Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

Рис. 11.1. Влияние меди иа рост овса. Содержание меди в питательной среде

(слева направо): 3, 6, 10, 20, 100, 500, 2000 и 3000 мкг/л [Piper, 1942].

(рис. 11.1). В эксперименте овес выращивали в сосудах, кон­

центрацию меди в которых изменяли от О до 3000 мкг/л, при­

чем максимальная длина ростков овса была зафиксирована

при 500 мкг меди на литр. Рост микроорганизмов часто зависит

от концентрации одного или нескольких катионов металлов в

питательной среде: следует избегать как избыточных, так и не­

достаточных концентраций, так как в любом случае рост будет

заторможен.

Обедненные металлами среды. Тем, кто только начинает

изучать микроэлементы, часто кажется странным, что перед

началом эксперимента необходимо очищать среды от металлов. К сожалению, «химически чистые» и «чистые для анализа» ре­

агенты содержат очень много примесей тяжелых металлов. Это неизбежно, так как вещество, очищенное на 99,99%, содержит бХ 1017 молекул посторонних примесей на каждый грамм. Это значение рассчитано с помощью числа Авогадро (бХ 1023 мо­ лекул в 1 моле любого вещества), причем средняя величина ОММ принималась равной 100. Фактически реактивы марки

«чда» обычно содержат менее 99,99 % основного вещества. Бо­

лее того, содержание металлов в бактериологических средах.

как\ равило, велико. Типичный случай загрязнения реактивов

приме ями металлов был выявлен при проведении эксперимен:

та с ж тиковой водорослью Euglenia gracilis, клетке которои

необход мо только 4800 атомов (5Х 10- 19 г) кобальта для обра­ зования QВОГо организма. В предварительном опыте было об­

наружено, \что «аналитически чистая» С_?ЛЬ железа, применяв­

шаяся для ~готовления культуральнои среды, содержит ко­

бальта в тр цать три раза больше нужного количества [Hut-

ner, 1949].

Существует ,следующий удобный метод приготовления сред

с незначительны\~ содержанием металла. Питательные соли рас•

творяют в воде. Этот раствор многократно встряхивают с рас­

твором дитизона в хлороформе, затем экстрагируют хлорофор­

мом для удаления дитизона и пропускают воздух (для удаления

хлороформа) [Piper, 1942]. Аналогичным образом используют и

другие вещества, обладающие высоким сродством к металлам,

например 8-гидроксихинолин применяют для ~даления металлов

из бактериологических сред [Rubbo, Albert, G1bson, 1950]. В ра­

боте Donald, Passey, Swaby ( 1952) рассмотрены 38 способов

удаления металлов из питательных сред.

При проведении экспериментов часто возникает необходи­

мость поддержать определенную концентрацию иона металла таким образом, чтобы она не поднималась выше и не опуска­

лась ниже нужного значения. Эта проблема решается с по­

мощью буферов, содержащих ион металла и сохраняющих по­

стоянное значение рМ, подобно тому, как буферы, содержа­

щие ион водорода, имеют неизменное значение рН. В этих си­

стемах происходит пост')янное восполнение удаляемых в про­

цессе реакции свободных ионов металла за счет металла, нахо­

дящегося в виде комплекса. Вначале для этих целей использо­

вали такие комплексообразующие агенты, как цитрат- и тарт­

рат-ионы, однако более широкое применение получили ЭДТА ( 11.27), диэтилентриаминпентауксусная кислота (ДТПА) и

К неметаллическим питательным микроэ.ТJементам относятся

бор (для растений), йод и фтор (для позвоночных), селен и кремний. Селен - необходимая составная часть важного фер­

мента млекопитающих, глутатионпероксидазы, которая защи­

щает мембраны от окисления и является одним из микробио­

цидных ферментов фагоцитов [Stadtman, 1980]. Ферменты, со­

держащие селен, железо и молибден, уже рассматривались при

обсуждении свойств молибдена. Полагают, что кремний также

вносит вклад в построение и придание упругости соединитель­

ным тканям позвоночных. Кремний необходим для роста и раз­ вития организма крыс. По-видимому, кремний содержится в ви­

как гепарин и гиалуроновая кислота [Schwarz, 1973].

