/
Автор: Алексеев В.В. Зеленин К.Н.
Теги: химия общая и неорганическая химия
ISBN: 5-93979-089-5
Год: 2003
Текст
К. Н. ЗЕЛЕНИН, В. В. АЛЕКСЕЕВХИМИЯОБЩАЯ И БИООРГАНИЧЕСКАЯУчебник одобрен Межвузовским
редакционно-издательским экспертным советом
по медицинской литературе Санкт-Петербурга
и допущен для преподавания химии
в медицинских высших учебных заведениях«Элби-СПб»Санкт-Петербург2003
УДК 54(075.4)
ББК 24.1я7Зеленин К.Н., Алексеев В.В. Химия. — СПб., ЭЛБИ-СПб, 2003. —
712 с., илл.ISBN 5-93979-089-5В учебнике изложены основные понятия, законы и методы современной химии в приложении к
медико-биологическим проблемам. Подход, лежащий в основе книги, ориентирован на снятие тради¬
ционного разделения курса на неорганическую, органическую, аналитическую, физическую и
коллоидную химии, и предназначен для формирования единого химического мировоззрения, необ¬
ходимого современному врачу. Учебник написан в соответствии с требованиями программы по химии
в медвузах, но не ограничен ими. Книга содержит множество примеров, заимствованных из
фактического материала биохимии, молекулярной биологии, бионеорганической, биофизической и
биоорганической химии, экологии, гигиены, физиологии, фармакологии и др. дисциплин медико-
биологического профиля.24.1я7 ББКISBN 5-93979-089-5© ООО «ЭЛБИ-СПб», 2003
© К. Н. Зеленин, В. В. Алексеев, 2003
ОГЛАВЛЕНИЕПРЕДИСЛОВИЕ ИВВЕДЕНИЕ 13ЧАСТЬ I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ 17Глава 1. АТОМ 171.1. КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АТОМА ВОДОРОДА 171.2. СТРОЕНИЕ МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ АТОМОВ 211.3. ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ 241.4. ПЕРИОДИЧЕСКОЕ СХОДСТВО ЭЛЕМЕНТОВ 33Глава 2. МОЛЕКУЛА 352.1. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ 362.1.1. Метод валентных связей 362.1.2. Гибридизация 402.1.3. Резонанс 452.1.4. Полярность 462.1.5. Метод молекулярных орбиталей 482.2. ИОННАЯ СВЯЗЬ 55Глава 3. КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 583.1. СОСТАВ И НОМЕНКЛАТУРА 583.2. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ 613.3. ИЗОМЕРИЯ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 673.4. КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ С ПОЛИДЕНТАТНЫМИ ЛИГАНДАМИ 68
Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ 714.1. ВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 714.1.1. Ковалентное связывание 714.1.2. Ион-ионные взаимодействия 724.2. НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 734.2.1. Водородная связь 744.2.2. Силы Ван-дер-Ваальса 754.2.3. Ионно-молекулярные взаимодействия 774.2.4. Гидрофобные взаимодействия 78Глава 5. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 83Глава 6. ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ 926.1. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТАЛЬПИЯ 936.2. ТЕРМОХИМИЯ. ЗАКОН ГЕССА 956.3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ 986.4. ЭНЕРГИЯ ГИББСА И НАПРАВЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. 103
Глава 7. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА 1077.1. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ 1087.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКЦИЙ И РЕАГЕНТОВ 1127.3. УРАВНЕНИЕ АРРЕНИУСА. ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ 1147.4. ИНИЦИАЦИЯ И КАТАЛИЗ 117Глава 8. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ 120
12.7.2. Процессы с переносом ионов 19212.8. ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ. ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ PH 19212.9. ИОНОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ 19412.10. ТИПЫ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ 19712.10.1. Стеклянные электроды 19712.10.2. Твердофазные электроды 19912.10.3. Электроды с жидкой мембраной 19912.10.4. Газовые, ферментные и бактериальные электроды 20012.11. ИОНОМЕТРИЯ В МЕДИЦИНЕ 201Глава 13. ГЕТЕРОГЕННОЕ РАВНОВЕСИЕ 20313.1. ПРОИЗВЕДЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ 20313.2. УСЛОВИЯ ВЫПАДЕНИЯ И РАСТВОРЕНИЯ ОСАДКА 20513.3. ГЕТЕРОГЕННЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ОРГАНИЗМ 207ЧАСТЬ III. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ...210Глава 14. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ (ХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ) 216Глава 15. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ 21915.1. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ ТИТРОВАНИЕ (АЦИДИ- И АЛКАЛИМЕТРИЯ) 22215.1.1. Титрование сильной кислоты сильным основанием 22515.1.2. Титрование сильного основания сильной кислотой 22815.1.3. Титрование слабой кислоты сильным основанием 22915.1.4. Титрование слабого основания сильной кислотой 23115.1.5. Титрование гидролизующихся солей 23215.1.6. Применение в медицине 23415.2. ОСАДИТЕЛЬНОЕ ТИТРОВАНИЕ 23415.3. КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ(КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЯ) 23815.4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ ТИТРОВАНИЕ
(РЕДОКСИМЕТРИЯ) 241Глава 16. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 24616.1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 24616.2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 24816.2.1. Основные принципы 24816.2.2. Инфракрасная спектроскопия 25016.2.3. Ультрафиолетовая спектроскопия 253Глава 17. ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ 25717.1. ТОНКОСЛОЙНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ (ТСХ) 25817.2. ГАЗО-ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ (ГЖХ) 26017.3. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ (ВЭЖХ)264ЧАСТЬ IV. ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ 268Глава 18. ВОДОРОД 26818.1. РАЗНОВИДНОСТИ ВОДОРОДА 26918.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 27018.3. КАТИОН ВОДОРОДА 27218.4. ВОДА 27418.5. РАДИОЛИЗ ВОДЫ 276Глава 19. УГЛЕРОД 278
19.1. ЭЛЕМЕНТ, АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ 27819.2. СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА (+4) 28119.3. ПРОИЗВОДНЫЕ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ 28319.4. СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА (+2) 284Глава 20. УГЛЕВОДОРОДЫ 28820.1. КЛАССИФИКАЦИЯ 28820.1.1. Алканы 28820.1.2. Сведения о конформациях 28920.1.3. Насыщенные циклические соединения 29320.1.4. Алкены 29720.1.5. Сопряженные алкадиены 29820.1.6. Ароматические соединения 29920.1.7. Ал кины 30120.2. ИЗОМЕРИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ...30220.2.1. Структурная изомерия 30220.2.2. Оптическая изомерия 30620.2.3. Геометрическая изомерия 31020.2.4. Номенклатура органических соединений 31320.3. СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ 31620.3.1. Химические свойства алканов и циклоалканов 31620.3.2. Химические свойства алкенов 32120.3.3. Химические свойства сопряженных алкадиенов 32620.3.4. Химические свойства алкинов 32920.3.5. Химические свойства аренов 33120.3.6. Синтез углеводородов 34320.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТАРЕНОВ 346Глава 21. ГАЛОГЕНЫ 34921.1. ЭЛЕМЕНТЫ, ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА 34921.2. ГАЛОГЕНИД-ИОНЫ 35221.3. ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ 35521.4. КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ГАЛОГЕНОВ 360Глава 22. КИСЛОРОД 36322.1. ЭЛЕМЕНТ, ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО 36322.2. СУПЕРОКСИД-АНИОН-РАДИКАЛ 36622.3. ОЗОН 36722.4. ПЕРОКСИДЫ 36922.5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ПЕРОКСИДЫ 37122.6. ОКСИДЫ 37222.7. СПИРТЫ, ФЕНОЛЫ 37322.7.1. Классификация и номенклатура 37322.7.2. Способы получения спиртов и фенолов 37422.7.3. Свойства спиртов и фенолов 37522.7.4. Важнейшие представители спиртов и фенолов, их практическое значение .38022.8. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ 381Глава 23. СЕРА 38423.1. ЭЛЕМЕНТ, ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО 38423.2. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ СЕРЫ (-2) 386
23.3. ТИОЛЫ, ТИОЭФИРЫ (СУЛЬФИДЫ) 38623.4. СОЕДИНЕНИЯ СЕРЫ (+4) 39123.5. СОЕДИНЕНИЯ СЕРЫ (+6) 39323.6. ТИОСУЛЬФАТ-ИОН 39523.7. ДРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ 6 ГРУППЫ 396Глава 24. АЗОТ 39824.1. ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО, ФИКСАЦИЯ АЗОТА 39824.2. АММИАК 40024.3. АМИНЫ 40124.3.1. Классификация и номенклатура 40124.3.2. Амины как органические основания 40324.3.3. Способы получения аминов 40524.3.4. Химические свойства аминов 40724.3.5. Важнейшие представители аминов и их медико-биологическое значение ...40924.4. ГИДРАЗИН И ГИДРОКСИЛАМИН 41124.5. НИТРИТ-ИОН 41224.6. НИТРАТ-ИОН 41424.7. ОКСИДЫ АЗОТА 415Глава 25. ФОСФОР 41925.1. ЭЛЕМЕНТ, ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО 41925.2. ФОСФИН, ФОСФИДЫ 42025.3. КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ФОСФОРА 42125.4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ФОСФАТОВ 42325.5. ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ФОСФОРА 42425.5.1. Получение и химические свойства 42425.5.2. Биологическая роль органических производных фосфорной кислоты 42625.5.3. Биологическая активность алкилфосфонатов 42825.6. МЫШЬЯК, СУРЬМА, ВИСМУТ 43125.6.1. Неорганические производные 43125.6.2. Органические производные мышьяка 432ЧАСТЬ V. ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ 434Глава 26. ОКСОСОЕДИНЕНИЯ 43426.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА 43426.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ 43626.3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 43826.3.1. Реакции присоединения карбонильной группы 43826.3.2. Реакции с участием заместителя при карбонильной группе 44426.3.3. Реакции полимеризации и конденсации альдегидов и кетонов 44626.4. ОТДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ .448
Глава 27. УГЛЕВОДЫ 45027.1. ВВЕДЕНИЕ 45027.2. МОНОСАХАРИДЫ 45127.2.1. Синтез Фишера-Килиани 45227.2.2. Свойства моносахаридов. Мутаротация 45527.2.3. Реакции с участием гидроксильных групп 45927.2.4. Реакции с участием карбонильной труппы 462
27.3. САХАРОПОДОБНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ (ДИСАХАРИДЫ) 46927.3.1. Восстанавливающие дисахариды 47027.3.2. Химические свойства 47227.3.3. Невосстанавливающие дисахариды (сахароза) 47327.4. НЕСАХАРОПОДОБНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ 47527.4.1 47527.4.2. Гетерополисахариды 47927.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 480Глава 28. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ 48128.1. СТРОЕНИЕ И НОМЕНКЛАТУРА 48128.2. ПОЛУЧЕНИЕ 48328.3. СВОЙСТВА КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ 48528.3.1. Кислотные свойства 48528.3.2. Окислительно-восстановительные превращения 48628.3.3. Декарбоксилирование 48728.3.4. Влияние карбоксильной группы на заместитель 48728.4. ПРОИЗВОДНЫЕ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ 48828.4.1. Галогенангидриды 48928.4.2. Ангидриды карбоновых кислот 48928.4.3. Сложные эфиры 48928.4.4. Амиды 491Глава 29. ЛИПИДЫ 49329.1. СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ 49329.2. СТЕРОИДЫ 49729.3. ПРОСТАГЛАНДИНЫ 49929.4. СВОЙСТВА ЛИПИДОВ 499Глава 30. ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ 50330.1. МОЧЕВИНА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫЕ 50430.2. ПИРИМИДИНОВЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ МОЧЕВИНЫ 50530.3. ПУРИНОВЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ МОЧЕВИНЫ 508Глава 31. Н У КЛ ЕОТИДЫ 51131.1. МОНОНУКЛЕОТИДЫ 51131.2. ПОЛИНУКЛЕОТИДЫ 51631.3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ 518Глава 32. ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 52032.1. ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 52032.1.1. Классификация и номенклатура 52032.1.2. Стереоизомерия гидроксикарбоновых кислот 52032.1.3. Способы получения гидроксикарбоновых кислот 52332.1.4. Химические свойства гидроксикарбоновых кислот 52432.1.5. Значение гидроксикислот 52532.2. ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ 52632.2.1. Пировиноградная кислота 52632.2.2. Ацетоуксусная кислота и ее эфир 528Глава 33. АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ 53033.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ 53033.2. СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ 535
33.2.1. Реакции с участием аминогруппы 53533.2.2. Реакции с участием карбоксильной группы 53533.2.3. Реакции с участием групп NH2 и СООН 53633.3. ПОЛИПЕПТИДЫ 53733.4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ПОЛИПЕПТИДОВ 53933.5. ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТОЧКА АМИНОКИСЛОТ 54433.6. ПОЛИАМФОЛИТЫ 546Глава 34. ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ 54834.1. ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ КИНЕТИКИ 54934.2. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ 55134.3. КОФАКТОРЫ 55534.4. ВАЖНЕЙШИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ 55834.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ГОМЕОСТАЗА 561Глава 35. ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ 56835.1. МЕТАЛЛЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ 56935.2. ХЛОРОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ 57735.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРЫ 57835.4. МЕТАБОЛИЗМ КСЕНОБИОТИКОВ 584Глава 36. ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА 59036.1. ПРИНЦИПЫ ХИМИОТЕРАПИИ 59136.1.1. Антибактериальная химиотерапия 59236.1.2. Химиотерапия рака 59636.1.3. Противовирусные препараты 60136.2. СТЕРЕОХИМИЯ И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ 60336.2.1. Фармакокинетические различия в действии оптических изомеров 60436.2.2. Фармакодинамические различия в действии оптических изомеров 60536.2.3. Геометрическая изомерия и биологическая активность 60836.2.4. Конформационная изомерия и биологическая активность 609ЧАСТЬ VI. МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ 611Глава 37. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ 61137.1. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ 61137.2. АДСОРБЦИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ГАЗ 61437.3. АДСОРБЦИЯ НА ГРАНИЦАХ ГАЗ - ЖИДКОСТЬ, ЖИДКОСТЬ -
ЖИДКОСТЬ, ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ 61637.4. АДСОРБЦИЯ НА ГРАНИЦЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - РАСТВОР 62137.5. АДСОРБЦИЯ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 62337.6. ИОНООБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ 624Глава 38. ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 62638.1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ 62638.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ 62838.3. ОЧИСТКА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ 63038.4. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИОФОБНЫХ
КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ 63138.4.1. Диффузия 63238.4.2. Седиментация 632
38.5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИОФОБНЫХ КОЛЛОИДНЫХ
РАСТВОРОВ 63338.6. СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ 63438.7. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ
63638.8. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ 63738.8.1. Влияние ^-потенциала на свойства коллоидных растворов 63738.8.2. Определение ^-потенциала 63838.9. КОАГУЛЯЦИЯ 63938.10. КОЛЛОИДНАЯ ЗАЩИТА 64238.11. КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ
ВЕЩЕСТВ. СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ 643Глава 39. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВ 64639.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ 64639.2. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ВМС 64839.3. РАСТВОРЫ ВМС 64839.3.1. Колигативные свойства растворов ВМС 64939.3.2. Мембранное равновесие Доннана 64939.3.3. Вязкость 65139.3.4. Набухание и застудневание 65339.3.5. Нарушение устойчивости растворов ВМС 65439.3.6. Свойства студней 654ЧАСТЬ VII. МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ 657Глава 40. s-МЕТАЛЛЫ 65840.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 65840.2. КОМПЛЕКСЫ КАТИОНОВ S-МЕТАЛЛОВ 66040.3. ХЛОРОФИЛЛ 664Глава 41. d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 66641.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 66641.2. ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ КОМПЛЕКСЫ 66841.2.1. Гемоглобин и миоглобин 66941.2.2. Цитохромы 67141.2.3. Каталаза и пероксидаза 67241.2.4. Негемовые железосодержащие белки 67341.2.5. Железо-серосодержащие белки 67541.3. ЦИНКСОДЕРЖАЩИЕ КОМПЛЕКСЫ 67641.4. МЕДЬСОДЕРЖАЩИЕ БЕЛКИ 67741.5. КОРРИНОИДЫ 67941.6. МОЛИБДЕНСОДЕРЖАЩИЕ ФЕРМЕНТЫ. ФИКСАЦИЯ АЗОТА 680Глава 42. КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ В МЕДИЦИНЕ 68342.1. КОМПЛЕКСЫ КАК ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА 68342.2. ХЕЛАТИРУЮЩИЕ ЛИГАНДЫ В МЕДИЦИНЕ 684Список литературы 693АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 694
ВВЕДЕНИЕМедик без довольного познания химии
совершенен быть не может.М. В. ЛомоносовПреподавание химии в медицинских вузах складывалось параллельно развитию химии
в целом. Так как медицине обучали в основном в университетах, то и курс химии для меди¬
ков представлял собой адаптированную к нуждам медицины модель университетского хи¬
мического курса. Медикам отдельно преподавали неорганическую, физическую, коллоид¬
ную, аналитическую и органическую химию в пределах первых двух курсов обучения, в то
время как химики изучают эти дисциплины (наряду с другими) в течение всего пятилетне-
го обучения.Дробление курса, которое в ряде медицинских институтов в той или иной форме со¬
хранилось до настоящего времени, препятствует выработке у будущих врачей целостного
восприятия химии. Положение усугубляется возникновением и бурным ростом таких
биологических (а не химических) дисциплин, как бионеорганическая, биофизическая и
биоорганическая химия, которые зачастую стали подменять собой химию как фундамен¬
тальную дисциплину.Между тем, еще во времена Н. Н. Зинина, заложившего основные принципы препода¬
вания химии для будущих врачей в нашей стране, химия рассматривалась как единая ес¬
тественно-научная дисциплина. Зинин формулировал: «Самую тесную связь химии со
всей областью медицинских знаний... уже никто оспаривать не будет. Соображая эту тес¬
ную связь, ...делается понятным, что для каждого врача изучение физики и химии долж¬
но составлять один из предметов первой важности в ряду его занятий».Принципы преподавания естественно-научных дисциплин базируются на единстве фун¬
даментальных курсов, общие законы которых необходимо знать каждому образованному ме¬
дику. Другой общий принцип состоит в медико-биологической направленности, профессио¬
нальной ориентированности курса. Наконец, необходимо соблюдение единства лекционного
курса и химического практикума, который должен включать в себя необходимый минимум
химических и физико-химических методов, применяемых в медицине.В условиях все большего внедрения достижений естественных наук в практическую меди¬
цину отчетливо прослеживается изменение приоритетов в преподавании химии в медицин¬
ских институтах, требующего в настоящее время не столько ознакомления с фактологической
стороной изучаемой дисциплины, сколько формирования целостного физико-химического
подхода к изучению человеческого организма
14ВВЕДЕНИЕПодход, положенный в основу настоящего учебника, ориентирован на снятие традици¬
онного разделения курса на неорганическую, органическую и физическую химии. Такое рас¬
членение учебного материала, естественное и оправданное при подготовке профессиональ¬
ных химиков, в медицинском вузе оказывается тормозом на пути формирования единого
физико-химического мировоззрения, необходимого современному клиницисту.В основу учебника положен курс, много лет читаемый авторами на кафедре химии Во¬
енно-медицинской академии, которая свыше двухсот лет своего существования оставалась
единой и где, с одной стороны, формировались общие принципы обучения (первый отече¬
ственный химический учебник создан А. Шерером в первой четверти XIX века, химический
практикум для врачей впервые в нашей стране введен А. II. Бородиным в 60-х годах XIX ве¬
ка, физическая и коллоидная химия - С. В. Лебедевым в 20-х годах XX века), а с другой сто¬
роны, утверждалась медико-биологическая ориентация (кафедра биохимии отделилась от
кафедры химии в 90-х годах XIX столетия).Химия как наука о веществах и их превращениях сложилась в качестве самостоятель¬
ной дисциплины во второй половине XVIII века благодаря усилиям таких великих иссле¬
дователей, как М. В. Ломоносов, А. Лавуазье и др., которые придали ей количественный ха¬
рактер. Однако связь химии с медициной началась еще до ее количественного оформления.
Возникшее в XVIII веке направление в естествознании, известное под названием ятрохимии,
отводило главную роль в образовании болезней нарушению естественного хода химических
процессов в организме, а способом их лечения считалось отыскание химических средств.
Наивные представления исследователей того времени получили научную основу уже в XIX
столетии, когда бурный прогресс науки и техники нашел, пожалуй, свое самое яркое выра¬
жение в химии.Развитие атомистических представлений привело к формулировке двух фундаменталь¬
ных обобщений в области химии, а именно — к Периодическому закону (Д. И. Менделеев,
1869 г.) и к открытию теории строения органических веществ (А. М. Бутлеров, 1861 г.). Эти
открытия, в свою очередь, породили блестящий этап в развитии химии, который известен
как «триумфальное шествие органической химии» и который приходится на последнюю
треть XIX столетия. В этот период наряду с другими результатами были достигнуты впечат¬
ляющие успехи в области химии природных соединений - сахаров, пигментов и даже бел¬
ков. Именно в это время формируется такая область биологической науки, как биохимия,
которая изучает превращение химических веществ в живых организмах. Стало очевидным,
что «только физика и химия дают ключ к разъяснению всех сложных и до бесконечности
разнообразных физиологических и патологических процессов, которые совершаются в ор¬
ганизме» (Н. н. Зинин). Однако подлинный триумф химия в союзе с биологией и медици¬
ной празднует в настоящее время.Используя современный арсенал физико-химических и физических методов синтеза,
анализа и выделения веществ (хроматография, спектроскопия, электронная микроскопия,
рентгенография и др.), химия успешно объясняет важнейшие медико-биологические зако¬
номерности на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Были интерпретированы хими¬
ческие механизмы таких фундаментальных явлений, как фотосинтез, биологическое окис¬
ление, процессы метаболизма и др. С помощью специальных экспериментов были вскрыты
основные закономерности химической эволюции, подводящие нас к истолкованию процесса
возникновения жизни. С химических позиций были объяснены явления наследственности
и биосинтеза белков, жиров, углеводов и прочих биомолекул. Благодаря исследованию
структуры и свойств ферментов, гормонов и витаминов стало возможным управлять процес¬
сами жизнедеятельности, решить проблемы многих патологических явлений и состояний,
ВВЕДЕНИЕ15подойти вплотную к химическому истолкованию возникновения таких сложных патологи¬
ческих процессов, как злокачественные опухолевые образования, явления старения и др.Химики в настоящее время успешно синтезируют чрезвычайно сложные биомолекулы,
относящиеся к семействам витаминов, гормонов и ферментов, выясняют механизм их дей¬
ствия, разрабатывают технологические способы их получения. Успехи химиотерапии при¬
вели к получению физиологически активных и лекарственных веществ самого широкого
спектра действия (антибактериальные, противовоспалительные, жаропонижающие, психо¬
фармакологические и другие средства).Благодаря успехам химии стало возможным лечить некоторые болезни обмена веществ
(например, диабет), излечивать заболевания, ранее считавшиеся неизлечимыми. 11аиример,
в результате применения антибиотиков и химиотерапевтических средств смертность от ту¬
беркулеза снизилась на 80 процентов. Принято считать, что полезный эффект от лечения в
развитых странах на 70 процентов зависит от применения лекарств. Развитие химии инсек¬
тицидов и репеллентов является важнейшим фактором в борьбе со многими инфекционны¬
ми заболеваниями (например, малярией, сонной болезнью и др.). Прогресс в области син¬
тетических материалов привел к разработке современных методов протезирования тканей
и отдельных органов (искусственная почка, искусственное сердце и т.д.). Найдены новые эф¬
фективные кровезаменители.Медик должен быть ознакомлен со свойствами биоэлементов (а их свыше пятидесяти).
Содержание каждого из них поддерживается в узких и постоянных границах, и отступление
от нормы приводит к патологическим состояниям.Медик должен ориентироваться в строении и свойствах химических веществ, а их насчи¬
тывается свыше пятнадцати миллионов. Около 10 ООО из них входят в состав тканей чело¬
веческого организма, многие тысячи насчитывают разнообразные лекарственные препа¬
раты и физиологически активные вещества растительного и животного происхождения.
Многие и многие вещества оказывают вредное (токсическое, канцерогенное и др.) действие
на организм. Достаточно сказать, что на каждого жителя Санкт-Петербурга в год приходится
до 100 килограммов потенциально опасных веществ, поступающих в окружающую среду в
результате хозяйственной деятельности.Медику необходимо ориентироваться в законах, управляющих ходом химических ре¬
акций в живых системах. Ведь биохимические процессы в целом определяются совокуп¬
ностью нескольких тысяч химических реакций, каждая из которых отличается своими спе¬
цифическими особенностями.Наконец, медик должен владеть арсеналом химических и физико-химических методов
исследования, без которых немыслима деятельность современного врача.В учебнике используются некоторые термины, которые широко употребляются в биохи¬
мии, физиологии, токсикологии, фармакологии и др. медико-биологических дисциплинах.
Во избежание их неправильного использования читателями ниже приводим их общеприня¬
тое толкование.Организм - любое живое существо.Гомеостаз — автоматически регулирующийся процесс, с помощью которого организм
проявляет тенденцию к поддержанию устойчивости своей внутренней среды для приспособ¬
ления к условиям, которые являются оптимальными для его жизнеобеспечения.Метаболизм — совокупность химических реакций, протекающих в организме и обеспе¬
чивающих его веществами и энергией.Метаболиты - вещества, образующиеся в тканях, органах и клетках организма в про¬
цессе метаболизма.
16ВВЕДЕНИЕАнтиметаболиты — природные или синтетические биологически активные вещества,
близкие по строению к метаболитам и вступающие с ними в конкурентные отношения в
метаболических процессах.Ферменты (энзимы) — специфические белки, которые находятся в клетках организма
и выполняют роль катализаторов метаболических процессов.Активный центр фермента — особый участок поверхности фермента, на котором про¬
исходит катализируемая им реакция.Коферменты (кофакторы) — органические соединения небелковой природы, участву¬
ющие в ферментативной реакции в качестве акцепторов отдельных атомов или групп атомов.Витамины — разнообразные органические вещества, требуемые организму в микроко¬
личествах для поддержания его метаболизма.Алкалоиды — физиологически активные азотсодержащие органические вещества пре¬
имущественно растительного происхождения.Антибиотики — вещества, синтезируемые микроорганизмами и подавляющие рост мик¬
робов, а также вирусов и клеток.Гормоны — биологически активные вещества, вырабатываемые железами организма и
выделяемые непосредственно в кровь.Пестициды — химические средства, используемые в борьбе с вредителями сельского хо¬
зяйства.
ЧАСТЬ IФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИХимию в ее современном состоянии...
можно назвать учением об элементах.Д. И. МенделеевГлава 1.АТОМСвойства простых и сложных тел нахо¬
дятся в периодической зависимости от
атомного веса элементов.Д. И. МенделеевКонец XIX и начало XX века были ознаменованы фундамен¬
тальными открытиями, во многом определившими пути развития
современной физики и химии. К ним следует отнести обнаружение
радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), рентгеновского излучения
(В. Рентген, 1895 г.), идею квантования энергии атома (М. Планк,1900 г.), открытие фотоэффекта (А. Эйнштейн, 1887 г.) и электрона
(Дж. Томсон, 1897 г.), установление линейчатого характера спектров
атомов и т.д.Накопление экспериментального материала вызвало необходи¬
мость в создании такой теории строения атома, которая бы удовлетво¬
рительно объясняла имеющиеся экспериментальные данные и нахо¬
дилась бы в согласии с Периодическим законом Д. И. Менделеева.В свое время предлагались различные модели атома: «пудинговая» модель (Дж. Томсон,
1904 г.), планетарная (Э. Резерфорд, 1907 г.), модель Бора (Н. Бор, 1913 г.). Они представ¬
ляют в настоящий момент лишь исторический интерес, т.к. внутренняя противоречивость
и ограниченность заставили вскоре отказаться от этих моделей. В 20-е годы прошлого сто¬
летия была создана квантово-механическая модель, которая на данном этапе развития науки
дает наилучшее представление о строении атома.Н Бор
(1885- 1962)1.1. Квантово-механическое описание атома водородаКвантовая (или волновая) механика основывается на том, что любые материальные
частицы одновременно обладают и волновыми свойствами. Впервые это было предсказано
Л. де Бройлем, который в 1924 г теоретически показал, что частица с массой т и скорость'
18ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИь может быть ассоциирована с волновым движением, длина волны которого X определяет¬
ся выражением:mv ’где h (постоянная Планка) = 6,625610^7эрг-с = 6,6256-10 йДж-с.Вскоре это предположение было подтверждено явлениями дифракции электронов и ин¬
терференции двух пучков электронов.Двойственная природа элементарных частиц (корпускулярно-волновой дуализм) - ча¬
стное проявление общего свойства материи, однако ожидать его следует только для микро¬
объектов. Это видно из следующего примера. Теннисный мяч массой 50 г, летящий со скоростью25 м/с, ассоциируется по расчету с волной, имеющей ничтож¬
но малую длину А = Ю лсм. Поэтому волновыми свойствами
макрообъектов можно смело пренебречь. Таким образом, кор¬
пускулярно-волновой дуализм не вносит изменений в описа¬
ние движения макроскопических объектов с помощью зако¬
нов классической механики В то же время для микрочастицы
электрона, масса которого равна 9-10 ^г и в электронно-луче¬
вой трубке обычна скорость порядка 10* см/с. длина волны
собственных колебаний, вычисленная но вышеприведенному
уравнению, составляет = 10 Чм. Другими словами, пучок та¬
ких электронов ведет себя в известном смысле как электро¬
магнитное излучение той же длины волны (л о соответству-
Рис 1 1 Дифракция электронов ет рентгеновскому излучению).Волновые свойства микрочастиц выражаются в ограни¬
ченной применимости к ним таких понятий, которыми характеризуется макрочастица в
классической механике, как координата (x,y,z) и импульс (р = т-г). Если в макромире, за¬
давая координаты и импульс тела, можно однозначно предсказать, где оно будет находить¬
ся в любой момент времени, то в микромире можно лишь вычислить вероятность нахож¬
дения частицы в определенном объеме пространства. Другими словами, для микрочастиц
всегда имеются неопределенности в координате и импульсе, связанные соотношением Гей¬
зенберга:Ax - Арх >htгде Ах - неопределенность координаты, а Арх - неопределенность импульса.Согласно принципу неопределенности, движение микрочастицы невозможно описать оп¬
ределенной траекторией и нельзя представить движение электрона в атоме в виде движения
по конкретной круговой или эллиптической орбите, как это было принято в молили БораОписание движения электрона может быть дано при помощи волн де Бройля. Волна, oi -
вечающая микрочастице, описывается волновой функцией \|/ (х, г/, г). Физический смысл
имеет не сама волновая функция, а только произведение квадрата ее модуля на элемеп гар¬
ный объем \\\f\2-dz\ равное вероятности нахождения электрона в элементарней: опъиме
dv = dx-dy-dz.Описать состояние частицы в квантовой механике означает определить вероятность на¬
хождения этой частицы в любом элементе пространства Поэтому было необходимо наш и
уравнение, которое описывало бы движение как свободной частицы, так и частицы в си то-
вом поле.
ATOM19Таким уравнением явилось волновое уравнение Шредингера (1926 г.), которое связывает
волновую функцию с потенциальной (U) и полной (Е) энергией электрона:VV^(E-lOV=0._2 d2\if d2\\r d2\\f „ ,где V \|f = —j + y + — сумма вторых производных волновой функции \|/ но коорди¬
нат dy dzнатам; т — масса электрона; h — постоянная Планка.Волновое уравнение Шредингера — это математическая модель атома. Она отражав:
единство корпускулярных и волновых свойств электрона. Не вдаваясь в анализ уравне¬
ния Шредингера, укажем, что решить его — значит найти удовлетворяющую ему волновую
функцию \|/. Это дифференциальное уравнение имеет бесчисленное множество решений, но
интерес представляют лишь те, для которых найденное значение |\jf\2 • dv не противоречит фи -
зическим представлениям. Каждому приемлемому решению волнового уравнения (\j/,, v •
\|/^... \j/J соответствует определенное значение энергии (Еь Е2, Ejf... Еп), т.е. квантование энер¬
гии микросистемы непосредственно подтверждается решением уравнения Шредингера.Волновая функция, являющаяся решением уравнения, называется орбиталью. Описать
орбиталь, т.е. каждое состояние электрона в атоме, можно с помощью набора трех квантовых
чисел, значения которых входят в модифицированное уравнение Шредингера и определя¬
ют его приемлемые решения.Главное квантовое число (п) принимает целые положительные значения и определя¬
ет энергию, а, следовательно, и среднее расстояние электрона от ядра. Поэтому, когда речь
идет о главном квантовом числе, принято считать, что оно характеризует определенный
энергетический уровень: п= 1,2,3... При п = 1 электрон находится на первом энергетическом
уровне и т.д.Орбитальное (побочное) квантовое число (/) характеризует «форму» орбитали - плот¬
ность вероятности нахождения электрона у ядра и принимает целочисленные значения от
нуля до (п-1). Обычно квантовое число /обозначают буквами:/ 0 1 2 3 4 5Обозначение s р d f g hМагнитное квантовое число принимает значения: 0, ± 1, ±2, ±3,... ±/и определяет
ориентацию орбитали в пространстве. Таким образом, все три квантовых числа п, /, т1 свя¬
заны между собой.В табл. 1.1 приведены наборы квантовых чисел и символы атомных орбиталей.Из таблицы 1.1 видно, что для любого значения п имеется одна орбиталь 5-типа; на¬
чиная с п = 2, т.е. на втором энергетическом уровне, появляется набор из трех р-орбита¬
лей и т.д.Любая 5-орбиталь (рис. 1.2) сферически симметрична, а по мере увеличения главного
квантового числа я максимум концентрации электронной плотности располагается все даль¬
ше и дальше от ядра. Каждая р-орбиталь состоит из положительной и отрицательной долей
(знак волновой функции в данной области пространства), расположенных вдоль положи¬
тельного и отрицательного направления данной координатной оси. В каждом наборе име
ется три орбитали р-типа - pv рц, рг
20ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
Квантовые числа атомных орбиталей[4.1Таблица 1.1п1ж,Символорбитали100Is2002s1-1 0 +12р3003s1-1 0 +1Зр2-2 -1 0 +1 +23d4004s1-1 0 +14р2-2 -1 0 +1 +24d3-3 -2 -1 0 +1 +2 +34fРис 1.2 Форма и пространственная ориентация
электронных орбиталей s-, р- и d-электроновСуществует пять типов rf-орбиталей, которые можно представить различными способа¬
ми, чаще всего, как показано на рис. 1.2.В каждом наборе, начиная с п = 4, имеется семь /-орбиталей. Они слабо участвуют в об¬
разовании химических связей и здесь нет необходимости их рассматривать.Позднее для характеристики состояния электрона в атоме было введено четвертое кван¬
товое число — спиновое (ms), необходимость которого вытекала из теории относительности.Смысл понятия спин (от английского spin — веретено) в модельном представлении
означает, что электрон совершает вращение вокруг собственной оси. При этом электрон об¬
ладает собственным магнитным моментом, вектор которого параллелен вектору магнитно¬
го поля, но либо совпадает (параллелен) с ним по направлению, либо противоположен (ан-
ГЛ. 1]ATOM21Рис 13 Две возможности вращательных движений электрона
Стрелки Т ui - обозначение направления спинового момента Магнитные поля, возникающие в связи
с наличием спина электрона, представлены в виде магнитных стержнейтипараллелен) ему (рис. 1.3). В соответствии с этим спиновое квантовое число для электрона
может иметь только два значения ms = ±у2. Следует помнить, что спин — фундаментальное
свойство любой микрочастицы, которое не сводимо к какому-либо другому более простому
свойству.Уравнение Шредингера можно строго решить только для атома водорода — простей¬
шего атома, состоящего из одного протона и одного электрона. В результате получается на¬
бор значений энергии, сответствующих основному (энергия минимальна) и возбужденным
состояниям. Основным состоянием атома водорода будет 15-состояние, а порядок после¬
дующих энергетических уровней будет определяться только значением главного кванто¬
вого числа:15 < 2s = 2р < 3s = Зр = 3d< As = Ар = Ad = 4/< 5s...Поскольку для атома водорода квантовые числа /, ть ms не вносят ничего в энергию элек¬
тронного состояния, все возможные состояния в пределах уровня должны быть энергетиче¬
ски равны. Это означает, что в спектре испускания возбужденного атома водорода должны
наблюдаться только единичные линии (линейчатый спектр). Однако из опыта хорошо из¬
вестно, что в спектре водорода существует тонкая структура. Такое несоответствие объяс¬
няется тем, что приведенная выше последовательность энергетических уровней является ре¬
зультатом расчетов, основанных на нерелятивистском (т.е. без учета выводов теории
относительности) подходе к атому водорода в отсутствие внешнего магнитного или элек¬
трического поля. Используя релятивистскую форму волнового уравнения, предложенного
Дираком, можно получить невырожденную последовательность уровней, полностью соот¬
ветствующую тонкой структуре спектра атома водорода, при которой каждый тип орбита-
лей отличается от других.1.2. Строение многоэлектронных атомовАтомы всех элементов, кроме водорода, многоэлектронны. Распределение электронной
плотности в атоме, энергию связи электрона с ядром и другие физические характеристики
можно найти, решив уравнение Шредингера. Однако для многоэлектронных атомов точное
решение этого уравнения пока невозможно, т.к. слишком велики математические трудности,
вызванные необходимостью учета взаимодействий электронов с ядром и друг с другом. В
квантовой механике можно найти лишь приближенное решение задачи для системы мног^
электронных атомов. В настоящее время существуют различные методы приближений, ко¬
22ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1торые дают удовлетворительное совпадение вычисленных и экспериментально найденных
свойств атомов.При определении реальной электронной конфигурации любого атома следует руковод¬
ствоваться принципом минимума энергии, который состоит в том, что электрон в первую
очередь занимает наиболее энергетически выгодную орбиталь.Заполнение орбиталей электронами происходит в соответствии с фундаментальным
принципом исключения (принцип Паули, 1925 г.), который гласит: в одном атоме не может
быть двух электронов с одинаковым набором всех четырех квантовых чисел.Важнейшее следствие из этого принципа состоит в том, что на каждой орбитали может
быть не более двух электронов, имеющих антипараллельные спины (различные знаки кван¬
тового числа ms).Последовательность заполнения орбиталей электронами определяет электронную кон¬
фигурацию атома. Для атома водорода это просто указание, на какой орбитали находит¬
ся единственный электрон. Так, 15-орбиталь, имеющая наименьшую энергию, будет занята
электроном для атома водорода в невозбужденном состоянии, 25,35,45 и т.д. для разных воз¬
бужденных состояний.Для многоэлектронных атомов применяют такие же обозначения. Количество электро¬
нов на орбиталях каждого типа указывают верхним индексом. Так, для атома водорода элек¬
тронная конфигурация записывается 151, для гелия — 152, для лития — \s22sx и т.д.Кроме приведенной буквенной записи электронной конфигурации, в которой находят
отражения лишь главное и орбитальное квантовые числа, используют графическую форму,
отражающую все четыре квантовых числа. Каждая орбиталь условно обозначается квадра¬
том, а электроны — стрелками, направление которых указывает взаимное расположение век¬
торов спина. чw2Не Is2113Li 1s22s1гti4Ве 1s22s25В ls22s22p1иUtUtiПри заполнении р-, d- и /-орбиталей пользуются правилом Хунда: наиболее устойчивой
конфигурацией среди нескольких возможных с одинаковой энергией является та, которая
содержит наибольшее число неспаренных электронов. Поэтому при последовательном за¬
полнении р-орбиталей первые три электрона располагаются по одному на разных орбита¬
лях с одинаковыми спинами (неспаренные электроны), и лишь затем происходит заполне¬
ние орбиталей электронами с антипараллельными спинами. По правилу Хунда происходит
заполнение электронных уровней для атомов углерода, азота, кислорода, фтора и неона. У
неона оказывается полностью заполненным второй уровень, и при переходе от него к nNa
еще один электрон будет входить в третью оболочку.У следующих восьми элементов происходит постепенное заполнение сначала 35, а затем
Зр-орбиталей, которое заканчивается у инертного газа аргона.
ГЛ. 1]ATOM236С ls22s22p2 7N ls22s22p3Uт tUt t tUп80 ls22s22p4 9F ls22s22p5 10Ne ls22s22p6utl t tuti tittiti ti titiTitiПо мере увеличения главного квантового числа происходит уменьшение разницы энер¬
гий между уровнями: уровни начинают взаимно проникать друг в друга и в результате ока¬
зывается, что 45-орбиталь имеет более низкую энергию, чем Зг/-орбиталь. Поэтому у калия
и кальция заполняется 4Б-орбиталь и лишь затем от скандия до
цинка происходит заполнение Зб/-орбиталей. У последующих
элементов периода заполняются 4р-орбитали.На основании изучения линейчатых спектров атомов была
установлена следующая последовательность по энергии атомных
орбиталей (АО) для многоэлектронных атомов:\s < 2s < 2р < 3s < Зр < As < 3d < Ар < 5s < Ad < 5р < 6s < Af~~5d<6p<7sn т.д.Схема энергетической последовательности электронных уров¬
ней приведена на рис. 1.4.Для запоминания удобно пользоваться правилом Клечковско-
го: увеличение энергии и соответственно заполнение атомных
орбиталей происходит в последовательности возрастания суммы
квантовых чисел (п + /), причем в группе с одинаковым значени¬
ем (п + /) первыми следуют уровни с меньшим значением глав¬
ного квантового числа п (табл. 1.2).Небольшие отклонения от общей последовательности вызва¬
ны тонкими эффектами, обусловленными полностью заполнен¬
ными, заполненными наполовину и свободными орбиталями
одного уровня, которые имеют дополнительный выигрыш в
энергии по сравнению с другими электронными конфигурациями. Поэтому атом хрома име¬
ет электронную конфигурацию 3cPAs\ (а не 3d4As2), а медь 3d™Asx (но не 3cPAs2). Те же откло¬
нения наблюдаются у аналога хрома молибдена, а также у элементов подгруппы меди — се¬
ребра и золота.Взаимное проникновение электронных уровней обусловливает дальнейший порядок их
заполнения. Для элементов с большими порядковыми номерами истинная электронная кон¬
фигурация устанавливается экспериментально (табл. 1.3).Порядок заполнения электронных оболочек элементов и определяет их расположение и
Периодической системе Д. И. Менделеева, предложенной им в 1869 году (рис. 1.5).оболочки
п= 1 2 3 4 5 6ddpsdJP_s_p_sspssРис. 1.4. Расположение
энергетических уровней
в многоэлектронных атомах
(примерная схема).
24ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
Заполнение электронами энергетических уровней атомов[4.1Таблица 12Сумма
п + 1п/СостояниеСумма
п + 1п1Состояние110Is6424d6515р2202s6606s3212р7434f3303s7525d7616р431Зр7707s4404s8535f5323d8626d5414р8717p5505s8808s1.3. Периодическое изменение свойств элементовЗакономерности изменения электронных конфигураций элементов находят свое общее вы¬
ражение в Периодическом законе, впервые сформулированном Менделеевым. В современнойинтерпретации Периодический закон гласит, что свойства
элементов, а также формы и свойства их соединений находят¬
ся в периодической зависимости от заряда атомных ядер эле¬
ментов. Наглядным выражением этого закона служит Пери¬
одическая система Д.И. Менделеева (см. табл. 1.3).При этом под элементом Э подразумевают совокупность
атомов с одинаковым зарядом ядра, что не следует путать с
простым веществом. Простые вещества записывают симво¬
лом Эп1 где п может принимать различные целочисленные
значения. Например, для элемента кислорода существуют
такие разновидности простых веществ, как молекулярный
кислород 02 и озон 03.Собственно говоря, строение внешней, или, как принято
говорить, валентной электронной оболочки уже представля¬
ет собой периодическую функцию заряда ядра.Радиус атома (гэ). Радиус атома во многом определяется радиусом внешних (вален¬
тных) орбиталей. С позиций квантовой механики изолированный атом не имеет строго оп¬
ределенного размера, так как электронная плотность равна нулю лишь при бесконечном
удалении от ядра. Однако электронная орбиталь становится размытой уже на расстоянии
нескольких ангстремов от ядра. 1 Ангстрем (А) равен 10'8 см.Д И Менделеев
(1834-1907)
Электронные конфигурации атомов в их основном состоянииГЛ. 1]АТОМ25а5ГзvgЙ» *5 я3 яж *о tа ин g4 ил §СОЧНCNШin00ОчЧО'гНО■чН■чНCNCNCNtHCNчНЧ-НчНCNCNCOЮcoCOCOCOCOCOCOCOCOCDСОсоСОООООоООоооооОоооОоооЮCO00Ч-НчН'чН■чНЧ-Н■чЧтНчНT-1ч-НT-Hч—1ч—1-Г-Нт—<T-H'ГНCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCOCOCOCOСОСОсоCOCOCDCOCOCOCOCOCOCOCDCOCDCOСОСОСОCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCOCOCOCOСОСОсоCOCOCOCOCOcoCOCOCOCOCDCOcoCOСОСОСОCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNюg * &|5 3 *
о. n SОООа * *lOCDNOOOiOTHCNCO^lOCONOOOiOTHCNCO^lOCDNOOCNCNCNCNCNnC0C0C0C0C0C0C0C0C04f4f4f^4j^4fvf4ft№ *
3 К
а вв I0 g1 s* 5
® §COтн CN M Irt
тн CN CN CN M H'HCNM^lrtWCOCDO^CDCD▼HCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCN'iHCNCOvflincOCOCOCDCDCOCDCOCOCDCOCDCOCOCD^HCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCN• HS xч a;Л SCNи *5 qJ
J3 ^
а м S
ooo
д « к
Продолжение таблицы 1.326ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛCDТЗCD<4-4юС/5оСХCDПДюЧ-нелCDаш4300юОнсосоО оОЪ тН чНЧ* Ч* ЧГ
тН -чН тНтН тН счCD CD CD
ОООт—( т—I т—<СМ СМ СМ
CD CD CD
ОООтНCNтЧтНтНтНсмсоvj<юотНCNсоЧГсмСОсо1>О)тНтНтНтЧтНтНтНтЧтЧтЧтНCNCNCNCNсмCNCNсмCNсмсмсмсмсмсмсмCNсмсмсмЧНCNСОЮCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDСОCDCDООоОООООООООООООООООООООоООтНтНтНтНтНтНт-нт-нт-нт-нТ-НТ-Нт-нт-нТ-Нт—1т—1Т-НТ-НТ-Нт-нт-Нт-Нт-Нт-НТ-НТ-Нч?тНТНтНтНтНТ-Нт-нт-НТ-Нт-Нт-нТ-Нт-НТ-нТ-Нч-1т-нт-НТ-НТ-Нт-нт-Нт-Нт-Нт-нСМСМСМCNCNCNСМСМСМCNсмСМсмсмCNсмсмсмсмСМсмсмСМСМСМсмсмCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDООООООООООоООООООООООООООООт-нт-НТ“Нт-нт-Нт—1ЧТНт-нт-Нт-Нт-нт-Нч"1т-Нт-Нт-н'г“|ч-1т-Нт-Нт-НТ-Н'гНт-Н'гНСМсмCNСМCNСМCNCNсмСМсмСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDОООООООООООООООООООООООООООч—1тНт-Нт-Нт-Нт—1тНт-Нт-Н1Т-Нт-Нт-Н1т-Нт-Нт-нт-Нт-Нт-НСМСМCNCNCNСМСМCNсмсмсмCNсмСМсмсмсмСМСМсмсмСМсмСМСМСМсм^ ^ . ,-н О 4J Й ^ ЁЁ^ч^ сл G2 о »-н ^ £ ЪО-5fi1<KHCiHpqp4<p^pu1pi;<HCi.^Zfx<OPQUWpH2^;i-iP^QcyoP34fооа5о^с^го^1л^^ооа^о^с^оо^ю0^ооа^2оппппппt^^ooooxooooooooooooooa5a)ai0505G50^aiaia)°SSSSSSSнэ1Л<ч-нС/5CDтНтНтНсоюСОтНОтНтНtHCNtHCOтНтгНтНCNVl<tHCOtHtHЮ4i<tHCO4*tHтНсмсмсмсмсмсмсмCNCNCNCNCMCNCNCNCNCNCMCNCNCNCMР-ютЧсмсоvfюCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDОтЧоотНОтНотНОтНОт-НоОТ-НОт-нот-НОт-НОООТ-НОт-нООООт-нООT-HОT-HОT-HоT-HОT-HОT-HООс/зЮCNCNCNсмсмCNСМсмсмСМСМсмсмСМCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMсоР-CDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDСООт-НОт-НОт-НОт-НОт-НОт-НОт-НОт-НОТ-НОТ-НОт-НОт-НОТ-нОт-НОт—lОт-нОT-HОT-HООООT-HОT-HООT-HОООT-HОс/зСМСМСМСМсмСМСМсмСМсмсмСМСМСМCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMQ-соCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDс/зСОСМСМСМСМсмСМСМСМСМСМСМСМСМСМCMCMCMCMCMCMCNCMCMCMCMCMCMCMCMQ.СМCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDС/5СМСМСМСМСМсмСМСМСМСМСМСМСМСМСМCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMV5т-НСМсмсмсмсмсмсмСМсмсмсмсмСМСМCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMCMсмдН—1Д Л rvел оо F►—1XUnblOftZftwwOhQffiWh^iJKiS^Ofr-Hьнт-НСЭЧ1<оют-НюсмюсоюЮююCDЮю00юа>юоCDт-НCDсмCDCOCDCDЮCDCDCDCD00CDCDоT-HCMCO1ЛCD
Группы III IV V VI VII VIIIАТОМ270) олнк<и§О и ^-ZSоCD fa СПоСО О CN00ю PQ о00 5
- < 8?Ь и inсо2 и cn
соCNCNСОи °9
S/J со
^ 0010 л SСП И g^ ° Sсо СЛ gjсо «зсо <Осо N £8 3SS2S^ LOS53SСО 4) ^CN fa LO^ ЩG &
щ^ In ^
CN О CN
N w Щ. 05'T-Н О °.CN СЛо й Г
^ио2 ^ 05СОсоч* *2 ^щ х СПСО ^ CD
^O CNCDЛН CN00ч-1 ^Щ 1/1 CNО Й 00
Щ С/Э00
й 4f
^ н тн$зЗ05чг оCD 33 CD
^ CU огм °*
Ю CN
^ О__ 05
^ ^ ^О 05Sm0500!.“!
со и 52t'- J3 “icotf g0 Й ^00 Рй £j10
00 <чг о 200 Он Яи §CNcn *р г^:
00 Рн оCNCD0 £Рооо Д оCNCN|> ±* CN
•"* 05CD Д О
о 05CNК 3 <®К ооосо л ^
Н ооjrt
10 2соЖ 4? ^ю PQ со05к л ^in U со• ®05 Ц N
00 < CN
^ смо00 «5 CD
00 CN
CNОt''* г*ч со
00 fa CN
CNCNСОюсой) о
К °71Lu175.0CO L t4
О /3 in
4—1 CN70Yb173.0CN 0 Oi0 inи A CN69Tm168.94—1 *T3 CDО м m4-1 « CN68Er167.3100Fm25767Но164.9sag66Dy162.5sag65Tb158.9agg64Gd157.3*5S63Eu152.095Am24362Sm150.494Pu24461Pm144.98 zS60Nd144.292U238.159Pr140.905 0, £>58Ce140.190Th232.0*Рис 15 Периодическая таблица элементов
28 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ [Ч. IХотя абсолютные размеры атомов точно определить невозможно, достоверные суждения
о геометрических параметрах атомов можно получить, пользуясь представлением об эф¬
фективных радиусах атомов. Их оценивают из экспериментальных данных по межъядер-ньш Расстояниям в молекулах и кристаллах. Тогда можно
^ ^ СШ МШ рассматривать атомы как несжимаемые шары, соприкасаю-щиеся своими поверхностями (рис. 1.6). Иными словами,
L* ^ эффективные радиусы атомов — это радиусы, при которыхРис 1.6 Относительные размеры начинается действие вандерваальсовых сил между атомамиатомов элементов I группы. , , n п ч(см. разд. 4.2.2).Радиусы некоторых атомов приведены в табл. 1.4. Из данных таблицы 1.4 видно, что из¬
менение эффективных радиусов атомов носит периодический характер. В периодах они
уменьшаются, что вызвано ростом сил электростатического взаимодействия. С увеличе¬
нием номера периода радиусы растут, так как увеличивается число электронных уровней.
Указанные тенденции иллюстрируются рис. 1.7 и 1.8.В подгруппах d- и/-элементов радиусы атомов имеют тенденцию к плавному убыванию.
Эти явления называют d- и /-сжатием, соответственно.Таблица 1 4Радиусы некоторых атомов rif АН0,37LiBeВСNОF1,551,130,890,770,700,660,64NaMgА1SiРSС11,891,601,431,171,101,040,99К2,36Са1,97Вг1,14Энтальпия ионизации АНf. Энтальпия ионизации (энергия ионизации, потенциал
ионизации)* есть наименьшее количество энергии, необходимое для удаления одного моля
электронов от одного моля свободных атомов какого-либо элемента, находящегося в газо¬
вой фазе в низшем энергетическом состоянии.Эг->Э; +е + ля?.Энтальпию ионизации выражают либо в килоджоулях на моль (кДж/моль), либо в элек-
тронвольтах (эВ).Полная картина изменения энтальпий ионизации в зависимости от атомного номера эле¬
мента показана на рис. 1.9.Следует отметить три основные тенденции изменения АН,0. Во-первых, максимумы на¬
блюдаются для благородных газов, а минимумы — для щелочных металлов. Это легко по¬
нять, т.к. завершенные электронные оболочки инертных газов очень устойчивы и их разру-* Понятие энтальпии подробно рассмотрено в разд 6 1
ГЛ. 1]11ATOM29г, А2,01,61,20,8NaD MgD A1a Si□ Cl□ ArРис. 1.7. Ишенение атомных радиусов у элементов третьего периода.Рис. 1.8. Увеличение атомных радиусов для элементов IAuIIA подгрупп.
30ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1шение требует больших затрат энергии. Наоборот, у атомов щелочных металлов имеется
лишь один валентный электрон, который к тому же хорошо экранирован от ядра внутрен¬
ними оболочками. Поэтому он относительно легко отрывается.Во-вторых, при движении от щелочного металла к инертному газу наблюдается посте¬
пенное возрастание энтальпии ионизации. Причина этого в том, что заряд ядра при движе¬
нии по ряду возрастает, а прибавляющийся на каждом этапе электрон лишь частично экра¬
нирует остальные электроны от растущего заряда ядра.В-третьих, возрастание энтальпии ионизации не является гладким. В каждом из пери¬
одов явно проявляются два скачка. Во всех случаях энтальпия ионизации падает при пе¬
реходе от конфигурации s2 к s2px и от s2p3 к s2pA. Как уже упоминалось, заполненные и по-
лузаполненные подоболочки обладают повышенной стабильностью. Эти «аномалии» в
электронных конфигурациях и сказываются на величинах энтальпии ионизации.Энтальпия присоединения электрона &Н°еа*. Энтальпия присоединения электрона
(или сродство к электрону) — это количество энергии, которое выделяется или поглощает¬
ся при присоединении моля электронов к молю нейтральных атомов в газовой фазе в его ос¬
новном состоянии с образованием моля газообразных отрицательно заряженных ионов так¬
же в основном состоянии. Иначе говоря, энтальпия присоединения электрона равна энергии
процесса:Э, + е —»Э~ ±Сродство к электрону, также как и энтальпия ионизации, выражается в кДж/моль или эВ.Прямое определение энтальпии присоединения электрона из-за больших эксперимен¬
тальных трудностей было сделано лишь для небольшого числа элементов, например, гало¬
генов. Большинство значений АЩабыло получено расчетным путем (табл. 1.5).Из данных табл. 1.5 видно, что энтальпия присоединения электрона к хлору наивыс¬
шая, т.е. он должен быть самым сильным окислителем. Неожиданно низкое значение АН°еа
для фтора можно приписать сильному взаимному отталкиванию пары электронов, зани¬
мающих при приеме электрона компактную 2р-орбиталь. Этим межэлектронным отталки-* От англ electron affinity — сродство к электрону
ГЛ. 1] ATOM 31Таблица 15Энтальпия присоединения электрона (АН°еа) некоторых элементов в кДж/моль.н-73LiBeВСNОF-5718-29-12320-142-333NaMgAlSiРSCl-3321-48-178-71-200-350К-48ванием можно объяснить, по-видимому, и низкую энтальпию диссоциации молекулы фто¬
ра по сравнению с хлором, а это, в свою очередь, вызывает более высокую химическую ак¬
тивность фтора.Таким образом, характер изменения энтальпии присоединения электрона в зависимос¬
ти от порядкового номера элемента будет.напоминать таковую для энтальпии ионизации.И в этом случае налицо периодическая зависимость, однако экстремальные точки сме¬
щены на один элемент влево по сравнению с соответствующей зависимостью для АЩ В об¬
щем склонность к образованию анионов возрастает слева направо в пределах периода и убы¬
вает сверху вниз внутри группы.Электроотрицательность. Еще одной, причем очень важной, характеристикой эле¬
ментов является их электроотрицательность, которая характеризует способность атома в
молекуле притягивать к себе электроны. Не следует путать это понятие с энтальпией при¬
соединения электрона, т.к. первое относится к атому в молекуле, а второе — к изолирован¬
ному атому.Впервые понятие электроотрицательности ввел Л. Полинг в 1932 году. Используя эмпи¬
рические данные и теоретические представления он составил широко известную шкалу от¬
носительных электроотрицательностей ОЭО, скорректированную позднее Оллредом и Ро-
ховым (см. табл. 1.6).Электроотрицательность уменьшается сверху вниз по группе для типичных элементов
(например, от лития к францию) и увеличивается слева направо в периоде. Для переходных
элементов она несколько падает в пределах периода. Таким образом, наименьшую электро¬
отрицательность среди всех элементов имеет франций, а наибольшую — фтор.Казалось бы, лучшее определение электроотрицательности было предложено Маллике-
ном, согласно которому она представляет собой полусумму энтальпий ионизации и присо-дД^Оединения электрона *———1—. Однако сложность подхода Малликена заключается в том,что надежные методы количественного определения энтальпии присоединения электрона
в настоящее время отсутствуют.Численные значения электроотрицательностей по Полингу и Малликену различаются,
однако характер изменений остается одним и тем же.Строго говоря, электроотрицательность одного и того же атома должна различаться п
зависимости от партнера и от строения молекулы. Этим и объясняется наличие многих
32ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[Ч. ILu1.14Lr1.20Yb1.06No1.20Tm1.11Md1.20III*3OZlНо1.10Es1.20►» 2
Q ^Cf1.20Tb1.10Bk1.20Gd1.11Cm1.20Eu1.01Am1.22Sm1.07Pu1.22Pm1.07Np1.22Nd1.07U1.22Pr1.07Pa1.14Ce1.06Th1.11voQS'3fa4.10О2.83Br2.74ИН2.21At961£0ОmCO5/32.44Se00CNТе2.01Po1.763.07OhCDОCNAs2.20Sb1.82Bi1.6702.50Si1.74ОZOZSn1.72Pb1.55'“NS'1Й2.0141.47Ga1.82In1.49P1.441a.Zn991Cd1.46Hg1.44cS0с©0Cu1.75«?1.42Au1.42sS3SNi1.75Pd1.35Pt1.44s0лsCo1.70Rh1.45Ir1.55s0S'31
0Fe1.64Ru1.42OsCNLOT-H0g,sMn091Tc1.36Re1.46ллsБ8CrCDVOMo1.30W1.4001
0>1.45Nb1.23Та1.33Ti1.32Zr1.22Hf1.23Sc1.20>*IIILa1.08AcООT-HBe1.47MgCOCNCa1.04Sr660Ba0.97Ra0.97XozzLi0.97Na1.01*0.91680Cs980Fr980
ГЛ. 1]ATOM33шкал электроотрицательностей. Следует помнить, что численные значения электроотри¬
цательностей не имеют смысла абсолютных параметров, однако они чрезвычайно удобны
для качественных оценок характера и направления смещения электронов вдоль химичес¬
ких связей. Так, например, смещения электронов связей Li-H и F-H должны быть про¬
тивоположны, что и согласуется, как это показано, с четким различием в химических свой¬
ствах этих гидридов.Li > Н F < НЭлектроотрицательность 0,97 А(—1,23) 2,20 4,10 А(+1,90) 2,20Руководствуясь определением относительной электроотрицательности, можно разде¬
лить элементы на электроположительные и электроотрицательные.Наиболее электроположительные, а следовательно наиболее химически активные эле¬
менты располагаются в левом нижнем углу Периодической системы. Наиболее электроот¬
рицательные, а поэтому также наиболее реакционноспособные элементы располагаются в
верхнем правом углу таблицы.Электроотрицательность непосредственно определяет тип химических реакций, в кото¬
рые вступает данный элемент, а следовательно и тип соединений, образуемых этим элемен¬
том. Величина электроотрицательности, в частности, разделяет элементы на металлы и не¬
металлы. Все 5-, d- и/-элементы (кроме водорода и гелия) являются металлами. Первые из
них наиболее реакционноспособны, а потому их часто называют активными металлами.
Находящиеся в левой нижней части таблицы p-элементы также относят к числу металлов.
Все неметаллы размещаются в правой верхней части Периодической системы. На границе
между ними располагаются амфотерные элементы, сочетающие в себе свойства и металлов,
и неметаллов. Таковыми являются бор, кремний, мышьяк, теллур и некоторые другие. Ве¬
личина относительной электроотрицательности меньше 2,0 может служить критерием от¬
несения элемента к числу металлов.1.4. Периодическое сходство элементовПериодическая система элементов создана Д. И. Менделеевым на основании наблюда¬
емого сходства химических и физических свойств определенных групп элементов. Напри¬
мер, щелочные металлы помещены в одну группу потому, что все они обладают удивительно
похожими свойствами. Причина этого сходства была выяснена после создания удовлетвори¬
тельной модели строения атома.Согласно современной модели, щелочные металлы (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) имеют одина¬
ковую конфигурацию внешнего электронного уровня nsx (п — главное квантовое число). Это
подобие и ведет к сходству химических и физических свойств щелочных металлов. То же
самое наблюдается и в остальных группах Периодической системы (например, у инертных
газов или же у галогенов).В дополнение к подобию по вертикали Периодической системы для некоторых элемен¬
тов существует сходство по горизонтали. Особенно ярко это выражено у лантаноидов и ак¬
тиноидов (/-элементы), но довольно заметно оно и в случае элементов, у которых происхо¬
дит заполнение ^/-подуровня (^/-элементы). Это объясняется тем, что для /-элементов
происходит заполнение орбиталей, лежащих ниже валентных орбиталей, а, следовательно,
не столь сильно влияющих на свойства элементов, как в случае заполнения s- ир-орбиталей
(s- и p-элементы). Исходя из электронной конфигурации, можно различать четыре класса
элементов: инертные газы, типичные элементы, переходные элементы и внутрирядные пе¬
34ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИреходные элементы. Эта классификация основывается на том, заполнены или нет те или
иные электронные орбитали.Инертные газы. За исключением гелия, имеющего электронную конфигурацию Is2, все
элементы этого класса имеют во внешнем уровне заполненные s- и р-орбитали. Это самый
малочисленный класс элементов, состоящий всего из шести членов.До недавнего времени они считались химически неактивными вследствие большой ус¬
тойчивости полностью заполненной конфигурации ns2npb. Однако в 1962 году были полу¬
чены первые соединения криптона, ксенона и радона. В настоящее время количество со¬
единений этих элементов достаточно велико, причем некоторые из них уже нашли и
практическое применение. Поэтому название «инертные газы» сохранилось по традиции.Типичные элементы. У этого класса элементов все уровни, кроме внешнего, заполнены;
они имеют конфигурацию внешнего электронного уровня от nsx до т2пръ. В этом классе 46
членов, включая элементы подгруппы меди и цинка, а также иттербий и 102-й элемент (но¬
белий).Химические свойства типичных элементов в большей степени определяются стремлени¬
ем их атомов получить, отдать или обобщить электроны таким образом, чтобы приобрести
электронную конфигурацию инертного газа с большим или меньшим порядковым номером
(так называемую конфигурацию псевдоинертного газа (n-\)s2p6d{0 или ns2p6dm). К этому
классу относятся многие металлы и все неметаллы.Переходные элементы имеют два незаполненных внешних уровня и, что особенно ха¬
рактерно, (п-1)б/-орбитали. Все переходные элементы — металлы, по большей части очень
прочные и хорошо проводящие тепло и электричество. Эти металлы имеют переменную
валентность и образуют огромное количество комплексных соединений.Внутрирядные переходные элементы. В их атомах незаполненными оказываются три
уровня, в том числе (я-2)/-подуровни. Особенностью этих элементов, называемых ланта¬
ноидами и актиноидами, является большее сходство их химических свойств по сравнению
со сходством свойств элементов других классов.Еще одна классификация элементов основана на признаке заполнения электронных под¬
уровней и разделяет элементы на s-, р-у d- и /-элементы. Существуют и иные принципы раз¬
деления элементов на классы. Каждая из классификаций имеет свои достоинства и недостатки.
К той или иной из них прибегают по соображениям удобства при рассмотрении конкретных
свойств элементов.В целом, в образовании, структуре и свойствах химических соединений, образуемых из
элементов, прослеживаются периодические закономерности. Периодичность в изменении
свойств наблюдается для разных классов однотипных соединений — гидридов, оксидов,
гидроксидов, галогенидов и др. Это позволяет говорить об аналогиях в свойствах элементов
с однотипной электронной конфигурацией.Следует обратить внимание на еще одну особенность в изменении свойств элементов
в зависимости от их положения в Периодической таблице. Уменьшение электроотри¬
цательности при перемещении вниз по группе компенсируется перемещением вправо вдоль
периода. Это вызывает появление так называемых диагональных соотношений между элемен¬
тами. Диагональное соотношение связывает между собой пары элементов со сходными хими¬
ческим свойствами. Таковыми парами являются литий — магний, бериллий — алюминий,
бор — кремний, сера — бром и некоторые другие.
МОЛЕКУЛА35Глава 2.
МОЛЕКУЛАЛее атомные оболочки взаимно проницаемы.Д. ЛьюисС момента создания теории химического строения и по сей день в химии широко исполь¬
зуется понятие валентности, которая характеризует способность элемента образовывать
химические связи. Число связей равно валентности. Доквантовая теория строения устано¬
вила целочисленность валентности, существование простых и кратных (двойных и тройных)
связей, постоянную и переменную валентности элементов. С развитием стереохимии* пред¬
ставление о валентности дополнилось учением о направленной валентности.Качественные модели химической связи использовались химиками задолго до разработ¬
ки квантовой теории. Так, в 1916 г. Коссель предположил, что, вступая в соединение, атом
какого-либо элемента, теряя или присоединяя определенное число электронов, приобретает
наиболее устойчивую электронную оболочку ближайшего инертного газа (правило октета).
Эта гипотеза легла в основу теории ионной химической связи. Тогда же Льюис выдвинул
противоположное положение, что химическая связь между двумя атомами образуется дву¬
мя электронами, которые одновременно принадлежат обоим атомам. Эта идея Льюиса — ос¬
нова теории ковалентной химической связи, а валентный штрих в химической формуле стал
символом общей пары электронов. Обе теории отражали известное свойство особой устой¬
чивости электронного октета, но не могли дать ответа на вопрос, как располагаются элект¬
роны в молекуле.Лишь с созданием квантовой теории атома стало ясно, что любые статические модели не
состоятельны. Квантовая механика разрешила и принципиальный вопрос о природе хими¬
ческой связи.В целом энергия взаимодействий между атомами и молекулами меняется в широком
интервале. Для внутримолекулярных связей эта энергия составляет, как правило, 100-1 ООО
кДж/моль, в.то время как энергия межмолекулярных взаимодействий обычно не превышает
40 кДж/моль. Под химической связью и понимаются различные виды взаимодействий двух
или нескольких атомов, обуславливающие устойчивое состояние двух- и многоатомных
соединений: молекул, ионов, кристаллических и иных веществ, которые сопровождаются* Стереохимия - учение о пространственном строении молекул.
36ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1существенной перестройкой электронных оболочек связывающихся атомов. Описание хи¬
мических связей в молекуле заключается в описании этих перестроек.Значительный интервал энергий химических связей может быть реализован за счет раз¬
личных взаимодействий, которые в настоящее время классифицируются как ковалентная,
ионная и металлическая связи.2.1. Ковалентная связьПри квантово-механическом подходе к исследованию строения молекул необходимо со¬
ставить и решить уравнение Шредингера для системы из электронов и ядер, после чего дать
физическую интерпретацию полученным результатам. Решив уравнение Шредингера для
молекулы, мы получили бы распределение электронной плотности в ней, набор уровней
энергии и все связанные с этим характеристики молекулы, в том числе и геометрические па¬
раметры молекулы.Точное решение уравнения невозможно даже для многоэлектронного атома. Еще боль¬
шие математические трудности возникают при расчете молекул. Поэтому разработаны раз¬
ные приближенные методы расчета. Наиболее широкое распространение получили два под¬
хода: метод валентных связей (ВС) и теория молекулярных орбиталей (МО), которые
различаются методами подбора волновой функции в уравнении Шредингера.2.1.1. Метод валентных связейВ методе ВС связывание в многоатомных молекулах рассматривается как набор локали¬
зованных связей между парами соседних атомов. Каждая связь образуется в результате пе¬
рекрывания атомных орбиталей, по одной от каждого из связанных ею атомов, с образова¬
нием молекулярной орбитали, способной удерживать два электрона с противоположными
спинами. Таким образом, связь в методе ВС представима как двухцентровая и двухэлектрон¬
ная. В методе ВС используется ряд положений: представления о валентном состоянии эле¬
мента и гибридизации атомных орбиталей, а также теория резонанса.Связь в методе ВС образуется при обменном взаимодействии валентных электронов.Рассмотрим процесс образования молекулы водорода. С уменьшением расстояния меж¬
ду атомами постепенно увеличивается электростатическое притяжение между электронами
и ядрами разных атомов, но одновременно усиливается взаимное отталкивание электронов.
По мере сближения атомов сила притяжения достигает максимума, соответствующего об¬
разованию молекулы водорода. При дальнейшем сближении резко возрастают силы оттал¬
кивания. Изменение энергии системы двух атомов можно представить в виде расчетной
кривой зависимости потенциальной энергии от расстояния между атомами, изображенной
на рис. 2.1. Стандартное состояние, для которого энергия равна нулю, соответствует двум
разделенным атомам (г = ©о). В области притяжения энергия отрицательна, а в области от¬
талкивания — положительна, следовательно, при образовании связи энергия выделяется.
Расстояние между атомами при минимуме потенциальной энергии называется равновесным
расстоянием т°. Однако, поскольку атомы в молекуле находятся в колебательном движении,
в действительности низшее состояние молекулы водорода соответствует горизонтальной
линии, проходящей выше экстремальной точки. Пересечения этой линии с кривой потенци¬
альной энергии дают два крайних значения длины связи в процессе колебания.Кривая потенциальной энергии для связывающего состояния соответствует процессу сбли¬
жения двух атомов водорода с антипараллельными спинами электронов. При сближении двух
ГЛ. 2]МОЛЕКУЛА37ЭнергияРис 2 1 Зависимость потенциальной энергии системы
из двух атомов водорода от расстояния между ядрамиатомов водорода с параллельными спинами электронов кривая потенциальной энергии не имеет
минимума и отражает монотонное увеличение сил отталкивания (разрыхляющее состояние).Согласно этой модели в молекуле водорода образуется одна ковалентная связь:Н Is1 -Т- Н- + -н -» Н: НIsАтомы Не (Is2) не имеют валентных электронов. При сближении двух атомов гелия об¬
разование химической связи невозможно, т.к. каждый электрон любого из атомов будет
иметь тот же спин, что и у одного из электронов другого атома. Другими словами, гелий не
может образовать молекулу Не2 вследствие того, что оба электрона в атоме Не являются
спаренными. Итак, можно сказать, что ковалентная связь возникает в тех случаях, когда
сближаются атомы, имеющие неспаренные электроны.В методе ВС в образованной из атомов молекуле неспаренных электронов не остается.Это положение позволяет определить качественный и количественный состав молеку¬
лы. Например, для установления формулы простейшего соединения азота с водородом не¬
обходимо записать электронные конфигурации внешних квантовых слоев атомов N и НN ...2s22p3 (3 неспаренных электрона)Н Is1 (1 неспаренный электрон)и компенсировать неспаренные электроны азота неспаренными электронами водорода. Та¬
ким образом простейшее соединение, о котором идет речь, имеет формулу NH3.Метод ВС объясняет понятия «валентное состояние атома» и «валентность».Под валентным состоянием элемента понимают такое состояние, в котором каждый из
валентных электронов занимает свою орбиталь, и может образовать связь с электроном ато-
ма-партнера. Следует помнить, что переход в валентное состояние не представляет собой
часть какого-либо реального процесса, а является лишь удобным приемом, объясняющим
как происходит комбинация атомов с образованием молекулы. В молекуле NHЛ валентным
состоянием азота является основное состояние атома с электронной конфигурацией ...2s22p3.
Число неспаренных электронов в валентном состоянии определяет валентность элемента.
В данном случае валентность азота равна 3.Рассмотрим молекулу метана СН/Г Основное состояние атома углерода отражает конфи¬
гурация ...2s22p2. Можно предположить, что для достижения валентного состояния атом уг¬
38ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИлерода поглощает энергию, в результате чего один из его 25-электронов переходит на свобод¬
ную 2р-орбиталь. В итоге возникает атом с четырьмя неспаренными (валентными) элект¬
ронами, причем каждый из них находится на своей орбитали. Таким образом, валентным
состоянием углерода является возбужденное состояние с конфигурацией 2s12p3, т.е. валент¬
ность углерода равна 4.Для других элементов II периода в их соединениях с водородом — LiH, ВеН2, ВН3, Н20,
HF валентным состоянием Li, О, F является основное состояние атомов с электронной
конфигурацией, соответственно, 2s\ 2s22pA, 2s22p5, а валентное состояние Be и В представ¬
ляет собой возбужденное состояние атомов с конфигурациями 2s12p1 и 2sx2p2, соответ¬
ственно.Таблица 2 1Основное и возбужденное состояния некоторых элементов II периодаПереход
Э -> Э*Энергиявозбуждения,кДж/мольЧисло неспаренных
электронов в
возбужденном .
состоянииВалентностьBe —» Be*264221s22s2->1s22sVВ В*35633ls22s22p'->ls22sVС С*406441 s22s22p2-»l s22s*2p3В зависимости от происхождения электронов сконцентрированных в области перекры¬
вания между атомами выделяют два механизма образования связи. Первый — обменный,
когда каждый из атомов дает по одному неспаренному электрону:А* + ’В —> А : В.Второй механизм — донорно-акцепторный. В отличие от химической связи, которая ха¬
рактеризуется насыщаемостью, молекула в целом может быть химически насыщена или не-
насыщена. Если атом, входящий в состав молекулы, имеет локализованную неподеленную
пару (или вакантную орбиталь), то за счет этого молекула может быть донором (или, соот¬
ветственно, акцептором) неподеленной пары и принимать участие в химическом взаимодей¬
ствии с образованием связи по донорно-акцепторному механизму. Такая молекула химиче¬
ски ненасыщена.В случае реализации второго механизма один атом (донор) предоставляет неподеленную
электронную пару, второй (акцептор) — вакантную орбиталь (обозначена как □):Ап + :D —» A-: D+.Примером химически ненасыщенной молекулы служит молекула аммиака. За счет непо¬
деленной электронной пары, локализованной на атоме азота, молекула NH3 является донором
и может взаимодействовать с акцептором — Н+, образуя четвертую ковалентную связь:H3N: + пН+ -> H3N+:H.
ГЛ. 2]МОЛЕКУЛА39Таким образом, валентным состоянием азота здесь является состояние иона N+ и его ва¬
лентность равна 4.Последний пример иллюстрирует, что валентным состоянием элемента может быть со¬
стояние не только нейтральной частицы — атома, но и состояние иона.Когда валентным состоянием является состояние катиона, это означает, что связь обра¬
зуется при полном переходе электрона к партнеру по связи, а для аниона — наоборот.Используя выше изложенные принципы, можно интерпретировать наличие переменных
валентностей у некоторых элементов, например, фосфора и хлора (табл. 2.2), которая объяс¬
няется существованием в третьем квантовом слое вакантных d-орбиталей.Валентность хлора равна единице, если он вступает во взаимодействие в основном состо¬
янии:~ 3d Н-С1
-TI- -TI- -Т- Зр н-0-ci-TI- 3sЭта возможность реализуется в молекулах HCI и НС10.В первом возбужденном состоянии (С1*) один из 3р электронов переходит на Зг/-орби-
таль, число неспаренных электронов возрастает до трех. Трехвалентен хлор, например, в хло¬
ристой кислоте НС102.С1* -Т- - - 3dЗз^ЗсГ -П- -Т- -Т- Зр Н-0-С1=0-Ti- 3sТаблица 2.2Валентные состояния атомов фосфора и хлораВалентное состояниеВалентнаяконфигурацияЧисло неспаренных
электроновВалентностьосновное состояние3s23p33IIIатома Рвозбужденное3s'3p*3dl5Vсостояние атома Р*основное состояние3s23p51Iатома С1возбужденноезэ'зр^а13IIIсостояние атома СГвозбужденное3s23p33d25Vсостояние атома СГ*возбужденноезз^р^а37VIIсостояние атома С1***С13s23p5
40ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Во втором возбужденном состоянии (С1**) происходит переход еще одного Зр-электро-
на на Зб?-орбиталь, и, наконец, в третьем возбужденном состоянии (С1***) — с 35-орбитали
на Зй?-орбиталь. Число неспаренных электронов будет составлять, соответственно, пять и
семь. Пяти- и семивалентен хлор в кислотах НС103и НСЮ^.С1**-Т-——- 3d3s23p33d2-Т--Т--Т-Зрн-о-сьоIIО-п-3sQJ***-Т--т--т-—- 3dО3s‘3p33d31 1
1 1-т-3s-т-ЗрIIН-0-С1-0IIОАналогичным образом можно интерпретировать переменную валентность и для фосфора.Таким образом валентные возможности элемента расширяются за счет возбужденного
состояния. Для этого атом должен иметь неподеленные электронные пары и доступные по
энергии вакантные орбитали. Суммарная валентность элемента будет равна числу неспарен¬
ных электронов (обменный механизм) плюс число связей, образованных по донорно-акцеп-
торному механизму.2.1.2. ГибридизацияВалентное состояние атома углерода в метане отражает конфигурация ...2s'2p3 (или под¬
робнее 2s12р\ 2р* 2р\). Электронное распределение в возбужденном атоме углерода в этом
случае должно представлять собой сферу, причем один из валентных электронов находит¬
ся на сферической 25-орбитали, а остальные три — по одному на каждой орбитали 2рх, 2ру и
2pz. Однако, данные опытов показывают, что в молекуле метана все четыре связи равноценны
(молекула симметрична и имеет форму тетраэдра, орбитали направлены под углом 109°28'
друг к другу). Следовательно на образование связей атом углерода должен предоставить
одинаковые по энергии атомные орбитали.Такие орбитали могут быть описаны как линейные комби¬
нации одной 5- и трехр-орбиталей. В соответствии с этим но¬
вые орбитали называются sp3-гибридными орбиталями. Форма
5р3-гибридных орбиталей представлена на рис. 2.2.Идея гибридизации была предложена и развита Л. Полингом
в 30-х годах XX века.Гибридизация 5р3-типа характерна и для молекул аммиака,
воды и фтористого водорода лишь с той разницей, что в молеку¬
ле аммиака одна из орбиталей занята электронной парой; в моле¬
куле воды таких пар две; а в молекуле HF три орбитали заняты
неподеленными электронными парами.В случае молекулы NH3, где валентным состоянием азота явля¬
ется основное состояние атома с конфигурацией 2s22pxx2pxy2p\,
следуя принципу минимального электронного отталкивания, одну
неподеленную пару и три электрона, образующих связи с атома¬
ми водорода, надо «разнести» в пространстве. Равноудаление 4JI. Полит
(1901-1994)
ГЛ. 2]МОЛЕКУЛА413 р 4 sp3sРис 22 Схема sp3-гибридизации.конкурентов в пространстве (при наличии одной s и трехр-орбиталей) определяется геомет¬
рической фигурой тетраэдром. Следовательно, из атомных орбиталей азота надо сделать 4
$р3-гибридные орбитали, и молекула NH3 с учетом неподеленной пары имеет тетраэдричес¬
кое строение, в которой вдоль одного из тетраэдрических направлений локализована непо-
деленная электронная пара. Так как неподеленная пара и атом Н неэквивалентны, то тетра¬
эдр будет искаженным, с углами, слегка отличными от тетраэдрического (107,3°).Без учета неподеленной пары молекула NH3 имеет форму тригональной пирамиды.При определении типа гибридизации атомных орбиталей кислорода в молекуле Н20
следует учитывать, что помимо двух электронов, идущих на образование связей с двумя ато¬
мами водорода, на внешнем квантовом слое атома кислорода имеются 2 неподеленные элек¬
тронные пары. Таким образом тип гибридизации орбиталей кислорода будет и здесь sp3. При
этом в двух тетраэдрических направлениях локализованы неподеленные электронные пары.
Молекула воды имеет угловое строение с углом, близким к тетраэдрическому 104,5°.Для образования гибридных орбиталей существуют и другие способы смешения s- ир-ор-
биталей, например, в молекуле ВН3 валентным состоянием бора является возбужденное со¬
стояние атома В* с конфигурацией 2s12р\ 2рху 2р°г. Реализация принципа минимального элек¬
тронного отталкивания должна приводить к плоскому строению молекулы ВН3, с атомом бора
в центре. Предположим, что это плоскость ху. 2/?г-орбиталь в этой плоскости имеет нулевую
плотность и, в отличие от орбиталей 25, 2рх и 2ру) она не может давать вклада в гибридную ор¬
биталь в плоскости ху. Из этих трех орбиталей и следует «сконструировать» новые гибридные
орбитали, называемые sp2-гибридными, каждая из которых направлена к вершине треугольни¬
ка. 5р2-гибридные орбитали по форме подобны 5/?3-орбиталям (см. рис. 2.2), но находятся в од¬
ной плоскости и направлены от центра под углом 120° (рис. 2.3). Кроме трех гибридных орби¬
талей атом бора имеет неизмененную вакантную 2рг°-орбиталь.Перекрывание трех 5р2-гибридных орбиталей с 5-орбиталями трех атомов водорода от¬
вечает образованию плоской симметричной молекулы ВН3* (рис. 2.4).2 р 3 sp2sРис 2 3 Схема sp2-гибридизации Рис 24 Схема образования молекулы ВН3.* В действительности молекула ВН3 димерна и имеет состав B2HG Этот вопрос обсужден в гл 18
42ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Другим примером служит молекула ВеН2. Валентным состоянием Be является возбуж¬
денное состояние атома с конфигурацией 2s12p* 2р°2р°. Реализуя принцип минимально¬
го электронного отталкивания, следует расположить две связи вдоль прямой линии, т.е.
молекула должна иметь линейное строение. Представим, что эта линия — ось х. Тогда на этой
оси 2рги 2ру орбитали имеют нулевую плотность и для образования гибридных орбиталей
можно смешивать только 2s и 2ру-орбитали. Гибридные орбитали такого типа называются
sp-гибридными и расположены под углом 180° друг к другу (рис. 2.5). Кроме гибридных ор¬
биталей атом Be имеет неизмененные вакантные 2р® и 2р® орбитали.р 2 sp□►о180е
sРис 2 5 Схема sp-гибридизацииПерекрывание sp-гибридных орбиталей, атома бериллия с s-орбиталями двух атомов во¬
дорода приводит к образованию линейной молекулы ВеН2.Другие типы гибридизации возможны, когда в валентном состоянии, помимо s- и р-ор¬
биталей, есть и ^-орбитали (табл. 2.3).Таблица 23Примеры геометрии для различных гибридизаций с участием s-,p- и d-орбиталейТип гибридизации
центрального атомаГеометрическая модель
гибридных орбиталейПримеры соединенийsp или dpПрямая линияSnCl2, BeF2, алкиныsp2, dp2 или sd2Плоский треугольникВС13, A1F3, алкеныsp3, sd3ТетраэдрН20, NH3, алканы,dsp2Плоский квадратКомплексные соединенияsp3dТригональная бипирамидаPFS, комплексные соединенияsp3d2ОктаэдрSF6, комплексные соединенияsp3d2Тригональная призмаКомплексные соединенияНапример, чтобы объяснить октаэдрическую структуру мо¬
лекулы SF6, следует принять, что валентным состоянием серы
является возбужденное состояние с конфигурацией 3sx3p33d2. В
поле шести атомов фтора происходит гибридизация шести орби¬
талей, на которых находится по одному электрону (sp3d2-гибри¬
дизация)', коэффициенты в гибридной функции выбираются
таким образом, чтобы оси 5/?3яГ2-гибридных орбиталей были на¬
правлены к вершинам октаэдра (рис. 2.6).До сих пор мы обсуждали структуры молекул, которые име¬
ют только а-связи, то есть связи, образующиеся за счет перекры¬
ГЛ. 2]МОЛЕКУЛА43вания орбиталей вдоль линии соединения атомов (кон¬
цевое перекрывание, максимум перекрывания элект¬
ронной плоскости находится на линии, соединяющей
ядра атомов).Кроме уже обсужденных возможны и другие виды
a-связей, варианты которых даны на рис. 2.7 с их обо¬
значениями.Одна из основных особенностей атомов углерода,
азота и кислорода состоит в том, что они чаще, чем дру¬
гие элементы, образуют кратные — двойные и тройные
связи.Двойная связь, например, образуется между атомами углеро¬
да в молекуле этилена. Оба углеродных атома в этой молекуле
находятся в 5р2-гибридном состоянии, имея по три гибридных
орбитали и одной «чистой» р-орбитали. Гибридные орбитали об¬
разуют три s-связи: одну связь С-С и две связи С-Н, которые
лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Оставши¬
еся негибридизированными р-орбитали атомов углерода пер¬
пендикулярны этой плоскости и их перекрывание приводит к
образованию п-связи (рис. 2.8). я-связь предполагает, что мак¬
симумы перекрывания электронной плоскости не находятся на
линии, соединяющей центры атомов, а расположены на одина¬
ковых расстояниях от этой линии.Перекрывание трех р-орбиталей двух атомов углерода в молекуле ацетилена С2Н2 дает
тройную связь: гибридизованные sp^-орбитали образуют a-связь, ар^и рг-орбитали — две71-СВЯЗИ.Немногие в принципе возможные комбинации пере¬
крывания орбиталей вне линий, соединяющих центры
связей атомов, представлены на рис. 2.9.Наряду с валентным углом (углом между связями)
наиболее важными характеристиками химической связи кр-р np_d n^dЯВЛЯЮТСЯ ее длина и энергия. Р^с 2 9. Различные типы л-связейГоворя об энергии химической связи, следует разли¬
чать энергию связи, т.е. величину, которая при суммировании по всем связям дает полную
теплоту распада газообразной молекулы на атомы и энергию разрыва связи — количество
энергии, необходимое для разрыва данной связи в молекуле.Так, в молекуле МХП энергия связи равна 1 /п полной энергии образования молекулы.
Только в случае п = 1 энергия связи равна энергии разрыва связи. В других случаях может
быть значительное различие между этими двумя величинами, т.к. энергия, необходимая для
разрыва связи в молекуле, например NH3 (т.е. для удаления одного атома водорода), веро¬
ятно, отличается от энергии, необходимой для удаления атома водорода из радикала NH2.Как видно из табл. 2.4, в которой в основном представлены важнейшие типы ковалент¬
ных связей, встречающихся в биомолекулах, с повышением кратности связи уменьшается
ее длина, но при этом растет энергия.Под длиной связи понимается равновесное расстояние между ядрами двух связанных ато¬
мов. Эту величину можно определить методом дифракции электронов или рентгеновских
лучей и она находится обычно в интервале 1-2 А./71/Рис 2 8. Схема образования
п-связи в молекуле этилена
44ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
Длины и энергии некоторых связей[4.1Таблица 2.4Связьс-сс=сс^сС-0С=0C-NC=NC=Nc-sc=sн-сДлина, Асвязи,1.54
1,35
1,20
1,43
1,17
1,47
1,34
1,16
1,811.55
1,09Энергия,кДж/моль348620811360724276615761255477374СвязьH-NH-0H-SH-C1N-NN=N№=NN-O0-0s-sР-0Длинадсвязи1,030,961,341,271.45
1,10
1,011.46
1,45
2,05
1,62Энергия,кДж/моль393460368431160418947176146226502Пространственное строение молекул принято представлять с помощью шаростержневых
моделей с учетом валентных углов и длин связей, как это показано для метана на рис. 2.10.Более совершенными являются полусферические модели. Атомы при таком способе
изображаются шарами, радиус которых отвечает вандерваальсовым радиусам. Этот радиусе жРис. 2.10. Пространственное строение молекул а - полусферическая модель молекулы водорода,
6 - полусферическая модель молекулы метана, в - шаростержпевая модель молекулы метана,
г — полусферическая модель молекулы аммиака, д - шаростерэ/сневая модель молекулы аммиака,
е - полусферическая модель молекулы воды, д - шаростержневая модель молекулы воды.
ГЛ 2]МОЛЕКУЛА45отсекает сферу, внутрь которой не может проникать другой атом, не имеющий связи с дан¬
ным атомом. Чтобы получить правильное расстояние между центрами атомов в молекуле
(т.е. правильную длину связи), надо отсечь часть сферы на расстоянии, именуемом кова¬
лентным радиусом.Ковалентный радиус данного атома равен половине длины химической связи между
двумя одинаковыми атомами. Например, в молекуле водорода длина связи Н-Н составля¬
ет 0,74 А, следовательно, ковалентный радиус равен 0,37 А.2.1.3. РезонансОграничивая связь двухцентровыми взаимодействиями, метод ВС дает целочисленные
значения для кратности связи. Например, для молекул, содержащих тс-локализованную
связь — С2Н4, С2Н2, кратность связи С-С равна 2 и 3, соответственно.Однако известны примеры молекул (ионов) с делокализованной 71-связью. Для карбо¬
нат- и фосфат-ионов, бензола и др. кратность связи не может быть выражена целым числом.
Для объяснения подобных структур в методе ВС вводится понятие резонанса. Структура,
содержащая связи, кратность которых выражена целым числом, называется нормальной
(классической) или резонансной. Для любой молекулы приводятся все возможные резонан¬
сные структуры, а представление об истинном распределении электронной плотности, т.е.
истинное состояние достигается их усреднением. Сама молекула, называемая резонансным
гибридом, обладает некоторыми свойствами каждой резонансной формы.Рассмотрим эти положения на примере карбонат-иона. Экспериментально установлено,
что связи С-О карбонат-иона равноценны и находятся по отношению друг к другу под уг¬
лом 120°. Атомные орбитали С в этом случае гибридизованы по типу sp1. Следовательно кар¬
бонат-ион имеет плоское строение, а попарное боковое перекрывание р-орбиталей атомов
С и О приводит к образованию 71-связи между этими атомами.На основе двухцентровых взаимодействий можно предложить для иона СО]~ структу¬
ру «(рис. 2.11).Однако три атома кислорода в этом ионе должны быть равноценны, т.к. тг-связь с равной
вероятностью может возникнуть между атомом углерода и любым из трех атомов кислоро¬
да. Следовательно для полного описания карбонат-иона необходимо предложить еще две
структуры б ив (см. рис. 2.11). Эти три структуры являются резонансными.О>=°О—_Ь°"О—О}~~0"Оо1!<А>а6вГРис 2 11 Строение карбонат-ионаИстинное распределение электронной плотности в ионе С032 передается резонансным
гибридом, для построения которого надо провести их усреднение. Сумма кратности связи
С-О в резонансных структурах равна 4. Тогда, с учетом количества резонансных структур
(3), кратность этой связи в ионе составляет 4/3. Суммарный заряд по всем резонансным
структурам на одном атоме кислорода равен -2, что с учетом числа резонансных структур
дает заряд в гибриде, равный -2/3. Таким образом, гибрид будет иметь вид, изображенный
на рис. 2.11 г, где 71-связь делокализована на четыре центра.
46ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ0II _
НО-Р-О1О"Н0-Р=0Iо01 _
НО-Р-ОО"воII0 онРис 2 12 Строение гидрофосфат-ионаДругой пример резонансной структуры — также биологически значимый
гидрофосфат-ион НР042'. Следуя вышеприведенным рассуждениям, мож¬
но сделать вывод, что для данного иона возможны три резонансные струк¬
туры (рис. 2.12 о,—в). Структура гибрида, передающего распределение элек¬
тронной плотности в нем отражена на рис. 2.12 г. Он имеет тетраэдрическое
строение с 5р3-гибридным атомом фосфора (рис. 2.13).Примером органической резонансной структуры может служить моле¬
кула бензола С6Н6. Валентное состояние углерода в ней аналогично таково¬
му в карбонат-ионе. Попарное боковое перекрывание негибридизованных
2р-орбиталей дает возможность написать 2 резонансные структуры (рис. 2.14 а, б). Реаль¬
ная молекула представляет гибрид этих структур, т.е. имеет промежуточную структуру в.
Если кратность связи Ct-C2 в структуре а равна 2, то ее кратность в структуре б равна 1.
Следовательно, ее кратность в резонансном гибриде (в) равна 1,5. Чаще этот гибрид пред¬
ставляют в виде графической структуры г.Рис 2 13
Полусферическая
модель гидрофос¬
фат-ионаIT4!Рис 2 14 Строение бензолаИдея резонанса является умозрительной концепцией, а резонансные структуры не отра¬
жают какого-либо свойства реальной молекулы и не имеют физического смысла. Они полез¬
ны тем, что позволяют представить образование молекулы с помощью удобных валентных
схем, даже если реальное состояние молекулы не может быть отражено одной традиционной
структурной формулой.2.1.4. ПолярностьДля химической связи между разными атомами характерно смещение электронной плот¬
ности к более электроотрицательному атому. Это приводит к возникновению частичных
положительных и отрицательных зарядов на атомах, т.е. связь обладает постоянным элект¬
рическим дипольным моментом (jn). Он определяется как произведение заряда полюса
диполя (q) на расстояние между полюсами (г): ц = q r.В системе СГС заряд электрона равен 4,8-10-10эл.ст.ед., и если среднее расстояние меж¬
ду атомами составляет 10'8 см (г), то дипольный момент равен: jli = 4,8* 10"10-10"8 = 4,8-Ю'18
эл.ст.ед.-см = 4,8D, где 1D =10'18эл.ст.ед.*см и называется дебаем (D) в честь голланд¬
ского ученого П. Дебая, который был пионером в этой области науки. В системе СИ
№ = 3,3-10 30 Кл-м.
ГЛ. 2]МОЛЕКУЛА47Дипольный момент химической связи обычно мало изменяется при переходе от одного
соединения к другому, что дает возможность рассчитывать дипольные моменты молекул как
векторные суммы дипольных моментов отдельных связей.Из табл. 2.5 видно, что при близких длинах связей наблюдается корреляция между ве¬
личиной дипольного момента связи и разностью электроотрицательностей атомов (АОЭО).Таблица 2 5Дипольные моменты связейСвязьДипольный
момент, DА ОЭОСвязьДипольный
момент, DА ОЭОН-01,51,30C-N0,20,57H-N1,30,87C-F1,41,60Н-Р0,40,14С-С11,50,33С-Н0,40,30С-Вг1,40,24С-00,71,00С-11,20,29Полярные молекулы (ji * 0) под действием внешнего электрического поля ориентиру¬
ются по направлению поля. Однако одновременно происходит и изменение их дипольного
момента за счет смещения электронной плотности (отчасти и ядер).Для не очень сильных полей величина наведенного (индуцированного) дипольного мо¬
мента (jiu,<f)) пропорциональна напряженности поля (Н):\хши) =а-Н.Коэффициент пропорциональности а называется поляризуемостью; он тем больше, чем
легче смещается электронная плотность связей. Наведенный дипольный момент исчезает,
как только поле снимается.Поляризуемость увеличивается по мере увеличения длины связи. Неодинакова она для
а и тг-связей. Электронное облако a-связи в значительно большей степени экранировано от
действия внешнего электрического поля, чем облако тг-связи. Поэтому a-связи поляризуют¬
ся значительно слабее.Поляризуемость во многом определяет свойства веществ. Так, например, в ряду галоге¬
новодородных кислот дипольный момент связи падает от HF к HI. Однако увеличение дли¬
ны связи приводит к возрастанию поляризуемости в этом ряду. Это объясняет значитель¬
но большую степень диссоциации HI в водном растворе по сравнению с HF.Изложенный выше метод ВС обладает стройностью и наглядностью. Он переводит на
язык квантовых представлений привычные структурные формулы, в которых под каждым
валентным штрихом понимается пара электронов. Однако метод ВС оказывается недоста¬
точным для объяснения некоторых свойств даже относительно простых молекул.Так, в рамках метода ВС необъясним парамагнетизм кислорода. Способность притяги¬
ваться магнитом свидетельствует о наличии в молекуле неспаренных электронов. В действи¬
тельности, молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и изображение моле¬
кулы с двойной связью между атомами кислорода 0=0 не является ее удовлетворительным
описанием.Это далеко не единственный случай, когда метод ВС не может описать магнитных
свойств веществ.
48ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИЕсли исходить из положения, что валентность элемента равна числу неспаренных элек¬
тронов на внешнем уровне, то инертные газы не должны вступать в химические реакции.
Между тем, в настоящее время известно более сотни соединений Хе, Кг, Rn с кислородом и
галогенами.Аналогичные затруднения возникают и при описании металлоорганических соединений,
молекул с «дефицитом электронов» (типа диборана В2Н6) и др.Несмотря на простоту и наглядность метода валентных связей в качественной интерпре¬
тации, предпочтение в теоретической химии отдается методу молекулярных орбиталей.2.1.5. Метод молекулярных орбиталейВ методе молекулярных орбиталей к рассмотрению электронной структуры молекулы
подходят так же, как и к многоэлектронному атому. Логичность использования одной фи¬
зической модели вытекает из одинаковой природы электронов в атомах и молекулах, а так¬
же их взаимодействий с ядрами и между собой.Основные принципы метода молекулярных орбиталей:1. Молекула рассматривается как совокупность ядер и электронов, где каждый элек¬
трон движется в поле остальных электронов и всех ядер.2. Состояние электрона описывается волновой функцией \|/, характеризуемой опре¬
деленным набором квантовых чисел. Эта функция называется молекулярной орби¬
талью (МО). В отличие от одноцентровой атомной орбитали (АО — электрон в поле
одного ядра) молекулярная орбиталь в общем случае многоцентровая. Как и для элек¬
трона в атоме, квадрат модуля волновой функции |\|/|2 определяет вероятность нахож¬
дения электрона или плотность электронного облака.3. Каждой МО соответствует определенная энергия Е.4. Совокупность МО молекулы, занятых электронами, называется электронной кон¬
фигурацией молекулы. Она строится на основе фундаментальных положений —
принципа наименьшей энергии (электрон занимает в молекуле свободную орбиталь
с наименьшей энергией), принципа Паули (на одной МО не может находиться более
двух электронов, при этом спины их должны быть антипараллельны) и правила Хун-
да. Следовательно, для описания электронной конфигурации молекулы с 2п электро¬
нами требуется п молекулярных орбиталей.Описать молекулу в методе молекулярных орбиталей — значит определить тип ее орби¬
талей, их энергию и характер распределения электронов по орбиталям.Так как молекулярные орбитали являются многоцентровыми, то в простейшем прибли¬
жении их можно представить как линейную комбинацию (сумма и разность) атомных ор¬
биталей. В этом заключается один из наиболее распространенных способов приближенного
описания волновой функции электрона в молекуле (МО Л К АО — молекулярная орбиталь
есть линейная комбинация атомных орбиталей).Так, если атомные орбитали обозначить \|/л и то их линейная комбинация дает две
молекулярные орбитали двух различных типов:\|/+ = сг\\fA + с2-ув,V- = сз‘М/л “ са-уцв.Коэффициенты сь с2, су, с4 указывают долю участия соответствующих АО в формирова¬
нии МО и вычисляются специальными методами.
