Применение комплексных соединений в аналитической химии

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

При очень малых количествах солей аммония вместо осадка получает желтый раствор. Реакция очень чувствительна. Она применяется в биохимическом анализе для определения общего азота в крови, мочевины, в санитарно-гигиенических лабораториях – при анализе воды, воздуха, пищевых продуктов (в частности мяса) и т.д.

Выполнение.

А. К 1—2 каплям разбавленного раствора аммонийной соли на капельной пластинке прибавить 3—4 капли реактив Несслера выпадение красновато-коричневого осадка. Реактив Несслера прибавлять в избытке, так как осадок растворим в большом количестве аммонийных солей.

Вторая группа катионов

Ко второй аналитической группе катионов относятся ионы Ba2+, Ca2+, Sr2+.

Кальций, стронций, барий называются щелочноземельными металлами. По своей активности они лишь немного уступают щелочным металлам. Образуемые ими гидраты окислов являются сильными основаниями; их растворимость растёт с увеличением порядкового номера металла.

Щелочноземельные металлы образуют большое количество солей; из них растворимы галоидные, азотнокислые, уксуснокислые и кислые углекислые. Групповой реактив этой группы катионов – углекислый аммоний (NH4)2CO3, образующий с ионами Ba2+ и Ca2+ не растворимые в воде средние соли BaCO3 и CaCO3.

Реакции катионов кальция

Реакция с ферроцианидом калия K4[Fe(CN)6].

Этот реактив с солями кальция в присутствии солей аммония образует белый кристаллический осадок ферроцианида кальция и аммония Ca(NH4)2[Fe(CN)6]:

CaCl2 + 2NH4Cl + K4[Fe(CN)6] = Ca(NH4) 2[Fe(CN)6]  + 4KCl

или в ионном виде:

Ca2+ + 2 NH4+ + [Fe(CN)6]4- = Ca(NH4)2[Fe(CN)6]

Выполнение.

К 3—5 каплям раствора CaCl2 прибавить по 3—5 капель NH4Cl и NH4OH и 5—6 капель раствора K4[Fe(CN)6]. Смесь нагреть 2—3 минуты на водяной бане.

Наблюдать выпадения осадка. В уксусной кислоте этот осадок не растворяется.

Третья группа катионов

К третьей аналитической группе катионов относятся ионы Al3+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Zn2+.

Сернистые соединения катионов этой группы не растворимы в воде (в отличие от первой и второй групп), но растворимы в разбавленных в минеральных кислотах (в отличие от четвёртой и пятой групп). Вследствие этого сероводород не осаждает катионы третьей группы из кислых растворов. Из нейтральной растворов сероводород тоже либо вовсе не осаждает катионы третьей группы, так как либо осаждение их оказывается неполное (Zn2+), так как образуются свободные кислоты. Поэтому для полного осаждения катионов третьей группы в виде сернистых соединений вместо сероводорода применяется его хорошо диссоциированные соли.

Групповой реактив на катионы третьей группы – сернистый аммоний (NH4)S.

Хлористые, сернокислые, и азотнокислые соли этих элементов растворимы в воде. Растворы их вследствие гидролиза имеют слабокислую реакцию.

 

Реакции катионов трехвалентного железа