143

Подробнее о роли микроэлементов в питании см. U erwood ( 1977); неорганические аспекты биологических про ессов

рассматриваются в работе Williams ( 1976).

11.1. Биохимические различия, способствующ

избирательности

Любую биологическую систему можно рассм тривать как

арену постоянной борьбы за следовые количеств катионов тя­

желых металлов. При поражении позвоночных микроорганиз­

мами в организме-хозяине быстро понижается ровень железа

и цинка в плазме. Из всех биологически зн имых тяжелых

металлов наиболее сильным действием на бактерии обладает

железо, а цинк воздействует на дрожжи и другие грибы. Уро­

вень железа в плазме млекопитающих понижается за счет пе­

реноса его в печень; в то же вfемя уменьшается его всасывание

в кишечнике [Weinberg, 1974 . При тяжелых хронических ин­

фекциях уровень меди в плазме повышается на 50-90% [Weiп­ berg, 1972J; это повышенное содержание меди, как полагают,

является антипаразитическим.

Аналогичные явления отмечают у онкологических больных,

У которых понижается уровень содержания железа в плазме

[Konaka, Matsuoka, 1967] и повышается концентрация меди [Mortazani et а!., 1972J. Иногда из-за наличия злокачественной

опухоли понижается концентрация цинка в плазме [Пavies,

С помощью каких же веществ происходит связывание катио­

нов тяжелых металлов в живых клетках? Следует отметить, что таких веществ великое множество, но в первую очередь внимания заслуживают аминокислоты. Большинство аминокис­ лот, входящих в состав белков, имеет примерно такие же кон­

станты связывания, как глицин (11.1). Необычно высокой спо­

собностью связывать металлы обладают две аминокислоты: гистидин (11.2) благодаря наличию в его молекуле имидазоль­

ного кольца и цистеин ( 11.3) за счет тиольной группы [Albert

1952J. К этим двум примерам можно добавить цистин - эф:

фективный, специфически действующий агент, способный связы­

атомом азота им~дазольноrо кольца существует прочная связь.

Компьютерныи анализ результатов потенциометрического

изучения 160 равновесных взаимодействий между Cu 2+, zn2+ и 17 аминокислотами (все присутствовали одновременно) пока­

зал, что 85% меди образует комплекс гистид,;ин-медь-цис-

В кровотоке аминокислоты связаны с очень незначительным

количеством меди и цинка. Около 90% всего количества меди находится в связанном состоянии, образуя с белком церуло­

плазмином комплекс ярко-синего цвета, причем связь эта на­

столько прочна, что никакого обмена не наблюдается. Концент­

рации обменивающихся ионов меди и цинка в плазме крови со­

плазмы крови при инъекции комплекса кальций - ЭДТА

(11.27).

Металл в качестве кофактора необходим примерно 12%

всех известных ферментов. Какую же роль он играет в этих случаях? По-видимому, металл часто служит мостиком между

субстратом и белком, причем последний способен активировать.

металл, акцептируя его свободные электроны. Образование из­ быточного положительного заряда на атоме металла приводит к тому, что электронная плотность смещается от субстрата к металлу. При этом уменьшение свободной энергии активации

субстрата происходит за счет изменения его электронной­

структуры под действием металла.

Подобная картина наблюдалась и при исследовании двух содержащих марганец ферментов - креатинкиназы и мышечнои­ енолазы методом ЭПР. Было показано, что у первого из них..

марганец образует связь с коферментом (АДФ) и с субстра­

том, но не с белком, а у второгоатом марганца, по-видимо­

му, служит мостиком между субстратом и белком [Cohn, Leigh, 1962]. В других случаях роль металла, по-видимому, сводится:

исключительно к обеспечению необходимой третичной структуры белка (по аналогии с дисульфидным мостиком S-S). При образовании требуемой третичной структуры часто происходит сближение двух или трех остатков аминокислот, образующих

активный центр, тогда как в вытянутой полипептидной цепи

/

/

эти остатки располагаются далеко друг от друга. Пр~ром

,может служить атом цинка в молекуле щелочной фас тазы

•бактерий Е. coli: при удалении атома цинка спектр кр гового

дихроизма этого фермента резко изменяется под rйствием

бМ мочевины, так как природная конформация пре ращается

в беспорядочную спираль [Trotman, Greenwood, 1971 . Подроб­

нее об этом ферменте см. разд. 11.О.