МОЛЕКУЛА49Рассмотрим форму и относительную энергию двухцентровых МО, возникающих при
линейной комбинации двух ls-орбиталей (например, в молекуле Н2). При данном межъ-
ядерном расстоянии происходит перекрывание исходных атомных орбиталей.Если знаки волновых функций атомных орбиталей в области перекрывания одинаковы,
то это отвечает положительному перекрыванию (сложение АО). И наоборот, при разных
знаках волновых функций АО имеет место отрицательное перекрывание (вычитание АО).При сложении АО образуется двухцентровая МО с повышенной электронной плотно¬
стью между ядрами. Такая МО энергетически более выгодна, чем исходные АО и называетсясвязывающей МО (обозначается а‘вяз).При вычитании АО образуется двухцентровая МО с пониженной электронной плотностью
в межъядерной области. Эта орбиталь энергетически менее выгодна, чем исходные АО, и назы¬
вается разрыхляющей (обозначается как ). Процесс образования МО показан на рис. 2.15.МОперекрывание АО
отрицательное^разр°sАОlS/1stXXРис 2 15 Схема образования связывающих и разрыхляющих молекулярных орбиталейОбычно образование МО из АО изображают в виде энергетиче¬
ской диаграммы, где по вертикали откладывают значения энергии
(Е) орбиталей (рис. 2.16).При построении молекулярной орбитали по методу Л КАО дол¬
жны соблюдаться следующие условия:1. Комбинируемые АО должны быть близки по энергии. Это
положение очевидно, т.к. при большой разнице в энергии АО
электрон полностью перейдет к атому с низшей энергией и МО
не образуется.1*А/„разр°s+ Е\ lSr-Е/+ связ<*SРис 2 16 Диаграмма
энергетических уровней
АО и МО2. АО, образующие МО, должны перекрываться. При этом ядра
располагаются так, чтобы перекрывание было максимальным
(принцип максимального перекрывания). Чем полнее перекрываются АО при обра¬
зовании МО, тем сильнее понижение энергии при переходе электрона с атомной на
молекулярную орбиталь, тем прочнее химическая связь.3. АО, образующие МО, должны обладать одинаковыми свойствами симметрии от¬
носительно межъядерной оси образующейся молекулы (рис. 2.17).Это положение можно пояснить следующим образом. Совместим межъядерную ось с
осью х системы координат. При этом симметрия атомных орбиталей snpx относительно оси
50ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИх будет одна и та же: обе орбитали не изменяют знака при повороте
на любой угол вокруг оси х (рис. 2.17, а, б). В то же время, атомная ор¬
биталь ру отличается от них по симметрии, она изменяет знаки сво¬
их долей на обратные при повороте вокруг оси х на 180° (рис. 2.17, в).
То же самое относится кр2-орбитали. Поэтому могут комбинировать
s и s (a), s ирх(б), но не могут комбинировать s иру, s ирг(в), т.к. при
перекрывании последних возникают две области, равные по величи¬
не и противоположные по знаку, и суммарное перекрывание оказы¬
вается равным нулю.Для описания электронной конфигурации гомоядерных двух¬
атомных молекул элементов первого периода можно воспользовать¬
ся энергетической диаграммой, приведенной на рис. 2.16.Ион Н2+ состоит из двух протонов и одного электрона. Очевидно,
что единственный электрон молекулярного иона займет наиболее
выгодную связывающую а“яз орбиталь. Его электронная конфигу¬
рация записывается следующим образом:Щ[(°ГУ] •В молекуле Н2 присутствуют два электрона, которые по принципу наименьшей энергии
и принципу Паули займут связывающую а"*3 орбиталь, при этом они будут иметь антипа-
раллельные спины:Я2[(сГ)2].В молекулярном дигелий-ионе Не2+ три электрона, два из которых занимают связываю¬
щую и один — разрыхляющую орбиталь:В системе из двух атомов гелия Не2 — четыре электрона — два на связывающей и два на
разрыхляющей орбитали:Яе2[(оГ)2(аГР)2]-Распределение электронов по молекулярным орбиталям дает возможность оценить энер¬
гию, длину и порядок связи. Мы уже выяснили, что нахождение электрона на связывающей
орбитали означает увеличение электронной плотности между ядрами, уменьшение межъ-
ядерного расстояния и увеличение энергии диссоциации молекулы. Если же электрон на¬
ходится на разрыхляющей орбитали, то наблюдается обратная картина.Согласно теории молекулярных орбиталей порядок связи можно определить как полу-
разность суммы связывающих (псаяз) и разрыхляющих (праАр) электронов:^связ У1' ^разр
2Если порядок связи равен нулю, то молекула не образуется. В отличие от метода вален¬
тных связей в методе молекулярных орбиталей допускается, что химическая связь может
быть образована не только парой, но и одним электроном и соответственно порядок связи
может быть не только целым, но и дробным числом.Ниже приведены сведения о структуре гомоядерных двухатомных молекул и ионов эле¬
ментов I периода (табл. 2.6).Рис. 2.17. Симметрия
атомных орбиталей.
МОЛЕКУЛА51Таблица 2 6Электронные конфигурации и некоторые экспериментальные данные
для двухатомных молекул и ионов элементов первого периодаМОн;Н2HejНе2разрS---Т--П-^.связ-Т--U--П--ti-Порядок связи0,510,50Длина связи, А1,060,741,08-Энергия диссоциации, кДж/моль256435230-Элементы II периода имеют р-атомные орбитали, которые в отличие от 5-орбиталей не
являются сферическими. Поэтому при их перекрывании возникают МО различной симмет¬
рии. Так, перекрывание 5- и рх-, а также рх- и рх-атомных орбиталей приводят к образова¬
нию а-молекулярных орбиталей, которые имеют цилиндрическую симметрию относитель¬
но линии связи (рис. 2.18).(s-s)a (s-p)a (Р-Р)стРис 2 18. Схема образования о-связывающих молекулярных орбиталейНе трудно заметить, что вращение вокруг межъядерной оси х на 180° переводит с-моле-
кулярную орбиталь в положение, которое не отличается от исходного.Перекрывание ру- и ру-, р2- и рг-атомных орбиталей приводит к образованию связываю¬
щей и разрыхляющей л-молекулярных орбиталей (рис. 2.19).перекрывание АОС*- ((\отрицательное2р2рположительноеРис. 2.19. Схема образования к-молекулярных орбиталейПоскольку у каждого атома имеется три р-орбитали, то при взаимодействии атомов дол¬
жно получаться три МО — одна а- и две тг-орбитали. Отметим, что 2ру- и 2рг- АО одинако¬
вы по энергии и перекрываются одинаковым способом. Это определяет одинаковую энер
гию и форму возникающих МО л^яз и тг™яз, 7С^Р и пр™?.
52ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИЭнергия МО находится экспериментально по спектроскопическим данным. Для двух¬
атомных молекул элементов конца II периода (начиная с кислорода) разность энергий меж¬
ду 25- и 2р-орбиталями достаточно велика и взаимодействием 25-орбитали одного атома и
2рг-орбитали другого можно пренебречь. В этом случае молекулярные орбитали располага¬
ются по энергии в следующем порядке:^3.<apa3p< свя3< связ._ связ^ разр_ РазР< разр
s s Рх Ру Рг Ру Рг Рх *При энергетической близости 25- и 2р-атомных орбиталей надо учитывать взаимодей¬
ствие электронов на g2s- и а2р*-орбиталях, что обусловливает более низкое значение энер¬
гии л“яз и Яр*”', чем а“яз. В этом случае по энергии МО будут располагаться следующим об¬
разом:(ТСВЯЗ < ГТра3р < 7ГСВЯЗ - 7ГСВЯЗ < гтсвяз < 7Г разр = 7Гра3р < ГТра3рS пру рг ^рх ,у,ру ,1рг ^рхВозможные энергетические диаграммы МО двухатомных молекул элементов II перио¬
да приведены на рис. 2.20.В образовании химической связи принимают участие только валентные электроны, т.е.
находящиеся на незаполненном уровне. Поэтому для молекул, образованных элементами II
периода, перекрыванием 15-электронов можно пренебречь и рассматривать внутренние
электроны как несвязывающие или принадлежащие отдельным атомам. В соответствии с по¬
лученными молекулярными диаграммами электронные конфигурации гомоядерных двух¬
атомных молекул элементов II периода представлены в табл. 2.7.В рамках метода молекулярных орбиталей получают простое объяснение наблюдающи¬
еся изменения в свойствах молекул: увеличение порядка связи сопровождается уменьшени¬
ем межъядерного расстояния и возрастанием энергии диссоциации. Так же просто объясня¬
ются и магнитные свойства веществ: парамагнитные вещества (притягиваются магнитом)
имеют неспаренные электроны (молекулы бора и кислорода), а диамагнитные (слабо оттал¬
киваются магнитом) — их не имеют.Для описания гетероядерных двухатомных молекул метод МО использует по существу
такой же подход. Для приближенного представления об их электронной структуре можно
использовать систему молекулярных орбиталей гомоядерных молекул, имеющих такое же
число электронов. Такие молекулы называются изоэлектронными. Например, молекула СО
и цианид-ион CN" изоэлектронны молекуле N2. В каждой молекуле имеется по 14 электро¬
нов и их электронная конфигурация такова:2 2 9 9 9 9 9/^связд-^—разр \ /_связ\^/_разр\ /_связ\ /-тт-связ\ /^-связ\ ^(°И ) (P\s Р) \ 2s ) (?2S Р) \ 2р^ ) \ 2р^ ) (?2рх ) .Отсюда следует, что порядок связи в СО и CN' равен 3. Такое представление согласует¬
ся, например, с высокой энергией диссоциации молекулы СО (1076 кДж/моль) и малым
межъядерным расстоянием (1,12 А). Обе эти молекулярные константы близки к таковым
для молекулы N2.Однако предполагаемое электронное строение основано на слишком грубом приближе¬
нии и не может объяснить различия в свойствах химически неактивной молекулы N2 и весь¬
ма реакционноспособной молекулы СО. Для этого необходим детальный анализ всех орби¬
талей молекулы.В молекуле СО электронная конфигурация у атома С ls22s22p2, О — \s22s22p/\ В данном
случае необходимо учесть, что взаимодействуют два набора атомных орбиталей (Си О),
которые имеют разные энергии. Все орбитали атома кислорода имеют более низкую энер-
МОЛЕКУЛА53АО МО АОфРазр.АОМОразр.АО2рб)Рис. 2.20. Диаграмма МО двухатомных молекул элементов II периода при значительном
(a)(omLi2 до N2) и незначительном (6)(omN2 до F2) энергетическом различии 2s- и 2р-орбиталей
54ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Таблица 2 7Электронные конфигурации и порядки связей
гомоядерных двухатомных молекул элементов II периодаМолекулаЭлектронная конфигурацияПорядок связиLi2(аГ3)21Ве2(0™,)2(0pa3p.)20В2^ фСвяз.^ Q разр ^связ.у^ ^ связ уS S Ру Рг1С2(с“яз)2( сразр)2( тСяз)2( ЛГ3)2"у "г2n2(с“яз)2( сразр)2( Квяз )2( КВЯУ( а Г3 )2“у “z Vx302(а5связ)2( aspa3p)2( а'вяз>2( кс;яз)\т1с;яз)2Рх Иу Гг2(яразр)1(лразр)‘"у ZF2(аГ3)2( аразр')2( о“яз)2( я“яз)2( КВЯЗУX Гу V?1(яразр)2(яразр)2Гу ZNe2(с“яз)2( оразр)2( (ТрВЯЗ)2( <вяз)2( ярсвяз )2х “у "z0(яраэр)2(яразр)2(оразр)2Ру Pz Рхгию, чем соответствующие орбитали атома углерода, так как заряд ядра атома кислорода
выше на две единицы. Кроме того, для кислорода больше, чем для углерода различаются и
энергии 2s- и 2р-орбиталей.Так как в гетероядерных молекулах в одной МО участвуют разные АО, например, 2s уг¬
лерода и 2р кислорода, прежняя система записи электронной конфигурации невозможна и
орбитали просто нумеруются по порядку. Для молекулы СО она имеет вид:(1анеси)2(2а,,еси)2(3анесв)2(4а1'вяз)2(1я;вяз)2(1^,,ял)2(5а,кч,02.Диаграмма МО для молекулы СО приведена на рис. 2.21.Из 10 МО молекулы СО семь заполнены электронами, а три разрыхляющие орбитали
свободны. Связь оказывается тройной за счет 6 электронов, находящихся на связывающих
орбиталях: 4а"вяз, 1тг™яз, 1 я‘вяз. В отличие от молекулы N2 верхняя занятая орбиталь Заявля¬
ется несвязывающей. Таким образом, в молекуле окиси углерода имеются две свободные
пары электронов, которые не принимают существенного участия в связывании. Одна пара
МОЛЕКУЛА6аразр'5515Зо”tbнесвЛАОо’ 2р252с-в1анесвРис 2 21. Диаграмма МО молекулы СО.15находится на гибридной орбитали кислорода, близ¬
кой по характеру к 5-орбитали и, следовательно, на
очень устойчивой орбитали. Другая свободная пара
располагается на атоме углерода. Орбиталь, которую
она занимает, имеет ярко выраженный р-характер; она
вытянута в сторону, противоположную связи угле- Лс 222 Свободпые пары электроиов
род-кислород, и характеризуется высокой энергией молекулы СО(рис. 2.22). Реакционная способность электронов наэтой орбитали объясняет хорошо известные донорные свойства окиси углерода. В этом при¬
чина образования более прочного комплекса молекулы СО с гемоглобином по сравнению
с молекулой 02.2.2. Ионная связьВ двухатомной молекуле, состоящей из разных атомов, электронная плотность смеще¬
на к атому, обладающему большей электроотрицательностью. Такая связь является поляр¬
ной и характеризуется постоянным дипольным моментом. В предельном случае поляр¬
ности, когда электронные облака взаимодействующих атомов разделены настолько, что
можно говорить об образовании противоположно заряженных ионов, мы имеем дело с
ионной связью.
56ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Классическим примером молекул с ионной связью являются галогениды щелочных ме¬
таллов. Наиболее простая модель — модель сферических ионов — объясняет эту связь сле¬
дующим образом: единственный внешний электрон атома щелочного металла находится над
замкнутой сферической $2р6-оболочкой остова. Энтальпия ионизации не велика, что обус¬
ловливает легкость отрыва валентного электрона и образование иона Ме+. Напротив, атом
галогена имеет высокое значение энтальпии присоединения электрона и характеризуется
тенденцией к захвату электрона с образованием иона X' с s2p6-оболочкой. При сближении
атомов Me и X возможен переход электрона от металла к галогену и появление сферически
симметричных ионов Ме+ и X". Затрата энергии на такой переход компенсируется энерги¬
ей электростатического притяжения. На небольших расстояниях начинают резко возрастать
силы отталкивания между заполненными электронными оболочками. Равновесное рассто¬
яние между атомами, отвечающее минимуму энергии системы, определяется балансом сил
притяжения и отталкивания. Таким образом, кривые потенциальной энергии для двухатом¬
ных молекул с ионной и ковалентной связями подобны (см. рис. 2.1).Приведенная модель может использоваться для расчета межъядерных расстояний и
энергии диссоциации в ионных молекулах.Важнейшими особенностями ионной связи является ее ненасыщаемость и ненаправлен-
ность в пространстве. Эти свойства вытекают из свойств сил электростатического взаимо¬
действия. Поле, создаваемое ионом, сферически симметрично, и все другие ионы, находящи¬
еся в этом поле, испытывают его действие.Вследствие ненасыщаемости ионной связи ион в кристалле может взаимодействовать
одновременно с несколькими ионами противоположного знака. Их число будет зависеть от
протяженности электронных облаков данного иона и окружающих его противоионов.Та же картина наблюдается для любого иона в кристалле. Таким образом, кристаллические
ионные соединения образуют трехмерную бесконечную решетку, в узлах которой правиль¬
но чередуются катионы и анионы. Отдельных молекул в решетках солей типа KCl, NaCl нет.Ненасыщаемость и ненаправленность связи приводит в ионных кристаллах к структу¬
рам плотнейших упаковок. Важной характеристикой таких структур является координаци¬
онное число (КЧ), т.е. число противоионов, окружающих в кристалле данный ион. Так, в
решетке NaCl ион Na+ окружен шестью ионами С1" и наоборот, следовательно, мы имеем гек¬
сагональную решетку (КЧ = 6).В кристалле CsCl координационное число равно восьми (рис. 2.23).Координационные числа положительного и отрицательного ионов не обязательно дол¬
жны совпадать. Они будут одинаковы в случае бинарных структур с общей формулой АВ,
где требование электронейтральности означает равенство чисел противоионов. В структу¬
рах же типа АВ2, содержащих ионы А2+ и В', для сохранения общей нейтральности число от¬
рицательных ионов должно быть вдвое больше числа положительных.т^1.ЗУ• сга бРис 2 23 Взаимная ориентация ионов в кристаллах NaCl (а) и CsCl (б)
ГЛ. 2]МОЛЕКУЛА57Ионность связи, %Разность электроотрицательностейРис. 2.24. Зависимость степени иоиности связи от АОЭО.Молекул с чисто ионной связью не существует. Степень ионности связи будет опреде¬
ляться разностью электроотрицательностей атомов (АОЭО). Но, т.к. энтальпия ионизации
больше энтальпии присоединения электрона, то полного перехода электронов не происхо¬
дит даже в случае пары атомов с большой разностью ОЭО. Как видно из рис. 2.24, только для
фторидов щелочных и щелочноземельных металлов, для которых А ОЭО = 2,8-ьЗ,Э, связь
можно считать близкой к ионной.Металлическая связь совершенно не характерна для биоструктур, поэтому мы ограни¬
чимся самыми элементарными представлениями о ней. Электронная структура атомов ме¬
таллов характеризуется наличием вакантных орбиталей, а также невысокими величинами
энтальпий ионизации валентных электронов.Помня о том, что металлы образуют кристаллическую решетку (которую в данном слу¬
чае нельзя интерпретировать с помощью ионной связи), можно объяснить существование
металлической связи тем, что валентные электроны легко перемещаются по всей кристал¬
лической решетке, представляя собой некоторый «электронный газ». Этим определяются
такие характерные свойства металлов, как высокие электро- и теплопроводность. Итак, ме¬
талл следует рассматривать как компактную структуру из катионов, которые связаны друг
с другом обобществленными электронами — «электронным газом».
Глава 3.КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯПри образовании сложной аммиачной соли...
наблюдается изменение в функциях не одной
какой-либо составной части, ...ной всех их одновременно.Н. С. Курнаков3.1. Состав и номенклатураВзаимодействие между атомами, ионами, молекулами и т.д. сопровождается определенным
пространственным расположением частиц относительно друг друга или координацией.Простейшим примером является образование гидратной оболочки у катионов металлов при
растворении соли в воде (см. рис. 4.5). При растворении соли СоС13 в водном растворе аммиака
образуется соединение состава CoCl3*6NH3. Это указывает на наличие прочных связей иона Со3+
с молекулами аммиака. В обоих случаях мы имеем дело с комплексообразованием. Образова¬
ние комплексных частиц не укладывается в рамки обычных представлений о валентности.Комплексное соединение состоит из центрального иона (атома) — металла — комплек-
сообразователя, окруженного анионами или нейтральными молекулами — лигандами, ко¬
валентно связанными по донорно-акцепторному механизму (комплексообразователь — ак¬
цептор, лиганд — донор). Комплексообразователь и лиганды образуют внутреннюю
сферу комплексного соединения, которую при составлении координационной формулы
заключают в квадратные скобки. Количество a-связей, которые образует с лигандами ком¬
плексообразователь, называется координационным числом (КЧ). Если внутренняя сфера
имеет заряд, то в состав соединений входят противоположно заряженные ионы внешней
сферы, связанные с комплексной частицей (внутренней сферой) ионной связью. По типу за¬
ряда внутренней сферы комплексные соединения делят на катионные ([Ag(NH3)2]N03),
анионные (K3[Fe(CN)6]) и нейтральные ([Pt(NH3)2Cl2]).Комплексные соединения представляют собой наиболее обширный и разнообразный
класс химических соединений, а поскольку в их состав могут входить как неорганические,
так и органические молекулы или ионы, то комплексные соединения связывают воедино не¬
органическую и органическую химию.
ГЛ.З]КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ59А. Вернер
(1866-1919)Комплексные соединения нашли самое разнообразное практическое применение. Осо¬
бенно велика роль комплексов в биологических процессах. Достаточно сказать, что к ком¬
плексным соединениям относятся гемоглобин и хлорофилл, некоторые витамины и многие
ферменты.Изучение комплексных соединений до конца XIX века носило ис¬
ключительно описательный характер и состояло из серии попыток
объяснить существование и структуру гидратов, двойных солей и ам¬
миакатов. Обобщением этих данных стала координационная теория,
предложенная швейцарским химиком А. Вернером (1893 г.).Эта теория, развитая и подкрепленная экспериментальными иссле¬
дованиями, обеспечила быстрое развитие химии комплексных соедине¬
ний на рубеже двух столетий. Однако широкое признание теория Вер¬
нера получила лишь после создания электронной теории валентности.В развитии химии комплексных соединений важную роль сыграли
труды русских ученых Н. С. Курнакова, Л. А. Чугаева, И. Н. Черняева,А. А. Гринберга и др.В настоящее время химия координационных соединений из узкой и
ограниченной области превратилась в наиболее интенсивно развивающуюся область химии.
Ее сфера теперь настолько обширна, а число и разнообразие соединений настолько велики,
что мы ограничимся в данном разделе только основными понятиями.В подавляющем большинстве комплексных соединений в качестве комплексообразова-
теля выступают ионы переходных металлов, хотя известны комплексные соединения прак¬
тически для всех элементов.Наиболее важной характеристикой центрального атома является его степень окисления,
определяемая для комплексов как разность между зарядом комплексной частицы и суммар¬
ным зарядом лигандов. Например, ион [Co(NH3)6]3+ относят к производным Со3+, приписы¬
вая NH3 нулевой заряд как нейтральной молекуле, а ион [Co(SCN)J2~ — к производным Со2+,
приписывая группе SCN" заряд -1, как в роданидах щелочных металлов.Обычными координационными числами в комплексах являются 4 и 6, однако для ряда
комплексообразователей установлены числа 2,3,5,7,8 и более. Существует статистическое
правило, связывающее степень окисления комплексообразователя и координационное чис¬
ло, отраженное в табл. 3.1.Указанные в таблице 3.1 соотношения не имеют строгого характера и сохраняются
главным образом в тех случаях, когда лиганды — нейтральные молекулы или однозаряд¬
ные ионы.Координационные числа некоторых комплексообразователейТаблица 3.1Степень окисления
комплексообразователяКоординационноечислоПример комплексного
соединения+12[Ag(NH3)JCl K[Ag(CN)J+24K2[HgIJ+36[Cr(NH3)6]Cl3+46H2[SiF6]+57K2[TaF7]
60ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1В качестве лигандов выступают анионы и молекулы, которые являются донорами пары
электронов. Эти анионы и молекулы должны содержать донорные атомы, т.е. атомы, имеющие
неподеленную электронную пару и способные отдать ее металлу — комплексообразователю.
Типичными донорными атомами являются N, Р, О, S, галогены. Количество донорных атомов
в лиганде может быть различно и оно определяет дентатность лиганда — количество ст-свя¬
зей, которые образует лиганд с комплексообразователем. Такие лиганды, как галогенид-ионы,
ОН", CN~, NH3, Н20, СО, являются монодентатными. Если все лиганды в комплексе моноден-
татны, то их общее число совпадает с координационным числом. Лиганды, содержащие более
одного донорного атома, называют полидентатными или хелатирующими (от греческого слова
chelate — клешня), а комплексы с такими лигандами — хелатными.К бидентатным относятся многие органические молекулы, например, этилендиамин, ди-
метилглиоксим, дианион щавелевой кислоты и т.д.H2N-CH2-CH2-NH2Н3СХ /СН3
HON^C_C^NOH_oN .0-
о;с_с^оэтилендиамин диметилглиоксим дианионщавелевой кислотыИзвестны лиганды с координационным числом, равным трем, четырем и более. Ниже
приведены комплексы меди(Н) с монодетатным лигандом аммиаком (а) и бидентатным —
этилендиамином (б).H3N NH312+ [ch2-nh2. nh2-ch2i2+Си I СиH3N' 4NH3 CH2-NH/ xNH2-CH;Кислородсодержащие анионы (CO|~, S042- и др.) могут быть как монодентатными, так и
бидентатными лигандами. Например:NH3+NH3H3N4 1 ^NHs/ОNКСоCo .S021 Noso3H3NX | 40NH3NH3Названия комплексных соединений строятся в соответствии с определенными правила¬
ми. Сначала называют лиганды, а затем комплексообразователь. Если комплекс смешанно-
лигандный, то первыми называют отрицательно заряженные лиганды, а затем нейтральные.
После этого называют атом металла-комплексообразователя, указывая после названия ме¬
талла его степень окисления римскими цифрами в круглых скобках. Наличие двух или бо¬
лее одинаковых монодентатных лигандов отражают при помощи приставок — греческих чис¬
лительных: ди- (2); три- (3); тетра- (4) и т.д. Если лиганд полидентатный, то используются
приставки бис- (2); трис- (3) и т.д. Большинство соединений, используемых как лиганды, со¬
храняют свои обычные названия. Однако некоторые получают другие названия: NH3 — ам-
мин; Н20 — акво; СО — карбонил; N0 — нитрозил. К названиям анионных лигандов добав¬
ляют суффикс о: ОН- — гидроксо; CN- — циано; F" — фторо и т.д.В анионных комплексах металл называют в латинскор! транскрипции с заменой суффик¬
са — ум на -am. В случае катионных и нейтральных комплексов металл называют в русской
КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ61транскрипции в родительном и именительном падежах, соответственно. Ниже приведены
примеры комплексных соединений и их названия.Катионные:[Ag(NH3)2]N03[Zn(NH3)4](OH)2[Co(NH3)4C12]N02[Мп(Н20)6]С12[Cu(NH2CH2CH2NH2)2]S04диамминсеребра(1) нитрат
тетраамминцинка(П) гидроксид
дихлоротетраамминкобальта(Ш) нитрит
гексааквомарганца(Н) хлорид
бис(этилендиамин)меди(Н) сульфатАнионныеK3[Fe(CN)6]Na2[Zn(OH)4]K2[PtCl6]гексацианоферрат(Ш) калия
тетрагидроксоцинкат(Н) натрия
гексахлороплатинат(1У) калияНейтральные[Pt(NH3)2Cl2][Fe(CO)5]дихлородиамминплатина(Н)пентакарбонилжелезо(О)3.2. Химическая связь в комплексных соединенияхДля описания химической связи в комплексных соединениях, объяснения их строения
и соответствующих электронных свойств (в частности, магнитных) применяются все по¬
ложения теории валентности. Полезные результаты можно получить, используя метод мо¬
лекулярных орбиталей, однако описание его в приложении к ^-элементам весьма сложно.
Поэтому мы ограничимся описанием применения метода валентных связей в сочетании с
приближением, которое получило название теории кристаллического поля.Метод валентных связей в приложении к комплексным соединениям основывается на
тех же представлениях, что и в случае «обычных» молекулярных соединений, т.е. ковален¬
тная связь между комплексообразователем и лигандом предполагается двухэлектронной,
двухцентровой и образуется по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной
пары электронов донорного атома лиганда и вакантной орбитали комплексообразователя.
Молекулярная орбиталь при этом образуется в результате перекрывания гибридной вален¬
тной орбитали комплексообразователя и (гибридной) орбитали донорного атома лиганда,
на которой локализована неподеленная электронная пара.В качестве примера рассмотрим комплексный ион [ Ag(NH3)2]+, где комплексообразовате¬
лем является Ag+. Электронная конфигурация иона Ag+ — ..Ad^iSs^Sp^ScP). Для координации
двух молекул аммиака ион Ag+ должен «выделить» две вакантные орбитали. С учетом прин¬
ципа минимальной энергии происходит sp-гибридизация 5s- и одной из 5р-орбиталей:sp-гибридизациял гtlYу4d5sAg+5р5d
62ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Следовательно, этот комплексный ион имеет линейное строение:[H3N-Ag-NH3]+Проведя аналогичные рассуждения для иона [Zn(OH)4]2", можно сделать вывод, что для
образования связей с четырьмя ОН"-группами ион Zn2+ предоставляет 4 вакантных орбита¬
ли — 4s- и три 4р-орбитали. Из них образуются четыре 5р3-гибридных вакантных орбитали
и ион [Zn(OH)4]2- будет иметь тетраэдрическое строение.Zn2+ ...3d10(4s04p04d°)зр3-гибридизация3d4s4р4dНООНонДалее рассмотрим образование и строение иона [Си(Н20)6]2+. Электронная конфигура¬
ция комплексообразователя Си2+ здесь — ...3cP(4s0Ap0Ad°). Комплекс будет иметь октаэдри¬
ческое строение, что видно из схемы гибридизации иона меди(Н).Бр^-гибридизация3d 4s 4р 4dВажной характеристикой комплекса является электронная конфигурация комплексооб¬
разователя. Так, первые два примера относятся к ионам с электронной конфигурацией б/10,
последний — к ионам б^-типа. В этих случаях, очевидно, существует только один способ раз¬
мещения электронов на d-орбиталях, соответствующий наименьшей энергии, независимо от
того, различаются ли d-орбитали иона по энергии или нет.В ионе металла все d-орбитали одного уровня эквивалентны, т.е. имеют одинаковую энер¬
гию, и называются вырожденными. Однако в окружении лигандов это вырождение исчеза¬
ет. Оценить, как d-орбитали расщепляются на поднаборы в окружении лигандов, позволя¬
ет теория электростатического кристаллического поля.Теория кристаллического поля — это модель, не являющаяся описанием реально действу¬
ющих сил. Она дает способ определения зависимости энергии d-орбиталей комплексообразо¬
вателя от набора лигандов, посредством рассмотрения простых электростатических вза¬
имодействий. Действие лигандов определяется как действие отрицательных точечных
зарядов, расположенных в вершинах геометрической фигуры (октаэдра, тетраэдра), в цен¬
тре которой находится ион металла, d-орбитали которого теперь не будут эквивалентны¬
ми. Энергия d-орбиталей, концентрирующихся в областях пространства, более близких к от-
ГЛ.З]КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ63dx2_y2У2Jxy' dx2_y2dx2_y2d72■ dx2-y2
d72\ dz2
\\\^xyAayzdz2dyzРис. 3.1. Диаграммы энергетических уровней, показывающие расщепление набора d-орбиталей в тетраэдрическом
(а), октаэдрическом (б) и тетрагонально искаженном октаэдрическом (в) кристаллических полях.рицательпому заряду-лиганду, повышается, тогда как энергия других d-орбиталей, находя¬
щихся дальше от отрицательного заряда, понижается. Расщепление d-орбиталей в октаэд¬
рическом, тетраэдрическом полях и тетрагонально искаженном октаэдрическом поле (квад¬
рат ) показаны на рис. 3.1Таким образом, в октаэдрическом окружении шести лигандов ион металла имеет два типа
d-орбиталей: три орбитали одного типа имеют одинаковую и более низкую энергию, чем две
орбитали другого типа, также эквивалентные между собой (для квадратного окружения те¬
ория кристаллического поля дает дополнительное по сравнению с октаэдрическим расщеп¬
ление d-орбиталей). Аналогичная картина имеет место в случае тетраэдрического окруже¬
ния с тем лишь отличием, что в этом случае более высокой энергией характеризуется набор
из трех эквивалентных орбиталей, а более низкой — из двух.Разность в энергии между наборами орбиталей этих двух разных типов обозначается А
и называется расщеплением в соответствующем кристаллическом поле. Нижний индекс ука¬
зывает, о каком окружении идет речь (о — октаэдр, t — тетраэдр). При прочих равных ус¬
ловиях кристаллическое расщепление в тетраэдрическом комплексе составляет примерно по¬
ловину величины расщепления в октаэдрическом комплексе.Спаривание электронов на одной орбитали представляет собой энергетически невыгод¬
ный процесс. Для его осуществления необходимо затратить энергию. Однако это состояние
может оказаться и более энергетически выгодным по сравнению с состоянием, при котором
второй Электрон занимает свою персональную орбиталь с более высокой энергией при усло¬
вии, что кристаллическое расщепление велико. Например, для октаэдрических комплексов, со¬
держащих ионы с электронной конфигурацией d4, d5, d6, и d7, в зависимости от соотношения
величины А и средней энергии спаривания, возможно два способа распределения электронов на
d-орбиталях. Конфигурация с максимальным числом неспаренных электронов (высокоспино¬
64ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛвая) реализуется при слабом кристаллическом поле, с минимальным числом (низкоспино¬
вая) — при сильном кристаллическом поле.Зависимость величины кристаллического расщепления (А) от природы лигандов имеет ре¬
гулярный характер. Ряд лигандов по силе создаваемого им поля выглядит так: NО > СО > CN~
> NO2 > NH3 > Н20 > ОН~ > F" > С1~ > Вг~ > 1~. Слева (по NO2 включительно) располагают¬
ся лиганды сильного поля, справа — лиганды слабого поля. Следует иметь в виду, что ряд по¬
строен на основании данных, полученных для ионов металлов в их обычных степенях окис¬
ления. Для комплексов металлов в необычно низких или высоких степенях окисления могут
наблюдаться отклонения от приведенного ряда. Например, в комплексном соединении
[Co(NH3)6]3+, содержащем комплексообразователь в неустойчивой для свободного иона
степени окисления +5, лиганд слабого поля NH3 ведет себя подобно лиганду сильного поля,
т.е. вызывает большое кристаллическое расщепление.Значение А зависит также от того, к какому переходному ряду относится комплексооб¬
разователь. При переходе от комплексов 3d-элементов к комплексам 4d- и 5d-элементов ве¬
личина кристаллического расщепления возрастает. Другими словами, в случае комплексов 4d-
и 5d^eMenmoe все лиганды можно рассматривать как лиганды сильного поля.Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим два комплекса железа(П) — [Fe(H20)6]2+
и [Fe(CN)6]4_, где комплексообразователем является ион Fe2+ (электронная конфигурация d?).
Вода является лигандом слабого поля. Следовательно, величина расщепления d-орбиталей
незначительна и наиболее энергетически выгодное состояние системы — это распределение
электронов в соответствии с правилом Хунда, ка*к в свободном ионе Fe2+. Таким образом,
железо(Н) в аквокомплексе будет находиться в высокоспиновом состоянии, которому бу¬
дет соответствовать следующая электронно-графическая схема:Зр3(12-гибридизация3d 4s 4р 4dFe2+Для образования связей с молекулами Н20 комплексообразователь использует 6 вакан¬
тных орбиталей в состоянии 5р3бР-гибридизации и комплексный ион имеет октаэдрическое
строение.CN" — лиганд сильного поля. Следовательно, в этом случае имеется значительное рас¬
щепление rf-орбиталей, и энергетически выгодным становится спаривание электронов на
каждой из трех нижних по энергии орбиталей. В этом случае Fe2+ находится в низкоспино¬
вом состоянии с гибридизацией вакантных орбиталей — d2sp3, а комплекс также имеет ок¬
таэдрическое строение.d2sp3-rn6pHAH3auHHU ti ti3d4s4p4dFe2+
ГЛ.З]КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ65Из приведенных примеров видно, что гибридизация с участием d-орбиталей может быть
двух видов: с использованием внешних d-орбиталей (в гибридизацию включены d-орбита-
ли того же энергетического уровня, что и s- и р-орбитали; 4d в случае [Fe(H20)6]2+) или с ис¬
пользованием внутренних d-орбиталей (в гибридизацию включены d-орбитали с предше¬
ствующего s- ир-орбиталям уровня, 3d в случае [Fe(CN)6]4-). В первом случае комплекс
можно назвать внешнеорбитальным, во втором — внутриорбиталъным.Эти комплексы резко отличаются по отношению к действию магнитного поля. Комплек¬
сный ион [Fe(CN)6]4_ слабо выталкивается из приложенного магнитного поля, т.е. являет¬
ся диамагнитным.Ион [Fe(H20]6]2+втягивается в приложенное внешнее магнитное поле, т.е. является па¬
рамагнитным. Парамагнетизм является свойством любого иона (атома, молекулы), содержа¬
щего один или несколько неспаренных электронов. В этом случае результирующий магнит¬
ный момент молекулы (ц,), складывающийся из магнитных моментов неспаренных электронов,
отличен от нуля, собственное и внешнее магнитные поля имеют одинаковое направление, что
обусловливает наблюдаемый эффект.Вещества, которые не содержат неспаренных электронов, являются диамагнитными.
В этом случае результирующего магнитного момента не возникает (ji=0). Однако внешнее
магнитное поле так воздействует на замкнутые оболочки, что все орбитали приобретают не¬
большой магнитный момент, направленный против внешнего поля, в результате чего веще¬
ства выталкиваются из внешнего магнитного поля.Влияние электронных конфигураций комплексообразователей на структуру комплекс¬
ных соединений рассмотрим на примере комплексных ионов [NiCl4]2_ и [PdCl4]2-. В обоих
случаях речь идет о ионе d8-типа — 3d8 для Ni2+ и Ad* — для Pd2+.Cl" — лиганд слабого поля, что объясняет высокоспиновую конфигурацию d8 в случае
иона [NiCl4]2~:зр3-гибридизация3d4s4рNi2+Из этой схемы видно, что комплекс имеет тетраэдрическое строение и является парамаг¬
нитным.Поскольку величина кристаллического поля для 4d^ieMeHTOB больше (см. выше), чем
для 3d, для комплекса [PdCLj]2- реализуется низкоспиновая конфигурация d8:dsp2-гибридизация3d 4s 4рPd2+В данном случае комплекс будет диамагнитным (и=0), имеющим плоскоквадратное
строение.
66ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Итак, при координационном числе, равном 6, комплексы имеют октаэдрическое строе¬
ние, при координационном числе 4 — тетраэдрическое или плоско-квадратное.При координационном числе, равном пяти, возможны два типа гибридизации вакантных
орбиталей комплексообразователя — dsp3 (тригональная бипирамида) и sp*d (квадратная
пирамида), соответственно. Так, ион [Ni(CN)5]3~ образует кристаллическую соль, в которой
присутствуют одновременно обе эти геометрические формы.Вышесказанное справедливо и для металлов в биологических системах (см. гл. 41). На¬
пример, оксигемоглобин содержит низкоспиновое шестикоординированное Fe(II) в октаэд¬
рическом окружении лигандов. В железосодержащих белках — рубредоксинах, которые уча¬
ствуют в большом числе биологических окислительно-востановительных реакций, ион Fe3+
координирован четырьмя атомами серы цистеиновых остатков полипептидной цепи, а ком¬
плекс имеет тетраэдрическое строение. Витамин В12 (цианокобаламин) — это октаэдричес¬
кий комплекс шестикоординированного Со(Ш).До этого, когда речь шла о химической связи в комплексных соединениях, предполага¬
лось наличие только а-дативного взаимодействия (т.е. a-связи, образованной по донорно-
акцепторному механизму) между лигандом и комплексообразователем, когда неподеленная
пара электронов лиганда передается металлу. Однако известно много лигандов со слабыми
донорными свойствами и тем не менее образующих очень прочные комплексы с металлами.
Дело в том, что такие лиганды, помимо неподеленной электронной пары, имеют низколе-
жащие по энергии вакантные орбитали, которые акцептируют электронную плотность с
заполненных rf-орбиталей металла, что обеспечивает дативное Ti-связывание, дополняю¬
щее a-связывание. Комплексообразователь в этом взаимодействии является донором; а
лиганд — акцептором. Два этих типа взаимодействий усиливают друг друга, тг-дативное
взаимодействие приводит к смещению электронной плотности с металла на лиганд, что
увеличивает отрицательный заряд и а-донорные свойства лиганда и положительный заряд
и a-акцепторные свойства металла, а, следовательно, упрочняет о-связь. И наоборот, смеще¬
ние электронов a-связи в сторону металла индуцирует на лиганде положительный заряд,
усиливая его тт-акцепторную способность, а на металле — повышение электронной плотно¬
сти, что способствует повышению его 71-донорных свойств, и в целом Ti-связь становится
прочнее.Лиганды такого типа называются п-акцепторными лигандами. К ним относятся соедине¬
ния трехвалентных атомов фосфора, мышьяка, сурьмы, двухвалентных — серы и селена, до-
норные атомы которых имеют вакантные d-орбитали, способные участвовать в образовании
тг-дативных связей, как это показано на рис. 3.2.В основном дативные связи образуются:а) за счет перекрывания вакантных тг-орбиталей лиганда с ^/-орбиталью иона металла, на
которой находятся электроны, не вступившие в a-связь (сЬг-ртг взаимодействие);УабРис. 3.2. Схема образования дативных связей: а — dn-pn, тб — dn-dn взаимодействие.
ГЛ.З]КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ67б) при перекрывании вакантных d-орбиталей лиганда с заполненными d-орбиталями ме¬
талла (djc-du взаимодействие, рис. 3.2).Типичными я-акцепторными лигандами являются СО, N0, и CN', образование п-датив¬
ных связей в случае которых весьма затруднительно показать без использования метода мо¬
лекулярных орбиталей.3.3. Изомерия комплексных соединенийВ химии координационных соединений широко распространено явление изомерии. Рас¬
смотрим ее основные типы.Ионизационная изомерия обусловлена различным распределением анионов между
внутренней и внешней сферами комплекса, например:[Co(NH3)4ClN02]Cl и [Co(NH3)4C12]N02Гидратная изомерия связана с различным количеством молекул Н20 во внутренней
сфере комплекса. Так, существуют три изомера состава CrCl3-6H2GСтруктура комплекса Окраска кристаллов[Сг(Н20)6]С13 сине-серая[Сг(Н20)5С1] С12Н20 светло-зеленая[Сг(Н20)4С12]С12Н20 темно-зеленаяКоординационная изомерия обусловлена различным распределением лигандов между
комплексными катионом и анионом. Примером может служить следующая пара:[PtI1(NH3)/1][PtIVCl6] и [Ptlv(NH3)4Cl2][PtnCl4].Изомерия связывания. Некоторые лиганды способны связываться с комплексообразо-
вателем различными способами. Такие лиганды называются амбидентными, и к ним отно¬
сятся, в частности, анион N02, который может координироваться через азот или кислород,
и SCN”, связывающийся через атомы азота или серы. Например:(nh3)5co-n<;°2+и [(NH3)5Co-0-N=0]2+нитро- нитрито-Пространственная изомерия определяется различным взаимным расположением ли¬
гандов в пространстве вокруг комплексообразователя и делится на геометрическую и опти¬
ческую изомерии.Геометрическая изомерия характерна для комплексов квадратного и октаэдрического
строения, содержащих два и более типа различных лигандов. (Тетраэдрические комплексы
геометрических изомеров не образуют.)Важные формы геометрической изомерии для плоско-квадратных комплексов иллюст¬
рируют формулы, приведенные ниже.плоско-квадратныекомплексы состава / / / Wl /ml*цис-изомер транс-изомер
68ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[Ч. IЕсли в этом случае изомер содержит лиганды одного типа (например, X) на одной ли¬
нии с комплексообразователем, то изомер называют транс-, в противном, случае — цис-
изомер. Например, в виде цис- и транс-изомеров существует плоско-квадратный комплекс
[Pt(NH3)2Cl2]. Интересно, что различие в строении обусловливает различную физиологи¬
ческую активность этих соединений. Цис-изомер обладает противоопухолевой активнос¬
тью и нашел применение в качестве лекарственного средства, а транс-изомер такой актив¬
ности не проявляет.Оптическая изомерия наблюдается у комплексов, струк¬
тура которых не имеет элементов симметрии (такие объекты
называются асимметричными и они не могут быть совмещены
со своими зеркальными изображениями). В простейшем слу¬
чае это тетраэдрический комплекс с четырьмя разными лиган¬
дами, для которого существуют два изомера, относящиеся друг
к другу как предмет и его зеркальное изображение (энантио-
меры). Оптические изомеры существуют и у некоторых типов
октаэдрических комплексов.Такие изомеры называются оптическими антиподами. Ха¬
рактерной их особенностью является способность вращать плоскость поляризации плоско-
поляризованного луча. Однако, если один изомер вращает плоскость поляризации влево, то
другой — вправо на тот же угол. Подробнее вопросы оптической изомерии рассмотрены на
примере органических веществ (см. разд. 20.2.2).зеркальнаяплоскость3.4. Комплексные соединения с полидентатными лигандамиПолидентатные лиганды (табл. 3.3) образуют циклические комплексы, которые называ¬
ют хелатными. Это очень важный в биологическом отношении класс комплексных соедине¬
ний. К ним относится гемоглобин, хлорофилл, витамин В12 и многие металлоферменты.Образование циклического комплекса можно рассмотреть на простейшем примере гли-
цината меди. Известно, что осадок Си(ОН)2 легко растворяется в аминоуксусной кислоте —
глицине.ch2-nh2 h2n-ch2 ch2-nh9 h2n-ch2I I -2H20 I 2 4 “ У IС + Си + С —► С С✓ \ /\ /% // \ /о он но он но о о o^ ^o оглицинат медиПри этом каждая из двух молекул глицина, участвуя в этом процессе, использует обе
функциональные группировки, а именно, аминогруппа связывается с атомом меди по до-
норно-акцепторному механизму, а карбоксильная — через кислород обычной ковалентной
связью. Центральный атом оказывается как бы втянутым внутрь лиганда и охвачен свя¬
зями наподобие клешней рака. Отсюда и происходит название — хелатные (от chelate —
клешня).В общем хелатные комплексные соединения металлов (хелатов) — это координацион¬
ные соединения металлов с одинаковыми или различными заряженными или нейтральны¬
ми полидентатными органическими или неорганическими лигандами, имеющими один
или несколько одинаковых или различных хелатных циклов. Хелаты могут содержать во
внутренней координационной сфере или только полидентатные, или одновременно один
КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯПолидентатиые лиганды69Таблица 3.3НазваниеФормулаДентатностьЭтилендиаминтетрауксуснаякислотаДинатриевая соль
этилендиаминтетрауксусной
кислоты (трилон Б )НООССН2\ /СН2СООНnch2ch2nНООССН/ чСН2СООНNaOOCCH2N /CH2COONa
NCH2CH2N
НООССН/ чСН2СООН4.5.64.5.6ДиметилглиоксимCH3-C-C-CH3
II IIN Nно' SOH^ H
f \ / jlN: :NV s x
4 7^2Порфирин4Дитизон/NH-NHQHss=Cxn=nc6h52Аммонийная соль нитрозофенил-
гидроксиламина (куиферон)<Лкн=04ONH42или несколько полидентатных и монодентатных лигандов и иметь (или не иметь) внешне-
сферные ионы.Высокая прочность хелатных комплексов по сравнению с комплексами на основе родствен¬
ных монодентатных лигандов (хелатиый эффект, подробнее см. разд. 11.1) обусловила широ¬
кое применение полидентатных лигандов в аналитической химии, токсикологии, гигиене и т.д.Строение и устойчивость хелатных комплексов зависят от величины и характера цикла.
Циклы, содержащие чередующиеся простые и двойные связи (сопряженные), обычно плос¬
кие, а несопряженные связи дают неплоские структуры. Наиболее стабильны пяти- и шес¬
тичленные циклы (правило Чугаева).Основную роль в хелатообразовании играют сгереохимические особенности лиганда, а
не центрального атома. Разные типы гибридизации комплексообразователя сравнительно
мало отличаются цо энергии. Поэтому может наблюдаться невыгодный способ гибридиза¬
ции, если при этом возрастает устойчивость комплекса за счет увеличения числа связей
между центральным атомом и лигандом. Так, например, в хлорофилле комплекс Mg2+ име¬
ет не тетраэдрическую, а плоскоквадратную конфигурацию, обусловленную планарным
строением порфиринового кольца.
70ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛВлияние иона металла на структуру комплекса увеличивается по мере уменьшения его
радиуса. Так, анион ЭДТА выступает как пента- и гексадентатный лиганд при образовании
комплексов с Zn2+, Hg2+, Cd2+, Со2+, Cu2+ и т.д. (с монодентатными лигандами эти катионы
имеют координационное число, равное 4). Однако в комплексах с Ве2+ анион ЭДТА имеет
дентатность, равную четырем.Известны примеры комплексов с четырехчленными циклами. Кар-
| q боксильная группа — СООН или карбонат-анион С032~, например, в не-3 ч£0// 4 с=о К0Т0РЫХ комплексах Со8+ могут выступать как бидентатные лиганды.
НзК/ | ч0/ Образование четырехчленного цикла является характерным для ди-NH3 тиокарбоксильной группы, что еще раз указывает на чрезвычайно энер¬гетически выгодную связь атомов серы с ионами переходных металлов.Отдельные примеры комплексов, наиболее важных в биологическом отношении, будут
рассмотрены ниже (см. часть VII).
ГЛ. 4]ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ71Глава 4.ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХЕсть тонкие властительные...связи...В. Брюсов4.1. Валентные взаимодействия4.1.1. Ковалентное связываниеКак следует из вышеизложенного (см. гл. 2, табл. 2.2), биомолекулы используют в сво¬
ем составе широкий ассортимент ковалентных связей.Ковалентная связь обычно прочнее остальных типов химических связей. Как уже отме¬
чено ранее (см. табл. 2.2), для ковалентных связей энергия, как правило, колеблется в пре¬
делах 250-800 кДж/моль. Так, энергия простой связи между двумя атомами углерода со¬
ставляет в среднем 350 кДж/моль, двойной углерод-углеродной связи С=С — 600 кДж/моль,
простой связи между атомами углерода и кислорода С-О — 350 кДж/моль, двойной связи
С=0 — 750 кДж/моль, простой связи углерода с азотом C-N — 300 кДж/моль и двойной свя¬
зи C=N — 620 кДж/моль.Углерод-углеродные простые и двойные связи составляют остов органических молекул.
Связями углерод-элемент на этом остове крепятся функциональные группы: амино-, гидро¬
ксильная, тиольная и др. С помощью связей О-Н и N-H построены такие простые неорга¬
нические молекулы, как вода и аммиак. Тиольная группа S-Н является одной из основных
в структуре белков.Ковалентную сшивку молекул белков обеспечивает непрочная связь S-S. Еще менее
прочная связь 0-0 присутствует в молекуле эндогенного (т.е. вырабатываемого в процес¬
се метаболизма) пероксида водорода. Невысокая прочность связи определяет чрезвычайно
легкое разрушение этой молекулы. Напротив, весьма богатая энергией связь Р-0 служит
универсальным источником энергии, обеспечивающим протекание всех метаболических
процессов организма. Она носит название макроэргинеской (то есть богатой энергией) свя¬
зи. В целом метаболизм (биологическая деструкция) биосубстрата определяется разрывом
ковалентных связей.Разновидностью ковалентной связи является координационная связь, образующаяся в
том случае, если оба электрона при образовании связи поступают от одного атома (см. гл. 2
72ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1и 3). Энергия связей в таких соединениях также варьируется в широких пределах. Коорди¬
национная связь существует в многочисленных биокомплексах, а также и между атомами
азота и кислорода в молекулах оксидов азота, нитросоединений и др.4.1.2. Ион-ионные взаимодействияНаиболее часто электростатические связи образуются между ионами (отсюда и их назва¬
ние «ионные» или «солеобразующие») у веществ с ионной кристаллической решеткой.Ион-ионные взаимодействия достаточно широко представлены и в биоструктурах. Водные
биосреды содержат многие виды катионов и анионов, что иллюстрируется ионным составом
плазмы крови и внутриклеточной жидкости (рис. 4.1). Из этого рисунка становится понятным,
что для глубокого понимания медицинских проблем необходимо знание свойств катионов на¬
трия, калия, магния, кальция и хлорид-, гидрофосфат-, гидрокарбонат- и сульфат-анионов.Ион-ионное взаимодействие между аммонийным катионом и анионом, образуемым кар¬
боксильной группой, играет важную роль в белковых структурах, в молекулах-передатчи¬
ках нервных импульсов и др.Другой пример. Ион-ионные взаимодействия между аммонийными группами основ¬
ных белков и фосфат-анионами, образующих внешнюю оболочку молекулы ДНК, при¬
водят к тому, что молекула ДНК оказывается окруженной оболочкой из этих основных
белков.Связи, образованные электростатическими силами, играют важную роль и при контак¬
те лекарственных веществ с рецепторами (см. разд. 41.2), точно так же, как и при взаимо¬
действии субстрат-фермент. В подобных взаимодействиях участвуют силы с большим ра¬
диусом действия, которые начинают проявляться уже на значительном расстоянии между
атомами. Таким свойством обладает только данный тип связей.абРис. 4.1. Ионный состав плазмы (а) и внутриклеточной жидкости (6) (в ммолъ-экв/л).-NHf еООС- -NH? еО-Р"°
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ73Другая их характерная особенность — легкость обмена ионов. В биологических средах,
содержащих много конкурирующих ионов, продолжительность существования таких свя¬
зей может составлять до 10 секунд именно вследствие ионного обмена. Тем не менее, элек¬
тростатическая связь между лекарственным веществом и рецептором может существовать
в течение длительного периода времени, особенно если расстояние между ними способст¬
вует еще и короткодействующим контактам, таких как водородные связи и вандервааль-
совы силы (см. ниже).Энергия ион-ионных взаимодействий зависит от заряда тонов и расстояния между их
центрами, т.е. увеличивается с ростом зарядов ионов и уменьшения их радиусов. Поэтому,
например, сила взаимодействия анионов нуклеиновых кислот с катионами Na+, К+, Mg2+,
Са2+ максимальна в случае катиона магния, играющего большую роль в активации нуклеи¬
новых кислот в клетке.4.2. Невалентные взаимодействияС точки зрения биологии прочность ковалентных связей и сила ион-ионных взаимодей¬
ствий является не только их достоинством, но и недостатком. Поскольку эти связи трудно
разрываются, они не могут обеспечить должную гибкость и подвижность живых систем.
Между тем, многие биохимические реакции обратимы, и одни и те же молекулы способны
вступать в тот или иной процесс тысячи раз, постоянно регенерируясь. Так, в частности, дей¬
ствуют биологические катализаторы — ферменты, переносчик кислорода — гемоглобин, мо¬
лекулы, транспортирующие ионы металлов, и т.д. Большинство этих веществ способно очень
быстро и обратимо изменять свою пространственную форму.Оказавшись в непосредственной близости от рецептора, молекула биосубстрата немед¬
ленно вступает с ним во взаимодействие. Длительность и избирательность этого взаимодей¬
ствия определяется особенностями химической природы и биологически активного веще¬
ства и рецептора, а также типом связей между ними.Известно, что действие большинства биологически активных веществ, в том числе и ле¬
карственных препаратов, можно прекратить простым отмыванием действующего агента. По¬
добная быстрая обратимость означает, что проявление биологического эффекта не связано
с образованием ковалентной связи или ион-ионного взаимодействия.Ясно, что такое возможно, если в процессе участвуют не ковалентные, а какие-то другие,
менее прочные связи. Они получили название певалентпых связей или невалептиых взаи¬
модействий.Следует отметить, что невалентные взаимодействия присущи не только биологически
важным молекулам. Они возникли во Вселенной сразу, как только в ней появились атомы
и молекулы. Например, два атома гелия не могут обобщить свои электроны и образовать
молекулу, однако электроны одного атома слабо притягиваются к ядру соседнего и наобо¬
рот. Сила такого притяжения мала (0,8-40 кДж/моль), но когда атомов и электронов мно¬
го, они могут оказать заметное влияние на свойства вещества.Слабость многих невалентных взаимодействий затрудняет их наблюдение, поэтому они
были открыты несколько позже ковалентных связей. В частности, описанное выше притя¬
жение электронов и ядер различных атомов было впервые описано Ф. Лондоном лишь в
1928 г., т.е. спустя десять лет после описания Г. Лыоисом ковалентных связей.Невалентные взаимодействия в принципе должны проявляться для всех атомов и моле¬
кул, т.е. они универсальны или, как говорят, неспецифичны. Однако наряду с ними суще¬
ствуют и специфические типы невалентных взаимодействий, которые проявляются только
74ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1у молекул определенных веществ, благодаря особенностям их строения. Именно специфи¬
ческие взаимодействия, к которым относятся водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и др.,
вносят особенно существенный вклад в свойства живой материи.4.2.1. Водородная связьЕсли атом водорода связан ковалентной связью с каким-либо сильно электроотрицатель¬
ным элементом, то он может одновременно притягиваться к другому атому, имеющему вы¬
сокую электронную плотность. Энергия такого притяжения составляет 4-40 кДж/моль, т.е.
на порядок меньше энергии ковалентной связи. Связь, возникающая в итоге, получила на¬
звание водородной (Н-связь).Водородная связь образуется вследствие внедрения атома водорода в электронную обо¬
лочку атома с высокой электроотрицательностью и обычно имеющего неподеленную элек¬
тронную пару. В качестве таких атомов могут выступать фтор, кислород, азот и, в меньшей
степени, хлор и сера.Связанный с такими электроотрицательными атомами, как азот, кислород или фтор,
атом водорода из-за высокой полярности соответствующих связей несет значительный по¬
ложительный заряд. Благодаря этому и своим небольшим размером он может легко подхо¬
дить к неподеленным электронным парам других атомов и вступать с ними в электростати¬
ческое (кулоновское) притяжение. Если последнее достаточно велико, то водород в виде
протона способен обратимо перейти к другому электроотрицательному атому. Это свойство
протона, в частности, лежит в основе взаимодействия кислот (А-Н) и оснований (В-):А-Н + :В~ -» А" + Н-В.Если же притяжение между протонодонорной группой А-Н и протоноакцептором — В"
недостаточно велико для такого перескока, то и возникает водородная связь (водородный
мостик).Чем больше различие в сродстве к электрону у двух атомов, связанных водородной связью
(даже если это атомы одного элемента, например, азота), тем она прочнее. Этот тип связи по
своей природе является средним между координационной и электростатической связями.
Водородные связи с атомом серы слабые, еще слабее связи водорода с атомами галогенов (за
исключением фтора); водородную связь с атомом углерода удается обнаружить с трудом.Небольшая энергия водородных связей приводит к тому, что они легко возникают и раз¬
рушаются. Длина водородной связи заметно превосходит длину ковалентной связи. Так, на¬
пример, в воде длина ковалентной связи О-Н составляет 0,97 А, а водородная связь О-Н
имеет длину 1,75 А. Чтобы подчеркнуть отличие водородной связи от ковалентной, ее обо¬
значают тремя точками:X-H-Y.Образование водородной связи может существенно изменить физические свойства ве¬
щества (теплоты плавления и испарения, температуры кипения, вязкость, твердость и др.).
Например, аномально высокие точки кипения HF, NH3h Н20 объясняются ассоциацией этих
молекул в агрегаты за счет водородных связей.Интересно, что наиболее прочная связь среди этих соединений у HF (28 кДж/моль), у воды
энергия связи составляет 20-25 кДж/моль, а у аммиака — 18 кДж/моль. В то же время самая
высокая точка кипения у воды (+100 °С, +19,5 °Су HF и -33,4 °С у NH3). Причина этого зак¬
лючается в том, что на каждую молекулу воды (рис. 4.2) приходится 4 водородных связи (две
ГЛ. 4]ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ75Н'нIо—..01нн"Н"0'НIоРис. 4.2. Водородные связи
меэ/сду молекулами воды.НО,— за счет атомов водорода и две — за счет двух неподеленных пар Нч Yiатома кислорода), в то время как на молекулу HF — всего две. ОЕсли фтористый водород образует линейные ассоциаты (HF)n,
где п = 2-9, то вода в кристаллическом состоянии образует про¬
странственную кристаллическую решетку типа алмаза.Хотя энергия одной водородной связи и не так велика, сум- у цмарное действие десятков и сотен таких связей приводит к тому, ~что принято называть переходом количества в качество. Много¬
численные уникальные свойства воды (низкая летучесть, умерен-
ная вязкость и плотность, специфическая структура льда и т.д.),
благодаря которым и стала возможной жизнь на Земле, обус¬
ловлены в значительной степени именно водородными связями.Наряду с межмолекулярной водородной связью существует
также и внутримолекулярная водородная связь.Образование последней возможно при одновременном наличии в одной
молекуле электроноакцепторной группы Х-Н и электронодонорного ато¬
ма Y, причем расстояние между атомами Н и Y не должно превышать обыч¬
ной длины водородной связи (1,6-2,0 А). Примером может служить моле¬
кула салициловой кислоты (рис. 4.3).Устойчивости такой связи благоприятствует образование шестичленно¬
го цикла, в котором нет деформации валентных углов. Следует отметить,
что только замыкание пяти- или шестичленных циклов удовлетворяет сте-
рическим требованиям возникновения водородной связи.Водородная связь широко распространена в биомолекулах и играет важную роль при ас¬
социации молекул, в процессах растворения и диссоциации, образования кристаллогидра¬
тов и многих других. Множество таких связей в макромолекулах может определить устой¬
чивость их пространственной структуры (кооперативный эффект). Разрыв водородных
связей приводит к существенному изменению пространственной структуры макромолекул
и их биохимических свойств.Так, в молекуле полипептида, содержащей пептидные фрагменты -NH-CO-, образова¬
ние внутримолекулярной водородной связи между аминокислотными звеньями в положе¬
ниях 1 и 5 приводит к ее закручиванию в а-спиральную структуру (см. разд. 33.4). Однако
те же самые, но межмолекулярные водородные связи формируют другую пространственную
форму полипептидов, называемую (3-складчатой формой.Межмолекулярные водородные связи в двойной спиральной структуре образуются у дезок¬
сирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — носителя генетической информации (см. разд. 31.2).Водородные связи образуются лишь при малом расстоянии между взаимодействующи¬
ми атомами и достаточно строго ориентированы в пространстве, поэтому они обладают вы¬
сокой избирательностью и направленностью, что очень важно при связывании физиологи¬
чески активных веществ с рецептором, при действии фермента на субстрат.Рис. 4.3.
Водородная связь
в салициловой
кислоте.4.2.2. Силы Ван-дер-ВаальсаМежду молекулами, которые являются валентно насыщенными в обычном представле¬
нии, существуют силы притяжения. Этими силами объясняются отклонения газов от иде¬
альности, сжижение газов или их конденсация, аномалии теплот испарения жидкостей и т.д.
Вполне определенные величины плотностей твердых и жидких веществ указывают на суще¬
ствование и сил отталкивания между молекулами. При отсутствии последних плотность
76ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1веществ возрастала бы неограниченно. Таким образом, межмолекулярные взаимодействия
приводят к сближению молекул до расстояния, на котором силы притяжения и отталкива¬
ния уравновешиваются.Потенциальная кривая взаимодействия двух валентно насыщенных молекул отлича¬
ется от таковой для двухатомной молекулы (см. рис. 2.1) только количественно: глубина
потенциального минимума значительно меньше (меньше энергия взаимодействия), а рав¬
новесное расстояние — больше. Силы притяжения между молекулами являются дально-
действующими, довольно медленно спадают с расстоянием и называются силами Ван-дер-
Ваальса.Этот тип взаимодействия может возникать только в тех случаях, когда геометрия двух
молекул дает возможность двум атомам, способным к такому взаимодействию, подойти друг
к другу на достаточно близкое расстояние.Энергия вандерваальсовых сил изменяется обратно пропорционально шестой степени
расстояния, и поэтому они действуют только на очень коротких расстояниях. Так, если рас¬
стояние между двумя атомами увеличивается в 2 раза, притяжение между ними падает ~ до
1/64 исходной величины; в то время как в случае ионной связи притяжение снизилось бы
только до 1/4 начального значения. Наличие в молекулах ионизированных групп способ¬
ствует сближению молекул до расстояния, на котором начинают действовать вандервааль-
совы силы. Они возникают благодаря тому, что все молекулы обладают энергией, доста¬
точной для колебаний их атомов. Временные диполи, образующиеся в атомах за счет этих
колебаний, индуцируют диполи в других, соседних молекулах, что в конечном итоге и при¬
водит к возникновению притяжения между ними.Непосредственно измерить прочность вандерваальсовых взаимодействий нельзя, одна¬
ко их значения можно рассчитать как разность между общей суммой сил, действующих
между двумя молекулами или между молекулой и окружающей средой, и всеми остальны¬
ми силами, кроме вандерваальсовых. С достаточной достоверностью можно вычислить
силы ион-ионного, ион-дипольного и диполь-дипольного взаимодействий.В действительности вандерваальсовы силы являются равнодействующими четырех ви¬
дов сил, а именно: притяжения Лондона, притяжения Дебая, зависящей от температуры
силы Киссома и силы отталкивания Борна. Последние появляются следующим образом: два
атома в органической молекуле обычно находятся на расстоянии около 1,4 А, тогда как ато¬
мы разных молекул не могут подойти так близко друг к другу. Две молекулы начинают от¬
талкиваться друг от друга, если соответствующие атомы сближаются на расстояние около
3.0 А (для атомов С, О или N, но только на 2,4 А для двух атомов водорода). Эти минималь¬
ные расстояния представляют собой сумму двух вандерваальсовых радиусов (1,2 А для Н
и 1.55 А для N). Мощные силы отталкивания начинают проявляться для несвязанных между
с сизой атомов, даже если они принадлежат одной молекуле, когда они сближаются на рассто¬
яние. равное сумме их вандерваальсовых радиусов. Это отталкивание устанавливает верх¬
ний предел вандерваальсовому притяжению.Данный вид связи имеет первостепенное значение в соединении биокатализатора (фермен¬
та ) с субстратом (метаболизирующимся веществом) и лекарственного вещества с рецептором.Взаимодействие между антигеном и его антителом происходит исключительно за счет
сил с малым радиусом действия, т. е. вандерваальсовых сил и водородных связей.Прочность вандерваальсовой связи увеличивается с возрастанием относительной атомной
массы: она пренебрежимо мала для атомов водорода и составляет примерно 2 кДж/моль для
атомов с относительной атомной массой 12—16, что играет важную роль во взаимодействии
биоактивного вещества с рецептором. Ведь молекулы органических веществ состоят в основном
ГЛ. 4]ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ77из атомов углерода, азота и кислорода, чья относительная атомная масса находится в этом ин¬
тервале. Таким образом, в результате тесного контакта агента с рецептором между ними может
возникнуть достаточно прочная связь, энергия которой может составлять до 20 кДж/моль.Электростатическое взаимодействие. Электростатическое притяжение или отталки¬
вание заряженных частиц является, пожалуй, столь же распространенным типом невален¬
тных взаимодействий, как и водородная связь. Часто полагают, что кулоновские взаимодей¬
ствия характерны лишь для ионов. Однако в действительности в них вступают и многие
нейтральные молекулы, в которых электронное облако поляризовано и которые поэтому со¬
стоят как бы из двух разноименно заряженных частей. Подобные молекулы-диполи могутРис. 4.4. Типы электростатических взаимодействий: а, б — иои-диполъиое; в, г — диполь-дипольиое.притягиваться как к ионам, так и друг к другу. Оно наиболее существенно для ионных кри¬
сталлов и сильно полярных молекул (рис. 4.4).Индукционное взаимодействие. Молекула, имеющая постоянный дипольный момент,
наводит в другой молекуле (полярной или неполярной) индуцированный дипольный мо¬
мент. Взаимодействие постоянного и индуцированного диполей понижает энергию систе¬
мы из двух молекул и упрочняет ее. Такое взаимодействие наблюдается при образовании
гидратов инертных газов, в растворах полярных веществ в неполярных и существенно толь¬
ко для молекул со значительной поляризуемостью, к которым, в первую очередь, относят¬
ся молекулы с сопряженными кратными связями.Дисперсионное взаимодействие (силы Лондона). Если первые две составляющие сил
Ван-дер-Ваальса можно понять на основе представлений электростатики, то дисперсионное
взаимодействие объяснимо только на основе квантовой механики. Грубое модельное пред¬
ставление об этом взаимодействии можно составить, рассматривая притяжение между двумя
атомами инертного газа за счет мгновенных диполей, возникающих при синхронном движе¬
нии электронов вокруг ядер. Направление диполя меняется с частотой 1015 циклов в секунду,
вследствие чего атом инертного газа не обладает постоянным дипольным моментом. Одна¬
ко при сближении двух атомов мгновенные диполи ориентируются относительно друг друга
и их направление изменяется «в такт».Особенностью дисперсионного взаимодействия является его всеобщность, т.к. во всех
молекулах есть движущиеся электроны, а для неполярных молекул это взаимодействие —
главный источник сил Ван-дер-Ваальса.Таковы основные типы невалентных сил, ответственных за притяжение между молекулами.Энергия индукционного и дисперсионного взаимодействий значительна для сильно по¬
ляризующихся молекул.4.2.3. Ионно-молекулярные взаимодействияИонно-молекулярные взаимодействия являются промежуточным случаем между обычным
химическим и вандерваальсовым взаимодействием. Если из атома металла образуется катион,
то остается свободной низколежащая орбиталь, с которой удален один или два электрона. Воз¬абвг
78ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛможен частичный перенос электронной плотности молекулы с неподеленными электронными
парами на свободную орбиталь катиона с образованием связи типа донорно-акцепторного вза¬
имодействия. Квантово-химические расчеты показывают, что такой перенос незначителен и
поэтому можно считать, что в основе связи ион-молекула лежат силы Ван-дер-Ваальса.Ион-дипольное взаимодействие играет определяющую роль в растворах электролитов в
полярных растворителях (вода, спирт). Особенно оно велико для ионов с заметной поляри¬
зуемостью (например, Ag+) и с высоким зарядом (например, Са2+, Mg2+).В растворах электролитов образуются довольно стабильные (см. табл. 4.1) продукты вза¬
имодействия иона с несколькими молекулами растворителя — сольваты (гидраты в водных
растворах). Так, катионы щелочных металлов Li+, Na+, К+ присоединяют 6-8 молекул воды
на ион. Анионы, как более крупные частицы, менее сольватированы, так как заряд в них рас¬
пределен по большему объему.Полезно обратить внимание, что структуры гидратированных катионов и анионов прин¬
ципиально различаются (рис. 4.5).4.2.4. Гидрофобные взаимодействияГидрофобными взаимодействиями (иногда неверно называемыми гидрофобными связя¬
ми) объясняются взаимодействия между неполярными молекулами (углеводороды) и не¬
полярными группами молекул (в аминокислотах, липидах и др.) в водных растворах. Эти
взаимодействия связаны с изменением структуры воды при внесении в нее таких веществ.Термин гидрофобная связь был предложен для описания вандерваальсовых сил притя¬
жения между атомами неполяризованных участков двух молекул, окруженных молекулами
воды. Вандерваальсовы взаимодействия осуществляются на таких коротких расстояниях,
что молекулы воды не могут проникнуть между взаимодействующими молекулами. Други¬
ми словами, притяжение молекул воды друг к другу за счет образования водородных связей
(см. разд. 4.2.1) приводит к тому, что участки молекул, не содержащие атомов кислорода и
азота, которые сами способны к образованию водородных связей, стремятся быть вытолк¬
нуты из воды. Таким образом, понятие «гидрофобная связь» не предполагает наличия свя¬
зей какого-либо нового типа. Этот термин не имеет энергетического смысла, в отличие от
четырех основных типов связи, обсуждавшихся ранее.Как известно, вода имеет упорядоченную структуру за счет межмолекулярных водород¬
ных связей. Внедрение неполярных молекул препятствует образованию таких связей, уве¬
личивая беспорядок в системе, т.е. сопровождается ростом энтропии*.Таким образом, движущей силой гидрофобных взаимодействий и их причиной являет¬
ся стремление воды воспрепятствовать изменению своей структуры и суммарное увеличе¬
ние энтропии системы при контакте неполярных веществ между собой.Рис. 4.5. Гидратация катионов и анионов.* Чтобы последующее объяснение стало попятным, необходимо прочитать главу 6.
ГЛ. 4]ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ79Следует помнить, что гидрофобные взаимодействия всегда эндотермичны в отличие от
других типов взаимодействий. Свободная энергия системы понижается вследствие опреде¬
ляющего вклада в ее изменение энтропийного фактора.Есть еще один принципиальный момент, связанный с гидрофобными взаимодействия¬
ми. Вода — господствующий в природе растворитель, среда, в которой протекают все био¬
химические реакции. Если бы все биологически важные вещества растворялись в ней, жизнь
по существу представляла бы собой «бульон» (чем она несомненно и была на ранних ступе¬
нях химической эволюции), а не высокоорганизованную в тысячах форм живую материю.
Основная причина такой организации — гидрофобность многих типов биомолекул: жиров
(липидов), белков, полисахаридов, стероидов и т.д.При растворении вещества надо затратить энергию, во-первых, на разрыв определен¬
ного числа водородных связей, а во-вторых, на то, чтобы заставить молекулы воды «по¬
тесниться». Это напоминает работу человека, стремящегося протиснуться в битком за¬
полненный автобус. Ясно, что вещество сможет раствориться в воде лишь в том случае,
когда эта работа будет обеспечена энергией. Солеобразные соединения, как, например
поваренная соль, растворяются в воде потому, что энергетически затраты с лихвой ком¬
пенсируются энергией, выделяющейся при взаимодействии (сольватации) ионов Na+ и
С1~ с диполями воды.Растворимость в воде таких неионных соединений, как сахара, низкомолекулярные спир¬
ты, кетоны, карбоновые кислоты обусловлена образованием значительного числа новых во¬
дородных связей взамен разрушенных между молекулами этих веществ и молекулами воды.
С другой стороны, нерастворимость в воде октана и других неполярных соединений объяс¬
няется тем, что силы сцепления между их молекулами и водой меньше сил, связывающих
молекулы воды друг с другом.Какова энергия гидрофобных сил? Подсчитано, что ассоциация двух метильных групп
дает выигрыш в 1,25 кДж/моль, а двух изобутильных — уже в 6,3 кДж/моль. Такая же энер¬
гия выделяется и при ассоциации двух фенильных групп:CHQ-CHo J -сн2-сн(СН,1 1,25 кДж/моль-снз ) /СНз
-сн,-снСН36,3 кДж/моль-<о>6,3 кДж/мольПоследние располагаются при этом параллельно, что называется стэкингом*. Стэкинг
типичен для всех плоских колец, в том числе ароматических. Он, в частности, играет очень
важную роль в стабилизации спиральной структуры ДНК (см. разд. 31.2).На первый взгляд гидрофобные силы малы. Но это так, если ассоциировано только не¬
сколько небольших молекул. Энергия гидрофобных взаимодействий многократно возрас¬
тает, когда в них участвуют десятки и сотни углеводородных групп. Именно это имеет мес¬
то в больших биомолекулах, например в белках, молекулярная масса которых достигает
порой сотен тысяч. Ассоциация углеводородных «хвостов» в белках, принадлежащих раз¬
личным аминокислотам, приводит к формированию разнообразных пространственных
структур: гидрофобных мешков, карманов, углублений. В эти емкости за счет тех же гидро¬
фобных сил могут входить как ключ в замок другие молекулы-гости, что и определяет спе¬* От англ. stack — штабель.
80ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1цифический вид биологической активности белка, независимо от того, является ли он фер¬
ментом, гормоном или рецептором.Вещества, построенные посредством ковалентных неполярных или мало полярных свя¬
зей, не растворяются в воде, иными словами, гидрофобны. Гидрофобные взаимодействия
между ними способствуют их взаимной растворимости. Поскольку мало полярны по своей
природе липиды (жиры), такие вещества называют липофильными. Напротив, взаимодей¬
ствия с молекулами воды способствуют растворению в ней сильно полярных и ионных со¬
единений. Эти вещества гидрофильны.Термины гидрофильность и липофильность (обратны им гидрофобность и липофоб-
ность) или, в общем, лиофильность и лиофобность (понятия, характеризующие способ¬
ность вещества взаимодействовать с жидкой средой) чрезвычайно важны для понимания
закономерностей распределения различных веществ в тканях организма.Любопытна ситуация с так называемыми амфипатическими соединениями, у которых
молекулы состоят из длинного углеводородного радикала («хвоста») и ионного центра
(«головы»). Типичным примером таких веществ являются анионы жирных кислот. При
их растворении молекулы воды, с одной стороны, стремятся вытолкнуть неполярные уг¬
леводородные радикалы, а с другой стороны, ее молекулы сольватируют ионную часть
соединения — карбоксильную группу. В результате этих противоречивых тенденций мо¬
лекулы амфипатических веществ прячут свои «хвосты» от диполей воды, развернувшись
им навстречу «головой». Это ведет к образованию заряженных шарообразных частиц —
мицелл (подробнее см. гл. 38). Образование мицелл способствует растворению амфипа-
тического соединения, но, поскольку мицеллы значительно крупнее отдельных молекул,
раствор получается несколько мутным, опалесцирующим (т.е. обладает способностью к
светорассеянию).В зависимости от природы вещества могут накапливаться либо в липидных клеточных
мембранах, либо в водных средах. Это должно учитываться в фармакологии при конструи¬
ровании лекарственных веществ, мишенью действия которых могут быть как клеточные
мембраны, так и водные биосреды, в токсикологии при выяснении процессов накопления и
выведения ядовитых веществ и во многих других случаях.Гидрофобность привела к структурированию живой материи прежде всего на клеточном
уровне. Клетка оказалась защищенной от внешней среды полупроницаемой мембраной, че¬
рез которую внутрь ее поступают необходимые для жизнедеятельности вещества, а наружу
выводятся продукты распада.Структура мембраны и ее функции в значительной мере определяются гидрофобными
силами. Мембрана имеет трехслойную структуру и состоит примерно на 40% из жиров (так
называемых фосфолипидов) и на 60% из белков. Ее внешняя и внутренняя стенки постро¬
ены из белков, тогда как средний слой образован полярными фосфолипидами — разновид¬
ностью амфипатических соединений. Средний слой, в свою очередь, состоит из двух слоев
(гидрофобные взаимодействия), в которых липиды ориентированы навстречу друг другу
своими неполярными «хвостами» (липидный бислой), как это имеет место в мицеллах.
Сцепление между белком и полярными «головами» липидов осуществляется в основном с
помощью водородных связей и кулоновского притяжения.Липидный слой в клеточных мембранах служит также матрицей, в которую встраивают¬
ся некоторые ключевые для жизнедеятельности вещества.Наличие в мембране протяженного липидного слоя (его толщина 60-70 А при общей
толщине мембраны = 90 А) позволяет проникать в клетку различным неполярным молеку¬
лам, необходимым для ее функционирования.
ГЛ. 4]ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БИОМОЛЕКУЛАХ81Как проникают в клетку полярные частицы, например ионы К+ или Са2+? Их доставля¬
ют туда специальные молекулы-переносчики, обладающие сродством не только к ионам, но
и неполярной жировой фазе (см. гл. 38).Ниже приведена сводная таблица типов и энергии внутри- и межмолекулярных взаимо¬
действий (табл. 4.1).Таблица 4.1Типы и энергия внутри- и межмолекулярных взаимодействийТип взаимодействияЭнергия взаимодействия,
кДж/мольПримерКовалентная связь200-1000Н-НИон-ионное40-400Na+Cl"Ион-дипольное4-40Na+(H20)nДиполь-дипольное0,4-4,002 02Диполь-индуцированный диполь0,4-4,0НС1 С6Н6Дисперсионные силы4-40Ne NeВодородная связь4-40Н20 -Н20Существует группа соединений, построенных без химических связей. Так, уже давно из¬
вестны так называемые клатраты или соединения включения. Они образуются, когда мо¬
лекулы одного типа («гости») внедряются в полости других молекул («хозяева»). Естествен¬
но, что размеры и конформация (то есть пространственная форма) «гостей» должны строго
соответствовать формам и размерам полости «хозяев». Энергия взаимодействия «гость-хо-
зяин» (за счет сил Ван-дер-Ваальса) обычно не превосходит 40 кДж/моль, хотя иногда до¬
стигает и 125 кДж/моль. В природе такие соединения встречаются достаточно широко, на¬
пример, соединения включения в организме образуют углеводы, а также некоторые вещества
жирового происхождения.Биологически активное вещество может легко образовывать клатраты, представляющие
собой физическое включение его молекул в изгибы молекул биополимера. Этот принцип
уже давно используют в текстильной промышленности при окрашивании хлопчатобумаж¬
ных тканей некоторыми красителями с длинными и узкими молекулами. При использова¬
нии таких красящих веществ, известных под названием «прямых красителей», нет необхо¬
димости пользоваться протравой, а одежда, окрашенная таким способом, сохраняет цвет
после многократной стирки. Проявлению клатратного эффекта в значительной мере способ¬
ствует образование нековалентных связей.Другим способом сконструированы молекулы катенанов, ротоксанов и узлов (рис. 4.6).Катенаны построены по типу механической цепочки (а), ротоксаны собраны по принци¬
пу «колесо-ось» (6), а принцип узла очевиден из рис. 4.6 в. Такие соединения с механической
связью, по-видимому, играют определенную роль в химии полимерных веществ, образую¬
щих живую материю (белки и нуклеиновые кислоты). Во всяком случае, в настоящее вре¬
мя известны^атенановые и ротоксановые дезоксирибонуклеиновые и узловые рибонукле¬
иновые кислоты.Таким образом, в биологических структурах реализуются все возможные типы взаимо¬
действий — ковалентное связывание, водородные связи, ион-ионное, ион-молекулярное г
гидрофобное взаимодействия и др. Каждая их разновидность в тех или иных обстоятель-
82ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1абРис. 4.6. Катеиаиы (а), ротоксаиы (б) и узлы (в).вствах начинает играть доминирующую роль, будь это явление гидратации катионов в плаз¬
ме крови (ион-дипольное взаимодействие), спиральное закручивание полимерных молекул
полипептидов и ДНК (водородная связь), или же контакт рецептора с биологически актив¬
ным веществом как и фермента с субстратом, при сближении которых роль играют силы
Ван-дер-Ваальса.В целом же при контакте биомолекул между собой, как и при взаимодействии между со¬
бой отдельных участков одной молекулы могут проявляться все возможные варианты связы¬
вания. К примеру, в формировании структуры ДНК существенно одновременное проявление
трех факторов. Водородные связи соединяют две полимерные молекулы ДНК между собой,
а закручивание ее в двойную спираль объясняется суммарным эффектом как водородных свя¬
зей, так и стэкинг-эффектом, укладывающим отдельные звенья спирали в плотно упакован¬
ную стопку. Далее, на периферии молекулы ДНК находятся остатки фосфорной кислоты,
которые вступают в ион-ионные взаимодействия с аммонийными группами основных белков.
Это, в свою очередь, приводит к упаковке молекулы ДНК в белковую оболочку.
ГЛ. 5]ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ83Глава 5.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХЧем совершеннее техника исследования
состава организмов, тем большее число
химических элементов находим мы в них.Академик А. Е. ФерсманФизико-химические свойства элементов, а следовательно и их физиологическая роль
определяются положением этих элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева.Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов, на¬
зывают биогенными элементами.Основу всех живых систем составляют шесть элементов: углерод, водород, кислород,
азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Их содержание в организме достига¬
ет 97%. Элементы-органогены имеют небольшие радиусы и промежуточные значения элект¬
роотрицательностей, что благоприятствует образованию прочных ковалентных связей.Отмеченные в гл. 2 тенденции к образованию различных типов связей представлены
на схеме (рис. 5.1) для элементов II и III периодов, где находятся многие из биогенных эле¬
ментов.Важнейшим органогеном, несомненно, является углерод. Он способен к образованию
прочных ковалентных связей.Водород и кислород — макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме
взрослого человека в среднем содержится около 65%. Кислород и водород в органических
соединениях следует рассматривать как носителей окислительных и восстановительных
свойств. Соотношение кислорода и водорода в биомолекулах определяет тенденцию этих
соединений к окислительно-восстановительным переходам и взаимодействию их с водой —
универсальной биосредой.Углерод, водород и кислород входят в состав углеводов, содержание которых в тканях
животных невелико — примерно 2%. Эти же элементы входят в состав липидов (жиров).
Кроме них в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп.В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге (12%), а затем в пе
чени (5%), молоке (2%) и сыворотке крови (0,6%). Однако основное количество фосфора
84ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛвозрастание электроотрицательностине образуют
устойчивых
соединенийLi Be I В С N О F НеNaMg А1Si Р S Cl Агv j v. jVобразуютионныесоединенияобразуют образуютковалентные ковалентныесоединенияи ионные
соединенияРис. 5.1. Закономерности в образовании соединений элементами II и III периода.(600 г) содержится в костной ткани. Это составляет 85% от массы всего фосфора, находяще¬
гося в организме человека. Фосфор присутствует и в твердых тканях зубов, в состав кото¬
рых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором.Органогены — углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор — входят в состав белков,
нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание
углерода в белках составляет от 51 до 55, кислорода — от 22 до 24, азота — от 15 до 18, водо¬
рода от 5 до 7, серы — от 0,3 до 2,5 %.Нужно отметить, что элементы-органогены образуют и многие важные для функциониро¬
вания живых систем неорганические молекулы (например, углекислый газ, оксид азота(П), яв¬
ляющийся важным биорегулятором, и др.) и анионы (карбонат-, фосфат-, сульфат- и др.).Кроме шести основных макроэлементов-органогенов, из которых состоят углеводы,
жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных тре¬
буются неорганические макроэлементы — кальций, хлор, магний, калий, натрий — и микро¬
элементы — медь, железо, молибден, цинк, фтор, иод, а также селен, мышьяк, кремний, хром,
никель, олово, ванадий.Среди d-элементов жизненно необходимы в основном элементы четвертого периода: мар¬
ганец, железо, цинк, медь, кобальт. Установлена физиологическая роль и некоторых других
d-элементов этого периода: хрома, ванадия и др. d-элементы с их невысокими значениями
электроотрицательностей склонны к существованию в виде катионов, а наличие вакантных
орбиталей в их электронных оболочках способствует легкому образованию ими комплекс¬
ных соединений.В виде комплексов с биолигандами они обычно и существуют в биосредах. Как правило,
d-биометаллы содержатся в организме в виде комплексов с аминокислотами, белками, нук¬
леиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т.д. Так, ион Fe2+ в качестве комплексооб¬
разователя входит в состав гемоглобина, Co2f — в витамин В12. Известно множество биоком¬
плексов и других элементов (Си, Zn, Мо и др.), играющих важную биологическую роль в
организме. В табл. 5.1 приведены некоторые элементарные сведения о роли важнейших
d-металлов в жизнедеятельности.d-элементы пятого и шестого периодов, за исключением молибдена, не проявляют выра¬
женной положительной физиологической активности. Молибден же входит в состав ряда
окислительно-восстановительных ферментов (например, ксантиноксидазы, альдегидокси-
дазы), играет ключевую роль в протекании такого глобального биохимического процесса,
как фиксация азота микроорганизмами почвы в составе их фермента нитрогеназы.
ГЛ. 5]ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 85Таблица 5.1.Функции основных, d-металлов в организме человекаМеталлРольЖелезоРеагент в окислительно-восстановительных превращениях, транспорт кислородаКобальтПеренос атомов водорода и метальных групп, реагент в окислительно-восстанови¬тельных превращенияхМедьРеагент в окислительно-восстановительных превращенияхЦинкВходит в состав около ста ферментов, участвует в гидролизе фосфатов, транспортеуглекислоты, синтезе РНКМолибденРеагент в окислительно-восстановительных превращениях, регулятор азотного об¬менаМарганецРеагент в окислительно-восстановительных превращениях, метаболизм жиров, ды¬хательные ферментыХромУглеводный обменВанадийМетаболизм железа, катализ в превращениях эфировВсего в организме человека обнаружено 82 элемента из 91, встречающихся в природе,
однако биогенность установлена достоверно для 24 элементов. Точно перечислить все био¬
генные элементы в настоящее время еще невозможно из-за сложности определения их био¬
логических функций, ввиду очень низких концентраций этих микроэлементов.В нашей стране проблеме биологической роли микроэлементов пер¬
воочередную роль отводил основатель современного учения о биосфере
В. И. Вернадский, еще в 1926 году создавший для изучения этой пробле¬
мы «Отдел живого вещества».Исходя из содержания химических элементов в биосредах, их подраз¬
деляют на три группы. Если массовая доля элемента в организме превыша¬
ет 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в
организме составляет 10~3-10~Г)%. Если содержание элемента ниже 10~5%, его
считают ультрамикроэлементом. Эта классификация условна. К примеру,
жизненно важный элемент магний занимает промежуточное положение меж¬
ду макро- и микроэлементами.Многие из микро- и ультрамикроэлементов могут оказывать огромное
влияние на функционирование живых организмов. Их дефицит, равно как и избыточное ко¬
личество в организме, вызывают серьезные патологические состояния, именуемые микро-
элементозами. В табл. 5.2 представлено место элементов в Периодической системе, вызыва¬
ющих микроэлементозы.Существует и другая классификация биоэлементов: их делят на незаменимые, примес¬
ные и микропримесные.1. Незаменимые элементы. Они всегда содержатся в живом организме, входя в состав его
неорганических и органических соединений — белков, нуклеотидов, липидов, ферментов,
гормонов, биорегуляторов и витаминов: Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, Cl, С, I, Mn, Cu, Co, Fr.
Zn, Mo, V. Их дефицит приводит к нарушению жизнедеятельности. К жизненно необходи-В.И. Вернадский
(1863-1945)
Распределение в Периодической системе элементов, вызывающих микроэлементозы86ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛN2Не° £18Аг36Кг4)1 >3ю ИСО Й00 psj05 Ь17С110 Лсо PQ53♦I10 2S00 <00 О16S34♦SeCN Vю Но00 Он15Р33Asю с/583Biсо О'ГН С/ЭCN «со Оо сЮ СП82♦РЬю PQ13А1^ 9со ОСП с
^ нноо Н30♦Zn48♦Cd00 ♦ Щ29♦СиГ- адСП 3
г- <28NiСО "О
^ Он00 Л*
t"-оCN UШ -С77Ir26♦Feч* piсоО25Мпсо _«
Нщ «
г>. рг524♦Сг42♦Мо74W23Vт_| ^3СО _лн22TiО *н^ NCN Й^ ЕОCN С/Э39Y57La4Be12Mgо Ли00 г feсо СЛСО ^ю Й-гн Щ^ £2 ^со Йщ «л
ю ООбведены жирной чертой. Индексом ♦ обозначены микроэлементы., избыток или дефицит которых особо важны для здоровья человека.
ГЛ. 5]ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ87мым макроэлементам относятся 5-элементы первого (водород), третьего (натрий, магний)
и четвертого (калий, кальций) периодов, а также p-элементы второго (углерод, азот, кисло¬
род) и третьего (фосфор, сера, хлор) периодов.Десять жизненно необходимых металлов — кальций, калий, натрий, магний, железо,
цинк, медь, марганец, молибден, кобальт. В организме человека массой 70 кг содержание
этих биометаллов составляет (в г): кальция — 1700, калия — 250, натрия — 70, магния — 42,
железа — 5, цинка — 3, меди — 0,2, марганца, молибдена и кобальта в сумме — менее 0,1.2. Примесные элементы. Эти элементы также постоянно содержатся в организме живот¬
ных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, В, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni,
Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Однако их биологическая роль еще не всегда детально выяснена или
даже мало известна. Большинство s- ир-элементов первых трех периодов (Al, Si, Be и др.)
физиологически активны. Расположенные в больших периодах s- ир-элементы редко выс¬
тупают в качестве незаменимых. К физиологически активным относят некоторые s- и/^эле¬
менты четвертого и пятого периодов, например, мышьяк, селен, бром.3. Микропримесные элементы (Sc, Tl, In, La, Рг, Sm, W, Re, Tb и др.). Они обнаружены в
организме человека и животных, но сведения о содержании и биологическая функция не
выяснены.Однако эта классификация отражает только содержание и физиологическую активность
элементов в живых организмах, не указывая на биологическую роль и значение того или
иного элемента.Между тем, характерным признаком жизненного назначения элемента является вид кри¬
вой доза (я) — ответная реакция (R, эффект) (рис. 5.2).Рис. 5.2. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (п) для незаменимых (а)
и примесных (6) химических элементов.Для незаменимых элементов эта зависимость имеет колоколообразный вид. При дефи¬
ците элемента организм оказывается на грани выживания (восходящая часть графика). При
повышении дозы элемента ответная реакция возрастает до нормы (плато). При сильном из¬
бытке незаменимый элемент токсичен, крайним проявлением чего служит летальный исход.Кривая на рис. 5.2 а согласуется с мыслью средневекового врача Парацельса: эффект оп¬
ределяет только доза, и все должно иметь свою меру. Организму вредна и малая, и избыточ¬
ная доза. Например, недостаток в организме железа вызывает анемию, а кальция — рахит.
Однако вреден и их избыток, вызывая сидероз, связанный с отложением соединений желе¬
за в тканях, или кальциноз — отложение кальция на стенках кровеносных сосудов.Следовательно, концентрация элемента в организме играет существенную роль. Среди
незаменимых есть элементы, которые в относительно больших количествах являются яда¬
ми, а в низкйх концентрациях полезны. Например, принято считать, что мышьяк — сильный
яд, нарушающий деятельность сердечно-сосудистой системы и поражающий почки и печень.
Однако в микроколичествах он необходим, а следовательно в небольших дозах полезен, *
потому врачи иногда прописывают его для повышения аппетита. Кислород, необходимый
88ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1человеку для дыхания и применяемый для лечения в методе оксигенобаротерапии, при дли¬
тельной экспозиции под давлением становится ядовитым.Иная зависимость «доза — действие» по сравнению с жизненно необходимыми характер¬
на для примесных и микропримесных элементов (рис. 5.2 б). До определенного содержания
таких элементов организм не испытывает сколько-нибудь заметного воздействия, однако
при превышении определенного уровня концентрации они становятся ядовитыми.Деление элементов на незаменимые и примесные (микропримесные) является в опреде¬
ленной мере условным и зависит от уровня наших знаний.Для определения значимости того или иного элемента в жизнедеятельности была раз¬
работана условная шкала их биоактивности. Оценка активности выражается по девяти¬
бальной шкале, которая основана на проявлении неких симптомов, вызываемых дефицитом
или избытком определенного элемента. Эти симптомы (в порядке возрастания эффекта)
следующие: 1 — падает аппетит; 2 — необходимость изменить диету; 3 — начинаются за¬
метные изменения состава тканей; 4 — повысилась повреждаемость хотя бы одной из био¬
химических систем жизнеобеспечения; 5 — эти системы недееспособны; 6 — появились
предклинические. признаки недееспособности; 7 — налицо клинические симптомы неде¬
еспособности; 8 — тормозится рост; 9 — отсутствует репродуктивная функция. В табл. 5.2
приведены сведения об основных элементах Периодической системы, характеризующие
их биологическую активность.При такой системе оценок наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необ¬
ходимые элементы.Имеется большое число химических элементов, особенно среди «тяжелых», являющихся
ядами для живых организмов, — они оказывают неблагоприятное биологическое воздей¬
ствие.За исключением бериллия и бария эти элементы образуют прочные сульфидные соеди¬
нения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определен¬
ных функциональных групп (в частности, тиольных) протеина или же с вытеснением из не-
муторът* тот икшйта,элементов в Периодической системе представлено в табл. 5.3.Как правило, токсичность элементов данной группы увеличивается (и соответственно
уменьшается их содержание в организме) при переходе к элементам с большими атомными и
ионными радиусами, с высоким зарядом ядра. Это, вероятно, вызвано падением растворимо¬
сти соединений таких элементов, в силу чего они плохо усваиваются живыми организмами.Некоторые /-элементы, лантаноиды и актиноиды, в микроколичествах содержатся в
организме человека, однако наличие большинства из них не установлено. Как правило, они
высоко токсичны, поскольку образуют устойчивые соединения с полидеитатпыми биол иган-
дами. Поэтому их попадание в организм сказывается на течении многих биохимических
реакций.Во всяком случае, среди /-элементов нет биогенных. Если даже они и обнаруживаются
в ультрамикроскопических количествах в тканях, то вряд ли с их присутствием связаны ка¬
кие-либо биологические функции.Содержание в биосредах элементов-органогенов, ковалентно связанных с органической
частью биомолекул, уменьшается с ростом размера атомов элементов в данной группе Пе¬
риодической системы. Например, содержание элементов шестой группы распределяется
следующим образом: О > S > Se > Те. Это, вероятно, связано с общей тенденцией по мере уве¬
личения радиуса элементов к уменьшению прочности их ковалентных связей с углеродом,
цепи которого составляют структурную основу органического вещества.
ГЛ. 5]ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ89«лсзSTVoй£и>
t—I
>
>
>г; о*О о*PQс/э 050-1 05лСК£К о*0005оЗ
£ 04PQN05О£ 00|о5О00> 00Ос/э 00о 05слс
спndUа.диР405£00СОюPQРн00
ЕС 'V)ОО)с*соUХ>><W>>
Q 'Н-ООеОн-О£VUв*2о
90ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Массовая доля элементов, находящихся в организме в виде ионов (5-элементы, р-элемен¬
ты седьмой группы), с ростом радиуса атома элемента в группе увеличивается до элемента
с неким оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Так, например, во второй
группе при переходе от бериллия к кальцию содержание элементов в организме увеличива¬
ется, а при дальнейшем переходе от бария к радию снижается. Аналогично и в седьмой груп¬
пе: при переходе от фтора к хлору содержание элемента в организме увеличивается, а затем
уменьшается.В растительных и животных системах в значительных количествах (в макроколичествах)
содержатся легкие 5- и p-элементы. Те биоэлементы, которые имеют крайние значения элек¬
троотрицательностей, т.е. сильно электроположительные или сильно электроотрицательные
элементы, в живых системах присутствуют в виде ионных структур. 5-элементы находятся
в виде катионов, а галогены — в виде анионов.Хлорид-ион — основной анион плазмы крови и желудочного сока. Кальций в составе
труднорастворимых солей концентрируется преимущественно в костной, а также в зубной
ткани. Натрий в основном содержится во внеклеточных жидкостях, а калий и магний — во
внутриклеточных. Натрий и калий в виде фторидов, а магний в виде фосфата, входят в со¬
став костной и зубной ткани.Близкие значения атомных и ионных радиусов, энтальпий ионизации, координационных
чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах био¬
лигандов обусловливает эффекты замещения элементов в биологических системах. Такое за¬
мещение ионов может происходить как с усилением (синергизм), так и с подавлением ак¬
тивности (антагонизм) замещаемого элемента. Синергизм и антагонизм элементов изучен
еще недостаточно. Исследование этого вопроса важно, так как его решение дает возможность
оценить биологическую роль элементов, создавать новые лекарственные препараты.5-элементы первой группы склонны к образованию связей с атомом кислорода, все они
находятся в растворе в виде гидратированных ионов Э+(Н20)х. Сходство лития с натрием
обусловливает их взаимозамещаемость, причем, как правило, они являются синергистами.
Рубидий и цезий по физико-химическим характеристикам ближе к калию, поэтому в орга¬
низме они также могут замещать друг друга.5-элементы второй группы входят в состав биомолекул, связываясь через атом кислорода
с анионами фосфорной, угольной и карбоновых кислот.Магний в организме по преимуществу находится внутри клеток, где образует соедине¬
ния с белками и нуклеиновыми кислотами, содержащие связи Mg-N и Mg-О. Сходство фи¬
зико-химических характеристик ионов Ве2+ и Mg2+ обусловливает их взаимозамещаемость
в таких соединениях. Это объясняет, в частности, ингибирование магнийсодержащих фер¬
ментов при попадании в организм бериллия, следовательно, бериллий — антагонист магния.
Кальций, в основном находящийся в составе костной ткани, по своим свойствам близок к
стронцию и барию, поэтому эти ионы могут замещать его в костях. При этом наблюдаются
как случаи синергизма, так и антагонизма.p-элементы третьей группы в микроколичествах входят в состав биомолекул, связываясь
с атомами кислорода или азота. Так, известен антибиотик борамицин, в котором реализуется
донорно-акцепторное взаимодействие между атомами азота и бора. Исключение составляет
таллий, для которого характерно образование связи с атомами серы, чем объясняется его вы¬
сокая токсичность.p-элементы четвертой группы входят в состав биомолекул, связываясь с атомами разных
элементов. Углерод в биомолекулах образует полимерные цепи углерод-углерод и прочно
соединяется с водородом, кислородом, азотом, серой, селеном и иодом. Прочие элементы
ГЛ. 5]ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ91этой группы (кремний, германий, олово, свинец) образуют предпочтительно связи с атомом
кислорода, а свинец и с серой. Различие в прочностях перечисленных выше связей эле¬
ментов этой группы обусловливает отсутствие аналогий в их физиологических функци¬
ях. Склонность свинца давать прочную связь с атомом серы определяет его токсическое
действие.p-элементы пятой группы также входят в состав биомолекул, образуя связи с атомами
многих элементов. Для азота в биомолекулах характерны связи с углеродом и водородом.
