лиганд във вътрешната сфера на комплексното съединение, се нарича координационен капацитет (дентат) на лиганда.Определя се от броя на електронните двойки на лиганда, които участват в образуването на координационна връзка с централния атом.

В допълнение към комплексните съединения, координационната химия обхваща двойни соли, кристални хидрати, които се разлагат във воден разтвор на съставни части, които в твърдо състояние в много случаи са устроени подобно на комплексните, но са нестабилни.

Най-стабилните и разнообразни по състав и функции комплекси се образуват от d-елементи. Особено важни са сложните съединения на преходните елементи: желязо, манган, титан, кобалт, мед, цинк и молибден. Биогенните s-елементи (Na, K, Mg, Ca) образуват комплексни съединения само с лиганди с определена циклична структура, които също действат като комплексообразовател. Главна част Р-елементи (N, P, S, O) е активната активна част на комплексообразуващите частици (лиганди), включително биолиганди. Това е тяхното биологично значение.

Следователно способността за образуване на комплекси е общо свойство на химичните елементи от периодичната таблица; тази способност намалява в следния ред: f> д> стр> с.

7.2. ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ЗАРЯДА НА ОСНОВНИТЕ ЧАСТИЦИ НА КОМПЛЕКСНО СЪЕДИНЕНИЕ

Зарядът на вътрешната сфера на сложно съединение е алгебричната сума на зарядите на частиците, които го образуват. Например големината и знакът на заряда на комплекса се определят по следния начин. Зарядът на алуминиевия йон е +3, общият заряд на шестте хидроксидни йона е -6. Следователно зарядът на комплекса е (+3) + (-6) = -3 и формулата на комплекса е 3-. Зарядът на комплексния йон е числено равен на общия заряд на външната сфера и е противоположен по знак. Например зарядът на външната сфера K 3 е +3. Следователно зарядът на комплексния йон е -3. Зарядът на комплексообразователя е равен по големина и противоположен по знак на алгебричната сума на зарядите на всички останали частици от комплексното съединение. Следователно в K 3 зарядът на железния йон е +3, тъй като общият заряд на всички останали частици на комплексното съединение е (+3) + (-6) = -3.

7.3. НОМЕНКЛАТУРА НА КОМПЛЕКСНИТЕ ВРЪЗКИ

Основите на номенклатурата са разработени в класическите произведения на Вернер. В съответствие с тях в комплексно съединение първо се нарича катионът, а след това анионът. Ако съединението е от неелектролитен тип, то се нарича с една дума. Името на сложен йон се изписва с една дума.

Неутралната лиганда се нарича по същия начин като молекулата, а към анионните лиганди се добавя "о". За координирана водна молекула се използва обозначението "аква-". За да се посочи броят на идентичните лиганди във вътрешната сфера на комплекса, гръцките цифри ди-, три-, тетра-, пента-, хекса- и т.н. се използват като префикс преди името на лигандите. Използва се префиксът monone. Лигандите са изброени по азбучен ред. Името на лиганда се разглежда като едно цяло. Името на лиганда е последвано от името на централния атом с указание за степента на окисление, което е обозначено с римски цифри в скоби. Думата амин (с две "м") се изписва във връзка с амоняк. За всички други амини се използва само едно „m“.

C1 3 - хексамин кобалтов (III) хлорид.

C1 3 - аквапентамин кобалтов (III) хлорид.

Cl 2 - пентаметиламин хлорокобалт (III) хлорид.

Диаминедибромоплатина (II).

Ако сложният йон е анион, тогава латинското му име има окончание "am".

(NH 4) 2 - амониев тетрахлоропаладат (II).

K - калиев пентабромоамин платинат (IV).

K 2 - калиев тетрароданокобалтат (II).

Името на комплексния лиганд обикновено се поставя в скоби.

NO 3 - дихлоро-ди-(етилендиамин) кобалтов (III) нитрат.

Br - бромо-трис-(трифенилфосфин) платина (II) бромид.

В случаите, когато лигандът свързва два централни йона, преди името му се използва гръцка букваμ.

Такива лиганди се наричат мости са посочени последни.

7.4. ХИМИЧНА ВРЪЗКА И СТРУКТУРА НА СЛОЖНИ СЪЕДИНЕНИЯ

При образуването на комплексни съединения важна роля играят донорно-акцепторните взаимодействия между лиганда и централния атом. Донорът на електронната двойка обикновено е лиганд. Акцепторът е централен атом, който има свободни орбитали. Тази връзка е силна и не се разпада при разтваряне на комплекса (нейонна), и се нарича координация.

Наред с о-връзките, π-връзките се образуват по донорно-акцепторния механизъм. В този случай донорът е метален йон, който отдава своите сдвоени d-електрони на лиганд, който има енергийно благоприятни свободни орбитали. Такива връзки се наричат ​​дателни. Те се формират:

а) поради припокриването на свободните p-орбитали на метала с d-орбиталата на метала, който съдържа електрони, които не са влезли в σ връзка;

б) когато празните d-орбитали на лиганда се припокриват със запълнени d-орбитали на метала.

Мярка за неговата сила е степента на припокриване на орбиталите на лиганда и централния атом. Посоката на връзките на централния атом определя геометрията на комплекса. За да се обясни посоката на връзките, се използват идеи за хибридизацията на атомните орбитали на централния атом. Хибридните орбитали на централния атом са резултат от смесването на неравни атомни орбитали, в резултат на което формата и енергията на орбиталите се променят взаимно и се образуват орбитали с нова идентична форма и енергия. Броят на хибридните орбитали винаги е равен на броя на оригиналните. Хибридните облаци са разположени в атома на максимално разстояние един от друг (Таблица 7.1).

Таблица 7.1.Видове хибридизация на атомни орбитали на комплексообразовател и геометрията на някои комплексни съединения

Пространствената структура на комплекса се определя от вида на хибридизацията на валентните орбитали и броя на несподелените електронни двойки, съдържащи се в неговото валентно енергийно ниво.

Ефективността на донорно-акцепторното взаимодействие между лиганда и комплексообразователя и следователно силата на връзката между тях (стабилност на комплекса) се определя от тяхната поляризуемост, т.е. способността да трансформират своите електронни черупки под външно въздействие. Въз основа на този критерий реагентите се разделят на "твърд"или ниско поляризуем, и "мек" -лесно поляризируеми. Полярността на атом, молекула или йон зависи от неговия размер и броя на електронните слоеве. Колкото по-малък е радиусът и електроните на една частица, толкова по-малко поляризирана е тя. Колкото по-малък е радиусът и колкото по-малко електрони има една частица, толкова по-лошо е поляризирана.

Твърдите киселини образуват силни (твърди) комплекси с електроотрицателните O, N, F атоми на лиганди (твърди основи), а меките киселини образуват силни (меки) комплекси с донорните P, S и I атоми на лиганди, които имат ниска електроотрицателност и висока поляризуемост. Тук виждаме проявление на общия принцип „подобно с подобно“.

Натриевите и калиеви йони, поради тяхната твърдост, практически не образуват стабилни комплекси с биосубстрати и се намират във физиологични среди под формата на водни комплекси. Ca 2+ и Mg 2+ йони образуват доста стабилни комплекси с протеини и следователно се намират във физиологични среди както в йонно, така и в свързано състояние.

Йоните на d-елементите образуват силни комплекси с биосубстрати (протеини). А меките киселини Cd, Pb, Hg са силно токсични. Те образуват силни комплекси с протеини, съдържащи R-SH сулфхидрилни групи:

Цианидният йон е токсичен. Мекият лиганд активно взаимодейства с d-метали в комплекси с биосубстрати, активирайки последните.

7.5. ДИСОЦИАЦИЯ НА СЛОЖНИ СЪЕДИНЕНИЯ. СТАБИЛНОСТ НА КОМПЛЕКСИТЕ. ЛАБИЛНИ И ИНЕРТНИ КОМПЛЕКСИ

Когато комплексните съединения се разтварят във вода, те обикновено се разпадат на йони от външната и вътрешната сфера, като силни електролити, тъй като тези йони са свързани йоногенно, главно чрез електростатични сили. Това се оценява като първична дисоциация на комплексни съединения.

Вторичната дисоциация на сложно съединение е разпадането на вътрешната сфера на нейните съставни компоненти. Този процес протича като слаби електролити, тъй като частиците на вътрешната сфера са свързани нейонно (чрез ковалентни връзки). Дисоциацията има поетапен характер:

За качествено характеризиране на стабилността на вътрешната сфера на сложно съединение се използва равновесна константа, която описва пълното му разпадане, т.нар. константа на нестабилност на комплекса(Kn). За сложен анион изразът на константата на нестабилност има формата:

Колкото по-ниска е стойността на Kn, толкова по-стабилна е вътрешната сфера на комплексното съединение, т.е. толкова по-малко се дисоциира във воден разтвор. Напоследък вместо Kn се използва стойността на константата на устойчивост (Ku) - реципрочната на Kn. Колкото по-висока е стойността на Ku, толкова по-стабилен е комплексът.