Многие ферменты, например трипсин, функционируют без

участия металла. Однако те ферменты, которым необходимы

тяжелые металлы, обычно удерживают их очень прочно. Поэто­

му во многих случаях металл не удается удалить диализом и

даже сильные хелатирующие агенты проникают в клетки мик­

роорганизмов, не причиняя им вреда (разд. 11.7.1). Вероятнее

всего, это обусловлено спецификой третичной структуры, а не

высокими значениями констант устойчивости (см. выше).

Кроме аминокислот, белков и пептидов существует много

других металлосвязывающих соединений, играющих важную

роль во всех живых клетках. К ним прежде всего относятся птеридины (в том числе фолиевая кислота) и пурины, для

комплексов которых с металлами были определены константы

устойчивости [Albert, 1953; Albert, Serjeant, 1960]; рибофлавин,

обладающий наибольшим сродством к металлу в частично вос­

становленном состоянии [Hemmerich, Veeger, Wood, 1965],

спермин ( 11.4) и диамины спермидин ( 11.5) и путресцин ( 11.6}.

H2 NCH2CH2CH2CH2 NH2

Путресции

( 11.6)

Все виды фосфатов способны связывать металлы в живых клетках. Говоря о неорганических фосфатах, следует отметить,

что для орто-фосфатов (Са2+, Mg 2+, Zn 2+, Cu 2+) значения кон­ стант устойчивости были заново определены и выяснилось, что

ское титрование и метод ЯМР 31 Р, ионы магния прочно связа­

ны с фосфатными группами АТФ [Tuck, Baker, 1973]. Констан­

ты устойчивости комплексов Cu 2+, Са2+ и Fез+ с ДНК имеют

тот же порядок, что и комплексы этих металлов с АМФ, имею-

146

щим ~~чительно меньшее сродство к катионам металлов, чем:,

АТФ №ryan, Frieden, 1967]. Некоторые катионы более тяже­

лых металлов в природе связаны с молекулами нуклеиновых..

кислот. Предполагают, что ионы цинка образуют координацион­

ную связь с пуриновыми основаниями при обратимом скручи­

вании и раскручивании спирали ДНК [Shin, Eichhorn, 1968].

Жирные кислоты цикла лимонной кислоты также связывают

катионы металлов.

Насколько известно, константы устойчивости большинст~а

перечисленных веществ близки по величине к константам устои­

чивости комплексов аминокислот (табл. 11.1). Только у порфи­

ринов константы имеют более высокие значения; порфирины

настолько прочно удерживают железо, что не удалось обнару­

жить никаких признаков обмена с его радиоактивным изото­

пом [Hahn et al., 1940].

Из вышесказанного ясно, что опыты с микроэлементами нельзя проводить в присутствии фосфатного или цитратного

буфера. Для рН в пределах 7,0-8,2 удобным буфером, не об­

разующим хелатных связей, служит N-этилморфин (темпера­ тура кипения 138-139 °С). Подробнее о других буферах см.

Perrin, Dempsey (1974).

Хелатообразующие соединения, избирательно действующие·

на организмы разных классов. Исследования в области срав­ нительной биохимии постоянно выявляют новые видовые раз­

личия в связывании и использовании металлов (разд. 4.2 и

11.0).

Аэробным бактериальным клеткам необходимо пополнять за­

пас железа из окружающей их среды, где оно содержится, в ос­

повном в виде почти нерастворимого оксида железа (111) (ко­

личество растворяющегося вещества составляет 10- 39 М). Од­ нако существуют соединения, способные растворять и перено­ сить железо, а также превращать его в биологически доступную

форму. Эти так называемые сидерохромы содержатся в бакте­

риях, дрожжах и грибах. Из них наиболее распространены фе­

ноляты, например энтерохелин (энтеробактин) ( 11.7} и гидрок­

саматы, например дефероксамин В ( 11.9). Сидерохромы обоих

типов представляют собой слабые кислоты (рКа около 9) и спо­

собны очень прочно связывать железо (111) (log К 45).