Фосфор связывается через кислород, мышьяк, сурьма и висмут — через кислород и серу. Это
определяет малое сходство азота с фосфором, а также отличие этих элементов от мышьяка,
сурьмы и висмута. Наоборот, склонность мышьяка, сурьмы и висмута к связыванию с серой
белков определяет их токсичность и в целом — синергизм в поведении в живых системах.p-элементы шестой группы образуют в биомолекулах связи с различными элементами.
Однако сильноэлектроотрицательный кислород резко отличается по физико-химическим
характеристикам от серы и селена, в то время как они сходны по свойствам и выступают в
качестве синергистов.p-элементы седьмой группы — бром и хлор обычно находятся в организме в виде гид¬
ратированных галогенид-ионов, а фтор и иод — в связанном состоянии. Фтор связывает¬
ся с металлами в труднорастворимые соли (Са, Mg, Fe). По электроотрицательности и
склонности к координации с биогенными элементами фтор резко отличается от других
галогенов, поэтому он мало участвует в замещении ионов хлора, брома и иода. Три после¬
дних элемента близки по свойствам и могут замещать друг друга в организме. Иод с его
невысокой электроотрицательностью в организме образует ковалентные соединения со
связью С-1.Для ^-элементов более характерно горизонтальное сходство, чем вертикальное. Ионы
двухвалентных марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка имеют сходные физико-хи¬
мические характеристики: электронную конфигурацию, близкие радиусы ионов, однотип¬
ные координационные числа 4 и 6 (соответственно тетраэдрическое или квадратное и окта¬
эдрическое окружение лигандов). Сходство характеристик этих элементов обусловливает их
хотя бы частичную взаимозаменяемость и параллелизм в биологическом действии. В виде
определенных биокомплексов (в том числе, металлоферментов) все они участвуют в регу¬
ляции обмена веществ, являяс^ катализаторами биосинтеза.Большинство из них, за исключением цинка, стимулируют кроветворение. Их синергизм
в этом процессе связан с участием их ионов в различных этапах синтеза ферментных систем
крови. Более того, молекулы-переносчики кислорода для человека и большинства высших
животных содержат в своем составе железо, у червей эту роль выполняют медьсодержащие
белки, а у асцидий ту же функцию выполняют белки, в состав которых включен ванадий.
Ионы никеля, марганца и железа замещают друг друга в живых организмах, участвуя в од¬
нотипных ферментативных превращениях.Таким образом, существуют лишь частные зависимости между физико-химическими
характеристиками элементов и их биологическим действием, которые позволяют в опреде¬
ленной мере прогнозировать результат поступления различных соединений этих элементов
в организм человека. Тем не менее, простые и общие зависимости между физико-химичр-
скими характеристиками элементов Периодической системы и их функционированием в
живых системах отсутствуют.В целом можно заключить, что все биоэлементы — компоненты закономерно существу¬
ющей очень сложной физиологической системы, участвующей в фунционировании и регу¬
ляции жизненных функций организмов на всех стадиях развития.
92ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИГлава 6ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕТермодинамика — это единственная
физическая теория, относительно кото¬
рой я уверен, что... она никогда не будет
опровергнута.А. Эйнштейн...количество теплоты, въ1деляюш,ееся при
сгорании органического вещества, будет
ваэютм фактором, который приведет нас
к познанию строения этого вещества.Г. ГессНаука использует все возможные средства исследования для понимания явлений при¬
роды. Одним из подходов к изучению химических процессов служит феноменологический
подход, основанный на изучении наиболее общих закономерностей, но не рассматривающий
детальную природу явлений. Этот метод составляет суть термодинамики.Термодинамика исследует энергетику различных физических и химических процессов.
При этом она рассматривает только макроскопические объекты, т.е. изучает коллективные
свойства большого числа молекул. В основе термодинамики нет никаких модельных пред¬
ставлений, и она не зависит от изменений наших взглядов на природу атомов и молекул или
от создания новых физических или химических теорий.Знание энергетических изменений принципиально важно для понимания важнейших
биологических процессов. Так, существенны сведения о количестве калорий, получаемых в
процессе питания и расходуемых при выполнении той или иной работы. С точки зрения био¬
энергетики все живые существа делятся на аутотрофы, которые накапливают энергию в
организмах за счет биохимических процессов (например, растения), и гетеротрофы, выра¬
батывающие ее в результате окисления питательных веществ — жиров и углеводов. Живот¬
ные являются гетеротрофами.Детальное изложение химической термодинамики не служит целыо настоящего учебни¬
ка. В данной главе мы сформулируем лишь основные понятия и законы, представляющие
по существу тот язык, с использованием которых будут в дальнейшем описываться различ¬
ные химические явления.
ГЛ. 6] ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ936.1. Первый закон термодинамики. ЭнтальпияЗадачей химии является изучение химических реакций, т.е. процессов превращения ве¬
ществ. В простейшем случае целесообразно рассматривать лишь начальное и конечное со¬
стояния взаимодействующих тел, не принимая во внимание путь, по которому протекает
процесс, и время превращения. В этом и заключается термодинамический подход к изуче¬
нию химических процессов.Для удобства изучения необходимо изолировать объект исследования от окружаю¬
щей среды. Такая совокупность тел, выделенная из пространства, называется системой.
Термодинамической системой называется любой объект природы, состоящий из доста¬
точно большого числа молекул (структурных единиц) и отделенный от других объектов
природы реальной или воображаемой граничной поверхностью (границей раздела) и
внутри него возможен массо- и теплообмен. Объекты природы, не входящие в систему,
называются средой.При отсутствии массо- и теплообмена с внешней средой говорят об изолированной си¬
стеме (Ат = О, AU = 0). Если это условие не соблюдается, то такая система считается от¬
крытой. Открытая система может обмениваться со средой как веществом, так и энергией
(Ат Ф 0, AUФ 0). Термодинамические зависимости для открытых систем имеют сложный ха¬
рактер. Закрытой системой называется такая система, которая не обменивается со средой
веществом, но может обмениваться энергией (Ат = 0, АЦф 0).Всякий живой организм и его отдельные части представляют собой открытые системы,
осуществляющие непрерывно как обмен веществ, так и энергетический обмен. Для наших
целей, т.е. для истолкования основных термодинамических законов в их приложении к хи¬
мическим явлениям, мы будем оперировать главным образом изолированными термодина¬
мическими системами.Состояние системы определяется совокупностью ее свойств и характеризуется термо¬
динамическими параметрами. Важнейшими термодинамическими параметрами являют¬
ся: давление р} температура Т, объем системы V, общая масса системы т, массы химических
веществ (компонент) тк, из которых состоит система, или концентрация этих веществ Ск.Термодинамика изучает переходы системы из одного состояния в другое. Но переходы
должны осуществляться при термодинамическом равновесии с окружающей средой, т.е.
очень медленно, а в идеале — бесконечно медленно. При этом могут изменяться все парамет¬
ры системы, либо некоторые параметры остаются без изменения. Если процессы перехода
системы происходят при постоянстве каких-то параметров системы, то они называются:а) изобарический (р = const);б) изохорический (V = const);в) изотермический (Г = const);г) изобарно-изотермический (р = const, Т= const) и т.д.Состояние системы изменяется с изменением хотя бы одного из ее параметров. Анали¬
тически состояние системы можно представить в виде уравнения состояния, которое связы¬
вает между собой все параметры. Конкретный вид уравнения состояния известен лишь для
небольшого числа простых объектов. Например, уравнение Клапейрона-Менделеева явля¬
ется уравнением состояния идеального газа.В термодинамике для определения изменения энергии системы в тех или иных услови¬
ях применяют различные энергетические характеристики, называемые термодинамически¬
ми функциями состояния, которые зависят лишь от термодинамических параметров, ха-
рактеризующих состояние. Важная особенность функций состояния — их независимость от
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1: г >: :юа достижения данного состояния системы. К особенностям характеристических фун-• д;:й относится зависимость их величин от количества или массы вещества, поэтому при-
относить их к одному молю вещества.Одной из основных функций состояния является полная энергия Е, которая представ-
гт собой сумму трех составляющих: кинетической энергии К, потенциальной энергии Я,
условленной действием внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и
гг I и внутренней энергии системы U:Е = К+П+ U.При термодинамическом описании предполагают, что система находится в относитель-
н:м покое (К = 0) и действие внешних полей пренебрежимо мало (Я = 0). В таком случае
::~дная энергия системы определяется запасом ее внутренней энергии U. Последняя скла¬
дывается из кинетической энергии молекул, поступательного и колебательного движениявзаимодействий и т.п.Учет всех этих составляющих невозможен, но для термодинамического анализа в этом
нет необходимости, т.к. достаточно знать лишь изменение внутренней энергии при перехо¬
де из одного состояния в другое, а не ее значение в этих состояниях.Если отсутствует теплообмен системы с внешней средой, то общий запас внутренней
энергии системы остается постоянным. По существу это — закон сохранения энергии, кото¬
рый и является первым законом термодинамики. Согласно этому закону, энергия не мо¬
жет ни создаваться, ни исчезать, но может переходить из одной формы в другую.Первый закон термодинамики относится к числу фундаментальных законов природы,
которые не могут быть выведены из каких-то других законов.В зависимости от условий протекания процесса в системе используют различные фун¬
кции состояния, которые выводят из первого закона термодинамики. В термодинамике при¬
нято из величины, характеризующей конечное состояние (2) системы, вычитать величину,
характеризующую ее начальное состояние (1). Разность обозначается знаком А (дельта) и
называется изменением соответствующего свойства или характеристики в рассматриваемом
процессе. Так, AU= U2-U\ есть изменение внутренней энергии при переходе системы из со¬
стояния 1 в состояние 2.Сообщенная системе теплота Q расходуется на рост внутренней энергии АС/ и на совер¬
шение работы против внешних сил А:Q = AU + A.Это уравнение представляет собой математическое выражение первого закона термо-hIРис. 6.1. Сжатие поршнем
газа в цилиндре.динамики.Для выяснения физического смысла работы внешних сил А рас¬
смотрим систему, представляющую собой газ в цилиндре, отделенный
от внешней среды перемещающимся без трения поршнем (рис. 6.1).
Если дать поршню возможность свободно перемещаться (р = const),
то газ, перемещаясь, совершит работу:А = f-h =p'S-h =р-А Кгде /— сила, действующая на поршень, h — высота перемещения
поршня, р — давление, S — площадь поршня, АУ — изменение
объема.
ГЛ. 6] ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ95Следовательно, А = рЛ V = р( V2 - Vx). Поэтому теплота при постоянном давлении будет рав¬
на AU+p(V2-Vi), а поскольку AU = U2-Uuto Q, = U2-Ux+p(V2-Vx) = (U2+pV2)-(Ux+pVx).Введем новую функцию состояния:H=U + pVfкоторая больше внутренней энергии на величину работы расширения. Эта функция состо¬
яния (Я) называется энтальпией. Таким образом, при постоянном давлении (т.е. в изобар¬
ных условиях) теплота, подводимая к системе, идет на увеличение ее энтальпии.Qp = Н2-Нх = АН.Другими словами, энтальпия эквивалентна внутренней энергии системы при постоян¬
ном давлении.Если поршень закрепить неподвижно (V= const, изохорный процесс), то изменение объе¬
ма А У при этом равно нулю и работа расширения А = 0. Сообщенная газу теплота полностью
идет на увеличение запаса внутренней энергии:Qv=AU.Внутренняя энергия — функция состояния, приращение которой равно теплоте Qv, по¬
лученной системой в изохорном процессе.6.2. Термохимия. Закон ГессаХимическое взаимодействие, как правило, сопровождается тепловым эффектом. Раздел
термодинамики, изучающий превращения энергии при химических реакциях, называется
химической термодинамикой. Уравнение реакции, для которой указываются соответству¬
ющие этой реакции изменения внутренней энергии AU, энтальпии АН или какой-либо дру¬
гой функции состояния, называется термохимическим.Поскольку в большинстве случаев химические реакции протекают при постоянном дав¬
лении, то в дальнейшем, кроме особо оговоренных исключений, будут рассмотрены изоба¬
рические условия. Тепловой эффект реакции будем называть также энтальпией реакции и
обозначать АН. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном со¬
стоянии (табл. 6.1), то тепловой эффект реакции называется стандартной энтальпией ре¬
акции и обозначается АН\ Следует отметить, что стандартное состояние веществ не зависит
от температуры.Тепловой эффект реакции необходимо характеризовать не только абсолютной величиной,
но и знаком. Если в результате реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия системы понижа¬
ется (АН < 0), то реакция называется экзотермической. Реакция, протекающая с поглощени¬
ем теплоты, т.е. с повышением энтальпии системы (АН > 0), называется эндотермической.
В термодинамике принято считать тепло, поглощенное системой (эндотермические реакции),
положительным, а тепло, отданное системой в окружающую среду (экзотермические реак¬
ции), — отрицательным. Тепловой эффект реакции зависит (хотя и относительно мало) от тем¬
пературы; поэтому в индексе объ^но указывается температура АНТ или АН°т, например АНш
или АЯ°298- В пределах давлений, используемых в практике, эффект давления для большинства
реакций относительно невелик. Например, при увеличении давления с 102 до 5-104 кПа теп¬
ловой эффект реакции синтеза аммиака изменяется на 5%.Тепловой эффект реакции в изобарных условиях определяется разницей энтальпий ко
нечного и исходных состояний.
96ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛРассмотрим следующую реакцию при 298,15 К (25 °С) и давлении 101,3 кПа:С(тв.) + 02(газ) —> С02 (газ) АЯ = -393,5 кДж/моль.Эта запись означает, что при образовании 1 моля газообразного С02из графита и газо¬
образного кислорода выделяется 393,5 кДж теплоты. Величину АЯ можно представить в
виде:АЯ=ЯС02-ЯС-Я02,где Я — мольные энтальпии отдельных компонентов системы при данной температуре и
давлении.Если бы были известны энтальпии всех элементов и их соединений, то можно было бы
рассчитывать тепловые эффекты любых реакций, не проводя никаких опытов. Однако не су¬
ществует способа измерять абсолютные значения энтальпий.Поэтому для расчетов в термодинамике вводится шкала мольных энтальпий, осно¬
ванная на предположении, что каждый элемент в той форме, в которой он устойчив при298.15 К (25 °С) и давлении 100 кПа (1 бар), характеризуется нулевой энтальпией. В при¬
веденной реакции Н°с = Н°0= 0. В таком случае энтальпия реакции совпадает с энтальпией
образования углекислого газа из элементов: АН0 = Н°со^ = -393,5 кДж/моль. Для менее
стойких аллотропных форм, а некоторые элементы существуют в нескольких аллотропных
модификациях, например, озон и алмаз — менее устойчивые формы кислорода и углеро¬
да, соответственно, имеется своя величина Я, отвечающая тепловому эффекту аллотроп¬
ного перехода.Тепловой эффект образования 1 моль вещества из простых веществ, устойчивых при298.15 К и давлении 100 кПа, называют энтальпией образования и обозначают АН°обр . Эн¬
тальпию образования простых веществ, устойчивых при данных условиях, как уже было
сказано выше, принимают равной нулю. Для возможности сопоставления энтальпии об¬
разования веществ относят к стандартному состоянию (табл. 6.1) и называют стандартны¬
ми энтальпиями образования из простых веществ и обозначаются АН°о6р >Т. В справочниках
обычно приводят стандартные энтальпии образования АН°о6р298 при 298,15 К. Стандартные
энтальпии образования ряда важных в биологическом отношении веществ представлены вТаблица 6.1.Условия стандартного состояния веществ*Состояние веществаСтандартное состояние веществаПростое твердое веществоКристаллическое твердое веществоПростое жидкое веществоЧистая жидкостьГазообразноеПарциальное давление 100 кПа (1 бар)** или отно¬
сительное давление 1РастворенноеКонцентрация 1 моль/л — для идеального раствора,
активность 1 моль/л — для реального раствора**** На практике часто используются и нормальные условия: температура 273 К (0°С) и давление 100 кПа.* * Стандартным давлением газа до 1984 г. считалось 101,325 кПа (1 атм), когда Международный Союз чистой и при¬
кладной химии (ИЮПАК) рекомендовал считать в качестве стандартного давление, равное 100 кПа. Большинство
справочных данных рассчитано для стандарта 1 атм, и мы в дальнейшем будем пользоваться ими.***См.гл. 9.
ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ97табл. 6.2. Необходимо обратить внимание, что все приведенные в таблице природные орга¬
нические молекулы имеют отрицательные значения энтальпий образования.Обобщение термохимических закономерностей дает основной закон термохимии,
сформулированный в 1836 г. русским академиком Г. И. Гессом (1802-1850 гг.): прираще¬
ние энтальпии при образовании заданных продуктов из данных реагентов при постоянном
давлении не зависит от числа и вида реакций, в результате которых образуются эти про¬
дукты.Закон Гесса можно иллюстрировать схемой:А + В —»АВ, АН
А —+АВА + С —> АС, АНi АС АС + В —> АВ + С, АН2 •Образование соединения АВ представлено двумя путями: непосредственным синтезом
из компонентов (энтальпия образования АН) или через стадию промежуточного соединения
АС (энтальпия образования A#t), которое, реагируя с В (АЯ2), дает тот же конечный про¬
дукт. В соответствии с законом Гесса АН = АН{ + ДЯ2.Закон Гесса — следствие первого закона термодинамики. Его широкая применимость и
значение определяется тем, что энтальпия является функцией состояния и, таким образом,Таблица 6.2Стандартные энтальпии образования некоторых неорганических и органических молекул при 298,15 КСоединение(состояние)АН0,кДж/мольСоединение(состояние)АН0,кДж/мольНС1 (газ)92,2Метан (газ)-74,8NaCl (тв.)411,0Этилен (газ)52,302 (газ)0Ацетилен (газ)226,703(газ)-142,0Бензол (жидк.)49,0Н20 (газ)-241,8Этанол (жидк.)-277,8Н20 (жидк.)-285,8Глицерин (жидк.)-670,7S02(ra3)296,9Ацетальдегид (газ)-166,0H2S (газ)20,4Ацетон (жидк.)-246,8NH3 (газ)-46,2Уксусная кислота (жидк.)-487,3NH3 (водн.)-80,8Масляная кислота (жидк.)-524,3HCN (газ)132,0Фумаровая кислота (тв.)-811,1Н3Р04 (тв.)-1281,1Молочная кислота (водн.)-694,0С (графит)0Пировиноградная кислота (водн.)-607,5С (алмаз)+1,8Глицин (тв.)-524,7СО (газ)-110,5Мочевина (тв.)-333,2С02(газ)-393,5Мочевина (водн.)-319,2С02(водн.)-699,6Глюкоза (тв.)-1274,4Н2 (газ)0Сахароза (тв.)-2222,0
98ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1ее изменение при переходе из одного состояния в другое всегда одинаково независимо от
числа стадий и пути перехода.Из закона Гесса вытекает еще одно следствие: энтальпия реакции равна алгебраической
сумме энтальпий образования стехиометрического количества продуктов реакции за вычетом
алгебраической суммы энтальпий образования стехиометрического количества реагентов.АЯреаКции IAH+ . продуктов реакцииобр. исходных веществ'В качестве примера вычислим значение АЯ0 реакции гидролиза мочевины до С02 и NH3.Хотя в отсутствие фермента (уреазы) реакция практически не идет, значение стандарт¬
ной энтальпии этой реакции можно вычислить из термодинамических данных, если извес¬
тны соответствующие энтальпии образования всех веществ, участвующих в ней. Гидролиз
мочевины идет по уравнению:1МН2СОМН2(водн.) + Н20(жидк.) -» С02(водн.) + 2ЫН3(водн.).Используя данные таблицы, по последнему уравнению находим:АЯ°реакции = "699,6 + 2-(-80,8) - [-319,2 + (-285,8)] = -256,2 кДж/моль.Приведенный пример показывает, каким образом можно узнать тепловой эффект реак¬
ции, не прибегая к экспериментальным термохимическим измерениям. Этот прием чрезвы¬
чайно полезен при исследовании большинства химических реакций, происходящих в живых
клетках, которые часто недоступны для прямых измерений.Вычисления по закону Гесса можно производить, пользуясь или изменениями энталь¬
пии, или изменениями внутренней энергии, так как закон Гесса строго выполняется или
только для изобарных (р = const, Q^, АН), или только для изохорных процессов (V = const,
Qv, AU). Если имеются данные для процессов обоих видов (АЯи AU), их необходимо пере¬
считать для одинаковых условий, т.е. для постоянного объема или давления (пользуясь уже
известными формулами).Следует обратить внимание, что при термодинамических вычислениях необходимо учи¬
тывать агрегатное состояние реагирующих веществ, т.к. только в этом случае расчеты могут
иметь какую-либо ценность.6.3. Второй закон термодинамики. ЭнтропияПервый закон термодинамики позволяет рассчитывать энергетический баланс химиче¬
ского процесса. Однако он ничего не говорит о том, будет ли происходить то или иное пре¬
вращение, и в каком направлении должна самопроизвольно (без действия внешних сил) про¬
текать химическая реакция.Процесс называется самопроизвольным, если он осуществляется без каких-либо воздей¬
ствий, когда система предоставлена самой себе.Реакция проходит в направлении повышения устойчивости системы: чем прочнее свя¬
зи в веществах, тем ниже энергетический запас системы. Но в ряде случаев энергетических
представлений оказывается недостаточно для суждения о направлении реакции. Причем за¬
мечено, что чем ниже температура, тем большее число химических процессов идет в направ¬
лении уменьшения энергетического запаса системы и, наоборот, чем выше температура, тем
больше исключений из этого правила.Попыткой воспользоваться первым законом термодинамики для оценки направленно¬
сти химических процессов явился принцип Бертло-Томсона, согласно которому реакция са¬
ГЛ. 6] ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ99мопроизвольно протекает в сторону выделения теплоты, т.е. уменьшения энтальпии (ДЯ<0,
экзотермическая реакция). Во многих случаях этот принцип действительно позволяет пред¬
видеть направление химического процесса, однако ограниченность его была показана боль¬
шим числом примеров самопроизвольно происходящих эндотермических явлений. На¬
пример, самопроизволен процесс растворения поваренной соли в воде, происходящий с
поглощением тепла.Таким образом, изменение внутренней энергии AU для закрытых систем не может слу¬
жить критерием самопроизвольного протекания процессов. Следовательно, первого закона
термодинамики, из которого получен этот критерий, недостаточно для решения вопроса о
самопроизвольности, равно как и об эффективности процессов. Решение этих вопросов до¬
стигается с помощью второго закона термодинамики.Для прогнозирования возможности и направления процессов необходимо ввести еще
одну функцию, которая должна отвечать ряду требований. Во-первых, она должна быть фун¬
кцией состояния, т.е. не зависеть от пути реализации данного состояния. Во-вторых, для всех
самопроизвольных процессов изменение этой функции должно иметь один и тот же знак.
Такой функцией является энтропия.Понятие энтропии (S) ввел (1865 г.) немецкий физик Р. Ю. Клаузиус (1822-1888 гг.) —
один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории тепловых процес¬
сов. Термодинамическое определение энтропии в соответствии с Клаузиусом: энтропия
представляет собой функцию состояния, приращение которой AS равно теплоте Q, подведен¬
ной к системе в обратимом изотермическом процессе, деленной на абсолютную температу¬
ру Г, при которой осуществляется процесс:AS=Q/T.Физический смысл этой новой функции можно рассмотреть на примере плавления ин¬
дивидуального кристаллического вещества. Плавление происходит при постоянной темпе¬
ратуре и сопровождается поглощением теплоты плавления А(энтальпия плавления). По¬
глощение тепла должно, как казалось, способствовать увеличению внутренней энергии
системы, что выразилось бы в увеличении температуры. Однако этого не наблюдается. Сле¬
довательно, в процессе плавления действует другой фактор, способствующий сохранению
постоянной температуры. Аналитически это можно выразить в видеДЯ„- Тт:А5ад,где A— величина, характеризующая процесс в системе, на который расходуется поглоща¬
емое тепло при постоянной температуре. Поскольку энтальпия плавления является функ¬
цией состояния, то и величина ASWI должна быть функцией состояния. При плавлении кри¬
сталла происходит разрушение упорядоченной кристаллической структуры и образование
расплава с хаотическим расположением частиц, т.е. увеличение беспорядка в системе.Частным примером этой тенденции является переход тепловой энергии от более нагре¬
того тела к менее нагретому, но никак не наоборот.Другой пример — диффузия. Если сосуд разделить перегородкой на две половины и по¬
местить газ только в одну половину, то после удаления перегородки газ распространится по
всему сосуду, и в обеих его половинах в среднем будет одинаковое количество молекул. Об¬
ратный процесс перехода молекул газа в одну половину сосуда не происходит.Во всех приведенных примерах система вначале была упорядочена: температура двух со¬
прикасающихся тел различалась, газ был в одной половине сосуда. Конечное равновесное
состояние — неупорядоченность: температура и числа молекул усреднялись.
100ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[ЧЛКак показывает опыт, все самопроизвольные процессы в изолированных системах про¬
ходящие без изменения энергетического состояния системы, совершаются только в направ¬
лении, при котором беспорядок в системе возрастает и она переходит в более вероятное
состояние. Таким образом, критерием направленности процесса может служить степень
неупорядоченности системы. Мерой этой неупорядоченности и является функция S. В наи¬
более неупорядоченном состоянии энтропия будет максимальной.Состояние системы можно характеризовать микросостояниями составляющих ее частиц,
т.е. их мгновенными координатами и скоростями различных видов движения в различных
направлениях. Число микросостояний системы называется термодинамической вероятно¬
стью системы W.Больцманом было высказано предположение, что энтропия S может быть выражена че¬
рез термодинамическую вероятность W следующим образом:S = k-lnW,где k — константа Больцмана, равная отношению газовой постоянной R к постоянной Аво-
гадро Na.Формула Больцмана позволяет теоретически рассчитать энтропию системы по числу
возможных ее микросостояний. Такие расчеты хорошо согласуются с экспериментально оп¬
ределенными значениями. В частности, известно, что число микросостояний кристалличе¬
ских веществ при 0 К близко к W0 = 1. Подставляя это значение в формулу, получают 50 = 0.
Таким образом, могут быть определены абсолютные значения энтропии кристаллизующих¬
ся веществ в отличие от внутренней энергии U и энтальпии Я, для которых можно опреде¬
лить лишь относительные значения.Поясним смысл величины W следующим примером. Допустим, что в сосуде, мысленно
разделенном на две половины, находится всего четыре одинаковых и невзаимодействующих
молекулы. В табл. 6.3 показаны все возможные способы их распределения по двум сосудам.
Распределения I и V наименее вероятны, т.к. каждое из них реализуется лишь одним спосо¬
бом. Распределения II и IV в 4 раза более вероятны, т.к. каждое из них реализуется четырь¬
мя способами. Наконец, распределение III наиболее вероятно — оно достигается шестью спо¬
собами.Каждый конкретный способ распределения соответствует определенному микрососто¬
янию системы. Поскольку молекулы не различимы, то каждое макросостояние достигает¬
ся определенным числом микросостояний. Число микросостояний, которым достигается
данное макросостояние, называется термодинамической вероятностью. В приведенном при¬
мере термодинамическая вероятность максимальна для распределения III (W= 6). Заметим,
что в отличие от математической вероятности, которая не может быть больше единицы, тер¬
модинамическая вероятность выражается большими числами.При малом числе молекул максимум энтропии не резок — распределение III лишь на 50%
более вероятно, чем II и IV. Наоборот, если число молекул велико, то вероятность равномер¬
ного распределения очень велика, в то время как вероятность неравномерного распределе¬
ния (например, для тысячи молекул по двум сосудам в отношении 333:667) окажется очень
малой.Выяснив смысл новой функции состояния — энтропии, сформулируем второй закон
термодинамики, согласно которому всякий самопроизвольный процесс в изолированной си¬
стеме идет с возрастанием энтропии. Таким образом, если в результате процесса А5 > 0,
процесс в изолированной системе термодинамически возможен; если же AS < 0, то его само¬
произвольное протекание исключается.
ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕВарианты распределения четырех молекул в двух сосудах101Таблица 6.3Макро¬состояниеСпособ распределения
микросостоянийЧисло микро¬
состояний, WЛевая половинаПравая половинаI12341II12344124313422341III12346132414232 31424133412IV12344213431244123V12341В обратимом процессе изменения энтропии не происходит (AS = 0). В рассмотренном
выше примере плавления кристаллического вещества происходит повышение энтропии при
разрушении кристаллической решетки, но это повышение компенсируется уменьшением эн¬
тропии при охлаждении.Возникает вопрос: можно ли обратить самопроизвольный процесс? Второй закон термо¬
динамики отвечает, что это возможно, но при определенных условиях. Обращение самопро¬
извольного процесса может быть достигнуто только путем создания эквивалентной или еще
большей микроскопической неупорядоченности где-то в другом месте.Наглядным примером может служить биопроцесс фотосинтеза. Двуокись углерода, вода
и другие питательные вещества поглощаются растениями, и за их счет синтезируются слож¬
ные высокоорганизованные молекулы углеводов. Этот процесс сопровождается понижени¬
ем энтропии. Чтобы происходил процесс фотосинтеза, растениям необходима солнечная
энергия. Поэтому уменьшение энтропии при переходе от С02 и Н20 к углеводам компен¬
сируется возрастанием энтропии на Солнце.Многие другие фундаментальные биохимические процессы также осуществляются с
уменьшением энтропии. Таков, например, процесс образования биополимеров — белков и
102ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1нуклеиновых кислот, активный транспорт ионов через клеточные мембраны и др. Эти при¬
меры на первый взгляд противоречат термодинамическим закономерностям.Живой организм есть открытая система, поэтому противоречие между физической и
химической эволюцией является кажущимся. В открытой системе энтропия может возрас¬
тать, оставаться постоянной или даже уменьшаться в зависимости от количества энтропии,
производимого внутри системы, ее притока извне или оттока во внешнюю среду.Если считать Вселенную изолированной системой, то все события в ней должны приво¬
дить к возрастанию энтропии. В конечном итоге должно быть достигнуто состояние с макси¬
мальной энтропией, после чего уже невозможны никакие события. Это состояние известно как
«тепловая смерть Вселенной». Однако оно никогда не будет достигнуто, ибо Вселенная не
статична и непрерывно эволюционирует.В отличие от других термодинамических функций, можно определить не только измене¬
ние, но и абсолютное значение энтропии. Это вытекает из высказанного в 1911 г. М. План-
ком постулата, согласно которому «при абсолютном нуле энтропия идеального кристалла
равна нулю».Этот принцип, который называют иногда третьим законом термодинамики, позволя¬
ет вычислять абсолютные значения энтропии 5° (табл. 6.4).Размерность энтропии совпадает с размерностью газовой постоянной. Энтропия изме¬
ряется в Дж/(моль-К). Чтобы значение энтропии веществ были сопоставимы, их, как и из¬
менения энтальпии, относят к строго определенным, стандартным состояниям (см. табл. 6.1).Таблица 6.4Абсолютные энтропии некоторых веществ при 298,15 КСоединение(состояние)S, Дж/моль • КСоединение(состояние)S, Дж/моль • КНС1 (газ)186,7Метан (газ)186,2NaCl (тв.)72,4Этилен (газ)219,402 (газ)205,0Ацетилен (газ)200,803 (газ)238,8Бензол (жидк.)173,2Н20 (газ)188,7Этанол (жидк.)164,0Н20 (жидк.)69,9Глицерин (жидк.)204,5S02 (газ)248,5Ацетальдегид (газ)264,2H2S (газ)205,6Ацетон (жидк.)198,7NH3 (газ)192,5Уксусная кислота (жидк.)159,8HCN (газ)201,7Масляная кислота (жидк.)255,0Н3Р04 (тв.)110,5Фумаровая кислота (тв.)166,1С (графит)5,7Молочная кислота (водн.)221,7С (алмаз)2,4Глицин (тв.)109,2СО (газ)197,9Мочевина (тв.)104,6С02 (газ)213,6Мочевина (водн.)173,8Н2 (газ)130,6Сахароза (тв.)360,3
ГЛ. 6]ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ103Энтропия вещества в стандартном состоянии называется стандартной энтропией 5°. В спра¬
вочниках обычно приводится стандартная энтропия 5°298при 298,15 К.В большинстве случаев выполняется правило — чем тверже вещество, тем ниже его эн¬
тропия. Процессы расширения вещества сопровождаются ростом энтропии и, наоборот, в
процессах уменьшения объема, сжатия, когда число частиц в единице объема возрастает,
энтропия падает. При увеличении давления энтропия уменьшается, при повышении темпе¬
ратуры — возрастает. Энтропия возрастает и с увеличением сложности системы, т.к. возра¬
стает число видов частиц и количество вариантов их расположения.Так как энтропия является фунцией состояния, как и энтальпия, то закон Гесса формаль¬
но применим и к энтропиям — с ними можно совершать такие же операции, как и с энталь¬
пиями: изменение энтропии в процессе не зависит от пути процесса при условии, что исход¬
ное и конечное состояния вещества одинаковы. Поэтому изменение энтропии вычисляется
как разность суммы энтропий продуктов реакции и суммы энтропий исходных веществ:реакции 'продуктовреакции ~ 'исходныхвеществ'Абсолютные значения энтропии используются для вычисления стандартных энтро¬
пий образования веществ.В качестве примера определим энтропию образования этанола. Уравнение образования
этанола из элементов имеет следующий вид:2С + ЗН2 + 1/202 -> С2Н5ОН.Подстановка значений S из таблицы 6.4 дает:bSaba*.= 164>° - (2-5,7 + 3-130,6 + 1/2-205,0) = -344,7 Дж/моль-К.В табл. 6.5 приведены значения AS°o6pa, для некоторых веществ, представляющих биоло¬
гический интерес.Таблица 6.5Стандартные энтропии образования некоторых веществ при 298,15 КСоединение (состояние)AS°образ.Дж/моль-КСоединение(состояние)AS*образ.Дж/моль-КАланин (тв.)-643,1Масляная кислота (жидк.)-523,8Аспарагиновая кислота (тв.)-812,1Уксусная кислота (жидк.)-318,4Ацетон (жидк.)-310,9Янтарная кислота (тв.)-648,9Глицерин (жидк.)-642,6Этанол (жидк.)-344,6Глюкоза (тв.)-1220,5Фумаровая кислота (тв.)-528,0Глутаминовая кислота (тв.)-930,56.4. Энергия Гиббса и направленность химических реакцийУстойчивость любой изолированной системы определяется соотношением энтальпий-
ного и энтропийного факторов. Энтальпийный фактор характеризует стремление системы
к упорядочению, т.к. этот процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии. Вто¬
рой фактор отражает тенденцию к разупорядочению, поскольку такое состояние наиболее
вероятно.
104ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Если в процессе степень беспорядка не изменяется (AS = 0), то направление процесса оп¬
ределяется изменением энтальпии и процесс проходит самопроизвольно в направлении
уменьшения энтальпии.Если в процессе не происходит энергетических изменений (АН= 0), то фактором, опреде¬
ляющим направление реакции, является энтропия и процесс пойдет самопроизвольно в на¬
правлении, при котором степень беспорядка возрастает, т.е. в сторону увеличения энтропии.Для неизолированных, т.е. закрытых и открытых систем изменение энтропии, как и из¬
менение внутренней энергии уже не является критерием самопроизвольности.В качестве критерия самопроизвольности процессов в открытых и закрытых системах было
целесообразно ввести новую функцию состояния, которая учитывала бы совместное влияние
обоих факторов. Эта функция получила название в честь великого американского физика
Д. У. Гиббса, который вывел эту функцию, а затем использовал в термодинамических работах.Такая функция представляет собой разность:AG = АН - TAS.Данная функция состояния называется энергией Гиббса (или изобарный потенциал, G) и
является мерой устойчивости системы при постоянном давлении и температуре.Значения AG зависят от концентраций реагирующих веществ.
Для сравнения движущих сил реакций и для выяснения влияния
температуры на потенциал реакции нужно пользоваться сопостави¬
мыми концентрациями. Принято для характеристики химических
процессов пользоваться стандартным состоянием (табл. 6.1). В этом
случае при протекании химической реакции потенциал изменяется
на АС°(Дж/моль). Обычно в таблицах приводятся термодинамичес¬
кие величины для 298,15 К, и тогда говорят, что процесс совершает¬
ся при стандартной температуре и стандартных условиях, а величина
АС°298 называется стандартным изменением изобарно-изотермичес¬
кого потенциала, или просто изобарным потенциалом реакции.Изменение энергии Гиббса системы при образовании вещества
из простых веществ, устойчивых при 298,15 К, называется энергией
Гиббса образования вещества. Если вещество и исходные простые
вещества находятся в стандартных состояниях, то энергия Гиббса об¬
разования вещества называется стандартной энергией Гиббса образования вещества. Изо¬
барные потенциалы образования простых веществ равны нулю. В справочниках обычно
приводятся значения стандартных энергий Гиббса образования веществ AG°298npH 298,15 К.
Значения АС°298для некоторых веществ приведены в табл. 6.6.Энергия Гиббса так же, как и энтальпия, является функцией состояния системы. Поэто¬
му изменение энергии Гиббса AG может использоваться для характеристики химических
превращений аналогично изменению энтальпии АН. Так же, как и для энтальпии, может
быть сформулирован закон Гесса для энергии Гиббса в следующей форме: изменение энер¬
гии Гиббса при образовании заданных продуктов из данных реагентов при постоянных дав¬
лении и температуре не зависит от числа и вида реакций, в результате которых образуются
эти продукты.Следовательно, изменение изобарного потенциала в реакции есть разность между сум¬
мой изобарных потенциалов продуктов и исходных веществ:^GреаКции продуктов реакции ^исходных веществ •Дж. Гиббс
(1839-1903)
ГЛ. 6] ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ 105Таблица 6.6Стандартные энергии Гиббса образования некоторых веществ при 298,15 КСоединение(состояние)AG0,кДж/мольСоединение(состояние)AG0,кДж/мольНС1 (газ)-95,3Метан (газ)-50,8NaCl (тв.)-384,1Этилен (газ)68,102 (газ)0Ацетилен (газ)209,2Оэ (газ)162,8Бензол (жидк.)-124,4Н20 (газ)-226,6Этанол (жидк.)-174,1Н20 (жидк.)-237,2Глицерин (жидк.)-477,1S02 (газ)-300,2Ацетальдегид (газ)-132,9H2S (газ)-33,5Ацетон (жидк.)-155,4NH3 (газ)-16,5Уксусная кислота (жидк.)-389,4HCN (газ)121,6Масляная кислота (жидк.)-376,7Н3РО4 (тв.)-1119,2Фумаровая кислота (тв.)-653,6С (графит)0Глицин (тв.)-366,8С (алмаз)2,8Мочевина (тв.)-197,1СО (газ)-137,1Глюкоза (тв.)-919,5С02 (газ)-393,4Сахароза (тв.)-1544,7С помощью табличных данных на основе закона Гесса можно проводить биоэнергетичес¬
кие расчеты для большого числа биохимических реакций и прогнозировать их протекание.Биохимические реакции, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса (AGp< 0), на¬
зывают экзэргическими реакциями и, соответственно, эндэргическими при AGp > 0.На основе энергии Гиббса второе начало термодинамики можно сформулировать следу¬
ющим образом: в изобарно-изотермических условиях (р, Т= const) в системе самопроизвольно
могут осуществляться только такие процессы, в результате которых энергия Гиббса сис¬
темы уменьшается (AG < 0).То есть все самопроизвольные процессы протекают в сторону
уменьшения свободной энергии. В состоянии равновесия энергия Гиббса системы не меняет¬
ся (G = const, A G = 0).Изменение изобарного потенциала учитывает одновременно изменения энергетического
запаса системы и степени ее беспорядка и определяется двумя слагаемыми: АЯ и -TAS. Сла¬
гаемое АЯ называется энтальпийным членом, слагаемое -TAS — энтропийным членом. Знак
AG зависит от относительных величин АЯ и TAS. Если АЯ отрицательна (экзотермическая
реакция), a AS положительна, то при любой температуре процесс будет идти самопроизволь¬
но. Возможные соотношения между энтальпийной и энтропийной составляющими и ха¬
рактеристикой процесса приведены в таблице 6.7. В целом можно заметить, что при ком¬
натной температуре, когда значение Тневелико, значение произведения TASтакже невелико,
и обычно изменение энтальпии АЯ превосходит TAS. Поэтому большинство реакций, про¬
текающих при комнатной температуре, — это реакции с выделением теплоты (АЯ < 0). Чем
выше температура, тем большее значение приобретает член TAS и при высоких температу¬
рах даже реакции с поглощением теплоты (АЯ> 0) становятся самопроизвольными. При аб-
106ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ
Факторы, определяющие ход процесса[4.1Таблица 6.7АНASВозможность самопроизвольного процесса-+Процесс может идти самопроизвольно при любой температуре--Процесс может идти самопроизвольно при низких температурах++Процесс может идти самопроизвольно при высоких температурах+-Процесс не идет самопроизвольно ни при какой температуресолютном нуле изменение изобарного потенциала реакции равно изменению энтальпии и
возможны только реакции с выделением теплоты (АН< 0).Для характеристики процессов, идущих при постоянном объеме, используется изохор-
ный потенциал А/7 (точнее, изохорно-изотермический, V = const, Т= const):AF = А/7 - TAS.Самопроизвольная реакция в данных условиях возможна только при AF< 0. Для А^все
рассуждения точно такие же, как и для AG.Изменения энтальпии и внутренней энергии связаны формулойAH = AU-pAV,поэтомуAG = АН - TAS = AU + pAV - TAS = AF + pAV= AF + AnRT.Отметим, что критерий AG < 0 (или AF< 0) свидетельствует только о термодинамичес¬
кой возможности протекания данного процесса и ничего не говорит о скорости процесса и
условий, необходимых для его начала.Изучение трансформации энергии в живых системах является предметом биоэнергети¬
ки. По мере выяснения молекулярных механизмов биохимических процессов ученые стара¬
ются применить термодинамические представления в исследованиях живых систем. Однако
классическая термодинамика имеет ряд черт, ограничивающих возможности ее применения
для анализа процессов жизни.Во-первых, классическая термодинамика изучает изолированные системы, а в живой
природе таких систем нет. Во-вторых, она рассматривает равновесные состояния. Для жи¬
вых организмов равновесие — это смерть, и их состояние определяется как неравновесное
стационарное.Стационарное состояние внешне похоже на равновесное тем, что концентрация частиц
в нем постоянна. Однако это постоянство обеспечивается беспрерывным оттоком вещества
из системы и притоком в нее. Поэтому для изучения живых систем необходима термодина¬
мика необратимых процессов, которая в настоящее время интенсивно развивается. По ука¬
занным причинам при термодинамическом подходе к биохимическим системам следует
соблюдать осторожность в окончательных выводах. В то же время этот подход чрезвычай¬
но плодотворен в изучении химических процессов в неживой природе.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА107Глава 7ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКАДля получения полного понятия о химиче¬
ских изменениях тела, конечно, необходи¬
мо обобщить все те реакции, вследствие
которых оно происходит...Д. И. МенделеевВ приложении к химическим реакциям мы
определяем скорость реакции как отноше¬
ние количества вещества, претерпеваю¬
щего некоторое превращение, ко времени, в
течение которого это превращение
совершилось.И. А. МеншуткинХимическая реакция — основной предмет изучения химии. Известны реакции, которые
идут чрезвычайно быстро. К их числу относятся взрывы, большинство ионных взаимодей¬
ствий в растворах (нейтрализация, образование осадка труднорастворимой соли и др.). За
тысячные доли секунды осуществляется передача нервного импульса, в основе которого ле¬
жат химические процессы. С другой стороны, известно много медленных химических пре¬
вращений, например, коррозия. Таково и большинство биопроцессов — биосинтез, в том
числе фотосинтез, сбраживание и др. Так, белки обновляются наполовину за 70 суток, а не¬
органическая основа костных тканей полностью обменивается за 4-7 лет. Процессы обме¬
на веществ представляют собой несколько тысяч биохимических реакций, идущих с согла¬
сованными между собой скоростями.В зависимости от условий различным образом может осуществляться одна и та же хими¬
ческая реакция. Например, не окисляемая при обычных условиях глюкоза горит на возду¬
хе при добавлении к ней каталитических микроколичеств солей некоторых металлов и взры¬
вается в смеси с жидким кислородом. Глюкоза медленно «сгорает» в организме в процессе
биологического окисления. Значение проблемы регулирования скоростей химических ре¬
акций очевидно. К примеру, в промышленности, как правило, выгодно осуществлять быст¬
рые процессы, а в биологических превращениях часто более важным оказывается замедле-
108ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1ние — ингибирование. Для этого необходимо знать, каков механизм данной химической ре¬
акции. Изучение механизмов реакций и определение их скоростей и составляет предмет хи¬
мической кинетики. Законы кинетики универсальны, будь это явление оседания эритроци¬
тов, процесс усвоения лекарства, рост микробной популяции и т.д.Химическая термодинамика, как показано в предыдущем разделе, позволяет предсказы¬
вать направление самопроизвольного протекания реакций и глубину превращений в зави¬
симости от условий, если известно соответствующее изменение энергии Гиббса AG. Одна¬
ко термодинамика ничего не говорит о том, как быстро будет протекать предсказываемое
самопроизвольное превращение. В этом проявляется ограниченность термодинамического
подхода.7.1. Скорость химической реакцииСкоростью химической реакции (v) называют число элементарных актов реакции, при¬
водящих к образованию продукта реакции, в единице объема или на единице поверхности
за единицу времени. Единица измерения скорости реакции в СИ — моль/(л-с). В практике
биохимических исследований наряду с молярной концентрацией (моль/л) применяют кон¬
центрации по массе (мг/100 мл), по массовой доле (% /100 мл) и др. Единицами измерения
скорости будут, соответственно, мг/(100 мл-с), %/(100 мл-с) и др. Например, количество
осевших эритроцитов Ыэ из исследуемой пробы крови можно измерить, определяя их
массу тэ. Однако в клинике удобнее измерять высоту столбика h (мм) осевших в капил¬
ляре эритроцитов. Очевидно, что при прочих равных условиях масса тэ пропорциональ¬
на высоте h. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) измеряется, соответственно, в едини¬
цах мм/ч. Таким образом, в зависимости от конкретного метода измерения скорость может
выражаться в различных единицах.Если в момент времени т1 концентрация одного из веществ составляет Сь а в момент т2-
С2, тогда средняя скорость изменения концентрации (vcp) равна отношению:С2-Сх .АС
v —— L = ± •^2~Т1 ДТИзменение концентрации имеет положительный знак для продуктов и отрицательный —
для реагентов. Скорость же реакции принято считать величиной положительной, поэтому
убывание концентрации последних следует брать со знаком минус.В ходе реакции ее скорость меняется непрерывно, поэтому правильно пользоваться ис¬
тинными, т.е. мгновенными значениями скоростей (v):т.е. изменением концентрации за бесконечно малый промежуток времени — в виде произ¬
водной концентрации по времени. Если скорость измеряют возрастанием концентрации ка¬
кого-либо вещества (образованием продукта), то производную берут со знаком плюс.Опыт показывает, что скорость химических реакций обычно зависит лишь от нескольких
факторов: концентраций реагентов, их физического состояния (газовая, жидкая или твердая
фаза, природа растворителя при взаимодействии в растворах), поверхности реагирующих
веществ, если реакция идет в гетерогенной среде, давления, температуры и катализатора.Уже давно известно, что увеличение концентрации (а также давления в газовой фазе) ре¬
агирующих веществ увеличивает скорость химических превращений. Первое истолкование
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА109связи скорости химической реакции с концентрацией реагентов дал Н. Н. Бекетов (1865 г.).
Обобщенно эту закономерность сформулировали К. Гульдберг и П. Вааге (1867 г.).Реакция происходит в результате контакта между молекулами — их столкновения между
собой. Так как число столкновений зависит от концентрации, то с ее ростом должна возра¬
стать и скорость химической реакции. Правильность этого предположения подтверждает¬
ся в наиболее общем виде с помощью закона действующих масс для скорости. Для реакции
аА + ЬВ + сС + ... —»... зависимость скорости гомогенной реакции от концентрации реагиру¬
ющих веществ можно записать в видеv = k-CaA-ClCl-...,где Сл, Св, Сс — молярные концентрации реагентов А, В и С; а, (3 и у — показатели степени,
определяемые опытным путем; k — константа скорости реакции, не зависящая от концент¬
рации.Однако оказывается, что для многих реакций стехиометрическое уравнение не может
дать сведений о зависимости скорости реакции от концентрации. Даже утверждение, что с
увеличением концентрации какого-либо реагирующего вещества скорость реакции возра¬
стает, иногда оказывается неверным. Есть реакции, на скорость которых увеличение концен¬
трации реагирующего вещества не оказывает влияния. Существуют реакции, скорость кото¬
рых возрастает при увеличении концентрации молекул веществ, не записываемых в уравнении
реакции и, казалось бы, не участвующих в процессе (например, молекулы инертных газов).
При одних условиях зависимость скорости от концентрации одна, а при других — другая.
Для очень большого числа реакций зависимость скорости от концентраций реагирующих
веществ определяется экспериментально.Для характеристики химических реакций значения скоростей непригодны, так как ско¬
рость реакции меняется во времени. Константа скорости характеризует реакцию для опреде¬
ленных условий (температура, давление, количество катализатора и т.п.). Поэтому реакции,
проходящие при строго одинаковых условиях, можно сравнивать по их константам скоростей.Константа скорости реакции (k) — фундаментальный кинетический параметр, не за¬
висящий от концентраций реагентов, а потому остающийся неизменным в течение реакции.
Константа скорости химической реакции численно равна скорости химической реакции при
концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л. Она зависит от природы реа¬
гирующих веществ, температуры и наличия в реакционной среде катализатора.Величины а, (3 и у находятся специальными методами и называются порядками реак¬
ции по веществу А, В и С, соответственно. Обычно они имеют значение в пределах от 0 до 2
и могут быть целыми, дробными и даже отрицательными. Сумма показателей степеней в ки¬
нетическом уравнении называется общим порядком реакции п = а + (3 + у. Порядок реак¬
ции определяет характер зависимости скорости от концентрации.Интересно отметить, что реакции с одинаковым видом химического уравнения часто
имеют разные порядки. Например, иод и бром находятся в одной подгруппе периодической
системы, тем не менее реакция взаимодействия иода с водородом^2(r)+l2(r)= 2HI(r), V = CH2(r)-Cl2(r).— реакция второго порядка, а реакция водорода с бромом вообще не имеет порядка (ее по¬
рядок непрерывно изменяется по мере прохождения реакции).Вид кинетического уравнения, а следовательно, и порядок реакции могут зависеть от со¬
отношения реагентов. При большом избытке одного из реагентов его концентрация практи¬
чески не меняется и ее изменение поэтому не влияет на скорость реакции.
110 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ [Ч. IТак, гидролиз сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы(Р.Р) + Н20(ж)= С6Н1206(р-р)+ С6Н1206(р.р)
сахароза глюкоза фруктозаобычно проходит при большом избытке воды, поэтому концентрация воды в ходе реакции
практически не изменяется и не влияет на скорость реакции. Кинетическое уравнение ре¬
акции поэтому имеет следующий вид: v = кССпН220]уРеакция разложения оксида азота N205 в газовой фазе протекает как реакция первого по¬
рядка, но если при этом присутствует твердый оксид азота (V), то расход газообразного ок¬
сида не влияет на его концентрацию благодаря испарению с поверхности твердого оксида.
Испарение — лимитирующая стадия процесса, имеет нулевой порядок. Поэтому процесс
описывается кинетическим уравнением нулевого порядка v = к • C^20s= k.Порядок газовых реакций, проходящих на твердых катализаторах, часто ниже, чем в от¬
сутствие катализаторов. Например, горение оксида углерода на поверхности кристалличе¬
ского оксида ванадия V2052СО(г) + 02(г)=2С02(г)описывается кинетическим уравнением первого порядка: v = kCco, и скорость реакции не за¬
висит от концентрации кислорода.Когда выражение закона действующих масс для данной реакции известно, функциональ¬
ная зависимость концентрации участвующих в реакции веществ от времени C(t) может быть
получена в аналитическом виде. Соответствующая функциональная зависимость называет¬
ся уравнением кинетики рассматриваемой реакции.Если реакция протекает по нулевому порядку, то для нееv = -^y- = kC° =k или С = Cq — kt.
dtСледовательно, в реакциях нулевого порядка концентрация линейно уменьшается со вре¬
менем.Константа скорости реакции нулевого порядка вычисляется по формулеk = -t(C0-C),где С0 — начальная молярная концентрация; С — концентрация в момент времени t. Констан¬
та скорости нулевого порядка измеряется в моль-л_1с-1.Наряду с костантой скорости для характеристики реакций часто пользуются величиной,
называемой временем полупревращения t1/2. Время полупревращения — промежуток време¬
ни, в течение которого реагирует половина взятого (исходного) количества вещества.
Пусть t = tx/2 и С = CJ2. Получаем С0/2 = CQ-kti/2, откуда £1/2 = CJ2k.Следовательно, для реакции нулевого порядка время полупревращения пропорциональ¬
но начальной концентрации исходного вещества.Уравнение кинетики скорости реакции первого порядка имеет видdC игV-—— = kC.
dtСледовательно, для реакций первого порядка характерна линейная зависимость лога¬
рифма концентрации от времени:
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА111* = 2,303;lg^Г С/А •0,69Для реакции первого порядка время и концентрация связаны следующей зависимостью:Поэтому при изменении обеих концентраций в одинаковое число раз t не изменяется. Из
этого следует, что если для одной и той же реакции в одном опыте концентрация через не¬
который промежуток времени уменьшится в два раза, то и в других опытах за тот же проме¬
жуток времени она уменьшится также в два раза. Это означает, что в одинаковые промежут¬
ки времени реагируют одинаковые доли взятого количества исходного вещества.Вывод уравнения зависимости концентрации от времени для реакции второго порядка
рассмотрим только для простейшего случая, когда концентрации двух реагирующих веществ
одинаковы. Запишем кинетическое уравнение для этого случая:Следовательно, для реакций второго порядка при равенстве начальных концентраций ре¬
агирующих веществ наблюдается линейная зависимость величины обратной концентрации
от времени.Константа скорости вычисляется по формулеВ отличие от реакции первого порядка период полупревращения реакций второго поряд¬
ка обратно пропорционален начальной концентрации.Реакции третьего порядка очень редки и не представляют большого практического
интереса.Наблюдаемые концентрационные кинетические зависимости тех или иных реакций оп¬
ределяются их механизмом. Лишь немногие химические превращения осуществляются в
одну стадию. Большинство же процессов проходит через несколько элементарных стадий,
в которых могут принимать участие одна, две или три молекулы. В соответствии с этим су¬
ществуют моно-, би- или тримолекулярные стадии. Число молекул, одновременным взаи¬
модействием между которыми в момент столкновения осуществляется акт химического
превращения, называется молекулярностью реакции.Вероятность одновременного столкновения трех молекул, необходимого для осуществ¬
ления тримолекулярного процесса, в тысячи раз меньше вероятности двойного соударения.
Поэтому тримолекулярные процессы встречаются крайне редко, а молекулярности реакций
выше трех неизвестны. Обычно элементарные стадии любого химического превращенияkt = - ьД.с
112ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1можно свести к моно- или бимолекулярным взаимодействиям. Так, биологическое окисле¬
ние глюкозы до воды и углекислоты включает в себя 38 таких элементарных стадий. Лишь
для очень простых реакций порядок совпадает с молекулярностью. Интерпретация концен¬
трационных кинетических зависимостей чрезвычайно сложна, т.к. должна исходить из ре¬
акционной схемы, учитывающей все элементарные стадии и индивидуальные скорости этих
стадий. Даже реакция синтеза иодистого водорода, для которой порядок равен молекуляр-
ности, имеет не бимолекулярный механизм. В большинстве случаев скорость многостадий¬
ной реакции определяется скоростью ее самой медленной стадии. В результате определяе¬
мый экспериментально порядок реакции и отражает порядок этой стадии.В отличие от гомогенных реакций гетерогенные протекают на поверхности раздела меж¬
ду реагентами, поэтому скорость гетерогенных процессов зависит, кроме рассмотренных уже
для гомогенных реакций факторов, еще и от величины поверхности раздела, а также от ско¬
ростей диффузии реагентов в зону реакции и продуктов реакции из этой зоны. Поэтому в ки¬
нетическое уравнение для гетерогенной реакции записываются только концентрации веществ,
находящихся в жидком и газообразном состояниях. Концентрации твердого компонента и ве¬
личина его поверхности, которые остаются практически неизменными при определении ис¬
тинной скорости реакции, учитываются величиной константы скорости гетерогенной реакции.7.2. Классификация реакций и реагентовВ зависимости от механизма реакции бывают простые (или элементарные, идут в одну
стадию) и сложные (многостадийные). Сложные реакции могут быть последовательными,
параллельными, сопряженными, цепными и др.Последовательные реакции (А —> В —»С —» D ->...) идут через несколько различных про¬
межуточных стадий, следующих одна за другой. Примерами последовательных реакций мо¬
гут служить фотосинтез и биологическое окисление глюкозы. Наиболее важная особенность
последовательных реакций состоит в том, что если одна из стадий обладает значительно
меньшей скоростью, чем остальные, то общая скорость реакции образования конечного про¬
дукта определяется скоростью именно этой лимитирующей стадии.Параллельные реакции происходят одновременно в нескольких направлениях, т.е. пре¬
вращение вещества осуществляется через различные промежуточные стадии:— А —Так, при нагревании бертолетовой соли КС103 одновременно идут два превращения:КС1 + ЗКС104 <- 4КСЮ3 -> 4КС1 + 602.Параллельно с крекингом углеводородов осуществляется их изомеризация; замещение
для производных бензола идет с образованием смеси орто-, мета- и пара-изомеров. Также
параллельно биологическому окислению глюкозы могут происходить ее молочнокислое или
спиртовое брожение.В большинстве реальных процессов происходит наложение параллельных и последова¬
тельных реакций.А Е Сопряженные реакции представляют собой совокупность различных пре-\ / вращений, идущих через общую промежуточную стадию. Осуществление одной
У С v из сопряженных реакций (А —> В) обусловливает протекание другой (D —» Е),
D В причем вторая реакция невозможна без первой, которая индуцирует ее.
ГЛ. 7]ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА113Явление химической индукции впервые исследовал А. Н. Шилов (1905 г.). Исключи¬
тельна роль сопряженных реакций в биологических процессах. Например, клеточное окис¬
ление углеводов или липидов вызывает синтез аденозинтрифосфорной кислоты, что в
свою очередь индуцирует различные превращения, в частности, биосинтез белков и нук¬
леиновых кислот. Изучение механизма сопряженных реакций (особенно природы проме¬
жуточного состояния С) является важнейшей задачей современной физико-химической
биологии.В зависимости от электронных изменений в ходе реакций различают гомолитинеские
и гетеролитические реакции. В ходе первых происходит разъединение пары электронов,
образующих химическую связь:А:В—> А+В.Гомолитинеские процессы иначе называют радикальными, так как в них образуются ча¬
стицы, содержащие неспаренные электроны, которые именуют радикалами.Цепные реакции — процессы, в которых промежуточные активные соединения (как пра¬
вило, содержащие неспаренные электроны) не исчезают в процессе образования конечных
продуктов, а стадии превращения исходных соединений в продукты многократно повторяют¬
ся. Простейшим примером цепной реакции является синтез хлористого водорода по схеме:С12->С1- + СЬ
С1- + Н2-»НС1 + Н-
Н- + С12->НС1 + С1-Cl* + С1* —» С12 (обрыв цепи)Н* + Н —> Н2 (обрыв цепи)Реакция начинается с диссоциации молекулы хлора (зарождение цепи). Встреча атома
СЬ с Н2 приводит к образованию НС1 и атомарного водорода Н-, который в свою очередь ата¬
кует молекулу С12. Таким образом происходит развитие цепи, включающее в себя все боль¬
шее число молекул реагентов. Взаимодействие между собой однотипных свободных атомов
приводит к обрыву цепи. Цепные реакции играют важную роль в ряде патологических био¬
процессов (канцерогенез, лучевая болезнь и др.). В разработке теорий цепных процессов
большая заслуга принадлежит Н. Н. Семенову.В гетеролитических процессах электронная пара остается у одного из партнеров связи:А:В—> Аг + В+.В живых системах имеют место оба вида реакций, причем около двух третей происходя¬
щих в организме превращений приходится на долю гетеролитических процессов.В связи с этим укажем, что всю совокупность химических реакций, протекающих в жи¬
вых системах и обеспечиваюших организм веществами и энергией, называют метаболизмом.
Вещества, образующиеся в живых системах в процессе метаболизма, называют метаболита¬
ми. Подвергающееся изменению в ходе химической реакции (в том числе и метаболической)
вещество называют субстратом, а действующее на субстрат вещество называют реаген¬
том. Например, в метаболической реакции гидролиза белка белок является субстратом, а
вода — реагентом.Характер изменения связей в субстрате рассматривают по отношению к реакционному
центру молекулы, т.е. атому, у которого происходит то или иное изменение. Реагенты, ата¬
кующие реакционный центр, могут быть трех основных типов: радикальные, электрофил v
ные и нуклеофильные.
114ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Электрофильныереагенты (электрофилы) — частицы с неполностью заполненным ва¬
лентным электронным уровнем. Эти частицы, имея недостаток электронной плотности, об¬
разуют новую ковалентную связь за счет электронной пары субстрата. В предельном случае
такие частицы могут нести полный положительный заряд (протон Н+, катион брома Вг+)или
быть электронейтральными, например, триоксид серы S03.Нуклеофильные реагенты (нуклеофилы) — частицы, имеющие электронную пару на
внешнем электронном уровне. За счет этой пары такие реагенты могут образовывать новую
ковалентную связь. Они могут быть отрицательно заряженными (гидрид-ион Н~, хлорид-
ион С1“, алкоксид-ион RO') или электронейтральными. В таком случае их нуклеофильность
обусловлена наличием р- или тг-электронов (Н20, NH3, СН2=СН2, СбНб).В зависимости от природы атакующего реагента реакции могут быть электрофильными
(обозначение Е), нуклеофильными (N) или радикальными (R).В соответствии с конечным результатом реакции делят на несколько основных типов:г.) реакции замещения (S, от substitution (англ.) — замещение). Так, для насыщенных
углеводородов характерны реакции радикального замещения (символ SR), для ароматиче¬
ских соединений — реакции электрофильного замещения (5^), для спиртов и галогенпроиз-
водных — реакции нуклеофильного замещения (SN);в) реакции присоединения (A, addition (англ.) — присоединение) и обратные им реакции
отщепления (Е, от термина элиминирование (elimination, англ.)). Для ненасыщенных угле¬
водородов характерны реакции электрофильного присоединения (Л/;), а для альдегидов и ке-
тонов — реакции нуклеофильного присоединения (AN);в) перегруппировки. В ходе перегруппировок происходит переход (миграция) отдельных
атомов или групп от одного участка молекулы к другому. Таков, к примеру, хорошо известный
процесс превращения винилового спирта в уксусный альдегид, в котором происходит миграция
протона от атома кислорода к углеродному атому, сопровождающаяся перестройкой связей:СН2=СН-ОН -> СН3-СН=0;г) реакции окисления и обратные им реакции восстановления. В результате этих реакций
меняется степень окисления того атома, который является реакционным центром.Помимо вышеперечисленных типов процессов существуют синхронные, или согласован¬
ные реакции, отличающиеся тем, что разрыв старых связей и образование новых происхо¬
дит в них одновременно без участия радикальных или заряженных (ионных) частиц. Тако¬
го типа реакции протекают обычно при облучении или нагревании. Для них понятия
«реагент» и «субстрат» теряют смысл.7.3. Уравнение Аррениуса. Энергия активацииИзвестно, что с ростом температуры скорость реакции обычно растет*. В 1879 году было
сформулировано (Я. Вант-Гофф) эмпирическое правило: с ростом температуры на 10 К ско¬
рость химической реакции возрастает в 2-4 раза.Объяснение роста скорости реакции с температурой заключается в том, что не всякое
столкновение приводит к химическому превращению. Для осуществления реакции необхо¬
димо, чтобы молекулы обладали запасом энергии, достаточным для расшатывания тех свя¬
зей, которые перестраиваются в ходе реакции.* В случае биологических превращений это справедливо лишь до определенных температур, выше которых про¬
исходит деструкция биомолекул и скорость реакций резко падает.
ГЛ. 7]ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА115В качестве примера обратимся к рассмотренной выше цепной реакции синтеза НС1. За¬
рождение цепи в ней возникает при разрыве связи в молекуле Н2 или С12. Энергия связи
молекулы Н2 составляет 436 кДж/моль, а хлора — 240 кДж/моль, следовательно, минималь¬
ной необходимой для начала реакции энергией, явится энергия разрыва связи С1-С1. Этой240энергией обладает квант света с частотой v = —(h = 4-10"13 кДж*с/моль) или v = 6Ю14с-1.Разделив скорость света (V= 299,793- 106м/с) на найденное значение частоты, получим дли¬
ну волны X = 5-10-5 см, что соответствует ближней ультрафиолетовой части спектра. Имен¬
но такое .излучение инициирует этот фотохимический процесс.Таким образом, для прохождения реакции нужно преодолеть некоторый энергетический
барьер, именуемый энергией активации (Еа). Энергия активации — избыточная энергия, не¬
обходимая для вступления реагирующих веществ в реакцию при их столкновении, по срав¬
нению со средней энергией, которой обладают молекулы. Обычно значение Еа составляет от
40 до 200 кДж/моль.Если реакции различаются по скорости, то реакцию, обладающую большей скоростью,
называют основной (главной), а остальные побочными. Основная реакция, являясь наибо¬
лее быстрой, имеет самое низкое при данных условиях значение энергии активации.Математическая зависимость скорости химической реакции от температуры выводится
из теории активных соударений, считая реакцию бимолекулярной и идущей в газовой фазе.Прежде всего, молекулы должны встретиться, т.е. должно произойти их соударение. Ча¬
стота соударений достаточно велика и составляет в 1 см3 газа при нормальных условиях ~1028
в секунду. Однако число реагирующих частиц обычно оказывается всегда значительно мень¬
шим (в 1015-1020раз), т.к. не все сталкивающиеся молекулы обладают энергией, равной или
большей энергии активации (Еа). Доля таких молекул от их общего числа определяется теп¬
ловым распределением Максвелла-Больцмана (рис. 7.1).Согласно уравнению Больцмана, доля частиц с большей, чем Еа энергией (NE ), по отно¬
шению к общему их числу (N) составляет:где е — основание натурального логарифма; Т— температура, К; Еа — энергия активации ре¬
акции, Дж/моль; i? = 8,31 Дж/моль-К — универсальная газовая постоянная.Область нахождения этих молекул на рисунке с одной стороны ограничена энергией ак¬
тивации Еа, а с другой — теоретически не имеет предела, так как могут существовать моле¬
кулы с бесконечно большей энергией, но таких молекул бесконечно мало.^Ea/N T!<T2<T3Рис. 7.1. Распределение молекул по энергиям при различных температурах.
116ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Повышение температуры от Т1 до Т2 увеличивает долю молекул с до¬
статочной для реакции энергией (см. рис. 7.1). Следовательно, и зави¬
симость скорости реакции от температуры должна носить экспоненци¬
альный характер.Эта зависимость (уравнение Аррениуса, 1889 г.) выглядит так:-Ь-k = A-e RT ’где k — константа скорости реакции, А — предэкспоненциальный мно¬
житель.Предэкспоненциальный множитель А отражает долю эффективных
соударений в общем числе соударений. Очевидно, что его значения дол-
С А Аррениус жны находиться в интервале от 0 до 1 (при А=1 все соударения оказы-
(1859-1927) ваются эффективными). Его истинное значение обычно значительно
меньше единицы, поскольку не всякое соударение даже с энергией,
большей, чем Еа, обязательно приведет к реакции. Столкнувшиеся молекулы могут не про-
взаимодействовать, т.к. они не ориентированы должным образом в пространстве. Простран¬
ственный фактор особенно проявляется в превращениях биомолекул, где трансформации
должен подвергаться лишь реагирующий участок молекулы, небольшой по отношению ко
всем ее размерам. Вероятность реакции может понижаться и за счет того, что в некоторых
случаях энергия перераспределяется внутри молекулы без ее химических изменений.Значение энергии активации реакции можно определить, измерив константы скорости
этой реакции при двух разных температурах и используя следующее уравнение:Еа=Т -Т11 12 /v2где k1nk2 — константы скорости реакции при Т1 и Т2.В 30-х годах XX в Г. Эйрингом и М. Поляни были разработаны положения теории акти¬
вированного комплекса. На основе квантово-механического описания движения атомов и
молекул они получили выражения для расчета константы скорости и энергии активации
простых реакций. Проведенные расчеты показали, что при сближении реагирующих частиц
А и В в процессе столкновения возрастает их потенциальная энергия Еп. На некотором рас¬
стоянии га энергия Еп достигает максимума Емакс На этом расстоянии происходит реакция и
образуются новые частицы С и D. Новые частицы С и D удаляются друг от друга и их по¬
тенциальная энергия падает. Зависимость потенциальной энергии Еп от некоторого харак¬
терного расстояния г, определяющего взаимное расположение атомов в реагирующих и об¬
разующихся частицах, называется кривой потенциалъной энергии. Расстояние г называется
координатой реакции.Особенностью кривых потенциальной энергии является наличие максимума. Высота
этого максимума, измеряемая от уровня потенциальной энергии реагирующих частиц А иВ, удаленных друг от друга, будет равняться энергии активации Еа. Исходя из формы кри¬
вой потенциальной энергии, величину Еа называют часто энергетическим или активацион¬
ным барьером реакции.На вершине активационного барьера реагирующие частицы А и В образуют составную
молекулу [А...В]*, называемую активированным комплексом.Активированный комплекс существует весьма непродолжительное время порядка 10~12-
10"13с и быстро распадается, образуя частицы продуктов реакции [А...В]* —» С + D (или в рас¬
сматриваемом ранее примере взаимодействия хлора с водородом [С1...Н...Н]* —> ClH + Н).
ГЛ. 7]ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА117Чтобы получить в явном виде зависимость теоретической константы скорости от темпе¬
ратуры, следует использовать уравнение изотермы реакции Вант-ГоффаA G* = -RTinK*,где AG* — стандартное изменение энергии Гиббса при образовании активированного комп¬
лекса из частиц реагентов. Эта величина называется энергией Гиббса активации. В соответ¬
ствии с определением (см, разд. 6.4) она равнаАС^АЯ4- 7А5*,где АЯ* — энтальпия процесса активации; AS* — энтропия активации.Учитывая эти соотношения, получаем теоретическое выражение для константы скорости:£ = £'еД^/Яе-Д//*/ДГСравнение этого выражения с уравнением Аррениуса показывает, что предэкспонента А
равнаА - k'e^/R,а энергия активацииЕа = АН*.Таким образом, теория активированного комплекса позволяет связать кинетику хими¬
ческих реакций с термодинамическими характеристиками процесса активации АЯ*и AS* и
теоретически вывести закон действующих масс для скорости простых реакций.Из вышеприведенного соотношения следует, что предэкспонента в уравнении Арре¬
ниуса определяется изменением энтропии Д5*в процессе образования активированно¬
го комплекса. Чем больше значение AS*, тем соответственно, больше величина А и тем
быстрее протекает реакция. Следовательно, разупорядочение, разрыхление структуры
частиц в процессе активации способствует ускорению процесса. В то же время измене¬
ние структуры реагирующих частиц связано с изменением энергии взаимодействия меж¬
ду атомами, из которых состоят эти частицы. Энергетические изменения определяются
энтальпией активации А Я*. Возрастание этой величины, сопровождается таким же воз¬
растанием энергии активации Еа и соответствующим уменьшением скорости реакции и
наоборот.На основе изложенного можно сделать вывод, что с помощью термодинамических фун¬
кций можно прогнозировать не только направление самопроизвольных реакций, но также
их скорость и зависимость скорости от температуры.7.4. Инициация и катализМногие реакции можно вызывать действием различных инициаторов — излучения, ме¬
ханического воздействия и др. Так, фотохимия занимается изучением реакций, идущих под
действием света. К числу фотохимических процессов относится вышеприведенная реакция
водорода с хлором; под действием ультрафиолетового излучения идет синтез озона в верх¬
них слоях атмосферы; процесс фотографирования основан на фотохимическом разложении
солей серебра. Самая масштабная из биореакций — фотосинтез — также является фотохи¬
мической. Зрительная рецепция базируется на фотохимической изомеризации биооргани-
ческих соединений.
118ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1В последнее время бурно развивается лазерная химия, используемая, к примеру, в син¬
тезе алмазов. Радиационная химия исследует процессы под действием радиоактивного из¬
лучения, в частности, реакции, вызывающие лучевую болезнь. Химия в электрическом раз¬
ряде привела к разработке многих технологических процессов (электрокрекинг, синтез
озона и др.). В атмосфере под действием электрических разрядов происходит образование
N0, что служит основой фиксации азота. Механохимия исследует реакции, которые проис¬
ходят в результате механического воздействия — трения, удара. Последнее свойство предоп¬
ределяет применение детонаторов. Интересные перспективы раскрываются при использо¬
вании ударного сжатия. Таким способом можно осуществить полимеризацию, в частности,
аминокислот в белковые молекулы.Катализом называется селективное изменение скорости химической реакции веще¬
ством, которое участвует в реакции, но количество и состав которого не меняется к момен¬
ту образования конечных продуктов.Важнейшими регуляторами химических превращений являются катализаторы. Ката¬
лизаторы — вещества, изменяющие скорость химических реакций в результате их много¬
кратного участия в промежуточных химических взаимодействиях с компонентами реакции,
сохраняющие при этом свой состав. Роль катализатора заключается в понижении энергии
активации данной реакции за счет того, что он создает новый путь ее протекания.Из-за специфического действия катализатора его следует подбирать только для самой
медленной стадии, но не для всей реакции в целом.Если реакция А + В —> АВ обладает энергией активации Еа, необходимой для достиже¬
ния исходными соединениями переходного состояния (переходное состояние или активи¬
рованный комплекс, такое состояние реагирущей системы, превращение которого в продук¬
ты реакции происходит самопроизвольно, рис. 7.2, путь реакции 1), то катализатор снижает
ее до величин Е'а за счет того, что образует промежуточное соединение А + К —> АК, что требу¬
ет меньшей величины энергии активации. Далее комплекс АК реагирует с компонентом В: АК +
+ В —»АВ + АК. Эта реакция идет также с меньшей энергией активации, чем Еа. Таким об-Рис. 7.2. Энергетическая диаграмма действия катализатора.
ГЛ. 7]ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА119разом, происходит суммарное взаимодействие с образованием продукта АВ, а катализатор
возвращается из реакции без изменения (путь реакции 2).Из уравнения Аррениуса видно, что даже малое уменьшение величины Еа должно при¬
водить к сильному возрастанию скорости процесса. Это определяет исключительно большое
практическое значение катализаторов. Особенно ценным является применение катализато¬
ров в параллельных реакциях, т.к. подбором катализатора можно добиться понижения энер¬
гетического барьера только одного из параллельных процессов. Поэтому катализаторы на¬
ходят чрезвычайно широкое применение в реакциях органических соединений, которые
могут претерпевать множественные превращения. По существу вся современная нефтехи¬
мическая промышленность базируется на использовании разноообразных каталитических
технологических схем.Различают катализ положительный (скорость реакции увеличивается) и отрицатель¬
ный (реакции идут с меньшей скоростью). В последнем случае катализ называют ингиби¬
рованием. Ингибиторы также важны для практики как консерванты, антиоксиданты и др.
Ингибирование, как и положительный катализ, необходимо для регулирования скоростей
биопроцессов.В том случае, когда продукты реакции влияют на скорость взаимодействия исходных ве¬
ществ, имеет место автокатализ. Примером автокаталитической реакции является окис¬
ление под действием КМп04, скорость которого возрастает в присутствии катионов Мп2+.Катализ бывает гомогенный и гетерогенный. Гомогенный катализ осуществляется ката¬
лизатором, который образует однородную (обычно жидкую или газовую) систему с реаги¬
рующими веществами. Таков, к примеру, катализ окисления СО в С02 в присутствии ката¬
литических количеств водяного пара.Гетерогенный катализ идет в присутствии катализатора, образующего самостоятельную
фазу, отделенную от реагирующей системы границей раздела. В качестве гетерогенных ка¬
тализаторов выступают многие металлы, их оксиды и др. Теория гетерогенного катализа
сложна. Действие гетерогенных катализаторов связывают с различными причинами (адсор¬
бция реагентов на поверхности катализатора, генерация цепных процессов, образование не¬
скольких связей между катализатором и молекулой реагента и т.д.).Особое место занимает микрогетерогенный катализ, при котором катализатор находит¬
ся в коллоидном или высокомолекулярном состоянии. Примером этого служат все биопро¬
цессы, происходящие под действием биокатализаторов — ферментов (энзимов), о чем под¬
робнее сказано в гл. 34.
120ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[Ч. IГлава 8.ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕВедущей идеей... было раскрытие роли
энергии и энтропии в теории термодина¬
мического равновесия.Дж. Гиббс8.1. Константа равновесияТермодинамическое равновесие существует, когда все макроскопические параметры си¬
стемы (давление, объем, температура, концентрация) одинаковы во всех точках системы и
не изменяются самопроизвольно (без затраты работы) во времени. Для химических реакций
равновесию отвечает равенство скоростей прямого и обратного процессов.Равновесие может существовать только для обратимых процессов. Лишь некоторые хи¬
мические превращения носят практически необратимый характер, например, взрывные явле¬
ния, реакции с выделением газа, выпадением осадка или с образованием недиссоциирующих
в растворе соединений, денатурация белков и т.д. Большинство же превращений обратимо.
Такова, например, реакция связывания кислорода гемоглобином, явление изменения кон¬
центраций катионов К+ и Na+ в нервных клетках при нервном импульсе и др.Как следует из главы 6, изменение энергии Гиббса AG при постоянных температуре и дав¬
лении является термодинамическим критерием химического равновесия: в положении равно¬
весия AG = 0. Поэтому для того, чтобы охарактеризовать любое химическое равновесие, необ¬
ходимо осуществить детальный анализ энергии Гиббса вблизи состояния равновесия. Однако
в химическом процессе, как правило, участвуют по меньшей мере два различных вещества
(компонента). Следовательно, необходимо выяснить, как изменяется свободная энергия си¬
стемы в зависимости от соответствующих свободных энергий каждого из ее компонентов.Для простого случая, когда реакция происходит в газовой фазе, причем реагируют идеаль¬
ные газы, из термодинамических закономерностей выведено, что свободная энергия 1 моля
идеального газа при его парциальном давлении р равна:G= G° + RT In р,где G0— свободная энергия идеального газа в стандартных условиях.Рассмотрим такую химическую реакцию, в которой взаимодействие между двумя идеаль¬
ными газами А и В приводит к образованию двух других идеальных газов С и D согласно
уравнению:
ГЛ. 8]ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ121аА + ЬВ <=± сС + dD.Так как свободная энергия является функцией состояния, ее изменение в этой реакции
определяется разницей свободных энергий продуктов и исходных веществ:A G — cGc + dGp — &GA — bGB.Для компонентовA:aGA = aG°A + aRTln pA,В: bGB = bG°B + bRT In pB,С: cGc = cG°c + cRT In pC}D: dGD = dC°D + dRT In pD,
rjxe pA, pB, Pc^Pd~ парциальные (или частичные) давления компонентов А, В, С и D,
соответственно.Следовательно:AG = cG°c+ dG°D - aG°A - bG°B + cRT In pc + dRT\npD- aRTln pA - bRT\npB,
но разница стандартных свободных энергий компонентов постоянна и равна AG0. Отсюда:AG = AG° + RTln[PcIlEs^..[РаПРвТТак как при равновесии AG=0, тоAG° =-RT\n^ ^Ро\ ,[РлПРв?где [рА\, [рв\, [рс], [pD] — равновесные парциальные давления веществ А, В, С и D, соответ¬
ственно.Смысл этого равенства состоит в том, что из постоянства левой части (в том числе и не¬
зависимости AG0 от давления) следует и постоянство правой части, которая также не зави¬
сит от давления. Поэтому выражение под знаком логарифма есть величина постоянная и на¬
зывается — константой химического равновесия Крави :К„ =_[РсПРоГрат' IpaUpJОтсюда для изобарно-изотермических условийAG° = -RTIn Крат (Р = const).В случае проведения эксперимента при постоянном объеме константа равновесия свя¬
зана аналогично с изохорно-изотермическим потенциалом AF:АР = -RT In Кравн ( V = const).Полученные выражения, как установлено, применимы практически к любым химическим
реакциям, протекающим не только в газовой фазе для идеальных газов, но и в растворах.В этом случае для вывода уравнения при суммировании свободных энергий компонен¬
тов пользуются выражением для свободной энергии каждого компонента в растворе, анало¬
гичным уравнению для свободной энергии идеального газа:G^GV^rin [А],
где [А] — равновесная концентрация компонента А, моль/л.
122ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1В общем виде эта зависимость известна как закон действующих масс (Гульдберг и Ва-
аге, 1867 г.) для систем в положении равновесия: частное от деления произведения равновес¬
ных концентраций продуктов реакции на произведение равновесных концентраций исходных
веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, является ве¬
личиной постоянной, именуемой константой равновесия Кравн.Для реакцииаА + ЬВ + ... сС + dD + ...в состоянии равновесияк = [дчд]Ч4-И№М-4..'где [А\, [В],... — равновесные концентрации компонентов в моль/л; а, Ь, с, d,... — стехиомет-
рические коэффициенты.Следует помнить, что константа равновесия при постоянной температуре зависит толь¬
ко от величины стандартной свободной энергии процесса, которая является термодинами¬
ческой функцией состояния. Следовательно и константа равновесия — термодинамическая
функция состояния, зависящая лишь от природы реагирующих веществ, а следовательно —
от величин их энтропий и энтальпий. Отсюда следует, что константу равновесия можно
рассчитать, пользуясь табличными термодинамическими данными.8.2. Смещение химического равновесияВеличина Кршт существенна для характеристики реакции. Ее значение дает возможность
судить о направлении и глубине процесса в данных условиях, а также подбирать такие ус¬
ловия, когда выход целевого продукта максимален.Например, для обратимой реакции связывания кислорода гемоглобином (ННЬ) с обра¬
зованием оксигемоглобина (ННЬ02) величина равна 1300 при 310 К. Это значит, что
при давлении кислорода, равном 101,3 кПа, равновесная концентрация оксигемоглобина в
1300 раз превышает концентрацию гемоглобина. Другими словами, равновесие реакцииННЬ + 02<=>ННЬ02сильно смещено вправо._ [ННЬО,]
[ННЬ][Ог]Постоянство Крти и ее независимость от концентраций компонентов реакции и от дав¬
ления позволяет смещать химическое равновесие, увеличивая или уменьшая концентрации
исходных веществ или продуктов.Допустим, в реакции гемоглобина с кислородом мы увеличим содержание кислорода.
Это вызовет усиленное связывание его гемоглобином, в результате чего выход оксигемогло¬
бина возрастет. Тем самым равновесие будет смещаться вправо. Процесс образования окси¬
гемоглобина будет идти до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие с той же Кртн = 1300,
т.е. с тем же соотношением реагентов, хотя их концентрации уже будут отличны от предше¬
ствующих.Рассмотрим другой вариант. Известно, что гемоглобин прочно связывается с угарным га¬
зом (СО) с образованием карбоксигемоглобина (ННЬСО). Поэтому введение СО в систе¬
ГЛ. 8]ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ123му должно приводить к уменьшению концентрации гемоглобина, однако его убыль вызовет
разрушение оксигемоглобина и равновесие реакции гемоглобина с кислородом сместится
влево. Таким образом, в равновесной системе изменение концентрации любого компонен¬
та влечет согласованное изменение концентраций всех остальных.Изменение давления влияет на положение равновесия в реакциях, идущих с изменением
объема. В самом деле, в процессе синтеза аммиака, происходящем с уменьшением объема:увеличение давления увеличит концентрации исходных веществ в большей степени, чем
продуктов. По существу для газовых систем изменение давления оказывается эквивалент¬
ным изменению концентраций. В итоге при синтезе аммиака увеличение давления смеща¬
ет равновесие в сторону увеличения его концентрации и наоборот, чем ниже давление, тем
в большей степени аммиак будет распадаться на водород и азот.Влияние температуры на константу равновесия видно из следующих преобразований:Отсюда при АЯ0 < 0 (экзотермический процесс) и при Т1 > Т2, In КуК2 < 0 и iC, < К2, т.е.
для экзотермического процесса при понижении температуры будет происходить увеличение
Крат.или увеличение концентрации конечных веществ в равновесной смеси (равновесие сме¬
щается вправо).Наоборот, при АН0 > 0 (эндотермический процесс) и при Г, > Т2, In К^К2 > 0 и Kf > К2,
т.е. понижение температуры для эндотермического процесса приводит к уменьшению Кравп
или уменьшению концентрации конечных веществ в равновесной смеси (равновесие смеща¬
ется влево).Суммарно влияние условий (концентрации, давления, температуры) на химическое равно¬
весие можно выразить принципом Jle Шашелье: если на равновесную систему оказать какое-
нибудь внешнее воздействие, то в системе происходит процесс, ослабляющий это воздействие.Применение принципа Ле Шателье позволяет управлять большинством химических ре¬
акций, в том числе и такими, которые осуществляются в промышленных масштабах. При¬
мером такого процесса является синтез аммиака, который, согласно приведенному выше хи¬
мическому уравнению, следует производить при максимальном давлении, а поскольку он
экзотермичен — при минимально допустимой температуре.Очевидно, что равновесие будет смещаться в одном направлении, если какой-либо из
продуктов будет покидать сферу реакции. Существует простое правило (именуемое прави¬
лом Бертло), что химическое взаимодействие в растворах становится почти необратимым,
если один из его продуктов является газообразным, выпадает в осадок или представляет
собой слабо диссоциированное соединение.N2 + ЗН2 <=> 2NH3)но АС0 = АН° - ГА5°. Следовательно, InКравп =АН0-ТAS0RTПри Т,: IniC, = —j^r+-JT’а ПРИ т2-ln^ = “
ПоэтомуАН0 AS0R 'RT2 R\пК^/К2 = -дя°(:г2-г,)RT2Tt
124ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ[4.1Это правило иллюстрируется простыми примерами:NaHC03 + НС1 -> NaCl + Н20 + С02Т
ВаС12 + Na2S04 —> 2NaCl + BaS04i
NaOH + HC1 -> NaCl + H20.Первая из реакций имеет место в желудке, препятствуя избыточной кислотности его со¬
держимого. Второе превращение используется в медицине для приготовления рентгено¬
контрастного препарата, каким является сульфат бария. Третий пример не нуждается в по¬
яснениях. Таким образом, очевидно, что смещение химического равновесия обычно для
медико-биологической практики.При этом следует помнить, что все химические реакции, происходящие в биосредах, не¬
обходимо рассматривать как с термодинамических, так и с кинетических позиций. Если тер¬
модинамика позволяет определить принципиальную возможность прохождения той или
иной реакции и с помощью строгих расчетов подобрать оптимальные условия для ее осуще¬
ствления (принцип Ле Шателье), то кинетика дает возможность определить ее механизм и
оценить скорость протекания.Законы наступления, сохранения и смещения динамического равновесия справедливы
не только для химических и физико-химических процессов, но и имеют аналоги в живой
природе. Так, аналогично принципу Ле Шателье в природе существует принцип адаптивных
перестроек — любая живая система при воздействии на нее перестраивается так, чтобы
уменьшить это воздействие.С этих позиций реакции в живой клетке можно разделить на две группы: реакции, регу¬
лируемые термодинамически, и реакции, находящиеся под кинетическим контролем.В качестве примера реакций первого типа можно привести синтез дипептида из двух мо¬
лекул аминокислоты. Свободная энегия AG0 этого превращения составляет 17,2 кДж/моль,
а рассчитанная константа равновесия равна =10“3. Очевидно, сам по себе этот процесс в замет¬
ной степени не пойдет. Однако он осуществим благодаря сопряжению с гидролизом АТФ с
участием определенного фермента. Эта реакция — термодинамически контролируемое пре¬
вращение, поскольку сама по себе не является самопроизвольной, и для ее осуществления
требуется внешний источник свободной энергии.Кинетически контролируемые реакции характеризуются отрицательным значением AG0,
то есть термодинамически выгодны. К числу таких реакций относится, к примеру, экзотер¬
мическое фосфорилирование углеводов. Однако в отсутствие ферментов скорость фосфо-
рилирования ничтожно мала из-за его высокого активационного барьера.Константа равновесия не зависит от энергии активации. От нее зависит лишь время до¬
стижения состояния равновесия. Поэтому катализаторы не влияют на константу равнове¬
сия, а снижая энергию активации и повышая энтропию активации, ускоряют достижение
равновесия. Константа равновесия зависит от температуры, от изменения энтальпии (теп¬
лового эффекта) в реакции и от изменения энтропии.Ниже будут рассмотрены важнейшие значимые для биосистем случаи химических рав¬
новесий в водных растворах с применением к ним принципа Ле Шателье.
ЧАСТЬ IIРАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХИзменение любого фактора, могущего
влиять на состояние химического равнове¬
сия системы веществ, вызывает в ней
реакцию, стремящуюся противодейство¬
вать производимому изменению.А. Ле ШательеГлава 9.РАСТВОРЫРаствор есть однородная (гомогенная)
жидкая система непрочных диссоциирую¬
щих соединений растворителя с раство¬
ренным веществом.Д. И. Менделеев9.1. Вода и ее физико-химические свойстваРастворы играли и играют важнейшую роль в возникновении и развитии живой приро¬
ды. В растворах формировались простейшие белковые структуры — коацерваты, а в дальней¬
шем — водоросли, что обусловило возникновение фотосинтеза.Общий объем воды Земли составляет 1,5-109 км3, из них 2,5-103 км3 содержится в соста¬
ве живых организмов. Принято считать, что основная масса воды биосферы (области Зем¬
ли в интервале от 25 км выше уровня моря до глубины океана 11 км) имеет биогенное про¬
исхождение, то есть проходила через метаболические превращения живых организмов.Живые организмы получают пищу из водной среды, в воде осуществляется биосинтез,
с водой из организмов выносятся отходы. В самом процессе биосинтеза также образуется
вода — так называемая метаболическая вода. В среднем человек потребляет с едой и пить¬
ем около двух литров воды в сутки, из которых до 300 мл приходится на долю метаболиче¬
ской. Вода выполняет в организме и механическую роль смазки суставов, мышц, связок. Че¬
ловек почти на 60% состоит из воды: кровь содержит ее 83%, внутренние органы — сердце,
почки — 80%, в костях 30% воды.Количество воды у людей индивидуально и зависит от выраженности жировой ткани, где
ее содержание невелико и составляет около 30%. Содержание воды в обезжиренном теле "
учетом 10% липидов, сохраняемых в любых случаях, равняется 72-73%. Заметим, что ко¬
126РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[4.IIличество воды в организме существенно зависит от возраста. Наибольшее содержание воды
наблюдается у новорожденных, что объясняется большим внеклеточным пространством; к
первому году жизни количество воды заметно снижается, особенно за счет внеклеточного
пространства; далее к периоду полового созревания ее содержание составляет у мужчин — 56%,
а у женщин — 46%. Примерно половина всей воды организма находится в мышечной ткани.Внеклеточная вода — это жидкость кровеносной и лимфатической сосудистых систем,
межтканевая и межклеточная жидкости. Это посредник между внешним миром и клетками.
Внеклеточная жидкость омывает клетки, за счет чего организм точно регулирует концент¬
рацию внутриклеточного раствора.Внутрисосудистая вода соответствует объему плазмы. Из объемов плазмы и эритроци¬
тов складывается объем крови, который составляет 6-7% массы тела в зависимости от пола
и конституции.Внутриклеточная вода занимает пространство, предназначенное для метаболических
процессов.Межтканевая (интерстициальная) вода служит для приближения тканей к «выводящей»
крови. Содержание белков в ней очень незначительно, а общий состав электролитов соответ¬
ствует составу плазмы. Она действует в качестве объемного буфера при кровопотере и пере¬
дозировке жидкости. Например, если общий объем введенной в организм жидкости в 5 раз
превысит объем крови, то на практике объем последней увеличивается лишь на 30%.Межклеточная жидкость — это не гомогенная фаза. В таких тканях, как кожа, кости и
хрящи, обмен водой и растворенными в ней веществами происходит наиболее медленно.
Принято объединять объем плазмы и небольшую часть жидкости плотных соединительных
тканей во внеклеточный физиологически активный объем (обычно его доля в общем объе¬
ме жидких сред составляет 20%). Трансцелюлярная вода охватывает ту часть жидкости, ко¬
торая распределена в полостях организма (желчные пути, пищеварительный тракт). В норме
она составляет 2,5% массы тела. Эти жидкости в основном являются секретами желез, на¬
ходятся в различных полостях и имеют четкие различия в химическом составе. За сутки
организмом выделяется около 2 л жидкости.Важная роль воды в биологических процессах определяется ее уникальными физико¬
химическими свойствами.Во-первых, вода имеет необычайно высокую теплоемкость. Огромные массы океанской
воды поглощают или излучают колоссальное количество тепла без заметных температурных
изменений, что играет определяющую роль в формировании погодных и климатических
условий. Этот же фактор чрезвычайно важен в температурном контроле растений и живот¬
ных. Иными словами, вода выполняет роль термостата для биомолекул, функционирование
которых чрезвычайно чувствительно к температурным изменениям.Во-вторых, вода обладает большой энтальпией испарения. Охлаждение за счет испаре¬
ния с поверхности листьев растений и с кожных покровов животных предохраняет их от
перегрева. Кроме того, высокая теплота испарения препятствует потере воды организмом
при повышении температуры.В-третьих, большая по сравнению с другими растворителями энтальпия плавления воды
также выполняет термостатирующую функцию и служит защитой от замерзания.В-четвертых, вода по сравнению с другими соединениями с водородом (HF, NH3 и др.)
имеет аномально высокие температуры плавления и кипения, что и позволяет ей находиться
в обычных земных условиях в жидком состоянии. Причина этого состоит в своеобразии
структуры воды за счет образования ею водородных связей. В воде число протонов, участву¬
ющих в водородных связях, равно числу неподеленных электронных пар атомов кислоро¬
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ127да, которые также необходимы для водородной связи. В
результате создается возможность построения трехмер¬
ной пространственной структуры, в отличие от других
водородных соединений, которые посредством водород¬
ных связей могут давать лишь линейные или кольцевые
ассоциаты.На рис. 9.1 представлена структура льда*, в которой
каждый атом кислорода находится в центре тетраэдра,
окруженный 4 атомами водорода. Два из них связаны с
атомом кислорода ковалентными связями и находятся на
расстоянии около 1 А, а два других — водородными, име¬
ющими длину 1,75 А.Естественно, разрушение кристаллической структуры
льда требует значительной затраты энергии, что и объяс¬
няет его высокую энтальпию плавления и повышенную
точку замерзания воды. В жидком состоянии происходит
частичное разрушение водородных связей, и жидкая вода
построена из отдельных молекул, заполняющих полости Риа 9'1 Кристсшшческая структура
между структурными элементами с тетраэдрической кон¬
фигурацией. Принято считать, что около 30% молекул воды при 293 К находится в несвя¬
занном состоянии.Более плотная упаковка в жидком состоянии, чем в кристаллическом, приводит к появ¬
лению еще одной аномалии свойств воды: плотность жидкой воды больше плотности льда.
Это свойство также важно в биологическом аспекте, т. к. лед, находясь на поверхности воды,
выступает в роли термоизолятора, препятствуя ее охлаждению. Таким образом, вода пред¬
ставляет ассоциированную жидкость, обладающую ажурной структурой, в которой часть ее
молекул находится в узлах каркаса, а другие занимают пустоты.Между обоими типами молекул существует динамическое равновесие, т. к. процесс раз¬
рыва и образования водородных связей происходит непрерывно. Жидкую воду можно рас¬
сматривать как трехмерную структуру с растянутыми, изогнутыми и частично разорванны¬
ми водородными связями. Считается, что время жизни упорядоченной структуры
составляет лишь 10~10-10-11 с. Однако коллективное движение всех молекул жидкой воды
приводит к тенденции сохранения ее усредненной тетраэдрической конфигурации.Присутствие элементов упорядоченной структуры жидкой воды, а также значительная
полярность ее молекул обусловливают большую величину ее диэлектрической проницаемо¬
сти (в при 298 К равно 79,5). Следовательно, взаимодействие между зарядами в воде пример¬
но в 80 раз слабее, чем в пустоте. Благодаря этому ионные и полярные соединения легко
растворяются и диссоциируют в воде. Вода является универсальным растворителем для ион¬
ных и полярных веществ.В грубом приближении морскую воду можно рассматривать как 0,5 молярный раствор
хлористого натрия (табл. 9.1). Обращает внимание определенный параллелизм состава воды
океана и плазмы крови. В процессе эволюции происходило все большее отклонение соста¬
ва физиологических жидкостей от состава морской воды (сравните состав крови медузы и
человека). Сходство состава физиологических сред и морской воды свидетельствует о глу-* Известно 9 кристаллических модификаций твердой воды, существующих в различных интервалах темнен: -
тур и давлений. Лед 1 — обычная форма, существующая при нормальном давлении и ниже 273 К.
128РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ
Ионный состав некоторых водных сред (мг/л)[4.IIТаблица 9.1КомпонентыВода океанаКровь медузыКровь человекаNa+466454143Г10104,5Mg2+1061024,0Са2+20209,0СГ545554107SOJ-56362бокой взаимосвязи внутренней и внешней жизненных жидких сред Земли и, по-видимому,
объясняется ее биологическим происхождением.Итак, вода необходима в качестве среды и участника обмена веществ и принимает учас¬
тие в многообразных процессах в организме, а именно:- является структурной основой оптимального физиологически активного объема клет¬
ки;- определяет пространственную структуру, а следовательно и функции биомолекул;- обеспечивает специфичность действия ферментов за счет ассоциации с полярными
группами, особенно в их активных центрах;- выступает в качестве субстрата в ряде ферментативных реакций, например, гидроли¬
за белков, липидов и др.;- формирует направленный поток веществ внутри клетки, между клетками и между орга¬
низмами и внешней средой;- участвует в терморегуляции.9.2. Растворы неэлектролитовДля понимания многих биологических явлений необходимо иметь представление об изме¬
нении ряда физических свойств водных растворов в зависимости от их состава и концентрации.Прежде всего отметим, что истинными растворами являются термодинамически устойчи¬
вые гомогенные системы переменного состава, состоящие не менее чем из двух компонентов.Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора,
принято называть растворителем, а другой компонент — растворенным веществом. При
одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считают то вещество, кото¬
рое преобладает в растворе.Образование растворов представляет собой сложное физико-химическое явление, при
котором наблюдается взаимодействие между молекулами растворенного вещества и воды (а
в общем случае — растворителя). Так, ионы растворенной соли в воде гидратированы. На это
указывал еще М. В. Ломоносов, который писал: «...частицы соли отделяются от основной
массы и, сцепляясь с водными частицами, вместе с ними начинают двигаться поступатель¬
но». Впоследствии представления о растворах как соединениях переменного состава (гид¬
ратах) были развиты Д. И. Менделеевым.Гидратной оболочкой в растворах обладают не только ионы, но и полярные частицы, к
числу которых относятся важнейшие биомолекулы — углеводы, белки, нуклеиновые кисло¬
ты. По современным воззрениям до 40% молекул воды клетки представляет собой структу-
рированую воду, т. е. входят в состав гидратных оболочек биомолекул, что сказывается на
их физико-химических свойствах.
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ129Химические соединения с водой образуют и молекулы неполярных веществ при раство¬
рении в ней. Так, метан с водой образует соединение состава СН4-6Н20, а хлор — С12-8Н20.
