Химизм хелатообразования

По сравнению с ферментами, обладающими высокой специ­фичностью в отношении определенного металла, среди синтети­ческих металлосвязывающих агентов подобная избирательность встречается значительно реже.

Впервые общую тенденцию такого рода обнаружили Mellor и Maley (1947). Некоторые из приведенных двухвалентных ме­таллов расположены друг за другом в периодической системе следующим образом (в скобках указаны атомные номера): Мп (25), Fe (26), Со (27), Ni (28), Си (29), Zn (30). В этом ряду, называемом первым рядом переходных элементов, срод­ство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается, достигая максимума у меди (Си²⁺). Повышение сродства к хе­латирующим агентам является следствием уменьшения ионно­го радиуса [Irving, Williams, 1953]. Эта зависимость позволя­ет объяснить последовательность расположения металлов в приведенном выше ряду 11.1. С увеличением валентности ме­талла происходит уменьшение его радиуса, поэтому неудиви­тельно, что Fe³⁺ имеет большее сродство, чем Fe²⁺, 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 при­веденный порядок увеличения сродства металлов к хелатирую­щим агентам сохраняется для большинства лигандов.

Особого внимания заслуживают те немногочисленные хела­тирующие агенты, которые не подчиняются общему правилу. Прежде чем перейти к обсуждению таких исключений, следует рассмотреть принципы нормального хелатообразования. Зна­чение тяжелых металлов в биологии обусловлено их способ­ностью образовывать связи более прочные, чем обычные ионные, поскольку они отчасти координационные (разд.

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 одно кольцо в комплексе 1:1. Некоторые бидентатные лиганды (например, этилендиамин и 2.2'-бипиридил) содержат две элект­ронодонорные группы, в этом случае заряд катиона металла при образовании хелатного соединения не изменяется. Лиганды мо­гут содержать также одну электронодонорную и одну анионную группу, как в глицине. В этом случае заряд металла уменьша­ется на единицу. И наконец, лиганд может содержать две ани­онные группы (например, щавелевая кислота), в этом случае заряд металла уменьшается на две единицы. Образование хе­латных связей атомами кислорода и азота происходит обычно лишь в тех случаях, когда при этом получаются пяти- и шести­членные циклы. Пятичленные циклы значительно стабильнее. Однако при образовании хелатных связей через серу возникают стойчивые четырехчленные циклы [Peyronel, 1940; Deskin, 1958]. На рис. 11.2 представлены три основных типа хелатных соединений. Стрелки в кольце показывают направление смеще­ния в норме неподеленной пары электронов от атомов О, N или S к металлу. В присутствии избытка лигандов могут образовы­ваться комплексы в соотношении 2:1. Лиганды типа щавелевой ислоты используют заряд для образования комплексов 1 : 1, эднако последние могут соединяться в дальнейшем с комплек­

сами этилендиаминового типа, образуя комплексы смешанного типа [например, Watters, DeWitt, 1960]. Комплексы 1 : 1 гли­цинового типа способны соединяться с другими лигандами это­го типа. Комплекс 1 : 1, образованный лигандами, подобными этилендиамину, может соединяться с любым из трех типов ли­гандов.

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.

Следует подчеркнуть, что понятие «лиганд» относится не ко всем присутствующим в системе молекулам органического соединения, а только к той их части, которая находится в соот­ветствующей ионной форме, т. е. может связывать катион ме­талла. В случае этилендиамина, глицина и щавелевой кислоты лигандами могут служить неионизированные молекулы, моно- и дианионы соответственно. Поэтому, если при сравнении отно­сительной реакционной способности лигандов при физиологиче­ских условиях пользуются константами устойчивости, необходи­мо учитывать и значения рКа лигандов (разд. 11.3).

Сера может входить в простые четырехчленные циклы, та­кие как в диметилдитиокарбамате меди (II) (11.15), образую­щемся из ионов двухвалентной меди и диметилдитиокарбами-

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

Рис. 11.2. Три основных типа комплексов 1:1.

лексов. Так, цинк с меркаптоуксусной кислотой (L^2-) образу­ют следующий ряд комплексов:

Последний член этого ряда (Z113L4^2-), изображенный фор­мулой (11.16), наиболее устойчив. Сведения об этих соедине­ниях были получены при обработке данных титрования на электронно-вычислительной машине. Таким же образом для цистеина (L^2-) был рассчитан следующий ряд комплексов с цинком [Perrin, Sayce, 1968]:

В более кислых растворах присутствуют также протониро- ванные формы комплекса цинк — цистеин [Shindo, Braun, 1965]. Очевидно, что лиганды, содержащие серу, образуют бо­лее сложные комплексы, чем кислород- и азотсодержащие ли­ганды; которые, однако, более широко распространены.

О конформациях и абсолютной конфигурации комплексов с хелатными связями см. Hawkins (1971). Основные закономер­ности образования и применения хелатных соединений с метал­лами см. Bell (1977) и Perrin (1964) и в серии книг Sigel (по­сле 1973).

11.3.