Наиболее важный сидерохром типа енолятов - энтерохелин,

циклический триэфир N- (2,3-дигидроксибензоил)-L-серина. Это­

соединение выделено из бактерий Е. coli [O'Brien, Gibson, 1970J. Gibson и Nielands (1974) установили механизм действия

энтерохелина, использовав серию мутантов, каждый из которых

был лишен способности осуществлять одну из биохимических стадий. Рентгеноструктурный анализ показал, что в молекуле

энтерохелина каждый катион железа (111) связан с шестью ато­

мами кислорода, предоставляемыми тремя фрагментами кате­

лин, который образует комплекс с железом из окружаiщей

среды; затем этот комплекс поглощается бактериями и):;;ро­

лизуется специальными ферментами с образованием 'Железа

Q\/9

O-Fe-O

/\

о о

ь

Фрагмент соединения (11.7)энтерохелин.

образующий комплекс с железом 1

(11.8)

R-алнильная цепочка (С19)

Микобактин Т (11.10)

Дефероксамины, подобные соединению ( 11.9), представляют

собой гексапептиды, выделяемые из Streptomyces. Рентгено­ структурный анализ показал, что шесть атомов кислорода, при­

надлежащие трем группам гидроксамовой кислоты, образуют

тетраэдрическую структуру, связывающую ион железа (III).

Для этого соединения log К, равный 31, значительно выше, чем для ЭДТА (11.27} (log К 24), но ниже, чем log К энтерохелина

[Schwarzenbach, Schwarzenbach, 1963].

Сидерохром микобактин Т (11.10} встречается у возбудите­

лей туберкулеза человека. Восемь других микобактинов были получены из других разновидностей рода Mycobacteria. Эти со­

единения имеют только две гидроксаматных группы, однако

наличие фенольной группы, участвующей в трехцентровом свя­

зывании иона железа, делает комплекс микобактинов с желе­

зо'v! таким же прочным, как и комплексы с другими сидерохро­

мами [Snow, 1970J. Это единственные природные соединения

железа, имеющие хорошую липофильность.

Значительные различия в использовании железа бактериями

и млекопитающими открывают большие возможности для хи­ миотерапии. О применении сидерохромов в качестве антидотов

бы содержат множество хелатирующих пиронов, таких, как

койевая кислота (3-окси--у-пирон) ( 11.11), суммарное значение логарифма константы устойчивости (~3) которой для желе­ за (III) равно 25. Биологическая роль этих соединений неизвест­

на, так же как и роль полигидроксиантрахинонов, содержащих­

ся в грибах. Все дрожжи выделяют производное гидроксамовой

н

Родоторуловая кислота

( 11. 12)

Т а блиц а 11.1. Логарифмы констант устойчивости некоторых

обозначены

Растения также содержат специальные химические соедине­

ния, способные связывать железо. Многие злаковые культуры

выделяют в почву мугинеивую кислоту ( 11.13), способную об­

разовывать с ионом железа (Fез+) комплекс, который затем

поглощается и используется растениями. Мугинеивая кислота

представляет собой производное азотсодержащего циклического

соединения азетидина. В отсутствие необходимого количества

железа у растений наступает хлоротическое состояние и они

увядают [Mino et al., 1981].

Некоторые природные аrонисты млекопитающих, а именно

тироксин (11.14), норадреналин (7.5) и гистамин (7.6) способ­

ны связывать металлы. Только у млекопитающих в митохонд­

риях накапливается кальций.

комплексообразующих агентов (в воде при 20 °С; насыщенные константы

как log ~)

(log 1313) - как 13.

цнловой кислоты [Perrin, 1958], бнпириднла и орто-фенантролнна [lrving, Mellor, 1962], uстальные значения [Sillen, Martell, 1964, и доnолнения].

11.2. Химизм хелатообразования

По сравнению с ферментами, обладающими высокой специ­

фичностью в отношении определенного металла, среди синтети­

ческих металлосвязывающих агентов подобная избирательность встречается значительно реже. Металлы по своему сродству к большинству хелатирующих агентов располагаются примерно в следующем порядке (от наибольшего сродства к наименьшему):

Fe3+, Hg2+, Cu2+, AJ3+, Ni 2+, РЬ2+, Со2 +, Zn2+, Fe2+, Cd2+, Mn2+, Mg2+,

Са2+, Li+, Na+, К+.