В данном случае речь идет о соединениях включения, в которых молекулы растворенного
вещества включены в тетраэдрические полости жидкой воды, как это происходит и с самой
водой. И жидкую воду также можно рассматривать как соединение включения.В первую очередь рассмотрим более простую ситуацию, когда все межмолекулярные силы
в растворах одинаковы независимо от строения растворенных в воде молекул. Такие раство¬
ры называют идеальными. К ним близки разбавленные растворы неэлектролитов. К идеаль¬
ным растворам применимы термодинамические закономерности, характерные для идеальных
газов. В частности, свободная энергия каждого компонента G, выразится уравнением:G, = G0,- + RT In р„vjxtpi — давление насыщенного пара z-того компонента над раствором. Давление насыщен¬
ного пара — это давление пара, при котором при данной температуре в системе «жидкость-
пар» наступает динамическое равновесие, характеризующееся равенством скоростей испа¬
рения и конденсации.Полное давление насыщенного пара (р) над раствором выражает закон Дальтона:р = р]+р2 + рЛ + - +Рпrjxepi-pj— парциальные давления компонентов раствора.Если растворенное вещество обладает значительно большей летучестью, чем вода (или
в общем случае — растворитель), упругостью пара самой воды можно пренебречь, и тогда в
случае бинарного раствора, т.е. состоящего из растворителя и единственного растворенно¬
го вещества:Р=Р°2 N2>где N2 — мольная доля растворенного вещества, р{)2 — упругость пара чистого растворенно¬
го вещества.Мольная доля Месть отношение числа молей данного компонента к сумме чисел молей
всех компонентов в растворе. Для бинарного раствора мольные доли растворителя Nt и ра¬
створенного вещества N2 соответственно равны:\ Т ^1 \ Г ^2JV j = И N2= —+п2 П\+П2'где п-, и п2 — числа молей растворителя и растворенного вещества. Сумма мольных долей всех
компонентов раствора равна 1:Nx + N2 = 1.Для разбавленных растворов вместо р^2 применяют коэффициент пропорциональностиК:р = KN2.Это уравнение известно как закон Генри, а коэффициент пропорциональности К назы¬
вают константой Генри, которая зависит от природы растворителя и растворенного веще¬
ства, а также от температуры. Если заменить в предыдущем уравнении мольную долю мо-
ляльностью, то закон Генри представляется в виде:р = Km,где m — моляльная концентрация, равная числу молей растворенного вещества, содержа¬
щегося в 1000 г растворителя. Для разбавленных водных растворов молярность и моляль-
ность приблизительно одинаковы (С = т, см. разд. 15.1).
130РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПОтсюда видно, что растворимость газов в воде прямо пропорциональна их парциально¬
му давлению над раствором, что важно для объяснения физиологии дыхания и газообмена.
Так, зная константу Генри К, можно легко определить растворимость данного газа в воде.С увеличением давления растворимость газов в воде значительно возрастает, поэтому на
глубине, к примеру, 40 м под водой, когда парциальное давление кислорода достигает
600 кПа, растворимость кислорода возрастет почти в 27 раз по сравнению с нормальными
условиями (содержание кислорода в атмосфере = 21%).Однако оптимальным физиологическим вариантом является содержание кислорода в
воде при давлении 100 кПа, а следовательно для дыхания на глубине 40 м следует исполь¬
зовать газовые смеси, содержащие примерно в 27 раз меньше кислорода, чем в воздухе ат¬
мосферы. Руководствуясь этим принципом, можно осуществить погружение до глубин в не¬
сколько сотен метров.Другим важным проявлением закона Генри служит кессонная болезнь. Ее причина —
мгновенное выделение воздуха из плазмы крови при быстром подъеме с больших глубин за
счет резкого уменьшения растворимости газов из-за падения давления. Возникающие при
этом пузырьки газа в крови вызывают патологические состояния, в худшем случае — гибель
из-за закупорки кровеносных сосудов.Напротив, разреженная атмосфера и связанное с этим понижение содержания кислорода
в крови вызывает иное патологическое состояние, именуемое горной болезнью и связанное
с дефицитом кислорода. Проблемы взаимоотношения организма с окружающей газовой сре¬
дой являются важнейшими вопросами физиологии подводного плавания и авиационно-кос¬
мической медицины.Закон Генри соблюдается далеко не всегда, и отклонения от него вызваны химическими
реакциями между газами и растворителем, что принципиально важно для биологических
процессов. К примеру, аномально высокая растворимость углекислоты в воде объясняется
химической реакцией:С02 + Н20 <=> H2C03 f=>H++ НСО3-.Такова же причина высокой растворимости в воде аммиака, сероводорода и хлористого
водорода. Кислород мало растворим в воде, однако прекрасно растворяется в крови, так как
химически связывается с гемоглобином.Растворимость газов в воде сильно понижается при растворении в ней электролитов.
И. М. Сеченов установил взаимосвязь между растворимостью газа и концентрацией элект-№ролита: 1 g—=kC, где № и N — мольные доли газа в чистой воде и в растворе с концентра¬
цией соли С, соответственно; k — эмпирическая константа, зависящая от природы газа, элек¬
тролита и температуры.И. М. Сеченов изучал и закономерности растворения кислорода и углекислоты в крови.
Они оказались достаточно сложными. В частности, Сеченов показал, что с увеличением
количества кислорода облегчается отдача кровью углекислоты, и, наоборот, с ростом давле¬
ния углекислоты растворимость кислорода в крови растет. Эти закономерности, известные
как эффект Бора, были объяснены значительно позднее (см. гл. 41).Если в воде (или в другой среде) растворены нелетучие вещества (а это — типичная для
жидких биосред ситуация), давлением их паров над раствором можно пренебречь. Следова¬
тельно, можно учитывать только давление паров растворителя, то есть воды, поэтому мож¬
но записать:Р = Р{\\2о ' AV
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ131где р0н2о и ЛГН 0 — соответственно давление насыщенного пара над чистой водой и мольная
доля воды в растворе. Эта зависимость известна как закон Рауля.Тогда для идеальных растворов при постоянной температуре в состоянии равновесия
между раствором и газовой фазой над ним давление насыщенного пара каждого компонен¬
та р, выражается уравнением:Pi=pVNhгде Ni — мольная доля г-того компонента, а р{) — давление пара чистого г-того компонента.Так как концентрацию растворов удобнее выражать через концентрацию растворенно¬
го вещества, то для водных растворов:P = Ph20-(1-N2) ИЛИРт.е. при постоянной температуре относительное понижение давления насыщенного пара
растворителя над идеальным раствором нелетучего вещества равно мольной доле растворен¬
ного вещества.N - п 2Так как для разбавленных растворов в выражении 2 “ , „ числом щ в знаменателещ п2можно пренебречь (щ » п2), то N2~n2/nx. 4о __Для воды число молей в 1000 г равно щ = 1000/18, тогда 2-—— = N2 =0,018гг2, но п2 —Р°число молей растворенного вещества в 1000 г воды, и, следовательно, получим:
= 0,018т..РТак как для разбавленных растворов т~ С, то:Ар/р° -0,018 С,где Ар = р° — р.Это уравнение представляет собой упрощенное выражение закона Рауля для разбавлен¬
ных водных растворов нелетучих веществ, в котором концентрация растворенного вещества
выражена удобным для расчета способом — в единицах молярности.Важными следствиями из закона Рауля для растворов нелетучих веществ являются по¬
вышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения раство¬
рителя и понижение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым раство¬
рителем. Эти свойства растворов (наряду с понижением упругости пара) обычно называют
коллигативными (или взаимосвязанными, то есть коллективными), так как они вызваны
общими причинами. В частности, количество частиц растворенного вещества (а не их мас¬
са или размеры) определяют проявление этих свойств. Установление численного значения
любого из коллигативных свойств дает возможность расчета всех остальных.Зависимость температур кипения и замерзания растворов от концентрации, объясняе¬
мая понижением упругости пара, иллюстрируется так называемой фазовой диаграммой.
Фазовая диаграмма связывает давление пара любого вещества в различных агрегатных со¬
стояниях (пар, жидкость, твердое тело) с температурой. На рис. 9.2 представлена фазовая ди¬
аграмма для чистой воды (С0) и для растворов с различными концентрациями (Ct и С2) не¬
летучего растворенного вещества.
132РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПРис. 9.2. Фазовая диаграмма для чистой воды и водных растворов с различной концентрацией.Опытные данные показывают, что с ростом температуры давление пара увеличивается.
Как показано выше, давление насыщенного пара над раствором ниже, чем над чистой водой.
Поэтому кривая давления пара для раствора с концентрацией Сх располагается ниже, чем
кривая давления насыщенного пара над чистой водой, а кривая для раствора с концентра¬
цией С2 (С2 > Сх) — еще ниже.Чистый растворитель застывает при более высокой температуре, чем раствор.Это явление используется в технической и медицинской практике, для чего применяют¬
ся специальные добавки — антифризы, понижающие температуру замерзания водных ра¬
створов. На этом же основано употребление солей для борьбы с гололедом. В лабораторной
практике применяют жидкие охладительные смеси, в частности насыщенный раствор хло¬
ристого кальция остается жидким до 218 К (-55 °С).Понижение температуры замерзания* растворов — результат понижения упругости пара
при переходе от растворителя к раствору и при увеличении его концентрации. Кривая АС
на фазовой диаграмме (рис. 9.2) выражает зависимость давления насыщенного пара льда от
температуры. Точка С отвечает температуре плавления льда Т°зам (темературе замерзания
воды). Кривая CL выражает зависимость давления пара чистой воды от температуры. Точ¬
ки пересечения кривых ВМ и AN с линией АС (Тжи, Т*(гм) являются точками пересечения
кривых сублимации чистого льда и пара растворов различной концентрации, то есть точка¬
ми замерзания воды из растворов при равновесном давлении. Из рис. 9.2 видно, что с рос¬
том концентрации раствора температура замерзания растворителя падает.Разность температур замерзания АТ:ш = Т° - Г'имеет линейную зависимость от концент¬
рации, что следует из подобия треугольников BCD и АСЕ (для идеальных растворов беско¬
нечно малые участки кривых АС, ВС, BD и АЕ можно считать прямыми). Отсюда следует, что:AE/BD = АС/ВС = ЛГ^/Л7\1аи = р<> - р2/р" - р, = Др2/Др, = m2/mvИными словами, наблюдаемая зависимость для понижения температуры замерзания ра¬
створителя (воды) выражается уравнением:* Температура замерзания жидкости — та температура, при которой существует равновесие между твердой и
жидкой фазами данного вещества и давление насыщенного пара над жидкостью становится равным давлению на¬
сыщенного пара над кристаллами этой жидкости.
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ133АТзам = Km ~ КС,где К — мольное понижение температуры замерзания или криоскопическая постоянная
данного растворителя. Ее значение для воды составляет 1,86 °С/моль. Понижение темпера¬
туры замерзания идеальных растворов нелетучих веществ прямо пропорционально моляль-
ной концентрации раствора.Температуры кипения воды и растворов на рис. 9.2 определяются как точки пересечения
L, М и N кривых упругости пара с прямой, отвечающей внешнему давлению (100 кПа), так
как жидкость закипает, если давление ее паров оказывается равным внешнему давлению. Из
рисунка видно, что температура кипения раствора выше, чем температура кипения воды.Для разности температур кипения (повышения температуры кипения раствора) АТкип =
= Т-Т] применимы те же рассуждения, что и для понижения температуры замерзания. Сле¬
довательно:&Ткип = Em-ЕС,где Е — коэффициент пропорциональности, называемый мольным повышением температу¬
ры кипения растворителя или эбулиоскопической постоянной растворителя. Ее величи¬
на зависит только от природы растворителя и для
воды имеет значение 0,51°С/моль.Значительно большая величина криоскопической
константы по сравнению с эбулиоскопической посто¬
янной объясняется тем, что удельная теплота плавле¬
ния льда гораздо меньше удельной теплоты испарения
воды. Значения криоскопических и эбулиоскопиче-
ских постоянных некоторых растворителей приведе¬
ны в табл. 9.2.В отличие от идеальных растворов, для которых
Ткип и Тжшяе зависят от природы растворенного вещества, как следует из закона Кауля, для
реальных растворов необходимо учитывать межмолекулярные взаимодействия. Поэтому
для реальных растворов вводится изотонический коэффициент i (см. разд. 9.3):А Т3(Ш = iKm ~ iKC; А Ткип = iEm ~ iEC.9.3. ОсмосЕще одно коллигативное свойство растворов — осмотическое давление, возникает вслед¬
ствие явления осмоса. Осмос наблюдается, например, в том случае, когда два раствора не¬
которого вещества различной концентрации в одном растворителе разделены полупрони¬
цаемой перегородкой, пропускающей молекулы воды (или другого растворителя) и
непреодолимой для молекул растворенного вещества.Такие перегородки или мембраны можно приготовить из некоторых неорганических или
органических материалов, однако особенно широко они представлены в живой природе.
Ведь именно благодаря им и возможно существование жизни, начиная с клеточного уров¬
ня. Оболочки клеток и органов, представляющие собой мембраны, поддерживают постоян¬
ство состава их содержимого; через биологические мембраны осуществляется транспорт
необходимых для функционирования клетки веществ, через них же удаляются отходы ее
жизнедеятельности. Таким образом, мембраны являются необходимыми структурными
элементами биосистем. Существуют разнообразные типы мембран, одни из которых прони¬Таблица 9.2Эбулиоскопические
и криоскопические константыРастворительЕКВода0,511,86Бензол2,535,12Уксусная кислота2,933,90
134 РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ [Ч. I]цаемы для воды, другие — лишь для определенных видов ионов, третьи — для некоторые
малых молекул и т.д. Изучением биомембран занимается мембранология, представляющая
одно из актуальных направлений современной физико-химической биологии.Явление осмоса, как неотъемлемое свойство биомембран, широко распространено в жи¬
вой природе. При разделении двух растворов различной концентрации мембраной молекуль:
воды мигрируют через мембрану, но их число, перешедшее из раствора с большей концент¬
рацией, меньше, чем число молекул, перешедших из раствора с малой концентрацией
В итоге имеет место перемещение воды от менее концентрированного раствора к болеее кон¬
центрированному до наступления равновесия.Процесс самопроизвольной диффузии растворителя через полупроницаемую мембран)^представляет собой осмос.
полупроницаемый / Если бы мембрана оказалась подвижнымТТППТТТРТТТ* гпоршнем, она бы смещалась в сторону более раз¬
бавленного раствора, однако можно остановит!
движение поршня, приложив некоторое давле-
мг- ние извне. Это давление называют осмотичес-
^ ким. Осмотическое давление — минимальное
гидравлическое давление, которое нужно при¬
ложить к раствору, чтобы осмос прекратился
Осмотическое давление — это избыточное гид¬
ростатическое давление, возникающее в резуль¬
тате осмоса и приводящее к выравниванию скоростей взаимного проникновения молеку/
растворителя через мембрану с избирательной проницаемостью.Для вывода выражения осмотического давления рассмотрим цилиндр объемом \
(рис. 9.3), в котором находится водный раствор вещества А. Мольные доли воды и этого ве¬
щества соответственно равны:Na= ^ ^но=1-^=-ПН-2-—•"н2о +пА 2 "н2о + пАУ правой стенки цилиндра находится полупроницаемый поршень, который мы переместим
влево так, чтобы справа остался 1 моль растворителя. Пусть объем его равен VUp (молярные
объем растворителя). Поршень преодолевал осмотическое давление тс, и работа, затраченная
на перемещение, равна:А = —TtVVl2o.Запишем выражение для свободной энергии чистого растворителя:G = G° + RTlnp0,где р° — давление насыщенного пара над чистым растворителем (водой). Свободная энер¬
гия воды в растворе составит:G' = G° + RT\np,
гдер — давление насыщенного водяного пара над раствором.Р^ * ^Н\По закону Рауля р = p°Nu 0 = , тогда^Н20 + ПАРис. 9.3. Осмотическое давлениеG' = G° +RT\n Р %2° =G° + RT\np° +RT\n—?M
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ135Так как первые два слагаемых представляют собой свободную энергию чистого раство¬
рителя, тоAG = G'-G = RTln Пщо . 'Пп20 + ПАИзменение свободной энергии равно совершенной работе против осмотического давления п:AG = A = -пУн 0 = RT\ п Щ2° или
«н2о+”лn^H20 = RT In (1 + Пл/Щ\2о).Известно, что 1п(1 +а) = а, если а -» 0. Поэтому nVH 0~ RTnA/nU20, так как пл « nHip.По правилу аддитивности общий объем равен:^ = пн2о^и2о + ПаУА>где VH о и VA — молярные объемы воды и растворенного вещества. Отсюдаn\\.pV\\.р>а Vu2°~ V/nw20'Подставив в предыдущее уравнение значение V^q, получимnV/пцр ~ RTnA/nHip или пV = RTпА.Если объем выражен в литрах, то 71 = RTnA/V~ RTC, где С — молярная концентрация ра¬
створенного вещества:п « RTC.Это выражение, связывающее величину осмотического давления с концентрацией, изве¬
стно как закон Вант-Гоффа.Если осмотическое давление тг выразить в н/м2, а концентрацию в кмоль/л, то R равна
8,3-103 Дж/К-кмоль и поэтому п ~ 8,3-103ГС.Если же осмотическое давление измерять в атмосферах, то при R = 0,082 л-атм/К-моль:я = 0,082 ГС.Из формулы Вант-Гоффа видно, что осмотическое давление не зависит от природы ра¬
створенного вещества, а зависит только от числа частиц в растворе и температуры. Однако
это уравнение справедливо только для растворов, в которых отсутствует взаимодействие
частиц, т.е. для идеальных растворов. В реальных растворах имеет место межмолекулярное
взаимодействие между молекулами вещества и растворителя, которые могут приводить или
к диссоциации молекул растворенного вещества на ионы, или к ассоциации молекул раство¬
ренного вещества с образованием из них ассодйатов.Для учета межмолекулярных взаимодействий в реальных растворах Вант-Гофф предло¬
жил использовать изотонический коэффициент i.Для молекул растворенного вещества физический смысл изотонического коэффициента:. _ число частиц растворенного вещества
” число частиц исходного вещества *Для растворов неэлектролитов, молекулы которых не диссоциируют и мало склонны к
диссоциации, i = 1.В случае растворов, в которых вещество находится в виде ассоциатов, что характерно,
например, для коллоидных растворов (см. разд. 38), i < 1. Для растворов белков и высоко¬
молекулярных веществ величина i зависит от концентрации и природы этих веществ.
136РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПДля растворов электролитов вследствие диссоциации i > 1 (подробнее см. разд. 9.4).С учетом межмолекулярных взаимодействий осмотическое давление для реальных ра¬
створов равно:n~iRTC.Осмотическое^дявДение раствора из нескольких ра¬
створенных компонентов равно сумме давлений, создава¬
емых каждым из них в отдельности:Пыщ = i 0,0827X6*! + С2 + С3 + ... + С, + ...)•В биологических жидкостях (моча, плазма, слюна, мо¬
локо и др.) в больших количествах содержатся неоргани¬
ческие и органические вещества в виде молекул, ионов и
коллоидных частиц. Их суммарная концентрация носит
название осмолярности (осмотической концентрации)
и именно эта величина должна быть использована в урав¬
нении Вант-Гоффа. В целом, осмолярная концентрация —
это суммарное молярное количество всех кинетически ак¬
тивных, т.е. способных к самостоятельному движению частиц, содержащихся в 1 л раство¬
ра, независимо от их формы, размера и природы.Растворы с одинаковым осмотическим давлением называют изотоническими; раствор
с большим осмотическим давлением есть гипертонический раствор, в противоположном
случае имеют дело с гипотоническим раствором.Следует отметить, что детальный механизм осмоса не всегда понятен и в каждом конк¬
ретном случае может быть особым. В принципе термодинамический подход и не требует
знания механизма, полученное же удобное выражение для расчета осмотического давления
еще раз показывает эффективность термодинамического подхода.Роль осмотических явлений в различных физиологических процессах чрезвычайно велика.
Постоянство осмотического давления (изоосмия) тех или иных физиологических сред (плазма,
внутриклеточная жидкость, моча и др.) представляет собой фундаментальное физико-химичес¬
кое требование гомеостаза. Осмотическое давление плазмы крови человека при 310 К составляет
около 760-810 кПа (7,6-8,1 атм), у рыб ~ 15, у отдельных растений может достигать 100, а у про¬
растающих семян — до 400 атм. Столь высокие значения осмотического давления достигаются
за счет суммарного эффекта растворенных в биосредах низкомолекулярных веществ и ионов. В
плазме, в частности, наиболее значимым компонентом является хлористый натрий.На долю высокомолекулярных компонентов — белков — приходится незначительная
часть от общего давления, называемая онкотическим давлением. Величина онкотическо-
го давления крови, вызываемого альбуминами и глобулинами, составляет только 2,5-4,0 кПа
(0,025-0,040 атм). Однако эта незначительная составляющая от общего осмотического дав¬
ления играет принципиальную роль в некоторых физиологических явлениях, и изменение
онкотического давления может пагубно сказаться на их проявлениях.Стенка капилляров проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не для бел¬
ков. На артериальном конце капилляра солевой раствор вместе с питательными вещества¬
ми переходит в межклеточное пространство. На венозном конце капилляра процесс идет в
обратном направлении, так как венозное давление ниже онкотического давления. В резуль¬
тате в кровь переходят вещества, отдаваемые клетками. При гнойных процессах происходя¬
щее при этом разрушение белков сильно увеличивает величину онкотического давления.В. Оствальд (1853-1932)
и Я. Ваит-Гофф (1852-1911)
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ137Оно играет важную роль в процессах всасывания жидкости из тканей в кровеносные сосу¬
ды. При заболеваниях, сопровождающихся уменьшением концентрации белков крови, он-
котическое давление падает. В результате происходит накопление жидкости в межклеточ¬
ном пространстве. Возникают так называемые онкотические отеки подкожной клетчатки.На клеточное осмотическое давление влияет обмен веществ. При распаде больших мо¬
лекул осмолярность повышается, при синтезе — снижается. Осмотические взаимоотноше¬
ния ответственны за распределение воды в жидкостных пространствах организма.Так, в растительном мире транспирация (испарение воды листьями в окружающую
среду) поддерживается накоплением воды через ствол и ветви за счет осмотического дав¬
ления. Для того, чтобы клетки не разбухали в результате поступления в них влаги вслед¬
ствие осмоса, они обладают жесткой оболочкой. Благодаря этому в них развивается силь¬
ное внутреннее давление, которое называют тургором. Когда тургорное давление равно
осмотическому, клетка находится в состоянии водного баланса. Однако для нормального
функционирования тургорное давление должно быть ниже осмотического, т.к. только в
этих условиях наблюдается активный транспорт в клетку, что необходимо для ее суще¬
ствования. Эти явления определяют объем и форму клеток (например, эритроцитов).При нахождении клеток в сильно гипотоническом растворе они набухают и разрываются.
Такой распад клеток крови называют гемолизом. Обратное явление, при котором клетка
сжимается, находясь в гипертонической среде, представляет плазмолиз.Основную задачу осморегуляции выполняют почки. Осмотическое давление мочи в нор¬
ме значительно выше, чем плазмы крови, что и обеспечивает активный транспорт из крови в
почку. Осморегуляция осуществляется под контролем ферментативных систем. Нарушение
их деятельности приводит к патологическим процессам. Так, при нефрите осмотическое дав¬
ление у мочи может оказаться ниже, чем у крови, что вызывает обратный транспорт веществ.При внутривенных инъекциях, чтобы избежать нарушения осмотического баланса, сле¬
дует использовать изотонические растворы. Изотоничен по отношению к крови физиоло¬
гический раствор, содержащий 0,9% хлористого натрия. Строго говоря, истинным физиоло¬
гическим раствором является раствор того же состава, что и плазма крови (см. табл. 9.1),
содержащий катионы натрия, калия, магния, кальция и хлорид-, бикарбонат- и сульфат-ани-
оны в определенном соотношении.Явлением осмоса объясняют слабительное действие глауберовой соли Na2SO/l-10H20 и
горькой соли MgS04-7H20. Эти соли плохо всасываются стенками желудка, а потому их
высокая концентрация в желудке и кишечнике вызывает интенсивный переход воды внутрь
кишечника, способствуя послабляющему действию.Обратное явление — переход жидкости из кишечника в брюшную полость — вызывают при
перитониальном диализе созданием в ней избыточной концентрации сильного электролита
посредством вскрытия брюшной полости и одновременным обильным введением влаги в
желудок и кишечник. Это делают при острых отравлениях проникающими через стенки же¬
лудка ядовитыми веществами. Таким путем вызывают интенсивный переход воды из желу-
дочно-кишечного тракта в брюшную полость, увлекающий с собой токсическое вещество.В хирургии явлением о<\мосадользуются, применяя гипертонические марлевые повяз¬
ки (марлю пропитывают 10%-ным раствором хлорида натрия). При этом рана очищается от
гноя и носителей инфекции.Гипертонические растворы вводят внутривенно при глаукоме, чтобы снизить внутри¬
глазное давление из-за повышенного содержания влаги в передней камере глаза.Высоко осмотическое давление бактериальных клеток. На этом основано действие неко¬
торых антибиотиков, например, пенициллина. Пенициллин ингибриует процесс биосинтеза
138РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пстенок растущих стрептококков, в результате их стенки становятся непрочными, и осмоти¬
ческое давление разрывает их.Таким образом, понимание и контроль осмотических процессов, а^гакже умение опреде¬
лять и рассчитывать осмотическое давление имеют существенное значение для биологов и
медиков.Экспериментально осмотическое давление можно определить с помощью специальных
приборов — осмометров, главной деталью которых является полупроницаемая мембрана.
Необходимость иметь мембраны, через которые проходит только растворитель, затрудняет
использование осмометрии, однако в ней нет особой нужды, т.к. измерение любого другого
коллигативного свойства раствора позволяет рассчитать и остальные, в том числе и осмоти¬
ческое давление.Измерение температуры кипения раствора обычно не применяют из-за разрушения био¬
сред при нагревании, измерение упругости пара раствора нецелесообразно из-за малой точ¬
ности метода. Поэтому самым распространенным способом является измерение температу¬
ры замерзания — криоскопия, отличающаяся простотой и необходимой точностью.
Понижение температуры замерзания как показатель гомеостаза — достаточно постоянная
величина для различных биологических жидкостей (табл. 9.3).Таблица 9.3Понижение температуры замерзания биосред по сравнению с водойБиосредаАТ_,°СКровь0,56Тканевой сок0,6-0,8Спинномозговая жидкость0,56Слюна0,19-0,49Желудочный сок0,49-0,65Пот0,13-0,65Моча1,12-2,30Молоко0,55-0,57Желчь0,54-0,61Сок печени0,81-0,96Наиболее эффективным методом является термоэлектрическая осмометрия, при кото¬
рой с помощью термистеров определяют разность температур кипения раствора и чистого
растворителя. Эти температуры различаются за счет неодинакового испарения с поверхос-
ти капель раствора и чистого растворителя, т.к. упругости паров различны. Величина тем¬
пературной разности пропорциональна концентрации раствора. Определив перепад темпе¬
ратур, можно рассчитать концентрацию, а потом и осмотическое давление. Этот метод, в
частности, нашел широкое применение в урологической практике для контроля нефрозов.Измерение коллигативных свойств растворов используют не только для оценки величины
осмотического давления, но и для определения молекулярной массы растворенного вещества.
Ее легко рассчитать, зная навеску вещества (g), растворенную в 1000 г воды, т.к. М = g/m.В совокупности коллигативные свойства водных растворов представлены в таблице 9.4.
ГЛ. 9]РАСТВОРЫФизико-химические свойства водных растворов139Таблица 9.4СвойствоМетод измеренияАр/р° = 0,018iCтонометрияAT^ = 0,5UCэбулиометрияДГ_=1,86гСкриометрияя = 0,082гТСосмометрия9.4. Растворы электролитовКак сказано выше, еще до создания С. Аррениусом теории электролитической диссоци¬
ации Вант-Гофф заметил, что для растворов кислот, оснований и солей наблюдаемые вели¬
чины Ар/р°, АТкип , АТзам и 71 превосходят значения, полученные и рассчитанные для неэлек¬
тролитов той же концентрации. Для того, чтобы достигнуть для электролитов соответствия
с теорией, Вант-Гофф ввел дополнительный поправочный изотонический коэффициент г.Физический смысл изотонического коэффициента в случае электролитов состоит в том,
что общее число частиц (недиссоциированных молекул и образовавшихся ионов) больше,
чем в растворах неэлектролитов. Реальная концентрация всех частиц в растворе, называе¬
мая осмотической концентрацией (Сош , см. разд. 9.3), будет превосходить заданную без учета
диссоциации на величину г, т. е. изотонический коэффициент показывает, во сколько раз
осмотическая концентрация превосходит молярную:* = Ст] С().В общем случае величина изотонического коэффициента растет с ростом степени диссо¬
циации электролита.Для слабых электролитов вводится понятие степени электролитической диссоциации
(а). Степень диссоциации равна отношению концентрации продиссоциировавших молекул
(Сдш) к начальной (аналитической) концентрации электролита (С0), т.е.а = С()ис/ Со и С()ш. = С0а.При концентрации электролита С0, распадающегося на v ионов, их концентрация соста¬
вит avC0, а число недиссоциированных молекул составит С0-С^6. = С0( 1 -а).Следовательно, осмотическая концентрация (осмолярность), представляющая собой
сумму концентраций получившихся ионов и недиссоциированных молекул, равна:Сасм= C0(l-a) +avC0= C0[l+a(v-l>],откудаi = l+a(v-l).Данное выражение справедливо лишь для растворов слабых электролитов; сильные элек¬
тролиты, которые в воде диссоциируют полностью, не подчиняются этой зависимости, так
как в их раствора/имеет место сильное межионное взаимодействие. По этой причине элек¬
тропроводность р^творов сильных электролитов меньше, чем следовало бы ожидать при
полной диссоциации. В таких растворах каждый ион окружен противоположно заряженной
ионной атмосферой, взаимодействие с которой растет с увеличением концентрации. Эти
взаимодействия изменяют свойства раствора таким образом, как будто они вызваны умень-
140РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пшением степени диссоциации, т.е. приводят к уменьшению числа свободных «акт^щных»
ионов. Поэтому эффективные, то есть проявляющие себя в конкретных физико-химичфких
свойствах концентрации ионов и выражают через их активности (а), которые отличны от
аналитической концентрации электролита.Активность пропорциональна концентрации, а коэффициент пропорциональности (у)
называют коэффициентом активности:а = Су,где С — молярная концентрация раствора, моль/л.Отметим, что в любых истинных (а не идеальных) растворах эффективные концентра¬
ции не равны аналитическим, а следовательно для любых растворов (а не только для случая
сильных электролитов) следует говорить не о концентрациях, а об активностях.Активности разных ионов одного и того же электролита не равны, а потому при практи¬
ческом определении свойств его раствора учитывают среднюю активность его ионов. В ча¬
стности, для электролитов диссоциирующих на один катион и один анион (например, NaCl)
средняя активность (а±) выражается через активности'его катиона (а+) и аниона (а_) следу¬
ющим образом:— л] .То же справедливо и для коэффициента активности:y±=Vy/T-Смысл введения понятий активности и коэффициента активности состоит в том, что
через них мы получаем возможность определять свойства реальных растворов, пользуясь
весьма простыми закономерностями для идеальных растворов.Оценка силы взаимодействия между ионами с тем, чтобы предсказать реальное физико-хи¬
мическое свойство раствора сильного электролита и, в частности, величину осмотического дав¬
ления, представляет собой сложную задачу, которая была в определенной степени преодолена
в теории Дебая-Хюккеля. Согласно этой теории, основы которой мы опускаем, можно рассчи¬
тать коэффициент активности ионов для очень разбавленных водных растворов по формуле:lgy±=-0,51(2+-2_)-V7,где 2+ и z_ — величины зарядов ионов без учета знака, а / — так называемая ионная сила ра¬
створов, численно равная:где С, и Zj — концентрация и заряд иона в электролите. Ионная сила представляет собой удоб¬
ную характеристику раствора, т.к. свойства раствора определяются суммарным электроста¬
тическим вкладом всех ионов раствора, а вклад, оценивающий взаимодействие, зависит от
концентраций и зарядов. Это важно при изучении биологических систем, представляющих
собой растворы, содержащие в своем составе смеси различных ионов. При использовании
растворов электролитов в биологических экспериментах крайне необходимо, чтобы их ион¬
ная сила была равна ионной силе соответствующей биологической системы. Так, ионная сила
плазмы крови человека равна 0,15 М, поэтому физиологический раствор — простейший заме¬
нитель плазмы крови — должен иметь соответствующую концентрацию NaCl (0,15 М, или0,9%). При значительрюм увеличении ионной силы раствора в нем уменьшается количество
РАСТВОРЫ141свободной воды, не участвующей в гидратации ионов, т.е. уменьшается активность воды, уча¬
ствующей в процессе гидратации растворенных частиц. Это приводит к дегидратации природ¬
ных полиэлектролитов (белков, нуклеиновых кислот и др.), в результате чего изменяется их
конформация, а далее происходит их высаливание, т.е. выделение из этих растворов.Зная состав раствора сильного электролита, можно определить коэффициент активно¬
сти и активность, а затем предсказать его коллигативные свойства.В табл. 9.5 даны значения среднего коэффициента активности ионов в зависимости от
заряда иона и ионной силы раствора.Таблица 95Значения коэффициента активности ионов в зависимости от заряда и ионной силы раствораIУ±Z = 1z = 2z = 3z = 41(Г40,990,950,900,8910~30,960,860,730,561(Г20,890,730,390,1910'10,780,630,080,012-КГ10,700,240,040,003Видно, что с уменьшением ионной силы раствора коэффициент активности ионов стре¬
мится к единице, а при одном и том же значении ионной силы раствора его величина заметно
падает с ростом заряда иона.9.5. Водно-электролитный балансВеличина ионной силы биологических сред существенна для реализации разнообразных
биохимических и физиологических процессов. Их оптимальные параметры достигаются
лишь при постоянном и вполне определенном значении ионной силы. Это иллюстрирует¬
ся хотя бы таким важным для живых систем обстоятельством, что диссоциация углекисло¬
ты заметным образом зависит от изменения концентрации хлорида натрия в ее водном ра¬
створе (а следовательно ее поведение в плазме отличается от свойств в чистой воде).Отсюда нетрудно сделать заключение, что постоянство концентраций электролитов в
водных биосредах (водно-электролитный баланс) и определяемая этим постоянством вели¬
чина ионной силы биосред — одно из требований гомеостаза, т.е. координации происходя¬
щих в организме физиологических и биохимических процессов и поддержания постоянства
внутренней среды.Концентрация ионов — регулятор распределения воды между внутриклеточным содер¬
жимым, межклеточным пространством и ее количеством, выводимым с мочой. К примеру,
если при болезни или в результате применения мочегонных препаратов происходит избы¬
точное выделение мочи, то вместе с влагой (восполняемой с питьем) организм теряет и соли.
Падение концентрации ионов в плазхме крови приводит в итоге к падению осмотического
дWдшия. Напротив, при жажде в результате обезвоживания объем внутриклеточного про¬
странства уменьшается из-за потери влаги. Тем самым увеличивается концентрация элек¬
тролитов в тканях, и в результате осмотическое давление повышается. Сложные концент¬
142РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХрационные зависимости возникают между содержанием влаги в тканях организма и в клет¬
ках болезнетворных бактерий, например, холерных вибрионов, которые при их быстром раз¬
множении могут вызвать патологическое обезвоживание организма за счет перекачивания
воды внутрь бактериальных клеток и тем самым вызывать гибель человека.Нарушения водно-электролитного баланса связаны с комплексом причин, приводящих
к избытку или недостатку воды и (или) электролитов. Нужно различать нарушения балан¬
са (несоответствие между поступлением и выведением) и нарушение распределения меж¬
ду внеклеточным и внутриклеточным пространством.В зависимости от содержания жидкости в организме и осмотического давления плазмы
различают шесть различных состояний, связанных с увеличением количества внеклеточной
жидкости (гипергидратация) и ее уменьшением (дегидратация). Организм легче переносит
гипергидратацию, чем дегидратацию. Увеличение внеклеточного пространства вдвое и бо¬
лее совместимо с жизнью, а при дегидратации быстрая потеря 20% жидкости смертельна.Гипертоническая дегидратация характеризуется дефицитом жидкости с повышением
осмотического давления плазмы. При гипертонической дегидратации все жидкостные про¬
странства уменьшаются. Она вызывается применением концентрированных питательных сме¬
сей, потерей гипотонической жидкости при бронхитах, пневмониях, лихорадках, сопровож¬
даемых потоотделением, при водянистом стуле, острой почечной недостаточности, диабете.Изотоническая дегидратация характеризуется дефицитом воды и растворенных ве¬
ществ при нормальном осмотическом давлении плазмы. При этом страдает прежде всего вне¬
клеточное пространство (объем плазмы и межклеточной жидкости). На первом плане сто¬
ят нарушения кровообращения. Рвота, кишечная непроходимость, потеря крови,
применение мочегонных препаратов, перитонит, ожоги вызывают это явление, легко пере¬
ходящее в шок.Гипотоническая дегидратация характеризуется дефицитом воды и растворенных в ней
веществ с падением осмотического давления плазмы. При гипотонической дегидратации вне¬
клеточное пространство уменьшено, а клетки пересыщены водой. Гипотоничность плазмы
способствует осмотическому перемещению воды из внеклеточной жидкости в клетки. В свя¬
зи с этим внеклеточное пространство дополнительно теряет воду. Потеря солей при хрониче¬
ском пиелонефрите, слабительные, бедная натрием диета, восполнение простой водой поте¬
рянной жидкости, диурез при диабете обычно приводят к гипотонической дегидратации.Обезвоживание организмаТаблица 9 6ЯвлениеПричинаГипертоническая дегидратацияИзотоническая дегидратацияГипотоническая дегидратацияПрименение концентрированных питательных сме¬
сей, потоотделение при пневмониях и лихорадках,
водянистый стул, острая почечная недостаточность
Рвота, кишечная непроходимость, потеря крови,
применение мочегонных препаратов, ожоги
Диурез, слабительные, потеря солей при восполне¬
нии водой потерянной жидкости, бедная натрием
диета, потеря солей при пиелонефрите
ГЛ. 9]РАСТВОРЫ143Варианты обезвоживания представлены в табл. 9.6.Гипергидратация обычно связана с почечной недостаточностью.Гипертоническая гипергидратация характеризуется избытком воды и растворенных в
ней веществ с повышением осмотического давления плазмы. Клетки при этом обезвоживают¬
ся. Внеклеточная гипергидратация и внутриклеточная дегидратация, наблюдающиеся при
этом, вызываются питьем морской воды, введением гипертонических солевых растворов.Изотоническая гипергидратация характеризуется избытком воды и растворенных в
ней веществ при нормальном осмотическом давлении плазмы. При изотонической гипергид¬
ратации страдает в основном внеклеточное пространство и увеличивается лишь количество
внеклеточной жидкости, что выражается в периферических отеках. При наличии отеков
организм хотя и пересыщен водой, но непосредственно эта вода не используется. Явление
характерно для некоторых заболеваний сердца и цирроза печени, причем введение физио¬
логических растворов усугубляет их.Гипотоническая гипергидратация характеризуется абсолютным или преимуществен¬
ным перенасыщением водой с падением осмотического давления плазмы. При гипотониче¬
ской гипергидратации поражаются преимущественно клетки. Причиной является чрезмер¬
ное введение воды или бессолевых растворов сахаров.Данные о случаях избыточного содержания воды (отеках) систематизированы в табл. 9.7.Таблица 9.7Отеки при почечной недостаточностиЯвлениеПричинаГипертоническая гипергидратацияПитье морской- воды, введение гипертониче¬ских растворовИзотоническая гипергидратацияЦирроз печени, избыточное введение физи¬ологических растворовГипотоническая гипергидратацияЧрезмерное введение водыИтак, организм обладает концентрационным гомеостазом, физиологический механизм
регуляции которого связан во многом с функцией почек.Электролиты выполняют в организме важную роль:- отвечают за осмолярность и величину ионной силы биосред,- образуют биоэлектрический потенциал,- катализируют процессы обмена веществ,^стабилизируют определенные ткани (костная),- служат в качестве энергетических депо (фосфаты),- участвуют в свертывающей системе крови.Для практики полезно запомнить, что физиологическими растворами являются 0,15
моль/л растворы солей, молекулы которых полностью диссоциируют на 2 иона, и 0,30
моль/л растворы растворов неэлектролитов (например, 0,30 моль/л раствор глюкозы).Физико-химические параметры гомеостаза таких растворов, а следовательно и парамет¬
ры гомеостаза плазмы — важнейшей биосреды человеческого организма составляют:Я|„шмы = 760-810 кПа (7,6-8,1 атм), я0|1котичак()е= 2,5-4,0 кПа (0,025-0,040 атм),^■^зам.плазмы 0,56 К, Диутрмклег. 0,35, -^плазмы 0,15.
Глава 10КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕИмеющую огромное значение для химии
чистую воду... можно рассматривать как
слабую кислоту или слабое основание.С. Аррениус10.1. Ионное произведение водыВода, как слабый электролит, в малой степени ионизирована по уравнению:2Н20 <=> Н30+ + ОН" или упрощенно:н2о <=> н+ + он-.Константа равновесия этого процесса, представляющая в данном случае константу
диссоциации в соответствии с законом действующих масс выразится уравнением:_[Н+][ОН-]
[Н20]Ее величина может быть вычислена на основании данных измерения электропроводно¬
сти чистой воды (что, кстати, представляло собой сложную задачу, так как полностью очи¬
стить воду крайне трудно). При 298 К константа К^. равна 1,8*10~16. Пренебрегая незначи¬
тельной степенью ионизации, равновесную концентрацию недиссоциированных молекул
воды как в чистой воде, так и в разбавленных водных растворах можно считать величиной
1000постоянной и равной = 55,56 моль/л. Тогда можно записать:18[Н+][ОН-] =tf,w[H20] = 1,810-16 • 55,56 = 10-14.Обозначим A^cc*[H20] k2lkKw*. Тогда для 298 К (25 °С) получим:^ = [н+][он-] = ю-14.Это выражение известно как ионное произведение воды. Kw — величина постоянная (при
данной температуре) для воды и любых водных растворов. Такое постоянство означает, что в* От water — вода.
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ145любом водном растворе — нейтральном, кислом или щелочном— имеются и водородные ионы, и гидроксид-ионы, причем про¬
изведение концентрации этих ионов всегда равно величине Kw.. Диссоциация воды — процесс эндотермический, а следо¬
вательно, Kw растет с повышением температуры, что видно
из табл. 10.1.Для наглядности удобно использовать величину pKw== -\gKrВ чистой воде [Н+] = [ОН-] и при температуре 298 К они
равны Ю"7 моль/л.В соответствии с принципом Ле Шателье при добавле¬
нии кислот или оснований данное равновесие смещается. В
кислой среде [Н+] > 10-7, а [ОН~] < 10~7, в щелочной среде
наблюдается обратная зависимость. В целом для характери¬
стики кислотности водных сред принято использовать величину молярной концентрации
ионов водорода [Н+] в этих средах.Для удобства в расчетах используют величины водородного pH = -lg[H+] и гидроксиль¬
ного показателя рОН = -lg[OH~].После логарифмирования уравнения ионного произведения воды для температуры 298 К
получим:рН+рОН= 14.В кислой среде pH < 7, рОН > 7; в щелочной среде pH > 7, рОН < 7. Так как эти показа¬
тели однозначно связаны между собой, проще пользоваться только одним, а именно pH.
В нейтральной среде водородный показатель pH = 7.Кислотность, определяемая концентрацией ионов гидроксония в растворе, выражаемой
величиной pH, является характеристикой многих процессов жизнедеятельности. От ее ве¬
личины зависит поведение клеток, их биологическая активность. Кровь, слюна, желудочный
сок имеют определенную кислотность (табл. 10.2), и отклонение от нормы может быть при¬
чиной тяжелых заболеваний.Обменные процессы в организмах совершаются в водных средах. Вода и продукты ее
диссоциации — ионы гидроксония и гидроксильные ионы — являются необходимыми фак¬
торами, определяющими структуру и биологические свойства белков, нуклеиновых кислот
и других клеточных компонентов.Таблица 10.1
Значения К„,
при различных температурахt,° ск9рК„01,2-10"1514,93206,9-10"1514,16251,0-10'1414,00372,5*10"1413,60505,510'1413,271005,1-10'1312,2910.2. Диссоциация кислот и основанийСогласно протолитической теории кислот и оснований кислоты — это вещества, диссо¬
циирующие в растворе с образованием ионов Н+ (доноры протонов):НА—> Н+ + А-.Например,/ НС1 -» Н+ + Cl-, NH/ -»NH3 + Н+.Константа равновесия этого процесса (Ка *) равна:_[Н+][А-]‘ [НА] '* Индекс а от слова acid — кислота (англ.).
146РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ
Значения pH некоторых физиологических жидкостей[4.IIТаблица 10.2СредаЗначение pH в нормеВозможныеколебанияЖелудочный сок
Желчь печеночная
Желчь пузырная
Кровь (плазма)МочаПотСлезная жидкость
СлюнаСпинномозговая жидкостьСок верхнего отдела толстого
кишечникаСок поджелудочной железы
Сок тонкого кишечника1,657.35
6,87.36
5,8
7,47.7
6,75
7,6
6,18.8
6,510,9-2,06.2-8,55.6-8,0
7,25-7,445,0-6,54.2-7,8
< 7,6-7,85.6-7,9
7,35-7,808,6-9,0
5,07-7,07Ее называют константой диссоциации кислоты. Чем сильнее кислота, тем больше Ка. Для
удобства используют показатель этой константы рКа = -\gKa. Для сильных кислот величины рКа
отрицательны, для слабых — положительны, причем величина рКа растет с ослаблением кис¬
лотности. Например, рКа для H2S04 равна -3, для HN03 = -1,64. Это сильные кислоты. Для
слабой уксусной кислоты рКа = 4,75, а для еще более слабой хлорноватистой НСЮ рКа = 7,3.Сила бескислородных кислот определяется относительной электроотрицательностью
атома Н и связанного с ним элемента, а также поляризуемостью связи Н-Э, которая возра¬
стает с ростом радиуса атома элемента Э. В соответствии с этим галогеноводородные кис¬
лоты (НС1, HBr, HI) — сильные, причем их сила (т.е. величина Ка) растет от НС1 к HI. H2S
в водном растворе представляет собой уже слабую кислоту, a NH3 в обычных условиях не
проявляет кислотных свойств.Сила кислородсодержащих кисл'от, общую формулу которых можно представить как
ЭО^(ОН)„, сильно зависит от га, но мало чувствительна к изменению п. Это объясняется
оттягиванием электронов связями Э=0 от связей О-Н, что и вызывает более легкий отрыв
протона. Кислоты Э(ОН)„ являются очень слабыми (рКа 7-10), ЭО(ОН)„ — слабыми (рКа
1,5-4), Э02(0Н)„ — сильными, а Э03(0Н)„ — очень сильными.Отмеченная тенденция иллюстрируется примером кислородных кислот хлора:НСЮнею.НСЮ,НСЮзхлорноватистая хлористая хлорноватая хлорная
га = 0 га = 1 га = 2 га = 3рКа = 7,3 рКа = 2 рКа = -1 рК(Г-10С уменьшением электроотрицательности элемента для соединений формулы Э(ОН) в
водных растворах становится возможной диссоциация по связи Э-О. В этом случае говорят
об основаниях:
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ147Константа равновесия этого процесса (Кь*) выразится так:г_[У][ОН-].* [ЭОН]Кь называют константой диссоциации основания.Сила основания возрастает с ростом величины Kh и соответственно убывает с увеличени¬
ем pKb = -lgKh. Щелочным металлам отвечают сильные основания — щелочи (рКь для LiOH
равна 0,17, для NaOHpi^ = -0,77), щелочноземельным металлам соответствуют основания
средней силы.При близком значении относительных электроотрицательностей элемента Э и атома Н
в гидроксидах Э(ОН)п возможна одновременная диссоциация по связям Э-О и О-Н, сле¬
довательно, такие гидроксиды обладают одновременно и кислотными, и основными свой¬
ствами. Они амфотерны.Амфотерными свойствами обладает, например, HOI (относительная электроотрицатель¬
ность иода и водорода равна 2,2):1+ + он- HOI *=* Н+ + 01-
рКь= 9,6 рКа= 10,6Амфотерными свойствами обладают Ве(ОН)2, А1(ОН)3, Сг(ОН)3, а также ряд других
гидроксидов типичных элементов средней части Периодической системы и переходных эле¬
ментов.В соответствии с принципом Ле Шателье кислотные свойства амфотерных гидроксидов
проявляются в их реакции с основаниями, которые, связывая ионы ОН", смещают равнове¬
сие вправо, и, наоборот, в кислой среде амфотерные гидроксиды ведут себя как основания,
т.к. протоны кислоты связывают гидроксильные ионы:Э++ ОН"<=> ЭОН *=* Н++ ЭО-
+ +Н20*-Н+ 0Н-->Н20Согласно протолитической теории основания — это молекулы или ионы, способные
присоединять катион водорода (протоны), т.е. основания — это акцепторы протонов:В + Н+ —> ВН+.Например,NH3 + Н+—>NH/.Кислота, отдавая протон, превращается в сопряженное основание.кислота <=* Н+ + сопряженное основание.Соответственно, основание присоединяя протон, превращается в сопряженную кислоту.
В совокупности мы имеем сопряженную кислотно-основную пару. Сила кислоты определя¬
ется способностью отдавать протон, а основания — его присоединять.Сильные кислоты, легко отдавая протон, превращаются в сопряженные основания, ко¬
торые плохо присоединяют протон. Поэтому для сильных кислот диссоциация идет прак¬
тически необратимо.* От Ьс^е — основание (англ.).
148РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПНаоборот, слабые кислоты, трудно отдавая протон, превращаются в сильные сопряжен¬
ные основания, диссоциация в случае этих кислот становится обратимым процессом и рав¬
новесие смещено в сторону недиссоциированной формы.Те же закономерности наблюдаются в случае сильных и слабых оснований.Под амфолитами в случае протолитической теории понимаются молекулы или ионы,
способные и отдавать, и присоединять протон. Амфолитом является вода, т.к. она может
одновременно взаимодействовать с кислотами, проявляя свойства основания, и с основани¬
ями, проявляя свойства кислоты:Н20 + Н+<=> Н30+
основаниеH20 + NH3<=>NH4++0H
кислотаТипичными амфолитами являются гидроксиды некоторых металлов, гидроанионы мно¬
гоосновных кислот и аминокислоты.В растворах устанавливается протолитическое равновесие в результате конкуренции за
протон между основаниями сопряженных кислотно-основных пар (НА, А" и ВН+, В), кото¬
рое смещено в сторону образования более слабой кислоты.Как уже было отмечено, для слабых электролитов сила кислот и оснований определяется
величинами констант кислотности Ка и основности Кь. Если эти констаны характеризуют
протолитическое взаимодействие воды с кислотой или основанием, то произведение этих
констант для сопряженной кислотно-основной пары всегда равно ионному произведению
воды Kw.Ка{НА) • Kf){А") = 10-" илирЯв(НА) + рКь(А~) = 14
Ка(ВН+) • Кь(В) = 10-14 илирКа(ВН+) + рКь(В) = 14Поэтому константу основности Кь (или ее показатель рКь) слабого основания можно
заменить на константу кислотности Ка (или рКп} соответственно) сопряженной кислоты
этого основания. Например, силу аммиака в воде как основания (рКь = 4,76) можно оха¬
рактеризовать показателем кислотности его сопряженной кислоты, т.е. иона аммония —
рКа (NH/) = 14 - 4,76 = 9,75. Слабое основание тем слабее, чем меньше значение рКа со¬
пряженной с ним кислоты.10.3. Вычисление pH растворов сильных кислот и основанийМожно считать, что в разбавленных водных растворах (10-2-10~5 моль/л) сильные одно¬
основные кислоты типа HCl, HN03 ионизированы практически нацело, следовательно рав¬
новесиеНА + Н20 Н30+ + А-
полностью смещено вправо и концентрация ионов гидроксония равна концентрации аниона:[Н30+] = [А-].Кроме того, ионы гидроксония образуются и в результате диссоциации воды:н2о + н2о н3о+ + ОН-.
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ149Таким образом, их общая концентрация равна сумме концентраций ионов гидроксония,
образующихся в процессах ионизации кислоты и воды. В то же время концентрация ионов
Н30+, возникших при ионизации воды в соответствии с уравнением, равна концентрации
ионов ОН", поэтому концентрация ионов гидроксония в растворе составляет:[Н30+] = [А-] + [ОН-].Однако концентрацией ионов гидроксония, полученных при диссоциации воды, можно
пренебречь, т.к. она на несколько порядков ниже концентрации этих ионов, образовавших¬
ся при ионизации сильной кислоты.[Н30+ ] = [А-] = СплpH=-\g С/1Л,где СИА — молярная концентрация раствора кислоты.Следовательно, концентрация ионов гидроксония в растворах одноосновных сильных
кислот равна их исходной (т.е. аналитической) концентрации.Для очень разбавленных растворов сильных кислот (Снл < 10-6 моль/л) этот способ вы¬
числения концентрации ионов водорода неприменим, т.к. концентрации Н+, образующих¬
ся в процессах ионизации кислоты и воды, становятся соизмеримыми, и для нахождения
точной концентрации ионов Н+необходимо учитывать оба процесса.Из уравнения ионного произведения воды следует, что:[ОН-]=^/[Н+],тогда[Н+] = [А-] + Кю/[Н+]ИЛИ[Н+]2 - [А"][Н+] - К„-0.Решением этого квадратного уравнения является выражение:[1Г]_[А~] + \/[А~]2+4*у
Для однокислотных сильных оснований (щелочей) по аналогии с растворами сильных
кислот можно приближенно считать, что[ОН-] = с„й1,где Сосн — молярная концентрация основания. ОтсюдарОН lg [ОН-] lg Скн.Для очень разбавленных растворов сильных оснований (С< 10“6моль/л), как и в случае
сильных кислот, этот способ вычисления концентрации ионов водорода неприменим, т.к.
концентрации ОН", образующихся в процессах ионизации основания и воды, становятся
соизмеримыми, и для нахождения точной концентрации ионов ОН" и Н+необходимо учи¬
тывать оба процесса.Для растворов сильных электролитов с высокой концентрацией при расчетах pH и рОН
следует использовать значения активности ионов Н+и ОН" (см. разд. 9.4):pH = -lg а„+ = -lg у„+ С„+ и рОН = -lg аои- = -lg У он-Coir-
150РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ10.4. Вычисление pH растворов слабых кислот и основанийВ водном растворе слабая кислота обратимо диссоциирует по уравнению:НА<=>Н+ + А-.По закону действующих масс:_ [Н+] [А~]* [НА]В момент динамического равновесияСдис = [Н+] = [А-] = С0-а.[НА] = С{) — C(hic = С() - С0а,
где а — степень диссоциации кислоты.Подставляя полученные значения равновесных концентраций в выражение для констан¬
ты диссоциации кислоты, получаем:_С0аС0а_ С02а2 _С0 а2
а С0-С0 а С0(1-а) 1-аДля слабых кислот (при а—>0, а<0,1)с достаточной для практики точностью выраже¬
ние (1 - а) можно принять равным единице, тогда:Ка = С0’(х2,a = 4KJC,.Это выражение называют законом разведения Оствальда.Подставляя полученное для а значение в выражение [Н+] = С() а, получаем формулу для
расчета концентрации ионов гидроксония в разбавленных водных растворах слабых кислот:[н+]=Да.Для выражения кислотности среды через водородный показатель (pH) полученное вы¬
ражение логарифмируют:lg[H+] = hgKa+±\gC0,умножают обе части равенства на (-1):-lg[H+] = -|lg^-|lgC0,и получают выражение для расчета pH в разбавленных водных растворах слабых кислот:pH=±pKa-Ugc0.Аналогично молено вывести уравнение для расчета [ОН-] в растворах слабых оснований.[ОН- ]=7вд рон=lPKh - hgc0 pH=u-±pKb+hg c0.Многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато. Например, трехосновная фосфор¬
ная кислота диссоциирует в три стадии.
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ1511.Н3Р04<=>Н++Н2Р04-2.Н2Р04-<=>Н++НР0?-3. нро42-^н++ро43-Для каждой ступени ионизации можно отдельно записать константу диссоциации. Из¬
вестно, что константа диссоциации последующей ступени диссоциации на 4-6 порядков
меньше предыдущей. Это объясняется тем, что протон в каждой из последующих стадий дол¬
жен отрываться от все более отрицательно заряженного аниона, что энергетически менее вы¬
годно, чем отрыв от нейтральной молекулы кислоты на первой стадии диссоциации. В час¬
тности, для фосфорной кислотырКа = 2,15,рКа = 7,2 ирКа = 12,3.Так какрКа^ > рКа> рКа и концентрация ионов гидроксония, образовавшихся в резуль¬
тате первой ступени ионизации, значительно превышает количество ионов гидроксония,
которые появляются в растворе за счет ионизации по второй и третьей ступеням и не ока¬
зывают существенного влияния на установление равновесия в системе, то величину pH ра¬
створов многоосновных кислот обычно вычисляют по рКа. Иными словами, с точки зре¬
ния ионизации, многоосновные кислоты можно рассматривать как одноосновные и
учитывать лишь первую ступень их диссоциации. То же справедливо и для многокислот¬
ных оснований.В заключение необходимо указать характерных представителей кислот и оснований,
которые присутствуют в биологических объектах и сила которых определяет особенности
их поведения, а в отдельных случаях и свойства самих биосред. Так, сильная кислота, соля¬
ная, определяет высокую кислотность желудочного сока. Органические производные фос¬
форной кислоты, в том числе аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и нуклеиновые кис¬
лоты, являются кислотами средней силы. Это объясняет существование АТФ в клетке в
диссоциированном виде, а также определяет ион-ионное взаимодействие ДНК с основны¬
ми белками, которые окружают эту молекулу. Многие из слабых кислот, как одно-, так и
двухосновных (уксусная, молочная, янтарная и др.), являются обычными метаболитами. Из
числа слабых оснований в бисредах в микроколичествах присутствуют так называемые био¬
генные амины, в относительно больших количествах в мочевых канальцах.продуцируется
аммиак. Сильно основными свойствами обладает одна из природных аминокислот, аргинин,
фрагментом которой является остаток сильного основания гуанина.10.5. Гидролиз солейНарушение равновесия ионизации воды может происходить не только при растворении
в ней кислот или оснований, но и некоторых солей, причем изменение кислотности раство¬
ра обусловливается характером ионов соли.Если соль KtA в которой А" является анионом слабой кислоты, растворить в воде, то А",
взаимодействуя с водой, образует слабую кислоту НА. Ионы ОН- будут находиться в избыт¬
ке и раствор станет щелочным. Имеет место гидролиз но аниону:А" + НОН <=> НА + ОН-.Если же растворить соль KtA, в которой Kt+является ионом слабого основания, то Kt+,
образуя с гидроксильным ионом воды слабое основание KtOH, способствует появлению из¬
быточных ионов гидроксония. Раствор в таком случае становится кислым — это гидролиз
по катиону:
152РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПСледовательно, гидролиз соли — это обратимый протолитический процесс взаимодейст¬
вия ионов слабого электролита, входящих в состав соли, с водой, что приводит к образова¬
нию слабого электролита и сдвигу ионного равновесия воды. С позиции протолитической
теории гидролиз ионов солей заключается в переходе протона от молекулы воды к аниону
соли или от катиона соли (с учетом его гидратации) к молекуле воды. В зависимости от при¬
роды иона вода выступает либо в качестве кислоты, либо в качестве основания.Интенсивность любого обратимого процесса характеризуется величиной соответствую¬
щей константы равновесия, которая в случае гидролиза солей носит название константы гид¬
ролиза (Кгидр).При гидролизе солей, образованных анионами слабых кислот и остатками сильных ос¬
нований (гидролиз по аниону):_ [НА]-[ОН~]
рави [А"] [Н20] ‘Анионы в данном случае являются сопряженными основаниями воды и способны кон¬
курировать с ней за протон, связывая его в слабую кислоту.Концентрацию воды для достаточно разбавленных растворов можно считать величиной
практически постоянной, поэтому[НА]. [ОН"][А-]Если концентрацию гидроксильных ионов выразить через ионное произведение воды, то_ [НА]JC.[А ] [Н+] ’[НА] 1а отношение ■[А-][Н+] К.Из этого следует, что константа гидролиза соли, образованной слабой кислотой и силь¬
ным основанием (гидролиз по аниону), обратно пропорциональна константе диссоциации
кислоты, образовавшейся в результате гидролиза:Кгидр gа произведение К,ш)р на соответствующее значение Ка равно ионному произведению воды:КидрКл = КгК аналогичному выводу можно прийти, рассмотрев гидролиз солей, образованных сла¬
быми основаниями и сильными кислотами (гидролиз по катиону):_ [KtOH][H+]гидр jKt+jИз ионного произведения воды [Н+] = ,J—. Подставив это значение в выражение для[ОН']Кшдр, получим:[КЮЩК№ к,
[Kt+].[OH-] КЬ(В)Tf — I J w _ 1XW _ If / D TT+ \ __ Tf ЪГ — TSгидр rv'j.+ i rnil‘1 V / 7?\ aV ) гидр b ~ w,
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ153т.е. в случае гидролиза соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, констан¬
та гидролиза обратно пропорциональна константе основности (Кь) этого основания или рав¬
на константе кислотности сопряженной кислоты. Произведение КШ()р на Кь равно ионному
произведению воды.Таким образом, константа гидролиза равна отношению ионного произведения воды (Kw)
к константе ионизации (Ка или Кь) слабого электролита, образовавшегося в результате гидро¬
лиза. Поэтому сильнее гидролизуются соли, образованные более слабыми электролитами.Гидролиз усиливается при нагревании, поскольку при этом возрастает значение Kw, и при
разбавлении, так как при этом увеличивается концентрация воды.По величине константы гидролиза можно вычислить pH раствора гидролизующейся соли.При гидролизе соли, образованной слабой кислотой и сильным основанием, можно
считать, что [ОН-] = [НА], т.е. [ОН-]2 = Ктдр [А-]. Но [А-] равна разности между исходной
концентрацией гидролизующейся соли и прогидролизовавшихся молекул и, в случае сла-
богидролизующихся солей, равна начальной концентрации гидролизующейся соли Сс.
ОтсюдаДля солей, образованных катионом слабого основания и остатком сильной кислоты (гид¬
ролиз по катиону):Так как X = то [ОН''—2-С • Отсюдак сЛогарифмируем это выражение и затем умножаем обе части равенства на (-1):lg[H+] = ilglO-14+ilg^-|lgCc
4g[H+] = -ilgl0-“-ilgtfa+|lgCcKt++HOH?=>KtOH+H+,если вместоpKh использоватьрКа(В1Г) сопряженной кислоты данного основания [рКь = 14--рКа(вн*я
154РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПГидролиз кислых солей слабых многоосновных кислот осложнен дополнительным про¬
цессом диссоциации аниона. Рассмотрим гидролиз гидрокарбонат-иона:NaHC03 —> Na+ + HC03
НСО3-+ НОН <=> Н2С03 + он-нсо3-^±н+ + со|-Как видно из приведенных уравнений, гидрокарбонат-ион одновременно участвует в двух
процессах. Гидролиз увеличивает концентрацию гидроксильных ионов, а диссоциация —
ионов водорода. Характер среды в растворах кислых солей зависит от соотношения интен¬
сивностей этих двух процессов, определяемых константами равновесия, и практически не за¬
висит от концентрации соли. Для растворов солей двухосновных кислот, в случае когда Ка^
значительно меньше Сс, кислотность можно определить, пользуясь следующими формулами:[Н+]=Vv^рК +рКН=У Щ у а,2Как видно из этой формулы, pH гидролизующейся кислой соли в значительных преде¬
лах не зависит от ее концентрации, что достаточно хорошо согласуется с эксперименталь¬
ными данными.В более сложных случаях, например, для кислых солей фосфорной кислоты, в аналогич¬
ные формулы входит константа диссоциации кислоты, определяющая константу гидроли¬
за соли, и вторая — характеризующая диссоциацию аниона. Например, в случае гидролиза
дигидрофосфат-иона кислотность среды будет определятся по следующей формуле:рК +рКа
рН= * 3,F 2где Ка2 — константа, характеризующая диссоциацию этого иона, а Ка^ — константа, опреде¬
ляющая его гидролиз.Растворы кислых солей могут иметь различный характер среды. Так, в растворе гидро¬
фосфата натрия создается щелочная среда, а в растворе дигидрофосфата — кислая.Раствор гидрокарбоната натрия — питьевой соды — имеет слабощелочную среду и ис¬
пользуется в медицине (в частности, для предотвращения ацидозов) в отличие от техниче¬
ской соды — карбоната натрия, раствор которого имеет сильно щелочной характер.Памятуя, что в состав плазмы крови входят растворимые соли угольной кислоты, исхо¬
дя из вышеизложенного, можно утверждать, что в ней из-за сильного гидролиза практиче¬
ски не будут содержаться карбонат-ионы, и из солей угольной кислоты основным компонен¬
том плазмы является гидрокарбонат-ион. Точно также из числа фосфат-ионов, компонентов
внутриклеточной жидкости, следует практически исключить фосфат-ион, отдавая предпоч¬
тение гидро- и дигидрофосфат-ионам.В случае солей, гидролизующихся по катиону и аниону, реакция среды определяется
природой более сильного электролита. Костанту гидролиза и pH в этом случае определяют
по следующим формулам:Kw рКа (НА) + рКа (ВН+ )
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ155В случае образования в результате гидролиза малорастворимых или летучих соединений
гидролиз идет полностью и необратимо. Глубина протекания гидролиза солей зависит и от
внешних факторов, например, от температуры и концентрации раствора. Увеличение тем¬
пературы и разбавление усиливают процесс гидролиза.10.6. Буферные растворыБиологические жидкости характеризуются определенной величиной pH, отклонения от
которой ограничены. Сохранение постоянства кислотности жидких сред имеет для жизне¬
деятельности человеческого организма первостепенное значение, потому что, во-первых,
ионы водорода оказывают каталитическое действие на многие биохимические превращения;
во-вторых, ферменты и гормоны проявляют биологическую активность только в строго оп¬
ределенном интервале значений рН\ в-третьих, даже небольшие изменения концентрации
ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях ощутимо влияют на величину осмотиче¬
ского давления (см. разд. 9.3) в этих жидкостях.Решающую роль в регулировании pH играют буферные системы. Еще точнее можно ска¬
зать, что буферные системы позволяют живому организму, как открытой системе, реализо¬
вать принцип Ле Шателье, противодействовать влиянию внешних факторов, направленных
как на снижение, так и на увеличение рЯего жидких сред, сохранять гомеостаз.Необходимо рассмотреть механизм действия буферных систем вообще и, в частности, в
живом организме. Кроме того, в медицинской практике часто возникает необходимость в
приготовлении буферных растворов, способных поддерживать постоянное значение pH, на¬
пример, для введения этих растворов в организм, для моделирования в лабораторных усло¬
виях биопроцессов, в клиническом анализе и т.д.Буферными растворами называются растворы, содержащие протолитическую равно¬
весную систему, способную поддерживать практически постоянную величину pH при добав¬
лении к ним сильных кислот или щелочей, а также при разбавлении.10.6.1. Типы буферных растворов. Механизм действия и вычисление pHПо составу буферные растворы можно разделить на два типа. Они обычно состоят из
двух компонентов — слабой кислоты (донор протонов) pi ее соли (акцептор протонов) (кис¬
лотный буфер) или слабого основания (акцептор протонов) и его соли (донор протонов)
{основный буфер).Состав буферной системы принято выражать формулами ее компонентов, причем вна¬
чале указывают формулу акцептора протона, а затем — донора. Например, буферные систе¬
мы: карбонатная — С03 2, НС03; аммиачная — NH3H20, NH4+.Следует отметить, что не только смеси, но и растворы некоторых индивидуальных солей,
например, тетрабората натрия, карбоната аммония и др., также обладают буферными свой¬
ствами, которые объясняются сильным гидролизом этих солей и образованием компонен¬
тов, необходимых для буферного действия.Растворы, содержащие слабую кислоту и ее соль. Примером кислотного буфера может
служить ацетатный буферный раствор, содержащий смесь уксусной кислоты и ацетата натрия
(CH3COONa + СН3СООН). При добавлении к такому раствору кислоты она взаимодейству¬
ет с солью (акцептор протонов) и вытесняет эквивалентное количество слабой кислоты:CH3COONa + НС1 <=> СН3СООН + NaCl.
156РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПВ растворе вместо сильной образуется слабая кислота, и поэтому величина pH уменьша¬
ется незначительно.Если к этому буферному раствору добавить щелочь, она нейтрализуется слабой кисло¬
той (донор протонов), и в растворе образуется эквивалентное количество соли, гидролиз
которой значительно подавлен присутствием кислоты:СН3СООН + NaOH ^=> CH3COONa + Н20.В результате pH почти не увеличивается.Для расчета pH в буферном растворе на примере ацетатного буфера рассмотрим процес¬
сы, в нем протекающие, и их влияние друг на друга.Ацетат натрия практически полностью диссоциирует на ионы, ацетат-ион подвергается
гидролизу, как ион слабой кислоты:CH3COONa -> Na+ + СН3СОО-СН3СОО- + НОН <=> СН3СООН + он-.Уксусная кислота, также входящая в буфер, диссоциирует лишь в незначительной сте¬
пени:СН3СООН СН3СОО- + Н+.Слабая диссоциация СН3СООН еще более подавляется в присутствии CH3COONa, по¬
этому концентрацию недиссоциированной уксусной кислоты можно считать практически
равной ее начальной концентрации:[СН3СООН] = С,С другой стороны, гидролиз соли также подавлен наличием в растворе кислоты. Поэто¬
му можно считать, что концентрация ацетат-ионов в буферной смеси практически равна ис¬
ходной концентрации соли без учета концентрации ацетат-ионов, образующихся в резуль¬
тате диссоциации кислоты:[СН3СОО-] = Сс.Согласно закону действующих масс, равновесие между продуктами диссоциации уксус¬
ной кислоты и недиссоциированными молекулами подчиняется уравнению_ [Н+][СН3СОО~][CH3COOH]Подставив общую концентрацию кислоты и соли в уравнение константы диссоциации,
получим:[Н +] = ка^-
аСсРН = рКа+ lg£.Это уравнение называют уравнением буферного раствора (уравнением Гендерсона-
Гассельбаха). В общем виде его можно представить следующим образом:[акцептор протонов]РН = рКа+ lg![донор протонов]
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ157Анализ уравнения в случае буферного раствора, образованного слабой кислотой и ее
солью, показывает, что концентрация водородных ионов в буферном растворе определяет¬
ся константой диссоциации слабой кислоты и соотношением концентраций кислоты и соли.Следует подчеркнуть, что это уравнение является приближенным и его нельзя приме¬
нять в следующих случаях:— если концентрации кислоты и соли несоизмеримы (отличаются более, чем в 100 раз);— если кислота слишком сильная (рКа < 3), так как в этом случае нельзя пренебречь ее
диссоциацией;— если кислота слишком слабая (рКа > 11), в этом случае нельзя пренебречь гидролизом соли.К кислотным буферам, в частности, относятся гидрокарбонатный (бикарбонатный), кар¬
бонатный и фосфатные буферные растворы.Гидрокарбонатный буферный раствор представляет собой смесь угольной кислоты и
гидрокарбоната натрия (NaHC03+ Н2С03). Равновесие между кислотой и солью в этой си¬
стеме отражается уравнением:Н2С03^>Н+ + НС0;Г.Поскольку уравнение соответствует первой ступени диссоциации угольной кислоты, в
формулу для вычисления pH этого раствора входит величина рКа угольной кислоты:рН,рг INaHCOj [Ианео,]
Р ' 5 [Н2СО,1 ь [Н2С03]Другим примером кислотного буфера является карбонатный буферный раствор — смесь
гидрокарбоната и карбоната натрия (Na2C03 + NaHC03). Особенность этого буферного раствора
состоит в том, что оба его компонента являются солями. Роль «кислоты» (донора протонов)
играет NaHC03, а роль «соли» (акцептора протонов) — Na2C03. Равновесие между «кислотой»
и «солью» отражается уравнением, соответствующим второй ступени диссоциации угольной
кислоты:НС03 <=Ш+ + СО3"рН = рКа + lg [Na2C03] =10 33 + lg [Na2C03]
F 02 [NaHC03] [NaHC03]Таким образом, если кислота двухосновная, при нейтрализации ее щелочью можно по¬
лучить два вида буферных растворов. Соответственно, при нейтрализации щелочью фосфор¬
ной кислоты можно получить три фосфатных буферных раствора, из которых наибольшее
практическое значение имеет смесь дигидрофосфата и гидрофосфата натрия (или калия) —
NaH2PO/j, «кислота» + Na2HPO^, «соль». Равновесие для такого буферного раствора отража¬
ется уравнением, соответствующим второй ступени диссоциации фосфорной кислоты:Н2Р04-^Н++НР02-рН = рК tlglN^HPO-l = 7.2Hlg'Na-HPO<lF 02 [NaH2P04] [NaH2P04]Растворы, содержащие слабое основание и его соль. Примером может служить аммо¬
нийный буферный раствор, содержащий аммиак и хлорид аммония (NH4Cl + NH3). При
добавлении к этой смеси сильной кислоты она будет нейтрализована присутствующим ос¬
нованием:NH3 + HCMNH4C1.
158РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПЕсли же к этому раствору добавить щелочь, то она взаимодействует с солью и в резуль¬
тате вместо сильного основания в растворе образуется эквивалентное количество слабого
основания:NH4C1 + NaOH <=> NH3 + Н20 + NaCl.В итоге величина pH в обоих случаях меняется незначительно. Концентрация гидро¬
ксильных ионов и pH в растворах основных буферов вычисляются по формулам, которые
выводятся аналогично формулам кислотного буфера:[ОП-] = ^К„
pOH = pKb- lg£*.^сpH=U-pKb+lgили рН=рКа(ВН+) + lg^,гдерКа(ВН+) — константа кислотности сопряженной кислоты \рКа(ИЩ)].Отсюда очевидно, что концентрация гидроксильных ионов буферной смеси, образован¬
ной слабым основанием и его солью, определяется константой основности слабого основа¬
ния и отношением концентраций основания и соли.Так, для аммонийного буферного раствора:pH = U-pKm +lg ,у у NH3 5[nh^10.6.2. Буферная емкостьКоличественной мерой устойчивости буферных систем является буферная емкость. Бу¬
ферной емкостью (В) называется количество вещества сильной кислоты или сильного ос¬
нования, которое нужно прибавить к одному литру буферного раствора, чтобы изменить его
pH на единицу. Она выражается в моль/л или чаще в ммоль/л (точнее в моль-экв/л, см. разд.
15.2) и определяется по формуле:R_ СУ
ApHVgгде В — буферная емкость; С — концентрация одноосновной сильной кислоты или основания,
моль/л; V— объем добавленного сильного электролита, л; V6 — объем буферного раствора, л; АpH —
изменение pH буферного раствора, вызванное добавлением сильной кислоты или щелочи.Зависимость буферной емкости от соотношения концентраций компонентов буферной
смеси представлена на рис. 10.1. Концентрация буферного основания (акцептора протона)
определяет так называемую кислотную буферную емкость, а концентрация кислоты (донора
протонов) — основную.При одинаковой суммарной концентрации компонентов наибольшая величина буфер¬
ной емкости буферной смеси достигается при равенстве концентраций обоих компонентов,
когда pH = рК. Применение любой буферной смеси ограничено определенной областью pH
(областью буферирования), а именно:pH -■= рК ± 1.
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ159В, ммоль/лО 25 50 75 100 кислота100 75 50 25 0 сольРис. 10.1. Изменение буферной емкости в зависимости
от величины отношения \соль\/\кислота\.Следовательно, при использовании кислотных буферных растворов для обеспечения
наибольшей буферной емкости надо выбирать такие кислоты, у которых значение рК наи¬
более близко к заданному значению pH. При работе с основными буферными растворами
нужно сравнивать требуемое значение pH с величиной «14 -рКь».Существуют универсальные буферные системы, которые обеспечивают высокую буфер¬
ную емкость в широком интервале pH. Они представляют собой смеси нескольких слабых
кислот и их солей. Например, смесь фосфорной, уксусной и борной кислот, к которой можно
добавить переменное количество щелочи, обеспечивает высокую буферную емкость в пре¬
делах от 2 до 10 единиц pH.Буферная емкость зависит не только от отношения концентраций компонентов буфер¬
ного раствора, но и от общей концентрации буферной смеси. Чем выше концентрация ком¬
понентов, тем выше буферная емкость.Пусть, например, даны два буферных раствора, один из которых содержит по 100, а дру¬
гой — по 10 миллимолей уксусной кислоты и ацетата натрия. Сравним, как изменяются их
рЯпри добавлении к 1 л каждого раствора 5 миллимолей соляной кислоты.Добавляемая кислота вступит в реакцию с ацетатом натрия, и это отношение в первом
растворе станет равным 0,9, а во втором 0,33. В итоге у первого раствора отношение соль/кис¬
лота и, следовательно, величина pH изменились меньше. Отсюда видно, что первый буфер¬
ный раствор обладает большей буферной емкостью.Если буферная система не обладает достаточной буферной емкостью, ее можно повы¬
сить, увеличив концентрацию обоих компонентов в необходимое количество раз. Заданная
величина pH при этом почти не изменяется.10.6.3. Влияние разбавления на pH буферных растворовНередко буферные растворы приходится разбавлять, особенно при измерении pH малых
объемов биологических сред (кровь, моча и др.). В связи с этим возникает вопрос, как на pH
буферных растворов влияет разбавление.При разбавлении растворов концентрации обоих компонентов смеси уменьшаются >
одинаковое число раз. Следовательно, по уравнению Гендерсона-Гассельбаха, величина pH
160РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПВлияние разбавления
на pH ацетатного буферного раствораКонцентрация
соль + кислота
(моль/л)ОД
0,01
0,001pHТаблица 103 буферных растворов при этом не должна изменяться. Од¬
нако опыт показывает, что некоторое изменение pH, хотя
и незначительное, все же происходит (табл. 10.3).Это расхождение объясняется тем, что все приведен¬
ные формулы для расчета pH буферных растворов не
учитывают взаимодействий ионов. При учете этих взаи¬
модействий в формулы должны входить не молярные, а
активные (см. разд. 9.4) концентрации компонентов.Нейтральная молекула кислоты должна слабее взаи¬
модействовать с другими частицами в растворе, чем ион.
Поэтому для разбавленных растворов, когда ионная сила4,624,674,74не превышает 0,1, коэффициент активности молекул уИЛ можно считать равным 1:pH - рКа +lg—67т= pKa+ig-ск*НА ^ НАТак как с разбавлением буферных растворов коэффициент активности ионов А“ увели¬
чивается, возрастает и pH раствора.Хотя изменение величины pH вследствие разбавления незначительно, при точных работах
его следует учитывать. Известно, что изменение pH крови на 0,2-0,3 единицы pH приводит к
серьезным патологическим нарушениям. Для правильного истолкования значений pH крови
требуется воспроизводимость 0,003 единицы pH. В частности, ошибка в 0,02 единицы pH при¬
водит к погрешности более 4,5% в определении содержания углекислого газа в крови.10.7. Биологические буферные системыИз буферных систем организма наибольшей емкостью характеризуются буферные сис¬
темы крови, которые неравномерно распределены между эритроцитами и плазмой крови. И
в плазме, и в эритроцитах находятся гидрокарбонатная (бикарбонатная) буферная система
и буферные пары неорганических фосфатов. Только в плазме локализуется буферная сис¬
тема плазменных белков (альбуминов, глобулинов и др.). Гемоглобиновая буферная система
и буферные пары органических фосфатов находятся в эритроцитах.Из кишечника и тканей в кровь при обмене веществ постоянно поступают различные кис¬
лоты (угольная, молочная, масляная и др.) и в меньшей степени основания (аммиак, креатин).
В организме человека в спокойном состоянии ежесуточно образуется количество кислоты,
эквивалентное = 2,5 л концентрированной соляной кислоты. Тем не менее, благодаря наличию
вышеперечисленных буферных систем, pH крови остается постоянным (7,40 ± 0,04).10.7.1. Гидрокарбонатная (бикарбонатная) буферная системаВеличина pH крови зависит от концентраций свободной растворенной в крови Н2СО;5 и
кислоты, связанной в гидрокарбонаг-ион. С учетом физиологии условно весь С02 в организ¬
ме, как просто растворенный, так и гидратированный до угольной кислоты, принято рас¬
сматривать как угольную кислоту, поэтому рКа для угольной кислоты в физиологических ус¬
ловиях отличается от стандартного значения:„ „ , [НСО-] „ , [СОН
pH = рК< + lg- — = рК< + lg- ЦЛ,
1 [Н2С03] 1 б[СО“°]
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ161где [С026вяз] — концентрация гидрокарбоната в пересчете на С02 в объемных процентах;
[С02сво6] — концентрация свободной угольной кислоты в объемных процентах. В условиях
плазмы крови (при 310 К или 37 °С)рКа = 6,10.Из-за малой растворимости углекислого газа в плазме крови концентрацию угольной
кислоты, растворенной в крови, можно найти по формуле:[СО?™5] = s-pC02,где — рСо2 парциальное давление углекислого газа в воздухе, находящемся в равновесии с
кровью; s — коэффициент растворимости углекислого газа в крови (для физиологических
условий равен 0,033).Для определения суммарной концентрации С02 в крови к ней добавляют сильную кис¬
лоту и измеряют объем выделяющегося газа. Таким образом, пользуясь газоаналитическим
методом определения гидрокарбонат-иона и С02, можно вычислить величину pH плазмы:рЯ = 6,1 + ig ico^" I ~ Iе °“],[COc2BO ]Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха нетрудно рассчитать соотношение гидрокарбонат-
иона и угольной кислоты в крови при pH = 7,40. Оно равно 20:1. Избыток гидрокарбоната
обеспечивает так называемый щелочной резерв крови. При поступлении в кровь кислот гид¬
рокарбонат нейтрализует их, а избыток С02 выводится через легкие, вызывая увеличениелегочной вентиляции. Таким образом, соотношение а следовательно, и величина[Н2С03]pH крови не изменяются.У гидрокарбонатной буферной системы наибольшая взаимосвязь со всеми буферными
системами и вне-, и внутриклеточных жидкостей. Нарушение в любой буферной системе
сказывается на концентрациях составляющих гидрокарбонатной буферной системы, поэто¬
му изменение ее параметров может достаточно точно характеризовать состояние дыха¬
тельных или метаболических нарушений, то есть кислотно-основное состояние организ¬
ма. Нарушения кислотно-основного равновесия в организме компенсируется прежде
всего гидрокарбонатной буферной системой. Изменяющееся при этом соотношение ком¬
понентов буфера восстанавливается в течение нескольких часов за счет изменения объема
легочной вентиляции. Этот буфер обеспечивает около 55% буферной емкости крови. Он
содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и почечной ткани.10.7.2. Фосфатная буферная системаВеличина рК2^ ро в условиях плазмы крови (при 37 °С) равна 6,8, поэтому уравнение Ген¬
дерсона-Гассельбаха для дигидрофосфатной буферной системы принимает вид:p//=6,8+lg!H£°n[H,po;jГНР02~1Отношение ±в плазме крови (при рН= 7,4) равно 4:1 и не изменяется, так как при
[Н2Р04 ]избыточном накоплении какого-либо из компонентов он выделяется с мочой.Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной емкостью, чем
гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов в крови. Однако эта система
162РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пиграет решающую роль в других биологических средах — в клетке, в моче и соках пищева¬
рительных желез. В отличие от гидрокарбонатной, т.к. избыточные продукты нейтрализа¬
ции выводятся через почки, восстановление соотношения компонетов буфера происходит
только через 2-3 суток, что необходимо учитывать при терапевтической коррекции наруше¬
ний кислотно-основного состояния организма.10.7.3. Белковые и аминокислотные буферные системыЗначительную долю буферной емкости крови обеспечивают белковые буферные систе¬
мы (гемоглобин, оксигемоглобин и, в меньшей степени, белки плазмы). Клетки и ткани орга¬
низма проявляют заметное буферное действие благодаря белкам.Молекулы белков (Prot-H) содержат остатки аминокислот H2N-CHR-COOH, которые
проявляют себя как амфотерные электролиты. В них группы -СООН имеют слабые кислот¬
ные, a -NH2 — слабоосновные свойства. Соответственно, белки противодействуют как под-
кислению, так и подщелачиванию среды.Следует подчеркнуть, что белковая (протеиновая) буферная система работает совмест¬
но с гидрокарбонатной системой:С02 + Н20 Н2С03 НСОз + Н+ (а)Prot-H Prot"+ Н+ I (б)Равновесия (а) и (б) тесно связаны между собой. Рост концентрации С02 (за счет повы¬
шения продукции, например, при мышечной работе или за счет снижения скорости удаления
при дыхательной недостаточности) сдвигает реакцию (а) вправо, а реакцию (б) — влево.Следовательно, увеличение концентрации бикарбонат-иона соответствует снижению
концентрации Prot". Сумма концентраций НС03“ и Prot- остается неизменной благодаря
совместному действию этих буферных систем.Если ионы водорода возникают из других источников, например, в связи с избыточным
образованием молочной кислоты при гипоксии или 3-гидроксимасляной кислоты при ди¬
абетическом кетозе, то обе реакции сдвигаются влево, образуются формы Prot-H и С02, при
этом избыток С02 удаляется через легкие.Чтобы понять механизм действия буферных систем белков плазмы, рассмотрим более
простые аминокислотные системы с аналогичным механизмом буферного действия.10.7.4. Аминокислотные буферные растворыВ качестве примера возьмем простейшую аминокислоту — глицин (аминоуксусная кис¬
лота). В результате ионизации амино- и карбоксильной групп глицин существует в водном
растворе в виде биполярного иона R*:nh2 - сн2 - соон <=± щ; - сн2 - coo-.(R) тКонцентрация биполярных ионов R* в водном растворе глицина в 224 ООО раз больше
концентрации нейтральных молекул R.Если к водному раствору глицина добавить сильную кислоту, то он присоединит протон
по СОО"-группе с образованием катиона глицина R+. При добавлении к раствору глицина
щелочи группа NHJ отдаст протон, и образуется анион глицнна R":
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ163pKar 2,6 +Н+ рка2= 9,8 +Н+nh; - сн2 - соон <=± nh; - сн2 - соо- <=> nh2 - сн2 - соо-.К+(катион глицина) R* R "(анион глицина)двухосновная (биполярный ион глицина) двухосновное
кислота амфолит основаниеИз этой схемы видно, что катион глицина R+ можно рассматривать как слабую двухос¬
новную кислоту, которая характеризуется двумя константами ионизации — Ка и Ка . Сле¬
довательно, должны существовать два вида глициновых буферных растворов.В водных растворах глицина все его три формы (R+, R*, R~) находятся в подвижном рав¬
новесии. Это равновесие при подкислении должно сдвигаться в сторону увеличения концен¬
трации R+. Следовательно, при добавлении к глицину определенного количества сильной
кислоты получается смесь двух форм — R+ и R1, которая представляет собой глициновый
«кислотный» буферный раствор.NH3 - СН2 - СОО- + Н+ (недостаток) <=> NH3 - СН2 - СООН .R± R+В этом случае катион глицина играет роль кислоты, а глицин — соли. Величина pH та¬
кого раствора вычисляется по формуле:рн = рк + lg^-[R ]При добавлении к глицину щелочи равновесие сдвигается в сторону увеличения концен¬
трации R". При этом можно получить смесь форм R* и R'. Такая смесь представляет собой
глициновый «щелочной» буферный раствор.NH3 — СН2 — СОО" + ОН" (недостаток) ^ NH2 - СН2 — СОО-.R± R-В этом случае роль кислоты играет биполярный ион глицина R±, а соли — анион глици¬
на R". Величину pH такой буферной смеси вычисляют по формуле:рН = рК +lg^.4 [R ]10.7.5. Гемоглобиновый буферный растворГемоглобиновая буферная система является основной буферной системой эритроцитов
и обладает большой буферной емкостью.Гемоглобиновый буфер является разновидностью белковой буферной системы. Она со¬
стоит из двух форм гемоглобина — восстановленного (ННЬ — гемоглобина) и окисленного
(ННЬ02 — оксигемоглобина). Условно гемоглобиновый буфер можно записать так:а) Буферная система, образованная гемоглобином:ННЬ <=й Н+ + нь-KtHb->Kt++Hb"б) Буферная система, образованная оксигемоглобином:ННЬ02 *=± Н+ + НЪ02
KtHb02->Kt+ + Hb02.
164РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.НУравнение Гендерсона-Гассельбаха для этих двух систем можно записать следующим об¬
разом:^^Igim^o+lgiSbl „ рИ = рКцж +lg ру 1 ,6.95+lg-Hffll-
[ННЬ] [ННЬ] ннъ°! [ННЪ02] [HHbOJТак как гемоглобин ННЬ, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин ННЬ02:ННЬ + 02<=>ННЬ02,то системы гемоглобина и оксигемоглобина взаимосвязаны и существуют как единое целое,
причем гемоглобин является более слабой кислотой (рКииъ = 8,20, Кшъ = 6,3-10-9), чем ок¬
сигемоглобин (р^нньо2= 6,95, КниЬо2= 1,12-10'7). Отсюда следует, что ион Htr, являющийся
анионом более слабой кислоты, способен активнее связывать протон, чем ион НЬ02“.Участие гемоглобина в регуляции pH крови связано с его ролью в транспорте кислоро¬
да и углекислоты. Гемоглобиновые буферные системы взаимодействуют с гидрокарбонат¬
ным буфером.Углекислый газ, образующийся в значительных количествах в периферических тканях,
участвующих в процессе дыхания, поступает в эритроциты, где эффективно превращается
в угольную кислоту под действием фермента карбоангидразы.со2+н2о ФеРментивно) н2со3 -—гт~»н++нсо;.(в ткани)При рНЮ1епгки ~ 7,40 и рКа н со = 6,10 более 90% образовавшейся угольной кислоты диссо¬
циирует, поэтому связывание fc02 приводит к повышению концентрации Н+ и грозит «за-
кислить» кровь.Для предотвращения опасного повышения кислотности крови в действие вступают ге¬
моглобиновые буферные системы. Учитывая отмеченную ранее различную кислотность
гемоглобина и оксигемоглобина, прирЯ= 7,4 равновесные концентрации каждой из сопря¬
женных пар (кислота-соль) будут различными:ННЬ02—<=—>Н+ +НЬО”преобладающая формаННЬ < » Н* + НЬ-преобладающая формаПротоны, возникающие при диссоциации угольной кислоты, будут взаимодействовать
с преобладающей в растворе ионной формой оксигемоглобина НЬ02", образуя его молеку¬
лярную форму:н+ + ньо2-->нньо2.Известно, что при повышенной кислотности эффективность связывания гемоглобином
кислорода снижается. Это явление названо эффектом Бора (см. разд. 41.2.1). Поэтому окси¬
гемоглобин освобождает кислород (уходящий в ткани) и дает более слабую кислоту — ге¬
моглобин:нньо2->ннь + о2.Таким образом, в тканях повышение концентрации протонов, вызванное диффузией С02
в клетку, в значительной мере нейтрализуется.Однако вследствие указанных процессов нарушилось соотношение соль/кислота в бу¬
ферных системах: содержание HCOpi ННЬ увеличилось, а концентрация HbOjуменьши-
ГЛ. 10]КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ165лась. Восстановление этих соотношений происходит в легких. Когда венозная кровь дости¬
гает легких, кислород и гидрокарбонат-ион (из тканей) снова проникает внутрь эритроци¬
тов. При этом кислород связывается с присутствующим в избытке гемоглобином:02+ННЬ->ННЬ02.Теперь в присутствии НС03-ионаННЬ02 выступает уже в роли кислоты, образуя НЬ02"
и угольную кислоту:нньо2+ нсо3--> ньо2-+ н2со3.И вновь возникающая угольная кислота под действием карбоангидразы разлагается,
уходя в легкие в виде углекислого газа:н2со3->н2о + со2.В совокупности взаимосвязь буферных систем крови проявляется следующим образом.
Протоны, генерируемые клетками тканей, переходят во внеклеточное пространство, где свя¬
зываются в основном гидрокарбонатной буферной системой. Попадая далее в кровь, они
нейтрализуются гидрокарбонатной системой и системами плазматических белков. Из плаз¬
мы ион водорода переходит к гемоглобину эритроцитов — основной буферной системы по¬
следних. Между всеми этими системами поддерживается равновесие.10.8. Кислотно-основное состояниеКислотно-основное состояние — неотъемлемая составная часть гомеостаза внутренней
среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обме¬
на веществ.Физиологические системы регуляции кислотно-основного состояния связаны с функци¬
ональной активностью легких и почек.Процессы, происходящие в легких, связаны с тем, что образование оксигемоглобина при¬
водит к освобождению иона водорода из гемоглобина. Ион водорода ассоциируется с бикар¬
бонатом. Образующаяся в результате угольная кислота распадается в легких под действи¬
ем фермента карбоангидразы, и удаление С02 в атмосферу смещает равновесие этой реакции
в сторону распада угольной кислоты. Ион водорода при этом оказывается в составе воды —
соединения, мало способного к диссоциации. В результате этих процессов идет активное
удаление гидрокарбонат-иона, потери которого восполняются его ресинтезом в почках.Действие почек заключается в удалении из организма ионов водорода и насыщении плаз¬
мы крови гидрокарбонат-ионом. При этом принципиальную роль играет фермент карбоангид-
раза клеток канальцев почек, имеющая ту особенность, что быстро образует угольную кисло¬
ту и значительно более медленно ее разлагает, вне зависимости от концентрации С02 и Н20.Принципиальную роль играют биосинтез аммиака в почках и фосфатная буферная си¬
стема мочи. В результате ферментативной реакции дезаминирования (то есть отщепления
аммиака) глутаминовой кислоты образуется аммиак, который связывает протоны, превра¬
щаясь в ион аммония. Процесс замены натрия на аммоний в дигидрофосфате приводит к
изменению соотношения гидрофосфат/дигидрофосфат от 1:4 в крови до 1:50 в почках.Способность почек выводить из организма ионы водорода настолько велика, что в итоге со¬
отношение между концентрациями водородных ионов в моче и в крови может составить 800:1.Рассмотренные буферные и физиологические механизмы в норме обеспечивают стабиль¬
ное значение pH. Дисбаланс между образованием и (или) удалением ионов водорода, когда
вышеуказанные механизмы стабилизации их концентрации не справляются с нагрузкой,
166РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пприводит к снижению или повышению pH. В первом случае (при снижении pH) состояние
называется ацидозом — уменьшение кислотной буферной емкости физиологической сис¬
темы по сравнению с нормой. Во втором случае (при повышении pH) — алкалозом — уве¬
личение кислотной буферной емкости.В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выде¬
ляют дыхательный и метаболический ацидозы и алкалозы.Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит
к нескомпенсированному или частично компенсированному падению pH крови.Метаболический ацидоз наступает вследствие:а) избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при
голодании и диабете, повышенное образование молочной кислоты при шоке, повышенное
образование серной кислоты при усиленном катаболизме, то есть в процессе распада биомо¬
лекул, и др.);б) неполного удаления кислот при почечной недостаточности;в) избыточной потери гидрокарбонат-иона в результате поноса, колита, язвы кишечни¬
ка. Процессы компенсации связаны с нейтрализацией ионов водорода гидрокарбонат-ионом
и усилением легочной вентиляции.Метаболический алкалоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приво¬
дит к нескомпенсированному или частично компенсированному увеличению pH крови.Метаболический алкалоз наступает вследствие:а) потери водородных ионов (высокая кишечная непроходимость, рвота и др.);б) увеличения концентрации бикарбоната (потеря воды, избыточное введение бикарбо¬
нат-иона при метаболическом ацидозе, введение солей органических кислот — молочной,
уксусной, лимонной, метаболизирующихся с поглощением ионов водорода и др.).Компенсации этого явления достигают снижением легочной вентиляции (соответствен¬
но, задержки С02), удалением гидрокарбонат-иона почками.Дыхательный ацидоз — это нескомпенсированное или частично компенсированное
снижение pH в результате гиповентиляции из-за:а) заболевания легких или дыхательных путей (пневмония, отек легких, инородные тела
в верхних дыхательных путях и др.);б) повреждения (заболевания) дыхательной мускулатуры;в) угнетения дыхательного центра лекарственными средствами или наркотиками — опи¬
атами, барбитуратами и др.Дыхательный алкалоз — это нескомпенсированное или частично компенсированное
повышение pH в результате гипервентиляции из-за лихорадочного состояния или истерии.
Процессы компенсации осуществляются буферными системами, повышенным выведением
гидрокарбонат-иона почками.Для коррекции кислотно-щелочного равновесия при ацидозах обычно используют
4%-ный раствор гидрокарбоната натрия, который вводят внутривенно. Коррекция кислот¬
но-щелочного равновесия при алкалозах более сложна. В качестве одной из временных мер
целесообразно введение 5%-ного раствора аскорбиновой кислоты.
Глава И.РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ КОМПЛЕКСОВ11.1. Константа нестойкостиКомплексы-неэлектролиты, как правило, малорастворимы в воде и растворившаяся
часть комплексов ведет себя как слабый электролит. Комплексные соединения катионного
и анионного типа чаще всего растворимы в воде и в разбавленных растворах ионизируют¬
ся в две стадии. Сначала идет практически необратимая первичная электролитическая дис¬
социация на внутреннюю и внешнюю сферы, например:[Cu(NH3)4]S04 [Cu(NH3)4]2+ + SO2-.При первичной диссоциации комплекса, имеющего ионы внешней сферы, соединение
ведет себя как сильный электролит — полностью отщепляет ионы внешней сферы. Затем
комплексный ион подвергается вторичной диссоциации по типу слабого электролита — от¬
щепляются лиганды внутренней сферы. При этом происходит последовательное замещение
лигандов на молекулы воды.Каждой ступени диссоциации соответствует состояние ступенчатого химического рав¬
новесия, характеризующееся своей константой равновесия. Однако при написании химиче¬
ских уравнений процессов диссоциации внутренней сферы комплеса в водных растворах
молекулы воды обычно для краткости не записывают:[Cu(NH3)4]2+<=> Cu2+ + 4NH3.Для этого обратимого процесса можно написать выражение для константы равновесия:[Cu^lNH.f -8
“ [{C»(NH, )j} ]Эта константа ионизации внутренней сферы комплексного соединения называется кон¬
стантой нестойкости. Чем меньше ее величина и чем соответственно больше величина
рКтст = (в данном случае рКтап =12,1), тем более прочным является данное комплек¬сное соединение. В табл. 11.1 приведены типичные значения констант нестойкости для не¬
скольких примеров аммиачных комплексов и хелатных комплексов с участием глицина
(Гли) и двунатриевой соли этилендиаминотетрауксусной кислоты (трилон Б, Тр).
168РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПТаблица 11.1 Обращает на себя внимание меньшая прочность аммиач-Копстанты пестоикости некоторых ных КОМплексов по сравнению с комплексами глицина, ко-
комплексных соединенииторые в свою очередь уступают хелатным комплексам с уча¬
стием трилона Б.Повышенная прочность комплексных соединений с поли-
дентатными лигандами называется хелатным эффектом.Хелатный эффект определяется главным образом энтро¬
пийным фактором. В водных растворах катионы ^/-металлов
реально существуют в виде аквокомплексов, а следователь¬
но образование любых комплексов есть результат обмена
молекул воды на другие лиганды с образованием более
прочных, чем аквокомплексы, комплексных соединений.