Константите на стабилност позволяват да се предвиди посоката на процесите на обмен на лиганди.

Във воден разтвор металният йон съществува под формата на водни комплекси: 2 + - хексакватично желязо (II), 2 + - тетрааква мед (II). Когато пишем формули за хидратирани йони, ние не посочваме координираните водни молекули на хидратната обвивка, а имаме предвид тях. Образуването на комплекс между метален йон и всеки лиганд се разглежда като реакция на заместване на водна молекула във вътрешната координационна сфера с този лиганд.

Реакциите на обмен на лиганди протичат съгласно механизма на S N -тип реакции. Например:

Стойностите на константите на стабилност, дадени в таблица 7.2, показват, че поради процеса на комплексообразуване възниква силно свързване на йони във водни разтвори, което показва ефективността на използването на този тип реакция за свързване на йони, особено с полидентатни лиганди.

Таблица 7.2.Стабилност на циркониеви комплекси

За разлика от йонообменните реакции, образуването на комплексни съединения често не е квазимоментален процес. Например, когато желязото (III) реагира с нитрилотриметиленфосфонова киселина, равновесието се установява след 4 дни. За кинетичните характеристики на комплексите се използват следните понятия: лабилен(бърза реакция) и инертен(бавна реакция). Лабилни комплекси, според предложението на G. Taube, се считат за тези, които напълно обменят лиганди в рамките на 1 минута при стайна температура и концентрация на разтвора от 0,1 М. Необходимо е ясно да се разграничат термодинамичните понятия [силен (стабилен)/ крехки (нестабилни)] и кинетични [инертни и лабилни] комплекси.

В лабилните комплекси заместването на лиганда става бързо и равновесието се установява бързо. В инертните комплекси заместването на лиганда става бавно.

Така инертният комплекс 2+ в кисела среда е термодинамично нестабилен: константата на нестабилност е 10 -6, а лабилният комплекс 2- е много стабилен: константата на стабилност е 10 -30. Таубе свързва лабилността на комплексите с електронната структура на централния атом. Инертността на комплексите е характерна главно за йони с непълна d-обвивка. Инертните комплекси включват Co и Cr комплекси. Цианидни комплекси от много катиони с външно s 2 p 6 ниво са лабилни.

7.6. ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА КОМПЛЕКСИТЕ

Процесите на комплексообразуване засягат практически свойствата на всички частици, образуващи комплекса. Колкото по-висока е силата на връзките между лиганда и комплексообразователя, толкова по-малко свойствата на централния атом и лигандите се проявяват в разтвора и толкова по-забележими са характеристиките на комплекса.

Комплексните съединения проявяват химическа и биологична активност в резултат на координационната ненаситеност на централния атом (има свободни орбитали) и наличието на свободни електронни двойки на лигандите. В този случай комплексът има електрофилни и нуклеофилни свойства, които се различават от свойствата на централния атом и лигандите.

Необходимо е да се вземе предвид влиянието на структурата на хидратната обвивка на комплекса върху химичната и биологичната активност. Процесът на образование

Образуването на комплекси влияе върху киселинно-алкалните свойства на комплексното съединение. Образуването на сложни киселини е придружено от увеличаване на силата на киселината или основата, съответно. По този начин, когато сложни киселини се образуват от прости, енергията на свързване с H + йони намалява и силата на киселината съответно се увеличава. Ако OH - йонът се намира във външната сфера, тогава връзката между комплексния катион и хидроксидния йон на външната сфера намалява и основните свойства на комплекса се увеличават. Например медният хидроксид Cu(OH) 2 е слаба, слабо разтворима основа. При излагане на амоняк се образува меден амоняк (OH) 2. Плътността на заряда на 2+ в сравнение с Cu 2+ намалява, връзката с ОН - йони е отслабена и (ОН) 2 се държи като силна основа. Киселинно-алкалните свойства на лигандите, свързани с комплексообразуващ агент, обикновено са по-изразени от техните киселинно-алкални свойства в свободно състояние. Например, хемоглобин (Hb) или оксихемоглобин (HbO 2) проявяват киселинни свойства поради свободните карбоксилни групи на глобиновия протеин, който е лигандът HHb ↔ H + + Hb -. В същото време анионът на хемоглобина, поради аминогрупите на глобиновия протеин, проявява основни свойства и следователно свързва киселинния оксид CO 2, за да образува карбаминохемоглобиновия анион (HbCO 2 -): CO 2 + Hb - ↔ HbCO 2 - .

Комплексите проявяват редокс свойства, дължащи се на редокс трансформациите на комплексообразуващия агент, който образува стабилни окислителни състояния. Процесът на комплексообразуване силно влияе върху стойностите на редукционните потенциали на d-елементите. Ако редуцираната форма на катиони образува по-стабилен комплекс с даден лиганд от неговата окислена форма, тогава потенциалът се увеличава. Намаляване на потенциала възниква, когато окислената форма образува по-стабилен комплекс.Например, под въздействието на окислители: нитрити, нитрати, NO 2, H 2 O 2, хемоглобинът се превръща в метхемоглобин в резултат на окисление на централния атом.

Шестата орбитала се използва при образуването на оксихемоглобин. Същата орбитала участва в образуването на връзки с въглероден окис. В резултат на това се образува макроцикличен комплекс с желязо - карбоксихемоглобин. Този комплекс е 200 пъти по-стабилен от комплекса желязо-кислород в хема.

Ориз. 7.1.Химични трансформации на хемоглобина в човешкото тяло. Схема от книгата: Slesarev V.I. Основи на живата химия, 2000 г

Образуването на комплексни йони влияе върху каталитичната активност на комплексообразуващите йони. В някои случаи активността се увеличава. Това се дължи на образуването на големи структурни системи в разтвора, които могат да участват в създаването на междинни продукти и да намалят енергията на активиране на реакцията. Например, ако Cu 2+ или NH 3 се добави към H 2 O 2, процесът на разлагане не се ускорява. При наличието на комплекса 2+, който се образува в алкална среда, разграждането на водородния прекис се ускорява 40 милиона пъти.

И така, върху хемоглобина можем да разгледаме свойствата на сложните съединения: киселинно-основни, комплексни и редокс.

7.7. КЛАСИФИКАЦИЯ НА СЛОЖНИТЕ ВРЪЗКИ

Има няколко системи за класифициране на комплексни съединения, които се основават на различни принципи.

1. Според принадлежността на комплексното съединение към определен клас съединения:

Комплексни киселини Н 2;

Комплексни основи ОН;

Комплексни соли К4.

2. По естеството на лиганда: аква комплекси, амоняк, ацидо комплекси (аниони на различни киселини, K 4 действат като лиганди; хидроксо комплекси (хидроксилни групи, K 3 действат като лиганди); комплекси с макроциклични лиганди, в които централната атом.

3.Според знака на заряда на комплекса: катионен - ​​комплексен катион в комплексното съединение Cl 3; анионен - ​​комплексен анион в комплексно съединение К; неутрален - зарядът на комплекса е 0. Комплексното съединение няма външна сфера, напр. Това е противоракова лекарствена формула.

4.Според вътрешната структура на комплекса:

а) в зависимост от броя на атомите на комплексообразователя: мононуклеарен- комплексната частица съдържа един атом от комплексообразувател, например Cl3; многоядрен- сложната частица съдържа няколко атома на комплексообразуващ агент - желязо-протеинов комплекс:

б) в зависимост от броя на видовете лиганди се разграничават комплекси: хомогенни (единичен лиганд),съдържащи един тип лиганд, например 2+, и различни (мултилиганден)- два вида лиганди или повече, например Pt(NH3)2Cl2. Комплексът включва лиганди NH3 и Cl-. Комплексните съединения, съдържащи различни лиганди във вътрешната сфера, се характеризират с геометричен изомеризъм, когато при еднакъв състав на вътрешната сфера лигандите в нея са разположени различно един спрямо друг.

Геометричните изомери на комплексните съединения се различават не само по физични и химични свойства, но и по биологична активност. Цис-изомерът на Pt(NH3)2Cl2 има изразена антитуморна активност, но транс-изомерът не;

в) в зависимост от плътността на лигандите, образуващи моноядрени комплекси, могат да се разграничат групи:

Мононуклеарни комплекси с монодентатни лиганди, например 3+;

Мононуклеарни комплекси с полидентатни лиганди. Нар. комплексни съединения с полидентатни лиганди хелатни съединения;

г) циклични и ациклични форми на комплексни съединения.

7.8. ХЕЛАТНИ КОМПЛЕКСИ. КОМПЛЕКСОНИ. КОМПЛЕКСОНАТИ

Цикличните структури, които се образуват в резултат на добавянето на метален йон към два или повече донорни атома, принадлежащи към една молекула на хелатиращия агент, се наричат хелатни съединения.Например меден глицинат:

В тях комплексообразователят, така да се каже, води в лиганда, покрит е с връзки, като нокти, следователно, при равни други условия, те имат по-висока стабилност от съединенията, които не съдържат пръстени. Най-стабилните цикли са тези, състоящи се от пет или шест връзки.Това правило е формулирано за първи път от L.A. Чугаев. Разлика

стабилността на хелатния комплекс и стабилността на неговия нецикличен аналог се нарича хелатообразуващ ефект.

