Комплексні (координаційні) сполуки та їх значення.

Атоми одного й того ж хімічного елемента, що входять до складу неорганічних компонентів організму, можуть перебувати як в йонному, так і в білковозв’язанному стані. Наприклад, близько 46% йонів Кальцію, що містяться в крові, перебувають у вільному стані, а решта зв’язані з білками, переважно з альбуміном. Хімічний елемент Ферум входить до складу гемоглобіну, утворюючи комплексну сполуку Fe (ІІ) з порфірином, а в молекулі трансферину він існує у вигляді йона Fe (ІІІ). У кислотному середовищі шлункового тракту існують обидва катіони, а в лужному середовищі кишківника може бути гідроксид феруму (ІІІ) – Fe(ОН)₃. Макроелементи (К, Na, Ca, Mg) існують переважно у вигляді гідратів – продуктів взаємодії цих йонів з полярними молекулами води.

Стан існування різних хімічних форм елемента в організмі залежить від його стійкості, розчинності сполук у воді та теоретично можливих ступенів окиснення цього елемента. Крім того, впливають і чинники внутрішнього середовища біологічних систем: значення рН та стандартний електродний потенціал.

Йони металів, необхідних для життєдіяльності організму, входять до складу біосистем головним чином у формі гідратованих йонів, тобто вони коордінаційно зв’язані з молекулами води. Хімічні реакції відбуваються шляхом зміщення деякого числа молекул води іншими молекулами, або йонами, до яких цей метал має більшу спорідненість. Деякі біметали, наприклад Молібден, містяться в живих системах у виглядів аніонів, а малоактивні метали, зокрема Купрум, можуть перебувати і в дрібнодисперсному металічному стані.

Проте переважна більшість металів входять до складу організму людини і тварин у вигляді комплексних сполук. З процесами комплексоутворення головним чином і пов’язані біологічні функції мікроелементів з родини d-елементів. Активність значної кількості метало ферментів пояснюють наявністю в їх структурі йонів металів як комплексоутворювачів, зв’язаних з різними біолігандами.

Отже, в організмі комплексні, або координаційні сполуки виконують найрізноманітніші функції: нагромадження і транспорт речовини та енергії, обмін і блокування функціональних груп, участь в окисно-відновних процесах, утворення і розщеплення хімічних зв’язків.

У медичній практиці комплексні сполуки використовують для лікування артритів, злоякісних новоутворень, виведення солей важких металів з організму. Нині створено нові лікарські препарати з групи халатних комплексів, які використовують для розчинення каменів у нирках, сечовому міхурі тощо.

Крім того комплексні сполуки широко використовують в хімічному аналізі для виявлення і розділення елементів, розчинення осадів, кількісного визначення йонів металів у розчинах, пом’якшення води тощо.

Розглянемо основні положення теорії комплексних сполук, їх хімічний склад, просторову будову, властивості та поведінку у водних розчинах.

2. Координаційна теорія Вернера і склад

комплексних сполук.

Автором теорії про будову та склад комплексних сполук став швейцарський хімік А.Вернер (1893 р).

Комплексними сполуками називають стійкі хімічні сполуки, у вузлах кристалічної решітки яких знаходяться складні частинки, що містять центральний атом (або йон) і оточуючі його молекули або йони.

Комплексні сполуки було віднесено до класу солей.

Склад комплексних сполук досить складний. Першим визначається центральний атом, або атом-комплексоутворювач. Це частіше – атом, або йон металу родини d-елементів. Він оточен нейтральними молекулами, або йонами, які називають лігандами або адендами. Атом-комплексоутворювач разом із лігандами утворюють внутрішню координаційну сферу, яка може бути як електронейтральною, або у вигляді катіону чи аніону. Далі йде зовнішня сфера, представлена або атомом металу солі, або її кислотним остатком.

Комплексоутворювач (Меⁿ⁺)

Ліганди

[Ag(NH₃)₂] Cl K₂ [Zn(OH)₄]

Зовнішня сфера

Внутрішня сфера

Комплексоутворювач характеризується координаційним числом, тобто числом, яке показує, скільки простих лігандів координується навколо центрального атома. Інакше кажучи, координаційне число – це число зв’язків, за допомогою яких ліганди сполучаються з комплексоутворювачем. Воно залежить від природи комплексоутворювача та лігандів. У більшості випадків координаційне число має значення 2, 4, 6. Значно рідше трапляються комплексні сполуки із координаційним числом 5, 8, 7, 12.