В реакции с аммиаком число частиц не изменяется, а по¬
этому незначительно и изменение энтропии:[Cu(NH3)4] 2+ + 4Н20.Тогда как в реакции с глицином число частиц — продуктов реакции (7) больше, чем число
исходных частиц (3), а следовательно в реакции энтропия увеличивается:[Си(Н20)4]2+ + 2Гли -> Си(Гли)2 + 4Н20 + 2Н+.В еще большей степени она увеличивается в реакции с трилоном Б, поскольку измене-
ние числа частиц в этом случае еще больше (семь вместо двух):Комплекс[Cu(NH3)J2+8'1(Г13[Co(NH3)J2+110'5Си(Гли)2510'1SСо(Гли)23,310'9CuTp1,610,эСоТр110'“[Cu(H20)4]2+ + 4NH3-трилон БNaOOCCH,НООССН,''NCHjCHjN^,CH2COONaчСН,СООНNaOOCCH2 CH2COONa'nCH2CH2n' +4H,0+2H+^ CH, \ / CHACu(HjO)4или сокращенно:[Cu(H20)4]2+ + Tp -> CuTp + 4H20 + 2H+.Хелатный эффект дает ключ к пониманию состояния катионов ^-металлов в биосредах.
Все они оказываются прочно связанными с теми или иными полидентатными биолиган¬
дами, как правило, с полипептидами или циклическими полидентатными лигандами —
производными порфирина (например, в гемоглобине). В свободном виде, точнее в виде ак¬
вокомплексов, эти катионы обнаруживаются лишь в плазме, причем в ничтожных коли¬
чествах.Разрушение комплексного соединения состоит в смещении равновесия вправо, чего мож¬
но достигнуть уменьшением концентрации лиганда или комплексообразователя, связыва¬
нием их в более слабый электролит или переведением в осадок. Этого можно добиться осаж¬
дением катиона Си2+ в виде сульфида:ICu(NH3)4]2+ + S2~ -> CuSi + 4NH3или переводом аммиака в ион аммония действием кислоты:[Cu(NH3)4]2+ + 4Н+ -> Cu2+ + 4NH/.
ГЛ. 11]РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ КОМПЛЕКСОВ169Еще один способ разрушения комплексного соединения — связывание комплексообра-
зователяили лиганда переводом их в более прочное комплексное соединение, то есть име¬
ющее меньшую константу нестойкости.Примером этого может служить действие трилона Б (Тр) на аммиачный комплекс меди:[Cu(NH3),]2+ + Тр -> CuTp + 4NH3+ 2Н+.Случай обмена комплексообразователя иллюстрируется заменой катиона кобальта на
катион меди в аммиачном комплексе в соответствии с величинами констант нестойкости
соответствующих комплексов (см. табл. 11.1):[Co(NH3)<]2+ + Cu2+-> [Cu(NH3)4]2+ + Со2+.Связывание гемоглобина молекулами СО является аналогичным примером разрушения
одного биокомплекса — оксигемоглобина за счет образования более прочного карбоксиге-
моглобина:ННЬ02 + СО -> ННЬСО + 02.11.2. Металло-лигандный гомеостаз и его нарушенияВ организме непрерывно происходит образование и разрушение биокомплексов из ка¬
тионов биометаллов и биолигандов (порфиринов, аминокислот, полипептидов и др.). Об¬
мен веществ с окружающей средой поддерживает концентрации веществ, участвующих в
этом равновесии, на определенном уровне, обеспечивая состояние металло-лигандного го¬
меостаза.В принципе для каждого из катионов биометаллов характер¬
на своя совокупность реакций металл-лигандного равновесия.Распределение катиона металла между биолигандами определя¬
ется как величинами констант нестойкости для комплексов этих
лигандов, так и концентрациями этих лигандов. Такое совокуп¬
ное равновесие для каждого из катионов можно выразить общей
схемой, где М — катион металла, Lt, L2, L3... — биолиганды.В качестве примера суммарного равновесия можно привес¬
ти металло-лигандное равновесие для катиона железа. Этот ка¬
тион находится в связанном виде в составе таких биокомплексов как переносчик кисло¬
рода гемоглобин, запасающий кислород в тканях миоглобин, переносчики электронов —
цитохромы (известно свыше пятидесяти), ферменты — каталаза и пероксидаза. В организ¬
ме имеются и железосодержащие белки — ферритины, в составе которых содержатся резер¬
вные количества железа, высвобождающиеся оттуда по мере разрушения выше упомянутых
биокомплексов.Кроме того, существуют и железосодержащие белки — трансферрины, выполняющие
функцию транспорта железа из резервных белков к месту биосинтеза указанных комплек¬
сов. В частности, транспорт катиона железа направлен в клетки ретикулоцитов, которые вы¬
полняют биосинтез гемоглобина. Кроме трансферринов транспортную функцию выполняют
и железные комплексы с аминокислотами, которые, будучи низкомолекулярными соедине¬
ниями, легче проникают через клеточные мембраны, чем трансферрины.Нарушение этого суммарного равновесия приводит к ряду патологических явлений —
железоизбыточных и железодефицитных состояний. Такие же равновесия характерны и дляMzL3M-yL2^L2|zL3^ MmL4xL{MxL^ M
nL.rL7M-qL6
170РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пкаждого биокатиона в биосредах. Их нарушение приводит к различным отклонениям в ме¬
таболизме.Поступление, метаболизм, накопление и выделение катионов металлов (а в целом — любых
микроэлементов) ре1улируется специальной системой микроэлементозного гомеостаза. Глубо¬
кое изучение этого вопроса, которое еще предстоит провести, позволит говорить о новом этапе
молекулярной биологии — изучении жизненных процессов на атомном уровне. Более или ме¬
нее удовлетворительно изучен лишь вопрос металло-лигандного гомеостаза железа. Между тем
в совокупности существуют тысячи патологических явлений — микроэлементозов, связанных
с теми или иными металлоизбыточными или металлодефицитными состояниями.В качестве примера можно привести неполный перечень заболеваний, вызванных нару¬
шением металло-лигандного баланса для катиона меди. Дефицит этого элемента в организме
вызывает синдром Менкеса, синдром Морфана, болезнь Вильсона-Коновалова, цирроз пе¬
чени, эмфизему легких, аорто- и артериопатии, анемии. Избыточное поступление катиона
меди в организм может вызвать серию заболеваний самых различных органов (ревматизм,
бронхиальную астму, воспаление почек или печени, инфаркт миокарда и др.), называемые
гиперкупремиями. Существует и профессиональный гиперкупреоз — медная лихорадка.
Наконец, возможно и отравление различными медьсодержащими препаратами.Другим примером (далеко не единственным) может служить баланс катиона кобальта.
Был установлен тот факт, что практиковавшееся для улучшения пенообразования добавле¬
ние хлорида кобальта к пиву в количестве 1,2-1,5 мг/л, приводило к тяжелой сердечной не¬
достаточностью со смертельным исходом, а также к гормональным нарушениям. Влияние
недостатка кобальта коррелируется с частотой заболеваний эндокринной системы.Таким образом, выбранные случаи демонстрируют необходимость поддержания метал¬
ло-лигандного баланса элементов как с высоким содержанием в биологических объектах
(железо), так и в умеренных количествах (медь) и в микроконцентрациях (кобальт).Нарушение металло-лигандного гомеостаза возможно по разным причинам: из-за дефи¬
цита или избытка катионов биометаллов, из-за поступления катионов токсичных металлов,
из-за поступления или образования посторонних лигандов.В этих случаях в дополнение к естественным металло-лигандным равновесиям прибав¬
ляется новое равновесие с образованием чужеродных комплексов, содержащих металлы-
токсиканты или лиганды-токсиканты, которые не выполняют необходимые биологические
функции. Пример этого: поступление в плазму токсичного лиганда — оксида углерода(П),
прочно связывающегося с гемоглобином, который перестает переносить кислород.В результате антропогенной деятельности в окружающую среду поступают различные
вещества — как катионы токсичных металлов, так и токсичные лиганды. Особенно много
ядовитых катионов металлов поступает в окружающую среду в качестве отходов электрохи¬
мических производств (кадмий, медь) pi с выхлопными газами автотранспорта (свинец).
Отходы металлургической и атомной промышленности поставляют широкий спектр разно¬
образных металлов-токсикантов. Поступление токсичных лигандов связано с повсеместным
употреблением различных органических химикатов, например, пестицидов, многие из ко¬
торых могут быть лигандами.Токсичность катионов rf-металлов во многих случаях связана с устойчивостью образуемых
ими биокомплексов. Если устойчивость комплексного соединения с таким катионом выше,
чем прочность биокомплекса с каким-либо биокатионом в составе организма, при его поступ¬
лении идет вытеснение последнего из биокомплекса. Этот эффект выражен уравнением:
ГЛ. И]РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ КОМПЛЕКСОВ171В этом уравнении MtL — биокомплекс, а М2 — ион d-металла. Если комплекс M2L более
прочен, чем биокомплекс, происходит вытеснение биокатиона чужеродным ионом и накоп¬
ление чуждого организму комплекса M2L. В этом и состоит суть токсикоза в данном случае.
К примеру, из данных табл. 11.1 следует, что катионы меди связываются со многими лиган¬
дами прочнее, чем катион кобальта. То же справедливо и в отношении катиона никеля. Сле¬
довательно, эти катионы, вытесняя катион кобальта (и не только его, но и катионы марган¬
ца, железа и др.) из относительно нестабильных биокомплексов с их участием и тем самым
подменяя биокомплексы своими хелатными комплексами, оказывают токсическое действие.Антидотная терапия при токсикозах, вызванных действием катионов тяжелых металлов,
основана также на образовании ими прочных комплексов со специальными лигандами. Этот
метод — хелатотерапия — будет рассмотрен позже (см. разд. 42.2).
Глава 12.ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ.
ИОНОМЕТРИЯ...обыкновенная форма, в которой выделя¬
ется химическая энергия — есть динами¬
ческое электричество.Н. Н. Бекетов12.1. Химическое равновесие в окислительно-восстановительных
реакцияхС окислительно-восстановительными реакциями связаны дыхание и обмен веществ, гни¬
ение и брожение, фотосинтез и нервная деятельность живых организмов. Окислительно-вос-
становительные процессы лежат в основе горения топлива, коррозии металлов, электроли¬
за, металлургии и т.д.Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав ре¬
агирующих молекул, называются окислительно-восстановительными. Процессы окисления
и восстановления протекают одновременно: если один элемент, участвующий в реакции,
окисляется, то другой должен восстанавливаться.Окислитель — это вещество, содержащее элемент, который принимает электроны и по¬
нижает степень окисления. Окислитель в результате реакции восстанавливается (процесс
восстановления). Так, в реакции:2Fe+3Cl з + 2К+Г -»I2° + 2Fe+2Cl2-+ 2К+С1'
окислителем является ион Fe+3.Fe+:} + le <=± Fe+2окисленная восстановленная
форма формаВосстановитель — вещество, содержащее элемент, который отдает электроны и повы¬
шает степень окисления. Восстановитель в результате реакции окисляется (процесс окис¬
ления). Восстановителем в предлагаемой реакции является ион I":21--2е<=>12°
восстановленная окисленная
форма форма
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ173Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановительные свойства, превраща¬
ясь в сопряженный восстановитель, и наоборот:окислитель + пе —> сопряженный восстановитель.Приведенные отдельно для окислителя и восстановителя уравнения называются полу-
реакциями. Окисленная (ох) и восстановленная (red) формы, участвующие в полуреакции,
составляют так называемую редокс-пару (от английских слов reduction — восстановление и
oxydation — окисление).Таким образом, окислительно-восстановительные реакции являются примером единства
двух противоположных процессов — окисления и восстановления.Соединения, содержащие атом какого-либо элемента в низшей возможной степени окис¬
ления, могут быть только восстановителями, поскольку они способны лишь отдавать элек¬
троны и повышать свою степень окисления. К ним относятся, например, металлы, галогенид-
ионы, сульфиды и т.д.Соединения какого-либо элемента с высшей возможной степенью окисления, напро¬
тив, могут быть только окислителями, так как способны только принимать электроны и
понижать свою степень окисления (например, перманганат калия, оксид хрома(У1),
азотная кислота, концентрированная серная кислота, оксид свинца(1У), висмутат натрия
и т.д.).Соединения с промежуточными степенями окисления элементов имеют двойственный
окислительно-восстановительный характер. Таковы оксид углерода(Н), сульфиты, нитри¬
ты и т.д. /Окислительно-восстановительные реакции делят на три группы:а) межмолекулярные, в которых степени окисления изменяют атомы разных молекул,
например:2K4[Fe+2(CN)6] + С12° -> 2K3[Fe+3(CN)6] + 2КС1"1,6С+Ю2+ 6Н20'2 -> С6°Н1206 + 60°2,(фотосинтез в зеленых растениях)2H2S“2 + С+402 -> С0Н2О + 2S° + Н20 ;(фотосинтез у некоторых бактерий)б) внутримолекулярные} в которых степени окисления изменяют атомы, входящие в со¬
став одной молекулы, например:(N-3H4)2Cr2+607 -> N2° + Cr2+303 + 4Н20 ;в) диспропорционирования, в которых атом одного и того же элемента одновременно и
повышает, и понижает первоначальную степень окисления, например:2Н20;'^>2Н20-2 + 0$(эндогенное разложение пероксида водорода)го^ + гн^о^ + нА1(эндогенное разложение супероксид-анион-радикала)С6°Н12Об -> 2С22Н5ОН + 2С+402.(спиртовое брожение глюкозы)
174РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХКак сказано выше, в окислительно-восстановительной реакции окислитель (охх) прини¬
мает п электронов, превращаясь в восстановленную форму (redx), а восстановитель (red2)t
отдает п электронов и окисляется в окисленную форму (ох2):a oxt + b red2 £=* a red! •+ b ox2,
что можно выразить двумя полуреакциями:oxt + b е <=> redt
red2 - a e <=± ox2.Общее количество электронов n = ab.Суммарной реакции отвечает константа равновесия:_ [red1]a[ox2]t
^ [ох,]0 [red2fВ принципе две полуреакции можно пространственно разделить, а электроны, отдавае¬
мые восстановителем, будут переходить к окислителю по проводнику. Для замыкания элек¬
трической цепи сосуды с окислителем и восстановителем соединяют солевым (или элект¬
ролитическим) мостиком (стеклянная трубка с насыщенным раствором КС1) и получают
гальванический элемент, т.е. устройство для превращения энергии химической реакции в
электрический ток. Принцип действия гальванического элемента рассматривается в разде¬
ле 12.6. Гальванический элемент можно получить комбинацией любой пары полуреакций.Изменение стандартной свободной энергии (AG°) в окислительно-восстановительной
реакции (при постоянном давлении) реализуется через выполняемую в гальваническом эле¬
менте электрическую работу:AG° = -nFE°,где п — число принимающих участие в элементарном процессе реакции электронов (наимень¬
шее общее кратное а и b), F— число Фарадея (96 484 кулона на один моль-эквивалентов ве¬
щества (см. разд. 15.1), Кл/моль-экв), ЕР— электродвижущая сила гальванического элемента
(ЭДС, В), измеряемая в стандартном состоянии, т.е. когда парциальные относительные давле¬
ния и активности исходных веществ и продуктов реакции равны единице (см. разд. 6.2, табл. 6.1).
Так как AG° = -RT InКрааи , то переходя к десятичным логарифмам, получим:nFE°1«к —6 роен. 2 303ЛТ'Следовательно, в окислительно-восстановительных реакциях измерение электродвижу¬
щей силы гальванического элемента в стандартных условиях дает возможность быстрого и
точного определения константы химического равновесия. Реальное значение это имеет толь¬
ко для тех реакций, ЭДС которых < 0,35 В, т.к. при большей величине реакции рассматри¬
ваются как практически необратимые.Например, известно, что для гальванического элемента Якоби (медно-цинковая пара)
ЭДС в стандартном состоянии (т.е. при одномолярных активных концентрациях катионов
Си2+ и Zn2+) составляет 1,1В. Отсюда легко вычислить Краан:'( = 1,196484 2 =37 и К = 1037
равн■ 2,303-8,31-298 р
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ175Такая величина Кртн и определяет тот хорошо известный факт, что реакция Zn + Cu2+^=i
Zn2+ + Си практически нацело идет слева направо.12.2. Окислительно-восстановительные потенциалыИзменение свободной энергии (AG) в окислительно-восстановительных реакциях есть
разница между свободными энергиями ее полуреакций, для каждой из которых можно за¬
писать (см. гл. 6):Go^re^Gi/rei+2,303 RTlg^.Переходя к электрохимическому преобразованию, получим:Ф«/ы =Фl/red + 2’303~^lgj~dj или при Г = 298,15Ко 0,059, [ох]= Vox/red +—’где [ох] и [red] — активные молярные концентрации окисленной и восстановленной форм
вещества, участвующего в процессе окисления-восстановления, п — число обменивающих¬
ся электронов, (pox/red— потенциал редокс-пары, участвующей в полуреакции, ty°ox/red — стан¬
дартный электродный (или окислительно-восстановительный) потенциал, т.е. вели¬
чина потенциала при [ох] = [red] = 1 моль/л, в том числе и концентрации ионов Н+ (в кислой
среде) и ОН" (в щелочной).Последнее выражение, известное как уравнение Нернс-
та, характеризует величину потенциала окислительно-вос-
становительной полуреакции, которая зависит от:— природы окисленной и восстановленной формы дан¬
ной сопряженной пары;— соотношения концентраций окисленной и восстанов¬
ленной формы данной сопряженной пары;— температуры.Любую окислительно-восстановительную реакцию мож¬
но представить как сумму двух гипотетических полуреакций,
а разность потенциалов (Дф = Е) как алгебраическую сум¬
му потенциалов полуреакций (ф! - ср2). Зная величины
стандартных потенциалов (а их значения имеются в таб¬
лицах), можно рассчитать величину Е} а из нее — Кравн и
тем самым определить направление окислительно-вос-
становительного превращения.Возникновение окислительно-восстановительного по¬
тенциала ф можно рассмотреть на примере металлическо¬
го электрода. Если опустить металлическую пластинку в воду, то металл в ней хотя бы час¬
тично растворяется (даже если растворимость ничтожно мала). Так, хорошо известно, что
пропускание воды через серебряный фильтр дезинфицирует ее и поэтому является одной из
стадий очистки воды. Это объясняется бактерицидными свойствами ионов серебра, перехо¬
дящих в раствор. Растворение характерно для всех металлов и обусловлено возрастанием
энтропии.В. Нерист
(1864-1941)
176РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ППри растворении в воду переходят катионы металла, и металлическая пластина заряжа¬
ется отрицательно. В результате возникает двойной электрический слой. Система, в кото¬
рой металл контактирует с раствором электролита, характеризующаяся наличием двойно¬
го электрического слоя на их границе с некоторым потенциалом ф, называется электродом
(проводники 1-го рода, имеющие электродную проводимость и находящиеся в контакте с
ионным проводником).Если погрузить металлическую пластину в раствор соли этого же металла, то могут ре¬
ализоваться два механизма образования двойного электрического слоя. Химически актив¬
ные металлы (например, цинк, алюминий) при погружении в раствор своей соли любой
(практически достижимой) концентрации частично переходят в раствор, и пластины заря¬
жаются отрицательно. Для малоактивных металлов (медь, серебро, золото) наблюдается
обратная картина: при любой концентрации раствора происходит осаждение ионов метал¬
ла на пластине, которая при этом заряжается положительно. Описанные выше процессы
являются обратимыми и протекают до момента достижения динамического равновесия:М',+ + пе <=> М°.Qx-форма red-формаОбразование двойного электрического слоя сопровождается возникновением электро¬
дного потенциала, т.е. разности потенциалов на границе «металл-раствор», которая опреде¬
ляется природой металла, концентрацией раствора и температурой. Поэтому для сравнения
электродных потенциалов были выбраны стандартные состояния (активная концентрация
1 моль/л, р = 100 кПа (до 1984 г. — 1 атм, см. табл. 6.1).Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно, поэтому измеря¬
ют разность потенциалов между данным электродом и электродом сравнения, потенциал ко¬
торого условно принимают равным нулю.В качестве электрода сравнения используют стандартный водородный электрод (водо¬
родная шкала). В нем газообразный водород находится в равновесии с ионами водорода, и
механизм возникновения электродного потенциала аналогичен таковому для металличе¬
ского электрода.2Н1 +2е*=>Н2°.
ох-форма red-формаЭлектродные потенциалы, измеренные по отношению к стандартному водородному
электроду (рц2= 100 кПа, <ян+= 1 моль/л) в стандартных условиях (см. табл. 6.1), называ¬
ются стандартными.Принято все окислительно-восстановительные полуреакции записывать в виде реакций
восстановления, и только в этом случае можно сравнивать значения электродных потенци¬
алов. Поэтому иногда потенциалы для сопряженных окислительно-восстановительных пар
называют просто восстановительным потенциалом.Чем выше положительная величина электродного потенциала, тем более сильным окис¬
лителем является ох-форма редокс-пары.Увеличению отрицательной величины потенциала соответствует увеличение восстано¬
вительной способности red-формы.Полезно уметь заранее оценить, будет ли протекать та или иная окислительно-восстано¬
вительная реакция. Существует следующее правило: окисленная форма одной редокс-пары
будет взаимодействовать с восстановленной формой другой редокс-пары, если редокс-по-
тенциал последней имеет меньшее значение.
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ177Разность между стандартными окислительно-восстановительными потенциалами окис¬
лительной и восстановительной редокс-пар называют электродвижущей силой окисли-
тельно-восстановительнойреакции (Е = (рокисл- Фвоши. или ЭДС). Если ЭДС, вычисленная
путем вычитания из окислительного потенциала редокс-пары, используемой в данной ре¬
акции в качестве окислителя, потенциала редокс-пары, используемой в качестве восстано¬
вителя, будет иметь положительное значение (ЭДС > 0), то данная реакция может идти са¬
мопроизвольно. Если же вычисленная таким образом ЭДС окажется отрицательной (ЭДС <
0), то предполагаемая реакция не пойдет; принципиально возможной будет обратная реак¬
ция, для которой ЭДС будет иметь то же самое абсолютное значение, но с обратным знаком.12.3. Классификация электродовЭлектроды можно разделить на 3 типа: 1) первого рода, обратимые только по отношению
к катиону или аниону; 2) второго рода, обратимые как по отношению к анионам, так и по от¬
ношению к катионам; 3) окислительно-восстановительные.На металлических электродах, погруженных в раствор хорошо растворимой соли того же
металла, идет процесс перехода катиона из металла в раствор или в противоположном на¬
правлении — в зависимости от знака ЭДС цепи, в которую включен электрод. Эти электро¬
ды обратимы относительно катиона (или аниона) и называются электродами первого рода,
к которым относится, в частности, водородный электрод.К электродам второго рода относятся электроды, в которых малоактивный металл по¬
крыт слоем его малорастворимой соли и находится в растворе хорошо растворимой соли с
тем же анионом (например, Ag + AgCl + КС1). Электроды этого типа обратимы относительно
концентрации аниона (С1_) и катиона (Ag+).Существует группа окислительно-восстановительных электродов (иначередокси-элек-
троды в узком смысле этого слова, так как строго говоря, все электроды являются окисли¬
тельно-восстановительными), потенциал которых возникает между пластиной из благород¬
ного металла и раствором, содержащим окисленную и восстановленную формы какого-либо
элемента. Для них присоединение или отдача Электронов связаны с изменением степеней
окисления веществ, находящихся в растворе. Сам электрод (обычно это платиновая плас¬
тина) не принимает участия в электродном процессе, а лишь служит переносчиком элект¬
ронов. Так, например, на платиновой пластине, опущенной в раствор, содержащий ионы Fe3+
(ох-форма) и Fe2+ (red-форма), возникает потенциал, величина которого зависит от темпе¬
ратуры и соотношения активных концентраций ионов железа.Смысл классификации электродов будет более понятным после ознакомления с конкрет¬
ными типами электродов.12.3.1. Металлический электродМеталлический электрод является электродом первого рода и представляет собой ме¬
талл, погруженный в раствор его соли. Уравнение Нернста для металлического электрода
приобретает следующий вид (при 298,15 К):Ф «. =<р\ (в)YMn+/M YMn+/M п п >амгде ами а— активности металла и его ионов, соответственно.Принято, что активность любого чистого кристаллического вещества равна единицу
(ам = 1), и, таким образом, она устраняется из формулы. Это вполне согласуется с тем, что
178РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пскорость любой химической реакции не зависит от концентрации твердого вещества в объе¬
ме фазы, а может зависеть лишь от площади поверхности. В данном случае, чем больше по¬
верхность металла, тем больше скорость ухода ионов в раствор и скорость их обратного пе¬
рехода в кристаллическую решетку металла. Таким образом,о 0,059,(Рм-/М+ п £ЙМЯ+ •В очень разбавленном растворе, где активности мало отличаются от концентраций
(амп+ ~ Смп+) вместо активной концентрации можно подставить молярную концент-о 0,059, _^м^/м Фм"/м + п ® мя+>у В этой формуле ф°м"+/м ~ стандартный потенциал ме¬
таллического электрода при активности катионов, равной1 моль/л, который зависит от температуры и природы ме¬
талла.Значения стандартных электродных потенциалов неко¬
торых металлов представлены в табл. 12.1. По мере роста
величины потенциала металлического электрода падает
восстановительная активность металла. Эта зависимость
известна как ряд напряжений металлов, впервые сформу¬
лированный Н. Н. Бекетовым.Потенциал металлического электрода зависит только
от концентрации катионов металла и не зависит от концен¬
трации анионов. Следовательно, металлический электрод
относится к электродам первого рода.Таблица 12.1Ряд напряжений меташовм/мп+Ф°,ВМ/М”+ф“> ви/и*-3,00Ni/Ni2+-0,25к/к*-2,92Sn/Sn2+1ОNa/Na+ItoVjPb/Pb2t-0,13Са/Са2+-2,37Cu/Cu2++0,34Mg/Mg2+-2,36Ag/Ag*+0,80Mn/Mn2+-1,18Hg/Hg2++0,85Zn/Zn2+-0,76Pt/Pt2t+1,20Fe/Fe2+-0,44Au/Au++1,70рацию:41Я. Я. Бекетов
(1826-1911)
178РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Нскорость любой химической реакции не зависит от концентрации твердого вещества в объе¬
ме фазы, а может зависеть лишь от площади поверхности. В данном случае, чем больше по¬
верхность металла, тем больше скорость ухода ионов в раствор и скорость их обратного пе¬
рехода в кристаллическую решетку металла. Таким образом,0,059,Ф,М"*/М: ф + -
YMn+/MВ очень разбавленном растворе, где активности мало отличаются от концентраций
(амп+ ~ Сып+) вместо активной концентрации можно подставить молярную концент¬рацию:Ф,мя+/м=фМ"+/М+ О059В этой формуле ф°стандартный потенциал ме-Н. Н. Бекетов
(1826-1911)таллического электрода при активности катионов, равной1 моль/л, который зависит от температуры и природы ме¬
талла.Значения стандартных электродных потенциалов неко¬
торых металлов представлены в табл. 12.1. По мере роста
величины потенциала металлического электрода падает
восстановительная активность металла. Эта зависимость
известна как ряд напряжений металлов, впервые сформу¬
лированный Н. Н. Бекетовым.Потенциал металлического электрода зависит только
от концентрации катионов металла и не зависит от концен¬
трации анионов. Следовательно, металлический электрод
относится к электродам первого рода.Ряд напряжений меташовТаблица 12.1м/мп+Ф°,Вм/мп+Ф°,Ви/и*-3,00Ni/Ni2+-0,25к/к+-2,92Sn/Sn2+iоNa/Na+-2,71Pb/Pb2+-0,13Са/Са2+-2,37Cu/Cu2++0,34Mg/Mg2+-2,36Ag/Ag++0,80Mn/Mn2+-1,18Hg/Hg2++0,85Zn/Zn2+-0,76Pt/Pt2++1,20Fe/Fe2+-0,44Au/Au++1,70
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ179Н„Рис. 12.1. Водородный
электрод12.3.2. Водородный электродК числу электродов первого рода принадлежит и водородный элект¬
род, стандартный потенциал которого условно принят за ноль.Водородный электрод представляет собой пластинку из инертно¬
го металла (платины), погруженную в раствор, содержащий ионы
водорода, например, в раствор H2S04(pHC. 12.1). Предварительно
электролизом раствора хлорида платины на пластинку наносится
слой платиновой черни. Такая платинированная пластинка облада¬
ет большой активной поверхностью и способна поглощать большое
количество водорода. Через раствор пропускают ток чистого газооб¬
разного водорода при постоянном давлении (100 кПа).Газообразный водород адсорбируется на платине и затем, распа¬
даясь на атомы, переходит в раствор в виде ионов. Таким образом, между атомами водоро¬
да на платине и ионами водорода в растворе в водородном электроде устанавливается рав¬
новесие:Н2(газ) <=> 2Н 2Н+ + 2е.Схематически водородный электрод записывается так:H2{Pt} I н+.Очевидно, что он аналогичен металлическому электроду.Применяя уравнение Нернста при 298,15 К для водородного электрода, получим:0 0,059, а*%нун2 ~ + 2 ОдАктивность газа аи равна его давлению а}1= рн^ тогда при давлении рн = 100 кПаФ2Н+/Н2 ^2НУН2Ноф®н*/н2=0,0,0592тогдаlg<V -(Р2н+/н2 +0,0591gaH+.и так как -\gaH+=pH, тоФ2н7н2 = -°’Й9^Я-Таким образом, потенциал водородного электрода зависит от активности ионов водородаи, следовательно, его можно применять для измерения pH. При отсутствии посторонних
окислителей и восстановителей водородный электрод является самым точным электродом
для измерения кислотности среды в широком интервале pH — от сильнокислой до сильно¬
щелочной среды.Посторонними окислителями могут быть многие органические вещества, способные вос¬
станавливаться водородом в присутствии платины. Платина легко отравляется галогенами,
соединениями серы, ртути и мышьяка, которые уменьшают ее способность поглощать водо¬
род. Установка для измерения pH с водородным электродом включает электролизер для по¬
лучения водорода и систему поглотительных склянок для тщательной очистки водорода от
других газов и потому является громоздкой. Кроме того, перед измерением pH требуется
длительное насыщение раствора водородом.Поэтому вместо водородного в качестве электродов сравнения, как правило, использу
ют каломельный и хлорсеребряный электроды (см. ниже).
180РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Н12.3.3. Каломельный электродК электродам второго рода, как уже отмечено, принадлежат электроды, обратимые от¬
носительно катиона и аниона. В электродах второго рода металл погружен в раствор своей
труднорастворимой соли и хорошо растворимого электролита с одноименным анионом.Так, каломельный электрод состоит из металлической
ртути, которая находится на дне сосуда, а сверху покрыта
пастой из каломели Hg2Cl2 (рис. 12.2). Сосуд наполняется
раствором КС1 определенной концентрации, насыщенным
Hg2Cl2.Схема записи каломельного электрода: Hg | Hg2Cl2, КС1.
На каломельном электроде устанавливаются равновесия:2Hg <=> Hg22+ + 2е,Hgr + 2Cl-?=iHg2Cl24.Рассматривая этот электрод как обратимый относитель¬
но катиона, применим к нему уравнение Нернста для метал¬
лического ртутного электрода (при 298,15 К):0,059,Рис. 12.2. Каломельный электрод((>НбГ/2Н8 (()Hgl72Hg + ‘-Iga,Hgf'Активная концентрация ионов Hg22+ в растворе, возникающая за счет незначительной
растворимости каломели, связана с активной концентрацией ионов С1~:ПРЪЛ ~ %£ ’ acr •ПРЧо г)Отсюда «Hg2+ =—
ас\~Подстановка величины а 2+ в формулу приводит к выражению:(pHgl+/2Hg CPHgi+/2Hg1 0,059 lg^HfoCl2aa-(!}Hgl72Hg cpHgr/2Hg+ 20,059, m 0,059, 2
№н&с2 ——lg<-Как видно из формул, потенциал каломельного электрода действительно зависит и от
концентрации катиона Hg22+, и от концентрации аниона Cl". Вообще, если металлический
электрод находится в насыщенном растворе своей соли, то его потенциал определяется кон¬
центрацией катионов в растворе, но изменение концентрации анионов влияет на концент¬
рацию катионов и в результате вызывает изменение потенциала электрода. Сумма постоян-о . О’ОЗЭ,ных величин Ф , + —-—Ig^^ci. является постоянной.Hg^2Hg 2 g2 2Обозначая ее ф0^, получим: = q£,M-0,059lgacr.* О произведении растворимости (ПР) см. гл. 13.
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ181Таблица 12.2
Потенциалы каломельного
электрода с различной
концентрацией КС1^КС1*Ф^Вмоль/лпри 298 К0,10,3361,00,282Насыщ.0,250Суммарная концентрация ионов хлора в растворе практиче¬
ски равна концентрации раствора КС1 в каломельном электроде.
Потенциалы каломельного электрода с различной концентраци¬
ей КС1 приведены в табл. 12.2.Избыток КС1 гарантирует, что раствор остается насыщенным
при значительных изменениях температуры. Наиболее удобен и
устойчив, а потому чаще применяется на практике насыщенный
каломельный электрод, содержащий насыщенный раствор хло¬
рида калия.12.3.4. Хлорсеребряный электродДругим электродом второго рода является хлорсеребряный электрод, простой в изготов¬
лении и дающий хорошо воспроизводимую величину потенциала.Он применяется как внутренний вспомогательный электрод в стеклянных электродах (см.
разд. 12.10), а также в качестве внешнего стандартного электрода сравнения при измерении pH.Хлорсеребряный электрод обычно получают осаждением серебра на платиновую прово¬
локу с последующим переведением поверхностного слоя осажденного серебра в хлорид се¬
ребра электролизом в растворе хлорида. Эта проволока погружена в раствор хорошо раство¬
римого электролита, содержащего ионы С1" (например, раствор КС1, насыщенный AgCl).Схема хлорсеребряного электрода: Ag | AgCl, КС1.На рис. 12.3 приведена одна из конструкций хлорсереб¬
ряного электрода. Этот электрод состоит из стеклянного
корпуса 1 с впаянной асбестовой нитью 2, по которой про¬
сачивается раствор хлорида калия (насыщ.), создавая элек¬
тролитический ключ. Внутри электрода находятся сереб¬
ряная проволока 5 и паста из хлорида серебра 4. Корпус
полностью заполняется насыщенным раствором хлорида
калия 3, контакт которого с парой Ag | AgCl осуществляет¬
ся при помощи асбестового фитиля 6. На электроде проис¬
ходит реакция:Ag<=±Ag+ + e,Ag+ + Cl" £=> AgCli.Потенциал хлорсеребряного электрода, выведенный из
уравнения Нернста так же, как и для каломельного, имеет
вид:0,0591g аа~.Фл= ф°сНа практике, как и в случае каломельного, чаще исполь¬
зуется насыщенный хлорсеребряный электрод, потенциал которого при данной температуре
постоянен, и при 298 К равен 0,202 В.12.3.5. Сурьмяный электродСурьмяный электрод является одним из наиболее употребимых металлоксидных элек¬
тродов, которые обычно относятся к электродам второго рода, только в отличие от каломель¬
182РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХного и хлорсеребряного электродов, здесь металл (Sb) погружен в концентрированный ра¬
створ труднорастворимого оксида Sb203.Для бруска сурьмы, отлитого на воздухе, электрохимический процесс протекает с учас¬
тием сурьмы и тонкого слоя ее малорастворимого оксида на поверхности металла:Сурьма и ее оксид находятся в кристаллическом состоянии, и, следовательно, их актив¬
ности не изменяются. Активная концентрация воды в разбавленных растворах также при¬
близительно постоянна. Поэтому потенциал электрода зависит только от активной концен¬
трации ионов водорода, и, следовательно, сурьмяный электрод можно использовать для
измерения pH:Потенциал сурьмяного электрода зависит от состояния поверхности металла. Кроме
того, на его величину влияют окислители и восстановители. Поэтому с его помощью изме¬
ряют pH в тех случаях, когда не требуется высокая точность. Однако сурьмяный электрод
имеет очень простое устройство, легко может быть выполнен в виде электрода очень малых
размеров, и потенциал его устанавливается очень быстро.Сурьмяный электрод нашел, в частности, применение при изучении изменений pH в же¬
лудке в процессе пищеварения. Он представляет собой брусок сурьмы длиной 5 мм и диа¬
метром 1 мм с трехжильным медным проводом, который можно легко проглотить. Вспо¬
могательный сурьмяный электрод можно включать в цепь, например, с помощью солевого
раствора, в который помещены ноги пациента.12.3.6. Хингидронный электродХингидронный электрод является представителем окислительно-восстановительных
электродов.Как известно, многие окислительно-восстановительные реакции в водных растворах про¬
текают с участием ионов водорода. В этом случае потенциал редокс-электрода зависит от
концентрации ионов Н+. Такие электроды в принципе можно использовать для измерения
pH. Из них наибольшее практическое применение нашел хингидронный электрод.Для приготовления этого электрода исследуемый раствор взбалтывают со щепоткой хин-
гидрона (труднорастворимого темно-зеленого порошка) и таким образом получают его на¬
сыщенный раствор. Хингидрон является молекулярным соединением хинона и гидрохинона
и при растворении в воде частично диссоциирует на хинон и гидрохинон:Sb203 + 6Н+ + 6е <=> 2Sb + ЗН20.Фсур = Ф°да - 0.059pH.О-НОоноо-нохингидрон (ХГ)о нохинон (X) гидрохинон (ГХ)В полученный раствор погружают платиновую пластинку. Хинон и гидрохинон участву¬
ют в окислительно-восстановительном равновесии, от положения которого зависит потен¬
циал платиновой пластинки:
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ183ГХ XЗдесь окисленной формой является хинон и ионы Н+, а восстановленной формой — гид¬
рохинон. дСхема хингидронного электрода: Pt | X, ГХ, Н+.Применение формулы Нернста для этой окислительно-восстановительной реакции по¬
зволяет получить потенциал хингидронного электрода:О 0,059, аха2,<P„ = <£ + -Lr-lg-LJL-.2 ааАктивные концентрации хинона (ах) и гидрохинона (а,х) в растворе примерно равны, так
как они образуются эквимолярно в результате диссоциации хингидрона. ПоэтомуФ» = Ф* + 0,059 lgV,где ф°г — величина стандартного потенциала хингидронного электрода при = 1, равная0,699 В. Отсюда<рхг = 0,699 - 0,059рЯ.Хингидронный электрод удобен в работе и позволяет определяться кислых и слабоще¬
лочных растворов с достаточной точностью. В щелочных растворах (при рН> 8) он не дает
точных показаний из-за диссоциации гидрохинона, в результате чего концентрация гидро¬
хинона меняется:НО+ н+
но ноПрисутствие в растворах окислителей и восстановителей влияет на потенциал хингид¬
ронного электрода. Кроме того, при измерении pH в исследуемый раствор приходится вно¬
сить постороннее вещество — хингидрон.Поэтому хингидронный электрод в отличие от более совершенного и универсального
стеклянного электрода (см. разд.12.10) нельзя применять для измерения pH многих биоло¬
гических жидкостей.Некоторые из звеньев окислительно-восстановительной дыхательной цепи (например,
в случае кофермента Q, см. разд. 12.7), по механизму своего действия близки к рассмотрен¬
ной окислительно-восстановительной системе:НО Осн3о/| СНз CH30N[l сн3XX XX + 2Н+ + 2еCHsO^Y^R CH3O ЛЛино огде R — органический радикал.
184РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПОкисленная форма этого кофермента, присоединяя электроны, превращается в соответ¬
ствующий гидрохинон, а затем снова окисляется в хинон. Вообще хинонные и гидрохинон-
ные структуры широко распространены в живой клетке: их имеют, например, такие важные
для жизнедеятельности вещества, как витамины Е и К.12.3.7. /^//-зависимые электродные потенциалыПолуреакция, происходящая на хин^идронном электроде, протекает с участием ионов
гидроксония. Существует большая группа полуреакций, в которых участвуют протоны или
гидроксильные ионы. В таких случаях концентрация этих ионов входит в уравнение Нерн-
ста и pH раствора влияет на потенциал полуреакции.Например, потенциал редокс-парыМп04" + 8Н+ + 5е Мп2+ + 4Н20
будет вычисляться по уравнению:„о , 0,059 ,JMn04-] [H+]8
[Мп2+]^MnOj +8Н* _^MnO£+8lT + £ § riUr»2+lMn2+ Mn2+Для водных растворов активную концентрацию воды можно считать величиной посто¬
янной и потому ее значение учитывается в постоянной величине стандартного потенциала.В общем виде зависимость окислительно-восстановительного потенциала от pH для
уравненияох + тН+ + пе <=> redможно записать так:откудао Д7\ [охИН+ГФ«/Ы Фо,/red + nF П [red]o RT, [одг] mRT, rtr+1].Из этого уравнения следует, что по мере подкисления раствора окислительно-восстано-
вительный потенциал будет увеличиваться.Величина сдвига срox/red при изменении концентрации ионов водорода зависит от числа
электронов п и протонов га, участвующих в реакции, т.е. от отношения т/п. Такую разновид¬
ность окислительно-восстановительных полуреакций называют рЯ-зависимыми.рЯ-зависимые полуреакции (и не только они) нашли широкое применение в клинической
диагностике, являясь основой аналитических редокс-методов, прежде всего редоксимет-
рии — метода объемного анализа, основанного на применении окислительно-восстановитель¬
ных реакций. В зависимости от примененяемого титранта различают перманганатометрию,
бихроматометрию, иодометрию, цериметрию и др.Перманганатометрия — метод, базирующийся на применении в качестве титранта-
окислителя перманганата калия в сильно кислой среде. В связи с высоким значением стан¬
дартного потенциала перманганата калия (фмп0-+8н7мп2+ = +® ) его можно применять для
определения широкого набора веществ, способных окисляться — сульфит-, сульфид-, нит¬
рит-, арсенит-анионов, катиона Fe2+, гидразина, ряда органических кислот (лимонной, вин¬
ной, яблочной, щавелевой, аскорбиновой и др.).
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ185В гигиенической практике его используют для нахождения важной характеристики
воды — ее окисляемости, которая определяется количеством миллиграммов пермангана¬
та калия, идущих на окисление восстановителей, содержащихся в литре воды. Окисляемость
обусловлена присутствием гуминовых веществ, сероводорода, солей двухвалентного желе¬
за и др. примесей, в основном бытовых или промышленных. Загрязненные воды имеют окис¬
ляемость до 400 мг на литр воды, а незагрязненные — не более 4 мг на литр. Наименее за¬
грязнены артезианские воды (окисляемость менее 2 мг на литр).Бихроматометрия также основана на достаточно высокой величине редокс-потенци-
ала бихромат-иона в сильно кислой среде. Значение ср° для полуреакцииСг2Оу2- + 14Н+ + 6е *=± 2Сг3+ + 7Н20составляет +1,33 В. Бихроматометрию используют для определения многих восстановите¬
лей, а в гигиенической практике она нашла применение для определения химического по-
требления кислорода — оценки содержания всех органических веществ, которые раство¬
рены в воде. Они при кипячении в избытке бихромата калия в присутствии серной кислоты
окисляются до углекислоты.Подробнее эти методы будут освещены в разд. 15.4.12.4. Диффузионный потенциал. Электролитический мостикЧтобы гальванический элемент был замкнут, как уже упоминалось, нужно соединить раство¬
ры электролитов электролитическим мостиком. При выборе электролита для заполнения это¬
го мостика необходимо учитывать возможность возникновения диффузионного потенциала.В гальванических элементах имеет место соприкосновение растворов разных по соста¬
ву или с разной концентрацией электролитов. На границе двух таких растворов обычно воз¬
никает разность потенциалов.Пусть, например, в сосуд с соляной кислотой осторожно, так, чтобы растворы не переме¬
шивались, приливают соляную кислоту меньшей концентрации. В этом случае ионы Н+ и С1~
должны диффундировать из нижнего раствора в верхний. Однако экспериментально уста¬
новлено, что подвижность ионов Н+ почти в 5 раз больше, чем ионов С1“; протоны малы по
размерам и двигаются значительно быстрее. Поэтому в единицу времени в верхний раствор
будет переходить больше ионов Н+, чем ионов СГ. В результате верхний раствор приобре¬
тет положительный, а нижний — отрицательный заряд.В общем, более разбавленный раствор всегда приобретает заряд того иона, который дви¬
жется с большей скоростью. Вследствие такого разделения зарядов на границе двух раство¬
ров возникает разность потенциалов.Разность потенциалов на границе соприкосновения двух растворов электролитов различ¬
ной концентрации или различного состава, обусловленная различными подвижностями
ионов, называется диффузионным потенциалом.Хотя величина диффузионного потенциала не превышает нескольких десятков милли¬
вольт, иногда он может заметно изменять величину ЭДС гальванического элемента. Для
уменьшения ошибки при измерении ЭДС элемента обычно стремятся уменьшить диффу¬
зионный потенциал. Наиболее удобным способом является применение солевого мостика
из КС1, который соединяет растворы различных электролитов. Хлорид калия (обычно на¬
сыщенный раствор) используется потому, что скорости движения ионов К+ и С1" почти оди¬
наковы. Обычно солевой мостик заполняют агар-агаром, насыщенным КС1. Агар-агар — это
студнеобразное вещество, предохраняющее мостик от вытекания раствора электролита.
186РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.П12.5. Мембранный потенциалЕсли мембрана, проницаемая, например, только для ионов М+, разделяет два раствора
MX различной концентрации, то часть ионов М+ будет диффундировать через эту мембра¬
ну из раствора с большей активной концентрацией (а2) в разбавленный раствор (at). В ре¬
зультате в первом растворе возникает некоторый избыток отрицательных зарядов, а во вто¬
ром — положительных. Таким образом, возникает электрохимическая разность потенциалов
между растворами, разделенными мембраной, которую называют мембранным потенци¬
алом (<рмем6р). Его величина рассчитывается для идеальной мембраны (селективной только
по отношению кронам М+) по формуле Нернста:2,ЗД7\ а2Чмембр- ,zM,-F а,2 3RTгде zM+ — заряд диффундирующего иона в единицах заряда протона, отношение — на-г*'?зывают угловым коэффициентом или крутизной электродной функции (5). При Т= 298,15 К
иг= 1,5 = 0,059 В.12.6. Типы гальванических элементовВ гальваническом элементе происходит окислительно-восстановительная реакция, ко¬
торая протекает раздельно на двух электродах: на одном — процесс окисления, в результа¬
те которого здесь накапливаются электроны, а на другом — восстановления (электроны рас¬
ходуются).Примером гальванического элемента служит известный элемент Даниэля-Якоби
(рис. 12.4).Он состоит из цинкового и медного электродов.
Цинковую пластинку погружают в раствор ZnS04,
а медную — в раствор CuS04. Для каждого из элек¬
тродов существует равновесие:Zn Zn2+ + 2е,Си <=± Си2++ 2е.Однако цинк — более активный металл и легче,
чем медь, посылает свои ионы в раствор. Поэтому на
цинковой пластинке накапливается больше избы¬
точных электронов, чем на медной. Если обе плас¬
тинки соединить проволокой, то электроны будут
переходить по ней с цинка на медь. В результате это¬
го первое равновесие должно сместиться вправо, то
есть на цинковом, электроде будет происходить пря¬
мая реакция — переход иоиов цинка в раствор:Zn —» Zn2+ + 2е.С другой стороны, переход электронов на медную пластинку должен смещать второе рав¬
новесие влево. Таким образом, на медном электроде будет происходить только обратная
реакция — переход ионов меди из раствора на медную пластинку:Си2+ + 2е —» Си.КС1Zn -Си ZnSG^- "—CuSL?4Рис. 12.4. Схема гальванического элемента
(элемент Даниэля-Якоби)
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ187Казалось бы, такой гальванический элемент должен работать до тех пор, пока вся цин¬
ковая пластинка не растворится или все ионы меди из раствора не перейдут на медную пла¬
стинку. Однако работа элемента прекратится раньше. В самом деле, до соединения двух пла¬
стинок проволокой оба раствора — ZnS04 и CuS04 — были электронейтральны, так как в них
концентрация катионов была равна концентрации анионов. В результате работы элемента
соотношения изменятся: [Zn2+] > [S042] и [Cu2+] < [S042], раствор у цинкового электрода
приобретает положительный заряд, а у медного электрода — отрицательный. Очевидно, это
должно препятствовать перетеканию электронов от цинка к меди. Поэтому оба раствора не-
обходимр соединить электролитическим мостиком — раствором КС1, по которому избыточ¬
ные ионы S042- будут переходить от медного электрода к цинковому. В результате заряды
растворов будут выравниваться, и теперь элемент будет работать, пока не израсходуются со¬
ставляющие вещества. Схему гальванического элемента представляют следующим образом:Zn | ZnS041 КС11 CuS041 Cu.В такой схеме обычно сначала записывается электрод с более отрицательным потенци¬
алом, далее раствор, в который он погружен, электролитический мостик, затем состав вто¬
рого раствора и, наконец, электрод с более положительным потенциалом. Границы раздела
фаз обозначают вертикальными черточками. Электрод, на котором происходит реакция
окисления, называют анодом, а электрод, на котором происходит реакция восстановления —
катодом. Так, цинковый электрод является анодом, а медный электрод — катодом.Как отмечено выше, количественной характеристикой электрохимического элемента
(или цепи элементов) является электродвижущая сила (ЭДС или Е), которая равна разно¬
сти потенциалов электродов. При вычислении разности потенциалов вычитание произво¬
дят из потенциала более положительного электрода. Так, для элемента Даниэля-Якоби:Е = <Р+Си - (p~Zn-При активных концентрациях ионов цинка и меди в растворах, равных единице, ЭДС со¬
ставляет 1,1В. Электрическая работа, которую можно получить от элемента при вытесне¬
нии цинком 1 моля атомов меди, равнаЛ = nFE= 2*96484* 1,1 =212265 Дж.Гальванические элементы можно разделить на три типа: химические, концентрационные
и топливные. Химическими называются такие гальванические элементы, у которых ЭДС
возникает вследствие различной химической природы электродов. Примером может слу¬
жить описанный элемент Даниэля-Якоби.Гальванические элементы могут быть составлены и из двух одинаковых электродов, по¬
груженных в раствор одного и того же электролита с различной активной концентрацией
ионов. Такие элементы называются концентрационными. Например, составим элемент из
двух медных пластинок, погруженных в растворы с разной активностью ионов меди (ах < а2),
и соединим растворы солевым мостиком из КС1:<->Си | CuS041 КС11 CuS041 Cu(+)
d\ &2По уравнению Нернста потенциалы этих металлических электродов равны:
188РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПТак как я2сц2+ > fliCu2+, второй электрод более положителен.Действительно, чем больше в растворе концентрация ионов Си2+, тем больше вероятность
их перехода в кристаллическую решетку металла и тем положительнее должен быть потен¬
циал металлического электрода. Таким образом, между двумя медными электродами возни¬
кает разность потенциаловг 2 х 0,059,Е = ф -ф1 = — lg——>и, если соединить^их проводником, то в цепи пойдет электрический ток. Для каждого элек¬
трода окислительно-восстановительная реакция выражается уравнением: Си <=i Си2+ + 2е.
Очевидно, что в результате перехода электронов от первой медной пластинки ко второй, на
первом электроде будет происходить реакция растворения меди: Си —» Си2+ + 2е, а на вто¬
ром — осаждение меди: Си2++ 2е -» Си.Элемент будет работать до тех пор, пока первая пластинка не растворится полностью или
пока концентрации растворов не выравняются. Таким образом, источником энергии концен¬
трационного гальванического элемента являются диффузионные осмотические силы, стре¬
мящиеся к выравниванию концентраций.Топливными элементами называются такие гальванические элементы, с помощью ко¬
торых энергию, выделяющуюся при реакции окисления топлива (горючего), получают не¬
посредственно в виде электрического тока. В топливных элементах те же реакции, что и при
сжигании топлива, идут гораздо медленнее. В результате большее количество химической
энергии превращается в работу.Примером топливного элемента может служить пропан-кислородный элемент. Он состо¬
ит из раствора электролита, например, серной кислоты или гидроксида натрия, и двух инер¬
тных электродов (например, платиновых). Пропан и кислород пропускают, соответственно,
через анодное и катодное пространства, где протекают следующие реакции:на аноде: С3Н8 + 6Н20 - 20е —> ЗС02 + 20Н+,
на катоде: 502 + 20Н+ + 20е —> 10Н20.Суммарная реакцияС3Н8 + 502 —> ЗС02 + 4Н20идентична реакции горения пропана в кислороде. Между электродами устанавливается раз¬
ность потенциалов, а по проволоке, соединяющей электроды, течет ток от анода к катоду.
Роль электродов здесь двояка. Во-первых, анод служит источником электронов, а катод —
их ловушкой. Во-вторых, на поверхности электродов происходит разложение молекул про¬
пана и кислорода на атомы, т.е. электроды здесь действуют как электрокатализатор.При надлежащей конструкции удается достигнуть к.п.д. такого элемента до 70%, что
вдвое превышает к.п.д. двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, топливные элементы
в отличие от обычных источников энергии не создают шума и вибрации, не образуют вы¬
хлопных газов. Все перечисленные преимущества топливных элементов создают широкие
перспективы для их внедрения в технику.12.7. Окислительно-восстановительные реакции
в биологических процессахРазличные процессы жизнедеятельности сопровождаются возникновением в организме
электрохимических процессов, играющих существенную роль в обмене веществ. Электро¬
химические превращения в организме можно разделить на две основные группы:
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ1891) процессы, связанные с переносом электронов и возникновением окислительно-восста-
новительных потенциалов;2) процессы, связанные с переносом ионов (без изменения их зарядов) и с образовани¬
ем биоэлектрических потенциалов (см. разд. 12.4 и 12.5).В результате этих процессов возникают разности потенциалов между разными прослой¬
ками тканей, находящихся в различных физиологических состояниях. Они связаны с раз¬
личной интенсивностью окислительно-восстановительных биохимических процессов. К
ним относятся, например, потенциалы фотосинтеза, возникающие между освещенными и
неосвещенными участками листа, причем освещенный участок оказывается положительно
заряженным по отношению к неосвещенному.Особенностью биологических окислительно-восстановительных процессов первой груп¬
пы является их многостадийность. Они проходят через ряд промежуточных стадий с обра¬
зованием множества кислородсодержащих продуктов (спирты, альдегиды, кетоны, карбоно¬
вые кислоты), которые в конце концов окисляются до конечных продуктов — С02 и Н20.С помощью ступенчатого механизма организм предотвращает нежелательные для него
сильные метаболические отклонения, которые происходят постепенно. Отдельные стадии
биологического окисления обратимы, что обеспечивает поддержание окислительно-восста-
новительного гомеостаза в организме.12.7.1. Процессы с переносом электроновОкислительно-восстановительные процессы этой группы в организме можно разделить
на три типа:1. Непосредственный перенос электронов между веществами без участия атомов кисло¬
рода и водорода, например, перенос электрона в цитохромах:цитохром (Fe3+) + е цитохром (Fe2+)
и перенос электрона в ферменте цитохромоксидазе:цитохромоксидаза (Си2+) + е <=> цитохромоксидаза (Си1+).2. Окислительный, связанный с участием атомов кислорода и ферментов оксидаз, напри¬
мер, окисление альдегидной группы субстрата в кислотную:RCH=0 + [О] ?=± RCOOH.3.рЯ-зависимый, происходящий в присутствии ферментов дегидрогеназ (Е) и кофермен-
тов (Ко). Они образуют активированный комплекс фермент-кофермент-субстрат (E-Ko-S),
который присоединяет электроны и катионы водорода от субстрата и вызывает его окисле¬
ние.Такими коферментами являются никотинамидадениннуклеотид (НАД+), который при¬
соединяет два электрона и один протон:НАД+ + Н+ + 2е <=* НАД(Н),и убихинон или кофермент Q (KoQ), который присоединяет два электрона и два протона:KoQ + 2Н+ + 2е <=> KoQ(2H).Все типы окислительно-восстановительных процессов происходят при окислении суб-
стратов в митохондриях, на внутренних мембранах которых размещаются ансамбли из фер¬
190РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пментов-дегидрогеназ, коферментов (НАД+и KoQ) и серии цитохромов
Ь, с1} с2 и а, а также фермента — цитохромоксидазы. Они образуют си¬
стему клеточной дыхательной цепи, с помощью которой происходит
эстафетная передача электронов и катионов водорода от субстрата
молекулам кйслорода, доставленным гемоглобином к клетке.Каждый компонент клеточной дыхательной цепи — участник окисли¬
тельно-восстановительного процесса — характеризуется определенным
значением окислительно-восстановительного потенциала (табл. 12.3).Движение электронов в клеточной дыхательной цепи происходит
ступенчато от веществ с низким потенциалом (-0,324 В) к веществам
с более высоким потенциалом (+0,82 В), что можно представить в виде
обобщенной схемы на рис. 12.5.В сответствии с ней биосубстрат (в первую очередь, глюкоза) окис¬
ляется с участием двух типов биологических окислительно-восстано-
вительных процессов — с прямой передачей электронов в дыхательной
цепи цитохромов и посредством рЯ-зависимых превращений с участи¬
ем кофакторов.Сначала происходит передача протона и пары электронов молекуле
НАД+, превращающейся в восстановленную форму НАД(Н). Затем
приходит очередь восстановления KoQ в KoQ(2H).Далее осуществляется процесс передачи электрона по цепи цитох¬
ромов в согласовании с величинами их потенциалов, представленны¬
ми в таблице 12.3. Последний из компонентов — цитохромоксидаза пе¬
реносит электроны непосредственно молекуле кислорода.1/202 + 2Н+ + 2е <=> Н20.Энергия, выделяемая в процессах биологического окисления, накапливается в клетках
за счет синтеза на каждой из стадий молекул аденозинтрифосфата АТФ.Таблица 12.3Стандартные редокс-потепциалы биомолекул дыхательной цепиСистемаПолуреакции<р’,В*НАД+/НАД(Н)НАД++ Н+ + 2е <=* НАД(Н)-0,32KoQ/KoQ(2H)KoQ+ 2Н++ 2е KoQ(2H)-0,04цитохром b+0,07цитохром сгFe3V Fe2++0,23цитохром с2+0,25цитохромоксидазаСи2* + е Си1++0,55сун2о02+ 4Н++ 4е ^2Н20+0,82^БиосубстратАТФн2оРис. 125. Перенос
электронов в дыхатель¬
ной цепи.*ср' — величина потенциала в стандартных биологических условиях, то есть при 310 Кие растворах с pH = 7,4.
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ191На каждую пару электронов, переданных по клеточной дыхательной цепи, синте¬
зируются три молекулы АТФ. Таким образом, окислительно-восстановительные про¬
цессы клеточной дыхательной цепи — источник энергии жизнедеятельности. За счет
различных окислительно-воссстановительных процессов организм получает до 99%
энергии.Окислительно-восстановительные реакции необходимы для синтеза множества жизнен¬
но важных кислородных органических биомолекул (углеводы, жирные кислоты, гормоны
и др.). Здесь наиболее значимы процессы окисления в митохондриях — органеллах клеток
растений и животных.В их числе:
реакция С-гидроксилирования:R-H + [О] —> R-OH,
окисление спиртовой группы в альдегидную:RCH2-OH + [О] -> R-CH=0 + н2о,
окисление последней в карбоксильную группу:R-CH=0 + [О] RCOOH.Эти процессы, служащие источником биосинтеза многих кислородсодержащих биомо¬
лекул, регулируются соответствующими ферментными системами с участием цитохрома
Р450, алкогольдегидрогеназы и альдегидоксидазы, соответственно. Чужеродные органичес¬
кие вещества (ксенобиотики) в тканях также подвергаются ферментативному окислению.К числу общих биохимических окислительно-восстановительных процессов относится
явление перекисного окисления липидов.Необходимым для метаболизма аминокислот является окисление их аминогруппы под
действием ферментов аминооксидаз.Действие окислителей, содержание которых в условиях нашего существования выше,
чем восстановителей, направлено, в частности, на биомолекулы, содержащие группу -SH с
образованием дисульфидной группы -S-S-:2R-SH <=> R-S-S-R + 2Н+ + 2е.Величина окислительно-восстановительного потенциала этой полуреакции в зависимо¬
сти от природы биосубстрата находится в пределах от 0,20 до -0,30 В, и поэтому в организ¬
ме она идет легко и обратимо. Это окислительно-восстановительное равновесие играет важ¬
нейшую роль в регуляции биохимических механизмов.С помощью окислительно-восстановительных реакций в организме распадаются токсич¬
ные вещества, как образующиеся в ходе метаболизма, так и попавшие в него извне. Так, в
присутствии ферментов каталазы и супероксиддисмутазы разрушаются сильные окислите¬
ли — промежуточные продукты биохимического восстановления кислорода: пероксид водо¬
рода и супероксид-анион-радикал.Действие на организм многих токсичных веществ (озон, галогены, нитраты, оксиды азо¬
та) объясняется их сильными окислительными свойствами, которые необратимо разруша¬
ют биосубстрат, в первую очередь — ферменты.Сильные окислители (перманганат калия, пероксид водорода, раствор иода, хлорная из¬
весть и др.) используются в медицинской и гигиенической практике в качестве дезинфици¬
рующих средств.
192РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.П12.7.2. Процессы с переносом ионовВ основе электрохимических процессов второй группы лежит неравномерное распре¬
деление ионов по обе стороны какой-либо пограничной поверхности, например, для боль¬
шинства клеток характерна высокая внутренняя концентрация ионов калия и низкая кон¬
центрация ионов натрия, напротив, во внешней среде этих клеток содержится большой
избыток ионов натрия. Эти процессы приводят к возникновению биопотенциалов и био¬
токов. При возбуждении живой ткани и переходе ее в деятельное состояние возбужденный
участок заряжается отрицательно по отношению к невозбужденному и возникает элект¬
рический ток.Регистрация биотоков применяется в медицинской диагностике, в частности, в электро¬
кардиографии. Электрокардиографией называют метод исследования физиологического
состояния сердца путем регистрации электрических потенциалов, возникающих при рабо¬
те сердечной мышцы, а электроэнцефалографией — метод исследования деятельности го¬
лодного мозга, основанный на регистрации потенциалов, возникающих в нервных клетках.Процессы, связанные с неравномерным распределением ионов в биологических систе¬
мах, вызывают появление трех типов потенциалов: диффузионных, мембранных и фазовых.
Так, при повреждении оболочек клеток электролиты диффундируют в клетку или из нее —
в зависимости от концентрации и подвижности ионов. Обычно поврежденная ткань заря¬
жается отрицательно по отношению к неповрежденной, то есть возникает диффузионный
потенциал повреждения, величина которого составляет до 0,03-0,04 В.Известно, что соотношение концентраций К+ внутри и снаружи клетки составляет
= 20 : 1. Можно рассчитать соответствующую величину мембранного потенциала живой
клетки (см. разд. 12.5), которая активно накапливает ионы калия:[К\нутриУ[К\наружи] = 20.(fw = 0,059 lg20 = 0,059-1,3 = 0,077 В.Полученное значение близко к экспериментально определенному для живой клетки в со¬
стоянии покоя. Изменения мебранного потенциала, сопровождающие передачу нервных им¬
пульсов или мышечное сокращение, вызваны потоком катионов калия из клетки и катионов
натрия — внутрь ее. Это приводит к падению потенциала, который можно регистрировать
с помощью микроэлектродов, помещенных извне и внутри клетки.Фазовые потенциалы возникают в системах, состоящих из двух (или более) несмеши-
вающихся друг с другом фаз. Протоплазма клеток и представляет собой такую многофазную
систему. Если в одной из фаз более растворимы катионы, а в другой, наоборот, анионы, то
пограничная поверхность первой фазы приобретает положительный заряд, а вторая заряжа¬
ется отрицательно. Таким образом, на границе фаз возникает двойной электрический слой,
обусловливающий появление фазового потенциала. Фазовые потенциалы особенно харак¬
терны для липидно-белковых систем клеток.12.8. Потенциометрия. Электрометрическое измерение pHПотенциометрия — это ряд методов анализа и определения физико-химических харак¬
теристик электролитов и химических реакций, основанных на измерении электродных по¬
тенциалов и электродвижущих сил гальванических элементов. Потенциометрические изме¬
рения являются надежными при изучении констант равновесия электродных реакций,
термодинамических характеристик реакций, коэффициентов активности ионов, констант
нестойкости комплексных ионов, pH растворов.
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ193Потенциометрические методы анализа имеют ряд преимуществ. Они очень чувствитель¬
ны; существуют модификации потенциометрического определения, позволяющие прово¬
дить анализ в пробах объемом до десятых долей миллилитра, что важно для биологических
исследований. Поскольку равновесное значение потенциала устанавливается быстро, то по¬
тенциометрические измерения не требуют значительных затрат времени. Их можно прово¬
дить в мутных и окрашенных растворах, вязких средах.Потенциометрический метод анализа основан на измерении электродного потенциала
(ф) индикаторного электрода и нахождении зависимости между его величиной и активно¬
стью потенциал-определяющего иона в растворе.Особенно широкое применение нашли потенциометрические измерения при определе¬
нии pH. Для этого используют электрохимическую цепь, составленную из индикаторного
электрода и электрода сравнения.Индикаторным электродом (или электродом определения) называется электрод, ко¬
торый обратим относительно активности анализируемого потенциалопределяющего иона.
При измерении pH потенциал индикаторного электрода должен зависеть от концентрации
(активности) ионов водорода в растворе.Электродом сравнения называют электрод с известной и постоянной величиной элек¬
тродного потенциала.Обычно используемые электроды приведены в табл. 12.4.Таблица 12.4Электроды сравнения и индикаторные электродыИндикаторные электродыЭлектроды сравненияВодородныйКаломельныйСурьмяныйХлорсеребряныйХингидронныйСтеклянный** Стеклянный электрод относится к ионоселективным электродам. Принцип его работы описан ниже.Для измерения pH составляют гальваническую цепь из электрода определения, погру¬
женного в исследуемый раствор, и электрода сравнения, и соединяют оба электродных ра¬
створа электролитическим мостиком. Электродвижущая сила гальванического элемента
равна разности потенциалов двух электродов. Если более положителен электрод сравнения*,
то Е = <рсравн- Измерив ЭДС и зная величину <p(J)aeh, можно найти фш„}, а отсюда по соот¬
ветствующей формуле вычислить величину pH. Например, если цепь составлена из кало¬
мельного и водородного электродов,H2{Pt} | н;| KCl | Hg2ci2, kci | Hg,Е = ф;,М1 - = Ф^„- (-0,059рНх) -ц>клм + 0,059рНх,отсюдаpHx = (E-^)/0,059.* Этот случай более распространен. В элементе, состоящем из каломельного и хингидронного электродов,
положителен последний, т.е. индикаторный электрод.
194РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПОписанный выше способ измерения pH основан на применении химических гальванических
элементов. Однако, для измерения pH можно использовать и концентрационные элементы.В этом случае в качестве электрода сравнения можно использовать тот же электрод, ко¬
торый взят в качестве индикаторного электрода, но поместить этот электрод в раствор с из¬
вестным значением pH. Так, например, можно использовать цепь из двух водородных элект¬
родов, из которых один (индикаторный электрод) погружен в исследуемый раствор, а другой
(электрод сравнения) — в стандартный раствор с известным значением pH. Поскольку кон¬
центрация ионов водорода в обоих электродных растворах различна, такой элемент является
примером концентрационного гальванического элемента.H2{Pt} | Н*| КС11 Щтанд | {Pt}H2
Е Ф водопои ~ Ф ао().опрв(1 0,059рНстш$ + 0,059рНх_ рНх = 0,059 + рНста"'1'12.9. Ионоселективные электродыОдним из современных физико-химических методов анализа, позволяющих контроли¬
ровать состояние окружающей среды, следить за изменением концентрации электролитов
в биологических жидкостях, является ионометрия — потенциометрический метод исследо¬
вания состава раствора с применением ионоселективных электродов (ИСЭ).В настоящее время выпускается около 30 ионоселективных электродов, при помощи кото¬
рых можно прямо или косвенно определять концентрацию более 50 катионов, анионов, а также
молекулярных соединений. Из них наибольшее применение нашли электроды, чувствительные
к ионам F , Cl*, CN-, S2', N03, Н+, Na+, NH/, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Ca2+, I(Ca2+, Mg2+), а также ИСЭ для
определения газов (С02, NH3, HCl, H2S, HCN, NO) и биомолекул (ацетилхолин, мочевина).Ионометрия имеет принципиальные преимущества по сравнению с другими методами:1. Она представляет собой идеальный метод анализа прежде всего водных растворов и
проб, хорошо растворимых в воде или содержащих легкорастворимые в воде компоненты.
Специфическая уникальная особенность ионометрии состоит в том, что этот метод позво¬
ляет определять активную концентрацию иона на фоне его общей концентрации.2. Измерения можно проводить в непрозрачных, мутных и окрашенных средах, даже в
вязких пастах. При этом исключаются длительные, трудоемкие операции фильтрования,
дистилляции и экстрагирования.3. Время установления равновесного потенциала ИСЭ обычно невелико, что позволяет
автоматизировать контроль за водной и воздушной средами.4. Ионометрия относится к группе неразрушающих методов контроля, и анализируемый
раствор может быть использован для дальнейших исследований.5. Для ионометрии характерен широкий диапазон измерений, что позволяет определять со¬
держание как основных макрокомпоиентов смеси, так и фиксировать микропримеси с достаточ¬
ной надежностью. Интервал определения активности ионов в различных природных и промыш¬
ленных объектах находится в пределах от 1 до 10~6 моль/л, но возможно определение и до
10~8 моль/л. Погрешность определения при прямой потенциометрии (т.е. определении активности
и концентрации по измеренным значениям электродного потенциала и ЭДС) составляет 2-10%.6. Унифицированность аппаратуры, ее сравнительная (в сопоставлении с другими фи¬
зико-химическими методами анализа) дешевизна, возможность создания не только стаци¬
онарных, но и переносных приборов также являются достоинствами ионометрии.
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ195Перечисленные преимущества метода позволяют широко использовать его для медико¬
биологических целей.Как и любому методу анализа, ионометрии присущ и ряд недостатков. Так, селективность
основной части электродов не так велика, чтобы производить непосредственное измерение
активности интересующего иона в любой анализируемой среде. В некоторых случаях состав
раствора должен быть приблизительно известен, чтобы оценить влияние мешающих ионов,
на которые данный электрод дает отклик или предотвратить это влияние реакциями комп-
лексообразования, осаждения или ионообмена.Возможность создания электродов, чувствительных к многозарядным ионам, ограни¬
чена точностью измерения ЭДС. Кроме того, для всех электродов характерен дрейф стан¬
дартного потенциала, что главным образом зависит от изменения температуры окру¬
жающей среды. В лабораторных условиях электрод показывает дрейф потенциала,
составляющий ~2 мВ/сутки. Наличие дрейфа требует периодической градуировки элек¬
трода.В ионометрии в роли индикаторных электродов используют ионоселективные электро¬
ды. Их аналитическими характеристиками — селективностью, диапазоном линейности элек¬
тродной функции, временем отклика потенциала на изменение концентрации потенциалоп-
ределяющего иона — определяется точность и стабильность ионометрии.Основой ИСЭ является полупроницаемая мембрана, обладающая селективной ионной
проводимостью.Возникающий мембранный потенциал и используют для измерения активности ионов
(при возможности его определения).Селективная проницаемость большинства мембран объясняется их ионообменными
свойствами, способностью проявлять свойства ионита (см. разд. 37.6). Основная особен¬
ность ионитов — способность к ионному обмену между противоионами ионита и ионами
контактирующего с ним раствора. Если катионит R-Х (то есть ионит с положительно заря¬
женными противоионами) приведен в контакт с раствором электролита, содержащим кати¬
он М+, то в этой гетерогенной системе протекает процесс обмена ионами:Х+(мембрана) + М+(раствор) <=> Х+(раствор) + М+(мембрана).Процесс этот состоит из двух стадий: а) проникновение иона М+ в мембрану, б) его пе-
резамещение внутри мембраны.Таким образом, за счет способности к ионообмену через тонкий слой полупроницаемой
мембраны ионита из одного раствора в другой селективно перемещаются ионы и мембра¬
на пробретает ионную проводимость. Особенностью мембранного потенциала является то,
что в сооответствующей ему электродной реакции не участвуют электроны. Здесь имеет
место обмен ионами между мембраной и раствором.Разность потенциалов между двумя растворами, расположенными с двух сторон ионо¬
селективной мембраны, может быть измерена. Для этого необходимо обеспечить электри¬
ческий контакт между внутренним раствором (стандартный раствор I с известной кон¬
центрацией электролита) и исследуемым раствором II, для чего используют электроды
сравнения 1 и 2 — хлорсеребряные или каломельные (рис. 12.6).Следовательно, при потенциометрических измерениях с использованием ИСЭ собира¬
ют следующий гальванический элемент:электрод
сравнения 1стандартный
раствор Iмембранаанализируемый
раствор IIэлектрод
сравнения 2
196РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Н1 — внутренний электрод сравнения2 — электрод сравненияI — стандартный растворII —исследуемый раствор
k\\\j— ионоселективная мембранаРис. 12.6. Схема работы иопоселективпого электрода.Собственно ИСЭ состоит из внутреннего электрода сравнения 1, внутреннего стандар¬
тного раствора I и ионоселективной мембраны. Этот полуэлемент погружают в анализиру¬
емый раствор II, куда опущен электрод сравнения 2.Электродвижущую силу (Е) собранного гальванического элемента можно измерить, при¬
меняя любые потенциометрические устройства, сконструированные на основе токоусили¬
тельных систем. Для этой цели служат иономеры ирЯ-метры.Величина ЭДС (Е) системы связана с активностью определяемого иона ам следующим
уравнением:Е = EP(const) ± 2,303 \g а^ = E°(const) ± S-\gaM,
zFгде +5 — угловой коэффициент для катионов, -S — угловой коэффициент для анионов.Значение постоянной величины (Е°) зависит от выбора вспомогательных электродов
сравнения (1 и 2) и их электродных потенциалов, активности стандартного раствора I, а так¬
же небольшого диффузионного потенциала.Если мембрана не является идеально селективной и пропускает также мешающие ионы
X с активностью ах и зарядом zx, то величину ЭДС цепи рассчитывают по уравнению Ни¬
кольского:Е = Е3(const) ± S-\g(aM + Кмх-а\и/г'),где KMj — коэффициент селективности электрода по отношению к определяемому иону М
на фоне мешающего иона X. Чем меньше эта величина, тем более селективна мембрана. Для
каждого электрода опытным путем определяют коэффициенты селективности по отноше¬
нию к основным мешающим ионам.Прежде чем применить ИСЭ для аналитической цели, необходимо провести его элект¬
рохимическое изучение, которое предусматривает установление основных характеристик.В частности, методом построения градуировочного графика определяют область прямой
концентрационной зависимости потенциала электрода (линейный участок электродной
функции).Калибровка электрода заключается в установлении зависимости между ЭДС (Е) и актив¬
ностью или концентрацией изучаемых ионов. Для этой цели строят эмпирический градуи¬
ровочный график (рис. 12.7) в координатах Е — (-lga) или Е — (-lg См), применяя стандар¬
тные растворы анализируемого иона. Полученную для стандартных растворов графическую
зависимость в дальнейшем используют в качестве рабочего графика при определении актив¬
ности или концентрации в анализируемых пробах.
ГЛ. 12]ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ197Рис.12.7. Калибровочная кривая ионоселективного электрода.В настоящее время выпускают иономеры, в которых отсчет активности (точнее ее от¬
рицательного логарифма, рам) любого иона ам можно производить непосредственно по
шкале (или цифровым показаниям) измерительного прибора, после его настройки по стан¬
дартным растворам. При работе с такими приборами нет необходимости в построении ка¬
либровочного графика.12.10. Типы ионоселективных электродовИоноселективные электроды классифицируют по агрегатному состоянию электродно¬
активного материала.12.10.1. Стеклянные электродыМембрана, изготовленная из натриевого (Si02-Na20-Ca0) или литиевого (Si02-Li20-
СаО) стекла, обладает катионообменными свойствами, так как в водном растворе ионы ще¬
лочного металла (Na или Li), гидратируясь, могут обмениваться только с ионами водорода
внутреннего и внешнего раствора:Н+(раствор) + №+(стекло) <=> Н+(стекло) + Na+(pacTBop).Таким образом, стеклянная мембрана приобретает свойства ионного проводника и яв¬
ляется проницаемой только для ионов водорода (рЯ-селективная мембрана).Собственно стеклянный электрод представляет собой трубку специального сорта стек¬
ла с выдутым на ее конце шариком с очень тонкой стенкой (рис. 12.8, а). Внутрь электрода
заливают раствор электролита с известной величиной pH (чаще всего раствор HCl,рН= 1)
и помещают электрод сравнения — хлорсеребряный электрод.Схема записи стеклянного электрода:Ag | AgCl, НС11 стекло | Н+ (раствор),где Н+х — неизвестная концентрация ионов водорода в исследуемом растворе.Для измерения кислотности (рис. 12.9) исследуемого раствора в него погружают стек¬
лянный электрод и соединяют со вторым электродом сравнения (обычно используют хлор¬
серебряный или каломельный).
198РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[4.II■с□б(.Рис. 12.8. Схема устройства ионоселективных электродов,
а — стеклянный электрод, б — электрод с твердой мембраной, в — электрод с жидкостной пластифицированной
мембраной, г — ферментный электрод, д — электрод с твердой мембраной с металлическим контактом.1— ионселективная мембрана 2— внутренний стандартный раствор, 3 — внутренний электрод сравнения,4 — корпус для электрода (а, г — из стекла, б, в, д — из пластмассы),5 — металлический контакт, 6 — слой фермента.Измерив ЭДС (Е) полученной цепи и зная £° в цепи стеклянного электрода, можно рас¬
считать pH исследуемого раствора:Е-Е°pH =0,059(при 298 К).Перед измерением стеклянный электрод калибруют — погружают его в буферные раство¬
ры с точно известным pH.Стеклянные рЯ-электроды — старейшие и наиболее распространенные ИСЭ. Они явля¬
ются в настоящее время лучшими рЯ-электродами, поскольку они не чувствительны к окис¬
лительно-восстановительным системам и селективны в широком диапазонерЯ— от 1 до 12,5.
Исключительно высокая селективность стеклянных рЯ-электродов (например, Кн+ + == 10-11) определяется тем, что радиус протона на несколько порядков меньше радиуса лю¬
бого катиона. Время отклика электрода составляет 5-15 секунд. Электрод позволяет прово¬
дить измерения pH с точностью ±0,03рЯ, причем возможна химическая стерилизация элект¬
рода, что делает его особенно пригодным для измерения кислотности биологических объектов.
Срок жизни электрода измеряется годами.Систематические исследования зависимости электродных свойств стекла от его соста¬
ва показали, что определенным его изменением (введением оксидов бора, алюминия) мож-
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ199Рис. 12.9. Схема измерения pH при помощи стеклянного электрода:1 — стеклянная мембрана, 2 — стандартный раствор с постоянным значением pH,3 — внутренний электрод сравнения, 4 — электрод сравнения, 5 — преобразователь.но получить стекло, электроды из которого селективны по отношению к ионам натрия, ка¬
лия, аммония, серебра. Из них наиболее широкое применение вследствие высокой селектив¬
ности нашел pAfa-электрод. Недавно стали применять стеклянные электроды и для измере¬
ния окислительно-восстановительного потенциала раствора.12.10.2. Твердофазные электродыМембрану этих электродов (рис. 12.8, б) создают из моно- или поликристаллов трудно¬
растворимых в воде солей. В этих мембранах обычно один из двух составляющих соль ионов
способен перемещаться в кристаллической решетке по ее дефектам. Поэтому электроды с
твердой мембраной используются в качестве датчиков для определения тех ионов, которые
входят в состав мембраны, а также тех ионов, которые способны взаимодействовать с актив¬
ными центрами материала мембраны.Первый твердофазный высокоселективный мембранный электрод был сконструирован
с использованием монокристалла LaF3 для определения активности ионов фтора. Он нашел
применение для определения величины pFb питьевой, морской и сточных водах, при иссле¬
довании костей, зубов, слюны, зубных паст и т.д.Существенным достоинством этих электродов является длительный срок работы. Одна¬
ко число твердых ионных кристаллических соединений, обладающих ионной селективной
проводимостью, ограничено.12.10.3. Электроды с жидкой мембранойЭти электроды представляют собой Диафрагму, поры которой заполнены раствором
электродноактивного вещества в органическом растворителе (рис. 12.8, в). В качестве
электродноактивных веществ используют ионообменные смолы (жидкие катиониты или
аниониты) или нейтральные молекулы — мембраноактивные комплексоны, способные
к образованию хелатов. Диафрагма разделяет два водных раствора — раствор с извест¬
200РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пной концентрацией иона, по отношению к которому селективна мембрана, и раствор с не¬
известной концентрацией этого иона.Селективность жидкостных мембран определяется избирательностью комплексообра-
зования или обмена ионов между мембраной и раствором. Известны электронейтральные
липофильные реагенты со сравнительно небольшой молекулярной массой (например, ан¬
тибиотик валиномицин), которые образуют комплексные соединения с некоторыми кати¬
онами. Такие лиганды способны экстрагировать катионы из водных растворов в гидрофоб¬
ную фазу мембраны и переносить их через мембрану из одного водного раствора в другой.
Поэтому нейтральные переносчики ионов являются важными компонентами природных
транспортных ионных систем. Их и вводят в аналогичные искусственные системы, основ¬
ным условием работы которых является избирательность присутствующих в мембране пе¬
реносчиков к определенным ионам. Электрод на основе валиномицина стал одним из наи¬
более важных ионоселективных электродов благодаря его уникальной избирательности к
ионам калия.Ассортимент жидкостных ИСЭ постоянно увеличивается. Известны электроды, селек¬
тивные ц катионам (Cu2+, Mg2+, Mn2+, NH/ и др.), анионам (NO3, СО^~, S042- и др.), а также
к ионогейным органическим соединениям. Среди них наиболее важными для решения эко¬
логических проблем являются электроды, селективные к поверхностно-активным веще¬
ствам (определение загрязнений моющими средствами) и к ацетилхолину (определение
загрязнений фосфорорганическими ядохимикатами).В свое время одной из больших трудностей в физиологических исследованиях кальци¬
евого метаболизма было отсутствие удобного метода определения несвязанного катиона
кальция. Теперь в медико-биологических исследованиях применяют жидкостные Са-элек-
троды как на основе нейтральных лигандов, так и катионитов (диалкилфосфатов).Механическая непрочность пористых мембран, неизбежное попадание органической
фазы в анализируемый раствор затрудняют применение ИСЭ с жидкими мембранами в био¬
медицинских исследованиях.Эти недостатки частично устранены в пленочных (так называемых отвержденных) элек¬
тродах, в которых электродноактивное вещество и растворитель-пластификатор внедрены
в полимерную матрицу. Срок службы таких ИСЭ увеличивается до года.12.10.4. Газовые, ферментные и бактериальные электродыОсобое место в потенциометрических методах анализа занимают газовые (газочувстви¬
тельные), ферментные (рис. 12.8, г), бактериальные, иммуноэлектроды (называемые биоло¬
гическими сенсорами). Существенное отличие последних от обычных ионоселективных —
использование промежуточной реакции, в результате которой из молекул определяемых ве¬
ществ образуются ионы, активность которых может быть определена одним из вышепере¬
численных ИСЭ.Газовые электроды позволяют определять активную концентрацию следующих газов:
С02, NH3, N02, H2S, НХ (X = F, Cl, Вг, I). В основе действия газовых электродов лежит ре¬
акция с участием воды, в результате которой изменяется характер среды, например:С02 + н2о <=> Н+ + нсо3-
NH3 + Н20 <р> ОН" + NH4+.Индикаторными ИСЭ на выделяющиеся при этих реакциях ионы (Н+, ОН-) служат стек¬
лянные рЯ-электроды.
ГЛ. 12] ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ИОНОМЕТРИЯ201Газочувствительные электроды находят все большее применение, к примеру, при конт¬
роле содержания различных компонентов в выхлопных газах автомобилей. Однако их ши¬
рокому внедрению препятствует сложность конструкции.Позднее появились ферментные, бактериальные и иммуноэлектроды, сочетающие селек¬
тивность и чувствительность биохимических реакций со скоростью и простотой измерений
потенциометрического метода.Так, ферментные электроды можно использовать для определения концентрации не толь¬
ко продуктов ферментативной реакции, но и любого участвующего в этой реакции вещества,
что особенно важно для многостадийных реакций, а также для определения активности фер¬
мента, концентрации его ингибиторов и активаторов.12.11. Ионометрия в медицинеПрименение биологических сенсоров существенно расширило рамки ионометрии, позво¬
лив определять концентрацию органических соединений в водных растворах (глюкозы, мо¬
чевины, аминокислот и др.), что перспективно для медицинской практики.Дальнейший прогресс в развитии ионометрии связан, во-первых, с разработкой новых
ИСЭ, с созданием (с помощью уже разработанных или даже серийно выпускаемых элект¬
родов) аналитических методик определения ионов и низко- и высокомолекулярных органи¬
ческих соединений, которые раньше методом ионометрии не обнаруживались (например,
белки, сахара и др.). Другое направление — улучшение конструкции электродов, например,
создание электродов с твердым внутренним контактом между мембраной и металлическим
токоотводом. Эти электроды не имеют внутреннего жидкостного заполнения. Твердый ме¬
таллизированный контакт был впервые применен к стеклянным электродам. Затем были
разработаны также электроды с металлическим внутренним контактом, содержащие мемб¬
раны из галогенидов и сульфидов тяжелых металлов. Такие электроды считаются ионосе¬
лективными электродами второго поколения (рис. 12.8, д).В практике клинических лабораторий повсеместно применяется как измерение по¬
тенциалов, связанных с переносом электронов, с помощью окислительно-восстанови¬
тельных (в широком смысле) электродов, так и измерение потенциалов, обусловленных
переносом ионов, с помощью ионоселективных электродов (см. ниже). Наряду с класси¬
ческим методом исследования кислотности желудочного сока методом зондирования
большое применение находит электрометрический метод определения pH — введение в
желудок больного капсулы, содержащей миниатюрную пару электродов — стеклянный
и хлорсеребряный — для измерения pH желудочного сока непосредственно в организме.
Электрометрическое измерение pH применяется также для непрерывного контроля кис¬
лотности во время хирургической операции, при диагностике некоторых кожных забо¬
леваний, при предварительном испытании новых лекарственных препаратов вне орга¬
низма (ш vitro) и во многих других случаях.Так же легко, как определяютрЯ, можно измерить активные концентрации важнейших
в медико-биологическом отношении ионов (например, Na+, К+, Са2+, NHJ, Pb2+, Cl“, Br, I”,
NOj и др.), используя соответствующие ионоселективные электроды. Интенсивное внедре¬
ние ионометрических методов в медико-биологические исследования обусловлено, во-пер-
зых, важностью контроля водно-электролитного баланса и кислотно-щелочного состояния
организма и его отдельных органов и, во-вторых, необходимостью определения состава ле¬
карственных препаратов, ферментов, физиологических растворов, продуктов питания, по¬
чвы. природных вод, атмосферы и т.д.
202РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.ПЕще одна область применения метода ионометрии — нахождение так называемого ком¬
промиссного (смешанного) потенциала тех или иных тканей или органов с помощью мик¬
роэлектродов. Суммарная совокупность смесей окислителей и восстановителей с учетом их
концентраций определяет величину этого потенциала. Оказалось, что его величина специ¬
фична для тех или иных тканей. Например, компромиссный потенциал кожи здорового че¬
ловека находится в интервале 220-280 мВ, а мышечной ткани — 170-220 мВ. В частности,
при ишемической болезни, когда суммарное окислительно-восстановительное равновесие
в тканях смещено в сторону уменьшения содержания окислителей, величина этого потен¬
циала в мышцах падает до 160 мВ, причем это отклонение в большей степени затрагивает
мышцы, чем кожу. Таким образом, величина компромиссного потенциала становится диаг¬
ностическим признаком.Итак, окислительно-восстановительные процессы играют исключительно важную роль
в живых системах: снабжают их энергией, необходимым «строительным материалом» и уча¬
ствуют в механизмах биорегуляции. С помощью регулируемого обмена веществ достигает¬
ся постоянство содержания окислителей и восстановителей и продуктов их взаимодействия
в организме, обеспечивая окислительно-восстановительный гомеостаз. Контроль окисли-
тельно-вок:тановительного гомеостаза, как и нахождение концентраций практически любых
ионов биосред, осуществляется с помощью метода ионометрии, одного из универсальных
диагностических физико-химических методов.
Глава 13.ГЕТЕРОГЕННОЕ РАВНОВЕСИЕРастворение бывает двоякое: целостное и
частичное. Первое происходит, когда
растворяющееся тело целиком переходит
в растворитель; второе — когда какая-
нибудь составная часть выделяется из
растворяющегося тела силою раствори¬
теля и соединяется с ним.М. В. ЛомоносовРассмотренные выше случаи относятся к числу примеров гомогенного равновесия, т.е.
процессов, имеющих место в одной фазе, а именно в растворе. Фазой называют гомогенную
(однородную) часть гетерогеной системы, обладающую одинаковым химическим составом
и термодинамическими свойствами, ограниченную от других фаз системы поверхностью
раздела. На границе данной фазы с внешней средой или другими фазами термодинамиче¬
ские свойства и химический состав изменяются скачкообразно. Если компоненты химиче¬
ской реакции находятся в разных фазах, то речь идет о гетерогенных процессах. В случае ге¬
терогенных превращений в выражении для константы равновесия следует считаться только
с теми компонентами, концентрации которых изменяются в ходе реакции.Практически во всех реакциях в широком интервале температур твердая фаза вносит по¬
стоянный вклад (const) в химическое равновесие и может быть включена в константу рав¬
новесия.13.1. Произведение растворимостиСлучаем гетерогенного равновесия является и растворение труднорастворимых веществ
(в частности, солей) в любых растворителях, в том числе и в воде.Энтальпия растворения солей (и любых других веществ) складывается из энтальпии
разрушения кристаллической решетки и энтальпии гидратации, т.к. каждый ион в раство¬
ре окружен гидратной оболочкой. Первая составляющая есть величина положительная
(эндотермический процесс), а вторая — отрицательная (экзотермический процесс). В со¬
204РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Пответствии с этим их алгебраическая сумма может принимать как положительные, так и
отрицательные значения. Следовательно, одни соли растворяются с выделением тепла, а
другие — с поглощением. Поэтому с увеличением температуры растворимость солей мо¬
жет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Например, растворимость NaCl при нагрева¬
нии увеличивается, т.к. этот процесс эндотермический; напротив, растворимость Na2S04
с ростом температуры падает, т.к. этот процесс экзотермичен. Однако, как уже отмечалось,
растворение солей идет самопроизвольно, т.к. связано с резким увеличением энтропии,
поскольку происходит разрушение упорядоченной высокоорганизованной структуры
кристаллической решетки.В зависимости от содержания растворенного вещества и соотношения скоростей процес¬
сов растворения и кристаллизации различают насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные
растворы.Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с осадком растворяемо¬
го вещества, при этом скорость растворения вещества равна скорости его кристаллизации.
Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество
растворенного вещества.Ненасыщенным называется раствор, концентрация которого ниже концентрации насы¬
щенного раствора, поэтому в таком растворе всегда можно растворить при тех же условиях
дополнительное количество растворяемого вещества.Пересыщенным называется раствор, концентрация которого выше концентрации на¬
сыщенного раствора. Пересыщенный раствор обычно получают осторожным охлаждением
насыщенного раствора, и он является термодинамически неустойчивой, неравновесной
системой. Обычно при внесении в пересыщенный раствор кристаллов или встряхивании
начинается самопроизвольная быстрая кристаллизация из раствора избытка растворенного
вещества. Процесс кристаллизации продолжается до тех пор, пока раствор не станет насы¬
щенным для данных условий.Количественно растворимость различных веществ выражается концентрацией насыщен¬
ных растворов. Растворимость (5) данного вещества равна его молярной концентрации в
насыщенном растворе в моль/л. Растворимость часто выражают и в граммах растворенно¬
го вещества на 100 г растворителя.Растворимость вещества зависит от природы растворяемого вещества, т.е. от его сродства
к растворителю, температуры, концентрации ионов в растворе. При растворении большинства
солей в воде в раствор переходят не молекулы, а ионы. Поэтому в водном насыщенном раство¬
ре малорастворимого сильного электролита между твердой фазой (осадком) и ионами этого
электролита в водной фазе устанавливается динамическое гетерогенное равновесие.Рассмотрим гетерогенное равновесие между кристаллическим осадком малораствори¬
мой соли AgCl и его водным раствором, содержащим ионы Ag+ и С1". При введении в воду
соли в количестве, большем, чем это необходимо для получения насыщенного раствора,
будет иметь место равновесие между твердой фазой и ионами соли в растворе:(AgCl)TB^±Ag+ + Cl-,
а в общем виде для любого труднорастворимого электролита:(АД)™ .^.гА^ + т/В*-.Учитывая постоянство концентрации твердого вещества [АД] = const, получим:Kpmi:const = [А*Ч'[ВЧ»“ ПРЛЛ.
ГЛ. 13]ГЕТЕРОГЕННОЕ РАВНОВЕСИЕ205В частности, для AgCl:/WV, = [Ag+][Cl-].В насыщенном растворе малорастворимого электролита произведение концентраций его
ионов* в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, есть величина постоянная
при данной температуре, называемая произведением растворимости (ПР).пр=(v У У УЪ5**- >у,где а — активности ионов, у — коэффициенты активности ионов, s — растворимость элект¬
ролита.Величина ПР характеризует растворимость электролита при данной температуре. Она
определяется природой электролита и растворителя. Типичные величины ПР некоторых труд¬
но растворимых солей даны в табл. 13.1. Величина ПР солей обычно приводится при 298 К, т.к.
их растворимость, как уже отмечалось, различным образом зависит от температуры.Произведения растворимости некоторых солейТаблица 13.1СольПРСольПРAgCl00о1оHgS1,6-Ю"52AgBr5,3'10*3Mg3(P04),ОО-Г-НAgl00001—рCa3(P04)22,0 О-29BaSO,1,МО“10СаНР042,7-10-7PbS2,5-10"27Са5(0Н)(Р04)31,610“Иногда вместо ПР используют величинырПР ( -lg ПР). Например,рПР^а = 9,8, рЯР^Дг= 12,3,
а рПРАё, = 16,1. Это свидетельствует об уменьшении растворимости в ряду AgCl > AgBr > Agl.Растворимость любого малорастворимого электролита состава А.Д, (s, моль/л) можно
рассчитать по формуле:ПРs = x+?l-А*ВуХхуу13.2. Условия выпадения и растворения осадкаСмещение ионных гетерогенных равновесий происходит в соответствии с принципом Ле
Шателье, а именно, изменение концентрации одноименных (то есть входящих в состав соли)
ионов вызывает изменение растворимости электролита, поскольку произведение раствори¬
мости — величина постоянная. Из этой закономерности вытекают следствия.а) Выпадение осадка. Осадок малорастворимого электролита выпадает из пересыщен¬
ного раствора. Осадок образуется, если произведение реальных концентраций его ионов (ПИ)
в растворе с учетом коэффициентов в уравнении диссоциации данного электролита больше* Более правильно творить об активностях ионов.
206РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХ[Ч.Нпроизведения растворимости, т.е. ПИ> ПР, что имеет место в пересыщенном растворе. Вы¬
падение осадка продолжается до тех пор, пока раствор не станет насыщенным.б) Растворение осадка. Осадок малорастворимого электролита будет растворяться в
том случае, если раствор над ним станет ненасыщенным, то есть, когда в растворе над осад¬
ком этого малорастворимого электролита стехиометрическое произведение концентраций
ионов меньше его произведения растворимости (ПИ<ПР, ненасыщенный раствор). После¬
днего можно достигнуть разведением раствора, а также удалением или связыванием одно¬
го из одноименных ионов в более прочное соединение.Например, труднорастворимая соль ВаС03 легко растворяется в соляной кислоте из-за
резкого понижения концентрации карбонат-иона, разрушающегося в углекислый газ, поки¬
дающего реакционную сферу:ВаС03 + 2НС1 -> ВаС12 + С02 + Н20.Растворение малорастворимого гидроксида железа(Ш) в кислоте происходит из-за бо¬
лее прочного связывания ионов ОН" в молекуле Н20, чем они связаны в осадке:Fe(OH)3 + ЗНС1 -> FeCl3 + 3H20.Осадок AgCl растворяется в водном растворе аммиака, поскольку взаимодействуя с ам¬
миаком, образует растворимый комплекс, устойчивый при избытке аммиака в растворе:AgCl + 2NH3 —»[Ag(NH3)2]Cl.Растворение осадков может происходить в результате окислительно-восстановительной
реакции:CuS + 4HN03 -> Cu(N03)2 + 2NO + S02 + 2H20.Итак, растворение осадка является следствием конкуренции между гетерогенным рав¬
новесием и химическими равновесиями, которую выигрывает то равновесие, которое при¬
водит к более прочному связыванию или полному удалению одноименных ионов, участву¬
ющих в этих равновесиях.в) Полнота осаждения ионов. На практике часто необходимо удалять ионы из раствора
переводом их в осадок. В частности, таким образом можно удалить из раствора токсичный
ион и тем самым предотвратить отравление.Для достижения полноты осаждения малорастворимого сильного электролита из его на¬
сыщенного раствора следует увеличить в растворе концентрацию каких-либо ионов, входя¬
щих в состав этого электролита.В соответствии с принципом Ле Шателье при введении в раствор труднорастворимой
соли хорошо растворимого электролита, содержащего ионы Ау+ или Вх~ (одноименный ион),
концентрация противоиона должна уменьшаться за счет перехода его в осадок. Другими сло¬
вами, при добавлении одноименного иона растворимость соли уменьшается. Это значит, что
растворимость AgCl, к примеру, в чистой воде выше, чем в водном растворе NaCl.Растворимость электролитов в воде, как правило, уменьшается при добавлении к их раствору
хорошо растворимых в воде веществ: соли, спирт и др. Причиной этого является гидратация
добавляемых веществ, приводящая к уменьшению в растворе «свободной» воды и делает раствор
пересыщенным. Аналогичные явления наблюдаются и в случае растворов газов, когда добавле¬
ние электролитов или хорошо растворимых веществ способствует их выделению из раствора.г) Порядок осаждения ионов. Если к раствору, содержащему смесь ионов, осаждаемых
одним и тем же ионом, добавлять этот ион, то образование осадков малорастворимых элек¬
ГЛ. 13]ГЕТЕРОГЕННОЕ РАВНОВЕСИЕ207тролитов происходит ступенчато: первым осаждается тот электролит, для достижения вели¬
чины произведения растворимости которого требуется меньшая концентрация добавляемо¬
го иона-осадителя.Если к раствору, содержащему смесь хлорид-, бромид- и иодид-ионов добавлять кати-
он-осадитель — катион серебра, то в первую очередь будет осаждаться иодид серебра, так как
его произведение растворимости в этом случае минимально и будет достигаться прежде все¬
го. Хлорид-ион перейдет в осадок в последнюю очередь.В биосредах следует учитывать, к примеру, что фосфат магния растворим лучше фосфа¬
та кальция (см. табл. 13.1), а это означает, что из этих ионов, в близких количествах содер¬
жащихся в плазме, в первую очередь в осадок будут переходить кальциевые соли, которые
и составляют основу костной ткани.д) Солевой эффект. Растворимость солей зависит и от добавления электролитов, не имею¬
щих общих с ними ионов. Обычно это улучшает растворимость, причем она растет с увеличени¬
ем ионной силы раствора. Причина этого явления, называемого солевым эффектом, вызвана
понижением коэффициентов активности (а, следовательно, и активности) ионов, входящих в
состав трудно растворимой соли из-за роста сил межионного взаимодействия.13.3. Гетерогенные равновесия и организмВ организме человека важнейшие гетерогенные процессы с участием неорганических
ионов связаны в первую очередь с образованием и растворением минеральной основы кост¬
ной ткани.Ее основной компонент — гидроксоапатит, гидроксофосфат кальция Са5(0Н)(Р04)3. Его
образование можно выразить общей схемой:5Са2+ + ЗНР042- + НОН <=> Са5(ОН)(РО,)3 + 4Н+.Уравнение показывает, что в кислой среде костная ткань разрушается.Формирование костной ткани начинается с плазмы крови. В плазме содержатся необхо¬
димые для этого катионы кальция, а также дигидро- и гидрофосфат-ионы. Кроме этого, в ней
же находятся и катионы, и анионы, обеспечивающие соответствующее кислотно-основное
равновесие (см. гл. 9). Концентрация катиона кальция в плазме составляет 2,5* 10_3 моль/л,
однако лишь часть его, а именно МО"3 моль/л, находится в ионизированном виде. Концен¬
трация гидрофосфат-иона в плазме — 2,9-10-4 моль/л.Из данных табл. 13.1 видно, что этих концентраций достаточно для образования осадка
СаНРО^ (ПР = 2,7-10-7, ПИ= 2,9-10-7). Так как раствор лишь слегка пересыщен, в плазме кри¬
сталлизация приводит к образованию малых количеств микрокристалликов гидрофосфата
кальция.В омываемых кровью (а, следовательно, и микрокристаллическим осадком гидрофосфа¬
та кальция) клетках костной ткани, именуемых остеобластами, в результате ферментативно¬
го гидролиза содержащихся в них биомолекул — сложных эфиров фосфорной кислоты — уве¬
личивается концентрация фосфат-ионов. Это создает условия для еще большего пересыщения
раствора фосфатов кальция, что способствует превращению гидрофосфата кальция в гидро¬
ксоапатит. Этому же благоприятствует и слабощелочная среда плазмы. Таким образом, уста¬
навливается динамическое равновесие, состояние которого определяется совокупностью трех
факторов, а именно концентрациями фосфат-ионов и катионов кальция, а также кислотностью
среды. Следствием такого равновесия является ежедневный обмен 700-800 мг кальция в со¬
ставе костной ткани.