Полидентатните лиганди, които съдържат 2 вида групи, действат като хелатиращи агенти:

1) групи, способни да образуват ковалентни полярни връзки поради реакции на обмен (донори на протони, акцептори на електронни двойки) -CH 2 COOH, -CH 2 PO (OH) 2, -CH 2 SO 2 OH, - киселинни групи (центрове);

2) групи донорни електронни двойки: ≡N, >NH, >C=O, -S-, -OH, - основни групи (центрове).

Ако такива лиганди насищат вътрешната координационна сфера на комплекса и напълно неутрализират заряда на металния йон, тогава съединенията се наричат в рамките на комплекса.Например меден глицинат. В този комплекс няма външна сфера.

Голяма група органични вещества, съдържащи основни и киселинни центрове в молекулата, се наричат комплексони.Това са многоосновни киселини. Наричат ​​се хелатни съединения, образувани от комплексони при взаимодействие с метални йони комплексонати,например магнезиев комплексонат с етилендиаминтетраоцетна киселина:

Във воден разтвор комплексът съществува в анионна форма.

Комплексоните и комплексонатите са прост модел на по-сложни съединения на живи организми: аминокиселини, полипептиди, протеини, нуклеинови киселини, ензими, витамини и много други ендогенни съединения.

В момента се произвежда огромна гама от синтетични комплексони с различни функционални групи. Формулите на основните комплексони са представени по-долу:

Комплексоните, при определени условия, могат да осигурят несподелени двойки електрони (няколко), за да образуват координационна връзка с метален йон (s-, p- или d-елемент). В резултат на това се образуват стабилни съединения от хелатен тип с 4-, 5-, 6- или 8-членни пръстени. Реакцията протича в широк диапазон на pH. В зависимост от рН, естеството на комплексообразователя и съотношението му с лиганда се образуват комплексонати с различна сила и разтворимост. Химията на образуването на комплексонатите може да бъде представена чрез уравнения, използвайки примера на натриева сол EDTA (Na 2 H 2 Y), която се дисоциира във воден разтвор: Na 2 H 2 Y → 2Na + + H 2 Y 2- и йонът H 2 Y 2- взаимодейства с металните йони, независимо от степента на окисление на металния катион, най-често един метален йон взаимодейства с една молекула комплексон (1:1). Реакцията протича количествено (Kp >10 9).

Комплексоните и комплексонатите проявяват амфотерни свойства в широк диапазон на рН, способността да участват в окислително-редукционни реакции, образуване на комплекси, образуват съединения с различни свойства в зависимост от степента на окисление на метала, неговото координационно насищане и имат електрофилни и нуклеофилни свойства . Всичко това определя способността за свързване на огромен брой частици, което позволява с малко количество реагент да решава големи и разнообразни проблеми.

Друго неоспоримо предимство на комплексоните и комплексонатите е тяхната ниска токсичност и способност да преобразуват токсични частици

в нискотоксични или дори биологично активни. Продуктите от разрушаването на комплексонатите не се натрупват в тялото и са безвредни. Третата характеристика на комплексонатите е възможността да се използват като източник на микроелементи.

Повишената смилаемост се дължи на факта, че микроелементът се въвежда в биологично активна форма и има висока мембранна пропускливост.

7.9. ФОСФОРЪДЪРЖАЩИ МЕТАЛНИ КОМПЛЕКСОНАТИ - ЕФЕКТИВНА ФОРМА ЗА ПРЕВЪРЩАНЕ НА МИКРО- И МАКРОЕЛЕМЕНТИ В БИОЛОГИЧНО АКТИВНО СЪСТОЯНИЕ И МОДЕЛ ЗА ИЗУЧАВАНЕ НА БИОЛОГИЧНОТО ДЕЙСТВИЕ НА ХИМИЧНИТЕ ЕЛЕМЕНТИ

Концепция биологична активностобхваща широк спектър от явления. От гледна точка на химичните ефекти под биологично активни вещества (БАВ) най-общо се разбират вещества, които могат да действат върху биологичните системи, като регулират жизнените им функции.

Способността за такъв ефект се тълкува като способност за проявяване на биологична активност. Регулирането може да се прояви в ефектите на стимулиране, инхибиране, развитие на определени ефекти. Крайната проява на биологична активност е биоцидно действие,когато в резултат на въздействието на биоцидно вещество върху тялото, последният умира. При по-ниски концентрации в повечето случаи биоцидите имат по-скоро стимулиращ, отколкото смъртоносен ефект върху живите организми.

Понастоящем са известни голям брой такива вещества. Въпреки това, в много случаи използването на известни биологично активни вещества се използва недостатъчно, често с ефективност, далеч от максималната, и употребата често води до странични ефекти, които могат да бъдат елиминирани чрез въвеждане на модификатори в биологично активните вещества.

Фосфорсъдържащите комплексонати образуват съединения с различни свойства в зависимост от естеството, степента на окисление на метала, координационното насищане, състава и структурата на хидратната обвивка. Всичко това определя полифункционалността на комплексонатите, тяхната уникална способност за субстехиометрично действие,

общия йонен ефект и осигурява широко приложение в медицината, биологията, екологията и в различни сектори на националната икономика.

Когато един комплексон се координира от метален йон, възниква преразпределение на електронната плътност. Поради участието на несподелена електронна двойка във взаимодействието донор-акцептор, електронната плътност на лиганда (комплексона) се измества към централния атом. Намаляването на относителния отрицателен заряд на лиганда помага да се намали кулоновото отблъскване на реагентите. Следователно, координираният лиганд става по-достъпен за атака от нуклеофилен реагент, имащ излишна електронна плътност в реакционния център. Изместването на електронната плътност от комплексона към металния йон води до относително увеличаване на положителния заряд на въглеродния атом и следователно до по-лесна атака от нуклеофилния реагент, хидроксилния йон. Хидроксилираният комплекс, сред ензимите, катализиращи метаболитните процеси в биологичните системи, заема едно от централните места в механизма на ензимно действие и детоксикация на организма. В резултат на многоточковото взаимодействие на ензима със субстрата възниква ориентация, която осигурява сближаването на активните групи в активния център и прехвърлянето на реакцията към вътрешномолекулен режим, преди да започне реакцията и да се образува преходно състояние , което осигурява ензимната функция на FCM.Конформационни промени могат да настъпят в ензимните молекули. Координацията създава допълнителни условия за редокс взаимодействие между централния йон и лиганда, тъй като се установява пряка връзка между окислителя и редуциращия агент, осигурявайки преноса на електрони. FCM комплексите с преходни метали могат да се характеризират с електронни преходи от типа L-M, M-L, M-L-M, които включват орбиталите както на метала (M), така и на лигандите (L), които са съответно свързани в комплекса чрез донорно-акцепторни връзки. Комплексоните могат да служат като мост, по който електроните на многоядрените комплекси осцилират между централните атоми на едни и същи или различни елементи в различни степени на окисление (комплекси за пренос на електрони и протони).Комплексоните определят редуциращите свойства на металните комплексонати, което им позволява да проявяват високи антиоксидантни, адаптогенни свойства и хомеостатични функции.

И така, комплексоните превръщат микроелементите в биологично активна форма, достъпна за тялото. Те се образуват стабилни

по-координирано наситени частици, неспособни да разрушат биокомплекси и следователно нискотоксични форми. Комплексонатите имат благоприятен ефект при нарушена микроелементна хомеостаза в организма. Йоните на преходните елементи в комплексонатна форма действат в организма като фактор, определящ високата чувствителност на клетките към микроелементи чрез участието им в създаването на висок концентрационен градиент и мембранен потенциал. Комплексонатите на преходните метали FCM имат биорегулаторни свойства.

Наличието на киселинни и основни центрове в състава на FCM осигурява амфотерни свойства и тяхното участие в поддържането на киселинно-алкалното равновесие (изохидрично състояние).

С увеличаване на броя на фосфоновите групи в комплексона се променят съставът и условията за образуване на разтворими и слабо разтворими комплекси. Увеличаването на броя на фосфоновите групи благоприятства образуването на слабо разтворими комплекси в по-широк диапазон на pH и измества областта на тяхното съществуване към киселинната област. Разграждането на комплексите става при рН над 9.

Изследването на процесите на образуване на комплекси с комплексони направи възможно разработването на методи за синтез на биорегулатори:

Дългодействащите растежни стимуланти в колоидна химична форма са полиядрени хомо- и хетерокомплексни съединения на титан и желязо;

Стимуланти на растежа във водоразтворима форма. Това са многолигандни титанови комплексонати на базата на комплексони и неорганичен лиганд;

Инхибиторите на растежа са фосфорсъдържащи комплексонати на s-елементи.