Впервые общую тенденцию такого рода обнаружили Mellor

и Maley ( 1947). Некоторые из приведенных двухвалентных ме­

таллов расположены друг за другом в периодической системе

следующим образом (в скобках указаны атомные номера):

Mn (25), Fe (26), Со (27), Ni (28), Cu (29), Zn (30). В этом

ряду, называемом первым рядом переходных элементов, срод­

ство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается.

достигая максимума у меди (Cu 2+). Повышение сродства к хе­

латирующим агентам является следствием уменьшения ионно­

го радиуса [Irving, Williams, 1953]. Эта зависимость позволя­

ет объяснить последовательность расположения металлов в.

приведенном выше ряду 11.1. С увеличением валентности ме­

талла происходит уменьшение его радиуса, поэтому неудиви­

тельно, что Fe 3 + имеет большее сродство, чем Fe 2+, а ионы

трехвалентных металлов располагаются в начале ряда, тогда

как одновалентные в конце (ионные радиусы приведены в.

табл. 11.3). Тем не менее выполнению этого простого правила

иногда препятствуют некоторые вторичные факторы, хотя при­

веденный порядок увеличения сродства металлов к хелатирую­

щим агентам сохраняется для большинства лигандов.

Особого внимания заслуживают те немногочисленные хела­

тирующие агенты, которые не подчиняются общему правилу. Прежде чем перейти к обсуждению таких исключений, следует

рассмотреть принципы нормального хелатообразования. Зна­

чение тяжелых металлов в биологии обусловлено их способ­

ностью образовывать связи более прочные, чем обычные ионные, поскольку они отчасти координационные (разд. 8.0).

Некоторые немногочисленные лиганды (так называемые мультидентатные, например, ЭДТА) образуют с ионом металла более чем одно хелатное кольцо (комплекс 1 : 1). Рассмотрим три основные вида бидентатных лигандов, т. е. образующих

о.:.~.но кольцо в комплексе 1: 1. Некоторые бидентатные лиганды

(например, этилендиамин и 2.2'-бипиридил) содержат две элект­

ронодонорные группы, в этом случае заряд катиона металла при

образовании хелатного соединения не изменяется. Лиганды мо­

гут содержать также одну электронодонорную и одну анионную

группу, как в глицине. В этом случае заряд металла уменьша­ ется на единицу. И наконец, лиганд может содержать две ани­ онные группы (например, щавелевая кислота), в этом с,'Iучае

заряд металла уменьшается на две единицы. Образование хе­

латных связей атомами кислорода и азота происходит обычно

лишь в тех случаях, когда при этом получаются пяти- и шести­

членные циклы. Пятичленные циклы значительно стабильнее.

Однако при образовании хелатных связей через серу возникают

1958]. На рис. 11.2 представлены три основных типа хелатных

соединений. Стрелки в кольце показывают направление смеще­

ния в норме неподеленной пары электронов от атомов О, N или

S к металлу. В присутствии избытка лигандов могут образовы­

ваться комплексы в соотношении 2 : 1. Лиганды типа щавелевой

ислоты используют заряд для образования комплексов 1 : 1,

:)Днако последние могут соединяться в дальнейшем с комплек-

сами этилендиаминового типа, образуя комплексы смешанного

типа [например, Watters, DeWitt, 1960]. Комплексы 1: 1 гли­

цинового типа способны соединяться с другими лигандами это­

го типа. Комплекс 1 : 1, образованный лигандами, подобными

этилендиамину, может соединяться с любым из трех типов ли­

гандов.

Координационное число двухвалентной меди обычно равно

четырем и полное насыщение наступает при соединении ее с

двумя молекулами лигандов (одинаковыми или разными}. Это

справедливо также для двухвалентных металлов - кальция, магния и марганца. Однако координационное число двухвалент­ ных ионов железа, кобальта и цинка равно шести для лигандов типа этилендиамина, а у трехвалентных ионов оно равно шести также и для лигандов типа глицина. Располагаясь вокруг ме­

талла, лиганды образуют разные конфигурации в зависимости

от направления валентностей катионов металла. Большинство

перечисленных выше металлов обычно образуют тетраэдриче­

ские комплексы с основными типами лигандов, изображенными

на рис. 11.2, но для Cu 2+ предпочтительнее образование пла­

нарных комплексов, а для Fe 2 + и Fe 3 +- октаэдрических комп­

лексов.