208РАВНОВЕСИЯ В БИОСРЕДАХПри увеличении концентраций свободных ионов кальция и гидрофосфат-ионов в плаз¬
ме происходит отложение гидроксоапатита в костной ткани. Их снижение приводит к ра¬
створению костей, что наблюдается у детей при рахитах, у беременных, когда их костный
материал расходуется на формирование скелета плода, у космонавтов из-за нарушения де¬
ятельности ферментов, ответственных за кальциевый обмен в организме.Повышение кислотности среды также приводит к растворению гидроксоапатита. Осо¬
бенно наглядно влияние кислотности среды для случая разрушения зубной ткани, мине¬
ральную основу которой также составляет гидроксоапатит. Анаэробные микроорганизмы
полости рта метаболируют с образованием органических кислот, которые и растворяют гид¬
роксоапатит зубов. В этом состоит причина кариеса. При небольшом повышении содержа¬
ния протонов кость начинает растворяться, отдавая катионы кальция:Са5(Р04)30Н + 2Н+—> Са4Н(Р04)3 + Са2+ + Н20.При дальнейшем увеличении кислотности среды происходит ее полный распад:
Са5(Р04)3ОН + 7Н+—> ЗН2Р04 + 5Са2+ + Н20.Вместе с гидроксоапатитом в костной ткани могут осаждаться и другие ионы. В первую
очередь это относится к фторид-аниону. Замена гидроксильной группы на фтор в гидроксо-
апатите приводит к еще менее растворимому и более механически прочному фторапатиту
Ca5F(P04)3. Присутствие микроколичеств фторапатита в костной ткани сообщает ей проч¬
ность. Особенно важен фторапатит как прочное кислотоустойчивое покрытие зубов — зуб¬
ная эмаль. Очевидна необходимость добавок фторид-иона в зубные пасты.Замещать кальций в составе костной ткани могут катионы других металлов второй груп¬
пы Периодической системы: магния, бериллия и стронция. Если содержание первого в ма¬
лых количествах в костях естественно, причем это малое количество легко объяснимо луч¬
шей растворимостью фосфата магния по сравнению с кальциевыми солями, то появление
других крайне нежелательно. Ионы стронция, замещая ионы кальция в костях, вызывают их
ломкость (стронциевый рахит). Особо опасен радиоактивный изотоп стронций-90, который
при попадании в состав костной ткани облучает костный мозг и нарушает кроветворные про¬
цессы. Даже небольшое количество бериллия в составе костей приводит к заболеванию, име¬
нуемому бериллиозом, состоящем в размягчении костей. Это — типичные примеры микро-
элементозов (см. разд. 11.2).В некоторых органах человека могут откладываться и другие малорастворимые соедине¬
ния. Так, карбонат кальция, отлагаясь на стенках кровеносных сосудов, вызывает кальциноз.Почечно-каменная болезнь состоит в образовании камней — отложений солей раз¬
личного состава: урата кальция — соли мочевой кислоты (промежуточное вещество азот¬
ного обмена), малорастворимых фосфатов или оксалатов кальция. Формирование кам¬
ней происходит из коллоидных частиц в результате процесса коагуляции (см. разд. 38.9).
Их отложению способствует увеличение pH мочи, то есть щелочная среда. Кстати, одной
из причин гибели при отравлении этиленгликолем является закупорка сосудов множе¬
ственным отложением малорастворимого оксалата кальция, который выпадает в осадок
из-за того, что в плазме резко возрастает концентрация щавелевой кислоты — продукта
метаболического окисления этиленгликоля.Печеночно-каменная болезнь связана с образованием карбоната кальция, а также били-
рубината* кальция.* Билирубин — один из продуктов разложения гемоглобина.
ГЛ. 13]ГЕТЕРОГЕННОЕ РАВНОВЕСИЕ209Химические приемы лечения этих патологических состояний основаны на действии пре¬
паратов, растворяющих камни, для чего кроме химиотерапии прибегают к специальным ди¬
етам и минеральным водам.Отдельно следует сказать о малой растворимости сульфидов ряда катионов d-металлов
(ртуть, кадмий, таллий и др.), а также катионов свинца(Н) и мышьяка(Ш). Органические
вещества, содержащие остаток сероводорода — тиольную группу, в первую очередь, белки
и ферменты, по этой же причине прочно и необратимо связываются с такими катионами.
В результате имеет место денатурация белков и потеря ферментами их активности. Следо¬
вательно, эти ионы сильно токсичны. Исходя из общих соображений, простейшим противо¬
ядием при попадании ионов тяжелых металлов в организм должны быть растворимые суль¬
фиды, реагирующие с такими катионами с образованием малорастворимых сульфидов, что
понижает концентрации токсичных катионов. Для этой цели применяют так называемое
щелочное сероводородное питье, а именно сульфид натрия:Hg2+ + S2'^HgSi.Большую группу противоядий составляют органические вещества, содержащие тиоль-
ные группы (см. разд. 23.3).Следовательно, гетерогенное равновесие наряду с другими видами равновесных биопро¬
цессов вносит существенный вклад в общий гомеостаз организма, тканей, органов.Реакции осаждения широко применяют в клиническом, гигиеническом и фармацевти¬
ческом анализе. С их помощью определяют содержание хлорид-иона в плазме, моче и желу¬
дочном соке, анализируют токсичные ионы и др.Суммируя материал этой части, можно заключить, что многочисленные химические пре¬
вращения в живых системах поддерживаются за счет совокупности равновесных систем.Понимание сути большого количества патологических состояний и болезней или по¬
следствий этих явлений требует глубокого комплексного анализа химических причин с по¬
зиций нарушения функционирования таких равновесных систем. Это справедливо как для
какой-либо разновидности анемии, связанной с нарушением металло-лигандного обмена,
так и для лучевого поражения, вызывающего в первую очередь нарушение кислотно-ос¬
новного состояния плазмы крови, для случаев отравления ионами тяжелых металлов, на¬
рушающего гетерогенное равновесие биосред, или для такой инфекционной болезни, как
холера, самым важным последствием которой является нарушение водно-электролитно¬
го баланса организма, и т.д.
ЧАСТЬ IIIАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В МЕДИЦИНЕНам нет надобности иметь дело с телами,
состав которых основывается на предпо¬
ложениях — мы знаем его с полной уверен¬
ностью; нам известно, в каких соотноше¬
ниях они соединяются; мы знаем, что они
образуются силами, которые мы в состоя¬
нии познать.Ю. ЛибихОБЩИЕ ПОНЯТИЯВ практической деятельности врача часто возникает необходимость идентификации (об¬
наружения) того или иного компонента биосред (окружающей среды) или их совокупнос¬
ти, а также количественной оценки (измерения) его содержания. Типичными примерами мо¬
гут служить повседневные биохимические анализы крови и мочи, которые дают информациюо содержании многочисленных составляющих этих сред.Химические идентификация (качественный анализ) и измерения (количественный ана¬
лиз) являются предметом специальной химической дисциплины — аналитической химии.
Аналитическая химия — наука о методах идентификации и определения относительных ко¬
личеств одного или нескольких компонентов в пробе исследуемого вещества.Целью качественного анализа является идентификация. Химическая идентификация
(обнаружение) — это установление вида и состояния атомов, молекул, ионов и других ком¬
понентов анализируемого объекта сопоставлением экспериментальных и соответствую¬
щих справочных данных для известных веществ. При идентификации определяется набор
свойств веществ (цвет, плотность, вязкость, температуры плавления и (или) кипения, ра¬
створимость, электродный потенциал и др.), либо какое-то одно из них.При анализе многокомпонентных смесей, а таковы все биологические объекты (плазма,
моча, желудочный сок, выдыхаемый воздух и т.д.) все чаще используются инструменталь¬
ные методы (потенциометрия, спектрометрия, спектрофотометрия, хроматография, поля¬
рография и др.), в том числе позволяющие непосредственно перед анализом разделить смесь
на отдельные компоненты.Поскольку в настоящее время связь дисбаланса химического состава биосред организ¬
ма с конкретными заболеваниями определенно выявлена на большом числе примеров, ак¬
тивно внедряются в практику автоматизированные системы химического клинического
анализа в сочетании с компьютерной обработкой обширных баз данных.
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ211Количественный анализ — совокупность экспериментальных методик, позволяющих
определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных ча¬
стей (концентрации, массы и т.п.), выраженное в виде границ доверительного интервала или
числа с указанием погрешности.Количественный анализ может быть полным, частным и элементным. Целью полного
анализа является определение количественного содержания каждого компонента в образ¬
це. Так, при полном анализе крови определяют содержание в ней глюкозы, гемоглобина, би¬
лирубина, ионов натрия, калия и т.д.Чаще производят частный анализ, в ходе которого устанавливают содержание какого-то
одного компонента (гемоглобина в крови, сахара в моче и т.д).Элементный анализ сводится к определению процентного содержания элемента незави¬
симо от того, в состав каких соединений он входит (так, к примеру, определяют суммарное
содержание азота в моче и др.).В целом химический анализ состоит из трех стадий: непосредственное исследование (по¬
лучение аналитического сигнала), обработка полученных данных, оформление результатов.
При этом под аналитическим сигналом понимают величину, получаемую в результате экс¬
перимента и функционально связанную с количеством определяемого образца.Примером аналитического сигнала может быть величина окислительно-восстановитель¬
ного потенциала электрода, количество выпавшего осадка, интенсивность возникшей в ре¬
зультате аналитического теста окраски и другие величины, непосредственно зависящие от
количества вещества.Однако, химический эксперимент, выполняемый в ходе медико-биологического исследова¬
ния, как правило, включает в себя еще одну — предварительную стадию — подготовку образца.Причин этому может быть две: образец представлен смесью веществ, не подвергающих¬
ся раздельному анализу (мешающие примеси); концентрация анализируемого компонента
слишком мала для непосредственного определения. В медико-биологических исследованиях
обе эти причины (особенно первая) весьма актуальны, поскольку практически все среды че¬
ловеческого организма являются сложными биохимическими смесями, содержание отдель¬
ных веществ в которых может быть весьма незначительным.Чтобы устранить эти препятствия, на стадии подготовки образца используют четыре ос¬
новных приема: осаждение, экстракция, адсорбция и электромиграция.Первые три из них применяют как с целью удаления из раствора мешающих примесей
(либо индивидуального выделения объекта анализа), так и для концентрирования веществ
при низких пороговых концентрациях. Принципы осаждения и адсорбции детально рас¬
смотрены в соответствующих главах учебника. Экстракция — извлечение вещества из вод¬
ной фазы (или какой-либо другой фазы) не смешивающимся с ней органическим раствори¬
телем (или наоборот).Электромиграционные методы подготовки образца используются для разделения ионов
в растворе и основаны на их различной подвижности в электрическом поле.Обычно методы химического анализа подразделяют на две группы — классические и ин¬
струментальные. Такой способ классификации не учитывает современного состояния воп¬
роса, когда даже самые рутинные методы анализа приобретают соответствующее аппаратур¬
ное оформление. Более удачная классификация подразделяет методы химического анализа
на четыре основные группы: химические, физико-химические, физические и гибридные ме¬
тоды (схема 14.1).Химические методы охватывают круг исследований, основанных на использовании хи
мических реакций, и предусматривают визуальное определение результата. Это наблюдение
МЕТОДЫ АНАЛИЗА В МЕДИЦИНЕ212АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIзаместительная
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ213специфической окраски, выпадения осадка, выделения газа и т.д. Химические количествен¬
ные методы подразделяются на две основные группы: гравиметрические и титриметрические.Гравиметрия основана на законе сохранения массы при химических превращениях и
предполагает измерение массы определяемого вещества, выделенного из анализируемого об¬
разца. Методы гравиметрии подразделяются на осадительные, электролитические, отгонки
и отличаются высокой точностью и надежностью. С помощью гравиметрического метода
осаждения осуществляется определение содержания углекислоты в искусственных дыха¬
тельных смесях (с помощью известкового химического поглотителя на основе гидроксида
кальция); определение содержания свинца в консервах (осаждением в виде иодида) и др.
Методы титриметрии будут подробно изложены ниже (см. гл. 15).Физические методы основаны на измерении с помощью приборов физических свойств
анализируемых веществ, непосредственно зависящих от изменения их химического состава.Использование химических реакций в данном случае исключено. Примерами таких ме¬
тодов могут быть измерение плотности водно-спиртовых смесей с помощью ареометра с це¬
лью определения концентрации раствора, а также криометрические исследования.Физико-химические методы основаны на измерении физических свойств, появляю¬
щихся или изменяющихся в ходе проводимых химических реакций. Например, фотоколо-
риметрический метод позволяет следить за динамикой изменения концентрации глюкозы
в крови или моче диабетиков.Наконец, гибридные методы — соединяют в себе способы разделения образца и непо¬
средственного определения искомого результата. Иногда к гибридным относят также мето¬
ды, использующие одновременно несколько классических приемов анализа, однако, подоб¬
ные методы правильнее именовать комплексными.Для того, чтобы выбрать метод, наиболее полно отвечающий целям исследования, необ¬
ходимо хорошо представлять себе критерии этого выбора.Важнейшими из них являются: чувствительность, предел обнаружения, воспроизводи¬
мость, правильность.Чувствительность характеризует ту минимальную концентрацию определяемого ве¬
щества, которую можно количественно определить на серийной аппаратуре со стандартной
для данного метода погрешностью.Предел обнаружения — минимальная концентрация вещества, которую можно каче¬
ственно обнаружить данным методом.Очевидно, что величина, характеризующая предел обнаружения, всегда меньше таковой
для чувствительности. Знание предела обнаружения чрезвычайно важно, так как в том слу¬
чае, если реальная концентрация вещества окажется ниже этого значения, анализ даст отри¬
цательный результат даже при наличии в анализируемом образце объекта исследования.Воспроизводимость показывает, насколько результаты, достигаемые с помощью данно¬
го метода, являются стабильными; нет ли различий между двумя и более определениями, вы¬
полненными идентичным образом для одного и того же образца.Правильность — это процент ошибок определения данным методом и его системати¬
ческая погрешность.В частности, химические методы отличаются высокой точностью, но относительно невы¬
сокими пределами обнаружения; физические — малой величиной предела обнаружения и
объективностью результатов, но далеко не всегда специфичны; физико-химические харак¬
теризуются — низким пределом обнаружения и быстротой выполнения определений.Обработка данных, полученных в ходе эксперимента, может быть достаточно простой
операцией в том случае, если исследователь располагает конкретной формулой, связыва¬
214АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.Шющей величину аналитического сигнала с концентрацией искомого вещества. Однако, в
случае реальных медико-биологических экспериментов такая формула не всегда извес¬
тна. Более того, использование готовой формулы в тех случаях, когда эксперимент вы¬
полняется впервые, может стать источником значительных ошибок, поскольку предпола¬
гает скрупулезное воспроизведение тех условий исследования, для которых эта формула
разрабатывалась.Специалист, не обладающий достаточным опытом в конкретной области химического
анализа (а к таковым, по понятным причинам, принадлежит большинство практикующих
врачей) может не только не придать какому-то из этих условий значения, но и не знать их
вообще, тем более, что в медицинской литературе условия проведения химических экспери¬
ментов иногда опускаются вовсе.В тех случаях, когда исследователь не располагает формулой для пересчета аналитиче¬
ского сигнала в концентрацию искомого вещества, а также с целью проверки применимос¬
ти имеющейся формулы, прибегают к построению калибровочного графика (рис. 14.1).Аналитический
;k сигнал□ — калибровочные точки, полученные при анализе
стандартных образцов
х — величина аналитического сигнала, полученная при
анализе неизвестного образца
у — концентрация вещества в анализируемом растворевеществаРис. 14.1. Определение концентрации анализируемого вещества с помощью калибровочного графика.Метод калибровочного графика предполагает несколько этапов действий:1. Приготовление 4-5 образцов с известным содержанием анализируемого вещества. При
этом диапазон концентраций должен включать в себя область значений, которые предпола¬
гаются для исследуемого объекта.2. Непосредственный анализ калибровочных образцов одним и тем же методом в одних
и тех же условиях.3. Построение графика зависимости величины аналитического сигнала от концентрации
искомого вещества.4. Непосредственный анализ анализируемого образца в аналогичных условиях.5. Определение с помощью графика концентрации искомого вещества.Используя метод калибровочного графика, нужно учитывать, что чем больше калибро¬
вочных образцов приготовлено, тем точнее построенный график. При построении калибро¬
вочной прямой следует быть уверенным в том, что зависимость величины аналитического
сигнала от концентрации вещества прямолинейна.У Концентращ
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ215Немаловажным этапом химического исследования является грамотное представление
полученной числовой величины, для которой обязательно должна быть указана величина
погрешности и размерность. При неуказанной величине погрешности (равно как и размер¬
ности) искомый результат не имеет никакого смысла.Допускается также указание итогового ответа в виде доверительного интервала, показы¬
вающего, в каком диапазоне значений может находиться полученная в ходе эксперимента
величина.Например, концентрация соляной кислоты, найденная в результате проведения анали¬
за, может быть представлена следующим образом:С = 0,13 ± 0,02 моль/л или С = 0,11-0,15 молъ/л.
216АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.ШГлава 14.КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
(ХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ)Химическая идентификация различных компонетов биосред находит самое широкое
применение в медицине, от простейшей процедуры обнаружения сахара в крови до высоко¬
точного дорогостоящего метода определения диоксинов в биологических объектах.Особенно часто в повседневной медицинской практике приходится иметь дело с иден¬
тификацией катионов и анионов водных биосред — плазмы, мочи, спинномозговой жидко¬
сти, слюны и др.Методы качественного анализа ионов базируются на ионных реакциях, которые позволяют
идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе этих реакций образуются
труднорастворимые или окрашенные соединения, происходит окисление или восстановле¬
ние с изменением цвета раствора, выделяются газы с характерным цветом и (или) запахом.Многочисленные рутинные процедуры, связанные с определением содержания различ¬
ных ионов в крови, моче и других биологических жидкостях, давно уже выполняются кли¬
нико-диагностическими лабораториями с помощью соответствующего автоматического
оборудования. Однако в случае необходимости подтверждения тех или иных результатов,
непосредственно влияющих на диагноз и назначение лечебных процедур, повторное иссле¬
дование, как правило, выполняется классическими ручными методами, доказавшими свою
надежность в течение столетий. Поэтому до сих сохраняет свое значение классический хи¬
мический анализ ионов.Помимо анализа врачами диагностами как терапевтического, так и хирургического про¬
филя выполняются многочисленные определения катионов и анионов в ходе клинических
и лабораторных исследований биологических жидкостей. Достаточно упомянуть такие про¬
цедуры, как определение содержания в питьевой воде катионов тяжелых металлов, сульфат-,
фторид- и хлорид-ионов; определение в воздухе мышьяка, марганца, серной кислоты, хло-
роводорода; оценка качества мяса и мясопродуктов определением в них аммиака; определе¬
ние свинца, олова и меди в консервах и т.д.Различают два метода анализа: дробный и систематический. При исследовании дробным
методом применяются специфические реакции, позволяющие обнаружить искомый ион в
присутствии посторонних ионов. Примером таких реакций могут быть реакция иода с крах¬
малом, приводящая к синему окрашиванию раствора.
ГЛ. 14]КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ217Отсутствие специфических реакций для большинства ионов делает невозможным про¬
ведение качественного анализа сложных смесей дробным методом.Для таких случаев разработан систематический ход анализа. В большинстве случаев
реакции обнаружения ионов не являются специфическими, поэтому мешающие идентифи¬
кации ионы переводят в осадок, слабодиссоциирующее или комплексное соединение.Анализ неизвестного вещества проводят в определенной последовательности, при ко¬
торой то или иное вещество идентифицируют после обнаружения и удаления мешающих
анализу других веществ, т.е. применяют не только реакции обнаружения веществ, но и
реакции отделения их друг от друга. Пользуются специальным приемом (маскировкой),
с помощью которого устраняется влияние мешающих ионов. Он состоит в том, что смесь
ионов с помощью особых групповых реактивов предварительно разделяют на отдельные
группы.Групповыми называются реактивы, при помощи которых определяют группу веществ,
объединенных общими аналитическими свойствами. Из этих групп каждый ион выделяют
в строго определенной последовательности, а потом уже открывают характерной для него
аналитической реакцией.В зависимости от массы сухого вещества или объема раствора анализируемого вещества
различаютлш/фамегаоды(0,5-10гили 10-100 мл), полумикрометоды (10-50 мг или 1-5 мл),
микрометоды (1-5 мг или 0,1-0,5 мл) и ультрамикрометоды (ниже 1 мг или 0,1 мл) иден¬
тификации. В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнару¬
жения которых не превышают 50 мкг.Качественный анализ катионов. Для целей их систематического анализа используют
групповые осадители, то есть идентификация осуществляется с помощью образования труд¬
норастворимых соединений.Групповыми осадителями для ионов Ag+, Pb2+, Hg22+ служит NaCl; для ионов прочих тя¬
желых металлов (Cu2+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Со2+, Ni2+, Zn2+ и др.) — (NH4)2S, для ионов Са2+,
Sr2+, Ва2+ - (NH4)2C03.Если присутствует одновременно несколько катионов, то проводят дробный анализ, при
котором осаждаются все труднорастворимые соединения, либо проводят ступенчатое добав¬
ление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением ПР
(см. гл. 13), а затем соединения с более высоким значением ПР. Далее оставшиеся в раство¬
ре катионы обнаруживают с помощью специфических реакций.Летучие соединения многих металлов окрашивают пламя горелки в яркий цвет: ярко-
желтый (натрий), фиолетовый (калий), кирпично-красный (кальций), карминово-красный
(стронций), желто-зеленый (медь или бор), голубой (свинец или мышьяк). Для этого вно¬
сят изучаемое вещество на платиновой или нихромовой проволоке в пламя горелки.Имеется много специфических неорганических и органических реагентов, образующих
осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами (табл. 14.1).Качественный анализ анионов. Анионы обычно подвергают дробному анализу по ра¬
створимости солей.Например, групповым реагентом на ионы Cl", Вг, I", SCN”, CN-, S2- является AgN03 в
растворе HN03.Многие анионы (сульфат, сульфит, карбонат, силикат, фосфат, фторид и др.) имеют груп¬
повой реагент ВаС12 в нейтральной или слабокислой среде, так как соли бария с этими ани¬
онами мало растворимы в воде.При дробном анализе анионов групповой реагент ступенчато приливают к анализируе¬
мому раствору, первыми выпадают в осадок соединения с наименьшими значениями ПР.
218АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ
Специфические реагенты для некоторых катионов[Ч. IIIТаблица 14.1КатионРеагентВид продукта реакцииNa+Гексагидроксостибиат калияБелый осадокК+Гексанитрокобальтат(Н) натрияЖелтый осадокСа2+Дихромат калияОранжевый осадокMg2+Магнезон ИРЕАЯрко-красная окраскаА13+АлизаринЯрко-красный осадокNi2+ДиметилглиоксимЯрко-красный осадокZn2+ДитизонМалиновая окраскаFe2*Гексацианоферрат(Ш) калияТемно-синий осадокТаблица 14.2Классификация анионов по окислительно-восстановительным свойствамАнионыГрупповой реагентГрупповой признакИнертныеF", SO2-, Р043', С032", Si032",во2-——ВосстановителиСГ, Вг", Г, C2042",SCN“, s2‘,S02-,S2032",N02-1. KMn04 + H2S04
2.12 + H2S04 (крахмал)ОбесцвечиваниераствораОкислителиcio" cio;, no;, no;,[Fe(CN)6]3-1. MnCl2 + HC1 (конц.)2. KI + Н2504(крахмал)ОкрашиваниераствораПосле этого отдельные ионы могут быть обнаружены с помощью специфических реак¬
ций. Например, действие на карбонат- или гидрокарбонат-ионы кислотой вызывает выде¬
ление углекислого газа. Как и для катионов, для тех или иных анионов имеются специфи¬
ческие реагенты.Другая схема их дробного анализа базируется на окислительно-восстановительных свой¬
ствах, рассмотренных в предыдущей части. Классификация анионов по окислительно-вос-
становительным свойствам приведена в табл. 14.2.Таким образом, химическая идентификация ионов базируется в основном на реакциях
осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при кото¬
рых происходит выпадение осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных
веществ.
Глава 15.КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗСоединение есть привилегированный
продукту которому природа дала постоян¬
ный состав. Природа, даже через посред¬
ство люд ей у никогда не производит соеди¬
нение иначе у как с весами в руках —
по весу и мере.Ж. ПрустОпределение содержания (концентрации, массы и т.д.) компонентов в анализируемом
объекте называется количественным анализом. При количественном анализе измеряют те
или иные химические, физико-химические и физические параметры анализируемого образ¬
ца (схема 14.1), которые зависят от его состава или содержания того или иного компонен¬
та, то есть определяют аналитический сигнал.Количественный анализ включает этапы отбора и подготовки проб, проведения анали¬
за, обработки и расчета результатов анализа.Как было сказано ранее, методы количественного анализа по способу выполнения делят¬
ся на гравиметрические, или весовые, методы и титриметрические, или объемные.Гравиметрические методы основаны на точном измерении массы анализируемого образ¬
ца и выделенного из него соединения. При этом определяемый компонент может выделяться
из образца как индивидуально (например, вода в методе отгонки), так и в качестве составной
части труднорастворимого соединения. Для этого навеску или определенный объем анализи¬
руемого образца, например, желудочного сока, растворяют в воде, осаждают с помощью реа¬
гента, образующего с анализируемым соединением малорастворимое соединение с низким
значением ПР, в данном случае — азотнокислого серебра. Затем после фильтрования осадок
AgCl высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе вещества находят массу определяе¬
мого компонента и проводят расчет его массовой доли в анализируемом образце. Таким обра¬
зом устанавливают, к примеру, содержание хлорид-иона в желудочном соке.В другой разновидности гравиметрического метода (отгонка) анализируемый компо¬
нент выделяют в виде газа, который конденсируется в жидкость, либо поглощается реак
тивом. Во втором случае о содержании определяемого компонента в навеске судят по изме¬
220АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIнению массы реактива. Например, количество гидрокарбонат-иона в плазме можно оп¬
ределить путем действия на анализируемый образец соляной кислотой, в результате ко¬
торого выделяется С02:НС03_ + Н+—> С02Т + Н20.Количество выделившегося углекислого газа можно определить по изменению массы ве¬
щества, например СаО, с которым он реагирует.Основными недостатками гравиметрического метода являются трудоемкость и большая
продолжительность. Более удобен электрогравиметричесшй метод, при котором определяемый
металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке). Массу металла в анализируе¬
мом растворе определяют по разности массы катода до и после электролиза. Этот метод приго¬
ден лишь для анализа металлов, на которых не выделяется водород (медь, серебро, ртуть).Можно применять и газовый анализ. Типичным примером газового анализа, до недавнего
времени имевшего практическое значение в медицине, может служить метод определения
мочевины в моче по методу Бородина (см. разд. 30.1).Объемные методы анализа основаны на процессе титрования. Титрование — процесс,
в котором количество исследуемого вещества определяют по количеству израсходованно¬
го стандартного реагента. Обычно титрование проводят, осторожно добавляя реагент изве¬
стной концентрации (титрант), пока реакция с определяемым веществом не закончится.
Затем измеряют затраченный объем стандартного реагента и проводят необходимые расче¬
ты. Иногда, если это удобно или необходимо, добавляют избыток реагента и затем обрат¬
ным титрованием другим реагентом известной концентрации определяют не вступивший
в реакцию избыток первого реагента.Стандартный раствор — это раствор реагента с точно известной концентрацией. Точность,
с которой известна его концентрация, ограничивает точность метода определения в целом. Кон¬
центрацию стандартного раствора определяют либо прямо, либо косвенно — растворением тща¬
тельно взвешенного количества чистого реагента, разбавлением до точно известного объема и
последующим титрованием раствора, содержащего взвешенное количество соединения, раство¬
ром реагента. В любом из этих методов в качестве эталона требуется химическое соединение
высокой степени чистоты, называемое первичным стандартом. Процесс определения концен¬
трации стандартного раствора титрованием первичным стандартом называется стандартизаци¬
ей. Обычно для приготовления стандартных растворов используют фиксаналы, представляющие
собой ампулы, содержимое которых достаточно лишь разбавить указанным количеством воды.Идеальный стандартный раствор для титриметрического (клинического) анализа дол¬
жен обладать следующими свойствами:1. Его концентрация не должна изменяться при длительном хранении (в течение несколь¬
ких месяцев или лет) без повторной стандартизации.2. Быстро реагировать с определяемым веществом.3. Реакция между реагентом и определяемым веществом должна протекать достаточно
полно.4. Реакция между реагентом и определяемым веществом для возможности расчета мас¬
сы определяемого вещества должна протекать стехиометрически. Практически это означа¬
ет отсутствие побочных реакций между реагентом и определяемым веществом.5. Должен существовать метод определения точки эквивалентности в реакции между ре¬
агентом и определяемым веществом.Цель любого титрования — добавление стандартного раствора в количестве, химически
эквивалентном количеству реагирующего с ним вещества. Это условие достигается в точке
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ221эквивалентности. Титрование ведут до достижения точки эквивалентности, т.е. до наступ-
ления такого момента, когда анализируемое вещество и титрант прореагируют в эквивален¬
тных количествах.Точка эквивалентности — понятие теоретическое, чтобы определить практически ее по¬
ложение, наблюдают за изменением физического свойства, связанного с эквивалентностью.
Эти изменения становятся заметными лишь в конечной точке титрования, когда происхо¬
дит заметное изменение концентрации по крайней мере одного из реагирующих веществ. В
большинстве (но не во всех) случаев определения конечной точки особенно важны измене¬
ния, происходящие в непосредственной близости от точки эквивалентности. Обычно пола¬
гают, что разность объемов в точке эквивалентности и в конечной точке титрования будет
мала, но все же она существует из-за неадекватности изменения физического свойства и
нашей способности его наблюдать. В результате этого возникает ошибка титрования.Точку эквивалентности (более точно — конечную точку титрования) устанавливают как
с помощью добавления в анализируемый раствор индикатора — вещества, которое в момент
достижения точки эквивалентности резко меняет окраску (см. разд. 15.1), так и на основа¬
нии изменения какого-либо физико-химического свойства раствора (см. схему 14.1), напри¬
мер, потенциалов электродов, обратимых относительно титруемых ионов, т.е. потенциомет¬
рическим путем.Для расчетов в объемном анализе используется нормальная концентрация. Нормальная
концентрация (молярная концентрация эквивалента или нормальность) раствора N(X) —
величина, измеряемая отношением количества вещества эквивалента (В) в растворе к объе¬
му этого раствора:В(Х) n(X)/z_ т(Х)Vpacme. ураств' э(Х)-ураств/где т(Х) — масса вещества, г; Э(Х) — молярная масса эквивалента, г/моль; Vpairme — объем
раствора, л; 1/z — фактор эквивалентности; п(Х) — количество вещества, моль.Эквивалентом вещества называют реальную или условную частицу вещества X, которая
в данной кислотно-основной реакции взаимодействует с одним протоном, а в случае окисли¬
тельно-восстановительной реакции — с одним электроном. Фактор эквивалентности (1 /г) —
число, показывающее, какую часть реальной частицы вещества X составляет эквивалент.Молярная масса эквивалента (ММЭ) вещества X [Э(Х)] — это масса одного моля эк¬
вивалента вещества. Она равна произведению фактора эквивалентности на молярную мас¬
су вещества. Единица Э(Х) — г/моль. Так как эквивалент вещества зависит от реакции, то
и ММЭ вещества зависит от реакции, в которой это вещество участвует.ММЭ кислоты равна молярной массе кислоты, деленной на количество атомов водоро¬
да в молекуле этой кислоты, замещающихся в данной реакции:H2S04 + 2NaOH > Na2S04 + 2Н20, 3(H2S04) = M(H2S04)/2.H2S04 + NaOH > NaHS04 + H20, 3(H2S04) = M(H2S04)/1.Аналогично ММЭ основания вычисляется путем деления молярной массы основания на
число замещенных в нем гидроксильных групп.Для солей ММЭ рассчитывают делением молярной массы соли на произведение числа
ионов катиона (или аниона), присутствующих в молекуле соли, на заряд данного катиона
(аниона). Например, для сульфата алюминия Al2(S04)3:3(Al2(S04)3) = M(Al2(SO„)3) /(2-3).
222АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIГлубина протекания окислительно-восстановительной реакции определяет ММЭ в таких
процессах. Например, для окислительно-восстановительных превращений перманганата ка¬
лия ММЭ будет равен:Мп04- + 4Н+ + Зе > Мп02 + 2Н20 , Э(КМп04) = М(КМп04)/3.Мп04" + 8Н+ + 5е > Мп+2 + 4Н20 , Э(КМп04) = М(КМп04)/5.Необходимо всегда точно знать поведение вещества в реакции, чтобы однозначно опре¬
делить его эквивалентную массу. Если тип реакции не установлен, эквивалентную массу вы¬
числить нельзя. При отсутствии этой информации и концентрацию раствора нельзя выра¬
зить в единицах нормальности.Размерность нормальной концентрации — мольэквивалента/л. Раствор, содержащий 0,1
мольэквивалента растворенного вещества в литре раствора, называется децинормальным
(0,1н.), 0,001 мольэквивалента вещества — миллинормальным (0,001н.) и т.д.При одинаковой нормальной концентрации одинаковые объемы растворов различных
веществ содержат одинаковое число эквивалентов этих веществ.Вещества вступают в химическое взаимодействие и образуются в результате этого вза¬
имодействия в количествах, пропорциональных их эквивалентам, т.е. они реагируют в рав¬
ноэквивалентных количествах. Этот закон используется в аналитической химии и, в частно¬
сти, применяется в лабораторной диагностике:В(Х) = В(станд.), N(X)V(X) = А!(станд.)-У(станд.),где В(Х) — количество эквивалентов определяемого вещества, В(станд.) — количество экви¬
валентов титранта, N(X) — нормальная концентрация определяемого вещества, Щстанд.) —
нормальная концентрация стандартного раствора; V(X) и У(станд.) — объемы раствора оп¬
ределяемого вещества и стандартного раствора, соответственно.Зная объем титранта У(станд.), израсходованного для достижения точки эквивалентно¬
сти, и его нормальную концентрацию Щстанд.), можно рассчитать количество вещества эк¬
вивалента определяемого соединения В(Х), которое равно количеству вещества титранта
В{станд.)у а также массу определяемого вещества т(Х):В(Х) = И(станд.) У(станд.), т{Х) = К(станд.)-У(станд.)'Э(Х) ,где Э(Х) — эквивалент определяемого вещества.Существует несколько разновидностей титриметрического анализа: кислотно-основное
титрование, осадительное титрование, комплексонометрическое титрование и окислитель¬
но-восстановительное титрование.15.1. Кислотно-основное титрование (ациди- и алкалиметрия)Определение конечной точки титрования в кислотно-основном титровании обычно осно¬
вывается на резком изменении pH, наблюдаемом вблизи точки эквивалентности. Интервал
этого изменения различен для разных случаев титрования, рассмотренных ниже, и определя¬
ется природой и концентрацией как титруемого вещества, так и титранта. Для правильного
выбора подходящего индикатора точки титрования и ошибки титрования требуется знать
характер изменения pH раствора вблизи точки титрования.Кривые титрования отражают графически процесс нейтрализации в виде изменения ве¬
личины pH титруемого раствора по мере добавления к нему титранта.
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ223Значения pH растворов, соответствующие различным моментам титрования, вычисляют по
вышеприведенным формулам (см. гл. 10), выражающим значения концентрации ионов водорода
в водных растворах кислот, оснований, гидролизующихся солей, и, наконец, в буферных смесях
в зависимости от того, из каких компонентов состоит раствор в процессе титрования.Стандартными растворами в методе кислотно-основного титрования всегда служат
сильные кислоты или сильные основания, так как реакции с их участием протекают более
полно, чем с участием их слабых аналогов.Для визуального определения конечной точки титрования при кислотно-основном тит¬
ровании используют кислотно-основные индикаторы.Одним из важнейших моментов в кислотно-основном титровании является выбор инди¬
катора, так как только в присутствии подходящего индикатора можно своевременно зафик¬
сировать момент эквивалентности и получить правильный результат анализа.Индикаторы — это соединения, которые реагируют или с анализируемым веществом,
или с добавляемым титрантом. По своей природе они подобны веществам, участвующим в
данной химической реакции. Так, индикаторы для кислотно-основного титрования пред¬
ставляют собой слабые кислоты или основания.Специфическое свойство индикаторов состоит в том, что их исходная и прореагировав¬
шая формы значительно отличаются по окраске.Индикаторы, у которых окрашена только одна форма, называют одноцветными в отличие
от двухцветных, у которых обе формы окрашены в разные цвета. Индикаторы должны иметь
интенсивную окраску, чтобы при незначительных концентрациях (порядка 10_/|-10"5 моль/л)
титруемый раствор был бы ими достаточно четко окрашен. Это требование обусловлено тем,
что для превращения одной формы в другую индикаторы расходуют некоторое количество
титранта. Следовательно, количество индикатора должно быть минимальным, чтобы сущест¬
венно не влиять на результат анализа.Если индикатор представляет собой слабую кислоту (ее формулу условно можно обозна¬
чить через Hind), то в водном растворе имеют место следующие равновесия:Hind + Н20 <=> Н30+ + Ind-или Hind Н+ + Ind"При этом кислота Hind и сопряженное с ней основание Ind" различаются окраской.Поскольку индикаторы являются слабыми электролитами, к ним применим закон дей¬
ствия масс:_ [H+][Ind~]
ны~ [Hind] 'Преобразуя это уравнение, получим:кны [Ind-]
[Я+] [Hind]Из выведенного соотношения видно, что цвет индикатора в растворе определяется отно¬
шением концентрации диссоциированной формы к недиссоциированной и зависит от кон¬
центрации ионов водорода.Из уравнения для константы диссоциации индикатора получаем, что[н+]=кны^1ий.
ы [Ind']
224АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIПрологарифмируем и умножим обе части равенства на (-1):[Hind]тогдарН = рКнм+ lg[Ind~]
[Ind'][Hind]Величина pKHlnd (~\g KIIInd) называется показателем индикатора. Типичные кислотно¬
основные индикаторы представлены в таблице 15.1.Раствор, содержащий индикатор, непрерывно изменяет свою окраску при изменении pH.
Человеческий глаз замечает изменение окраски раствора, когда концентрация одной окра¬
шенной формы примерно в 10 раз превышает концентрацию другой.В соответствии с принципом Ле Шателье прирН<рКиы будет преобладать форма Hind
(кислотная форма индикатора), и окраска раствора будет определяться цветом этой формы.
Иными словами, когда отношение[Ind-] _1_[Я/^]<10’цвет раствора для нашего глаза такой же, как цвет недиссоциированного индикатора.При добавлении щелочи концентрация диссоциированной формы будет увеличиваться, и при[Ind~][Hind] 10наш глаз заметит изменение окраски.Некоторые кислотно-основные индикаторыТаблица 15.1НазваниеИнтервал перехода
окраски индикаторарНгРН2Окраска растворапри pH < pHtпри pH > рН2Тимоловый синий1,2-2,8краснаяжелтая8,0 - 9,6желтаясиняяМетиловый желтый2,9 - 4,0краснаяжелтаяМетиловый оранжевый3,1-4,4краснаяжелтаяМетиловый красный4,2 - 6,3краснаяжелтаяБромтимоловый синий6,0 - 7,6желтаясиняяФеноловый красный6,4 - 8,0желтаякраснаяЛакмус6,0 - 8,0краснаясиняяКрезоловый красный7,4 - 9,0желтаяпурпурно-красная1,2-2,8краснаяжелтаяФенолфталеин8,0 - 9,6бесцветнаямалиноваяТимолфталеин9,3 - 10,5бесцветнаясиняяАлизариновый желтый10,1 - 12,0бесцветнаяфиолетовая
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ225Если концентрация ионов гидроксония в растворе достигнет величины константы дис-
социации индикатора[Н+]=Кны, то
= 1 и [Ind~] = [HInd]В этом случае раствор будет иметь смешанную окраску (за счет разного цвета диссоции¬
рованной и недиссоциированной форм). Когда концентрация основной формы (Inch) пре¬
высит концентрацию кислотной формы индикатора (Hind) примерно в 10 раз, т.е. при[Ind-] _10
[Hind]нашему глазу будет казаться, что весь индикатор полностью диссоциирован. Таким образом, оба[Ind~]цвета, т.е. промежуточная окраска, воспринимаются в интервале значений от ОД до 10.Нижний и верхний пределы величины pH, при которых индикатор будет заметно изме¬
нять свой цвет, составляют:pH = pKIIM+ lgio =рК„ы+ 1,
pH = рК-шп,! + lg 10 ' = рКШпЛ — 1,ИЛИрН = рКиы ± 1.Этот интервал значений pH называют интервалом перехода окраски индикатора. Наибо¬
лее отчетливое изменение цвета будет наблюдаться примерно в середине интервала при зна¬
чении pH, близком к показателю индикатора. В тот момент, при котором наблюдается наи¬
более отчетливое изменение окраски раствора, титрование заканчивают, а соответствующее
ему значение pH называют показателем титрования (рТ). Следовательно, индикатор подби¬
рают таким образом, чтобы значениерГ находилось как можно ближе к pH точки эквивален¬
тности титруемого раствора.Все сказанное выше справедливо и для индикаторов основного характера.Известно много кислотно-основных индикаторов, причем их показатели значительно
различаются между собой (см. табл. 15.1).Вследствие этого области перехода различных индикаторов перекрывают практически
всю шкалу pH. Смешивая индикаторы с различными показателями рК и подходящими по
цвету формами, можно получить такую смесь, которая будет непрерывно изменять свой цвет
при изменении pH и может использоваться для определения кислотности растворов во всей
области значений pH. Такие смеси называют универсальными индикаторами и применяют
для приблизительного определения pH. В лабораторной практике пользуются также универ¬
сальной индикаторной бумагой, выпускаемой с приложением цветной шкалы, показываю¬
щей, какому значению pH соответствует то или иное окрашивание бумаги.15.1.1. Титрование сильной кислоты сильным основаниемПри взаимодействии любой сильной кислоты с любым сильным основанием вследствие
того, что они практически полностью диссоциированы на ионы, сущность реакции можно
выразить следующим молекулярно-ионным уравнением:н+ + он-->н2о.
226АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIДля построения стандартной кривой титрования (нейтрализации) сильной кислоты
сильным основанием предположим, что для титрования взято 100 мл 0,1 н. раствора НС1,
который титруют 0,1 н. раствором NaOH.Построение кривой титрования сильной кислоты сильным основанием не представляет
трудностей, поскольку концентрация ионов водорода или гидроксил-ионов вычисляется не¬
посредственно из общей концентрации присутствующей в избытке кислоты или основания.Так как соляная кислота диссоциирует практически полностью и концентрация исход¬
ного раствора значительно отличается от 10"6, то можно не учитывать вклад диссоциации
воды в общую кислотность раствора (см. гл. 10) и считать, чтот-сиа.Поэтому до начала титрования раствор НС1 имеет pH = 1. После прибавления к кисло¬
те 50 мл 0,1 н. раствора щелочи 50% кислоты будет нейтрализовано. В растворе останется
50% непрореагировавшей кислоты и соль NaCl. Кислотность раствора будет определяться
только кислотой, концентрация которой без учета разбавления исходного раствора будет
равна:0,1-50
100СНА = = 05 моль/л.Соответственно pH = -lg 510_2= 2 - 0,7 = 1,3, т.к. [Н+] = СНА.Аналогично можно рассчитать величины pH растворов при последующем прибавлении
щелочи до 99,9 мл или 99,9%, предшествующих прибавлению эквивалентного количества
титранта.Когда к 100 мл взятой для титрования кислоты прибавляют ровно 100 мл раствора NaOH
равной нормальности, достигается точка эквивалентности. В этот момент раствор содержит
только соль NaCl. Так как последняя не подвергается гидролизу, pH раствора определяется
концентрацией ионов гидроксония за счет диссоциации воды и, следовательно, равен 7.
Именно в этот момент заканчивается титрование. Однако для того, чтобы иметь представ¬
ление о ходе изменений pH в тех случаях, когда титруют щелочью кислоту, вычисления pH
продолжают вплоть до 100% избытка NaOH. При добавлении избытка титранта раствор ста¬
новится щелочным, pH определяется концентрацией свободной щелочи, присутствующей
в растворе, и вычисляется следующим образом:Ю-н[Я+] = —— pH = U-pOH
[ОН~]Полученные результаты расчета представлены в табл. 15.2, и на их основании постро¬
ена кривая титрования сильной кислоты сильным основанием (рис. 15.1). На оси абсцисс
откладывают объем прибавленного раствора NaOH в разные моменты титрования, а на оси
ординат — соответствующие значения pH раствора. Если двигаться вдоль кривой слева на¬
право, получим ход изменения рЯпри титровании кислоты щелочью. Наоборот, движение
справа налево соответствует изменению pH при титровании щелочи кислотой.В начале титрования pH раствора изменяется мало, вблизи точки эквивалентности —
очень сильно, после нее — опять незначительно. Резкое изменение pH раствора, наблю¬
дающееся вблизи точки эквивалентности, т.е. в конце титрования, называют скачком
титрования. Так, при нейтрализации 99,9% кислоты pH раствора изменяется от 1 до 4, т.е.
увеличивается всего на 3 единицы pH. При переходе от 0,1% избытка НС1 (начало скач¬
ка титрования) к 0,1 % избытку NaOH {конец скачка титрования) pH раствора резко воз-
ГЛ. 15] КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ 227Таблица 15.2Титрование 0,1 н. раствора НС10,1 н. стандартным раствором NaOHПрибавлено
NaOH, %ОсталосьНС1,%С, моль/лpHДрН/ДУНС1NaOH[Н][ОН]-100,0од-10110'131-5050,00,055Ю~2210"131,3— = 0,006
509010,00,0110"210~1220 7— = 0,0175
40991,00,00110'310'113±-0,11999,90,10,000110“4Ю-104— = 1Д
0,910010-710"77— = 30
0,1100,10,0001Ю“1010'410осоII«is-1010,00110"1110~3И— = 1,1
0,91100,0110-1210'212— = 0,11
92000,110"1310"113ShIIоорастает от 4 до 10. Это означает, что добавление одной капли щелочи в конце титрования по¬
нижает концентрацию ионов Н+ с 10_4до 10~10 моль/л, т.е. в миллион раз.Величину скачка титрования (или скачка pH) измеряют высотой вертикального учас¬
тка кривой титрования. Чем больше величина скачка, тем точнее можно оттитровать опре¬
деляемое вещество.Изменение величины водородного показателя может быть представлено также величи¬
ной ДpH/AV, которая выражает среднее изменение pH при добавлении 1 мл титранта (в дан¬
ном случае раствора NaOH). Здесь АрН — приращение pH, наблюдаемое в данный момент
титрования, a AV — количество прибавленного титранта (в миллилитрах или процентах).
Как видно из табл. 15.2, это отношение достигает максимума в зоне эквивалентности. Чем
больше величина ApH/AVна участке вблизи точки эквивалентности, тем точнее результаты
титрования.При титровании сильной кислоты сильным основанием точка эквивалентности (Вшсл =
=B0flJ и точка нейтральности (рН= 7) совпадают. Реакции нейтрализации сильной кисло¬
228АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[ЧЛНлиния эквивалентности% NaOHРис. 15.1. Кривая титрования 0,1 н. раствора НС10,1 н.
стандартным раствором NaOH (без учета разбавления).ты сильным основанием и наоборот являются необратимыми, экзотермичными и характери¬
зуются большой скоростью, так как взаимодействуют только подвижные ионы Н+ и ОН-.В качестве индикаторов в обсуждаемом случае можно использовать индикаторы, рК ко¬
торых находится в зоне скачка титрования. Например, метиловый красный или фенолфта¬
леин (см. табл. 15.1).Влияние концентрации. Изменение концентрации кислоты и основания, участвующих в
реакции, вызывает существенное изменение величины скачка нейтрализации. Чем больше
концентрация титруемого раствора и титранта, тем больше величина скачка pH. Расчет, ана¬
логичный приведенному выше, показывает, что при титровании 1 н. растворов реагентов ска¬
чок составляет 8 единиц pH, для 0,1 н. — соответственно 6, а для кислоты и основания с кон¬
центрациями 0,01 н. величина скачка уменьшается до 4 единиц pH.Следует, однако, отметить, что без особой необходимости не прибегают к титрованию ра¬
створов более высокой концентрации, чем 0,1 н. Ошибки титрования за счет неточности из¬
мерений при использовании более концентрированных растворов значительно возрастают.Повышение температуры также оказывает сильное влияние на скачок pH, что связано со
значительным увеличением константы диссоциации воды. Экспериментальные данные по¬
казывают, что чем выше температура титруемого раствора, тем меньше скачок титрования.
Отсюда следует, что титрование по методу нейтрализации лучше проводить, не прибегая к
нагреванию.15.1.2. Титрование сильного основания сильной кислотойАналогичная картина наблюдается при титровании сильных оснований сильными кис¬
лотами. Вблизи точки эквивалентности раствор является сильно щелочным, и концентра¬
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ229ция гидроксил-ионов равна общей концентрации неоттитрованного сильного основания.
Точно по тем же причинам, что рассмотрены выше, раствор в точке эквивалентности стано¬
вится нейтральным. Наконец, за точкой эквивалентности раствор становится кислым, в этом
случае pH вычисляют по избытку добавленной сильной кислоты. Кривая титрования будет
симметрична кривой титрования сильной кислоты, представленной на рис. 15.1.15.1.3. Титрование слабой кислоты сильным основаниемНаиболее общим случаем реакции нейтрализации является взаимодействие кислот и
оснований, различающихся по силе.Рассмотрим титрование слабой кислоты (уксусной) сильным основанием.на + он-<=>а- + н2о.В данном случае имеет место протолитическое равновесие из-за конкуренции за протон
между сильными основаниями А" и ОН".Предположим, что для титрования взято 100 мл 0,1 н. уксусной кислоты, а титрантом яв¬
ляется 0,1 н. раствор NaOH.При расчете pH раствора СН3СООН до начала титрования применяют формулы для вы¬
числения концентрации ионов гидроксония ирНв растворах слабых кислот (см. разд. 10.4):[H+] = jK~C0, pH = ±pKa~\gC0.Если к титруемой уксусной кислоте постепенно приливать 50, 90, 99, 99,9 мл (или %)0,1 н. NaOH, то наряду со свободной СН3СООН в растворе появляется продукт ее нейтрализа¬
ции — ацетат натрия. Причем концентрация ацетата натрия равна концентрации прибавленного
титранта, а концентрация оставшейся уксусной кислоты — разности между начальной концен¬
трацией СН3СООН и количеством добавленного титранта. Неоттитрованная СН3СООН в
смеси с образующимся CH3COONa представляет собой буферную систему (ацетатный бу¬
фер). Концентрацию ионов Я+ и pH в этом случае рассчитывают по следующим формулам:[Я+ ] = Ка- , pH = рК-.где Стсл — концентрация непрореагировавшей уксусной кислоты, Ссош — концентрация об¬
разовавшегося ацетата натрия.В точке эквивалентности вся кислота нейтрализована, и в растворе находится только аце¬
тат натрия — соль, гидролизующаяся по аниону. Концентрация ионов гидроксония и pH в
растворе этой соли вычисляются по формулам:[я+]=pH=7+lpKa+Ugccwlu,V ^солиПри добавлении избытка титранта pH определяется концентрацией свободной щелочи,
присутствующей в растворе, и определяется следующим образом:10'14[Я+] = ——, pH = U-pOH.1 J [ОН] у уРезультаты вычислений pH (без учета разбавления раствора) в различные моменты тит¬
рования приведены в табл. 15.3, а кривая титрования слабой кислоты сильным основани¬
ем — на рис. 15.2.
230 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ [Ч. IIIТаблица 153Титрование 0,1 н. раствора СН3СООН 0,1 н. стандартным раствором NaOHПрибавлено
NaOH, %Состав раствораФормулы
для вычисления pHpHApH/AV—100% СН3СООНрнЛрК'-UgC^2,87—5050% CH3COONa,
50% СНяСООНpH = pKa + lg^кисл.4,75^ = 0,038
509090% CH3COONa,
10% СН3СООН5,705^ = 0,024
409999%CH3COONa,
1% СН3СООН6,751^ = 0,11799,999,9% CH3COONa,
0,1% СН3СООН7,75оГш100100% CH3COONapH=l+{-PKa + X-\gCCM„8,87= 11,20,1100,1CH3COONa +
избыток 0,1% NaOHрЯ = 14+ lgC_..10M3=11,30,1101CH3COONa +
избыток 1% NaOH11II110CH3COONa +
избыток 10% NaOH12|.o,u200CH3COONa +
избыток 100%
NaOH135Г0Л1линия эквивалентности% NaOHРис. 15.2. Кривая титрования 0,1 п. раствора СН3СООН 0,1 н. стандартным раствором NaOH.
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ231Как видно из рис. 15.2, скачок титрования лежит в интервале значений pH от 7,75 до 10
и составляет АpH 2,25. Скачок титрования небольшой и менее резкий, чем в случае титро¬
вания сильных кислот, причем с уменьшением силы кислоты он уменьшается и сглажива¬
ется. Точка эквивалентности (pH = 8,87) не совпадает с точкой нейтральности (pH = 7) и
лежит в щелочной области pH. Следовательно, для такого титрования необходимо исполь¬
зовать индикатор, рК которого находится в области = 8-10 ед. pH. Как видно из табл. 15.1,
для этой цели, в частности, подходит фенолфталеин. В целом для этих процессов характерна
и обратимость.15.1.4. Титрование слабого основания сильной кислотойДля взаимодействия слабого основания с сильной кислотойВ + Н+ <=> ВН+ или KtOH + Н+ <=> Kt+ + Н20характерны особенности протолитических процессов, аналогичные приведенным выше для
случая титрования слабых кислот.Для примера данного типа титрования возьмем 0,1 н. раствор аммиака, а в качестве тит¬
ранта — 0,1 н. раствор НС1.До начала титрования в растворе присутствует только аммиак, поэтому pH раствора вы¬
числяем по формуле расчета кислотности среды в растворе слабого основания:pH=u~pKB+Ugcoaioe,При добавлении к раствору аммиака соляной кислоты в растворе наряду со свободным
аммиаком появляется соль — хлорид аммония, т.е. образуется аммонийный буфер, pH кото¬
рого рассчитывают так:рН = и-рКв+\&^--солиВ точке эквивалентности аммиак полностью нейтрализован соляной кислотой и в ра¬
створе присутствует только хлорид аммония — соль, гидролизующаяся по катиону:PH = l~pKB-UgCeosu.При дальнейшем прибавлении соляной кислоты pH титруемого раствора будет опреде¬
ляться избыточной концентрацией сильной кислоты, т.е.:pH = -lg[H+] = -lgCmai.Результаты вычислений pH в различные моменты титрования аммиака сильной кисло¬
той приведены в таблице 15.4.Из приведенных данных следует, что скачок титрования находится в зоне pH 6,25-4,0,
а точке эквивалентности соответствует pH 5,13 (без учета разбавления раствора), для фик¬
сации которой пригоден индикатор метиловый красный (см. табл. 15.1).Таким образом, при титровании слабых оснований точка эквивалентности находится при
pH < 7, скачок pH небольшой и менее резкий, чем в случае титрования сильных оснований.При титровании растворов кислот и оснований необходимо учитывать, что величина
скачка рЯпри нейтрализации уменьшается с уменьшением их силы.
232 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ [Ч. IIIТаблица 15.4Титрование 0,1 н. раствора NH3 0,1 н. стандартным раствором НС1ПрибавленоНС1,%СоставраствораФормулы
для вычисления pHpHApH/AV—100% NH3pH^U-'-pKt+UgC^.11,135050% NH3+
50% NH4C19,25s|SIIОосоOO9010% NH3 +
90% NH4C1pH = 14 - pKB + lg^p2^соли8,39«.0,02.140991% NH3 + 99%
NH.C17,25г0,1199,90,1% NH3 +
99,9% NH4C16,25—=1.110,9100100% NH4ClpH=7-±pKB-kgCcam5,13112-I— = 11,2
0,1100,1nh4ci +избыток 0,1%
HC14Мз=11,з0,1101NH4C1 + избы¬
ток 1% HC1PH = -\gCKua3-L = U10,9110NH4C1 + избы¬
ток 10% HC12со 1 ^IIо200NH4C1 + избы¬
ток 100% HC11— = 0,01
90При титровании кислот более слабых, чем уксусная, скачок нейтрализации настолько
уменьшается, что определение точки эквивалентности с помощью индикаторов затруднено,
а во многих случаях — невозможно. Поэтому для количественного определения очень сла¬
бых кислот прибегают к специальным методам титрования в неводных растворах.Кривые титрования многоатомных кислот и оснований имеют несколько скачков нейт¬
рализации, число которых равно сумме ступеней диссоциации этих кислот и оснований.
Каждая ступень характеризуется своей точкой эквивалентности. Например, при нейтрали¬
зации трехосновной ортофосфорной кислоты сильным основанием наблюдаются три точ¬
ки эквивалентности, соответствующие добавлению к одному молю фосфорной кислоты
одного, двух и трех молей сильного основания. При этом реакция сопровождается образо¬
ванием одно-, двух- и трехзамещенных фосфатов. Для практических целей можно исполь¬
зовать любой скачок титрования, если pH в области скачка изменяется достаточно резко.Описанные ранее приемы построения кривых титрования пригодны и для многооснов¬
ных кислот при условии, что отношение К^К2 несколько больше 103. Если это отношение
ниже этой величины, ошибки, особенно в области первой точки эквивалентности, намного
выше допустимых, поэтому при вычислении конечного результата необходимы более стро¬
гие расчеты.15.1.5. Титрование гидролизующихся солейПри титровании сильными кислотами растворов солей, образованных слабыми кисло¬
тами и сильными основаниями, pH раствора изменяется так же, как и при нейтрализации
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ233сильными кислотами слабых оснований. Это видно из примера титрования ОД н. раствора
KCN 0,1 н. раствором НС1. До начала титрования в растворе присутствует только гидроли¬
зующаяся по аниону соль KCN.KCN -»К+ + CN-,CN- + НОН HCN + ОН-.
pH = 7 + ±pKa+hgCaum.Затем при добавлении 0,1 н. НС1 в растворе кроме исходной соли KCN появляется сво¬
бодная кислота HCN, т.е. образуется буферная система, pH которой определяется по фор¬
муле кислотного буфера:рН = рКа+ lg£=-.Lкисл.В точке эквивалентности в растворе присутствует негидролизующаяся соль КС1 и сла¬
бая кислота HCN:pH^pK'-UgC^.При добавлении в дальнейшем избытка раствора НС1 pH титруемого раствора зависит
от концентрации этой сильной кислоты;pH = -\g[H+] = -\gCllcl.Отсюда следует, что кривая нейтрализации сильной кислотой соли, образованной сла¬
бой кислотой и сильным основанием, подобна кривой нейтрализации сильной кислотой сла¬
бого основания, а следовательно, для этого случая характерны те же закономерности.Титрование солей, образованных слабыми кислотами и сильными основаниями, возмож¬
но лишь в том случае, если слабая кислота имеет малую константу диссоциации, т.е. доста¬
точно большое значение рКа. Соли же таких кислот, как уксусная или муравьиная, Ка кото¬
рых соответственно равны 1,75*10~5 и 1,8-10~4, титровать нельзя, т.к. в этом случае отсутствует
скачок нейтрализации. По той же причине нельзя титровать хлорид аммония, гидролизую¬
щийся по катиону (Кв = 1,76-10~5).Однако соли, образованные сильными основаниями и слабыми двух- и многооснов¬
ными кислотами (например, угольной или фосфорной), хорошо титруются сильными
кислотами.Так, при титровании карбоната натрия соляной кислотой наблюдаются два скачка ней¬
трализации.1. При добавлении половины количества кислоты, требующейся для полной нейтрали¬
зации всего Na2C03 (т.е. один моль НС1 на один моль Na2C03), образуется гидрокарбонат
натрия:Na2C03 + НС1 -> NaHC03 + NaCl.2. При добавлении всей соляной кислоты (два моля НС1 на один моль Na2C03) образу¬
ется угольная кислота:NaHC03 + НС1 -> Н2С03 + NaCl.
234АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.ШВ первой точке эквивалентности pH раствора определяется наличием в нем соли
NaHC03(cM. разд. 10.5):35^10.32=8,34Этот момент нейтрализации фиксируется фенолфталеином, рК которого находится в
данной области (см. табл. 15.1).Во второй точке эквивалентности pH раствора определяется концентрацией слабой кис¬
лоты Н2С03:причем без учета разбавленияСта. = Y = 5 10'2 моль/л,pH = ~6,35-^lg510'2 =3,83.Этот момент нейтрализации можно фиксировать, используя индикатор метиловый
оранжевый.15.1.6. Применение в медицинеВ качестве примера использования титриметрических методов анализа рассмотрим оп¬
ределение кислотности желудочного содержимого.Кислотность желудочного сока определяется в клинических единицах, т.е. количеством
миллилитров 0,1 н. щелоча, которое необходимо затратить для нейтрализации 100 мл про¬
фильтрованного желудочного содержимого. Обычно определяют общую кислотность и сво¬
бодную соляную киаготу.Под общей кислотностью понимают все кислореагирующие вещества желудочного со¬
держимого (концентрация всех катионов Н+, свободных и связанных, имеющихся в раство¬
ре), а под свободной соляной кислотой — свободную минеральную кислоту (активная кис¬
лотность, концентрация свободных ионов Н+, имеющихся в растворе в данных условиях).
В норме общая кислотность составляет 40-60, а свободная — 20-40 клинических единиц.Определение различных видов кислотности желудочного содержимого основывается на
применении индикаторов с разными интервалами перехода. Свободная соляная кислота от-
титровь^вается щелочью три pH =3-4, и подходящим в этом случае индикатором является
метиловый желтый (см. табл. 15.1). Связанная или потенциальная кислотность (разность
между общей кислотностью и свободной соляной кислотой) оттитровывается в интервале
рЯ4-10. Поэтому общую кислотность желудочного содержимого (сумма свободной и свя¬
занной кислотности) определяется методом титрования смеси кислот раствором щелочи с
известной концентрацией, применяя в качестве индикатора фенолфталеин.15.2. Осадительное; титрованиеМетоды осадительного титрования, как уже было сказано ранее, основаны на осажде¬
нии характерных малйрастворимых соединений, образующихся в результате реакции между
анализируемым веществом и титрантом.
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ235Для осадительного титрования, как и для метода кислотно-основного титрования, можно
рассчитать и построить кривую титрования.Рассмотрим титрование 0,1 М раствора NaCl ОД М раствором AgNOз(для каждого из них
молярность равна нормальности). Для упрощения расчетов пренебрегаем изменением объе¬
ма раствора при титровании, а произведение растворимости AgCl примем равным 10~10. Кон¬
центрацию ионов Ag+ и С1" будем выражать их ионными показателями, т.е. отрицательны¬
ми логарифмами концентраций этих ионов (более точно — активностей):pAg = -lg [Ag*], pCl = -lg [Ct].В начальный момент, до прибавления раствора AgN03, концентрация [С1~] в растворе
равна концентрации практически полностью диссоциирующей соли NaCl. ПоэтомуpCl = -lg [Cl~] = -\g[NaCt] = -lglO'1 = 1.При осаждении 90% находившихся в растворе ионов С1" их концентрация будет склады¬
ваться из оставшегося неосажденным (неоттитрованным) хлорид-иона, входящего в состав
исходного хлорида натрия, и концентрации этого иона за счет частичной растворимости хло¬
рида серебра. Однако, если концентрация хлорида натрия достаточно велика, то вторым со¬
ставляющим мы можем пренебречь (см. разд. 13.2), поэтому в целом концентрация хлорид-
иона будет равна:10'1[СГ] = = Ю'2 моль/л; pCl = -lglO"2 = 2,при этом концентрация ионов Ag+, исходя из TIPAgCl (см. разд. 13.1) будет составлять:1 П-10 10-10[Ag+] = щ= 10 ^моль/л; pAg = -IglO^ = 8.Аналогично можно рассчитать pAg и pCl для случаев 99 и 99,9%-ного осаждения ионов С1~.В точке эквивалентности нет избытка ни AgN03, ни NaCl, а концентрации ионов Ag+ и
С1~ будут равны, так как будут определяться только растворимостью хлорида серебра:[СГ] = [Л£+] = VlO‘10 = 10 5моль/л,
р Cl = pAg = -\glQ~5 =5-При добавлении 0,1% избытка раствора AgN03 концентрация ионов Ag+ должна состав¬
лять 0,1% от первоначальной концентрации С1~, т.е.:[Ag*] = 1 ^ моль/л pAg = - lglO-4 =4ю-‘°[Ct] = ^- = 10^ моль/л pCl = - lglO-6 =6Результаты расчета кривой титрования приведены в табл. 15.5, а на рис. 15.3 представ¬
лена кривая титрования ОД М раствора NaCl ОД М раствором AgNOs.Как видно из данных расчета и рисунка, разность между pCl (pAg) раствора NaCl, оттит¬
рованного на 99,9%, и pCl (pAg) раствора, содержащего 0,1% избытка AgN03, составляет ска¬
чок титрования (ДpCl = 2).Скачок титрования зависит от величины произведения растворимости осадка и концент¬
рации исходных растворов. Чем меньше произведение растворимости образующегося при
АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ
Титрование О,1 н. раствора NaCl О,1 н. раствором AgN03[Ч.ШТаблица 15.5Степень осаждения, %[С1 ], моль/лрС1[Ag+], моль/лpAg010'1190,010"2210“8899,010-3310"7799,9Начало скачка титрования10'4410'66100,0Точка эквивалентности10"5510"55Избыток ионов Ag+0,1Конец скачка титрования10'6610"441,010"7710’3310,010'8810“2250,02-10"98,7510"21,3100,010"9910"1150 100 150 200%AgN03Рис. 15.3. Кривая титрования 0,1 Мраствора NaCl 0,1 М стандартным раствором AgN03без учета разбавления.
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ237титровании осадка и чем больше концентрация реагирующих веществ, тем шире область
скачка на кривой титрования и тем легче установить точку эквивалентности.Наиболее широкое распространение получили методы осаждения, в которых использу¬
ется осаждение галогенид-ионов катионами серебра — аргентометрия, а также катионами
ртути(1) и ртути(П) — меркуро- и меркуриметрия.В методе аргентометрии существует несколько способов фиксирования точки эквива¬
лентности. Действие химического индикатора здесь также основано на визуально фиксиру¬
емом изменении цвета или мутности раствора. Индикатор избирательно реагирует или с тит-
рантом, или с титруемым веществом, или с продуктом реакции титрования.1. Метод Мора (образование второго осадка)Метод Мора основан на прямом титровании раствора, содержащего хлорид- или бромид-
анионы, раствором нитрата серебра известной концентрации. В основе фиксации конечной
точки титрования лежит образование второго осадка, цвет которого отличается от цвета ожи¬
даемого соединения. ^Метод Мора широко применяется при титровании хлорид- и бромид-
ионов нитратом серебра. Индикатором в этом методе служит хромат-ион (раствор К2Сг04).
Как уже отмечалось ранее, при титровании образуется осадок галогенида серебра, например,
в случае хлорид-иона происходит следующая реакция:Ag+ + Cl" —> AgCl (осадок).В момент полного осаждения галогенида избыточные ионы серебра реагируют с аниона¬
ми Сг04 2, образуя кирпично-красный осадок хромата серебра.2 Ag+ + Сг04'2 -» Ag2Cr04.Появление этого осадка указывает на достижение точки эквивалентности, так как он на¬
чинает образовываться лишь после полного осаждения галогенидов в виде AgCl или AgBr.
Это обусловлено различием величин растворимости галогенидов и хромата серебра.Важно правильно выбрать концентрацию индикатора. При добавлении слишком боль¬
шого количества хромата конечная точка титрования может предшествовать точке эквива¬
лентности. На практике, как правило, используют концентрацию хромата несколько ниже
0,005 М, так как при большей концентрации интенсивная желтая окраска хромат-ионов бу¬
дет маскировать красную окраску хромата серебра. Если хромата введено недостаточно, то
конечная точка будет фиксироваться позже.Следует обратить внимание на кислотность среды, поскольку при увеличении концен¬
трации ионов водорода хромат-ионы частично превращаются в бихромат-ионы, а раство¬
римость бихромата серебра значительно выше хромата серебра. В сильно щелочной сре¬
де возможно выпадение осадка оксида серебра. Таким образом, определение по методу
Мора нужно проводить в нейтральной или близкой к нейтральной среде (pH 7-10). Кон¬
центрацию ионов водорода в этом интервале удобно поддерживать добавлением бикарбона¬
та натрия, карбоната кальция или буры.2. Метод Фольгарда (образование окрашенного комплекса)В методе Фольгарда используется методика обратного титрования. К исследуемому ра¬
створу галогенида прибавляют заведомый избыток раствора AgN03. Часть нитрата серебра
идет на образование осадка галогенида серебра, а остаток оттитровывают рабочим раство¬
ром роданида аммония NH4SCN в присутствии индикатора — соли трехвалентного железа —
железоаммонийных квасцов NH4Fe(S04)212H20 (соль Мора). Например, при титровании
бромид-иона образуются осадки соответствующих солей:
238АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.ШAg+ + Br—> AgBr (осадок),Ag+ + SCN" —> AgSCN (осадок).После полного осаждения ионов Ag+ избыток роданид-ионов, взаимодействуя с ионами
Fe3+, образует роданид железа:Fe+3 + 3SCN" —> Fe(SCN)3,который окрашивает жидкость над осадком в красный цвет.Титрование проводят в кислой среде, чтобы избежать гидролиза квасцов, приводящего
к образованию желто-коричневой основной соли Fe(0H)S04. Возможность определения га-
логенидов в кислой среде делает метод Фольгарда особенно удобным для анализа биоло¬
гических растворов кислого характера. Им пользуются в клиническом анализе для коли¬
чественного определения хлоридов в моче и желудочном содержимом, имеющих обычно
кислую реакцию среды, а также при санитарно-гигиеническом анализе питьевой воды и
исследовании пищевых продуктов. Определение по методу Фольгарда можно производить
также при наличии в растворе ионов Ва2+, РЬ2+ и др. Нельзя титровать лишь в присутствии
окислителей и солей ртути, так как окислители разрушают ион SCN", а ионы ртути образу¬
ют с ним малорастворимое соединение.3. Метод Фаянса (адсорбционные индикаторы)Другой значительной группой индикаторов в осадительном титровании являются адсорб¬
ционные индикаторы. Индикаторы этого типа представляют собой органические соединения,
которые адсорбируются осадком или десорбируются с поверхности осадка, образующегося в
процессе титрования. В идеальном случае адсорбция или десорбция наблюдается вблизи
точки эквивалентности и сопровождается не только изменением цвета раствора, но и обра¬
зованием окрашенного соединения на поверхности осадка. Типичным адсорбционным ин¬
дикатором является органический краситель флуоресцеин, применяющийся при титрова¬
нии хлорид-ионов нитратом серебра.При меркурометринеском определении раствор хлорида титруют стандартным раство¬
ром нитрата ртути(1):2С1" + Hgf+ —» Hg2Cl2.В качестве индикатора обычно применяют раствор органического реактива — дифенил-
карбазона, с которым избыток нитрата ртути(1) образует осадок синего цвета.К достоинствам этого метода следует отнести возможность титрования в сильно кислой
среде, а также титрование в окрашенных и мутных растворах, так как окраска осадка в ко¬
нечной точке титрования очень яркая. Не мешает титрованию и присутствие окислителей
и восстановителей.15.3. Комплексонометрическое титрование (комплексонометрия)В комплексонометринеском анализе для определения металлов используют титримет-
рические методы, основанные на образовании устойчивых внутрикомплексных соединений
между титрантом — комплексоном — и ионами металлов.Для титрования чаще всего применяют двунатриевую соль ЭДТА, так называемый три-
лон Б (Na2H2L), который, являясь полидентатным лигандом, взаимодействует с ионом двух¬
валентного металла по реакции:
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ239NaOOCCOONa NaOOCI ICOONal0=C-0HH0-C=0o=c-^^o-c=oЭту же реакцию в общем виде можно записать следующим образом:Мх++ H2L<=> ML<^+<-2>+ 2Н+.Из уравнения реакции видно, что для смещения равновесия вправо (т.е. для успешного
титрования) необходимо связать ионы Н+. Это достигается добавлением аммонийного бу¬
фера. Кроме того, ионы многих металлов в водных растворах образуют гидроксокомплексы,
а при высоких значениях pH могут осаждаться в виде малорастворимых гидроксидов. По¬
этому добавлением аммонийного буфера не только создают определенный pH раствора,
но и предотвращают связывание катионов в малорастворимые гидроксиды за счет того,
что многие из них образуют с аммиаком растворимые в воде комплексные соединения
(аммиакаты).Точку эквивалентности при комплексонометрическом титровании можно установить
потенциометрически и некоторыми другими физическими методами. Однако на практи¬
ке для этой цели чаще используют так называемые металлохромные индикаторы, которые
представляют собой красители, образующие с титруемыми ионами металлов растворимые
в воде различно и интенсивно окрашенные хелаты. Индикатор подбирают таким образом,
чтобы цвет комплекса M-Ind отличался от цвета свободного индикатора. Получаемые при
этом комплексные соединения менее устойчивы, чем внутрикомплексные соли, образуемые
определяемыми катионами с комплексонами. Поэтому в процессе титрования комплект¬
ном раствора, содержащего окрашенное комплексное соединение, образуемое определяемы¬
ми катионами с индикатором, в точке эквивалентности наблюдается изменение окраски
раствора. Это объясняется тем, что комплексное соединение индикатора разрушается и ин¬
дикатор выделяется в свободном виде. Благодаря отличию окраски свободного индикатора
от окраски его комплексного соединения и происходит изменение окраски титруемого
раствора. Обычно индикатор добавляют к анализируемому раствору перед началом тит¬
рования и в небольшом количестве, поэтому лишь незначительная часть ионов металла
расходуется на образование комплекса M-Ind, который придает раствору характерную для
данного хелатного комплекса окраску.С момента добавления первых капель титранта и вплоть до начала скачка титрования
цвет анализируемого раствора не изменяется, так как идет основная реакция между иона¬
ми металла и добавленным титрантом (см. выше). Вблизи точки эквивалентности цвет ра¬
створа должен резко меняться, что происходит, как уже было сказано, в том случае, когда
константа устойчивости комплекса «металл-индикатор» меньше константы устойчивости
комплекса «металл-титрант». Фактически в этой стадии титрования идет реакция замеще¬
ния, в результате которой освободившийся индикатор окрашивает раствор в цвет, присущий
ему в свободном виде.Интервал перехода окраски металлохромного индикатора рассчитывают по константе
устойчивости (Кмы) комплекса «металл-индикатор». Из уравнения для этой константы
240АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. III«г _ [Mind]— _ _ мы [M][Ind]концентрация ионов металла составляет:1 [МЫ]
к„ы [Ы\или в логарифмическом виде\g[M] = -lgKMInJ+lg[-^.
Умножив обе части равенства на -1, получаем:-lg[M] = \%киы + lgj7^-’[Mind]
норМ = -\g[M],тогда[Ind]рМ - lg KMInd + lg[Mind]В момент изменения окраски (в конечной точке титрования), т.е. при [Ind] = [Mind],
рМ = lgKMInd. Интервал перехода окраски будет соответствовать:АрМ = lgKMlnd ± 1.В качестве примера рассмотрим случай комплексонометрического определения ионов
Mg, которые титруют раствором трилона Б (Na2H2L) в присутствии аммонийного буфера и
металлохромного индикатора — эриохрома черного Т (эриоТ или H3Ind).Сначала расчет теоретической кривой титрования проводят по концентрации неоттит-
рованного металла, в точке эквивалентности — по концентрации образовавшегося хелата, а
после нее — по концентрации избыточного количества титранта. Кривые титрования стро¬
ят в виде зависимости рМ от объема добавленного титранта (трилона Б).До начала титрования при добавлении эриохрома черного Т часть находящихся в анали¬
зируемом растворе катионов Mg2+ взаимодействует с ним, в результате чего образуется хе-
латный комплекс, окрашивающий раствор в красный цвет:Mg2+ + H3Ind <=> MgHInd + 2Н+.В процессе титрования (до точки эквивалентности) происходит основная реакция между
Mg2+ и трилоном Б. При этом образуется бесцветный хелат и окраска раствора остается
прежней:Mg2+ + Na2H2L <=> Na2MgL + 2Н+.Вблизи точки эквивалентности, когда все свободные ионы Mg2+ оттитрованы, между хе-
латным комплексом MgHInd и трилоном Б происходит реакция замещения:MgHInd + Na2H2L-> H3Ind + Na2MgL.
ГЛ. 15] КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ 241Таблица 15.6Титрование 0,01 н. раствора Mg2+ 0,01 н. стандартным раствором трилона Б (без учета разбавления)Прибавлено 0,01 н.
трилона Б, %[Mg"], %[Mg2],моль/л[трилон Б],
моль/лрМ = - lg см*-100,010'2-2,010,090,0910“3-2,0550,050,0510-3-2,399,90,110“5-5,0Начало скачка титрования100,0---5,35100,1--10‘55,73Конец скачка титрования110,0--10'37,7150,0--510"38,4200,0--10'28,7В этот момент титрования окраска раствора резко меняется, так как освободившийся ин¬
дикатор окрашивает раствор в синий цвет.Из приведенных в табл. 15.6 результатов вычисленияpMg и рис. 15.4 следует, что интер¬
вал перехода окраски эриохрома черного Т совпадает со скачком титрования. Следователь¬
но, в присутствии этого индикатора можно с высокой точностью определять содержание
Mg2+ в исследуем ых растворах.15.4. Окислительно-восстановительное титрование (редоксиметрия)С окислительно-восстановительными реакциями связаны дыхание и обмен веществ, гни¬
ение и брожение, фотосинтез и нервная деятельность живых организмов. Окислительно-вос-
становительные процессы лежат в основе горения топлива, коррозии металлов, электролиза,
металлургии и т.д. Поэтому, наряду с рЯ-метрией, комплексонометрией и осадительным
титрованием, редоксиметрия (методы, основанные на измерении окислительно-восста¬
новительных потенциалов) является одним из важнейших методов физико-химического
исследования в химии, медицине, биологии, физиологии.Кривые окислительно-восстановительного титрования можно рассчитать с помощью
уравнения Нернста, используя значения стандартных электродных потенциалов.Допустим, что некоторый восстановитель Brcd титруют окислителем Аох. Процесс этот
можно изобразить двумя полуреакциями:(I) Аох + пА е- ?=> Ага1
(II) Вги| - пве~-£± Вох,где пА — число электронов принятых окислителем, а пв — число отданных восстановителем.До точки эквивалентности, когда Вгсч) в избытке, потенциал в системе определяется
полуреакцией (II) л рассчитывается по уравнению Нернста для редокс-пары веществ?
В (фВ0х/Вм„ =Фв):
242АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIТрилон Б, %Рис. 15.4. Кривая титрования 0,01 н. раствора Mg'2 0,01 н. раствором трилона Б (без учета разбавления).Пв [вы]После точки эквивалентности раствор содержит избыток окислителя (титранта), и по¬
тенциал в системе определяется полуреакцией (I). Поэтому при расчете используют урав¬
нение Нернста для редокс-пары вещества А (Фл /аы ~ Фл):В точке эквивалентности значения потенциалов обеих редокс-пар становятся равными, т.е.Ф,4 = Фв = Ф м.э.
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ243Обе части первого равенства умножают на пА, а второго — на пв, тогда:ЯдФи.,=ИлФл+0,0591814^L red Jm.3.3 ИвФт.э. = ”вФв + 0,059lg|5<“\fired 1т.э.Суммируя эти два уравнения, получим:«лФга, +«Л., = «дфл + *вф°в + 0,05918И^ + 0,0591§1|Ц^ •V red лт.э. l^red 1т.э.Но в точке эквивалентности в соответствии со стехиометрическим уравнением^вЛох ^/fired t~ ЯвЛ red ^А^оху
\Aqx ]т.э. _ ^В _ \^red 1ш.э.[КАШ,. пл [KL,. ’ИЛИ\^ох 1ш.э. \fired 1т.э.l^red 1т.э. \fiox 1 т.э.Тогда в точке эквивалентности оба логарифмических члена равны, но противоположны
по знаку и, следовательно:."лФл+ЯвФвФт.э. =■пА+пвВ качестве примера в табл. 15.7 приведены результаты расчета кривой титрования вос¬
становителя (FeS04) раствором окислителя (КМп04) в роли титранта, реакцию между ко¬
торыми можно изобразить следующим стехиометрическим уравнением:5Fe+2 + 2Мп04" + 8Н+ -> 5Fe+3 + 2Мп+2 + 4Н20.На рис. 15.5 представлена соответствующая кривая титрования.Из приведенных значений потенциалов (табл. 15.7) и кривой титрования (рис. 15.5) вид¬
но, что точка эквивалентности не совпадает с серединой скачка титрования. Такое явление
наблюдают в том случае, когда пА Ф пв. Следует отметить, что механизм многих окисли¬
тельно-восстановительных реакций сложен, поскольку они могут идти в несколько стадий
с образованием нестабильных промежуточных продуктов. Стехиометрическое же уравнение
отражает лишь начальное и конечное состояние суммарного процесса. Это, в частности, от¬
носится к реакции восстановления перманганат-ионов:Мп04" + 8Н+ + 5е ^ Мп+2 + 4Н20,
для которой уравнение Нернста имеет вид:0,059. [Мп04-][Я+]8
Уто-,+ануш2+ ф 5 ё [Мп2*]По указанной причине на практике расчет потенциала при помощи такого уравнения мо
жет быть связан с ошибкой, хотя в большинстве случаев она невелика. Кроме того, следует
244 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ [Ч. IIIТаблица 15.7Титрование раствора FeS04 стандартным раствором КМп04Остаток Fe2+, %Прибавлено КМп04, %Ф,В90100,7150500,7710900,830,199,9Начало скачка титрования0,95100Точка эквивалентности1,39100,1Конец скачка титрования1,48*-1501,50-2001,51* Расчет потенциалов Ушо^+йнуш2* для различных моментов титрования произведен
при концентрации ионов Н+, равной 1 моль/л.помнить, что уравнение Нернста можно использовать при расчете только для обратимых
окислительно-восстановительных реакций.Потенциометрическое титрование обычно применяют в тех случаях, когда раствор ок¬
рашен или содержит осадок, мешающий применению цветного индикатора.• Индикаторы, применяемые в окислительно-восстановительном титровании (редокс-ин-
дикаторы), представляют собой ярко окрашенные вещества, меняющие окраску при окис¬
лении или восстановлении (ферроин, дифениламин, метиленовый голубой и т.д.). Редокс-
индикатор выбирают таким образом, чтобы потенциал, при котором индикатор меняет
окраску, был как можно ближе к значению потенциала в точке эквивалентности.В гигиенической практике редоксметрию широко применяют при анализе воды, в кото¬
рой определяют химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое потребление кис¬
лорода (ВПК).ХПК — мера общей загрязненности воды содержащимися в ней органическими и неор¬
ганическими восстановителями, реагирующими с сильным окислителем. Ее обычно выра¬
жают в молях эквивалента кислорода, израсходованного на реакцию окисления примесей из¬
бытком бихромата:Сг2072" + 14Н+ + 6е -> 2Сг3+ + 7Н20.Остаток бихромата оттитровывают стандартным раствором соли Fe(II):6Fe2+ + Cr202~ + 14Н+ + 6е -» 2Cr3+ + 6Fe3+ +7Н20.Поскольку ХПК не характеризует все органические загрязнители, окисляемые до угле¬
кислоты и воды, проводят еще и определение общего органического углерода. Для этого в
пробе в жестких условиях окисляют органические загрязнители. Выделяющийся С02 погло¬
щают раствором щелочи. Оттитровав остаток щелочи кислотой, находят искомый показа¬
ГЛ. 15]КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ245% КМп04Рис. 15.5. Кривая окислителъпо-восстаповительпого титрования FeS04раствором КМп04.тель. Вычислив отношение ХПК к общему органическому углероду, получают показатель за¬
грязненности сточных вод органическими веществами.ВПК— это количество кислорода, требующееся для окисления находящихся в воде орга¬
нических веществ в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических
процессов. При его определении отбирают две одинаковые пробы воды. В первой сразу же
определяют содержание растворенного кислорода. Для этого к пробе добавляют раствор
соли Mn(II) и аммиак, в результате чего образуется окислитель — гидратированная форма
двуокиси марганца:02 + 2Мп(ОН)2 -> 2Мп02 + 2Н20.Далее вводят избыток иодида калия и оттитровывают выделившийся иод раствором
тиосульфата:Мп02 + 4Н+ + 21- -> Мп2+ + 12 + 2Н20,12 + 2 Na2S203 —^ 2 Nal + Na2S4O0.Вторую пробу закрывают и оставляют на 2,3,5,10 или 15 суток. Далее, действуя описан¬
ным выше способом, находят остаток кислорода. Разность между первым и вторым опреде¬
лениями дает БПК.
Глава 16.ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА...самая главная трудность состоит
не в отыскании явлений,
а в нахождении истинного метода, с
помощью которого можно было бы
установить законы явлений.Г. БокльВ последние годы все более широкое применение получают инструментальные методы
анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, воз¬
можностью одновременного определения нескольких компонентов, автоматизации и исполь¬
зования компьютеров для обработки результатов анализа. Важнейшие методы инструменталь¬
ного анализа представлены в схеме 14.1.16.1. Электрохимические методыПомимо методов титрования в присутствии индикаторов применяются и электрохимичес¬
кие методы определения точки эквивалентности. При этом титрование выполняют обычным
способом, но вместо визуального наблюдения за изменением окраски индикаторов пользуют¬
ся приборами, показания которых не зависят от субъективных наблюдений эксперимен¬
татора.Уже указывалось, что удобным методом фиксации эквивалентной точки является по-
тенциометрия (см. гл. 12), которая является наиболее употребимым электрохимическим
методам анализа. Потенциометрический метод базируется на измерении электродных
потенциалов, которые зависят от активности ионов, а в разбавленных растворах — от их
концентрации.В случае получения в процессе титрования нерастворимого или слабодиссоциирующе-
го вещества в эквивалентной точке концентрация ионов в растворе будет минимальна. Сле¬
довательно, минимальным будет и значение электрической проводимости, так как элект¬
ропроводность разбавленных растворов пропорциональна концентрации электролитов.
Поэтому кондуктометрия, основанная на измерении электропроводности растворов, зани¬
ГЛ. 16]ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА247мает заметное место в титриметрическом анализе. С помощью кондуктометрии можно найти
и концентрацию электролита в растворе, сравнивая его электрическую проводимость со
значением на калибровочном графике. Методом кондуктометрии, в частности, определяют
общее содержание ионных примесей в воде высокой чистоты. Кондуктометрическое титро¬
вание имеет большое значение при анализе окрашенных и мутных растворов, когда опреде¬
ление точки эквивалентности с помощью индикаторов затруднено.Типичная кривая кондуктометрического титрования сильной кислоты сильным основа¬
нием приведена на рис. 16.1 а. Другой вид имеет кривая кондуктометрического титрования
нитрата серебра хлоридом бария. В этом случае в процессе титрования не наблюдается за¬
метного изменения электропроводности до точки экивалентности. После ее достижения
прибавление даже незначительного количества хлорида бария вызывает резкое возрастание
электропроводности. Кривые третьего типа получаются при титровании слабых кислот или
оснований сильными электролитами (рис. 16.1 б). Здесь электропроводность до точки эк¬
вивалентности возрастает менее резко, чем после ее достижения, т.к. при равных концент¬
рациях электрическая проводимость раствора слабой кислоты меньше электрической про¬
водимости ее соли.электрическая электрическаяпроводимость проводимостьРис. 16.1. Кривые кондуктометрического титрования: а — сильной кислоты сильным основанием;
б — слабой кислоты сильным основанием.В полярографическом методе, предложенном чешским ученым Я. Гейеровским в 1922 г.,
строят кривые зависимости «напряжение — сила тока» для ячейки, в которой один элект¬
род — ртутный капающий, а второй электрод (также, обычно, ртутный) неподвижен и име¬
ет большую площадь поверхности. При прохождении тока через раствор образца анализи¬
руемый ион осаждается на капле ртути и растворяется в ней:М”+ + пе + Hg = M(Hg).Напряжение ячейки в первую очередь зависит от потенциала капающего электрода, на
котором возникает значительная концентрационная поляризация из-за его небольшой пгс
щади поверхности и соответственно высокой плотности тока.
248АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[4.IIIЭтот потенциал определяется природой разряжающихся ионов и током, зависящим от
их концентрации:пргде Еу2 — потенциал полуволны, определяемый природой ионов; / — ток, 1пр — предельный
ток.Величина потенциала полуволны — аналитический сигнал, определяющий вид иона, а
значение предельного тока позволяет вычислить их концентрацию. При наличии несколь¬
ких ионов полярографическая кривая (полярограмма) имеет не одну волну, а несколько волнРис. 16.2. Полярограмма раствора с несколькими катионами.(рис. 16.2). Полярографический метод позволяет не только идентифицировать в растворе
несколько ионов одновременно, но и определить концентрацию каждого из них.16.2. Оптические методы анализа16.2.1. Основные принципыЭти методы анализа основаны на измерении оптических свойств атомов или молекул
анализируемого вещества в результате взаимодействия с ним электромагнитных волн. При
этом может происходить излучение, поглощение или отражение лучей, в соответствии с чем
существуют эмиссионные, абсорбционные спектральные и люминесцентные методы.В методе эмиссионной спектроскопии анализируемый образец нагревается до высоких
температур порядка 2000-15000 °С. При этих температурах вещества, испаряясь, диссоци¬
ируют на атомы или ионы, которые дают излучение, преобразуемое в спектрографе в линей¬
чатый спектр. Сравнение полученного спектра с табличными данными спектров элементов
позволяет идентифицировать элемент, а интенсивность спектральных линий — определить
его количество.Разновидностью эмиссионного анализа является эмиссионная пламенная фотометрия,
в которой исследуемый раствор вводят в бесцветное пламя горелки. Цвет пламени (то есть
ГЛ. 16]ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА249вид элемента) и его интенсивность (его количество) анализируются с помощью прибора —
пламенного фотометра. Оба последних метода дают возможность за короткое время анали¬
зировать микро- и ультрамикроколичества веществ, причем в образце можно одновремен¬
но определять несколько элементов. Эти методы чаще всего используются для анализа ще¬
лочных и щелочно-земельных металлов.Люминесцентные методы базируются на свечении анализируемого вещества под воздей¬
ствием ультрафиолетовых (фотолюминесценция), рентгеновских (рентгенолюминесцен-
ция) и радиоактивных (радиолюминесценция) лучей. Если вещество не обладает способно¬
стью к люминесценции, его можно подвергнуть предварительной обработке специальными
реактивами, в результате чего оно приобретает свойство люминесцировать. Люминесцент¬
ный метод анализа характеризуется очень высокой чувствительностью (определение содер¬
жания до 10-10-10"13гвобразце).Оптический метод, основанный на отражении света твердыми частицами, взвешенными
в коллоидном растворе, называется нефелометрическим. Нефелометрический анализ осуще¬
ствляется с помощью приборов нефелометров.Методы, основанные на изучении спектров поглощения лучей анализируемыми веще¬
ствами, получили название абсорбционно-спектральных. При прохождении света через ра¬
створ свет или его компоненты поглощаются или отражаются. По величине поглощения или
отражения лучей можно судить о природе и концентрации вещества, а на основании изме¬
рения интенсивности потока света — о его концентрации. Определение ведут с помощью
спектрофотометров и фотоколориметров.В спектрофотометрах используют монохроматическое излучение, в фотоколоримет¬
рах — видимый свет. Для определения содержания вещества в анализируемом образце срав¬
нивают полученные при измерении данные с калибровочными графиками, построенными
для стандартных растворов.Метод, исследующий поглощение лучей атомами определяемого компонента, которые
получают распылением раствора анализируемого вещества в пламени горелки, называют
атомно-абсорбционным (атомно-абсорбционная спектроскопия). Недавно предложено не¬
сколько типов непламенных атомизаторов, оказавшихся полезными при анализе следов раз¬
ных элементов. Атомно-абсорбционная спектроскопия — чувствительный метод определе¬
ния более 70 элементов, позволяющий анализировать вещества в очень малых количествах.
Пределы обнаружения некоторых из них приведены в табл. 16.3.Значительное распространение в медико-биологических исследованиях получили такие
методы спектрального анализа, как ультрафиолетовая и инфракрасная спектроскопия, которые
и будут рассмотрены здесь подробней. В их основе лежит регистрация определенных возмуще¬
ний, вызванных взаимодействием электромагнитного излучения с атомами и молекулами. Спек¬
тральные методы установления структуры точны, объективны и надежны. Большинство из них
позволяет изучать живую материю без нанесения ей каких-либо деструктивных изменений.Электромагнитное излучение, как известно, характеризуется длиной волны и энергией,
связанными между собой формулой ПланкаE = h->Xгде h — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме, а X — длина волны. Другими ха¬
рактеристиками излучения являются частота V, связанная с длиной волны простым соотно¬
шениемсv = —»X
250АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.Ша также его интенсивность, то есть число квантов, проходящее в единицу времени через еди¬
ницу площади. Интенсивность излучения определяется законом Бугера-Ламберта-Бэра:lgf = eC/,10где I — интенсивность прошедшего, 1() — падающего излучения, / — толщина слоя раствора,
в котором находится вещество (см), С — его концентрация (моль/л), а е — мольный коэф¬
фициент погашения (экстинкции) — количественная мера интенсивности поглощения
(л/моль-см). Мольный коэффициент погашения характеризует поглощение раствора, кон¬
центрация которого равна 1 моль/л, в кювете с длиной светового пути 1 см.В целом электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от километров (ра¬
диоволны) до 10_12м и менее (жесткое у-излучение).Чем короче длина волны, и, следовательно, больше мощность излучения, тем значитель¬
нее возмущения, вносимые в структуру вещества. Так, облучение его радиоволнами вызы¬
вает лишь переориентацию спина — величины, характеризующей собственный момент вра¬
щения электрона. Инфракрасные волны вызывают колебания атомов относительно связей.
При переходе в видимую и ультрафиолетовую область мы можем наблюдать происходящие
переходы электронов внешнего уровня с одной орбитали на другую.16.2.2. Инфракрасная спектроскопияИнфракрасное излучение относится к той части электромагнитного спектра, которая на¬
ходится между видимой и микроволновой областями. Единицей измерения в ИК спектро¬
скопии служит длина волны, измеряемая обычно в микрометрах. Однако, более употребимой
величиной в практической ИК спектроскопии является волновое число (v), т.е. число волн,
приходящихся на 1 см длины светового луча, измеряемое в обратных сантиметрах (см-1) и
связанное с длиной волны следующим соотношением-Y -Ч 10"2Лсм ) = ттт-
Х(м)При облучении молекулы ИК излучением с частотой менее 100 см-1 энергия поглощается
молекулой и преобразуется в энергию вращения. Так как поглощение электромагнитной
энергии всегда квантовано, т.е. не имеет непрерывного характера, спектр вращения также
должен иметь не непрерывный, а дискретный вид.Излучение с частотой 100-10000 см-1 при поглощении веществом преобразуется в энер¬
гию колебания, спектр которой теоретически также носит дискретный характер, однако, в
результате ряда физических процессов на практике состоит из ряда полос, сливающихся в
конденсированной фазе в единый непрерывный спектр.Обычный инфракрасный спектр представляет собой графическую кривую сложного про¬
филя с набором сигналов (колебательных полос), проявляющихся между 4000 и 400 см-1
(рис. 16.3).По оси абсцисс графика отложены волновые числа (длины волн), а по оси ординат — ин¬
тенсивность «пиков», носящих название характеристических полос (в процентах пропуска¬
ния, либо единицах оптической плотности).Необходимо заметить, что в отличие от других спектров графическое изображение И К
спектра, как правило, имеет «обратный» вид — базовая (нулевая) линия располагается в вер¬
хней части спектра, а вершины «пиков» характеристических полос — ниже , а не выше.
250АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.Ша также его интенсивность, то есть число квантов, проходящее в единицу времени через еди¬
ницу площади. Интенсивность излучения определяется законом Бугера-Ламберта-Бэра:lg— = гС1,I10где I — интенсивность прошедшего, 1() — падающего излучения, / — толщина слоя раствора,
в котором находится вещество (см), С — его концентрация (моль/л), а в — мольный коэф¬
фициент погашения (экстинкции) — количественная мера интенсивности поглощения
(л/моль-см). Мольный коэффициент погашения характеризует поглощение раствора, кон¬
центрация которого равна 1 моль/л, в кювете с длиной светового пути 1 см.В целом электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от километров (ра¬
диоволны) до 10_12м и менее (жесткое у-излучение).Чем короче длина волны, и, следовательно, больше мощность излучения, тем значитель¬
нее возмущения, вносимые в структуру вещества. Так, облучение его радиоволнами вызы¬
вает лишь переориентацию спина — величины, характеризующей собственный момент вра¬
щения электрона. Инфракрасные волны вызывают колебания атомов относительно связей.
При переходе в видимую и ультрафиолетовую область мы можем наблюдать происходящие
переходы электронов внешнего уровня с одной орбитали на другую.16.2.2. Инфракрасная спектроскопияИнфракрасное излучение относится к той части электромагнитного спектра, которая на¬
ходится между видимой и микроволновой областями. Единицей измерения в ИК спектро¬
скопии служит длина волны, измеряемая обычно в микрометрах. Однако, более употребимой
величиной в практической ИК спектроскопии является волновое число (v), т.е. число волн,
приходящихся на 1 см длины светового луча, измеряемое в обратных сантиметрах (см-1) и
связанное с длиной волны следующим соотношением-к Ю-2
v(cM ) = Т7ТХ(м)При облучении молекулы ИК излучением с частотой менее 100 см-1 энергия поглощается
молекулой и преобразуется в энергию вращения. Так как поглощение электромагнитной
энергии всегда квантовано, т.е. не имеет непрерывного характера, спектр вращения также
должен иметь не непрерывный, а дискретный вид.Излучение с частотой 100-10000 см-1 при поглощении веществом преобразуется в энер¬
гию колебания, спектр которой теоретически также носит дискретный характер, однако, в
результате ряда физических процессов на практике состоит из ряда полос, сливающихся в
конденсированной фазе в единый непрерывный спектр.Обычный инфракрасный спектр представляет собой графическую кривую сложного про¬
филя с набором сигналов (колебательных полос), проявляющихся между 4000 и 400 см-1
(рис. 16.3).По оси абсцисс графика отложены волновые числа (длины волн), а по оси ординат — ин¬
тенсивность «пиков», носящих название характеристических полос (в процентах пропуска¬
ния, либо единицах оптической плотности).Необходимо заметить, что в отличие от других спектров графическое изображение ИК
спектра, как правило, имеет «обратный» вид — базовая (нулевая) линия располагается в вер¬
хней части спектра, а вершины «пиков» характеристических полос — ниже , а не выше.