Биологичният ефект на синтезираните лекарства върху растежа и развитието е изследван в хронични експерименти върху растения, животни и хора.

Биорегулация- това е ново научно направление, което ви позволява да регулирате посоката и интензивността на биохимичните процеси, които могат да бъдат широко използвани в медицината, животновъдството и растениевъдството. Свързва се с разработването на методи за възстановяване на физиологичната функция на организма с цел профилактика и лечение на заболявания и патологии, свързани с възрастта. Комплексоните и комплексните съединения на тяхна основа могат да бъдат класифицирани като обещаващи биологично активни съединения. Проучването на тяхното биологично действие в хроничен експеримент показа, че химията е дадена в ръцете на лекарите,

животновъди, агрономи и биолози разполагат с нов обещаващ инструмент, който им позволява активно да влияят на жива клетка, да регулират условията на хранене, растежа и развитието на живите организми.

Проучване на токсичността на използваните комплексони и комплексонати показа пълна липса на ефект на лекарствата върху хематопоетичните органи, кръвното налягане, възбудимостта, дихателната честота: не са отбелязани промени в чернодробната функция, няма токсикологичен ефект върху морфологията на тъканите и бяха открити органи. Калиевата сол на HEDP не е токсична при доза 5-10 пъти по-висока от терапевтичната доза (10-20 mg/kg) при изследване в продължение на 181 дни. Следователно комплексоните са нискотоксични съединения. Използват се като лекарства за борба с вирусни заболявания, отравяния с тежки метали и радиоактивни елементи, нарушения на калциевия метаболизъм, ендемични заболявания и микроелементен дисбаланс в организма. Фосфорсъдържащите комплексони и комплексонати не подлежат на фотолиза.

Прогресивното замърсяване на околната среда с тежки метали - продукти от стопанската дейност на човека - е постоянно действащ екологичен фактор. Те могат да се натрупват в тялото. Излишъкът и недостигът им предизвикват интоксикация на организма.

Металните комплексонати запазват хелатиращ ефект върху лиганда (комплексона) в тялото и са незаменими за поддържане на хомеостазата на металния лиганд. Вградените тежки метали се неутрализират до известна степен в тялото, а ниската резорбционна способност предотвратява прехвърлянето на метали по трофичните вериги, в резултат на което води до известно „био-минимизиране“ на техния токсичен ефект, което е особено важно за Урал регион. Например свободният оловен йон е тиолова отрова, а силният оловен комплексонат с етилендиаминтетраоцетна киселина е ниско токсичен. Следователно детоксикацията на растенията и животните включва използването на метални комплексонати. Тя се основава на два термодинамични принципа: способността им да образуват силни връзки с токсични частици, превръщайки ги в съединения, които са слабо разтворими или стабилни във воден разтвор; неспособността им да разрушават ендогенни биокомплекси. В тази връзка ние считаме комплексната терапия на растенията и животните за важно направление в борбата с екоотравянията и получаването на екологично чисти продукти.

Проведено е изследване на ефекта от третирането на растенията с комплексонати на различни метали при интензивна технология на отглеждане.

картофи върху микроелементния състав на картофените клубени. Пробите от грудки съдържат 105-116 mg/kg желязо, 16-20 mg/kg манган, 13-18 mg/kg мед и 11-15 mg/kg цинк. Съотношението и съдържанието на микроелементите са характерни за растителните тъкани. Клубените, отглеждани с и без използване на метални комплексонати, имат почти еднакъв елементен състав. Използването на хелати не създава условия за натрупване на тежки метали в клубените. Комплексонатите в по-малка степен от металните йони се сорбират от почвата и са устойчиви на нейните микробиологични ефекти, което им позволява да останат в почвения разтвор за дълго време. Последействието е 3-4 години. Комбинират се добре с различни пестициди. Металът в комплекса има по-ниска токсичност. Фосфорсъдържащите метални комплексонати не дразнят лигавицата на очите и не увреждат кожата. Сенсибилизиращите свойства не са идентифицирани, кумулативните свойства на титановите комплексонати не са изразени, а в някои случаи са много слабо изразени. Коефициентът на кумулация е 0,9-3,0, което показва ниска потенциална опасност от хронично лекарствено отравяне.

Фосфорсъдържащите комплекси се основават на връзката фосфор-въглерод (C-P), която се среща и в биологичните системи. Влиза в състава на фосфонолипидите, фосфоногликаните и фосфопротеините на клетъчните мембрани. Липидите, съдържащи аминофосфонови съединения, са устойчиви на ензимна хидролиза и осигуряват стабилност и следователно нормално функциониране на външните клетъчни мембрани. Синтетичните аналози на пирофосфатите - дифосфонати (P-S-P) или (P-C-S-P) в големи дози нарушават калциевия метаболизъм, а в малки дози го нормализират. Дифосфонатите са ефективни срещу хиперлипемия и са обещаващи от фармакологична гледна точка.

Дифосфонатите, съдържащи P-C-P връзки, са структурни елементи на биосистемите. Те са биологично ефективни и са аналози на пирофосфатите. Доказано е, че бифосфонатите са ефективни лечения за различни заболявания. Бифосфонатите са активни инхибитори на костната минерализация и резорбция. Комплексоните превръщат микроелементите в биологично активна форма, достъпна за тялото, образуват стабилни, по-наситени с координация частици, които не са в състояние да унищожат биокомплексите и следователно нискотоксични форми. Те определят високата чувствителност на клетките към микроелементи, участващи в образуването на висок концентрационен градиент. Способен да участва в образуването на многоядрени съединения на титанови хетероядра-

от нов тип - комплекси за пренос на електрони и протони, участват в биорегулацията на метаболитните процеси, устойчивостта на организма, способността за образуване на връзки с токсични частици, превръщайки ги в слабо разтворими или разтворими, стабилни, неразрушителни ендогенни комплекси. Ето защо тяхното използване за детоксикация, елиминиране от тялото, получаване на екологично чисти продукти (комплексна терапия), както и в промишлеността за регенериране и обезвреждане на промишлени отпадъци от неорганични киселини и соли на преходни метали е много обещаващо.

7.10. ОБМЕН НА ЛИГАНДИ И ОБМЕН НА МЕТАЛ

РАВНОВЕСИЕ. ХЕЛАТОТЕРАПИЯ

Ако системата има няколко лиганда с един метален йон или няколко метални йона с един лиганд, способни да образуват комплексни съединения, тогава се наблюдават конкурентни процеси: в първия случай равновесието на лигандния обмен е конкуренция между лигандите за металния йон, във втория случай , равновесието на металния обмен е конкуренция между йони метал за лиганд. Ще преобладава процесът на формиране на най-трайния комплекс. Например, разтворът съдържа йони: магнезий, цинк, желязо (III), мед, хром (II), желязо (II) и манган (II). Когато в този разтвор се въведе малко количество етилендиаминтетраоцетна киселина (EDTA), възниква конкуренция между металните йони и свързването на желязо (III) в комплекс, тъй като то образува най-издръжливия комплекс с EDTA.

В тялото постоянно се случва взаимодействието на биометали (Mb) и биолиганди (Lb), образуването и разрушаването на жизненоважни биокомплекси (MbLb):

В човешкото тяло, животните и растенията съществуват различни механизми за защита и поддържане на този баланс от различни ксенобиотици (чужди вещества), включително йони на тежки метали. Йоните на тежките метали, които не са комплексирани, и техните хидроксокомплекси са токсични частици (Mt). В тези случаи, наред с естественото равновесие метал-лиганд, може да възникне ново равновесие с образуването на по-трайни чужди комплекси, съдържащи токсични метали (MtLb) или токсични лиганди (MbLt), които не изпълняват

необходимите биологични функции. Когато екзогенни токсични частици навлязат в тялото, възникват комбинирани равновесия и в резултат на това възниква конкуренция на процесите. Преобладаващият процес ще бъде този, който води до образуването на най-издръжливото комплексно съединение:

Нарушенията в хомеостазата на металния лиганд причиняват метаболитни смущения, инхибират ензимната активност, разрушават важни метаболити като АТФ, клетъчните мембрани и нарушават градиента на концентрация на йони в клетките. Затова се създават изкуствени защитни системи. Хелатотерапията (комплексна терапия) заема своето достойно място в този метод.

Хелатотерапията е отстраняването на токсични частици от тялото, базирано на хелатирането им с комплексонати на s-елемента. Лекарствата, използвани за отстраняване на токсични частици, включени в тялото, се наричат ​​детоксикатори.(Lg). Хелацията на токсични частици с метални комплексонати (Lg) превръща токсичните метални йони (Mt) в нетоксични (MtLg) свързани форми, подходящи за секвестрация и мембранно проникване, транспорт и екскреция от тялото. Те запазват хелатиращ ефект в тялото както за лиганда (комплексон), така и за металния йон. Това осигурява хомеостазата на металния лиганд на тялото. Следователно използването на комплексонатите в медицината, животновъдството и растениевъдството осигурява детоксикация на организма.

Основните термодинамични принципи на хелатотерапията могат да бъдат формулирани в две позиции.