3. Одержання, класифікація і номенклатура

Комплексних сполук.

3.1. Одержання. Комплексні сполуки одержують за допомогою тих самих реакцій, що й звичайні хімічні сполуки першого порядку, тобто реакцій приєднання, заміщення, обміну та окисно-відновних.

3.2.Класифікація. Комплексні сполуки систематизують за зарядом внутрішньої координаційної сфери та природою лігандів, що входять до їх складу. За зарядом внутрішньої сфери комплекси бувають:

1. Катіонні (або з комплексним катіоном), в цих комплексних солях внутрішня координаційна сфера є катіоном, а роль ліганді виконують нейтральні молекули. Наприклад: [Zn(NH₃)₄]SO₄, [Al(H₂O)₆]Cl₃ та ін.

2. Аніонні (або з комплексним аніоном), внутрішня координаційна сфера – аніон, а роль лігандів виконують кислотні залишки. Наприклад: Na₃[Co(NO₂)₆], K₄[Fe(CN)₆], Na₃[Ag(S₂O₃)₂].

3. Електронейтральні – в яких зовнішня сфера відсутня, а абсолютна величина заряду комплексоутворювача і лігандів однакова: [Ni(CO)₄], [Pt(NH₃)₂Cl₂], [Co(H₂O)₃Cl₃] та ін.

За природою лігандів розрізняють:

1. сполуки, що містять молекулярні ліганди – воду, амоніак, оксид карбону(ІІ), наприклад:

аквакомплекси - [Zn(H₂O)₄]Cl₂, [Cr(H₂O)₆]Br₃;

аміакати - [Сu(NH₃)₄]SO₄, [Ni(NH₃)₆]NO₃;

карбоніли – Fe(CO)₅, Co₂(CO)₈;

2. Сполуки, що містять гідроксид-іони ОН-, - гідроксокомплекси:

3. Сполуки, що містять кислотні залишки – ацидокомплекси, серед яких можна зазначити слідуючи:

ціанідні – K₂[Cu(CN)₄], Na[Ag(CN)₂]

галогенідні – K₂[HgI₄], Na₄[NiF₆]

тіоціанатні (роданідні) – K₂[V(SCN)₆], K₂[Hg(SCN)₄]

тіосульфатні – K₃[Ag(S₂O₃)₂] та ін.

4. Сполуки, що містять ліганди різних класів – змішані комплекси: K[Al(OH)₄(H₂O)₂], Na₂[Pt(CN)₄Br₂] тощо.

3.3. Номенклатура комплексних сполук. Координаційні сполуки за систематичною номенклатурою називають за певними правилами. Спочатку в називному відмінку називають катіон (простий або комплексний), потім простий (або комплексний) аніон. Назви катіонних комплексів не мають спеціальних закінчень, а аніонні мають суфікс –ат, що додається до кореня назви центрального атома.

Ліганди, що входять до складу комплексу, перелічують за абеткою, вказуючи їх число, а потім називають центральний атом і в дужках римськими числами зазначають ступінь його окиснення.

Якщо складний ліганд може координуватися з комплексоутворювачем різними способами, то в назві ліганду це зазначають у такий спосіб: тіоціанато-S (координація групи SCN- з атомом Сульфуру), або тіоціанато-N (координація тієї самої групи з атомом Нітрогену.

Наведемо приклади комплексних сполук та їх назви за систематичною номенклатурою.

[Cu(NH₃)₄]SO₄ - тетраамінкупрум (ІІ), [Fe(H₂O)₆]Cl₃ - гексаакваферум (ІІІ), [Cr(OH)₂H₂O(NH₃)₃]Br - акватриаміндигідроксохром (ІІІ) бромід, K₃[Fe(CN)₆] - калій гексаціаноферат (ІІІ), Na₃[Al(OH)₆] - натрій гексагідроксоалюмінат, Cs₂[Pt(CN)₄F₂] - цезій дифлуоротетраціаноплатинат (ІV), [Fe(CO)₅] - пентакарбоніл феруму, [Pt(NH₃)₂Br₂] - діаміндибром платина, [Cr(NH₃)₃(NCS)₃] - триамінтри-(тіоціанато-N) хром.