Следует подчеркнуть, что понятие «лиганд» относится не

ко всем присутствующим в системе молекулам органического

соединения, а только к той их части, которая находится в соот­

ветствующей ионной форме, т. е. может связывать катион ме­

талла. В случае этилендиамина, глицина и щавелевой кислоты

лигандами могут служить неионизированные молекулы, моно­

и дианионы соответственно. Поэтому, если при сравнении отно­

сительной реакционной способности лигандов при физиологиче­ ских условиях пользуются константами устойчивости, необходи­ мо учитывать и значения рКа лигандов (разд. 11.3).

Сера может входить в простые четырехчленные циклы, та­

кие как в диметилдитиокарбамате меди (11) (11.15), образую­

новой кислоты (3.57). Однако серосодержащие лиганды спо­ собны образовывать также равновесные смеси из многих комп-

-Ki- Эту процедуру удобнее выполнять с использованием мик­

Поскольку некоторые соединения металлов с лига~дами м~­ :гут образовываться не столь обычным путем, какои мы ра ·

сматривали до сих пор, каждое титрование следует повторить ,минимум два раза для того, чтобы изучить два разных соотно­ ,шения металла с лигандом. Если получаются одни и те же зна­ чения log К1 и ~. то любыми конкурентными равновесиями мож­

но пренебречь.

Типичными случаями отклонения от нормы являются: а) об-

разование хелатных соединений цвиттерионами аминокислот и

.получение в результате насыщенного положительно заряженно­

го комплекса («протонированный комплекс») и б) комплексы,

в которых металл образует связи не только с лигандами, но_ и

с гидроксил-ионом («гидратированные комплексы») [Репш,

Sharma, 1967]. В таких случаях следует прибегать к более тща­

тельным расчетам с помощью компьютера [Leggett, 1983].

Интерпретация результатов титрования растворов, в кото­

рых одновременно присутствуют один металл и два различных

,лиганда, не представляется сложной [Perrin, Sayce, Sharma, 1967; Perrin, Sharma, 1968, 1969]. Если два лиганда А и В

,обладают одинаковым сродством к металлу М, то вероятность образования смешанного компл~кса АМВ в два раза выше, чем

простого комплекса типа АМА. Аналогично, если в растворе

присутствуют три подобных лиганда (А, В и С), вероятность

,образования комплекса МАВС выше в 6 раз [Watters, De Witt,

l 960J.

Константы устойчивости для некоторых веществ, имеющих

биологическое значение, приведены в табл. 11.1. Значения кон­

,стант устойчивости других комплексных соединений см. Sillen, Martell (1964, 1971) и Perrin (1979).

Константу устойчивости соединения невозможно предска­

зать точно до завершения его синтеза и выполнения соответст­

:вующих измерений, однако можно предсказать приблизитель­

ные значения первой, руководствуясь следующим положением: в любом ряду соединений чем прочнее лиганд связан с ионами

водорода (что определяется значениями рК), тем прочнее он

будет связывать металл. Если константы ионизации еще не

описаны в литературе, их можно рассчитать приблизительно

нию веществ и перестает действовать в тех случаях, когда по-

являются стерические помехи вследствие введения объемных:

заместителей (см. ниже).

При сравнении соединений, принадлежащих к различным

сериям органических соединений, следует учитывать, что наи­

более общим фактором, влияющим на соотношение рКа : log К1,­

является сопряжение в хелатном цикле. В т~ких случа~х очень

важно правильно установить положение двоиных связеи в цик­

ле так как факторы, уменьшающие кратность связей, обычно

ум'еньшают и устойчивость [Calvin, Wilson, 1945]. Например,

в комплексе меди с ацетилацетоном хелатный цикл содержит,

две целочисленные двойные связи и поэтому связи с металлом более прочны, чем в комплексе меди с салицилальдегидом, в ко­

тором из-за сопряжения с бензольным кольцом есть «полутор­

ные» связи.