I. Детоксикантът (Lg) трябва ефективно да свързва токсичните йони (Mt, Lt), новообразуваните съединения (MtLg) трябва да са по-силни от тези, които съществуват в тялото:

II. Детоксикаторът не трябва да разрушава жизненоважни комплексни съединения (MbLb); съединенията, които могат да се образуват по време на взаимодействието на детоксикант и биометални йони (MbLg), трябва да са по-малко трайни от тези, които съществуват в тялото:

7.11. ПРИЛОЖЕНИЕ НА КОМПЛЕКСОНИ И КОМПЛЕКСОНАТИ В МЕДИЦИНАТА

Молекулите на комплексона практически не се подлагат на разцепване или промени в биологичната среда, което е тяхната важна фармакологична характеристика. Комплексоните са неразтворими в липиди и силно разтворими във вода, така че не проникват или проникват слабо през клетъчните мембрани и следователно: 1) не се екскретират от червата; 2) абсорбцията на комплексообразуващи агенти става само когато се инжектират (само пенициламин се приема перорално); 3) в тялото комплексоните циркулират главно в извънклетъчното пространство; 4) екскрецията от тялото се извършва главно през бъбреците. Този процес се случва бързо.

Веществата, които елиминират ефектите на отровите върху биологичните структури и инактивират отровите чрез химични реакции, се наричат противоотрови.

Един от първите антидоти, използвани в хелатотерапията, е британският антилюизит (BAL). Unithiol се използва в момента:

Това лекарство ефективно премахва арсен, живак, хром и бисмут от тялото. Най-широко използвани при отравяния с цинк, кадмий, олово и живак са комплексоните и комплексонатите. Използването им се основава на образуването на по-силни комплекси с метални йони, отколкото комплекси от същите йони със съдържащи сяра групи от протеини, аминокиселини и въглехидрати. За отстраняване на оловото се използват препарати на основата на EDTA. Въвеждането на лекарства в тялото в големи дози е опасно, тъй като те свързват калциевите йони, което води до нарушаване на много функции. Затова използват тетацин(CaNa 2 EDTA), който се използва за отстраняване на олово, кадмий, живак, итрий, церий и други редкоземни метали и кобалт.

След първата терапевтична употреба на тетацин през 1952 г., това лекарство намери широко приложение в клиниката на професионалните заболявания и продължава да бъде незаменим антидот. Механизмът на действие на тетацина е много интересен. Токсичните йони изместват координирания калциев йон от тетацина поради образуването на по-силни връзки с кислорода и EDTA. Калциевият йон от своя страна измества двата останали натриеви йона:

Тетацинът се въвежда в тялото под формата на 5-10% разтвор, основата на който е физиологичен разтвор. Така вече 1,5 часа след интраперитонеалното инжектиране 15% от приложената доза тетацин остава в тялото, след 6 часа - 3%, а след 2 дни - само 0,5%. Лекарството действа ефективно и бързо при използване на инхалационен метод за прилагане на тетацин. Бързо се абсорбира и циркулира в кръвта за дълго време. Освен това тетацинът се използва за защита срещу газова гангрена. Той инхибира действието на цинковите и кобалтовите йони, които са активатори на ензима лецитиназа, който е токсин за газова гангрена.

Свързването на токсиканти от тетацин в нискотоксичен и по-издръжлив хелатен комплекс, който не се разрушава и лесно се отделя от тялото през бъбреците, осигурява детоксикация и балансирано минерално хранене. Близки по структура и състав до пре-

paratam EDTA е натриево-калциева сол на диетилентриамин-пентаоцетна киселина (CaNa 3 DTPA) - пентацини натриева сол на диетилентриаминпентафосфонова киселина (Na 6 DTPP) - тримефа-цин.Пентацинът се използва предимно за отравяне със съединения на желязо, кадмий и олово, както и за отстраняване на радионуклиди (технеций, плутоний, уран).

Натриева сол на етилендиаминдиизопропилфосфонова киселина (CaNa 2 EDTP) фосфицинуспешно се използва за отстраняване на живак, олово, берилий, манган, актиниди и други метали от тялото. Комплексонатите са много ефективни при отстраняването на някои токсични аниони. Например, кобалт (II) етилендиаминтетраацетат, който образува смесен лиганден комплекс с CN -, може да се препоръча като антидот при отравяне с цианид. Подобен принцип е в основата на методите за отстраняване на токсични органични вещества, включително пестициди, съдържащи функционални групи с донорни атоми, способни да взаимодействат с комплексонатния метал.

Ефективно лекарство е сукцимер(димеркаптоянтарна киселина, димеркаптоянтарна киселина, хемет). Свързва здраво почти всички токсични вещества (Hg, As, Pb, Cd), но отстранява от тялото йони на биогенни елементи (Cu, Fe, Zn, Co), така че почти не се използва.

Фосфорсъдържащите комплексонати са мощни инхибитори на кристалообразуването на фосфати и калциеви оксалати. Xidifon, калиево-натриева сол на HEDP, е предложен като антикалциращо лекарство при лечението на уролитиаза. Дифосфонатите, в допълнение, в минимални дози, увеличават включването на калций в костната тъкан и предотвратяват патологичното му освобождаване от костите. HEDP и други дифосфонати предотвратяват различни видове остеопороза, включително бъбречна остеодистрофия, пародонтална

разрушаване, както и разрушаване на трансплантирана кост при животни. Описан е и антиатеросклеротичният ефект на HEDP.

В САЩ редица дифосфонати, по-специално HEDP, са предложени като фармацевтични продукти за лечение на хора и животни, страдащи от метастатичен рак на костите. Чрез регулиране на пропускливостта на мембраната, бифосфонатите подпомагат транспортирането на противотуморни лекарства в клетката, а оттам и ефективното лечение на различни онкологични заболявания.

Един от належащите проблеми на съвременната медицина е задачата за бърза диагностика на различни заболявания. В този аспект несъмнен интерес представлява нов клас лекарства, съдържащи катиони, които могат да изпълняват функциите на сонда - радиоактивна магниторелаксация и флуоресцентни етикети. Радиоизотопите на някои метали се използват като основни компоненти на радиофармацевтиците. Хелирането на катиони на тези изотопи с комплексони позволява да се повиши тяхната токсикологична приемливост за тялото, да се улесни транспортирането им и да се осигури в определени граници селективност на концентрацията в определени органи.

Дадените примери в никакъв случай не изчерпват разнообразието от форми на приложение на комплексонатите в медицината. Така дикалиевата сол на магнезиевия етилендиаминтетраацетат се използва за регулиране на съдържанието на течности в тъканите по време на патология. EDTA се използва в състава на антикоагулантни суспензии, използвани при отделянето на кръвна плазма, като стабилизатор на аденозин трифосфат при определяне на кръвната захар, както и при избелване и съхранение на контактни лещи. Бифосфонатите се използват широко при лечението на ревматоидни заболявания. Те са особено ефективни като антиартритни средства в комбинация с противовъзпалителни лекарства.

7.12. КОМПЛЕКСИ С МАКРОЦИКЛИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

Сред природните комплексни съединения специално място заемат макрокомплексите, базирани на циклични полипептиди, съдържащи вътрешни кухини с определени размери, в които има няколко кислородсъдържащи групи, способни да свързват катиони на тези метали, включително натрий и калий, чиито размери съответстват спрямо размерите на кухината. Такива вещества, бидейки в биологични

Ориз. 7.2.Валиномицин комплекс с К+ йон

ични материали, осигуряват транспорта на йони през мембраните и затова се наричат йонофори.Например, валиномицин транспортира калиеви йони през мембраната (Фигура 7.2).

Използвайки друг полипептид - грамицидин Анатриевите катиони се транспортират чрез релеен механизъм. Този полипептид е сгънат в "тръба", чиято вътрешна повърхност е облицована с кислородсъдържащи групи. Резултатът е

достатъчно дълъг хидрофилен канал с определено напречно сечение, съответстващо на размера на натриевия йон. Натриевият йон, влизайки в хидрофилния канал от едната страна, се прехвърля от една кислородна група в друга, подобно на щафета през йонопроводим канал.

И така, цикличната полипептидна молекула има вътрешномолекулна кухина, в която може да влезе субстрат с определен размер и геометрия, подобно на принципа на ключ и ключалка. Кухината на такива вътрешни рецептори граничи с активни центрове (ендорецептори). В зависимост от природата на металния йон може да възникне нековалентно взаимодействие (електростатично, образуване на водородни връзки, сили на Ван дер Ваалс) с алкални метали и ковалентно взаимодействие с алкалоземни метали. В резултат на това, супрамолекули- сложни асоциати, състоящи се от две или повече частици, държани заедно от междумолекулни сили.

