Применение комплексных соединений в аналитической химии

Некоторые природные прочные комплексные  соединения содержат в качестве хелатообразующего лиганда порфириновые производные, в которых за счет электронодонорных свойств четырех атомов азота образуются четыре связи с комплексообразователем. В зависимости от природы комплексообразователя изменяются биологические функции этих комплексов. Так, комплексы порфирина с катионом железа являются основой гемоглобина и цитохромов, с катионом магния - хлорофилла, а с катионами двух металлов: железа и меди - цитохромоксидазы. Рассмотрим особенности строения гемоглобина, миоглобина и метгемоглобина.

Комплексообразователем в гемоглобине  и миоглобине является ион Fе²⁺, который, предоставляя шесть свободных атомных орбиталей, образует шесть связей по донорно-акцепторному механизму. Из них четырьмя связями ион железа связан с атомами азота порфиринового лиганда, образуя гем, пятая связь занята лигандом глобином (белок), а шестая - молекулой воды - лигандом, который связан с комплексообразователем лабильно.

Миоглобин связывает часть кислорода, поступающего в ткани, путем замещения молекулы воды во внутренней сфере на молекулу кислорода, образуя оксимиоглобин, который достаточно прочно удерживает кислород. Это позволяет тканям запасать кислород для его использования в случаях острой кислородной недостаточности. Необходимо обратить внимание на то, что кислород не окисляет комплексообразователь Fе²⁺ в геме миоглобина.

Гемоглобин содержится в эритроцитах  крови. Его молекула состоит из четырех  гемов, аналогичных по строению тему миоглобина, которые объединены четырьмя глобиновыми цепями. В молекуле гемоглобина (ННb) различают четыре фрагмента α₁, α₂, β₁, β₂ каждый из которых способен к замещению молекулы воды (лабильного лиганда) на молекулу О₂. Находясь в легких, гемоглобин присоединяет в результате лигандообменной реакции вместо молекул воды молекулы кислорода, образуя оксигемоглобин (ННbО₂), в котором катион железа сохраняет свой заряд +2:

Таким образом, связывание гемоглобином кислорода  является реакцией обмена лиганда, при  которой нет окислительно-восстановительных  превращений. Поэтому нет никаких оснований называть оксигемоглобин окисленной формой, а гемоглобин - восстановленной формой, что, к сожалению, имеет место даже в современной литературе и учебниках. Кроме этих неудачных терминов используется еще ненужный термин "дезоксигемоглобин", который означает оксигемоглобин, отдавший кислород, а в действительности это просто гемоглобин.

Оксигемоглобин  выполняет функцию транспорта кислорода  у высших животных. Благодаря оксигемоглобину  литр крови переносит 250 мл кислорода  в капилляры различных органов. Здесь оксигемоглобин отдает кислород, который диффундирует через плазму и стенки капилляров в ткани. Часть поступившего кислорода соединяется с миоглобином для поддержания необходимого парциального давления кислорода в тканях. Основная часть кислорода вступает в процессы метаболизма, превращаясь в конце концов в оксид углерода(IV) и воду, которые с помощью венозной крови выводятся из организма.

Венозная кровь поглощает СО₂ из тканей и транспортирует его в легкие на 80 % в виде НСО₃^-, 15 % в виде аниона карбаминогемоглобина (НbСО₂)^- и 5 % в растворенном виде (СО₂ • H₂О). В легких, вследствие избытка кислорода, кровь освобождается от СО₂ (который далее удаляется при выдохе), а гемоглобин опять насыщается кислородом. Гемоглобин и оксигемоглобин являются слабыми кислотами и в крови (pН ≈ 7,4) находятся частично в ионизированном состоянии: Нb^- — 12 % и НЪО₂^- -- 66 %. В приведенной ниже схеме химических превращений гемоглобина с целью упрощения вместо сложной молекулы, состоящей из 4 подобных фрагментов, дается только один:

При вдыхании воздуха, содержащего  оксид углерода (II) ("угарный газ"), последний взаимодействует с гемоглобином и оксигемоглобином с образованием более устойчивого комплекса карбоксигемоглобина ННbСО:

HHb + CO ßè HHbCO     HHbO₂ + CO ßè ННbСО + О₂

Эти равновесия смещены в сторону  образования карбоксигемоглобина, устойчивость которого в 210 раз больше, чем оксигемоглобина, что приводит к накоплению карбоксигемоглобина  в крови. В результате кислородная  емкость крови уменьшается пропорционально количеству поступившего в организм СО. Серьезной причиной отравления оксидом углерода(II) является курение. Содержание карбоксигемоглобина в крови курильщиков, выкуривающих пачку сигарет в день, составляет в среднем 4,7 %, а у некурящих - всего 0,3-0,5 % (от содержания гемоглобина). Причиной более сильного отравления оксидом углерода(II) может быть преждевременное закрытие вытяжной заслонки протопленной печи или вдыхание выхлопных газов автомобиля. При легких отравлениях (содержание ННbСО в крови 10-15 %) наблюдается головная боль, слабость, тошнота. При отравлениях средней степени (ННbСО в крови 25-30 %) нарушается координация движений, появляется синюшность кожи лица и помутнение сознания. При тяжелых отравлениях (ННЬСО в крови 60 % и более) происходит потеря сознания, судороги. Смерть наступает от остановки дыхания. Смертельные концентрации СО составляют 2 мг/л при 60-минутной и 5 мг/л при 5-минутной экспозиции. Пострадавшим необходимо тепло, сердечные средства и вдыхание чистого кислорода, так как содержание кислорода в воздухе недостаточно для быстрого вытеснения СО из карбоксигемоглобина.