Помочь предсказывать константы устойчивости сможет раз­ витие теории поля лигандов. В основу этого подхода положен

постулат теории кристаллического поля, смысл которого заклю­

чается в том, что пять d-орбиталей тяжелых металлов, в норме­

вырожденные, дифференцируются, попадая в электростатиче­

ское поле лигандов. В частности, энергия d-орбиталей, направ-,

ленных в сторону лигандов, возрастает, а направленных в про-,

тивоположную - снижается. Донорные электроны лигандов от-,

талкивают d-электроны металла; это отталкивание уменьшает­

ся за счет перемещения d-электронов на d-орбитали, наиболее

удаленные от лигандов. Для ароматических лигандов и некото­

рых металлов (особенно железа, никеля и кобальта) необходи­ мо сделать поправку на наличие л-связей. С учетом этой поправ­ ки теория кристаллического поля в сочетании с теорией молеку­

лярных орбиталей образует так называемую теорию поля лиган­

дов [Basolo, Pearson, 1967].

Ранжирование при фиксированных значениях р Н. Если чле­

ны данного ряда хелатообразующих агентов имеют почти оди­

наковые константы ионизации, то по относительным величинам

констант устойчивости можно определить их способность к свя­ зыванию с различными катионами металлов при любом дан­ ном значении рН. Однако для хелатообразующих агентов с

сильно различающимися константами ионизации константы

устойчивости не могут служить критерием оценки сродства к

катионам металлов. Это объясняется способностью таких ве­

ществ ионизироваться в разной степени при данном значении

рН. Вещества, обладающие меньшим сродством к металлам

(на что указывает более низкая константа устойчивости), за

счет различий в значениях рКа могут образовываться значи­

тельно больше анионов, чем другие агенты. В этом случае ве­

щество, обладающее меньшим сродством к металлу, может при­ соединять большее количество катионов металла, чем вещест­

ва, у которых это сродство больше. Это объясняется тем, что

для хелатообразования необходимо не только наличие сродства

между лигандом и металлом, но также и быстрое образование

основание). Такого рода конкуренция между константами устои­

чивости и константами ионизации иллюстрирует табл. 11.2.

В случае двупротонной кислоты, например щавелевой, хелато­

образующим является дианион; в случае амфолита, например

глицина, хелатное соединение образует моноанион, а если агент

представляет собой двукислотно~ основа~ие, наприм_ер этилен­

диамин, то хелат образуется неитральнои молекулои.

Для того чтобы рассчитать количество металла (С), связан­

·ного при данном рН, можно использовать следующие формулы

Можно также рассчитать значение А методом последователь­ ных приближений. При этом:

W = 1: [ 1 + lО(РКагРН> + lO(PKal+РКаг2рН)!].

Значения констант устойчивости см. Sillen, Martell (1964,

·1971), Perrin (1979), Martell, Smith (1974-1982).

11.4. Химические различия, способствующие

избирательности

Наряду с закономерностями, определяющими сродство к

металлу, существует ряд явлений, не подчиняющихся этим за­

кономерностям. Избирательность биологического действия неко­

торых ионов часто зависит именно от таких исключений из пра­

.вила.

В большинстве случаев образующиеся хелатные комплексы представляют собой тетраэдры, но железо (и двух- и трехва-

лентное) образует октаэдрические комплексы. Однако наиболь­ шей избирательностью обладают ионы меди, образующие плос­

кие комплексы. Это означает, что медь чрезвычайно чувстви­

тельна к стерическим изменениям, обусловленным присутствием

объемных заместителей. Так, в табл. 11.1 константы устойчиво­

для соответствующих комплексов никеля, что противоречит

последовательности, обсуждавшейся в разд. 11.2.

Стерический эффект другого типа возникает, когда объемные

заместители располагаются вблизи хелатообразующих групп.

Это препятствует сближению двух лигандов настолько, чтобы

стало возможным образование прочного комплекса в соотноше­

нии 2: 1, если же катион металла имеет небольшой диаметр, то он вообще не может быть захвачен. Так, 2-метилоксин ( 11.17)

связывает все катионы значительно менее прочно, чем оксин,

не могут удержать ион железа (11). В этом случае взаимное от­

талкивание двух молекул лиганда приводит к тому, что два

атома азота не могут участвовать в образовании октаэдрическо­

го комплекса с ионом железа (11); даже плоский комплекс с медью (Cu 2+) образуется с трудом. Тем не менее такое рас­

положение молекул лиганда благоприятно для связывания ка­

тиона Си+ (образующего тетраэдрические комплексы). Такие

комплексы одновалентной меди отличаются большой устойчи­

востью, что позволяет использовать их для анализа.