Най-разпространените тетрадентатни макроцикли в живата природа са порфините и сходните по структура кориноиди.Схематично, тетрадентният цикъл може да бъде представен в следната форма (фиг. 7.3), където дъгите представляват въглеродни вериги от същия тип, свързващи донорни азотни атоми в затворен цикъл; R1, R2, R3, P4 са въглеводородни радикали; Mn+ е метален йон: в хлорофила има Mg 2+ йон, в хемоглобина има Fe 2+ йон, в хемоцианина има Cu 2+ йон, във витамин B 12 (кобаламин) има Co 3+ йон .

Донорните азотни атоми са разположени в ъглите на квадрата (обозначени с пунктирани линии). Те са строго координирани в пространството. Ето защо

порфирините и кориноидите образуват стабилни комплекси с катиони на различни елементи и дори алкалоземни метали. Съществено е, че Независимо от плътността на лиганда, химичната връзка и структурата на комплекса се определят от донорните атоми.Например, медни комплекси с NH3, етилендиамин и порфирин имат същата квадратна структура и подобна електронна конфигурация. Но полидентатните лиганди се свързват с метални йони много по-силно от монодентатните лиганди

Ориз. 7.3.Тетрадентен макроцикъл

със същите донорни атоми. Силата на етилендиаминовите комплекси е с 8-10 порядъка по-голяма от силата на същите метали с амоняк.

Нар. бионеорганични комплекси от метални йони с белтъци биокластери -комплекси от метални йони с макроциклични съединения (фиг. 7.4).

Ориз. 7.4.Схематично представяне на структурата на биокластери с определени размери на протеинови комплекси с йони на d-елементи. Видове взаимодействия на белтъчни молекули. M n+ - метален йон с активен център

Вътре в биокластера има кухина. Той включва метал, който взаимодейства с донорни атоми на свързващи групи: OH -, SH -, COO -, -NH 2, протеини, аминокиселини. Най-известните металофери са

ензимите (карбоанхидраза, ксантиноксидаза, цитохроми) са биокластери, чиито кухини образуват ензимни центрове, съдържащи съответно Zn, Mo, Fe.

7.13. МНОГОЯДРЕНИ КОМПЛЕКСИ

Хетеровалентни и хетероядрени комплекси

Наричат ​​се комплекси, които съдържат няколко централни атома на един или различни елементи многоядрен.Възможността за образуване на многоядрени комплекси се определя от способността на някои лиганди да се свързват с два или три метални йона. Такива лиганди се наричат мостСъотв мостсе наричат ​​още комплекси. По принцип са възможни и моноатомни мостове, например:

Те използват несподелени двойки електрони, принадлежащи на един и същ атом. Ролята на мостове може да се играе от многоатомни лиганди.Такива мостове използват несподелени електронни двойки, принадлежащи на различни атоми многоатомен лиганд.

А.А. Грийнбърг и Ф.М. Филинов изследва мостови съединения от състава, в който лигандът свързва комплексни съединения от един и същи метал, но в различни степени на окисление. Г. Таубе ги нарече комплекси за пренос на електрони.Той изучава реакциите на пренос на електрони между централните атоми на различни метали. Систематичните изследвания на кинетиката и механизма на окислително-редукционните реакции доведоха до заключението, че трансферът на електрон между два комплекса

идва през получения лиганден мост. Обменът на електрони между 2+ и 2+ става чрез образуването на междинен мостов комплекс (фиг. 7.5). Електронният трансфер се осъществява чрез хлоридния мостов лиганд, завършващ с образуването на 2+ комплекси; 2+.

Ориз. 7.5.Трансфер на електрони в междинен многоядрен комплекс

Голямо разнообразие от полиядрени комплекси са получени чрез използването на органични лиганди, съдържащи няколко донорни групи. Условието за тяхното образуване е подреждането на донорни групи в лиганда, което не позволява затварянето на хелатните цикли. Често има случаи, когато лигандът има способността да затваря хелатния цикъл и в същото време да действа като мост.

Активният принцип на преноса на електрони са преходните метали, които показват няколко стабилни степени на окисление. Това дава на йоните на титан, желязо и мед идеални свойства за пренасяне на електрони. Набор от опции за образуване на хетеровалентни (HVC) и хетероядрени комплекси (HNC) на базата на Ti и Fe е представен на фиг. 7.6.

реакция

Извиква се реакция (1). кръстосана реакция.В обменните реакции хетеровалентните комплекси ще бъдат междинни продукти. Всички теоретично възможни комплекси действително се образуват в разтвор при определени условия, което е доказано чрез различни физикохимични тестове.

Ориз. 7.6.Образуване на хетеровалентни комплекси и хетероядрени комплекси, съдържащи Ti и Fe

методи. За да се осъществи пренос на електрон, реагентите трябва да бъдат в състояния, които са близки по енергия. Това изискване се нарича принцип на Франк-Кондон. Преносът на електрони може да възникне между атоми на един и същ преходен елемент, които са в различни състояния на окисление на HVA, или различни елементи на HCA, естеството на металните центрове на които е различно. Тези съединения могат да бъдат определени като комплекси за пренос на електрон. Те са удобни носители на електрони и протони в биологичните системи. Добавянето и даряването на електрон причинява промени само в електронната конфигурация на метала, без да променя структурата на органичния компонент на комплекса.Всички тези елементи имат няколко стабилни степени на окисление (Ti +3 и +4; Fe +2 и +3; Cu +1 и +2). Според нас природата дава на тези системи уникална роля за осигуряване на обратимостта на биохимичните процеси с минимални енергийни разходи. Обратимите реакции включват реакции с термодинамични и термохимични константи от 10 -3 до 10 3 и с малка стойност на ΔG o и E oпроцеси. При тези условия изходните материали и реакционните продукти могат да присъстват в сравними концентрации. При промяната им в определен диапазон е лесно да се постигне обратимост на процеса, следователно в биологичните системи много процеси са осцилаторни (вълнови) по природа. Редокс системите, съдържащи горните двойки, покриват широк диапазон от потенциали, което им позволява да влизат във взаимодействия, придружени от умерени промени в Δ ОтивамИ E°, с много субстрати.

Вероятността от образуване на HVA и GAC се увеличава значително, когато разтворът съдържа потенциално мостови лиганди, т.е. молекули или йони (аминокиселини, хидрокси киселини, комплексони и др.), които могат да свързват два метални центъра наведнъж. Възможността за делокализация на електрони в GVK допринася за намаляване на общата енергия на комплекса.

По-реалистично, наборът от възможни варианти на образуване на HVC и HNC, в които природата на металните центрове е различна, се вижда на фиг. 7.6. Подробно описание на образуването на GVK и GYAK и тяхната роля в биохимичните системи е разгледано в трудовете на A.N. Глебова (1997). Редокс двойките трябва да бъдат структурно настроени една към друга, за да стане възможен трансферът. Избирайки компонентите на разтвора, можете да „удължите“ разстоянието, през което един електрон се прехвърля от редуктора към окислителя. При координирано движение на частиците преносът на електрони на дълги разстояния може да се осъществи чрез вълнов механизъм. „Коридорът“ може да бъде хидратирана протеинова верига и т.н. Има голяма вероятност за пренос на електрони на разстояние до 100А. Дължината на „коридора“ може да се увеличи чрез добавяне на добавки (йони на алкални метали, фонови електролити). Това отваря големи възможности в областта на контрола на състава и свойствата на HVA и HYA. В разтворите те играят ролята на вид "черна кутия", пълна с електрони и протони. В зависимост от обстоятелствата той може да ги даде на други компоненти или да попълни своите „резерви“. Обратимостта на реакциите с тяхно участие им позволява многократно участие в циклични процеси. Електроните се движат от един метален център към друг и осцилират между тях. Сложната молекула остава асиметрична и може да участва в редокс процеси. GVA и GNA активно участват в осцилаторните процеси в биологичните среди. Този тип реакция се нарича осцилаторна реакция.Те се срещат в ензимната катализа, протеиновия синтез и други биохимични процеси, съпътстващи биологичните явления. Те включват периодични процеси на клетъчен метаболизъм, вълни на активност в сърдечната тъкан, в мозъчната тъкан и процеси, протичащи на ниво екологични системи. Важна стъпка в метаболизма е извличането на водород от хранителни вещества. В същото време водородните атоми преминават в йонно състояние и отделените от тях електрони влизат в дихателната верига и предават енергията си за образуването на АТФ. Както установихме, титановите комплексонати са активни носители не само на електрони, но и на протони. Способността на титаниевите йони да изпълняват своята роля в активния център на ензими като каталази, пероксидази и цитохроми се определя от високата им способност да образуват комплекси, да образуват геометрията на координиран йон, да образуват многоядрени HVA и HNA с различни състави и свойства като функция на pH, концентрацията на преходния елемент Ti и органичния компонент на комплекса, тяхното моларно съотношение. Тази способност се проявява в повишена селективност на комплекса

по отношение на субстрати, продукти на метаболитни процеси, активиране на връзки в комплекса (ензим) и субстрат чрез координация и промяна на формата на субстрата в съответствие със пространствените изисквания на активния център.