Под действием окислителей: нитритов, нитратов, N0₂, Н₂О₂, О₃ - гемоглобин в результате окисления Fе²⁺ в Fе³⁺ и отрыва катионов от воды-лиганда превращается в метгемоглобин (метHHb):

OH

окислитель

HHb(Fe²⁺)ç--è метHHb(Fe²⁺) + H⁺ + e^-

восстановитель

метгемоглобин

Метгемоглобин не способен переносить кислород, поэтому появление его  в крови уменьшает кислородную  емкость крови. Для его превращения в гемоглобин необходимо воздействие восстановителей .

Токсическое действие нитратов связано  с рядом их химических превращений. Попадая в организм, нитраты легко  восстанавливаются до нитритов:

N0₃^- + 2Н⁺ + 2е^- çè NO₃^- + Н₂О   φ₀^′ = 0,42 В

Нитриты чрезвычайно эффективно окисляют гемоглобин в метгемоглобин по радикальному механизму, образуя оксид азота(II) и способствуя образованию различных активных форм кислорода.

ННb(Fе²⁺) + N0₂^- + 2Н⁺ çè метHHb(Fе³⁺) + N0 + Н₂О

Оксид азота(II), подобно СО, образует прочный комплекс с гемоглобином - нитрозогемоглобин:

ННb NO çè ННbNО

В результате воздействия нитратов возникает острое кислородное голодание  тканей из-за уменьшения содержания гемоглобина  в крови. Кроме того, нитраты и  нитриты интенсифицируют свободнорадикальное окисление в организме, что дополнительно повышает их токсичность.

Таким образом, химия гемоглобина  включает все три типа свойств: комплексообразующие, кислотно-основные и окислительно-восстановительные.

Цитохромы - ферменты класса оксидоредуктаз, содержащие в качестве комплексообразователя катион железа или меди, а в качестве лигандов - 4-дентатный порфирин, а также белок, который занимает пятое и шестое положения во внутренней сфере. Эти изменения в составе приводят к новой биологической функции комплекса, которая заключается в переносе электрона за счет обратимого изменения степени окисления комплексообразователя: Fе³⁺ + е^- ßà Fе²⁺, а в цитохромоксидазе еще и атома меди: Сu²⁺ + е^- ßàСu⁺. Цитохромы обеспечивают работу электрон-транспортных цепей при окислительном фосфорилировании, фотофосфорилировании, работе ансамбля ферментов цито-хрома Р-450.

Цианиды при попадании в организм быстро проникают в кровь. Ион  СN^- с гемоглобином взаимодействует слабо, но чрезвычайно эффективно связывается окисленной формой цитохромоксидазы, блокируя в ней оба комплексообразователя (Fе³⁺ и Сu²⁺), тем самым ингибируя ее действие в дыхательной цепи. Цианид-ион включается во внутреннюю сферу полиядерного комплекса цитохромоксидазы по месту разрыва связи белок - комплексообразователи:

Клеточное дыхание прекращается на самом главном этапе - этапе усвоения кислорода клетками во всех тканях организма, особенно в нервных клетках  мозга, где этот процесс идет интенсивно. При этом не нарушаются ни поступление кислорода в кровь, ни перенос его гемоглобином к тканям. Артериальная кровь переходит в вены, оставаясь насыщенной кислородом, что внешне проявляется в ярко-розовой окраске кожных покровов при поражении цианидами. Пероральная токсическая доза цианид-иона для человека LD₅₀ = 1мг/кг.

От действия цианидов может защитить метгемоглобин крови, который благодаря  наличию Fе³⁺ эффективно свяжет этот токсикант еще на пути к цитохромоксидазе с образованием очень прочного цианметгемоглобина:

метHHb(Fе³⁺—ОН) + СN^- è метHHb(Fе³⁺—СN) + ОН^-

 метгемоглобин                                                                                     цианметгемоглобин

При достаточно высокой концентрации метгемоглобина в крови в реакцию  с ним вступит не только СN^-, содержащийся в крови, но и СN^-, уже связанный с цитохромоксидазой, в итоге ее активность будет восстановлена. Поэтому при отравлении цианидами рекомендуется вводить подкожно или внутривенно метгемоглобинообразователи, например NaNO₂, но осторожно, не допуская превращения гемоглобина в метгемоглобин более чем на 30 %. В противном случае могут наблюдаться явления, сходные с картиной отравления оксидом углерода(II). Другой способ защиты от цианидов заключается в использовании соединений-антидотов, легко реагирующих с СN^- с образованием неядовитых продуктов, например роданидов.