Електрохимичните трансформации в тялото, свързани с преноса на електрони, са придружени от промяна в степента на окисление на частиците и появата на редокс потенциал в разтвора. Основна роля в тези трансформации имат многоядрените комплекси ГВК и ГЯК. Те са активни регулатори на свободнорадикалните процеси, система за рециклиране на реактивни кислородни видове, водороден пероксид, оксиданти, радикали и участват в окисляването на субстратите, както и в поддържането на антиоксидантната хомеостаза и защитата на организма от оксидативен стрес.Техният ензимен ефект върху биосистемите е подобен на ензимите (цитохроми, супероксид дисмутаза, каталаза, пероксидаза, глутатион редуктаза, дехидрогенази). Всичко това показва високите антиоксидантни свойства на комплексонатите на преходните елементи.

7.14. ВЪПРОСИ И ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ ПОДГОТОВКА ЗА КРАСИ И ИЗПИТ

1. Дайте понятието сложни съединения. По какво се различават от двойните соли и какво е общото между тях?

2. Съставете формули на комплексни съединения с техните имена: амониев дихидроксотетрахлороплатинат (IV), триаминтринитрокобалт (III), дайте техните характеристики; посочете вътрешни и външни области на координация; централен йон и степента му на окисление: лиганди, техният брой и ред; характер на връзките. Напишете уравнението на дисоциация във воден разтвор и израза за константата на стабилност.

3. Общи свойства на комплексните съединения, дисоциация, устойчивост на комплексите, химични свойства на комплексите.

4.Как се характеризира реактивността на комплексите от термодинамични и кинетични позиции?

5. Кои аминокомплекси ще бъдат по-издръжливи от тетраамино-мед (II) и кои ще бъдат по-малко издръжливи?

6. Дайте примери за макроциклични комплекси, образувани от йони на алкални метали; йони на d-елементи.

7. На какво основание комплексите се класифицират като хелатни? Дайте примери за хелатни и нехелатни комплексни съединения.

8. Като използвате меден глицинат като пример, дайте концепцията за интракомплексни съединения. Напишете структурната формула на магнезиев комплексонат с етилендиаминтетраоцетна киселина в натриева форма.

9. Дайте схематичен структурен фрагмент на полиядрен комплекс.

10. Дефинирайте полиядрени, хетероядрени и хетеровалентни комплекси. Ролята на преходните метали в тяхното образуване. Биологична роля на тези компоненти.

11.Какви видове химични връзки се срещат в сложните съединения?

12. Избройте основните видове хибридизация на атомни орбитали, които могат да възникнат в централния атом в комплекса. Каква е геометрията на комплекса в зависимост от вида на хибридизацията?

13. Въз основа на електронната структура на атомите на елементите на s-, p- и d-блокове, сравнете способността за образуване на комплекси и тяхното място в химията на комплексите.

14. Дефинирайте комплексони и комплексонати. Дайте примери за най-използваните в биологията и медицината. Дайте термодинамичните принципи, на които се основава хелатотерапията. Използването на комплексонати за неутрализиране и елиминиране на ксенобиотици от тялото.

15. Помислете за основните случаи на нарушаване на хомеостазата на металния лиганд в човешкото тяло.

16. Дайте примери за биокомплексни съединения, съдържащи желязо, кобалт, цинк.

17. Примери за конкуриращи се процеси, включващи хемоглобин.

18. Ролята на металните йони в ензимите.

19. Обяснете защо за кобалта в комплекси със сложни лиганди (полидентат) степента на окисление е +3, а в обикновените соли, като халогениди, сулфати, нитрати, степента на окисление е +2?

20. Медта се характеризира със степен на окисление +1 и +2. Може ли медта да катализира реакциите на пренос на електрони?

21. Може ли цинкът да катализира окислително-възстановителните реакции?

22. Какъв е механизмът на действие на живака като отрова?

23. Посочете киселината и основата в реакцията:

AgNO 3 + 2NH 3 = NO 3.

24. Обяснете защо като лекарство се използва калиево-натриевата сол на хидроксиетилиден дифосфоновата киселина, а не HEDP.

25.Как се осъществява електронен транспорт в тялото с помощта на метални йони, които са част от биокомплексни съединения?

7.15. ТЕСТОВИ ЗАДАЧИ

1. Степента на окисление на централния атом в сложен йон е 2- е равно на:

а) -4;

б)+2;

на 2;

г)+4.

2. Най-стабилен сложен йон:

а) 2-, Kn = 8,5x10 -15;

б) 2-, Kn = 1,5x10 -30;

в) 2-, Kn = 4x10 -42;

г) 2-, Kn = 1x10 -21.

3. Разтворът съдържа 0,1 mol от съединението PtCl 4 4NH 3. Реагирайки с AgNO 3, той образува 0,2 mol AgCl утайка. Дайте координационна формула на изходното вещество:

а) Cl;

b) Cl 3;

c) Cl2;

г) Cl 4.

4. Каква форма имат комплексите, образувани в резултат на sp 3 d 2-gi- хибридизация?

1) тетраедър;

2) квадрат;

4) триъгълна бипирамида;

5) линейни.

5. Изберете формулата за съединението пентаамин хлорокобалт (III) сулфат:

а) На 3 ;

6)[CoCl2(NH3)4]Cl;

c) K2 [Co(SCN)4];

d)SO4;

e)[Co(H 2 O) 6 ] C1 3 .

6. Кои лиганди са полидентатни?

а) C1 - ;

б) Н20;

в) етилендиамин;

d)NH3;

д)SCN - .

7. Комплексообразователите са:

а) донорни атоми на електронна двойка;

в) атоми и йони, които приемат електронни двойки;

г) атоми и йони, които са донори на електронни двойки.

8. Елементите, които имат най-малка комплексообразуваща способност са:

като; в) г;

б) p ; г) е

9. Лигандите са:

а) молекули донор на електронна двойка;

б) акцепторни йони на електронна двойка;

в) молекули и йони-донори на електронни двойки;

г) молекули и йони, които приемат електронни двойки.

10. Комуникация във вътрешната координационна сфера на комплекса:

а) ковалентен обмен;

б) ковалентен донор-акцептор;

в) йонни;

г) водород.

11. Най-добрият комплексообразуващ агент би бил:

Основната реакция на заместване във водни разтвори, обмяната на водни молекули (22), е изследвана за голям брой метални йони (фиг. 34). Обменът на водни молекули в координационната сфера на метален йон с по-голямата част от водните молекули, присъстващи като разтворител, се случва много бързо за повечето метали и следователно скоростта на такава реакция може да бъде изследвана главно чрез метода на релаксация. Методът включва нарушаване на равновесието на системата, например чрез рязко повишаване на температурата. При нови условия (по-висока температура) системата вече няма да бъде в равновесие. След това се измерва скоростта на равновесие. Ако можете да промените температурата на разтвора в рамките на 10 -8 сек, тогава можете да измерите скоростта на реакция, която изисква повече от период от време, за да завърши 10 -8 сек.

Също така е възможно да се измери скоростта на заместване на координирани водни молекули в различни метални йони с лиганди SO 2-4, S 2 O 3 2-, EDTA и др. (26). Скоростта на тази реакция

зависи от концентрацията на хидратирания метален йон и не зависи от концентрацията на входящия лиганд, което прави възможно използването на уравнението от първи ред (27) за описание на скоростта на тези системи. В много случаи скоростта на реакцията (27) за даден метален йон не зависи от естеството на входящия лиганд (L), било то H 2 O молекули или SO 4 2-, S 2 O 3 2-, или EDTA йони.

Това наблюдение, съчетано с факта, че уравнението на скоростта за този процес не включва концентрацията на влиятелния лиганд, предполага, че тези реакции протичат по механизъм, при който бавната стъпка включва прекъсване на връзката между металния йон и водата. Полученото съединение вероятно след това бързо координира близките лиганди.

В Сект. 4 от тази глава се посочва, че по-високо заредените хидратирани метални йони, като Al 3+ и Sc 3+, обменят водните молекули по-бавно от M 2+ и M + йони; Това дава основание да се предположи, че разкъсването на връзките играе важна роля в етапа, който определя скоростта на целия процес. Заключенията, получени в тези изследвания, не са убедителни, но те дават основание да се смята, че S N 1 процесите са важни в реакциите на заместване на хидратирани метални йони.

Вероятно най-изследваните комплексни съединения са кобалтовите (III) амини. Тяхната стабилност, лекота на приготвяне и бавни реакции ги правят особено подходящи за кинетични изследвания. Тъй като изследванията на тези комплекси са проведени изключително във водни разтвори, първо трябва да разгледаме реакциите на тези комплекси с молекулите на разтворителя - вода. Установено е, че като цяло амонячните или аминните молекули, координирани от Co(III) йона, са толкова бавно заменени от водни молекули, че обикновено се разглежда заместването на лиганди, различни от амини.

Скоростта на реакциите от тип (28) е изследвана и е установено, че е от първи порядък по отношение на кобалтовия комплекс (X е един от многото възможни аниони).