Среди природных комплексных соединений особое место занимают макрокомплексы на основе циклических полипептидов, содержащих внутренние полости определенных размеров, в которых находятся  несколько кислородсодержащих групп, способных за счет донорно-акцепторного взаимодействия связывать катионы тех металлов (включая катионы Na⁺ и К⁺), размеры которых соответствуют размерам полости. Такие комплексы, находясь в биологических мембранах, обеспечивают транспорт ионов через мембраны и поэтому называются ионофорами. В ионофоре катион комплексообразователя изолирован от окружающей среды гидрофобной оболочкой лиганда, за счет которой ион может свободно плавать в гидрофобном слое клеточной мембраны. Такими свойствами обладает циклический пептид валиномицин (антибиотик), полость которого соответствует размеру катиона К⁺. Поэтому с помощью валиномицина катионы К⁺ транспортируются через мембрану из зоны с высокой концентрацией К⁺ (внутренняя поверхность мембраны), где образуется комплекс, в зону низкой концентрации К⁺ (наружная поверхность мембраны), где этот комплекс распадается.

С помощью другого полипептида - грамицидина А - осуществляется транспорт  катионов Na⁺ по эстафетному механизму. Грамицидин А - спиралевидный полипептид, образующий "трубочку", внутренняя поверхность которой выстлана кислородсодержащими группами. В результате получается достаточно большой длины гидрофильный канал с определенным сечением, соответствующим размеру иона натрия. Внешняя гидрофобная поверхность "трубочки" позволяет ей располагаться поперек фосфолипидного бислоя мембраны, полностью сливаясь с ним. Ион натрия, входя в гидрофильный канал с одной стороны, передается кислородными группировками от одной к другой подобно эстафете. В этом случае получается ионпроводящий канал. Таким образом, за счет лабильного комплексообразования в ионофорах осуществляется транспорт ионов сквозь клеточные мембраны.

1.5. КОМПЛЕКСНЫЕ  СОЕДИНЕНИЯ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

1.5.1. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ КАТИОНОВ

Первая группа катионов

В первую аналитическую группу катионов входят ионов калия K⁺, натрия Na⁺, аммония NH₄⁺ и магния Mg²⁺. В отличии от катионов других групп большинство солей калия, натрия, аммония, легко растворимы в воде. Ион Mg²⁺ свойствам несколько отличается от других катионов этой группы. Он образует труднорастворимые в воде гидрат окиси, фосфорнокислую и углекислую соли. Поскольку нерастворимость в воде углекислых солей – важнейший аналитический признак катионов второй группы, то Mg²⁺ иногда относят к ней. Но углекислый магний хорошо растворим в аммонийных солях. А так как отделение катионов второй группы от катионов первой группы растворим (NH₄)₂CO₃ проводят присутствии NH₄Cl, то в ходе анализа Mg²⁺ оказывается не в осадке со второй группой, а в растворе с первой группой.

 

Реакции катионов калия

Реакция с кобальтинитритом натрия Na₃[Co(NO₂)₆].

Кобальтинитрит  натрия в нейтральном или уксусном растворе дает с ионами калия желтый кристаллический осадок кобальтинитрита  калия-натрия:

2KCl + Na₃[Co(NO₂)₆] = K₂Na[Co(NO₂)₆]  + 2NaCl

или в ионном виде:

2K⁺ +Na⁺ + [Co(NO₂)₆]^3- = K₂Na[Co(NO₂)₆]

Ион NH₄⁺ дает аналогичный осадок.

Выполнение.

Реакция можно выполнить не капельной  пластинке и в пробирке. К 3—4 каплям раствора KCl или KNO₃ прибавили 2—3 капли раствора реактива. В щелочной среде реакция проводить нельзя, так как от щелочи реактив разлагается, образуя гидрат окиси кобальта:

Na₃[Co(NO₂)₆] + 3NaOH = Co(OH)₃ + 6NaNO₂

Рассматриваемая реакция на ион K⁺ более чувствительна, чем с гидротартратом натрия. Поэтому именно ею и пользуются для осаждения иона K⁺ из сыворотки при перманганатометрическом определении калия в крови.

Реакции катионов аммония

Реакция с реактивом Несслера

(щелочной раствор ртутноиодистого  калия K₂[HgI₄]).

Этот реактив  дает с аммонийными солями красновато-коричневый осадок состава [NH₂Hg₂O]I (его структурная формула HO – Hg –NH – I ):

NH₄Cl + 2 K₂[HgI₄] + 4KOH = [NH₂Hg₂O]I  + 7KI + KCl + 3H₂O

или в ионном виде:

NH₄⁺ + 2[HgI₄]^- + 4OH^- = [NH₂Hg₂O]I + 7I^- + 3H₂O