Тъй като във водните разтвори концентрацията на H 2 O винаги е приблизително 55,5 М, тогава е невъзможно да се определи ефектът от промяната на концентрацията на водните молекули върху скоростта на реакцията. Уравненията за скорост (29) и (30) за воден разтвор не са експериментално различими, тъй като k е просто равно на k" = k". Следователно е невъзможно да се каже от уравнението за скоростта на реакцията дали H2O ще участва в етапа на определяне на скоростта на процеса. Отговорът на въпроса дали тази реакция протича по механизма S N 2 със заместването на йона X с молекула H 2 O или по механизма S N 1, който първо включва дисоциация, последвана от добавяне на молекула H 2 O, трябва да се получи с помощта на други експериментални данни.

Този проблем може да бъде решен чрез два вида експерименти. Скорост на хидролиза (замяна на един Cl - йон на водна молекула) транс- + е приблизително 10 3 пъти по-висока от скоростта на хидролиза 2+. Увеличаването на заряда на комплекса води до укрепване на връзките метал-лиганд и следователно до инхибиране на разцепването на тези връзки. Привличането на входящите лиганди и улесняването на реакцията на заместване също трябва да бъдат взети под внимание. Тъй като беше установено намаляване на скоростта с увеличаване на заряда на комплекса, в този случай дисоциативен процес (S N 1) изглежда по-вероятен.

Друг метод за доказване се основава на изследването на хидролизата на серия от подобни комплекси транс- + . В тези комплекси молекулата на етилендиамина е заменена с подобни диамини, в които водородните атоми при въглеродния атом са заменени с СН3 групи. Комплексите, съдържащи заместени диамини, реагират по-бързо от етилендиаминовия комплекс. Заместването на водородни атоми с СН3 групи увеличава обема на лиганда, което прави по-трудно металния атом да бъде атакуван от друг лиганд. Тези пространствени пречки забавят реакцията чрез механизма S N 2. Наличието на обемисти лиганди близо до металния атом насърчава дисоциативния процес, тъй като отстраняването на един от лигандите намалява тяхното натрупване при металния атом. Наблюдаваното увеличение на скоростта на хидролиза на комплекси с обемисти лиганди е добро доказателство, че реакцията протича по механизма S N 1.

И така, в резултат на многобройни изследвания на Co (II) ацидоаминови комплекси се оказа, че заместването на ацидо групите с водни молекули е дисоциативен процес по природа. Връзката кобалтов атом-лиганд се разширява до определена критична стойност, преди водните молекули да започнат да навлизат в комплекса. В комплекси със заряд 2+ и по-висок разкъсването на връзката кобалт-лиганд е много трудно и навлизането на водни молекули започва да играе по-важна роля.

Установено е, че заместването на ацидогрупата (X -) в кобалтовия (III) комплекс с група, различна от молекулата на H2O, (31) първо преминава през нейното заместване с молекула

разтворител - вода, последвано от замяната му с нова група Y (32).

Така при много реакции с кобалтови (III) комплекси скоростта на реакцията (31) е равна на скоростта на хидролиза (28). Само хидроксилният йон се различава от другите реагенти по своята реактивност с Co(III) амини. Реагира много бързо с аминни комплекси на кобалт (III) (около 10 6 пъти по-бързо от водата) според типа на реакцията основна хидролиза (33).

Установено е, че тази реакция е от първи ред по отношение на заместващия лиганд OH - (34). Общият втори ред на реакцията и необичайно бързото протичане на реакцията предполагат, че OH - йонът е изключително ефективен нуклеофилен реагент за Co(III) комплекси и че реакцията протича по механизма S N 2 чрез образуването на междинно съединение.

Въпреки това, това свойство на OH - може да се обясни и с друг механизъм [уравнения (35), (36)]. В реакция (35) комплексът 2+ се държи като киселина (според Brønsted), давайки комплекса +, който е амидо-(съдържащо)-съединение - основа, съответстваща на киселина 2+.

След това реакцията протича чрез механизма S N 1 (36) за образуване на междинен продукт с пет координати, който допълнително реагира с молекулите на разтворителя, за да произведе крайния реакционен продукт (37). Този реакционен механизъм е в съответствие със скоростта на реакция от втори ред и съответства на механизма S N 1. Тъй като реакцията в етапа на определяне на скоростта включва основен конюгат към оригиналния комплекс - киселината, този механизъм се обозначава S N 1CB.

Много е трудно да се определи кой от тези механизми най-добре обяснява експерименталните наблюдения. Съществуват обаче убедителни доказателства в подкрепа на хипотезата S N 1CB. Най-добрите аргументи в полза на този механизъм са следните: октаедричните Co(III) комплекси обикновено реагират чрез дисоциативния механизъм S N 1 и няма убедителен аргумент защо OH - йонът трябва да медиира процеса S N 2. Установено е, че хидроксилният йон е слаб нуклеофилен реагент в реакции с Pt(II) и следователно неговата необичайна реактивност с Co(III) изглежда неразумна. Реакциите с кобалтови (III) съединения в неводна среда осигуряват отлично доказателство за образуването на петкоординатни междинни съединения, предоставени от механизма S N 1 SV.

Окончателното доказателство е фактът, че при липса на N - H връзки в комплекса Co(III), той бавно реагира с OH - йони. Това, разбира се, предполага, че киселинно-алкалните свойства на комплекса са по-важни от нуклеофилните свойства на ОН за скоростта на реакцията." Тази реакция на основна хидролиза на амин Co(III) комплекси илюстрира факта, че кинетичните данни често може да се тълкува по повече от един начин и За да се изключи един или друг възможен механизъм, е необходимо да се извърши доста деликатен експеримент.

Понастоящем са изследвани реакции на заместване на голям брой октаедрични съединения. Ако разгледаме техните механизми на реакция, най-често срещаният е дисоциативният процес. Този резултат не е неочакван, тъй като шест лиганда оставят малко пространство около централния атом за други групи, които да се прикрепят към него. Има само няколко примера, при които е доказано наличието на междинен продукт със седем координати или е открито влиянието на намесен лиганд. Следователно механизмът S N 2 не може да бъде напълно отхвърлен като възможен път за реакции на заместване в октаедрични комплекси.

Сложни връзки. Тяхната структура се основава на координационната теория на А. Вернер. Сложен йон, неговият заряд. Катионни, анионни, неутрални комплекси. Номенклатура, примери.

Реакции на лигандно заместване. Константа на нестабилност на сложен йон, константа на стабилност.

Към нестабилността е съотношението на продуктите от концентрацията на разпаднали йони към неразпадналото се количество.

K комплект = 1/ K гнездо (реципрочно)

Вторична дисоциация -разпадане на вътрешната сфера на комплекса на съставните му компоненти.

43. Конкуренция за лиганд или за комплексообразуващ агент: изолирани и комбинирани равновесия на заместване на лиганд. Обща константа за комбинираното равновесие на заместването на лиганда.

В резултат на конкуренцията протонът разрушава доста силен комплекс, образувайки слабо дисоцииращо вещество - вода.

Cl + NiS0 4 +4NH 3 ^ S0 4 +AgCl I

Това вече е пример за конкуренция на лиганд за комплексообразуващ агент, с образуването на по-стабилен комплекс (K H + = 9.3-1(G 8 ; K H [M(W 3) 6 ] 2+ = 1.9-10 -9) и слабо разтворимо съединение AgCl - K s = 1,8 10" 10

Представи за структурата на металоензимите и други биокомплексни съединения (хемоглобин, цитохроми, кобаламини). Физикохимични принципи на транспорта на кислород от хемоглобина

Кобаламини. Витамини B12наричаме група кобалт-съдържащи биологично активни вещества, наречени кобаламини. Те всъщност включват цианокобаламинхидроксикобаламин и две коензимни форми на витамин B 12: метилкобаламин и 5-деоксиаденозилкобаламин.

Понякога, в по-тесен смисъл, витамин B 12 се нарича цианокобаламин, тъй като именно в тази форма основното количество витамин B 12 навлиза в човешкото тяло, без да се забравя, че той не е синоним на B 12, а няколко други съединения също имат B 12 - витаминна активност. Витамин В12 се нарича още външен фактор на Касъл.

В 12 има най-сложната химическа структура в сравнение с други витамини, чиято основа е кориновият пръстен. Коринът в много отношения е подобен на порфирина (сложна химична структура, която е част от хема, хлорофила и цитохромите), но се различава от порфирина по това, че двата пиролови пръстена в корина са свързани директно един с друг, а не чрез метиленов мост. Кобалтов йон е разположен в центъра на коринова структура. Кобалтът образува четири координационни връзки с азотни атоми. Друга координационна връзка свързва кобалта с диметилбензимидазолов нуклеотид. Последната, шеста координационна връзка на кобалта остава свободна: чрез тази връзка се добавят циано група, хидроксилна група, метил или 5"-дезоксиаденозилов остатък, за да се образуват съответно четири варианта на витамин В 12. Ковалентният въглерод- кобалтовата връзка в структурата на цианокобаламин е единствената известна в живата природа е пример за ковалентна връзка преходен метал-въглерод.