ГЛ. 16]ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА251Частота, см-1Рис. 16.3. Инфракрасный спектр гидрокортизона в таблетке с КВг.Положение отдельных полос в ИК спектрах характеризуется волновым числом и носит
название характеристической частоты. Второй характеристикой полос является их интен¬
сивность, выражающаяся количественно в единицах оптической плотности, либо качествен¬
но (сильная, средняя, слабая).Колебания, вызывающие появление соответствующих полос, могут быть двух типов:
валентные и деформационные. Валентное колебание — это ритмичное движение вдоль
оси связи, когда межатомное расстояние увеличивается и уменьшается. Деформацион¬
ное колебание может заключаться в изменении угла, образованного связями около обще¬
го атома. В ИК спектре наблюдаются только такие колебания, которые приводят к изме¬
нению дипольного момента молекулы и возникновению переменного электрического
поля.Например, молекула углекислого газа С02 имеет четыре колебания (рис. 16.4). Два из
них (1-е и 2-е) — валентные, остальные носят деформационный характер. Причем из двух
валентных колебаний 1-е неактивно, так как не вызывает изменения дипольного момента в
молекуле, а оба деформационных эквивалентны.Таким образом, очевидно, что каждой функциональной группе отвечает своя полоса по¬
глощения ИК излучения, в первом приближении не зависящая от химического окружения.
Наличие таких полос однозначно свидетельствует о присутствии в молекуле определенной
группы атомов.Если задача носит характер структурного исследования, т.е. заключается в установлении
структуры вещества неизвестного строения, то анализ спектра начинают с области от 4000+1- -<-о—0—о—► з. -«—о—0—о—2- —о—0—о-»- 4- to—0—ofIРис.16.4. Валентные и деформационные колебания молекулы С02:1 и 2 — валентные, Зи4 — деформационные.
252АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[4.IIIдо 1500 см-1, где располагаются строго определенные характеристические полосы большин¬
ства функциональных групп (табл.16.1). Таким образом, структурный анализ по этой час¬
ти спектра сводится к отнесению характеристических полос к соответствующим структур¬
ным элементам молекулы.Участок от 1500 до 400 см-1, именуемый областью «отпечатков пальцев», отвечает в
основном деформационным колебаниям, не имеющим определенных характеристиче¬
ских частот, а значит, мало пригоден для целей структурного анализа. Основная особен¬
ность этого участка — строгая индивидуальность его профиля для каждой молекулы,
поэтому анализ области «отпечатков пальцев» проводится при решении задачи иденти¬
фикации тех или иных препаратов. Анализ этой области при исследовании смесей не
имеет смысла за исключением тех случаев, когда необходимо подтвердить идентичность
двух образцов.Таблица 16.1Характеристические частоты поглощения в инфракрасной области некоторых типов связейСвязьЧастота, см"1СвязьЧастота, см"11-с-н12800-3000=с-н12700=СН2; =СН-3100-3200-осн32500-2800с,-н3000-3200,1700-2000-S-H25001500-1600с=о1690-1760ОIIIО2100-2260С=С, C=N, N=N1500-200-О-Н3600-3700, 3200-
3400*, 2500-3000*-NH2; -NHR3500-2700,3100-3400** При ассоциации за счет водородных связей.Таким образом, при помощи анализа частот поглощения в области 4000-1500 см-1
можно установить структуру неизвестных соединений, а при анализе области «отпечат¬
ков пальцев» — проводить идентификацию и проверку чистоты препаратов заданного
строения.При анализе биологических объектов необходимо представлять себе, что они, как пра¬
вило, не дают хорошо разрешенных спектров. Тем не менее, область применения И К спек¬
троскопии в медицине довольно обширна. К примеру, в настоящее время метод ИК спект¬
роскопии активно применяется для идентификации барбитуратов и алкалоидов; измерения
содержания анестезирующего вещества в артериальной и венозной крови, а также в выды¬
хаемом воздухе; при качественном и количественном анализе липидов, белков и аминокис¬
лот, определении пестицидов в биосубтратах.Современные серийные ИК спектрофотометры позволяют исследовать образцы с содер¬
жанием до 10"6 г анализируемого вещества.Благодаря таким своим особенностям, как универсальность, возможность прямого и не¬
зависимого определения ряда важных функциональных групп и структурных фрагментов,
небольшого количества анализируемого вещества, отсутствие ограничения в области физи¬
ко-химических свойств анализируемого препарата, ИК спектроскопия находит широкое
применение в медицине.
ГЛ. 16]ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА253> *ст*71*Пп<7Рис. 16.5. Электронные переходы
в возбужденной молекуле.16.2.3. Ультрафиолетовая спектроскопияВ практической УФ спектроскопии в качестве единицы измерения длины волны обычно
используют нанометр (нм). В соответствии с этим шкала волн, используемых в УФ спектро¬
скопии, подразделяется на два интервала: ультрафиолетовую (190-400 нм) и видимую область
(400-800 нм). Следует особо подчеркнуть, что принципиальной разницы во влиянии на веще¬
ство между видимым и ультрафиолетовым излучением нет, эта детализация обусловлена лишь
физиологическими причинами (чувствительностью человеческого глаза).Появление УФ спектра обусловлено возбуждением элек¬
тронов, которые в молекулах занимают молекулярные орби¬
тали. Как известно, электроны могут быть трех типов: а- и п-
связевые, а также электроны неподеленных электронных пар
(соответственно, а-, п- к n-электроны). При возбуждении все
они, в принциле, способны переходить на «возбужденные» мо¬
лекулярные орбитали, отличающиеся от основных более высо¬
кой энергией (а-*, л-*) (рис.16.5).Согласно так называемым правилам отбора разрешены
только некоторые переходы между орбиталями, отраженные на рис. 16.5: а —> а*, к —> п,
п —> л и п —> а*. Однако, энергия переходов а —> а* и п —> а* довольно велика. Для их осуще¬
ствления требуется излучение более коротких волн, чем ультрафиолетовые. Таким образом,
реальное значение для практической УФ спектроскопии имеют переходы п —> п и п —> п,
длины волн которых попадают в рабочий диапазон УФ спектрометра. Прибор регистриру¬
ет возникающие полосы поглощения в виде графика зависимости интенсивности поглоще¬
ния, выраженнол в единицах оптической плотности D от длины волны (рис. 16.6). Вместо
единиц оптической плотности часто используется мольный коэффициент экстинкции (по¬
гашения) в.Анализ полученного спектра в общем случае сводится к отысканию на нем отдельных по¬
лос поглощения (максимумов), идентификации их по типу и отнесению к конкретным осо¬
бенностям строения вещества.При анализе УФ спектра, необходимо учитывать, что в доступном спектрофотометру ин¬
тервале излучения активными оказываются только 7Г —> тг* ип->я электронные переходы,
а значит, аналйзу можно подвергнуть только те молекулы, которые содержат ненасыщенныеРис. 16.6. Ультрафиолетовый спектр амитриптилина.
254АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIгруппировки (71-связи). Таким образом, УФ спектр отражает не всю структуру молекулы, а
только некоторые ее фрагменты. Это, с одной стороны, выглядит недостатком, но может быть
и достоинством. Так, УФ спектр сложных молекул, например, мужского гормона тестосте¬
рона, имеет достаточно простой, поддающийся расшифровке вид, в то время, как другие
спектры этой молекулы крайне сложны.Атомную группировку, способную к поглощению в ультрафиолете, называют хромофо¬
ром. Хромофоры бывают изолированные и сопряженные. Сопряженный хромофор поглоща¬
ет в более длинноволновой области, чем изолированный (батохромный сдвиг) и с большей
интенсивностью (гиперхромный эффект). Противоположные процессы носят названия гип-
сохромного сдвига и гипохромного эффекта, соответственно. Атомную группировку, саму по
себе не поглощающую, но вызывающую батохромный сдвиг при включении в систему хро¬
мофора, называют ауксохромом.При интерпретации УФ спектров целесообразно различать три вида полос:1. Очень интенсивные полосы (s > 103) п —> п переходов сопряженных хромофоров
(К-полосы).2. Слабые полосы п —> п переходов (е < 102) непредельных гетероатомных групп (ll-
полосы).3. Средние полосы (в ~ 102) ароматических структур (В-полосы).Первичный анализ УФ спектра проводится в области >200 нм. Отсутствие здесь полос
можно считать надежным доказательством отсутствия в молекуле сопряженных хромофо¬
ров (сопряженные диеновые системы, ароматические ядра, карбонильные группы). Деталь¬
ное отнесение полос в этой области проводится с помощью соответствующих таблиц, спра¬
вочников, либо компьютерных баз данных. Сведения о некоторых типичных хромофорах на
примере биоструктур представлены в таблице 16.2.В настоящее время в медицине широко применяется ряд стандартных аналитических мето¬
дик на основе метода УФ спектроскопии. Так, известен спектрофотометрический способ обна¬
ружения отравлений амитриптилин-гидрохлоридом — лекарственным препаратом, использу¬
емым при различного рода депрессиях. Амитриптилин может быть обнаружен этим методом в
гнилостно-разложившемся трупном материале в течение 6 месяцев. Граница обнаружения — 25
мкг, граница определения — 50 мкг в 100 г объекта. Метод важен тем, что данные клиническо¬
го, патолбгоанатомического и гистологического исследований не позволяют дифференцировать
отравление амитриптилином и отравления другими психотропными препаратами.Таблица 16.2Типичные хромофоры биологически активных веществХромофорЯ-«,«.нм(8)ПримерДиен215-270(14000-25000)Эргокальциферол (витамин Д2)Полиен452 (не менее 10000)КаротинАлифатические оксосоединения275-290 (15-20)Барбитураты (барбамил)а,р- Непредельные кетоны220-230 (12600)Барбитураты (барбамил)Нитросоединения275-280(19)ФурацилинАрены184 (60000), 200 (7900), 260 (220)Тубокурарин -хлорид, фосфанолГетарены195 (7500), 250 (2000)Дипироксим(реактиватор холинэстеразы)
ГЛ. 16]ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА255Методом УФ спектроскопии проводят анализ при отравлениях угарным газом. Путем
количественного определения в образце крови карбоксигемоглобина и карбоксимиоглобина
устанавливают динамику отравления.Спектрофотометрия — удобный метод количественного определения содержания барби¬
туратов в биологическом материале. Чувствительность спектрофотометрического метода
определения барбитала, циклобарбитала и фенобарбитала составляет 0,2 мг; барбамила, кви-
этала — 0,3 мг; гексенала — 0,4 мг в 5 мл конечного объема. Методом УФ спектроскопии
проводят оценку содержания в организме алкалоидов индольного и морфинового ряда,
влияние нейрогуморальных веществ (адреналин, ацетилхолин, азерин) при диагностике
язвенной и гипертонической болезни, количественное определение гистамина в тканях при
различных интоксикациях и др.В качестве примера сравнительных возможностей различных инструментальных мето¬
дов обратимся к области анализа катионов токсичных металлов, который в настоящее вре¬
мя чрезвычайно широко применяется в токсикологической и гигиенической практике.
Чаще всего для этих целей используют иономерию, спектрофотометрию, УФ спектроско¬
пию, атомно-абсорбционную и атомно-эмиссионную спектроскопию.Выбор того или иного метода определяется следующими критериями:1. Агрегатное состояние образца. Для анализа воды — питьевой, природной, промышлен¬
ных стоков — предпочтительнее иономерия, спектрофотометрия и классический аналити¬
ческий метод — комплексонометрия. Анализ загрязнений воздуха обычно предваряют сор¬
бционным концентрированием. Можно использовать спектрофотометрию или атомную
спектроскопию.2. Селективность метода. Часто в образце одновременно присутствуют различные метал¬
лы. Предпочтительнее селективный метод, т.е. такой, который позволяет избирательно оп¬
ределять только один металл.3. Чувствительность метода. Чувствительность выбираемого метода должна соответ¬
ствовать содержанию металла в образце. Не следует использовать метод с высокой чув¬
ствительностью для анализа концентрированных образцов, например сточных вод, т.к.
при этом пробу придется разбавлять. С другой стороны, поиск микропримесей в питье¬
вой воде требует высокой чувствительности, чтобы не осложнять анализ концентриро¬
ванием.Таблица 16.3.Краткая характеристика некоторых методов анализа содержания металловМетодОтноситель¬
ная селек¬
тивностьПродолжи¬
тельность, чЧувстви¬тельностьПримеры
анализируемых металловТитриметрияХорошая0,25-0,510_5— 10_7 моль/лMg, К, Са, Cr, Fe, Ni, Си, Zn, HgСпектрофото¬Удовлетво-0,1-1,0огоBe, Al, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Си,метриярительнаяZn, Pb, HgАтомно-Очень0,25-0,510“3-10"7 %Be, Mg, Al, Ca, Mn, Cr, Fe, Co, Ni,абсорбционнляхорошаяСи, Zn, Pb, HgспектроскопияАтомно-Очень0,25-0,510"3-10“6 моль/лLi, K, Na, Ba, Sr, TlЭМИССИОНН 2.ЯхорошаяспектроскопияИономерияХорошая0,5-1,010"6-10"7 моль/лNa, Mg, K, Ca, Mn, Си, Ag, Pb
256АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.Ш4. Стоимость приборов и реактивов. Наиболее дешевыми методами из перечисленных
являются комплексонометрия, фотоколориметрия и ионометрия.Для решения конкретной задачи из всех пригодных следует выбирать наиболее доступ¬
ный метод.Приведенная таблица позволяет оценить возможность тех или иных методов в сравне¬
нии с неинструментальными способами анализа.Таким образом, использование применительно к практической химии различных фи¬
зических и физико-химических законов позволило создать широкий ассортимент ин¬
струментальных методов анализа, характеризуемых высокой чувствительностью, быс¬
тротой и надежностью определения, возможностью анализа многокомпонентных систем.
В настоящее время эти методы вошли в повседневную медико-биологическую практику.
Глава 17.ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕСледовало ожидать,... что всевозможные
порошкообразные вещества окажут
воздействие на хлорофилловые пигменты
в лигроиновых растворах, и возникла
надежда, что систематическое изучение
вопроса бросит некоторый свет на
сущность адсорбционных явлений и
позволит выработать на их основании
новый метод физического отделения
веществ.М. С. ЦветЛюбую разновидность хроматографии можно определить как физико-химический ме¬
тод разделения смесей веществ, основанный на их распределении между двумя несмешива-
ющимися фазами, одна из которых является неподвижной, а другая — подвижной.Неподвижная фаза представляет собой поверхностно-активное твердое тело или жид¬
кость, закрепленную на поверхности инертного твердого носителя. Подвижная фаза — газ
или жидкость, которые проходят через слой неподвижной фазы.Метод был открыт в 1903 году М. С. Цветом, который впервые применил его для разде¬
ления пигментов листьев растений. Вот как оценил один из английских химиков открытие
Цвета: «...был предложен новый остроумный метод химического анализа, которому предна¬
значено оказать влияние на жизнь человечества и всего живого мира».В адсорбционной хроматографии процесс разделения основан на различии в относитель¬
ном сродстве соединений к твердому адсорбенту (неподвижная фаза), а подвижной фазой
служит жидкость (колоночная адсорбционная или тонкослойная хроматография) или газ
{газовая адсорбционная хроматография).В распределительной хроматографии вещества распределяются между двумя жидки¬
ми фазами (жидкостная распределительная хроматография) или между неподвижной
жидкой и газовой фазами {газо-жидкостная хроматография). В жидкостной хроматогра¬
фии неподвижная фаза может представлять собой пленку или слой (хроматография на
258АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.Шбумаге или тонкослойная распределительная хроматография) или может быть диспер¬
гирована на объемном носителе (колоночная распределительная хроматография).В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый обмен ионов, содержащихся
в растворе, на подвижные ионы ионитов или ионообменников.При разделении веществ методом гель-хроматографии в качестве стационарной фазы
используют различные гели с трехмерной сетчатой структурой: цеолиты (называемые иначе
молекулярными ситами), пористые силикагели, декстраны и некоторые другие полисахари¬
ды, синтетические полиакриламидные гели и др. В процессе разделения небольшие молеку¬
лы смеси диффундируют через поры набухшего в растворителе геля, а крупные молекулы
перемещаются через пространство между частицами геля. При промывании геля раствори¬
телем в первую очередь из хроматографической колонки выходят крупные молекулы, а за¬
тем мелкие, т.е. компоненты смеси элюируются в порядке уменьшения их молекулярной
массы. Основная область применения гель-хроматографии — очистка и выделение фермен¬
тов и других полипептидов, а также нуклеиновых кислот.Особняком в ряду других хроматографических методов стоит аффинная или биоспеци-
фическая хроматография. В ее основе лежит свойство высокомолекулярных и других био¬
логически активных соединений «узнавать» в любой смеси «свои» строго определенные ве¬
щества и взаимодействовать с ними. Так, фермент «узнает» свой субстрат, антиген «узнает»
антитело, гормон — «свой» рецептор и т.д.Задачей хроматографического анализа является:1. Идентификация нескольких компонентов в одном образце.2. Удаление соединений, мешающих анализу другим методом.3. Концентрирование компонента, присутствующего в виде следов в сложной смеси с це¬
лью его дальнейшего анализа.4. Решение специальных задач, например, вопросов химического превращения компо¬
нентов (главным образом, токсических) в окружающей среде.Методы тонкослойной (ТСХ), газожидкостной (ГЖХ) и высокоэффективной жидко¬
стной (ВЭЖХ) хроматографии широко используются как рутинные методы анализа орга¬
нических соединений во многих областях науки, включая медицину, и их значение посто¬
янно возрастает. Эти методы и будут рассмотрены подробнее.17.1. Тонкослойная хроматография (ТСХ)Тонкослойная хроматография — один из наиболее простых и эффективных экспресс-ме¬
тодов разделения и анализа веществ в биосредах, пищевых продуктах и других сложных
системах и биоматериалах, не требующий сложного оборудования и доступный для поста¬
новки в любых условиях. В то же время этот метод обладает высокой избирательностью
и чувствительностью.В зависимости от природы неподвижной фазы ТСХ может быть адсорбционной, распре¬
делительной и аффинной. Ниже рассмотрен весьма широко применяемый адсорбционный
вариант ТСХ.Процесс разделения в этом варианте основан на различии в относительном сродстве компо¬
нентов смеси к неподвижной фазе — сорбенту и осуществляется в результате перемещения под¬
вижной фазы — элюента — под действием капиллярных сил по слою сорбента, нанесенного на
хроматографическую пластинку из инертного материала (стекло, алюминиевая фольга и др.).Скорость перемещения вещества при хроматографировании в стандартных условиях яв¬
ляется постоянной величиной, характерной для данного соединения. Ее оценивают величи¬
ГЛ. 17]ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ259ной Rf (рис. 17.1), которая в любой момент времени представляет собой отношение рассто¬
яния от стартовой линии хроматограммы до центра пятна этого вещества (/) к расстоянию,
пройденному за то же время фронтом растворителя (I).Ассортимент используемых сорбентов в настоящее время достаточно велик. Это — уни¬
версальные сорбенты (силикагель, оксид алюминия, целлюлоза), полиамиды, крахмал, ки¬
зельгур, гипс, агар-агар, сульфат кальция, карбонат цинка и др. Главное требование к сор¬
бентам — отсутствие химического взаимодействия с анализируемым веществом.Фронт растворителя*ГТЛиния стартаРис. 17.1. Типичная тонкослойная хроматограмма.Для приготовления подвижной фазы с высокой элюирующей способностью использу¬
ют смесь растворителей разной полярности.В большинстве случаев пробы анализируемых веществ наносят в виде растворов в под¬
ходящем низкокипящем растворителе. Нанесение образца осуществляется при помощи ка¬
либрованных микропипеток или с помощью обычного стеклянного капилляра на расстоя¬
нии 1,5-2,0 см от нижнего края хроматографической пластинки в виде серии пятен вдоль
линии старта. Диаметр наносимого пятна должен быть как можно меньше, так как по мере
развития хроматограммы он обычно увеличивается вследствие диффузии.В зависимости от того, в каком направлении поступает растворитель на пластинку, раз¬
личают методы восходящей, нисходящей и горизонтальной хроматографии. Чаще всего ис¬
пользуют восходящий вариант: растворитель поднимается по пластинке вверх под действи¬
ем капиллярных сил. При этом в токе элюента перемещаются также и исследуемые вещества
со скоростью, зависящей от их адсорбционных свойств. Когда фронт элюента достигнет вер¬
хней части сорбента, хроматографическое разделение заканчивается. Нельзя допускать со¬
прикосновения фронта растворителя с верхним краем пластинки, так как в этом случае рас¬
чет /^становится невозможным.Окрашенные вещества не требуют специального обнаружения. Большинство же хрома¬
тографируемых соединений бесцветно, и поэтому существуют различные методы их иден¬
тификации, а именно — физические (УФ облучение), химические (обработка хроматограмм
газами, например, аммиаком, парами иода, брома или опрыскивание различными обнаружи¬
вающими реагентами, что вызывает появление специфического окрашивания разделяемых
компонентов в результате их реакции с действующим реагентом) и биологические (для био¬
логически активных соединений).
260АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.ШИдентификация веществ осуществляется по стандартным значениям величин Rf (дан¬
ные литературы) или по методу «свидетелей» (проведение параллельного хроматографиро¬
вания смеси неизвестного состава и индивидуальных соединений, присутствие которых в ис¬
следуемой пробе предполагается, с последующим сравнением величин Rf). Следует помнить,
что величина Rf может быть использована для идентификации, только при указании элю-
ента и адсорбента, с помощью которых проводился анализ.ТСХ перестает быть качественным методом исследования, когда с помощью какой-либо
аппаратуры (спектрофотометров, фотоэлектроколориметров и др.) выполняют количествен¬
ное определение концентраций веществ после разделения смесей.Метод ТСХ позволяет медикам проводить определение токсинов, осуществлять диагно¬
стику отравлений, исследовать продукты метаболизма токсичных веществ в биологических
средах (кровь, моча, слюна).Преимущества тонкослойной хроматографии, а именно: минимальное время, необходи¬
мое для подготовки пробы, высокая разрешающая способность и чувствительность — позво¬
ляют врачу в кратчайшие сроки провести не только дифференциальную диагностику при
острых химических отравлениях, но и следить при лечении больного за детоксикацией орга¬
низма, давая в руки клинициста надежный инструмент токсикокинетического контроля.
Врач, получая данные о результатах качественного определения анализируемых компонентов
в крови или другой биологической жидкости, имеет возможность правильно оценить резуль¬
таты лечения, эффективность применяемых методов, установить необходимую длительность
проведения операций, перитонеального диализа и хирургических методов детоксикации (ге¬
модиализа, гемосорбции).17.2. Газо-жидкостная хроматография (ГЖХ)Газо-жидкостная хроматография — универсальный метод разделения смесей разнообраз¬
ных веществ, испаряющихся без разложения. Следовательно, ее возможности ограничены
применимостью к анализу сравнительно низкомолекулярных веществ (с молекулярной мас¬
сой не более нескольких тысяч).При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колон¬
ке с потоком инертного газа (газа-носителя). Разделяемая смесь распределяется между га¬
зом-носителем (подвижной фазой) и нелетучим растворителем (неподвижной жидкой фа¬
зой), нанесенным на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка.
Компоненты смеси селективно удерживаются неподвижной фазой, а затем выходят из ко¬
лонки и регистрируются детектором. Сигналы детектора записываются в виде хроматограм¬
мы автоматическим потенциометром (самописцем). Каждому компоненту смеси на хроматог¬
рамме (рис. 17.2) соответствует отдельный пик. Положение пика определяется величиной
времени удерживания (£л), которое представляет собой время от момента ввода пробы до
выхода максимума пика, или величиной удерживаемого объема ( VR), который рассчитыва¬
ется по формуле:Vr = Ir'F>где F— объемная скорость газа-носителя.Проведение анализа методом ГЖХ включает подготовительный этап работы, проведение
хроматографического разделения и обработку результатов.В подготовительном этапе работы необходимо нанести требуемую неподвижную фазу в
виде тонкой пленки на твердый носитель. Полученным таким образом наполнителем запол-
ГЛ. 17]ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ261сигнал, мВРис. 17.2. Типичная газо-жидкостная хроматограмма.А, Б — пики соответствующих компонентов, t^A и tRS — времена удерэ/сивания соединений А и Б,
h/2 — полувысота пика A, w — ширина пика А на его полу высоте.няют хроматографическую колонку, представляющую собой свитую в спираль тонкую стек¬
лянную или металлическую трубку. В случае капиллярных колонок неподвижная фаза на¬
носится прямо на их внутренние стенки.Системой регулировки газов создают необходимый расход газа-носителя.Разделение смесей веществ методом ГЖХ осуществляется на приборах, называемых га¬
зовыми хроматографами (рис. 17.3).Газ-носитель из баллона 1 (скорость подачи газа регулируется измерителем 6) через ре¬
дуктор и манометр поступает в устройство для ввода пробы — испаритель 2. Захватив ана¬
лизируемую пробу в виде пара или газа, газ-носитель направляется в хроматографическую
колонку 3, которая помещена в термостат 7. В колонке анализируемая смесь разделяется на
составные компоненты. Выходящие из колонки разделенные компоненты смеси в потоке
газа-носителя проходят через детектор 4, который подает слабый электрический сигнал на
усилитель, а отсюда — на регистратор (самописец) 5.Рис.17.3. Принципиальная схема газового хроматографа:1 — газ-носителъ, 2 — испаритель, 3 — хроматографическая колонка, 4 — детектор,5 — самопишущий регистратор, 6 — измеритель скорости потока, 7 — термостат.Устройства для ввода пробы могут быть разной конструкции в зависимости от агрегат¬
ного состояния пробы и способа ее ввода в колонку.Детектор — устройство, преобразующее в электрический сигнал изменения физических
или физико-химических свойств газового потока, выходящего из колонки, по сравнению с
чистым газом-носителем.Существует более 50 видов детекторов, однако широкое применение находят только те
из них, которые обладают высокой чувствительностью и универсальностью. Это — катаро-
262АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIметр (детектор по теплопроводности); детектор плотности (плотномер); пламенно-иони¬
зационный детектор (ДИП), в котором водородное пламя служит источником ионизации
органического соединения; детектор электронного захвата (ЭЗД); термоионный детектор
(ТИД), который обладает высокой селективностью к органическим веществам, содержащим
фосфор, азот и серу. Интерес к этому детектору заметно возрос в связи с заменой хлорсодер¬
жащих пестицидов на фосфорсодержащие ядохимикаты.Катарометр позволяет определять концентрации веществ в пределах 0,1- 0,01%, ДИП —
10-3-10-5%, ЭЗД — 10-6-10 "10%. Современные детекторы позволяют определять даже пико¬
граммы (10~12 г) веществ.Обработка результатов хроматографического разделения включает определение каче¬
ственного и количественного состава анализируемой смеси (см. рис. 17.2).Определение качественного состава смеси проводится путем сопоставления времени
удерживания данного компонента и эталона — вещества известной структуры. При строгом
воспроизведении всех условий анализа время удерживания (tR) является такой же физико¬
химической характеристикой вещества, как его плотность, показатель преломления и т.д. Со¬
впадение времени удерживания эталона и определяемого компонента может указывать на
их идентичность. Эталон чаще всего добавляется в исследуемую смесь (метод метки). При
этом число пиков на хроматограмме не должно изменяться, а интенсивность пика одного из
компонентов должна увеличиваться.При необходимости сопоставления данных об удерживании исследуемого вещества с
литературными (например, при отсутствии необходимого эталона), использование времен
удерживания невозможно, т.к. этот параметр сильно зависит от скорости газа-носителя. В
этом случае используется удерживаемый объем ( VR).Определение количественного состава смеси основано на допущении того, что интенсив¬
ность пика каждого компонента пропорциональна его содержанию в смеси. В качестве меры
интенсивности принимается обычно площадь пиков (S). Существуют разные способы изме¬
рения площадей пиков. Наиболее простым методом является умножение высоты пика h (см.
рис. 17.2) на его ширину со, измеренную на полувысоте пика:S = /г-ш.Результаты количественного анализа рассчитывают методами абсолютной калибровки,
внутреннего стандарта или простой нормировки. При анализе смеси веществ, близких по
химическому строению, хорошие результаты дает метод нормировки. Расчет процентного со¬
держания компонентов по этому методу производится по формуле:*,=-^-100,где Xj — искомое процентное содержание i-того компонента, — площадь пика г-того ком¬
понента, 2 s, — сумма площадей пиков всех компонентов.ГЖХ произвела настоящую революцию в исследовании липидов, в особенности, жирных
кислот, и до настоящего времени не имеет альтернативы. Первым значимым для биологи¬
ческих исследований анализом, выполненным с помощью ГЖХ, стало определение карбо¬
новых кислот Джеймсом и Мартином в 1952 году. Это исследование крайне актуально для
такой области медицины, как микробиология.В процессе своего метаболизма микробные клетки производят низшие карбоновые кисло¬
ты, причем набор кислот является как бы визитной карточкой того или иного микроорганизма.
ГЛ. 17]ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ263Традиционные пути идентификации микроорганизмов — возбудителей инфекционных
заболеваний или гнойно-воспалительных процессов — включают в себя несколько этапов —
посев биологического материала на питательные среды, получение «чистых» (т.е. состоящих
из одинаковых микробов) культур, выращивание их на средах обогащения и лишь затем
идентификация по характеру деградации тех или иных субстратов. Даже для микроорганиз¬
мов, обладающих способностью к быстрому росту, эти этапы исследования занимают не
менее двух суток. С помощью газовой хроматографии можно проводить ускоренную (менее
двух часов) идентификацию микроорганизмов по спектру специфических компонентов их
мембран или специфическим продуктам пиролиза.Каждый двадцатый раненый в годы второй мировой войны страдал от гнойно-септиче-
ских осложнений, вызванных анаэробными бациллами — возбудителями газовой гангре¬
ны. Успехи в лечении позволили снизить число осложнений, вызванных анаэробными
микроорганизмами, почти в 100 раз. Немалую роль в этом сыграл тот факт, что определе¬
ние карбоновых кислот непосредственно в ране, используя метод ГЖХ, сделало возмож¬
ным верификацию диагноза анаэробной инфекции в течение нескольких часов, тогда как
традиционные бактериологические методы, как уже было сказано, дают ответ в лучшем
случае через 4-5 суток.В качестве примера на рис. 17,4 а дана хроматограмма гнойных выделений легких боль¬
ного, пораженного анаэробной инфекцией, в которых присутствует набор жирных кислот.
Из рисунка 17.4 б видно, как под действием антибиотика кислоты исчезают, исключая ук¬
сусную кислоту, являющуюся естественным метаболитом. Таким образом, метод ГЖХ ста¬
новится методом клинического контроля.Исследования состава липидов крови привели к сегодняшнему пониманию проблемы
атеросклероза — болезни, ведущей к появлению ишемической болезни сердца, нарушений
мозгового кровообращения. Для практической медицины сейчас разработаны простые и эф¬
фективные средства диагностики нарушений метаболизма липидов.В своей повседневной практике врачи ежедневно назначают исследования холестерина,
триглицеридов, липопротеидов. При разработке этих методик газовая хроматография ис¬
пользовалась как референтный метод, т.е. метод-эталон. Широкое внедрение во врачебную43абРис. 17.4. Хроматограмма гноя из плевральной полости при анаэробном сепсисе:
а —до лечения, б — после двухнедельного лечения антибиотиком цефалоспорином;
1 — уксусная, 2 — протоковая, 3 — масляная, 4 — изовалериановая кислоты.
264АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч. IIIпрактику исследований метаболизма липидов позволило разработать патогенетические,
направленные на устранение основы заболевания, пути профилактики и лечения атеро¬
склероза.Возможность определения индивидуального состава жирных кислот тех или иных липи¬
дов является чрезвычайно мощным инструментом в познании структуры и функции биоло¬
гических мембран, процессов внутриклеточного метаболизма.Энергетическое обеспечение клетки осуществляется в так называемом цикле трикарбо-
новых кислот — цикле Кребса. Газохроматографическое определение карбоновых кислот
цикла Кребса внесло большой вклад в понимание процессов внутриклеточного метаболиз¬
ма при различных патологических состояниях.Газовая хроматография дает возможность количественно оценить весь клинически зна¬
чимый спектр стероидов. Были разработаны методы определения катехоламинов (адрена¬
лина, норадреналина и родственных им соединений), гормонов щитовидной железы, альдо-
стерона и кортизола и др.Метод газовой хроматографии нашел применение при гигиеническом анализе полимер¬
ных материалов, состава выхлопных газов, анализа воздуха в производственных помещени¬
ях и операционных палатах; хлор-, азот- и фосфорсодержащих пестицидов; определения за¬
грязнений в промышленных сливах (например, содержания фреонов, различных кислот и
их производных, ароматических соединений, например, фенола, спиртов, нитрилов и т.д.);
для оценки качества пищевых продуктов; для концентрирования и выделения органических
загрязнений стоков фармацевтических предприятий.Технический прогресс сделал возможным получение так называемых метаболических
профилей биосред — крови, мочи, слюны, выдыхаемого воздуха. В одном образце анализи¬
руются несколько сотен компонентов. Метаболические профили так же индивидуальны, как
и отпечатки пальцев, но в отличие от папиллярных узоров хроматограмма метаболитов че¬
ловеческого организма несет в себе массу медицинской информации — какие лекарства или
продукты получал человек в последнее время, каким микроорганизмом вызвано его заболе¬
вание и многое другое.Компьютерный анализ метаболических профилей является одним из мощнейших инст¬
рументов диагностики врожденных и приобретенных нарушений метаболизма — таких за¬
болеваний, как сахарный диабет, подагра и многие другие.17.3. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)Быстро прогрессируют и другие инструментальные хроматографические методы, среди
которых особенно перспективна высокоэффективная жидкостная хроматография
(ВЭЖХ), в которой элюентом служит жидкая фаза (специально подобранная смесь раство¬
рителей), под высоким давлением (до 200 атмосфер) подаваемая в хроматографическую ко¬
лонку. Этот метод позволяет анализировать нелетучие биообразцы — белки, нуклеотиды,
различные лекарственные средства и др.В 50-60 гг. из известных вариантов хроматографического разделения преобладали дос¬
таточно простые методы хроматографии в тонких слоях — бумажная и тонкослойная, час¬
тично заместившие ранее известную колоночную, а также газовая хроматография (см. раз¬
дел 17.2). Семидесятые годы характеризуются быстрым развитием ВЭЖХ, связанным с
освоением и серийным выпуском приборов, позволяющих работать при повышенном дав¬
лении с использованием высокоэффективных колонок, заполненных мелкодисперсными
сорбентами с диаметром частиц 3-10 мкм.
ГЛ. 17]ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ265Эти достижения обусловили такие преимущества ВЭЖХ как:- возможность работы с нелетучими соединениями;- большой диапазон молекулярных масс анализируемых веществ — от нескольких десят¬
ков до десятков миллионов;- возможность исследования биологически активных веществ, их метаболитов и биопо¬
лимеров, неустойчивых к повышению температуры (в большинстве случаев анализ прово¬
дят при комнатной температуре);- высокая скорость анализа, особенно по сравнению с колоночной хроматографией при
атмосферном давлении, бумажной и тонкослойной хроматографией (аналитическое разде¬
ление сложной смеси занимает обычно не более 30-60 минут);- возможность препаративного выделения индивидуальных веществ из сложных смесей
(при наличии соответствующей аппаратуры), которые затем могут быть исследованы дру¬
гими физико-химическими методами;- высокая чувствительность;- более высокая эффективность разделения, чем в бумажной и тонкослойной хромато¬
графии.Метод ВЭЖХ находит широкое применение в химии, нефтехимии, биологии, биотехно¬
логии, медицине, пищевой промышленности, экологии, в производстве и контроле качества
лекарственных препаратов.По масштабу ВЭЖХ условно делят на: микроколоночную, аналитическую, полупрепа-
ративную, препаративную и крупномасштабную.Использование микроколоночного и аналитического вариантов наиболее рационально
для решения задач, связанных с контролем качества лекарственных препаратов, в то время
как препаративная и крупномасштабная ВЭЖХ может быть использована в процессах про¬
изводства, например, для очистки целевых продуктов.Нормально-фазная ВЭЖХ применяется при разделении различных классов нуклеоти¬
дов (рис. 17.5), стероидов, стероидных алкалоидов, витамина Д2 и его метаболитов, корти¬
костероидов и их аналогов, производных андростана и прегнана, эстрогенов, сердечных гли-
козидов, а также ароматических полиядерных углеводородов, углеводов, аминокислот иРис. 17.5. Разделение пуклеозидов:1 — уридин, 2 — инозин, 3 — гуанозин, 4 — аденозин, 5 — цитидин.
266АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕДИЦИНЕ[Ч.Шолигопептидов, некоторых групп фармацевтических препаратов — трициклических анти¬
депрессантов (рис. 17.6), транквилизаторов и др.К недостаткам нормально-фазного варианта ВЭЖХ относят:- необходимость работы с токсичными, легковоспламеняющимися летучими органиче¬
скими растворителями;- последовательность элюирования компонентов: сначала наиболее гидрофобные (наи¬
менее полярные), затем по мере увеличения полярности подвижной фазы элюируются ме¬
нее гидрофобные соединения. Наиболее гидрофильные вещества могут необратимо сорби¬
роваться на сорбенте хроматографической колонки.Рис. 17.6. Разделение mi югокомпопептпого обезболивающего препарата:1 — кодеиифосфат, 2 — кофеин, 3 — фенацетин, 4 — аспирин, 5 — фенобарбитал.Преимуществом этого варианта ВЭЖХ является простота удаления растворителя из
фракций, получаемых после разделения, что делает его удобным для препаративного выде¬
ления соединений при их синтезе или очистке.Другой вариант, получивший гораздо более широкое распространение, — обращенно-фа-
зовая ВЭЖХ. Этот вариант может быть использован при разделении аминокислот и олиго¬
пептидов, кортикостероидов и их аналогов, производных прегнана и эстрогена, желчных
кислот, сердечных гликозидов, антиконвульсантов, барбитуратов, транквилизаторов, анти-
аритмических средств и (3-адреноблокаторов, противоопухолевых лекарственных препара¬
тов, антибиотиков, ароматических углеводородов, природных фенольных соединений раз¬
личных классов и многих других соединений.По сравнению с нормально-фазным вариантом порядок элюирования компонентов в обра-
щенно-фазовой ВЭЖХ обратный: наиболее гидрофильные вещества элюируются первыми, а
более гидрофобные — по мере уменьшения полярности подвижной фазы за счет увеличения
содержания органической составляющей. Это гораздо удобнее при работе с различными биоло¬
гически активными соединениями, так как гидрофильные соединения среди них преобладают.
Еще одним преимуществом обращенно-фазового варианта является возможность работать в
коротковолновой области УФ спектра 190-220 нм, обусловленная свойствами растворителей,
используемых в составе подвижных фаз. Перечисленные достоинства привели к тому, что в
настоящее время в более чем в 90% случаев используется обращенно-фазовый вариант ВЭЖХ.
ГЛ. 17]ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ267В зависимости от химической природы соединений необходимо выбирать не только ус¬
ловия разделения, но и способ детектирования. Детекторы в ВЭЖХ фиксируют изменение
каких-либо свойств растворителя, выходящего из колонки, при появлении в нем анализи¬
руемых веществ. Например:- показателя преломления (рефрактометрический детектор);- поглощения в УФ- или ИК-области спектра (УФ- и ИК-спектрофотометричсские де¬
текторы);- способности флюоресцировать (флюориметрический детектор);- способности окисляться или восстанавливаться (электрохимический детектор).Селективные детекторы, такие как флюориметрический или электрохимический, позво¬
ляют зафиксировать компоненты, обладающие специфическими свойствами. Эти детекто¬
ры могут быть использованы для анализа следовых количеств лекарственных препаратов в
биологических образцах, для обнаружения микропримесей, биогенных аминов и т. д.Флюориметрический детектор измеряет интенсивность излучения возбуждаемых УФ
светом молекул растворенного вещества. В тех случаях, когда образец не флюоресцирует,
получают их соответствующие производные: при анализе аминокислот — продукты реакции
с фталевым диальдегидом или нингидрином, дансилпроизводные эстрогенов. Этот детектор
бывает незаменим при анализе красителей, витаминов, антибиотиков, стероидов, аминокис¬
лот, особенно в следовых количествах, т. е. при различных биохимических, фармакокинети¬
ческих и других исследованиях.Электрохимический детектор также относится к селективным. Его действие связано со
способностью некоторых веществ окисляться и восстанавливаться под действием электричес¬
кого тока и основано на измерении зависимости величины тока между электродами (поляри¬
зуемым и сравнения) от приложенного напряжения. Его используют при анализе фенолов и
их производных, аминов, особенно ароматических, хинонов, тиолов, гормонов (эстрогенов),
катехоламинов. Он относится к деструктивным детекторам, т.е. в процессе обнаружения ве¬
ществ происходит их разрушение, а значит этот детектор можно использовать только в ана¬
литических, но не в препаративных целях.Универсальные детекторы, более широко применяемые, чем селективные, реагирующие на
элюирование любых веществ вне зависимости от их свойств, находят применение в органичес¬
кой химии, токсикологии, фармацевтической, химической, медицинской промышленности,
биологических науках. Наибольшее распространение получил УФ детектор, позволяющий с
высокой чувствительностью обнаружить вещества, поглощающие в области от 190 до 600 нм.
Преимущества УФ детекторов могут быть реализованы только для соединений с какими-
либо хромофорами в составе молекул. Поэтому, например, при разделении аминокислот не¬
обходимо предварительно искусственно вводить различные хромофоры в молекулы. Полу¬
чение производных в некоторых случаях позволяет значительно повысить чувствительность:
так, например, можно обнаружить сердечные гликозиды в нанограммовых количествах.Значительно реже в ВЭЖХ используют другие детекторы: ИК спектрофотометры, масс-
спектрометры, транспортные с ионизационно-пламенным детектированием, радиоактивные,
электронозахватные, кулонометрические, по диэлектрической проницаемости. Всем им при¬
суща высокая селективность по определяемым веществам, что позволяет получать важную
качественную информацию для идентификации аналитов.
ЧАСТЬ IVЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ..между неорганическими... соединениями и
органическими... нет никакого особого
различия...А, М. БутлеровГлава 18.ВОДОРОДВодород, как элемент, представляет
составную часть, наиболее подвижную
в своих соединениях.Д. И. МенделеевСимвол Н, порядковый номер 1, относительная атомная масса 1,008. Впервые получен
в 17 в. фламандским химиком И. Ван Гельмонтом, тщательно изучен английским физиком
и химиком Г. Кавендишем в конце 18 в. Название «Hydrogen» (от греческих слов hydro — вода
и genes — рождающий) ввел А. Лавуазье.Согласно современным представлениям, этот элемент с электронной конфигурацией Is1
нельзя отнести к какой-либо группе, а следует считать элементом I периода или просто пер¬
вым элементом Периодической системы.Чисто условно его можно поместить как в первую группу (так как он обладает одним
электроном), так и в седьмую (поскольку до полного заполнения уровня ему не хватает од¬
ного электрона). Действительно, водород, с одной стороны, может при определенных усло¬
виях проявлять металлические свойства, что роднит его со щелочными металлами, однако
его энтальпия ионизации по сравнению с ними аномально высока (АЯ°, = 1310 кДж/моль,
для лития 520, а для натрия 500 кДж/моль). Это вызвано тем, что атом водорода обладает
лишь одной электронной оболочкой, а следовательно единственный электрон не экраниро¬
ван от действия заряда ядра внутренними электронами. К тому же атом водорода мал, его
радиус составляет 0,37 А.С другой стороны, атом водорода способен присоединять электрон, что указывает на его сход¬
ство с элементами VII группы. Однако в отличие от них водород не является p-элементом. Это
различие проявляется в разнице энтальпий присоединения электрона (ЛН°т = -73 кДж/моль
для водорода, -333 и -350 кДж/моль для фтора и хлора, соответственно). Таким образом, во¬
дород уникален по свойствам и занимает особое место в Периодической системе.Уникальность водорода проявляется в таком важном явлении, как водородная связь, ве¬
личина энергии которой обычно близка к 20 кДж/моль. Водородная связь определяет мно¬
гие специфические физико-химические свойства воды, димерное строение молекул фтори¬
ГЛ. 18]ВОДОРОД269стого водорода H2F2, вторичную и третичную структуру белков, устройство двойной спирали
ДНК и др.Еще одно фундаментальное явление с участием атомов водорода — трехцентровая связь
для электронодефицитных молекул, примером которой служит строение молекулы дибора-
на В2Н6. По сути каждая из электронных пар двух центральных атомов водорода принад¬
лежит здесь одновременно трем атомам, что и позволяет говорить о новой разновидности
химической связи. В мостиковой системе ВНВ образуется трехцентровая связывающая
молекулярная орбиталь.Водород — самый распространенный элемент Вселенной. По массе в составе земной коры
он стоит на девятом месте. Основная часть его находится в виде воды, меньшее количество
присутствует в нефти и в природном газе.Существуют бактерии, которые получают энергию, утилизируя водород. В то же время
имеются и микроорганизмы, выделяющие водород при метаболизме. В частности, к их числу
относятся и некоторые бактерии желудочно-кишечного тракта. Нарушение определенных
функций пищеварения связано с изменением состава бактериальной флоры кишечника, а
это, в свою очередь, приводит к выделению водорода. Последнее обстоятельство использу¬
ется в диагностических целях. Например, лактазная недостаточность, которая исключает
вскармливание младенцев искусственными питательными смесями, обнаруживается по¬
средством определения водорода в выдыхаемом воздухе.18.1. Разновидности водородаСуществуют три изотопных разновидности водорода: протий ^Н, дейтерий D — 2tH и
тритий Т — 3tH, отличающиеся количеством нейтронов. Содержание дейтерия в природном
водороде составляет 0,015 %, а трития в земной коре находится не более 2 кг.Различия в химических свойствах изотопов малы. Однако изотопный состав заметно
влияет на физические свойства молекул. Так называемая тяжелая вода D20 кипит при
101,3 °С, плавится при 3,8 °С; сверхтяжелая водаТ20 плавится при 4,5 °С. В принципе изо¬
топных разновидностей воды существует намного больше, если учесть существование устой¬
чивых изотопов кислорода 160 и t80 (Н2180, HD160 и т. д.). Химические различия в свойствах
изотопов проявляются в несколько меньших скоростях химических реакций молекул, содер¬
жащих дейтерий (или тритий), а также в различных термодинамических параметрах реакций
с участием дейтеросодержащих молекул и без них. Это явление носит название кинетического
изотопного эффекта. Замена водорода на дейтерий замедляет скорость метаболических про¬
цессов, а потому тяжелая вода токсична. Природное содержание дейтерия в биосредах яв¬
ляется оптимальным для поддержания гомеостаза.В обычных условиях водород представляет собой двухатомную молекулу Н2. Энергия
ковалентной связи в этой молекуле составляет 436 кДж/моль, а следовательно образование
атомарного водорода из молекулы происходит лишь при высоких температурах.Атомарный водород, так называемый водород in situ, то есть в момент выделения, чрез¬
вычайно активен, как и большинство радикальных частиц, имеющих неспаренные электро¬
ны. Его получают действием металлов на кислоты, а также растворением водорода в неко¬
торых металлах (платине, палладии и др.).Малые размеры водородных молекул позволяют им легко диффундировать внутрь ме¬
талла и при этом, включаясь в межатомные полости металлической кристаллической ре¬
шетки, переходить в атомарное состояние. К примеру, в одном объеме палладия можно
растворить 850 объемов водорода. Высокая активность и большая концентрация атомарного
270ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVводорода в таких металлах делают последние эффективными катализаторами гидрогениза¬
ции, что широко применяется при гидрировании непредельных органических соединений,
например, при получении маргарина из жиров.18.2. Химические свойстваОтносительная электроотрицательность водорода равна 2,2. Активность водорода высо¬
ка, и он энергично взаимодействует со многими элементами Периодической системы. В ре¬
акциях с более электроположительными элементами — щелочными и щелочноземельными
металлами — водород выступает в качестве окислителя, а по отношению к кислороду, гало¬
генам, сере он проявляет свойства восстановителя. В результате образуются гидриды, стро¬
ение которых определяется природой входящего в их состав элемента.Так, с рядом переходных металлов водород дает нестехиометрические соединения с пе¬
ременным количеством водорода за счет встраивания атомов водорода в пространство между
атомами металла в кристаллической решетке. Для одних металлов количество водорода не
велико, например, в случае соединения VH0 6. В некоторых же случаях, как уже отмечалось,
количество водорода по отношению к металлу может достигать многих сотен объемов. Сле¬
довательно, такие гидриды напоминают сплавы с переменным составом, что в определенной
мере роднит водород с металлами.Сведения о строении гидридов можно получить из таблицы 18.1, в которой представле¬
ны гидриды элементов II периода.Таблица 18.1Некоторые свойства гидридов элементов II периодаГидридLiHВеН2в2н6сн,NHSнгоh2f2оэо1,01,52,02,53,13,54,0элементац, D5,880000,51,861,96Как видно из величин дипольных моментов, в случае гидридов щелочных металлов речь
идет о ионных соединениях, в составе которых водород находится в виде гидрид-аниона :Н~
и обладает степенью окисления -1. То же характерно и для гидридов щелочноземельных ме¬
таллов, дипольный момент молекул которых равен нулю из-за симметричного линейного
строения зр-гибридизованной структуры. Однако связи металл-водород в них обладают вы¬
соким дипольным моментом. Как и другие ионные соединения, эти гидриды — твердые кри¬
сталлические вещества.Гидрид-анион по размеру больше атома водорода (его радиус — 1,5 А). Существование
гидрид-аниона указывает на некоторую аналогию водорода с галогенами, образующими га-
логенид-ионы, однако свойства тех и других сильно различаются. Поведение гидрид-иона
характеризуется двумя особенностями.Во-первых, гидрид-ион — сильнейший восстановитель. Стандартный потенциал полуре-
акции2:Н--2е<=>Н2составляет -2,25 В. Поэтому солеобразные гидриды энергично реагируют с различны¬
ми окислителями, восстанавливая их. В частности, они взаимодействуют с водой с вы¬
ГЛ. 18]ВОДОРОД271делением водорода, и эта реакция наряду с другими служит удобным методом получе¬
ния водорода:CaHj" + 2Н1+ОН -> Са(ОН)2 + 2Н2°Т.Во-вторых, этот ион обладает высокой донорной активностью, что вызывает образование
комплексных гидридов в реакциях с электронодефицитными гидридами бора и алюминия:Li:H + А1Н3-^ Li[AlH4] — алюмогидрид лития2Na:H + В2Н6—> 2Na[BH4] — борогидрид натрия.Эти гидриды как активные восстановители широко применяют в органической химии
для гидрирования многих классов веществ, например, для восстановления спиртов в угле¬
водороды:Li[AlH4] + 4ROH -> LiOH + А1(ОН)3 + 4R-H.Комплексные гидриды — потенциальные источники водорода при взаимодействии с во¬
дой, при этом на одну молекулу комплексного гидрида выделяется несколько молей водо¬
рода. Например, при действии воды на 1 кг борогидрида алюминия А1[ВН4]3 выделяется око¬
ло 3800 литров газообразного водорода.При образовании гидридов с элементами правой части Периодической системы водо¬
род выступает в роли более электроположительного партнера в образующейся ковалент¬
ной связи.Возникает вопрос, почему с такими электроотрицательными элементами, как фтор,
кислород, хлор не образуются соединения ионного характера. Причина этого заключает¬
ся в малой величине радиуса водородного атома, что приводит к достаточно сильному вза¬
имодействию электронной пары химической связи с протоном — ядром атома водорода.
Поэтому все гидриды этой группы, а следовательно и молекулы, содержащие в своем со¬
ставе связи атома водорода с элементами-органогенами, представляют собой ковалентные
соединения.В свою очередь, степень полярности связи элемент-водород в ковалентных гидридах и
ее способность к поляризации определяет свойства этих соединений. В частности, неполяр¬
ная связь углерод-водород сообщает гидрофобный характер тем участкам органических мо¬
лекул, в которых она находится. Таким образом, алкильные группы биомолекул, построен¬
ные посредством неполярных связей углерод-водород и углерод-углерод, ответственны за
гидрофобные взаимодействия в водных растворах биосред и формируют липофильные уча¬
стки биомолекул.Полярные связи О-Н, N-H и S-Н также широко представлены в биомолекулах, при¬
чем различная величина положительного заряда на атоме водорода в них сообщает спир¬
товой, амино- и тиольной группам различную кислотность. В принципе различают С-Н,
О-Н, N-H и S-H-кислоты. В этом ряду способность к диссоциации по кислотному типу ми¬
нимальна для С-Н кислот и невелика у N-H кислот, в то время как спиртовая и тиольная
группы обладают заметными кислотными свойствами. При этом связь S-Н сильнее диссоци¬
ирует в водных средах с образованием протонов, чем связь О-Н, так как она обладает значи¬
тельно большей поляризуемостью из-за большего, чем у кислорода, радиуса атома серы.Итак, связи элементов-органогенов с атомом водорода входят в состав алкильных,
спиртовых, амино- и тиольных групп биомолекул. Биологически значима и более поляр¬
ная молекула НС1, водный раствор которой — соляная кислота — входит в состав желу¬
дочного сока.
272ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[ЧЛУ18.3. Катион водородаПотеря электрона вызывает переход атома водорода в элементарную частицу — протон.
Так как радиус протона ничтожно мал (10~5 А), плотность заряда на его поверхности очень
велика. Это приводит к высокой величине поляризующего действия протона. Отрыв элек¬
трона от атома водорода требует больших энергетических затрат (ДЯ*}, = 1310 кДж/моль).
Поэтому ион водорода образуется из молекул с полярной связью с участием атома водоро¬
да лишь в растворах, причем тогда, когда растворитель способен эффективно сольватировать
протон.Таким растворителем прежде всего является вода, которая уменьшает свободную энер¬
гию протона на величину энергии гидратации, составляющую 1104 кДж/моль. В итоге за¬
траты на отрыв электрона составляют 1310-1104 = 206 кДж/моль, то есть значительно мень¬
шую величину, чем в отсутствие растворителя.Процесс гидратации протона складывается из двух стадий. На первой из них имеет ме¬
сто донорно-акцепторное взаимодействие, в котором протон проявляет свойства типично¬
го акцептора электронной пары:Н20: + Н+ <=> Н80+ Крти = 10100.Н НVIнкатион гидроксония/ННI,0.нIон , н‘хохIнАн нгидратированный
катион гидроксонияНВ результате образуется катион гидроксония. Высокая величина константы равновесия
этого процесса означает, что все протоны в водном растворе переходят в ион гидроксония.
Далее катион гидроксония гидратируется тремя молекулами воды за счет образования трех
водородных связей, и в итоге образуется катион Н904+, в виде которого и существуют про¬
тоны в водном растворе.Таким образом, диссоциацию воды с учетом гидратации не только катиона водорода, но
и гидроксильного иона можно представить схемой:/2Н20 & Н(Н20)/ + 0Н(Н20);_5.Гидратированный протон обладает следующими свойствами. Во-первых, он является
сильным акцептором электронной пары. Это проявляется, в частности, в его реакциях с ам¬
миаком и аминами, а также с кислородсодержащими соединениями с образованием аммо¬
ниевых и оксониевых катионов, соответственно.Во-вторых, протон является окислителем в соответствии с уравнением:2Н+ + 2е<=>Н2.
ГЛ. 18]ВОДОРОД273Рис. 18.1. Зависимость потенциала
водородного электрода от pH.Зависимость потенциала водородного электрода от pH выражается уравнением:ф = -0,059 pHи графически представлена на рис. 18.1.ПрирЯ плазмы, равным 7,40, величина потен¬
циала равна -0,42 В. Это означает, что в биосредах
восстановители с редокс-потенциалом меньшим,
чем -0,42 В, будут вызывать восстановительные
процессы с выделением водорода. Следовательно,
минимально допустимая величина потенциала био¬
сред должна быть не меньше этой величины.Нельзя забывать, что стандартный потенциал
водородного электрода, принятый равным нулю,
является точкой отсчета при определении силы
окислителей и восстановителей. Именно по отно¬
шению к водороду в водных растворах построен предложенный Н. Н. Бекетовым электро¬
химический ряд напряжений металлов.Протон играет исключительно важную роль в биопроцессах. Во-первых, протон в растворах
определяет их кислотные свойства. Концентрация иона водорода является важным параметром
гомеостаза биосред. Многие вещества в составе биообъектов обладают кислыми свойствами,
будь это сильные и средние минеральные кислоты (соляная в желудочном соке, фосфорная в
составе ее производных — аденозинтрифосфорной и нуклеиновых кислот) или многочисленные
органические кислоты животных и растительных организмов (уксусная, масляная, молочная,
пировиноградная, аскорбиновая, никотиновая, лимонная, салициловая и др. кислоты).Во-вторых, с участием катиона водорода происходят многие окислительно-восстанови¬
тельные превращения, и в этих случаях кислотность раствора сказывается на величине по¬
тенциала этих pH-зависимых редокс-процессов (см. разд. 12.3.7). Типичным примером мо¬
жет служить полуреакция, характеризующая окислительные свойства бихромат-иона:Сг2072" + 14Н+ + 6е <=± 2Сг3+ + 7Н20.Редокс-потенциал этой полуреакции зависит от pH среды. При условии, что [Сг2072-] =
[Сг*+] = 1 моль/л получаем, чтоФCr20f-+14H+ ^Сг207_+14Н'2Сг3++7Н20 2Сг3+ +7Н20Из этого следует, что в сильно кислых средах бихромат-ион представляет собой сильный
окислитель (для однонормального раствора кислоты (р = ср° = 1,36 В), однако в нейтральной
среде катион Сг3+ следует считать восстановителем (ф = ф° - 0,138-7 = 0,394 В).Многие метаболические редокс-процессы также происходят с участием ионов водорода,
а следовательно их направление и интенсивность определяется кислотностью среды. Сре¬
ди них укажем такие важные превращения, как восстановление кислорода:02 + 4Н+ + 4е 2Н20 (ср = Фо +4Н+/2н2о " °-059Ря> ПРИ ао2 = О-0,138рЯ.и фиксация азота:Ni + 8H*+6^2NH; (*4^/!NH). -0,08рЯ, при ащ-а^ -1).
274ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[ЧЛУСуществует серия метаболических окислительно-восстановительных превращений био¬
субстратов (S), также зависящих отрЯ:S + 2Н+ + 2е<=> S(2H).К их числу относятся окисление спиртовой группы в карбонильную, переход альдегидов
в карбоновые кислоты, убихинонпротеинов в убихинолпротеины, восстановление кофер-
мента — флавинадениндинуклеотидфосфата (ФАД) в восстановленную форму ФАД(2Н)
и ряд других процессов (см. табл. 12.3), уравнение Нернста для которых при условии as =
= aS(2H) = 1 можно выразить общей формулой:^S+2H+/S(2H) =ср S+2H+/S(2H) “0,059pH.Конкретное решение уравнения Нернста для отмеченных полуреакций при значении рЯ,
равном 7,4, определяет истинное значение величины ее потенциала в биосредах.В-третьих, связывание катионов металлов в биокомплексы, происходит с участием ионов
водорода. Равновесие образования комплексов и металло-лигандный баланс в целом, таким
образом, зависит от кислотности среды.В-четвертых, во многих реакциях осаждения также принимают участие ионы водорода.
К их числу относится и процесс образования минеральной основы костной ткани. Следова¬
тельно, кислотность среды является регулятором и гетерогенных равновесий в биосредах.В-пятых, малые размеры катиона водорода определяют его высокую каталитическую ак¬
тивность во многих, в том числе и биохимических, реакциях. Известно, что подвижность
катиона водорода примерно в десять раз выше скорости перемещения других ионов. Возни¬
кает неясность, почему речь идет о малых размерах катиона водорода, если он в действитель¬
ности не мал из-за гидратации. Однако и здесь проявляются аномальные свойства водоро¬
да. Для иона водорода имеет место так называемый туннельный эффект, состоящий в том,
что его присоединение на одном конце ассоциированной цепочки молекул воды сопровож¬
дается его одновременным отщеплением на другом конце этой цепи.Катализ ионами водорода важен, в частности при гидролитическом распаде липидов,
пептидов и полисахаридов, вот почему высока кислотность желудочного сока и процесс ус¬
воения пищи в кишечнике требует участия желчных кислот. От кислотности среды зависит
пространственное строение ферментов, а поэтому они проявляют свою каталитическую ак¬
тивность лишь в узких интервалах значений pH.18.4. ВодаНаиболее значимым для биологии и медицины гидридом является вода. Прежде все¬
го, она важна как универсальный растворитель, необходимый для протекания биохимиче¬
ских реакций. Вода прекрасно растворяет многие ионные и полярные ковалентные соеди¬
нения.Кроме того, сама вода способна выполнять каталитические функции, на что уже давно
обратили внимание. Например, сухой хлористый водород не реагирует с аммиаком и метал¬
лами. Металлический натрий не горит в сухом хлоре, а алюминий не взаимодействует с
иодом, однако добавление воды вызывает бурную реакцию между ними. Таких примеров
известно множество, и это позволяет считать воду самым универсальным катализатором.Далее, вода, с точки зрения кислотно-основных свойств, представляет собой истинный
амфолит, так как содержит равное количество катионов водорода и гидроксильных анионов.
Если о роли протона в химических реакциях уже было сказано, то здесь необходимо обра¬
ГЛ. 18]ВОДОРОД275тить внимание на значение аниона ОН-. Он выступает в качестве катализатора многих ре¬
акций в водных растворах, и в таком случае говорят о щелочном катализе.Вода вступает в химическое взаимодействие со многими простыми и сложными веще¬
ствами. В частности, следует отметить реакции гидролиза, идущие без изменения степеней
окисления.Среди реакций гидролиза значимыми для биосистем являются гидролитические процес¬
сы с солями, входящими в состав биосред, а также гидролиз полипептидов, липидов, нукле¬
отидов. Обратимый гидролиз молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) является ключевой
реакцией биоэнергетики.Нельзя забывать, что метаболическая вода, в свою очередь, образуется во многих биохи¬
мических реакциях — при нейтрализации, в результате биологического окисления, как ре¬
зультат отщепления от биомолекул, при конденсациях и т. д.Еще одно важное свойство воды — ее донорная активность, вызванная присутствием у
атома кислорода неподеленных электронных пар. Это приводит к тому, что все катионы пе¬
реходных металлов, в том числе и биокатионы железа, меди, цинка и др., если они не связа¬
ны с белками или другими органическими биомолекулами, в биосредах представляют собой
аквокомплексы.Окислительно-восстановительные превращения воды определяются двумя полуреакциями:2Н+ + 2е<=±Н2 и
2Н20 <=> 02 + 4Н+ + 4е.О значении первой из них уже сказано, а вторая может происходить в тканях, если окис¬
лители будут обладать большей величиной редокс-потенциала, чем его значение для второй
полуреакции при pH = 7,4. Зная, что Ф°о2-йН+/2Н2о = +1>24В , получаем, что это должно про¬
исходить при ф большем, чемЧ'о!.'.н*/гн1о-124 - 0.059'7’‘1 = -й)'80В'Следовательно, границы редокс-потенциалов жизненных процессов должны лежать в
интервале -0,42 +0,80 В. При потенциале меньшем, чем -0,42 В, идет необратимое восста¬
новление биосубстрата. Выше значения потенциала +0,80 В будет происходить выделение
кислорода, то есть необратимое окисление биомолекул. Редокс-потенциалы всех вышепере¬
численных окислительно-восстановительных превращений биосубстратов S (см. табл. 12.3)
лежат внутри этого интервала.Вода в биосредах находится частично в виде ассоциатов с неорганическими ионами и
биомолекулами — белками, углеводами и др. Иными словами, все биомолекулы окружены
гидратными оболочками. Такая вода называется «связанной» водой. Ее количество обычно
составляет около 40%. Остальная вода представляет собой ассоциированную водородными
связями подвижную структуру. При этом идет непрерывный обмен между молекулами свя¬
занной и свободной воды. Эти переходы взаимосвязаны с вытеснением из клетки отслужив¬
ших метаболитов и всасываением необходимых веществ. Вода участвует в формировании
единой внутриклеточной структуры, благодаря которой достигается упорядоченность про¬
цессов жизнедеятельности. При патологических процессах (воспалительных явлениях, об¬
разовании раковых клеток и др.) это соотношение между «связанной» и «свободной» водой
меняется, а следовательно, должны меняться и физические свойства биосред.В частности, различна магнитная релаксация для молекул свободной и связанной воды.
Это явление может быть количественно измерено с помощью метода ядерного магнитного
резонанса, что и лежит в основе томографии ядерного магнитного резонанса, успешно при¬
276ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVменяемой для диагностики различных поражений тканей и органов, в том числе при обна¬
ружении злокачественных опухолей.18.5. Радиолиз водыПомимо гетеролитической диссоциации воды возможно и ее гемолитическое разложе¬
ние, которое не идет при обычных условиях. Однако воздействие сильных источников энер¬
гии — ультрафиолетового и у-излучения может вызывать распад воды при обычных темпе¬
ратурах.Распад воды под действием радиации лежит в основе химизма лучевого поражения. Кон¬
центрация биосубстрата в тканях не слишком высока (10-1—10*5 моль/л). Поэтому у-излу-
чение по преимуществу будет оказывать воздействие на доминирующие молекулы воды.При этом будут параллельно происходить два процесса: возбуждение молекул воды и
выброс электрона.При возбуждении происходят следующие превращения:1. Поглощение у-кванта молекулой воды и ее переход в возбужденное состояние:НОН НОН*(Символ применяется для обозначения химических реакций под действием ради¬
ации.)2. Далее возможен гемолитический распад возбужденной молекулы воды:нон*->н- + -он3. Образовавшиеся свободные радикалы могут претерпевать следующие превращения:2Н-—>Н2
2-ОН—>Н202н- + -он->нонИз их числа последняя реакция — рекомбинация с образованием воды — не вызывает ка-
ких-либо нежелательных эффектов. Две же первые приводят к появлению в плазме или тка¬
нях активного восстановителя — водорода и сильного окислителя — перекиси водорода. Они
могут атаковать молекулы биосубстрата (ферментов, нуклеиновых кислот, липидов клеточ¬
ных мембран и др.) и приводить их к необратимым трансформациям. Однако не следует за¬
бывать, что атомарный водород и гидроксильный радикал — еще более активные восстано¬
витель и окислитель, соответственно.Другое направление радиолиза воды заключается в том, что при сильном возбуждении
электрон покидает молекулу воды по уравнению:1. НОН ™ НОН- + еГ)ыстр.Это направление преобладает, если речь идет о квантах высоких энергий. В результате
образуются так называемый быстрый электрон и ион-радикал воды. Основная энергия про¬
цесса приходится на долю быстрого электрона, который может обладать энергией, достаточ¬
ной для последующей ионизации другой (или других) молекул воды. Быстрый электрон уже
через =10-11 с подвергается гидратации, в результате чего образуется гидратированный элек¬
трон (егидр):2- ^быстр. + яН20 —> егидр
ГЛ. 18]ВОДОРОД277Ион-радикал воды реагирует с водой:3. НОН+- +НОН -> н3о+ + -он,а гидратированный электрон может взаимодействовать и с катионом гидроксония по урав¬
нению:4. егидр +Н30+^ Н- + Н20и с молекулой воды:5. вгидр +НОН^Н- + ОН-,и с продуктами разрушения воды по механизму ее возбуждения.В итоге в облученной воде накапливаются следующие частицы: егидр, Н\ *ОН, Н2, Н202
и Н30+.Последняя из них — катион гидроксония — приводит к повышению кислотности облу¬
ченных водных растворов. *ОН и Н202 — сильные окислители, егидр , Н'иН2- мощные вос¬
становители. Таким образом, нарушаются кислотно-основной и окислительно-восстанови¬
тельный баланс биосред.Надо помнить, что один у-квант может вызвать разложение более одной молекулы воды.
В частности, при его энергии 100 эВ при комнатной температуре распадается от шести до
восьми молекул воды. При этом и соотношение продуктов радиолиза будет изменяться, так
как они возникают в результате серии превращений.В дальнейшем молекулы биосубстрата подвергаются суммарной атаке всей плеяды вос¬
становителей и окислителей, образующихся при радиолизе воды. Таким образом, гемоли¬
тический распад воды — первичная химическая причина лучевого поражения.
Глава 19.
УГЛЕРОДПропорционально количеству сгоревшего
углерода, развивается в организме ряд сил,
потребных для разнообразных движений,
производимых животными.Д. И. Менделеев19.1. Элемент, аллотропные модификацииВ соответствии с положением атома углерода в Периодической системе (IV-я группа, II
период) и с его электронной конфигурацией (С = ...2s22p2) он обладает двумя валентными
электронами, однако относительная близость по энергиям его s- и р-орбиталей допускает срав¬
нительно легкий переход в возбужденное состояние (С* = ...2s'2pxxpy'pz'), в котором углерод
имеет четыре валентных электрона. Этим он (как и кремний) отличается от ниже лежащих
элементов IV-й группы — олова и свинца, у которых энергии внешних 5- и р-орбиталей уже
существенно отличаются из-за их различной чувствительности к эффектам экранирования
поля ядра внутренними электронными оболочками. Последнее приводит к уменьшению уча¬
стия 5-электронов в образовании химических связей и возрастанию металлических свойств.Величина относительной электроотрицательности этого элемента (ОЭО = 2,4-2,5)* ука¬
зывает, что углерод способен к ковалентному связыванию как с электроположительными,
так и электроотрицательными элементами. Это иллюстрируется как способностью углеро¬
да к диспропорционированию:ЗС + СаО —> СаС2 + СО,
так и экзотермическими реакциями с водородом:С + 2Н2 <=* СН4 АН° = -75 кДж/мольи с кислородом:2С + 02^±2С0 А Я°= -140 кДж/моль.* Переменное значение ОЭО объясняется возможностью существования атома углерода в различных гибрид¬
ных состояниях, а следовательно, в различии энергий взаимодействия электронов с ядром.
ГЛ. 19]УГЛЕРОД279Таблица 19.1Энергии некоторых связей с участием углерода и связей «элемент-элемент»СвязьЕ, кДж/мольСвязьЕ, кДж/мольс-н415С-1н-ь00ОС-С348C-S272C-N304N-N250С-03600-0146C-F452S-S225С-С1327Si-Si226Высоки величины энергии связи С-С (табл. 19.1). В то же время ближайшие соседи уг¬
лерода по Периодической системе (и не только они) характеризуются значительно меньши¬
ми значениями энергии связи «элемент-элемент». В результате этого углерод обладает уни¬
кальной склонностью к катенации — способности давать цепи углерод-углерод любой длины
и различной степени разветвления, а также замыкать цепи в кольца различного размера. Га¬
логены, обладающие прочной связью между собой, в принципе не могут давать цепей, сера
способна к катенации, но эти цепи не могут ветвиться и не являются прочными из-за невы¬
сокой величины энергии связи «сера-сера». Кислород, азот, кремний и другие элементы с
промежуточными значениями электроотрицательности также образуют непрочные связи
между собой, а потому дают лишь короткоцепочные соединения.На углеродном остове могут прочно «крепиться» самые разнообразные функциональные
группировки, так как энергии связей многих элементов с углеродом высоки. Наконец, сопо¬
ставимая величина энергий s- ир-орбиталей углерода приводит к возможному существова¬
нию разных типов гибридизации (sp-, sp2- и sp3-) с их различной пространственной фор¬
мой — линейной, плоскостной и объемной. Такой набор свойств порождает неограниченное
количество структурных и пространственных комбинаций, реально проявляющих себя в
органических соединениях. В этом состоит уникальная роль углерода как основного элемен¬
та биосубстрата.Многообразие структур, порождаемых различными гибридными состояниями углерода,
иллюстрируется его аллотропными модификациями (рис. 19.1). Связи sp3-sp3 реализуют¬
ся в объемной конфигурации алмаза, $р2-гибридизированные атомы углерода характерны
для плоскостной (слоистой) структуры графита и сферической конфигурации недавно син¬
тезированной и интенсивно исследуемой разновидности углерода — фуллерена. Линейная
(волокнистая) структура присуща искусственно синтезированной аллотропной модифика¬
ции углерода — карбину, в котором атомы углерода обладают sp-гибридизацией.В соединениях углерод может принимать любые степени окисления от -4 до +4, причем
в составе одной молекулы могут одновременно присутствовать несколько углеродных ато¬
мов с различными степенями окисления. Это порождает широкий ассортимент классов орга¬
нических соединений. Взаимопереход атомов углерода различных степеней окисления, в том
числе и за счет метаболических окислительно-восстановительных процессов (например,
окисление спиртовой группы в альдегидную и далее в карбоксильную и т. д.) вызывает бо
гатство их химических превращений.
280ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVРис. 19.1. Аллотропные разновидности углерода:
а — алмаз, б — графит, в — карбин, г — фуллерен.Взаимопереходы производных углерода реализуются в круговороте этого элемента в
природе (схема 19.1).Углекислый газ атмосферы в результате фотосинтеза накапливается в органическом ве¬
ществе растений, которое, с одной стороны, минерализируется в виде нефти, угля и других
природных горючих ископаемых. Они сжигаются как топливо, вновь превращаясь в угле¬
кислый газ. С другой стороны, растения как пища усваиваются животными и вновь превра¬
щаются частично в углекислоту, а параллельно минерализируются как в горючие ископае¬
мые, так и в негорючие карбонаты — известняки, мел, мрамор и др. Негорючие минералы под
действием влаги постепенно переходят в углекислый газ. Таким образом, круговорот этого
элемента включает соединения углерода как с положительными, так и с отрицательными
степенями окисления, причем живая природа играет в этом процессе важную роль.Так как отрицательные степени окисления присущи в основном углеводородам и их про¬
изводным, мы рассмотрим их позднее отдельно, а здесь остановимся на так называемых не¬
органических производных углерода, то есть на его соединениях с электроотрицательными
элементами, причем не имеющими углеродных цепочек. Следует помнить, что деление со¬
единений углерода на органические и неорганические производные является в значитель¬
ной степени условным.Схема 19.1. Круговорот углерода в природе.
ГЛ. 19]УГЛЕРОД28119.2. Соединения углерода (+4)Окисление соединений углерода низших степеней окисления под действием кислорода
приводит к образованию воды и углекислого газа, степень окисления углерода в котором
равна +4. Этот процесс имеет место с биосубстратом тканей и клеток живых организмов и
служит энергетическим источником организма.Подавляющую часть энергии организм черпает за счет так называемого биологическо¬
го окисления, то есть путем окисления в клетках глюкозы, липидов и, в меньшей степени, —
полипептидов (до 10%). Биологическое окисление глюкозы выражается уравнением:С6Н1206 + 602 ^ 6С02 + 6Н20 A G' = -2880 кДж/моль.Изменение свободной энергии этого процесса AG" (символ ’употребляется при термоди¬
намических расчетах в физиологических условиях, т. е. при 310 К) и является основным ис¬
точником энергии тканей. Как уже отмечалось (см. гл. 5), это превращение осуществляется
через 38 элементарных стадий, каждая из этих стадий сопряжена с образованием молекулы
аденозинтрифосфата (АТФ), которые в дальнейшем при гидролизе обеспечивают полезную
работу клетки по биосинтезу, активному транспорту ионов и др. Так как свободная энергия
гидролиза АТФ AG/ равна -30 кДж/моль, то коэффициент полезного действия {кпд) этой
совокупности превращений составляет 30-38-100/2880 = 39%, то есть превосходит кпд изве¬
стных тепловых двигателей.Биологическое окисление как окислительно-восстановительный процесс можно пред¬
ставить совокупностью двух полуреакций:ох 02 + 4Н+ + 4е <=> 2Н20 плазма,
red С6Н1206 + 6Н20 6С02 + 24Н+ + 24е клетка.Эти полуреакции составляют гальваническую пару. Восстановление кислорода проис¬
ходит в плазме крови, а окисление глюкозы — в клетке. Оба процесса разделены клеточной
мембраной, следовательно должны существовать вещества — переносчики электронов из
клетки в плазму. Эти соединения — цитохромы, содержат в своем составе катионы железа,
обратимое окисление-восстановление которых (Fe2+ <=^ Fe3+) и выполняет функцию «мости¬
ка», замыкающего цепь гальванического элемента.Образующийся в результате «сгорания» глюкозы оксид углерода(1У) представляет собой
мало полярное вещество, а потому плохо растворяется в воде. Его растворимость составляет
0,03 моль/л при 298 К. Процесс растворения выглядит следующим образом: сначала образу¬
ется гидрат Н20-С02, который находится в окружении молекул воды, а затем имеет место
медленное превращение в молекулу Н2С03. Угольная кислота существует только в растворе.Образующаяся угольная кислота представляет собой (без учета ее распада на ангидрид
и воду) кислоту средней силы и диссоциирует следующим образом:Н20-С02 <=> Н+ + НС03- <=> Н+ + COf-гидрокарбоиат карбонатрк: - з,7 рк: - ю,зДиссоциация по второй стадии идет незначительно, а следовательно, необходимо счи¬
таться с появлением в растворе только гидрокарбонат-анионов. Однако концентрация угле¬
кислоты в растворах не велика из-за того, что углекислота преимущественно распадается до
гидрата, а потому реально она проявляет слабые кислотные свойства (ее истинныйрК„ = 6,3^
с учетом нестойкости).
282ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVИз-за этого, а также из-за присутствия в плазме гидрокарбонат-иона в ней образуется
гидрокарбонатная буферная система, поддерживающая постоянство pH наряду с другими
биологическими буферными системами:[яСОз]рН = 6,31+ lg[я2со3]В этом состоит один из механизмов поддержания постоянства pH в биосредах, в первую
очередь, в плазме (см. разд. 10.7.1).Другой механизм состоит в удалении углекислоты из организма. Образовавшийся в клет¬
ке углекислый газ частично диссоциирует во внутриклеточной жидкости, однако его основ¬
ная часть быстро диффундирует в межклеточное пространство (где тоже частично диссоци¬
ирует) и далее — в плазму. В ней наряду с диссоциацией устанавливается равновесие между
углекислотой в растворе и той ее частью, которая проникает внутрь эритроцитов. В соста¬
ве эритроцитов она прочно удерживается в молекуле гемоглобина, обратимо связываясь с
его глобиновой (белковой) частью за счет образования нестабильного карбамина:R-NH2 + С02<=> R-NH-COOH
карбаминЭритроциты выносят связанную углекислоту к альвеолам легких, где она мгновенно вы¬
свобождается под действием присутствующей здесь карбоангидразы. Изложенные выше
процессы представлены на схеме 19.2.ВнутриклеточнаяжидкостьМежклеточнаяжидкостьКровьПлазма ЭритроцитыАльвеолярныйвоздухРПггъ ГПлкарбоа]. .,v tj \ТТТ ГППИнгидразаЪ ГПаvU2+НОН^
Н+ + НСОз> LU2+НОН ^
Н+ + НСОз+ карбамин
НОН ^Н+ + НСОз"Схема 19.2. Транспорт углекислоты из клетки в легкие.Выделившийся углекислый газ удаляется с выдыхаемым воздухом, в котором его кон¬
центрация достигает 4%. Концентрация углекислого газа не должна быть здесь более высо¬
кой, так как С02 обладает токсическим действием.Таким образом, два механизма поддержания постоянства pH препятствуют возникнове¬
нию ацидозов. Однако это достигается лишь тогда, когда количества продуцируемой в ре¬
зультате биологического окисления и выдыхаемой углекислоты равны.Угольная кислота образует кислые и средние соли — гидрокарбонаты и карбонаты. Ра¬
створимые в воде соли гидролизованы, причем карбонаты — в сильной степени. Способность
гидрокарбонатов к гидролизу с созданием слабо щелочной среды реализуется в живых орга¬
низмах. В частности, гидрокарбонат натрия продуцируется стенками желудка, защищая их
от разрушительного действия сильно кислой среды, создаваемой в желудочном соке соля¬
ной кислотой. Регуляция кислотно-щелочного баланса в желудке представляет собой непро¬
стую проблему. Может существовать по меньшей мере два пути формирования повышенной
ГЛ. 19]УГЛЕРОД283кислотности, вызывающей язвенную болезнь, — перепроизводство соляной кислоты и не¬
достаточная секреция гидрокарбонат-иона. Естественно, что гидрокарбонат натрия приме¬
няют в качестве антацида — средства против повышенной кислотности:NaHC03 + НС1 -> С02Т + NaCl + Н20.В принципе антацидами могут служить любые слабо гидролизующиеся соли нетоксич¬
ных кислот или слабые основания.Присутствие в воде гидрокарбонатов щелочноземельных металлов — причина времен¬
ной (карбонатной) жесткости воды, которую удаляют кипячением:Са(НС03)2—> С02Т + CaC03vL + Н20.Содержание углекислоты в атмосфере составляет приблизительно 0,03%. Она играет суще¬
ственную роль в поддержании температурного режима на земной поверхности. Молекулы С02
активно поглощают инфракрасное излучение и препятствуют уходу тепла за пределы Земли.С02 + hv (инфракрасное излучение) СО*.Это явление, называемое парниковым эффектом, обеспечивает дополнительный прогрев
земной поверхности приблизительно на 20 °С, что является мощным фактором поддержа¬
ния жизни на земле. Подсчитано, что хозяйственная деятельность человека должна уже че¬
рез несколько лет вызвать увеличение концентрации углекислоты в воздухе до 0,04%, а это,
как на первый взгляд кажется, должно привести к глобальным климатическим изменениям.
Однако избыточная углекислота должна раствориться в объеме океанских вод; концентра¬
ция углекислоты в них намного меньше равновесной. Этот пример показывает, что в эколо¬
гических прогнозах следует учитывать все возможные факторы.19.3. Производные угольной кислотыФормальным приемом замены атомов кислорода в молекуле оксида углерода(1У) дру¬
гими электроотрицательными атомами можно произвести серию соединений углерода (+4),
которые представляют собой семейство производных угольной кислоты.Среди них находятся галогенопроизводные, например, четыреххлористый углерод СС14,
молекула которого неполярна, а следовательно гидрофобна и липофильна, что определяет
использование этого вещества в качестве органического растворителя, который является ток¬
сичным из-за склонности вступать в биотрансформации с участием молекул биосубстрата.Этого свойства лишена молекула CF4 из-за высокой прочности связи С-Е Последнее оп¬
ределило широкое использование С¥Аи его аналогов общей формулы СяЕхС1у, именуемых
фреонами, в качестве растворителей в различных аэрозолях, а также в роли хладоагентов в
холодильниках. К сожалению, химически инертные летучие фреоны, накапливаясь в атмо¬
сфере, активно поглощают ультрафиолетовое излучение, необходимое для образования озо¬
нового слоя. По этой причине фреоны постепенно изымаются из употребления. Однако сле¬
дует при этом учитывать тот факт, что фреоны наряду с другими веществами в сопоставимых
количествах образуются в результате вулканической деятельности.Другим примером галогенопроизводных угольной кислоты является фосген СОС12, мо¬
лекула которого полярна, высоко реакционноспособна и крайне токсична.Сернистый аналог углекислого газа CS2 — сероуглерод — находит применение в качестве
органического растворителя и важного промышленного реагента, однако он также высоко
токсичен.
284ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVНаиболее важное производное угольной кислоты — мочевина, являющаяся конечным
продуктом азотного обмена млекопитающих. Суммарно окисление белков в организме вы¬
ражается уравнением:CwH„OpN, + х02-> аС02 + Ш2О + q/2 NH2CONH2.За сутки в организме человека продуцируется до 30 г мочевины. Ее содержание в моче
является важным показателем азотного обмена, а потому в биохимии широко определяют
содержание мочевины в моче. До недавнего времени для этого использовали сконструиро¬
ванный А. П. Бородиным прибор, в котором имеет место реакция:NH2CONH2 + 3NaBrO -> 3NaBr + С02 + 2Н20 + N2.Исторически важен синтез мочевины Ф. Велером в 1828 году, когда она как вещество ис¬
тинно биологического происхождения была получена из неорганической соли — цианово¬
кислого аммония.Мочевина широко используется в сельском хозяйстве, в частности, в качестве удобрения
и пищевой добавки для скота, который усваивает ее, обладая для этого соответствующими
ферментами. Важна мочевина как полупродукт при получении многих биомолекул и лекар¬
ственных средств. Поэтому ее производят в больших количествах из углекислого газа илифосгена: ио__-нон СОз +2NH3nh4cno->nh2-c-nh2циановокислый q _2Н^ СОС12 +2NH3
аммонийОрганические производные мочевины будут подробно рассмотрены в главе 30.19.4. Соединения углерода (+2)Типичным представителем этой группы веществ является оксид углерода(Н) — угарный газ.Строение монооксида углерода можно объяснить с помощью метода молекулярных
орбиталей (см. разд. 2.1.5). Связь между атомами углерода и кислорода в его молекуле при¬
ближается к тройной, что подтверждается величиной энергии связи в ней, которая равна
1076 кДж/моль, а длина связи составляет всего лишь 1,12 А.Угарный газ образуется при сгорании органических веществ и самого углерода при не¬
достатке кислорода:2С + 02 —> 2 С О,
а также при действии углерода на углекислый газ:С02 + С-> 2 СО.Оксид углерода(П) формально является ангидридом муравьиной кислоты. Нагревание
последней в присутствии водоотнимающих средств (концентрированная серная кислота)
служит еще одним способом получения этого оксида:НСООН —> СО + Н20.В соответствии с этим нагревание угарного газа со щелочью приводит к образованию
соли муравьиной кислоты — формиата:СО + NaOH -> HCOONa.
ГЛ. 19]УГЛЕРОД285Атом углерода в молекуле муравьиной кислоты четырехвалентен, что вызвано изомери¬
зацией изомера с двухвалентным углеродным атомом с миграцией протона от атома кисло¬
рода гидроксильной группы к атому углерода:/>Н:С\ОН-> н-с.онЕще один путь образования угарного газа — биосинтез из молекулы гемоглобина (ННЬ)
при его превращении в билирубин:ННЬ <=> билирубин + СО.В сутки человеческий организм вырабатывает около 10 мл угарного газа, удаляемого из
организма с выдыхаемым воздухом.Оксид углерода(Н) является активным восстановителем:2СО + 02 -> 2С02 СО + С12-> СОС12Fe203 + ЗСО —> ЗС02 + 2Fe.Однако он может выступать и в качестве окислителя:СО + Mg—> MgO + С.Важнейшим для физиологии свойством этого вещества является способность к образо¬
ванию комплексов, особенно с катионом Fe2+. Высокая донорная активность оксида углерода
объясняется с помощью теории МО (см. разд. 2.1.5). Его сродство к катиону железа намно¬
го выше, чем у кислорода, а потому равновесие реакции:нньо2 + со *=* нньсо + 02оксигемоглобин карбоксигемоглобинсмещено вправо уже при невысоких концентрациях угарного газа в воздухе (Крави составляет
310, в этом случае ее называют коэффициентом отравления). Так как в результате этого пре¬
вращения весь гемоглобин (или его большая часть) оказывается связанным с угарным газом
в молекулы карбоксигемоглобина, то гемоглобин не может выполнять функцию переноса
кислорода. Помня, что кислорода в воздухе 21%, нетрудно подсчитать, что количество кар¬
боксигемоглобина окажется равным количеству оксигемоглобина (а это уже вызывает уду¬
шье), если концентрация СО в воздухе достигнет величины лишь 0,07%. В дополнение к это¬
му оксид углерода связывается и с другими железосодержащими биомолекулами, что усу¬
губляет его токсический эффект.Отравления окисью углерода происходят достаточно часто в связи с возрастающим по¬
треблением топлива, развитием химических производств с участием этого вещества, а так¬
же частыми пожарами. Для защиты от угарного газа существуют специальные противогазы,
в которых используется смесь Мп02(60%) и СиО (40%), называемая гопкалитом. Эти ок¬
сиды обладают способностью окислять угарный газ в С02. Особый аспект связан с необхо¬
димостью обеспечения нормальной воздушной среды для специалистов, работающих в си¬
стемах автономного жизнеобеспечения, где требуется очистка воздуха от эндогенной окиси
углерода, чтобы избежать автоинтоксикации.Управление химическим равновесием связывания гемоглобина с окисью углерода —
путь к отысканию средств детоксикации киси углерода. Простым антидотом (противояди
ем) при отравлении окисью углерода является кислород, избыток которого создается с по¬
286ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVмощью оксигенобаротерапии. Другое противоядие — комплексообразователь, имеющий
повышенное сродство к окиси углерода. Таковыми являются соли железа, которые и исполь¬
зуют на практике. Для этой цели можно применять и комплекс катиона кобальта с трило-
ном Б (см. гл. 11). Таким образом, современная медицина располагает эффективными про¬
тивоядиями при интоксикациях окисью углерода.Еще одно важное соединение углерода(П) — циановодород HCN, или синильная кисло¬
та. Это вещество в связанном виде входит в состав некоторых природных веществ раститель¬
ного происхождения. Особенно его много в косточках абрикосов и горького миндаля. В замет¬
ных количествах оно образуется при сгорании современных азотсодержащих полимерных
материалов. В микроколичествах образуется и в организме человека. Свойства этого соеди¬
нения необходимо знать в связи с его высокой токсичностью.В водных растворах синильная кислота существует в виде двух таутомерных форм:H-CeeeN^C^N-HТаутомерия — явление обратимой изомерии, при котором два или более изомера лег¬
ко переходят друг в друга. В этом случае изомеры называют таутомерами. Частный случай
таутомерии — прототропная таутомерия, при которой изомеризация осуществляется в ре¬
зультате перехода протона. Таутомерия очень важна в процессах, протекающих в живых
организмах, что будет показано на многих примерах в дальнейшем.Таутомер синильной — изосинильная кислота — присутствует в равновесии в количестве
около 1%. Электронное строение этого таутомера аналогично структуре оксида углерода(П),
а следовательно он способен связываться с катионами железа биосубстрата, чем и объясня¬
ется высокая токсичность HCN.Синильная кислота более ядовита, чем окись углерода, так как обладает повышенным
сродством к катионам железа(Ш) и меди(П) в составе ферментов дыхательной цепи — ци-
тохромов, содержание которых в организме меньше, чем количество гемоглобина.Синильная кислота — слабая кислота, диссоциирующая по уравнению:HCN <=> Н++ CN" рКа= 9,6.Следовательно ее соли — цианиды легко гидролизуются, а так как HCN — легколетучая
жидкость, то хранить цианиды следует в герметичной упаковке без доступа влаги.Как уже сказано, синильная кислота и цианид-ионы являются метаболитами. Они час¬
тично выделяются из организма с выдыхаемым воздухом, а частично с мочей, в виде неток¬
сичного роданид-аниона, который образуется в результате связывания с серой, поставляе¬
мой для реакции серосодержащими белками:CN" + S —» SCN" (роданид).На превращении цианид-иона в нетоксичный роданид основано использование тиосуль¬
фата натрия в качестве противоядия при отравлении цианидами:KCN + Na2S203-> KSCN + Na2S03.Другой антидот цианид-иона — глюкоза, реакция которой с HCN будет рассмотрена по¬
зднее (см. разд. 27.2).Еще одно направление биотрансформации цианид-иона — координация с катионом ко¬
бальта в составе витамина В12 — цианокобаламина, так как цианид-ион является активным
лигандом. Цианидные комплексы переходных металлов широко применяются в промыш¬
ленности, аналитической химии и других областях. Достаточно привести примеры железо¬
ГЛ. 19]УГЛЕРОД287содержащих комплексов K3[Fe(CN)6] и K4[Fe(CN)6] (красная и желтая кровяная соли, при¬
меняются в фотографии и для обнаружения катионов Fe+2 и Fe+3 в качественном анализе).Роданид-ион также активный лиганд. Комплекс Na3[Co(SCN)6], на ярко-синей окраске
которого основано качественное обнаружение иона Со3+ в растворах — один из многих ком¬
плексов, образуемых с его участием.В отличие от синильной кислоты роданистоводородная кислота является сильной, что
не удивительно, так как в ней протон присоединен к более электроотрицательному атому
серы, а не углерода, как это имеет место в молекуле синильной кислоты:H-S-C=N <=> Н+ + SCN- рКа = 0,95.В заключение отметим еще один аспект, связанный с синильной кислотой, а именно —
ее возможное участие в химической эволюции — процессе синтеза биомолекул из простых
молекул минерального происхождения. Известно, что ее можно превратить в нуклеиновое
основание — аденин (см. разд. 30.3) по уравнению:5HCN —> C5H5N5 — аденин (нуклеиновое основание).Если учесть, что синильная кислота легко образуется из некоторых простых неоргани¬
ческих молекул, то можно построить схему образования нуклеиновых кислот из неоргани¬
ческих веществ.
Глава 20.УГЛЕВОДОРОДЫ...ту часть нашей науки, которую обычно
называют органической химией, мы
определяем как химию углеводородов и их
производных.К. Шорлеммер*20.1. КлассификацияОрганическая химия своим существованием как самостоятельная наука обязана преж¬
де всего неисчислимому многообразию соединений углерода. В настоящий момент нам из¬
вестно о существовании около 15 ООО ООО углеродных соединений; цифра эта увеличивает¬
ся с каждым днем более чем на 1000. Систематическое изучение органических соединений
упрощается, если начать его с рассмотрения углеводородов — веществ, содержащих лишь уг¬
лерод и водород. Принято рассматривать органическую химию как химию углеводородов и
их производных.20.1.1. Алканы5р3-гибридизированный атом углерода четырехвалентен и образует только a-связи. Про¬
стейшим представителем углеводородов, основу которых составляют a-связи, является ме¬
тан СН4. Молекула этана С2Н6 содержит звено из двух атомов углерода — элементарную
часть углеродной цепочки.В принципе, посредством a-связей могут быть образованы цепи из любого количества
атомов углерода. Гомологический ряд предельных (насыщенных) углеводородов, содержа¬
щих только простые связи С-С и именуемых алканами, можно выразить общей формулой
СяН2л+2. Формулы десяти первых алканов и их названия приведены ниже.* К. Шорлеммер (1834-1892) — немецкий химик, специалист в области химии углеводородов, а также общест¬
венно-политический деятель.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ289СН4 метанС2Н6 этанС3Н8 пропанС4Н10 бутанС5Н12 пентанС6Н14 гексанС7Н16 гептанС8Н18 октанС9Н20 нонанС10Н22 деканНаименования четырех начальных алканов сложились исторически; названия последу¬
ющих неразветвленных гомологов (о гомологах см. разд. 20.2) производят от греческих чи¬
слительных в сочетании с окончанием ан.20.1.2. Сведения о конформацияхДля a-связей характерна наибольшая плотность электронного облака на прямой, со¬
единяющей ядра атомов. Поворот групп взаимосвязанных атомов вокруг этой оси не из¬
менит плотности электронного облака на ней и, следовательно, не приведет к разрыву
данной связи. Таким образом, при вращении групп атомов вокруг сг-связи могут осуще¬
ствляться различные варианты их взаимной ориентации. Вследствие взаимных влияний
атомов одной группы на атомы другой число способов ориентации ограничено. Каждый
из возможных вариантов называется конформацией. Конформации — это простран¬
ственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации, обусловленное
поворотом вокруг одинарных a-связей. Таким образом существуют различные конфор-
мационные изомеры (конформеры), взаимный переход между которыми осуществляет¬
ся без разрыва связей.Например, молекуле этана присущи две граничные конформации — с наименьшим рас¬
стоянием между атомами водорода двух метальных групп (заслоненная конформация), и с
наибольшим расстоянием между ними — заторможенная (рис. 20.1).Отдельные конформации можно изображать с помощью пространственных формул (рис.20.1, а), а также посредством проекционных моделей Ньюмена (рис. 20.1, б). При этом один
из атомов углерода молекулы этана (изображен кружком) помещается сзади другого, кото¬
рый изображается точкой, а связи атомов углерода с водородом (или с заместителями) про¬
ецируются на плоскость рисунка.Чем больше сила взаимного отталкивания атомов водорода, тем выше энергия систе¬
мы; поэтому заторможенной конформации будет соответствовать минимум потенциальной
энергии молекулы.Н Н нннаH HзаторможеннаязаслоненнаяНРис. 20.1. Конформации этана.
290ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVЭнергия, необходимая для поворота метальных групп в молекуле этана так, чтобы про¬
изошел переход от одной конформации к другой (энергетический барьер вращения), срав¬
нительно невелика (11,7 кДж/моль). Поэтому уже при комнатной температуре (298 К) мо¬
лекула этана претерпевает эти изменения с частотой около 1012 с-1. Таким образом, разделить
конформации этана при комнатной температуре невозможно.Другой пример — конформации бутана (рис. 20.2). На этом рисунке не избражены еще
две конформации, а именно с углом поворота вокруг связи С-С на 240° и 300°. Эти конфор¬
мации тождественны изображенным скошенной (или гош, угол поворота вокруг связи С-С
60°) и заслоненной конформациям, соответственно. Конформация с максимально удаленны¬
ми друг от друга метальными группами (анти), является энергетически более выгодной, чем
какая-либо другая из представленных на рисунке конформаций. Это следует из диаграммы
потенциальной энергии конформаций бутана (рис. 20.3).В общем молекулы алканов стремятся пребывать в наиболее «выгодной», зигзагообраз¬
ной конформации, предполагающей такое же взаимное расположение соседних атомов уг-Н п Н н Н СНзскошенная (гош) заслоненная заторможенная (анти)заслоненнаяНф=0<р=60<СН39=120’Ф=180'Рис. 20.2. Конформации бутана.Энергия,кДж/мользаслоненнаязаторможеннаяУгол поворота, фо60° 120° 180° 240° 300’Рис. 20.3. Потенциальная энергия конформаций бутана.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ291лерода, как и в заторможенной конформации бутана, а всей цепочки атомов углерода — в
одной плоскости (рис. 20.4).Жирными штрихами обозначено расположение заместителей выше плоскости, в которой
находится цепь полиалкана, пунктиром — ниже этой плоскости, а атомы водорода для про¬
стоты опущены.Рис. 20.4. Конформация цепи н-алкана.Такое пространственное строение цепи н-алкана знать необходимо, так как длинная не-
разветвленная насыщенная углеводородная цепь присуща большинству ПАВ и тем самым
определяет физико-химические свойства липофильной части их молекул. Еще более важ¬
ным является представление о конформации многозвенной углеводородной цепочки для по¬
нимания пространственного строения липидов, а тем самым — структуры важного элемен¬
та клетки, ее мембраны, которая по преимуществу состоит из липидов. Помня, что жиры
представляют собой эфиры глицерина и жирных кислот, нетрудно представить, что три
длинных углеводородных цепочки жирных кислот в пределах одной молекулы жира укла¬
дываются параллельно, чтобы в минимальной степени препятствовать друг другу.Столь же легко сообразить, что молекулы жиров будут укладываться на водной поверх¬
ности параллельно друг другу таким образом, что полярные их части — остаток глицерина —
будет обращен к водной поверхности за счет диполь-дипольных взаимодействий и водород¬
ных связей с молекулами воды. Таким образом, на поверхности клетки формируется моно-
молекулярный липидный слой. Между этими слоями будет иметь место гидрофобное вза¬
имодействие, что приведет к образованию между клетками липидного бислоя, который и
является основным структурным элементом клеточной мембраны. В основе же ее строения
лежит повторяющаяся заторможенная бутановая конформация углеводородной цепочки
жирных кислот. Изложенное представлено на рис. 20.5. В действительности клеточная мем¬
брана построена не из молекул жиров — производных глицерина, а из молекул других пред¬
ставителей липидов, а именно, фосфолипидов (см. разд. 29.1), однако принцип конструкции
липидного бислоя сохраняется.Н20Рис. 20.5. Липидный бислой.
292ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVПреимущественное нахождение молекул природных и физиологически активных ве¬
ществ в определенной конформации означает не что иное, как приобретение или утрату эти¬
ми веществами определенных свойств. Это можно иллюстрировать примером конформаци-
онной однотипности группы природных и синтетических соединений, воздействующих на
передачу нервного импульса.Холин и ацетилхолин являются участниками процесса передачи нервных импульсов, и
эти их функции осуществляются именно в той конформации, в которой два заместителя в
этановом фрагменте, как и метильные группы в бутане, максимально удалены друг от дру¬
га. Для сравнения приведены молекулярные модели заторможенных конформаций бутана
и холина (рис. 20.6).бутан холинРис. 20.6. Шаростержневые модели бутана и холина.Синтетический аналог ацетилхолина карбохолин имеет то же пространственное строе¬
ние и свойства, а потому может временно выполнять функцию ацетилхолина и употребим
в качестве лекарства при дефиците ацетилхолина в тех или иных клетках, что вызывает па¬
ралич. Природное вещество мускарин, содержащийся в мухоморе, имеет более сложное стро¬
ение, однако и он оказывает действие на нервные ткани. Его молекулы, вытесняя молекулы
ацетилхолина, препятствуют нервной проводимости, а тем самым оказывают токсическоесн3соо н н nh2coo н нН N(CH3)3+X- Н N(CH3)3+X-ацетилхолин карбохолинCH3Vo Н Н RP(X)00 Н Нно-Х^ч н->—<Н N(CH3)3+X“ н N(CH3)3 Xмускарин фосфорилхолинРис. 20.7. Конформации ацетилхолина и его аналогов.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ293действие. Синтетические препараты фосфорилхолины оказывают еще более сильное токси¬
ческое действие, являясь мощными ядами нервно-паралитического действия. Таким обра¬
зом, здесь можно говорить о молекулярном соответствии указанных веществ, вызванном их
конформационной и структурной однотипностью.Следует помнить, что, принимая различные конформации, молекулы того или иного ве¬
щества остаются химически однородными. Однако, при тесной упаковке атомов в молеку¬
лах некоторых веществ могут возникать препятствия вращению групп атомов вокруг С-С
связей, в результате чего оказывается возможным разделить различные формы таких ве¬
ществ уже при обычной температуре.При изучении методами рентгеноструктурного анализа пространственного строения не¬
которых ферментов, витаминов, гемоглобина и других соединений было установлено, что
даже незначительное изменение конформации этих веществ может привести к потере их
биологической активности.Молекулы природных полимеров, к числу которых относятся, в частности, белки и нук¬
леиновые кислоты, характеризуются вполне определенным пространственным строением и
вполне определенными конформационными изменениями, от которых зависят их свойства.Структурные трансформации в биополимерах носят кооперативный характер — конфор¬
мация каждого звена зависит от конформации соседних звеньев и их изменение происходит
согласованно.В случае биополимеров часто говорят не о конформациях, а используют термины «вто¬
ричная» или «третичная» структура, подразумевая под первичной химическую структуру
макромолекулы.ст-связи существуют не только между углеродными и водородными атомами, но и меж¬
ду атомами других элементов. В состав насыщенных (т. е. построенных посредством толь¬
ко ст-связей) соединений наиболее часто входят атомы галогенов, кислорода, серы и азота,
которые принято называть гетероатомами. Соответственно, выделяют различные классы на¬
сыщенных органических соединений: галогенопроизводные, кислородсодержащие соедине¬
ния — спирты и простые эфиры, производные серы — меркаптаны, сульфиды, азотсодержа¬
щие вещества — амины.R-X галогенопроизводныеR-OH спиртыR-O-R простые эфирыR-SH меркаптаныR-S-R сульфидыR-S-S-R дисульфидыR-NH2, NHR'R2 аминыЭнергетические и геометрические характеристики разных ст-связей хотя и различаются
между собой, варьируются не очень значительно (см. табл. 19.1). Так, энергия самой сла¬
бой связи, углерод-иод составляет 180 кДж/моль, а энергия самой прочной связи, углерод-
фтор — 452 кДж/моль. Длина связей тоже несколько различна, но для большинства связей
она не превышает 2,5 А. Еще в меньшей степени разнятся валентные углы; их отклонения
от теоретического значения 109°28? не превышают, как правило, нескольких градусов.20.1.3. Насыщенные циклические соединенияМожно представить случай, когда 5р3-гибридные атомы углерода на концах углеродной
цепи связаны между собой ст-связью и, таким образом, замыкают цепь в кольцо. Для обра¬
294ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVзования кольца требуется как минимум три атома углерода. В общем случае речь идет о цик¬
лической разновидности насыщенных углеводородов С„Н2„, которые называются циклоал-
канами. Названия отдельных представителей этого гомологического ряда образуют прибав¬
лением приставки «цикло» к названию соответствующего алкана.Часто употребляемым способом изображения циклоалканов является кольцо без указа¬
ния атомов водорода и связей с ними.Н НVH-d'-b-к чннннн нI Iс-сI Iн-с-с-нI Iн нн н/ \
н-с-с-н7 "Нн\с/ \н нциклопропан циклобутанциклопентанциклогексанПонятно, что замыкание цепочки в цикл приводит к уменьшению валентного угла: его
величина вместо 109°28' (нециклические алканы) должна стать 108° (циклопентан), 90° (цик¬
лобутан) и даже 60° (циклопропан).Эта деформация связана с энергетическими затратами, в результате чего молекулы цикло¬
алканов обладают энергией, большей, чем соответствующие нециклические цепи. Этот избыток
энергии, который называют энергией напряжения, составляет, в частности, 116 кДж/моль для
циклопропана, 110 кДж/моль для циклобутана и лишь 13,5 кДж/моль для циклопентана.Более правильным применительно к циклопропану и циклобутану было бы говорить необ искажении валентных углов, а о смещении максимумов перекрытия $р3-орбиталей с пря¬
мых, соединяющих атомы углерода, т.е. об искривлении связей, которые из-за этого стано¬
вятся несколько слабее. Действительно, определенная экспериментально длина С-С связи
в циклопропане оказывается той же, что и в алканах, а величина валентного угла — 106°, а
не 60°, как можно было бы полагать (рис. 20.8).Циклобутан и циклопропан обладают наибольшей энергией напряжения; в циклах боль¬
шего размера она незначительна, поскольку молекулы этих веществ неплоские.Молекула циклопентана, например, пребывает обычно в конформации «конверта», гдев значительной степени снижено торсионное напряжение (на¬
пряжение заслонения) по сравнению с плоской формой. У цик-
логексана наиболее устойчивыми конформациями являются
конформации «кресла» и «ванны», причем первая энергетиче¬
ски выгоднее (рис. 20.9). В этих конформациях молекулы цик¬
лопентана и циклогексана практически не имеют искажений ва¬
лентных углов.Молекулы пяти- и шестичленных циклоалканов и насы¬
щенных гетероциклов неплоские, но часто для удобства их
изображают плоскими, — так называемое изображение по
Хеуорсу (рис. 20.9). В этих изображениях атомы водорода
для краткости опускаются.Рис. 20.8.
Электронное строение
циклопропана.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ295по ХеуорсуРис. 20.9. Конформации циклопеитана и циклогексапа и плоскостное изображение по Хеуорсу.УЕсли в составе насыщенных колец имеются гетероатомы (N, О, S и др.), то го¬
ворят о насыщенных гетероциклических соединениях. Для насыщенных гетеро¬
циклов характерны те же закономерности, что и для углеводородных аналогов.N, О, S имеют одинаковую с атомами углерода гибридизацию и сравнимые с ним
объемы и поэтому не меняют существенно конформационное строение аналогич¬
ного карбоцикла.Так, молекулы окиси этилена и этиленимина имеют пространственное стро¬
ение, аналогичное строению молекулы циклопропана, и, следовательно, обла¬
дают энергией напряжения.Молекулы пятичленных гетероциклов — тетрагидрофурана и тетрагид¬
ропиррола — практически не имеют искажений валентных углов и существуют в неплос¬
кой конформации «конверта».Нет заметного напряжения и в таких шестичленных гетероциклах, как тетрагидропиран
и пиперидин, которые существуют преимущественно в наименее напряженной конформа¬
ции «кресла». Наличие гетероатома (например, кислорода) меняет симметрию цикла, что
определяет увеличение числа конформаций у гетероцикла по сравнению с циклогексано¬
вым. Например, для пиранозного (тетрагидропиранового) цикла возможны две конформа¬
ции «кресла», которые не будут энергетически одинаковыми (см. разд. 27.2).окись этиленаY7NIНэтилениминQ-ОГйNIН
296ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVОонпиперидинВ число циклоалканов и их гетероциклических аналогов включают и производные не с
одним, а с несколькими циклами.Если циклы соединяются посредством атома углерода, получаются спирановые углево¬
дороды. Спирановые структуры не характерны для природных объектов.Если два цикла соединяются парой атомов углерода или парой гетероатомов, то образу¬
ются конденсированные циклоалканы и гетероциклы.Примером такой разновидности углеводородов может служить встречающийся в нефти
декалин.В целом же конденсированные кольца широко представлены в природе. Среди них име¬
ются и достаточно сложные по строению молекулы. В частности, многочисленное семейство
стероидных гормонов обладает общей особенностью — четырьмя конденсированными коль¬
цами, одним циклопентановым и тремя циклогексановыми. Такое конденсированное кольцо
носит название циклопентанопергидрофенантрен (стеран). Точнее, в состав стероидов вхо¬
дит структура гомолога стерана, именуемого андростаном. В качестве примера природного
производного стерана приведена молекула холестерина.спирановыйуглеводороддекалинциклопентано¬пергидрофенантренИС1\ СН2СН2СН2СН(СНз)2ноноандростанхолестеринЕще одной разновидностью циклических соединений являются мостиковые углеводоро¬
ды и гетероциклы, в которых углеводородные цепочки связаны более чем двумя атомами.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ297Здесь изображен углеводород, в котором таким образом сочленены
пяти- и шестичленные кольца. Подобная структура присуща углево¬
дороду камфану, который лежит в основе ряда производных из чис¬
ла терпенов, физиологически активных веществ растительного про¬
исхождения. К числу производных камфана, в частности, относится
камфора, применяемая в медицине.Наконец, следует назвать еще полиэдрические производные — со¬
единения с высокой степенью конденсированности.\Г\1кубанPdадамантануротропинСНз СНзVкамфанИх молекулы могут иметь объемную структуру — с напряжением, например, углеводо¬
род кубан или без напряжения, например, углеводород адамантан и его гетероциклический
аналог уротропин, использующийся в медицине.ГК[>Широкие возможности построения разнообразных полиэдрических структур представ¬
лены выше.20.1.4. АлкеныКомбинация двухр-орбиталей с 5-орбиталью дает $р2-гибридные орбитали, оси симметрии
которых находятся в одной плоскости и расположены под углом 120° друг к другу. Электроста¬
тическое отталкивание атомов будет минимальным, если осьр-орбитали, не участвующей в гиб¬
ридизации, будет перпендикулярна к плоскости гибридных орбиталей. В молекуле этилена две
перекрывающиеся 5р2-гибридные орбитали атомов углерода образуют о-связь, ар-орбитали —
я-связь. Ti-связь менее прочна, чем a-связь (ее энергия составляет 266 кДж/моль), — тем не ме¬
нее вращение атомов вокруг оси, соединяющей атомы углерода, исключается. Таким образом,
в молекуле этилена атомы углерода прочно соединены а- и тс-связями или, как принято говорить,
двойной связью (длина 1,33 А), меньшей по длине, чем простая С-С связь (1,54 А).Н Н
>=<ннст-связь
298ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[ЧЛУТеоретически угол между атомами водорода в этилене должен составлять 120°; это поч¬
ти то же, что экспериментально установленное значение — 117°.По мере удлинения углеродной цепи путем присоединения к молекуле этилена 5р3-гиб-
ридных атомов углерода образуется гомологический ряд непредельных углеводородов, ал-
кенов (олефинов), который определяется брутто-формулой С„Н2п. Их названия производятся
от названий соответствующих алканов заменой в последних окончаний ан на ен.я-связь может существовать не только между атомами углерода; она может соединять
также 5р2-гибридные атомы кислорода, серы, азота и других элементов. Соответственно, су¬
ществуют кратные связи: С=0 (альдегиды, кетоны, кислоты, амиды, сложные эфиры), C=N
(особенно часто встречается в гетероциклах) и некоторые другие (например, связь N=N, име¬
нуемая азосвязью).Ниже приведены формулы и названия некоторых классов соединений со связями С=0.
R R R R Rу== о Чу>== о 'ч^= о о Nn^= оtr Rj НО' NH2 ЩО'альдегид кетон кислота амид сложный эфирПо геометрическим параметрам (длины связей и валентные углы) эти кратные связи на¬
поминают двойную связь углерод-углерод, С=С. Близки эти связи к связи С=С и по энер¬
гетическим характеристикам (см. табл. 2.2).20.1.5. Сопряженные алкадиеныНетрудно представить углеродную цепь, содержащую две, три или большее число двой¬
ных связей. В этих случаях говорят об алкадиенах, алкатриенах и т. д., а в общем случае — о
полиенах. Алкадиенам соответствует формула С„Н2„_2.Обнаружено, что алкадиены, в которых двойные связи чередуются с одной простой свя¬
зью, более устойчивы, чем алкадиены с изолированными (т. е. разделенными более, чем од¬
ной простой) двойными связями. Алкадиены первого типа называются сопряженными.
Простейшим их представителем является бутадиен С4Н6, для которого выигрыш в энер¬
гии (энергия сопряжения) составляет 14,7 кДж/моль.СН2=СН-СН=СН2бутадиен-1,33 4Большая устойчивость сопряженных алкадиенов объясняется следующим. Во-первых,
a-связь между двумя 5р2-гибридными атомами 2 и 3 (1,47 А) короче, чем a-связь между sp3-
гибридными атомами в алканах (1,54 А), поскольку в 5р2-гибридной орбитали доля 5-харак¬
тера больше, чем в 5р3-гибридной, а 5-электроны, как известно, располагаются ближе к ядру,
чемр-электроны. Во-вторых, при такой укороченной 5-связи, соединяющей две кратные свя¬
зи, р-орбитали перекрываются не только в пределах кратных связей, но и частично между
ними, при условии параллельности орбиталей. Вследствие этого вращение групп атомов
вокруг 5р2-гибридной a-связи затрудняется, что и определяет преимущественное существо¬
вание алкадиенов в конформации с параллельными р-орбиталями. Кроме того, перекрыва¬
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ299ние р-орбиталей приводит к тому, что длина кратных связей в бутадиене (1,37 А) больше,
чем в несопряженных диенах (1,34 А).Можно говорить, что четыре р-электрона двух сопряженных кратных связей образуют
общую молекулярную орбиталь, принадлежащую всем четырем атомам углерода, — то есть
говорить о сопряженной системе кратных связей.20.1.6. Ароматические соединенияДвойные связи могут быть включены в цикл. Так образуются
молекулы циклоалкенов и циклополиенов. Примером могут слу¬
жить бензол и его аналоги. Циклическая формула бензола с чере¬
дующимися двойными связями предложена выдающимся немец¬
ким химиком А. Кекуле в 1865 году.Остов молекулы бензола образован шестью 5р2-гибридными
атомами углерода и имеет форму плоского шестиугольника с ва¬
лентными углами в 120°.В результате сопряжения шести р-электронов (три двойные
связи) образуется молекулярная орбиталь (бтг-орбиталь) — каж¬
дый из р-электронов не связан с каким-либо одним из атомов уг¬
лерода и может перемещаться от одного атома к другому. Эффект
сопряжения приводит к тому, что молекула бензола обладает зна¬
чительной энергией стабилизации — 150 кДж/моль.А. Кекуле
(1829-1896)Молекуле бензола присущ особый вид связи между атомами углерода — так называемая
ароматическая связь. Длина этой связи составляет 1,4 А — промежуточное значение между
длиной простых и двойных связей. Таким образом, в бензоле нет простых и двойных связей.
Поэтому молекулу бензола принято изображать не в виде символа с чередующимися крат¬
ными и простыми связями, а в виде символа, отображающего бя-электронную орбиталь
(круг внутри шестичленного цикла).Бензол — родоначальник семейства ароматических углеводородов, аренов, которые опи¬
сываются брутто-формулой С„Н2„_6. Простейшим из гомологов бензола является толуол.К числу аренов относят и конденсированные ароматические углеводороды, образую¬
щиеся путем сочленения циклов; представителями конденсированных аренов являются на¬
фталин, антрацен, фенаптрен, парен, бензпирен.толуол нафталинантраценфенантренпирен бензапирен
300ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVДля образования ароматической системы необходимо, чтобы р-электроны формально
группировались в три, пять, семь двойных связей. Математически это требование выражает¬
ся правилом Хюккеля, которое гласит, что соединение обладает ароматической структурой,
если в его молекуле содержатся плоские кольца, включающие замкнутую систему сопряжен¬
ных двойных связей с количеством 71-электронов 4я+2, где п — натуральный ряд чисел.Согласно этому правилу, молекулы, содержащие шесть (бензол), десять (на-
фталин), четырнадцать и т.д. тг-электронов, являются ароматическими. В спра-
^ веДливости правила Хюккеля можно убедиться на примере азулена — аромати-ческого соединения, молекула которого имеет в основе два сконденсированныхазулен ненасыщенных цикла — пятичленный и семичленный; общее число 71-электро¬
нов в молекуле равно десяти.В соответствии с правилом Хюккеля ароматическая связь должна существовать (и дейст¬
вительно существует) в ненасыщенных гетероциклах — аналогах бензола, молекулы кото¬
рых содержат 5/?2-гибридные атомы азота, заменяющие атомы углерода.Примерами таких соединений могут служить пиридин, пиридазин, пиримидин, пиразин,
триазин.Ненасыщенные ароматические гетероциклы, обладающие ароматическими свойствами,
именуются гетаренами. Это весьма устойчивые соединения. В частности, энергия стабилиза¬
ции молекулы пиридина составляет 167 кДж/моль, то есть больше, чем для молекулы бензола.» от 6 "С"N' N'W N N Nпиридин пиридазин пиримидин пиразин триазинбтг-электронная конфигурация гетаренов может быть реализована за счет двух р-элект¬
ронов неподеленной электронной пары гетероатома гетероцикла и р-электронов четырех sp2-
гибридных атомов углерода. Такую электронную конфигурацию имеют пятичленные арома¬
тические гетероциклы фуран, тиофен, пиррол и их гетероаналоги (оксазол, пиразол, имидазол,
тиазол и др.), образованные заменой $р2-гибридных атомов углерода на атом азота.О SIнфуран тиофен пирролО Q О QI Iн ноксазол тиазол имидазол пиразолИзвестно, что энергия стабилизации плоской молекулы фурана, обусловленная аро¬
матической связью, составляет 67 кДж/моль, пиррола — 100 кДж/моль, тиофена —
115 кДж/моль.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ301NIНNNXTNиндолхинолинNакридинNNIНпуринN NптеридинГА.N::nК гетаренам относятся также конденсированные ароматические ге¬
тероциклы, образованные сочленением гетероцикла с одним или не¬
сколькими бензольными кольцами (индол, хинолин, акридин), либо с
другим гетероциклом. Так, в молекуле пурина сконденсированы коль¬
ца имидазола и пиримидина, а гетарен птеридин образован из пирими¬
динового и пиразинового колец.В качестве типичных примеров на рис. 20.10 представлены шаро¬
стержневые модели пиримидина и пурина.В качестве еще одного примера, иллюстрирующего справедливость
правила Хюккеля, можно назвать молекулу порфина, входящего в со¬
став гема (играет важную роль в процессе дыхательного обмена) и в со¬
став хлорофилла (обеспечивает фотосинтез). Эта молекула имеет своей основой четыре пир-
рольных кольца и содержит восемнадцать обобществленных 71-электронов: Ап + 2, п = 4.ННNпорфинпиримидин пуринРис. 20.10. Шаростержпевые модели молекул пиримидина и пурипа.Молекула порфина плоская и обладает очень большой энергией стабилизации — свыше 1000
кДж/моль.20.1.7. АлкиныКомбинация 2s- и 2р-орбиталей атома углерода дает две зр-гибридные орбитали, проти¬
воположные одна другой, то есть расположенные на одной оси. Негибридизированные 2ру-
и 2р2-орбитали перпендикулярны одна другой и оси sp-гибридных орбиталей. Между sp-гиб-
ридными атомами углерода возникает тройная связь, состоящая из одной о-связи и двух
я-связей. После насыщения двух оставшихся $р-гибридных орбиталей атомами водорода об¬
разуется молекула ацетилена С2Н2, в которой все атомы лежат на одной прямой. Наличие
двух я-связей приводит к сокращению расстояния между углеродными атомами до 1,2 А.
302ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVН-ОС-Н R-C=Nацетилен нитрилыГомологический ряд ацетиленовых углеводородов — алкинов описывается формулой
С„Н2„_2, а названия отдельных представителей этого ряда образуют заменой окончания ан в
соответствующих алканах на окончание ин.Кроме алкинов, тройную связь включают в себя еще и нитрилы — соединения, содержа¬
щие связанные между собой яр-гибридные атомы углерода и азота.Таким образом, все основные разновидности органических соединений по строению уг¬
леродного скелета с учетом гибридизации атомов можно классифицировать в соответствии
со следующей схемой:20.2. Изомерия и номенклатура органических соединений...а в порыве к асимметрии, к неравенству,
слышится мне вопль по настоящей свободе.В. Набоков
20.2.1. Структурная изомерияПри отнятии от молекулы алкана одного водородного атома получается остаток, назы¬
ваемый алкильным заместителем (радикалом*). Таким образом из метана можно получить* Термин «алкильный радикал» не следует путать с понятием «свободный алкильный радикал», относящий¬
ся к частице с неспареиным электроном (см. разд. 20.3.1).
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ303радикал метил, из этана — этил и т. д. Радикалы можно создать и из циклоалканов, напри¬
мер, — циклопропил, циклогексил. В общем случае алкильные и циклоалкильные радикалы
обозначают буквой R.В случае метана и этана можно получить лишь по одному радикалу, так как атомы водо¬
рода равноценны. Говоря о неравноценности углеродных атомов, их классифицируют по
числу связанных с ними углеродных же атомов на первичные, вторичные, третичные и чет¬
вертичные. Так, в молекуле пропана имеется два типа углеродных атомов — первичные, по
концам цепи, и вторичный — посредине.перв. перв.СН3-СН2-СН3 СН3-СН2-СН2- СН3-СН-СН3втор. Iпропан пропил изопропилПропану поэтому отвечает два алкильных радикала — пропил и изопропил.Соединению состава С4Н8 соответствуют два вещества. В одном из них углеродная цепь
линейна, это нормальный бутан (н-бутан). В другом, изобутане, углеродный скелет развет¬
вляется. н-бутан и изобутан являются изомерами.сн3-сн2-сн2-сн3 сн3-сн-сн3
сн3w-бутан изобутанИзомерами называют вещества, одинаковые по составу и молекулярной массе, но раз¬
личающиеся природой или последовательностью связей между атомами и расположением
их в пространстве и вследствие этого — по физико-химическим свойствам. Существуют сле¬
дующие типы изомерии: структурная и пространственная (стереоизомерия).Структурная изомерия — это тип изомерии, обусловленный различным взаимным рас¬
положением атомов в молекулах. Структурные изомеры существенно различаются между
собой физическими и химическими свойствами. Различают изомерию углеродного скеле¬
та и изомерию положения.Изомерия бутана — простейший случай изомерии цепи (углеродного скелета) в ряду
алканов. Она обусловлена способностью атомов углерода образовывать как прямые (нор¬
мальные)> углеродные цепи, так и разветвленные цепи с разной степенью раветвления. Впер¬
вые изобутан синтезировал великий создатель теории строения органических соединенийА. М. Бутлеров в 1866 году.Из н-бутана можно произвести два радикала — нормальный и вторичный бутилы. Изо¬
бутану также отвечают два радикала — изобутил и третичный бутил. Два из них типичны для
природных структур, так как втор-бутил присутствует в аминокислоте изолейцине, а ами¬
нокислота лейцин содержит изобутильный радикал.сн3-сн2-сн2-сн2- сн3-сн2-сн-сн3w-бутил втор-бутилIсн3-сн-сн2- сн3-с-сн3
сн3 сн3изобутил трет-бутил
304ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫСемейство пентильных радикалов С5НИ, которые можно получить из трех изомерных
пентанов, насчитывает восемь представителей.СН3IСН3-СН2-СН2-СН2-СН3 СН3-СН2-СН-СН3 сн3-с-сн3
сн3 сн3С увеличением длины цепи число изомеров в ряду алканов бы¬
стро возрастает. Так, углеводороду С20Н42 отвечает уже 366 319
изомеров, а углеводороду С30Н62 — 4 111 846 788 изомеров. Эти
изомеры отличаются порядком связей, образующих скелет моле¬
кулы, и их называют изомерами углеродного скелета.В случае циклоалканов изомерия углеродного скелета может
быть обусловлена различным числом атомов углерода в кольце,
примером чему могут служить циклогексан и метилциклопентан.ОСоответствующие углеводородные радикалы могут быть полу¬
чены также и из непредельных углеводородов. Названия некото¬
рых из них приведены ниже.СН2=СН-СН2- сн2=с-сн3 -сн=сн-сн3винил аллил изопропенил кротилИз их числа винильный радикал входит в состав гемоглобина, в его гемовую часть, а ал-
лильный характерен для ряда растительных веществ, обладающих бактерицидным действи¬
ем, — фитонцидов, продуцируемых луком, чесноком, горчицей и другими растениями. На¬
звание аллил происходит от лат. allium — лук, чеснок.Для алкенов и алкинов, кроме изомерии скелета, характерна изомерия положения крат¬
ной связи, что иллюстрируется изомерными бутенами (изомерия скелета и положения) и
бутинами (изомерия положения).изомерные бутеныСН2=СН-СН2-СН3 СН3-СН=СН-СН3 сн2=с-сн3' ' ' ' ■ ' сн3изомеры положения изомеры скелетаизомерные бутинысн=с-сн2-сн3 сн3-с=с-сн3Изомерия положения обусловлена различным положением заместителей, функциональ¬
ных групп или кратных связей в молекулах органических веществ одинакового состава.В ряду аренов изомерия положения проявляется в том, что алкильные заместители бо¬
ковых цепей могут занимать различные взаимные положения в цикле.Гомологи толуола — орто-, мета- и пяря-диметилбензолы (орто-, мета-, пара-ксилолы,
или проще — о-, м-, п-) являются изомерами положения, по отношению к которым этилбен-А. М. Бутлеров
(1828-1886)сн2=сн-
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ305зол является изомером скелета. При этом обозначении орто- соответствует соседнему рас¬
положению заместителей, термин пара — когда они взаимно противоположны, мета — если
заместители разделены одним атомом углерода бензольного кольца. Соответствующие на¬
звания получают и радикалы, образованные из ароматических соединений. Из их числа от¬
дельно следует отметить бензильный радикал, входящий в состав фенилаланина — амино¬
кислоты белков. Ароматические радикалы именуются арильными и обозначаются Аг.СН3Iсн2QэтилбензолСН3 СН3 СН'з^СН, Ж ^о-,м- и и-ксилолысн.толуолСН,О Обензило-толилСН,ж-толилСН,Qи-толилНесколько иначе принято именовать изомерные нафталины и соответствующие им ра¬
дикалы.СН30®~а-метилнафталин р-метилнафталинУ органических соединений, содержащих гетероатомы, изомерия положения может быть
обусловлена расположением гетероатома как в цепи, так и в кольце. В качестве простейших
примеров изомеров положения в ряду нециклических производных можно назвать этило¬
вый спирт СН3СН2ОН и диметиловый эфир СН3ОСН3, которые в данном случае являют¬
ся примерами межклассовой изомерии.Примерами изомеров положения в ряду гетаренов являются упомянутые выше пиразол
и имидазол, а также пиридазин, пиримидин и пиразин.Радикалы гетаренов производятся по тому же принципу, что и прочие. В качестве пр'
мера ниже изображены радикалы фурана и пиридина.
306ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVа-фурил p-фурил а-пиридил p-пиридил у-пиридилЕсли изомеры различаются между собой только расположением атомов и групп атомов
в пространстве, то говорят о пространственной изомерии (стереоизомерии). Эти отличия
обусловлены либо различной конфигурацией, либо различной конформацией молекул.
Конфигурационные изомеры — это изомеры с различным пространственным расположе¬
нием атомов или групп атомов в пространстве без учета возможных конформаций. Кон-
формационные изомеры — это стереоизомеры, различие которых обусловлено поворотом
отдельных участков молекул вокруг одинарных связей (см. разд. 20.1.2). В отличие от кон¬
фигурационных, конформационные изомеры редко выделяются в индивидуальном виде
и обнаруживаются только физико-химическими методами. Стереоизомерия делится на оп¬
тическую и геометрическую.20.2.2. Оптическая изомерияОптическая изомерия наблюдается у веществ, проявляющих оптическую актив-
ность, т.е. способных вращать плоскость поляризации света в ту или другую сторону. Со¬
ответственно различают правовращающий или (+)-изомер и левовращающий (-)-изомер.
Оптическая изомерия обычно (но не всегда) характерна для зр3-гибридных атомов, каким
чаще всего является углерод. Если такой атом связан с четырьмя различными атомами или
различными группами атомов, то возникают изомерные пары, в которых молекулы изоме¬
ров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся
между собой предмет и его зеркальное изображение.Атом углерода, имеющий четыре разных заместителя, называют асимметрическим и
обозначают С*. Молекулу, в целом не обладающую симметрией, называют хиральной — от
слова трос, что означает по-гречески рука — образец несимметричной фигуры (рис. 20.11).В качестве простейшего примера хиральной молекулы можно назвать молекулу бутана,
в которой при одном из вторичных атомов углерода водород заменен на дейтерий.Зеркальные стереоизомеры — антиподы — принято называть энантиомерами.В качестве другого примера на рис. 20.12 представлены пространственные модели энан-
тиомеров фторхлорбромметана.Рис. 20.11. Левая и правая руки (пример асимметричной фигуры).
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ307энантиомерыС1Вг НС1F~>
НВг1бРис. 20.12. Эиаптиомеры фторхлорбромметапа:
а — пространственные модели, б — шаростержневые модели.Явление оптической изомерии, как свойство асимметрического углеродного атома, было
объяснено в 1874 г. Вант-Гоффом и Ле-Белем. Возможность существования атома углеро¬
да в тетраэдрической конфигурации до этого высказал А. М. Бутлеров.В отличие от структурных изомеров энантиомеры идентичны один другому в большин¬
стве своих свойств, вследствие чего их разделение оказывается затруднительным. Смесь
энантиомеров, именуемая рацемической смесью или рацематом, является оптически не¬
активной.Энантиомеры отличаются только теми свойствами, которые проявляются у них под вли¬
янием физических или химических воздействий, асимметричных по своей природе. Этим
объясняется диаметрально противоположное взаимодействие энантиомеров с поляризован¬
ным светом. Кристаллы энантиомеров, как правило, являются зеркальными антиподами.
Пользуясь различием физических свойств, а именно — асимметрией кристаллов энантиоме¬
ров, Л. Пастер впервые сумел разделить изомеры оптически активных солей винной кислоты
(см. разд. 32.1.2).Энантиомеры различаются некоторыми химическими свойствами — взаимодействием с
веществами, которые в свою очередь являются хиральными. Прежде всего следует отметить
взаимодействие субстрата с ферментами, молекулы которых являются хиральными.Немецкий химик Э. Фишер высказал в конце прошлого века гипотезу, что специфич¬
ность биологического действия того или иного соединения определяется его структурно¬
пространственным соответствием ферменту, с ним взаимодействующему. Такую стереоспе¬
цифичность взаимодействия он уподобил соответствию между ключом и замком. Эта идея
впоследствии развилась в концепцию активного центра фермента, объясняющую биологи¬
ческое действие стереоспецифическим контактом хиральных участков субстрата и фермен¬
та. В таком контакте должны принимать участие по крайней мере три из четырех замести¬
телей асимметрического атома углерода.
308ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVНиже схематически представлен случай, когда конфигурация энантиомера не соответст¬
вует конфигурации активного центра фермента и, следовательно, стереоспецифический
контакт между ними невозможен.Этим и объясняется тот факт, что в живой природе хиральные соединения представле¬
ны, как правило, лишь одной стереоизомерной формой. На основании такого рода наблю¬
дений Пастер еще в 1860 г. высказал предположение, что «асимметрия молекулярного стро¬
ения, быть* может, образует единственную четкую границу, разделяющую химию живой и
неживой природы».Множество биообъектов также асимметрично, а следовательно может существовать в
виде левых и правых модификаций, называемых биологическими изомерами.Еще Пастером было показано, что клетки организмов построены преимущественно из
хиральных молекул аминокислот, белков, рибо- и дезоксирибонуклеиновых кислот и углево¬
дов, которые принадлежат только к одному виду стереоизомеров. Эта фундаментальная чер¬
та живых клеток была названа Пастером диссимметрией протоплазмы (в общем — диссим-
метрией жизни). При изучении встречаемости биообъектов было установлено, что в одних
случаях преобладают D-, в других L-формы, в третьих они представлены одинаково часто.
Так, из 204 видов сосудистых растений 93% видов относятся к L-типу по ассиметричному
признаку винтообразных утолщений стенок сосудов, 1,5% имеют D-ход стенок сосудов, а ос¬
тальные принадлежат к рацемической разновидности, у которой содержание биологических
изомеров приблизительно одинаково.Различие в распространении D- и L-биообъектов вызвано различиями химических
свойств хиральных биомолекул. Известно, к примеру, что возбуждающее влияние L-ами-
нокислот на движение плазмы в растительных клетках во много раз превосходит такое же
действие их D-изомеров. Многие антибиотики, содержащие в своем составе фрагменты D-
аминокислот, обладают большей бактерицидной активностью, нежели их формы с L-ами-
нокислотами. Поэтому неудивительно, к примеру, что винтообразные L-корнеплоды са¬
харной свеклы тяжелее и содержат больше сахара, чем L-корнеплоды.Правизна или левизна биобъектов может быть наследственной, ненаследственной или
имеет характер длительной модификации. Это означает, что по крайней мере в ряде случа¬
ев правизну-левизну организмов и их частей можно изменить действием химических соеди¬
нений. В частности, D-штаммы (по морфологии колоний) микроорганизма Bacillus inycoides
при выращивании их на агаре с D-сахарозой можно превратить в L-штаммы, а L-штаммы,
наоборот, можно превратить в D-штаммы, выращивая их на агаре с L-аминокислотами. В ре¬
зультате подобных ассиметрических воздействий, происходивших без участия человека, воз¬
никли многочисленные эволюционные ряды симметрии, специфичные для тех или иных
ветвей древа жизни.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ309То, что сейчас ведутся активные поиски оптически активных веществ вне Земли, — яв¬
ление не случайное; их обнаружение послужит подтверждению гипотезы о существовании
внеземной жизни.Молекулы углеводородов, а также других органических веществ могут содержать не один
асимметрический атом углерода. Более того, асимметричным может быть не только углерод¬
ный атом. Асимметричным, в частности, может быть атом азота, имеющий три неодинако¬
вых заместителя — четвертым является неподеленная электронная пара. В случае азота,
однако, легко происходит инверсия, или выворачивание молекулы, поскольку энергия ак¬
тивации этого процесса невысока. Инверсия атома азота приводит к тому, что энантиомеры
аминов легко переходят друг в друга.Максимально возможное число оптических изомеров какого-либо хирального вещества
равно 2”, где п — число асимметрических центров в его молекуле. К примеру, молекула хо¬
лестерина (см. гл. 36.2) содержит 8 хиральных центров, а следовательно ей отвечает 28, т. е.
256 оптических изомеров. Нетрудно понять, что далеко не все из них являются энантиоме-
рами. Стереоизомеры, не относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному изоб¬
ражению, и имеющие различные физические и химические свойства называют диастере¬
омерами (подробнее о них см. гл. 27.2). Природный холестерин является единственным из
всех возможных стереоизомеров.Очевидно, что и биологические изомеры могут быть представлены большим, нежели
два, числом в зависимости от числа ассиметрических элементов в их структуре. Так, для
листа липы имеется 4 ассиметрических фактора или 4 морфологических признака:
преимущественные ширина и длина, жилкование и загиб главной жилки. Так как каждый
из факторов может проявляться двояко, в (+)- или (-)-формах, D- или L-модификациях,
то общее число возможных модификаций со¬
ставляет 24 = 16 (рис. 20.13).Следствием стереоселективности взаимо¬
действия живого с оптическими изомерами
является, в частности, различие в терапевти¬
ческой активности энантиомеров оптически
активных лекарственных веществ. Более фи¬
зиологически активный из них принято на¬
зывать эвтомером, а другой — дистомером.При этом следует учесть, что в настоящее вре¬
мя 40% лекарственных веществ являются хи-
ральными соединениями. Между тем, лишь
ничтожная часть из них представлена индиви¬
дуальными энантиомерами. Это означает, что
составляющий 50% препарата неактивный ди-
стомер может в лучшем случае представлять
собой ненужный балласт. Между тем, энанти¬
омеры могут обладать в принципе различаю¬
щимся фармакологическим действием.Так, анальгетический препарат дарвон —
это эвтомер, а его дистомер известен как лекар¬
ство против кашля. Другой пример различия в
биологической активности — пестицид пакло-
бутразол. Один из его стереоизомеров пред¬Рис. 20.13. Лист липы, существующий
в 16 модификациях.
310ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVставляет собой фунгицид, а другой — сильный гербицид. Известны более сложные ситуации.
Трагична история применения в медицине транквилизатора талидомида, использование
которого беременными привело к тысячам случаев уродств у новорожденных, так как дис-
томер, присутствовавший в равных количествах в препаратах, обладает тератогенным (вы¬
зывающим уродства) действием.Существует проблема хиральной чистоты окружающей среды. Производя множество
хиральных веществ без их разделения и очистки, промышленность постепенно приводит к
загрязнению среды обитания такими препаратами, последствия чего пока трудно оценить.Более подробно вопросы оптической изомерии будут рассмотрены далее при обсужде¬
нии свойств биомолекул.20.2.3. Геометрическая изомерияГеометрическая изомерия характерна для замещенных циклоалканов и алкенов. Она
обусловлена тем, что в молекулах этих веществ свободное вращение атомов вокруг ст-связей
(у циклоалканов и их гетероциклических аналогов) и относительно двойных связей (у ал¬
кенов, я-диастереомеры) оказывается невозможным.сн3 н сн3 сн3 сн3Н^СНз Ж ЖСН1транс- цис- транс-6утены-2 1,2-диметилциклопропаныЭта стереоизомерия имеет место при наличии у атомов углерода, образующих цикл или
двойную связь, двух заместителей. Такие заместители могут располагаться как по одну сто¬
рону плоскости цикла или кратной связи (^wc-изомеры), так и по разным сторонам этой
плоскости {транс-изомеры). Например, существуют цис- и транс-изомеры бутена-2, а так¬
же цис- и транс-изомеры 1,2-диметилциклопропана.В общем случае, когда у атомов углерода, связанных двойной связью, имеется любой на¬
бор замнестителей, применяется Е, Z-система обозначений. Изомер, у которого старшие за¬
местители находятся по одну сторону плоскости двойной связи, обозначается Z, по разные
стороны — Е.Вследствие того, что расстояния между одинаковыми атомами в молекулах той или иной
пары геометрических изомеров различны, последние существенно различаются своими хи¬
мическими и физическими свойствами. Они могут быть разделены и существовать индиви¬
дуально.Должны быть различными и физиологические свойства цис- и транс-изомеров. Напри¬
мер, известный фитотоксин (яд для растений) — коричная кислота — оказывает свое фи¬
зиологическое действие в ф/с-изомерной форме. 7ранс-коричная кислота не является фи¬
тотоксином.Все непредельные жирные кислоты липидов (примеры — олеиновая и линолевая кисло¬
ты) принадлежат к г^ис-изомерам, независимо от длины углеводородной цепи и количества
в ней кратных связей. Наличие именно цис-изомеров жирных непредельных кислот в составе
липидов объясняется существенной разницей в химических свойствах между ними и их
транс-изомерами. Оказывается, молекулы транс-изомеров в составе клеточной мембраны
настолько сближены, что они не способны подвергаться окислению. Между тем, способностьсн3 сн3
>=<
н нцис-
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ311к окислению составляет важное свойство липидов, и объясняется оно легкой окисляемос-
тью цис-изомеров.С6Н5 соонннСН3(СН2)7 (СН2)7СООНн н^ис-коричная кислотаС6н5 н
>=<н соонтрамс-коричная кислотаолеиновая кислотаСН3(СН2)4
>СН2 (СН2)7СООН
< >=<н н н нлинолевая кислотаОНПримером биохимически значимого явления цис-
пгранс-изомерии циклоалканов может служить молекула
шестиатомного спирта инозита, который имеет набор из
8 геометрических изомеров, однако в природе наиболее
распространен один из них, называемый миоинозитом.Другой пример — явление стереоизомерии инсекти¬
цида гексахлорциклогексана (сокращенно гексахлорана),
который также может иметь 8 изомеров. Они различают¬
ся между собой токсичностью по отношению к человеку и инсектицидным действием. Один
из них — линдан — наименее токсичен и обладает максимальным инсектицидным эффектом.Еще один пример. Молекула кокаина оказывает примерно в 85 раз более сильное нарко¬
тическое действие, чем молекула ее стереоизомера псевдокаина.миоинозитСН3ООС ОСОС6Н5\СН3
кокаинпсевдококаинБарьер вращения вокруг кратной связи (связанный с необходимостью разрыва тг-связи)
должен быть значительно выше барьера вращения вокруг одинарной связи в алканах. Дей¬
ствительно, для этого требуется около 80-100 кДж/моль. Такая энергия активации препят¬
ствует цис-транс-изомериому переходу при невысоких температурах.Однако цис-транс-изомеризация в ряду алкенов — обычное явле¬
ние при нагревании или при воздействии света. Фотоизомеризация
цис-транс-алкенов имеет важное физиологическое значение. В ча¬
стности, световое превращение фумаровая кислота — малеиновая
кислота является метаболическим процессом. Его нарушение при
дефиците ферментов вызывает трудно излечимое кожное заболева¬
ние псориаз.нооссоон>==<н1нIIноос\.н,//-лнсоон
312ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫЦис-транс-фотоизомеризация лежит в основе фоторецепции. Одного кванта видимого
света достаточно, чтобы молекула пгранс-ретингля — вещества, находящегося в зрительном
рецепторе, превратилась в цис-изомер.Это вызывает каскад последующих биохимических превращений, в результате чего и
формируется соответствующий нервный импульс. В дальнейшем происходит обратная изо¬
меризация, и молекула транс-ретиналя снова готова к световому воздействию.На рис. 20.14 представлены молекулярные модели цис- и транс-ретиналя.Таким образом, стереоизомерия (оптическая и геометрическая) играет важную биохи¬
мическую роль.транс- ретиналь ^мс-ретинальРис. 20.14. Пространственные модели геометрических изомеров ретиналя.Следует помнить, что в действительности биомолекулы представляют собой достаточ¬
но сложные структуры, которые могут иметь широкий набор хиральных центров, кратных
связей и колец. Это в какой-то мере можно продемонстрировать с помощью молекулы ци-
нерина, продуцируемой некоторыми растениями и являющейся инсектицидом.В молекуле цинерина может иметь место и цис-транс-изомерия относительно цикла и
кратной связи, и оптическая изомерия (хиральные центры отмечены звездочками). Одна¬
ко природный цинерин представлен единственной стереоизомерной формой.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ31320.2.4. Номенклатура органических соединенийСпособность атомов углерода и гетероатомов принимать различную гибридизацию и об¬
разовывать многообразные комбинации, неограниченная гомология углеводородов и гете¬
роциклов, а также их производных, различного рода изомерия, — все это приводит к суще¬
ствованию множества типов органических веществ.При изучении органической химии необходимо ориентироваться в разнообразии орга¬
нических соединений, для чего следует овладеть основными принципами их номенклатур¬
ного упорядочения.В настоящее время в органической химии используются различные, основанные на разных
принципах, названия веществ. Во многих случаях химики до сих пор предпочитают исполь¬
зовать условные «тривиальные» наименования веществ; происхождение этих названий но¬
сит случайный характер. Некоторые соединения названы по природному источнику, из кото¬
рого их выделили или на основе которого синтезировали, — например, муравьиная кислота,
лимонная кислота, мочевина, фруктоза. В этих названиях отражается физиологическое дей¬
ствие веществ или их физические свойства: например, глюкоза названа так за сладкий вкус,
азулен — за голубую окраску, названия кубан и призман присвоены углеводородам за форму
их молекулы. Тривиальные названия не определяют структуру вещества, однако они употреб¬
ляются как по традиции, так и ввиду того, что строго построенные систематические названия
оказываются слишком громоздкими для частого практического употребления.В связи с быстрым ростом числа органических веществ, ставших известными науке, воз¬
никла необходимость в определении логических принципов построения их наименований.
Как следствие этого, уже в прошлом веке наметились принципы рациональной номенклату¬
ры органических соединений. Эта номенклатура предусматривает сохранение в прежнем виде
названий лишь простейших представителей тех или иных классов органических соединений;
во всех остальных случаях за основу наименования молекулы берется название ее основного
структурного узла с прибавлением названий радикалов, с ним связанных. В соответствии с
этим, основным узлом разветвленного алкана считается метановый атом углерода, а основным
узлом алкенов и алкинов — молекула этилена и ацетилена, соответственно. В случае аренов
названия производятся от названия ключевого цикла — бензола, нафталина и т.д. По тому же
принципу производятся и названия гетаренов, а также названия производных углеводородов,
содержащих кислород, серу, азот (спирты, эфиры, амины и др.).При перечислении заместителей первыми называются простейшие радикалы. Гречески¬
ми буквами а и (3 обозначается положение заместителей при двух разных атомах углерода
в этиленовом фрагменте.Положение заместителей в бензольном кольце определяется приставками орто-, мета-
или пара-, а в нафталиновом — так же, как и в гетероциклическом ряду, буквами а и (3.В качестве примеров приведены рациональные названия изомеров гексана и бутена
(рис. 20.15).Рациональная номенклатура оказалась удобной для простейших производных, и в этих
случаях ею пользуются по-прежнему. Однако для сильно разветвленных молекул с длинны¬
ми углеводородными цепями она неприменима, поскольку выбор основного узла становится
произвольным и подобрать названия примыкающих к нему заместителей затруднительно.Большинства этих недостатков лишена международная номенклатура, иначе — но¬
менклатура ИЮП АК*, главное условие и достоинство которой можно сформулировать сле-* ИЮПАК(ШРАС) — Международный Союз по Чистой и Прикладной Химии (International Union of Pure р 4
Applied Chemistry).
314ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫСН3СН2СН2СН2СН2СН3СН3СНСН2СН2СН3СНзн-гександиметилпропилметанСНзСНзСНзСН2СНСН2СНзСН3СНСНСН3СН3ССН2СН3СНзСНзСНзметилдиэтилметандиметилизопропилметан триметилэтилметанцис- транс-СНзСНзННэтилэтилена,р-диметилэтилена,а-диметилэтиленРис. 20.15. Примеры названий соединений по рациональной номенклатуре.дующим образом — одной формуле соответствует одно и только одно название. Принципы
этой номенклатуры универсальны и равно применимы к любой органической молекуле, как
простой, так и сложной.Следуя этим принципам, необходимо прежде всего выбрать все имеющиеся в соединении
функциональные группы и определить среди них главную (старшую). Только она указывается
в суффиксе названия, все остальные помещаются в префиксе (приставке, предшествующей наи¬
менованию цепи). Порядок старшинства основных функциональных групп указан в табл. 20.1.Название старшей группы является определяющим для названия всего соединения в це¬
лом, поскольку именно она указывает на принадлежность молекулы к определенному хими¬
ческому классу.Далее необходимо выбрать основную углеводородную цепь.Основная цепь должна отвечать следующим критериям:- обязательно включать в свой состав главную группу или атом углерода, к которому она
присоединена;- включать максимально возможное число имеющихся в молекуле кратных связей;- при выполнении двух вышеперечисленных условий быть наиболее длинной.Необходимо обратить внимание на следующие моменты:- при наличии в молекуле более чем одной главной группы выбирают неразветвленную
цепь, содержащую наибольшее число таких групп;- критерий наибольшей ненасыщенности является приоритетным, т.е. основная цепь не
обязательно должна быть наиболее длинной.После выбора основной цепи ее нумеруют таким образом, чтобы атом углерода, несущий
старшую группу, ймел наименьший возможный номер. В том случае, если это правило не по¬
зволяет сделать соответствующий выбор, решающими для выбора наименьшего номера яв¬
ляются:
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ315Таблица 20.1Важнейшие классы органических соединений, перечисленные
в порядке падения старшинства функциональных групп.Классы соединений1Кислоты в следующем порядке: RC02H, их S-производные, сульфоновые, сульфи-
новые кислоты.2Производные кислот в следующем порядке: ангидриды, сложные эфиры, ацилга-
логениды, амиды, гидразиды, имиды.3Нитрилы (цианиды).4Альдегиды, их S-аналоги, их производные.5Кетоны.6Спирты, фенолы, S-аналоги спиртов, сложные эфиры спиртов с неорганическими
кислотами (кроме галогеноводородных), производные фенолов.7Амины, имины, гидразины.- суммарная ненасыщенность;- двойные связи;- тройные связи;- префиксы в порядке перечисления (по алфавиту).Отметим, что здесь, как и во всех остальных случаях, двойная связь старше тройной.При составлении окончательного названия предварительно именуют цепь, используя
греческие числительные, указывающие число атомов углерода в ней (пента-, гекса- и т.д.*),
добавляют суффикс главной функциональной группы и перечисляют в префиксе другие за¬
местители в алфавитном порядке.Названия основных функциональных групп, используемые номенклатурой ИЮПАК,
приведены в таблицах 20.2 и 20.3.Очевидно, что как заместителям в префиксе, так и суффиксу главной группы**, должен
предшествовать локант (цифра, реже — буква греческого алфавита), указывающий атом уг¬
лерода цепи, к которому они присоединены.Таблица 20.2Названия некоторых групп, указываемых только в префиксах.ГруппаНаименованиеГруппаНаименование-Вгбром-N,азидо-С1хлор-NOнитрозо- Fфтор1Онитро-Iиод-ORR-окси= n2диазо-SRR-тио* Для цепей, состоящих из двух и трех атомов углерода, сохранены тривиальные названия — «эт» и «проп»,
соответственно.** В данном случае допускается указывать локант после суффикса.
316 ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ [Ч. IVТаблица 20.3Принятые ИЮПАК обозначения важнейших функциональных групп.КлассФормулаНазвание
в префиксеНазвание
в суффиксеКарбоновые кислоты-СООНкарбокси-- овая кислотаСульфоновые кислоты-S03Hсульфо-- сульфоновая кислотаСложные эфиры-COORR-оксикарбонил-R...Kap6oKcmiaTАцилгалогениды- COHalгалоформил-- оилгалогенидАмиды- CONH2карбамоил-- амидНитрилы-CNциано--карбонитрилАльдегиды-СОНформил-,оксо-- карбальдегид,
- альКетоны-CORоксо-- онСпирты-ОНгидрокси-- олТиолы-SHмеркапто-- тиолАмины-nh2амино-- аминИмины= NHимино-- иминЕсли в соединении присутствует несколько одинаковых групп, это указывается умножа¬
ющей приставкой (ди-, три- и т.д.), при этом количество локантов перед ней должно соот¬
ветствовать числу заместителей.Необходимо отметить, что для некоторых классов органических соединений приведен¬
ные выше общие правила требуют уточнения.Так, например, в том случае, когда главная функциональная группа присоединена к цик¬
лу, предварительно называют циклическую систему (см. соответствующие разделы учебни¬
ка), далее нумеруют ее. При этом наименьший номер должен иметь гетероатом (если он име¬
ется), далее — углеродный атом, связанный с главной группой, и только после этого — атомы,
связанные с другими атомами и группами.Нельзя не упомянуть, что в данной главе правила номенклатуры ИЮПАК даны в не¬
сколько упрощенном варианте. Тем не менее, даже этих указаний вполне достаточно для
правильного наименования подавляющего большинства органических молекул.В частности, в качестве примера приведем определенные по международной номенкла¬
туре названия углеводородов, которые выше были названы рациональным способом: н-гек-
сан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,3-диметилбутан, 2,2-диметилбутан, бутен-1, цис-бу-
тен-2, транс-бутен-2, 2-метилпропен.20.3. Свойства, получение и применение углеводородов20.3.1. Химические свойства алканов и циклоалкановВ обычных условиях алканы, как правило, химически инертны, так как a-связи С-Н и
С-С в этих соединениях весьма прочны. В связи с этим вещества этого класса называют еще
парафинами — отрагит — мало + affinis — сходство, родство (лат.). В мягких условиях про¬
текает лишь небольшое число реакций замещения атомов водорода на различные атомы и
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ317группы; обычно они осуществляются свободнорадикальным путем — это так называемые го-
молитические замещения.Галогенирование. Энергия связи углерод-фтор составляет 452 кДж/моль, что намного
превосходит тепловой эффект разрыва связей С-Н. Поэтому фторирование алканов проис¬
ходит чрезвычайно энергично. Чтобы эта реакция подвергалась контролю, применяют спе¬
циальные меры (разбавление фтора азотом, отвод тепла и пр.), среди которых наиболее
удачной мерой представляется фторирование алканов с помощью CoF3. Вещество это при
нагревании до 200 °С медленно выделяет фтор.С„Н2п+2 -&£&!-» C„F2n+2 + 2(и+1)НЕПолученные в результате фторирования фторуглеводороды негорючи, химически инер¬
тны и термостабильны. Они используются как смазочные масла, пригодные для использо¬
вания в весьма жестких условиях, как нетоксичные хладоагенты (фреоны) и т. п.Тепловой эффект хлорирования — 293 кДж/моль — значительно меньше эффекта фто¬
рирования, поэтому реакция эта идет только на свету; который играет роль инициатора.
Хлор последовательно замещает атомы водорода в алканах; примером может служить его
взаимодействие с метаном:1. СН, + С12 -> СН3С1 + НС1 2. СН3С1 + С12 -> СН2С12 + НС1хлористый метил хлористый метилен3. СН2С12 + С12 -> СНС13 + НС1 4. СНС13+ С12 -> СС14 + НС1хлороформ четыреххлористый углеродМеханизм хлорирования сходен с механизмом синтеза хлористого водорода и носит цеп¬
ной характер. На первой стадии, под действием кванта света происходит гомолитическая
диссоциация молекулы хлора:Cl: С1 —> 2 С1в (инициирование цепи).Радикалы С1* атакуют молекулу метана:СН4 + Cl*—> СН3* + НС1 (развитие цепи).Метальный радикал активно реагирует с молекулой хлора:СН3* -ь Cl: Cl —> СН3С1 + С1* (развитие цепи).В результате образуется радикал хлора и процесс начинается снова. При столкновении
двух свободных радикалов цепь обрывается.СН3* + С1* —> СН3С1 (обрыв цепи).Свободные радикалы — реальные частицы, промежуточный продукт тех или иных реак¬
ций. Однако они существуют очень короткое время. Так, период полураспада метильного ра¬
дикала составляет 6-10~3 секунды.Используя специальные экспериментальные приемы и варьируя структуру заместите¬
лей, можно синтезировать свободные радикалы, достаточно долго существующие в обычных
условиях.Действие свободных радикалов связывают с механизмом канцерогенеза, лучевой болез¬
ни и с другими патологическими явлениями. Устойчивые свободные радикалы вводят сг.
циально в состав биологически активных молекул, чтобы проследить их распространение и
318ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVтрансформацию в живом организме. Свободные радикалы обладают парамагнитными свой¬
ствами, которые легко регистрируются физическими методами.Подобно метану могут хлорироваться и другие алканы. Полученные галогенпроизвод-
ные используются как хорошие растворители.Бромирование алканов происходит в очень жестких условиях; реакция с иодом не идет.Галогенирование циклоалканов. Аналогичным образом происходит галогенирование
пяти- и шестичленных циклоалканов, построенных без напряжения. Иначе ведут себя на¬
пряженные циклопропановые и циклобутановые углеводороды. Основой взаимодействия
циклопропана с галогенами является размыкание кольца, то есть разрыв высокоэнергети¬
ческих связей углерод-углерод, а не связей углерод-водород. Затем происходит присоеди¬
нение атомов галогена к атомам углерода по освободившимся валентностям.Хлорирование циклопропана частично сопровождается гемолитическим замещением.
Циклобутан гораздо устойчивее и присоединяет галогены не столь активно, как циклопро¬
пан, и доля продуктов замещения значительно возрастает.Таким образом, трех- и четырехчленные циклоалканы вступают в реакции присоедине¬
ния с размыканием кольца, причем, как это установлено, они присоединяют к себе не толь¬
ко галогены, но и галогеноводороды, а также водород. Так, циклопропан легко присоединяет
к себе HI и НВг и гидрируется в присутствии платинового, палладиевого или никелевого ка¬
тализаторов.Циклобутановые углеводороды присоединяют водород при сильном нагревании. Цик-
лопентан удается превратить в пентан лишь в очень жестких условиях (нагревание, давле¬
ние, катализатор), циклогексан вовсе не гидрируется.Итак, трех- и четырехчленные кольца термодинамически нестабильны. По этой причи¬
не они обычно не встречаются в живой природе. В том же случае, когда это имеет место, та¬
кие производные обладают обычно высокой биологической активностью вследствие их вы¬
сокой реакционноспособности.Так обстоит дело, например, для пиретроидов, содержащих в своем составе циклопропа-
новое кольцо. Пиретроиды — продуценты некоторых растений из семейства ромашек (пи¬
ретрум — ромашка по латыни), являющиеся инсектицидами. Вышеупомянутый цинерин —
типичный пиретроид.Другой пример природных соединений с малыми циклами — антибиотик пенициллин,
содержащий четырехчленное кольцо. В природе также редки семи-, восьмичленные и боль¬
ших размеров кольца, но здесь причина в другом, а именно, в энтропийном факторе — ма¬
лой вероятности замыкания колец из-за необходимости участия в этом процессе достаточ¬
но удаленных друг от друга заместителей. Таким образом, в природе обычно представлены
соединения с пяти- и шестичленными кольцами.Нитрование. Эта реакция известна под названием реакции Коновалова, открывшего ее
в 1888 году. Она происходит также по свободно-радикальному механизму под воздействи¬
ем разбавленной азотной кислоты при температуре 140 °С и повышенном давлении, приводяВгСН2—СН2—СН2ВгНВгВгСН2 —СН2—СН3
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ319к замещению атома водорода на нитрогруппу — N02, в результате чего образуются нитро-
алканы:R-H + H0N02 -> R-N02 + Н20.Свободные радикалы возникают в результате термического разложения азотной кислоты.Нитроалканы, среди которых наиболее ценным является нитрометан, используются как
растворители, как добавки к топливам, а также как полупродукт для синтеза взрывчатых ве¬
ществ. Они сильно токсичны.Сульфохлорирование. В эту реакцию алканы вступают на свету при совместном дей¬
ствии на них хлора и сернистого газа, в результате чего образуются алкилсульфохлориды.
Как и хлорирование, этот процесс имеет цепной свободнорадикальный механизм:1. С12 -» 2С1- 2. R-H + Cl- —> R* + НС13. R* + S02-> RS02- 4. RS02- + Cl2-> RS02C1 + CleалкилсульфохлоридГидролиз алкилсульфохлоридов в присутствии щелочи приводит к солям алкил сульфо¬
кислот — алкилсульфонатам, которые широко используются в качестве синтетических мо¬
ющих средств.RS02C1 + 2NaOH -> RS020Na + NaCl + H20.
алкилсульфонатЛучше всего моющий эффект проявляется у ал кил сульфонатов, содержащих в цепи 10-
18 атомов углерода. В промышленности сульфохлорированию обычно подвергается смесь
углеводородов состава С12-С18.Обнаружено, что синтетические моющие средства, содержащие цепочку с нечетным чис¬
лом атомов углерода, не усваиваются микроорганизмами и загрязняют окружающую среду.
В этой связи алкилсульфонаты стремятся заменять биологически более «мягкими» веще¬
ствами — то есть веществами, разлагающимися под влиянием бактерий в природных усло¬
виях.В реакциях галогенирования, нитрования и сульфохлорирования разветвленных алканов
и циклоалканов одновременному замещению подвергаются атомы водорода при атомах угле¬
рода с различной степенью замещения, что приводит к образованию сложной смеси продук¬
тов замещения. Установлено, что замещение происходит преимущественно при третичном
атоме углерода; первичный атом углерода менее активен. Объясняется это тем, что величина
энергии связи атома водорода с первичным, вторичным и третичным атомами углерода раз¬
лична — она равна соответственно 418, 394 и 377 кДж/моль, что способствует образованию
свободного радикала по третичному атому углерода.Крекинг. При нагревании алканов до 400-600 °Сих молекулам сообщается энергия, до¬
статочная для того, чтобы произошел гемолитический разрыв связей углерод-углерод. Об¬
разующиеся при этом радикалы диспропорционируют. Это происходит в основном за счет
того, что один из них отдает другому атом водорода, в результате чего образуются молеку¬
лы алкена и алкана. Например:СН3СН2СН2СН3-> СН3СН2* + -сн2сн3 -> СН2= СН2 + СН3СН3,а в общем виде:C„H2n+2-> СИН2,„ + С,Н2р+2, т+р = п.
320ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVПрименение катализаторов снижает необходимую для крекинга температуру, а разрыв
связей в алканах может протекать не только по гемолитическому, но и по гетеролитическому
механизму.Крекинг сопровождается частичной изомеризацией, при которой из н-алканов образуют¬
ся энергетически более устойчивые изоалканы. При крекинге частично разрушаются не
только связи углерод-углерод, но и более прочные связи углерод-водород, следствием чего
является дегидрирование в алкены или циклоалканы и ароматизация в арены.Подбором условий (температура, катализатор) можно добиться преимущественной ак¬
тивизации любого из названных здесь процессов.Окисление. В обычных условиях алканы и циклоалканы устойчивы к действию кисло¬
рода и окислителей. Однако при поджигании их на воздухе они сгорают до углекислого газа
и воды, причем сгорание происходит с выделением большого количества тепла — почти
50 ООО кДж на 1 кг топлива. Поэтому алканы и циклоалканы уже давно используются в этом
качестве.Бензин — смесь жидких углеводородов состава С6-С10, кипящая при температуре до 180 °С.
В состав бензина входит свыше ста компонентов из числа изомерных алканов и циклоалканов.
Бензин — основа карбюраторного топлива, используемого в автомобильных двигателях.Керосин. Кипит в пределах 180-230 °С. Содержит углеводороды состава Сп-С14. Керо¬
син употребляется в больших количествах в качестве топлива для реактивных двигателей
и ракет.Дизельное топливо. Имеет температуру кипения 230-400 °С. Состоит из смеси углеводо¬
родов состава выше С14.Углеводороды ведут себя по-разному при сгорании в двигателях. В частности, н-алканы
обладают наиболее низкой температурой самовоспламенения. Поэтому они ценны как ра¬
кетное топливо. Напротив, использование их в автомобильных двигателях приводит из-за
их преждевременного воспламенения к детонации, снижающей мощность двигателя и вы¬
зывающей его быстрый износ. В бензинах высокого качества предпочтительно используются
разветвленные изоалканы.За эталон горючего, обладающего максимальной склонностью к детонации, принят н-геп-
тан. Для сравнения различных сортов бензина с точки зрения их детонационных свойств
введено понятие октанового числа. Для изооктана (2,2,4-триметилпентана) это число при¬
нято равным 100, для //-гептана — нулю. Октановое число (например 92) показывает, что
этот бензин обладает такими же детонационными свойствами, как модельная смесь, содер¬
жащая 92% изооктана и 8% н-гептана. С целью повышения октанового числа (иногда до 130)
к бензину добавляют различные антидетонаторы.Чаще всего для этого используют тетраэтилсвинец РЬ(С2Н5)4 — ТЭС. Бензин с такой до¬
бавкой называют этилированным. Несмотря на незначительное количество (менее 5%) ТЭС,
этилированный бензин сильно токсичен. По этой причине ТЭС постепенно заменяется на
менее токсичные антидетонаторы — соединения марганца.Окисление алканов и циклоалканов кислородом воздуха в присутствии специальных ка¬
тализаторов, происходящее в более мягких условиях, затрагивает не все их углеродные ато¬
мы и может приводить к образованию различных кислородосодержащих веществ — спир¬
тов, альдегидов, кетонов, кислот:[О] [О] [О] [О]R-CH3—» r-ch2oh-> r-ch=o-> r-cooh rch2r-> rcorалкан спирт альдегид кислота кетон
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ321Многие из этих процессов имеют важное значение для промышленности — особенно
переход алканов в жирные кислоты, которые используются как поверхностно-активные
вещества.Окисление углеводородов до спиртов — так называемое С-гидроксилирование — осуще¬
ствляется в живом организме ферментативным путем и является первой стадией выведения
чужеродных органических веществ, в том числе и углеводородов, из организма. Чуждые
организму органические вещества называют ксенобиотиками. Эта же реакция, заключающа¬
яся в замене связи С-Н связью С-ОН, служит для введения гидроксильной группы в состав
биомолекул и осуществляется в митохондриях.Под действием кислорода и его активных форм (см. разд. 22.5) соединения, содержащие
С-Н связи, образуют по свободно-радикальному механизму гидропероксиды или кислород¬
содержащие продукты их дальнейшего окисления.20.3.2. Химические свойства алкеновЭлектрофильное присоединение. Наличие в молекулах алкенов 71-связи определяет их
ненасыщенность, а, следовательно, — способность вступать в реакции электрофильного при¬
соединения (А,:).Примером электрофильного присоединения может служить взаимодействие алкенов с
галогеноводородами. Реакция начинается с медленной стадии, определяющей скорость про¬
цесса в целом, присоединения по двойной связи электрофильной частицы — протона. В ре¬
зультате образуется положительно заряженный ион, карбкатион, соединяющийся затем с га-
логенид-анионом (быстрая стадия).СН2=СН2 + Н+-* СН3-СН2+ карбкатионСН3-СН2++Вг-^ СН3-СН2-Вг
При взаимодействии галогеноводорода с несимметричным алкеном возможно образова¬
ние пары карбкатионов:ВгСН3 -СН+-СН3 —> СН3 -СН-СН3 2-бромпропанВгСН,-СН=СН9н+вгСН3 -СН2-СН2 —> СН3 -СН2-СН2-Вг 1-бромпропанЭти карбкатионы энергетически неравноценны, более устойчи¬
вым является карбкатион с большей степенью разветвления, а по¬
тому именно он в основном и образуется. Эту закономерность в
присоединении галогеноводородов к алкенам впервые обнаружилВ. В. Марковников, ученик А. М. Бутлерова.Согласно правилу Марковникова, присоединение галогеново¬
дородов к несимметричному алкену происходит таким образом, что
водород атакует наиболее гидрогенизированный атом углерода.Это правило не соблюдается для бромоводорода в случае прове¬
дения реакции на свету или в присутствии Н202, т.е. когда реакция
присоединения идет по свободнорадикальному механизму (AR). В
этом случае атакующей алкен частицей является образующийся при
гомолитическом разрыве связи Н-Br радикал Вг- и происходит обра¬В. В. Марковников
(1837-1904)
322ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVзование главным образом 1-бромпропана. Не соблюдается это правило и в случае алкенов, со¬
держащих сильно электроотрицательные группы (например, см. разд. 28.3.4).В целом правило Марковникова применимо к полярным реагентам типа НХ, например, в
случае присоединения к алкену серной кислоты. Алкилсерные кислоты находят применение
в органическом синтезе, преобразующем алкены в другие классы веществ. Так, например, при
их гидролизе образуются спирты, а при нагревании алкилсерных кислот — снова алкены.H0S03H НОН
СН3-СН=СН2 ч ■ » СН3-СН-СН3 ► СН3-СН-СН3f,-H2S04 OSO3H -H2S°4 ОНалкилсерная кислота спиртВоду алкены присоединяют лишь в жестких условиях — при нагревании и при большом
давлении, к тому же — в присутствии фосфорной кислоты и солей металлов. Реакция так¬
же подчиняется правилу Марковникова.НОНСН3-СН=СН2 ► СН3-СН-СН3te IОНспиртГидрирование алкенов осуществляется в условиях гетерогенного катализа (в присут¬
ствии Pt, Pd, Ni) и имеет своим продуктом алканы:С„Н2„ + Н2 (катализатор) —> С„Н2„+2.Галогенирование алкенов также представляет собой электрофильное присоединение.
Молекула галогена, сблизившись с областью двойной связи, поляризуется под действием 71-
электронов и один из ее атомов, приобретая частичный положительный заряд, вступает во
взаимодействие с двойной связью. В результате быстро протекающей реакции образуются
вицинальные дигалогенпроизводные (лат. vicinus — соседний).R—CH=CH-R 5 R—CH-CH-RI IX XТак, уже при комнатной температуре происходит обесцвечивание бромной воды за счет
присоединения брома к алкену. Эта реакция является качественной на наличие кратной свя¬
зи в органических молекулах.Окисление алкенов. Алкены, так же как и алканы, при поджигании сгорают до углекис¬
лого газа и воды.В отличие от алканов, алкены легко подвергаются действию различных окислителей в
сравнительно мягких условиях.Rl>—<R2 игКзR3/ xR4 нон-R4 гликольОН ОНТак, например, окисление водным раствором перманганата калия в щелочной среде при¬
водит к образованию вицинальных двухатомных спиртов — гликолей.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ323Эта реакция (ее обнаружил русский химик Е.Е. Вагнер) происходит быстро при обыч¬
ной температуре. В результате реакции раствор перманганата обесцвечивается. Поэтому
реакция Вагнера используется как проба на двойную связь. Образование гликолей из не¬
предельных соединений является важной биохимической реакцией, происходящей с пос¬
ледними в митохондриях. В частности, таким путем осуществляется метаболизм непре¬
дельных липидов.При действии окислителей в более жестких условиях (кислотный раствор КМп04 или
К2Сг207) и происходит окислительное расщепление алкенов по двойной связи с образова¬
нием соответствующих кислот.Мягкое окисление алкенов кислородом происходит в присутствии катализатора (мелко
раздробленное серебро) и приводит к окисям алкенов, в частности, из этилена получается
окись этилена.Это соединение, являясь насыщенным трехчленным, а следовательно, напряженным ге¬
тероциклом, вступает в реакции присоединения еще легче, чем циклопропан, что и исполь¬
зуется в синтетических целях.Осн2=сн2—► \ /(Ag) Оi^HOCH2CH2OH
NH,НС1>HOCH,CH,NH,НОСН2СН2С1^Щ-сн,=сн-оы-> СНоСНОэтиленгликоль2-аминоэтанол (коламин)
p-хлорэтиловый спирт
акрилонитрил
ацетальдегидПутем гидрирования из окиси этилена получают этиловый спирт; присоединение хло¬
ристого водорода приводит к важному'полупродукту — |3-хлорэтиловому спирту; реакция
с водой дает этиленгликоль, а с аммиаком — 2-аминоэтанол (коламин), входящий в состав
клеток мозга и нервов. При действии на окись этилена синильной кислотой получается цен¬
ное сырье для синтеза полимерных материалов — акрилонитрил, а при нагревании окись
этилена изомеризуется в уксусный альдегид.Следует представлять себе, что образование гликолей из непредельных соединений в
биосредах идет через промежуточную стадию окиси, которая далее присоединяет воду.
Именно эти превращения, как установлено, объясняют давно известный факт сильной кан¬
церогенной активности конденсированного углеводорода бензпирена, который в высоких
концентрациях присутствует в табачном дыме и в каменноугольной смоле.Одна из кратных связей молекулы бензпирена (положения 3 и 4) обладает повышенной
активностью в реакциях электрофильного присоединения. Эта кратная связь ферментатив¬
но трансформируется в соответствующую окись, которая далее переходит в гликоль. Крат¬
ная связь в молекуле последнего (в положениях 1 и 2) вновь ферментативно присоединяет
кислород. Получающаяся таким образом окись обладает повышенным сродством к амино¬
группе гуанина (RNH2), входящего в состав ДНК. Под его воздействием окисное кольцо рас¬
крывается. В результате происходят необратимые изменения в молекуле ДНК, вызывающие
последующее образование раковых клеток (рис. 20.6).Другими вариантами ферментативного окисления двойной связи является (3-окисление
жирных кислот в организме, включающее в себя ферментативное присоединение воды и по¬
следующее ферментативное окисление с образованием карбонилсодержащих метаболитов
и пероксидное окисление липидов, рассмотренные подробно в разд. 20.5 и 29.4.
324ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVРис. 20.6. Окислительные превращения бензпирена.Озонирование алкенов, разрушая двойную связь С=С, приводит к малоустойчивым и
взрывчатым озонидам, которые под действием воды в свою очередь превращаются в карбо¬
нильные соединения — альдегиды и кетоны.Полимеризация алкенов. Впервые один из случаев этой реакции — удвоение 2-метил-
пропена — наблюдал А. М. Бутлеров, который еще в 1867 году утверждал, что «...уплотне¬
ние непредельных углеводородов представляет, бесспорно, одну из самых замечательных
синтетических реакций, способных происходить под сравнительно слабыми химическими
влияниями». В настоящее время полимеризация алкенов является основой синтеза много¬
численных полимерных материалов.Реакцию полимеризации алкенов можно выразить общим уравнением:яСН2=СН -> (-СН2-СН-)П
X Xмономер полимерX = Н, СН3, ОН, Cl, CN, С6Н5 и т. д.Полимеризация происходит обычно на основе гемолитического, то £сть радикального
присоединения; для ее осуществления требуется инициатор — вещество, легко распадающе¬
еся на свободные радикалы. Возможно осуществление полимеризации и ионным путем.Используя соответствующие мономеры и подбирая катализаторы, синтезируют различ¬
ные полимерные материалы, широко используемые в народном хозяйстве, в том числе и в
медицине (табл. 20.4).Еще один пример — полимеризация тетрафторэтилена, приводящая к образованию уни¬
кально устойчивого к воздействию температуры и агрессивных сред материала — тефлона.^CF2=CF2 —> [-CF2-CF2-]^ тефлон.С целью трансформации свойств полимерных материалов подбором условий изменя¬
ют длину полимерной цепи, осуществляют совместную полимеризацию (сополимериза-
цию) двух или более мономеров или вводят в полимер разнообразные добавки-пластифи¬
каторы.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ
Использование вииильных полимеров в медицине325Таблица 20.4XНазваниеПрименениенполиэтилен1. протезирование сосудов2. замещение костных дефектов3. сосуды для хранения кровиСНзполипропиленв аппаратах для переливания кровиС6Н5полистирол1. для замены дефектов черепа2. изготовление искусственных органов3. протезирование зубовС1поливинилхлорид1. в аппаратах для переливания крови2. для устранения дефектов лицаонполивиниловыйдля получения полимеров с бактери¬спиртцидными свойствамиCNполиакрилонитрилдля склеивания кожи, сосудов и костейОС4Н9поливинилбутиловыйдля очищения и заживления ран,эфиррегенерации тканейОСОСН3поливинилацетатдля получения полимеров
с бактерицидными свойствами1поливинилпирролидонзаменитель плазмы кровиФизико-механические свойства полимеров (пластичность, термостойкость, эластич¬
ность) в основном определяются пространственным строением их молекул. По форме мо¬
лекулы полимеров разделяются на линейные и трехмерные (глобулярные). Полимеры с ли¬
нейными молекулами обладают легкоплавкостью, прочностью, хорошей растворимостью.
Глобулярные полимеры неплавки, хрупки и плохо растворимы. Синтез той или другой раз¬
новидности полиалкенов определяется условиями его осуществления (температурой, дав¬
лением) и прежде всего — катализатором.Линейный полиэтилен — (п >1 ООО) имеет конформацию н-алкана, придающую достаточ¬
но длинным молекулам полимера тенденцию скручиваться в спираль.Для производных полиэтилена (X Ф Н) возможно образование различных простран¬
ственных структур в зависимости от расположения соседних заместителей по сторонам по¬
лимерной цепи, что вызвано хиральностью каждого из звеньев, образующихся в результате
полимеризации. Помимо пространственно хаотичных (атактических) структур возмож¬
но образование стереорегулярных полимеров.
326ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVСтереорегулярные молекулы полипропилена (X = СН3), например, могут иметь изотак-
тическое и синдиотактическое строение. В изотактическом полипропилене пространствен¬
ное строение элементарного звена полностью повторяется. В синдиотактическом полипро¬
пилене идет регулярное чередование пространственной конфигурации отдельных звеньев.
Полимеризация полипропилена с применением катализаторов Циглера (TiCl4, триэтилалю-
миний и др.) носит стереорегулярный характер, в результате чего получаются изотактиче-
ские или синдиотактические полимеры, обладающие высокой прочностью.Атактический полипропилен — продукт обычной полимеризации пропилена; он не об¬
ладает прочностью и упругостью.Таким образом, можно создавать полимеры с заранее заданными и полезными для меди¬
цинских целей физическими свойствами — прочностью, пластичностью, термоустойчиво¬
стью и многими другими.20.3.3. Химические свойства сопряженных алкадиеновРеакция присоединения. Как уже было сказано, в алкадиенах двойные связи могут быть
изолированными, а могут и образовывать сопряженную систему.Существуют еще алкадиены с кумулированными кратными связями. У веществ такого
рода двойные связи существуют при одном и том же атоме углерода. Простейшим предста¬
вителем таких углеводородов является аллен СН2=С=СН2. В этой молекуле первый и тре¬
тий атомы углерода находятся в состоянии $р2-гибридизации, а центральный атом углеро¬
да — в зр-гибридизации. Такие углеводороды получить довольно трудно, в природе они не
обнаружены, а поэтому здесь не рассматриваются.Алкадиены с изолированными двойными связями схожи по своим свойствам с алкена-
ми — каждая из двойных связей, независимо от других, вступает в обычную для нее реакцию
электрофильного присоединения.Иначе происходит электрофильное присоединение в случае диенов и их производных с
сопряженной системой кратных связей, типичными представителями которых являются бу-
тадиен-1,3 (дивинил), 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен), 2-хлорбутадиен-1,3 (хлоропрен) и
циклопентадиен.Сопряженные диены, как указывалось выше, несколько более устойчивы по сравнению
с аналогичными диенами, в которых связи не сопряжены. Тем не менее они вступают легче
в реакции присоединения, чем несопряженные. Это объясняется тем, что переходное состо¬
яние в таких реакциях имеет энергетически выгодное аллильное строение и потому легче об¬
разуется из сопряженных диенов, чем из соединений с изолированной двойной связью.Например, при взаимодействии бутадиена-1,3 с галогеноводородом прежде всего проис¬
ходит присоединение протона к атому углерода (он обозначен ниже индексом 1).Х=Н бутадиен-1,3y=S Я Х=СН3 изопрен
н ну чн Х=С1 хлоропренциклопентадиен
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ3271 2 3 4 н+ резонансный карбкатионСН2=СН-СН=СН2 -> СН3-СН+-СН=СН2 «-» СН3-СН=СН-СН2|х~сн3-сн-сн=сн2 СН3-СН=СН-СН2Х
XВ образовавшемся аллильном карбкатионе положительный заряд соседствует с двойной
связью, тг-электроны которой связи несколько смещаются в сторону заряда, в какой-то мере
компенсируя его. В результате положительный заряд распределяется между атомами угле¬
рода 2 и 4, или делокализуется. Таким образом, образовавшийся карбкатион можно предста¬
вить двумя резонансными формулами.На следующей стадии реакции отрицательный галогенид-ион присоединяется либо к
атому углерода 2, либо к атому 4. В результате, в случае сопряженных ал кадиенов может про¬
исходить как 1,2-, так и 1,4-присоединение.Соотношение этих конкурирующих процессов зависит от природы диена и электрофиль-
ного реагента, а также от условий, в которых проходит реакция. Так, например, при гидри¬
ровании бутадиена водородом in situ происходит исключительно 1,4-присоединение; при ка¬
талитическом же гидрировании водород присоединяется к атомам 1 и 2.Н2 Н2СН3СН2СН=СН2 <- СН2=СН-СН=СН2 -> СН3СН=СНСН3кат.Бромирование при низкой температуре в основном приводит к продукту 1,2-присоеди¬
нения (около 80% при -80 °С), поскольку скорость его образования выше. При высокой тем¬
пературе (+40 °С) уже преобладает продукт 1,4-присоединения, так как он термодинамиче¬
ски более стабилен.Хлор, взаимодействуя с бутадиеном, в одинаковой мере (50%) вступает как в 1,2-, так и1.4-присоединение:С12 С12С1СН2СНС1СН=СН2 <- СН2=СН-СН=СН2 -> С1СН2СН=СНСН2С1,1,2-присоединение 1,4-присоединениев то время как циклопентадиен с хлором, так же, как и с бромом, образует продукты только1.4-присоединения.Тенденция сопряженных алкадиенов вступать в 1,4-присоединение особенно ярко про¬
является в реакции диенового синтеза — реакции их взаимодействия с алкенами.
328ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVЧастный случай диенового синтеза — димеризацию изопрена — впервые наблюдалС. В. Лебедев.Продуктом этой реакции является лимонен — углеводород, встречающийся в эфирном
масле лимона и других цитрусовых.сизх^чСНз,СНзлимоненДиеновый синтез — это способ преобразования нециклических углеводородов в произ¬
водные, содержащие шестичленный цикл. Эта реакция играет определенную роль в биосин¬
тезе некоторых природных шестичленных циклических структур (терпены, стероиды и др.).У циклопентадиена склонность к диеновому синтезу выражена настолько сильно, что
этот углеводород даже в обычных условиях быстро превращается в циклический димер, при
нагревании распадающийся снова на две молекулы циклопентадиена:Полимеризация алкадиенов. Каучуки. Склонность сопряженных алкадиенов к реакци¬
ям 1,4-присоединения проявляется также и в том, что они легко подвергаются полимеризации:яСН2=С-СН=СН2 -» [-СН2-С=СН-СН2-]пX XХ=Н, СН3, С1Натуральный каучук — продукт млечного сока (латекса) растений-каучуконосов — пред¬
ставляет собой линейный полимер изопрена, точнее — смесь такого рода полимеров с моле¬
кулярным весом от 5000 до 300 000. Из дивинила получают бутадиеновый каучук, а из хло-
ропрена — хлоропреновый.Соседние звенья полимеров сопряженных 2-замещенных алкадиенов могут приобретать
различную пространственную структуру — цис- или транс-конфигурацию. Природный ка¬
учук имеет стереорегулярное строение и все его звенья — ^wc-конфигурацию.Стереорегулярное строение имеет и другой природный полимер изопрена — гутта, толь¬
ко, в отличие от каучука, звенья этого полимера имеют гарянс-конфигурацию. Гутта — ком¬
понент млечного сока некоторых тропических растений, из нее изготавливают гуттаперчу —
материал, более жесткий, чем каучук.X нX сн2-)>==<(^=<\. -сн2 сн2-.п. -сн2 нкаучукгутта
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ329Промышленное производство синтетического каучука из диви¬
нила впервые было организовано в России по методу, разработан¬
ному С. В. Лебедевым (1930 г.). В настоящее время синтетического
каучука производится больше, чем добывается природного. Наи¬
большее развитие получило производство стереорегулярного изоп-
ренового каучука, выгодно отличающегося своими качествами.
Вообще же, существует много видов каучука, каждый со своими осо¬
бенностями.Получение каучука с какими-то специальными свойствами
достигается различными способами — как путем сополимериза-
ции различных мономеров, так и путем обработки полимеров.
Одним из них является вулканизация — термообработка в при¬
сутствии серы, приводящая к сшиванию отдельных цепей полиме¬
ра сульфидными (-S-) и дисульфидными (-S-S-) мостиками.
Вулканизация придает каучуку твердость. При оптимальном мак¬
симуме серы каучук в результате вулканизации превращается в
эбонит — материал, вовсе лишенный пластичности.С. В. Лебедев
(1874-1934)20.3.4. Химические свойства алкиновЭлектрофильное присоединение. Алкины вступают в реакции электрофильного при¬
соединения с водородом (в присутствии катализатора), галогенами и галогеноводородами
и последовательно присоединяют к себе две молекулы этих веществ. Подбором условий ре¬
акцию можно остановить на стадии присоединения одной молекулы. Присоединение гало-
геноводородов осуществляется по правилу Марковникова.НХR-C=C-H>=<н
/ чнНХНR--НX НАлкины присоединяют к себе также некоторые другие вещества кислого характера.
Характерным свойством алкинов является присоединение воды в присутствии солей
ртути — так называемая реакция Кучерова.н-с=с-ннонн*.2+сн2=снIонвиниловыйспирт->сн3-сн=оацетальдегидПромежуточный продукт присоединения воды к ацетилену — виниловый спирт — неус¬
тойчив; он изомеризуется в уксусный альдегид — в соответствии с правилом Эльтекова,
которое гласит, что соединения с гидроксильной группой при двойной связи нестабильны
и преобразуются в карбонильные соединения. Правило Эльтекова — проявление кето-еноль-
ной таутомерии (см. разд. 26.3) для случая, когда кетонная (альдегидная) таутомерная фор¬
ма значительно устойчивее енольного таутомера.Гомологи ацетилена присоединяют воду по правилу Марковникова, в результате чего об¬
разуются кетоны.
330ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVR-OC-HHg2+r-c=ch2он-> R-С-СНч кетоннОАцетилен в присутствии СиС12 и NH3 реагирует с синильной кислотой; в результате ре¬
акции образуется акрилонитрил:Н—С=С-Н CH2=CH-CsN акрилонитрилВ присутствии щелочи ацетилен может присоединять спирты:H-C=C-H ffP-C2H5> СН2=СН-ОС2Н5 зтилвиниловыйэфирПродукты такой реакции — виниловые эфиры — в отличие от виниловых спиртов устой¬
чивы. Зтилвиниловый эфир применяют в медицине для наркоза.Присоединяются к ацетилену и карбоновые кислоты. Например, присоединение уксус¬
ной кислоты к ацетилену (под действием Н3Р04) дает винилацетат — мономер, используе¬
мый для получения полимерных клеев (ПВА):Н-С=С-Н CH3CQQH> СН2=СН-ОССНз винилацетатОПолимеризация ацетилена. В присутствии водного раствора хлорида меди и хлорис¬
того аммония ацетилен димеризуется в винилацетилен.CH2=CH-C=CH2 ^СН2=СН-С=СН^ nH-CsC-H-^4
ClвинилацетиленхлоропренI П=ооциклооктатетраен[-нс=сн-]„купренПрисоединение к тройной связи винилацетилена хлористого водорода приводит к хло-
ропрену, а водорода — к дивинилу. Оба алкадиена используются в синтезе каучуков.Нагревание ацетилена до 600 °С в присутствии активированного угля в качестве катали¬
затора вызывает тримеризацию ацетилена с образованием бензола.Комплексные соли никеля инициируют тетрамеризацию ацетилена. В результате этого
процесса образуется циклооктатетраен.При нагревании до 300 °Св присутствии порошкообразной меди ацетилен дает купрен —
полимер, обладающий электроизоляционными свойствами.Реакции ацетиленового атома водорода. При переходе от алканов к алкенам и к ал-
кинам доля 5-характера в гибридной орбитали возрастает, длина связей С-Н уменьшается;
в ацетилене они соседствуют с атомами углерода теснее, чем в этилене и этане. Увеличение
доли 5-орбитали в гибридизации приводит, таким образом, к большей электроотрицатель¬
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ331ности атома углерода. Это обусловливает то, что ацетилен и его монозамещенные гомоло¬
ги обладают свойствами слабых кислот:R-OC-H R-ОСТ + Н+
R-OC-H R-OC-Na + V2H2ацетиленидСоли ацетилена и его гомологов — ацетилениды — легко гидролизуются и поэтому мо¬
гут быть получены только в безводной среде, например, в жидком аммиаке. Ацетилениды се¬
ребра и меди в воде не растворимы, поэтому приведенный ниже процесс их образования
можно использовать как качественную реакцию на монозамещенные ацетилены:2R-OC-H ^ 2R-OC-Agl + Н20
NH3Ацетилениды широко используются в синтетических целях; воздействуя на них галоге¬
нопроизводными, можно получать любые гомологи ацетилена:R-C=C-Na + X-Ri -> R-C=C-Rt + NaXАцетилениды тяжелых металлов легко взрываются и могут быть использованы как де¬
тонаторы.20.3.5. Химические свойства ареновЭлектрофилъное замещение (SЕ). Простейший представитель аренов, бензол, СбН6 — силь¬
но ненасыщенное соединение, формально его можно рассматривать как циклогексатриен.Аналогично другим ненасыщенным соединениям — алкенам, алкадиенам и алкинам —
это вещество проявляет склонность к реакциям с электрофильными реагентами. Однако, в
отличие от перечисленных соединений, бензол вступает не в реакции электрофильного при¬
соединения (Ае), а в реакции электрофильного замещения. Это объясняется значительной
энергией сопряжения в молекуле бензола, обусловленной ароматической связью. В то же
время бензол может вступать в реакции свободно-радикального присоединения (AR).Характерным примером электрофильного замещения в ряду аренов может служить их
галогенирование, катализаторами которого обычно служат галогениды алюминия или же¬
леза. Роль катализатора в этой реакции заключается в образовании электрофильной частицы
за счет поляризации молекулы галогена.С1
С15+-С15-+ А1-С1 -> С1+С1С1IС1-А1-С1IС1Например, при галогенировании в присутствии хлористого алюминия процесс состоит в
обратимом донорно-акцепторном взаимодействии атома алюминия (акцептор) с электронной
парой одного из атомов в молекуле хлора, в результате чего второй атом хлора приобретает по¬
ложительный заряд и оказывается способным к электрофильному реагированию. В целом элек-
трофильная частица может представлять собой электронодефицитную часть поляризованной
молекулы или нести полный положительный заряд (после гетеролитического разрыва связи).
332ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVЭлектрофильная частица С1+ далее взаимодействует с бтг-орбиталью бензола, что приво¬
дит к образованию на первой стадии процесса положительно заряженного комплексного со¬
единения — так называемого 71-комплекса, в котором электрофильная частица координиро¬
вана к электронной плотности всего кольца, а не к отдельным атомам:Из шести электронов 71-комплекса два образуют затем ковалентную связь между элект-
рофильной частицей С1+ и одним из атомов углерода; остальные четыре электрона распре¬
деляются между пятью атомами углерода. В итоге получается промежуточный карбкатион —
ст-комплекс (обычно самая медленная стадия реакции, приводящая к нарушению аромати¬
ческой системы), который, теряя протон, переходит в хлорбензол.Суммарный процесс галогенирования ароматического соединения можно отобразить так:Как видно из этого примера, электрофильное замещение в аренах принципиально отли¬
чается от электрофильного присоединения к алкенам: происходит отщепление протона. В
ароматическом ряду электрофильное замещение не требует такой затраты энергии, как при¬
соединение, вызывающее разрушение стабильной бтг-электронной системы.Нитрование бензола также относится к реакции электрофильного замещения. Оно осу¬
ществляется под действием так называемой нитрующей смеси — смеси концентрированной
азотной кислоты с концентрированной серной кислотой. В такой смеси идет реакция, при¬
водящая к образованию электрофильных частиц — катионов нитрония. Эти частицы атаку¬
ют молекулы бензола. Механизм реакции аналогичен галогенированию и приведен ниже.
Конечным продуктом реакции является нитробензол.я-комплекс о-комплексС1хлорбензолH0N02+H2S04 -> noj-hso4- + н2оno2 н no2 no2N0*я-комплекс о-комплекс
В общем виде реакцию можно записать так:NO,нитробензол
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ333Сульфирование аренов с образованием ароматических сульфосоединений происхо¬
дит обычно при нагревании аренов совместно с концентрированной серной кислотой.
Сульфирующим агентом служит серный ангидрид S03, в молекуле которого атом серы
обладает электрофильным характером. Реакцию сульфирования можно записать общей
схемой:сульфобензолЕще одним примером электрофильного замещения в аренах является их алкилирование
(реакция Фриделя-Крафтса). Воздействуя на арены галогеноалкилами, можно получить их
гомологи. Реакция происходит при катализе галогенидами алюминия.С2Н1+-С18- + А1С13 C2HJ[ А1С14]-тс-комплекс а-комплекс этилбензолКарбкатионы (электрофилы) в присутствии кислот дают также алкены и спирты. Поэто¬
му еще одним вариантом алкилирования аренов может быть их взаимодействие с алкенами
или спиртами в присутствии кислых катализаторов.Использование вместо галогеналканов галогенангидридов карбоновых кислот (ак¬
тивный электрофил R-C+=0) дает возможность получения различных ароматических
кетонов:Р А1С1,C-R + НС1ОПравила ориентации в электрофильном замещении. При наличии в бензольном коль¬
це хотя бы одного заместителя, молекула соединения оказывается, с точки зрения электрон¬
ного распределения, несимметричной. Поэтому при электрофильном замещении могут
возникать три изомера — с орто-, пара- или мета-расположением входящего заместителя
относительно уже имеющегося.Для объяснения того, в какое (какие) положения кольца направляется та или иная вхо¬
дящая группа, необходимо предварительно дать объяснение разновидностей электронных
эффектов заместителей кольца, а для этого требуется в целом охарактеризовать электрон¬
ные эффекты заместителей.Реакционная способность соединений в значительной степени зависит от характера рас¬
пределения электронной плотности в реагирующих молекулах. Это распределение — след¬
ствие электронных эффектов заместителей, которые делят на индуктивный и мезомерный
эффекты.Индуктивный эффект. Ковалентная связь неполярна только при связывании одина¬
ковых по электроотрицательности атомов. При соединении атомов с разной электроот-
334ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[ЧЛУрицательностью связь полярна, так как электронная плотность смещена в сторону более
электроотрицательного атома. В ходе реакции такая связь поляризуется. Поляризация
не ограничивается только одной a-связью, а распространяется по цепи и ведет к появлению
на ее атомах зарядов:Sm+ 5"+ 5,+ 6+ 8“С->С-»С-»С->Х 5П,+ < б"* < 8* < б+Такое влияние называется индуктивным эффектом (/-эффект). ст-Связь поляризуется
слабо, а потому индуктивный эффект затухает через 3-4 a-связи. Его действие заметно про¬
является на двух ближайших к заместителю атомах углерода.Индуктивный эффект атома водорода принимают равным нулю (связь С-Н практиче¬
ски неполярна). Заместитель X, притягивающий электронную плотность a-связи сильнее,
чем атом водорода, проявляет отрицательный индуктивный -/-эффект. Заместитель Y,
увеличивающий электронную плотность по сравнению с атомом Н, проявляет положи¬
тельный индуктивный +/-эффект. Индуктивный эффект изображают стрелкой, заменяю¬
щей символ ковалентной связи, направленной острием в сторону более электроотрица¬
тельного атома.С -> X С-Н С <- X-I 1=0 +1+/-Эффектом обладают алкильные группы. Большинство функциональных заместите¬
лей обладает -/-эффектом, тем большим, чем выше электроотрицательность атома, образу¬
ющего ковалентную связь с углеродным атомом.Мезомерный эффект. При наличии в молекуле сопряженного участка возможно прояв¬
ление еще одного эффекта, называемого мезомерным или эффектом сопряжения. Замести¬
тель сам должен быть участником сопряженной системы. Примером служат производные
бензола. Мезомерный эффект (М-эффект) — это передача электронного влияния замести¬
теля по системе 71-связей.Заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе, проявляют
положительный мезомерный эффект, +М. +М-Эффектом обладают заместители, содержа¬
щие отрицательно заряженные атомы или атомы с неподеленной электронной парой.Заместители, оттягивающие электронную плотность из сопряженной
системы, проявляют отрицательный мезомерный -М эффект. К ним отно¬
сятся положительно заряженные атомы и ненасыщенные группировки.Смещение электронной плотности под действием М-эффекта изобра¬
жают изогнутыми стрелками, начало которых показывает, какие р- или
71-электроны смещаются, а стрелка — на какую связь (или атом) смещение
происходит.В отличие от индуктивного мезомерный эффект передается по системе сопряженных
связей на значительно большее расстояние.В целом, при оценке влияния заместителей на распределение электронной плотности в
молекуле необходимо учитывать суммарное действие индуктивного и мезомерного эффек¬
тов. Все заместители в зависимости от того, повышают они или понижают электронную
плотность в молекуле, рассматриваются как электронодонорные или электроноакцепторные
(см. табл. 20.5).В связи со своими электронными эффектами заместители в реакциях электрофильного
замещения разделяются на две группы.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ335Электронные эффекты заместителейТаблица 205ЗаместительЭлектронный эффектСуммарное действиеIМАлкильная группа (R)+отсутствуетЭлектронодонор-nh2, -ОН, -OR-+М > /, ЭлектронодонорГалоген-+/ > М, Электроноакцептор-N02, -СООН, -SO3H,
>C=0,-C=NЭлектроноакцепторЗаместители (ориентанты) первого рода обладают электронодонорным характером (за
исключением галогенов). Соединения, содержащие такие заместители, в реакциях электро¬
фильного замещения более активны, чем бензол. Входящей электрофильной группе они
придают орто- или пара-ориентацию.XГ I И X = R, ОН, NH2, NHR, SH, Halзаместители первого родаК числу таких заместителей относятся, в частности, алкильные радикалы (-R), гидро¬
ксильная группа (-ОН), алкоксильная (-OR), меркапто (-SH), аминогруппы (-NH2, -
NHR) и галогены. Примером проявления эффекта заместителей первого рода может слу¬
жить реакция нитрования толуола, приводящая к образованию орто- и пяра-нитротолуолов:HONQ2
конц.сн3+ н20о- и я-нитротолуолыЗаместители (ориентанты) второго рода обладают электроноакцепторными свойствами.
Соединения, их содержащие, менее активны, чем бензол. Наличие этих заместителей при¬
дает захватываемой электрофильной группе жетя-ориентацию. К числу таких заместителей
относятся карбоксильная группа (-СООН), альдегидная группа (-СНО), нитро- (-N02),
сульфо- (-S03H) и циано-группа (-CN).Y\ Y=C00H,CH0,N02,S03H,CNзаместители второго родаПримером проявления эффекта заместителя второго рода может служить мета-нитро-
сульфобензол, образующийся при сульфировании нитробензола.
336ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVno2no2.м-нитросульфобензолso3HБыло бы ошибочно думать, что все заместители действуют строго избирательно. На са¬
мом деле это не так — их электронные эффекты различны по силе. Поэтому в реакциях элек-
трофильного замещения возможно образование всех трех изомеров. Их соотношение будет
зависеть как от вида заместителя, так и от концентрации реагента, от вида растворителя, ка¬
тализатора и температуры.Например, при нитровании фенола образуются лишь орто- и пара-изомеры (в соотно¬
шении 40 и 60%), а при нитровании толуола — все три изомера: орто-, мета- и пара-нтро-
толуол (56,4 и 40%, соответственно). При нитровании нитробензола кроме мета-динитро¬
бензола (93%) образуется еще и орто-динитробензол (7%).На соотношение продуктов замещения значительное влияние оказывают и пространст¬
венные факторы. В случае объемистых заместителей первого рода заметно увеличивается доля
пара-изомера и уменьшается выход орто-изомера. Галогены занимают особое положение. По¬
добно ориентантам второго рода они за счет своего /-эффекта затрудняют реакцию замещения.
Но, стабилизируя соответствующие ст-комплексы (за счет +М-эффекта), они, как ориентанты
первого рода, направляют входящую электрофильную частицу в орто- и пара-положения.Если в бензольном кольце заместителей больше, чем один, их влияние может быть как
согласованным, так и несогласованным, в зависимости от их типа и расположения.Примером согласованной ориентации может служить нитрование .м-динитробензола.
Пара заместителей второго рода вл*е/тш-расположении придают захватываемой нитрогруппе
также л/егая-расположение, образуется 1,3,5-тринитробензол.Примером несогласованной ориентации может служить нитрование орто-дихлорбензо¬
ла, результатом которого является смесь 3- и 4-нитропроизводных. При несогласованном
влиянии заместителей влияние ориентантов первого рода оказывается преобладающим.Замещение в ароматическом ряду может быть не только электрофильным; возможно и ге¬
молитическое замещение, например, галогенирование. В процессах такого рода участвуют заме¬
стители, находящиеся в бензольном кольце. Например, под действием хлористого алюминия
можно осуществлять электрофильное хлорирование толуола с орто- и пара-ориентацией в бен¬
зольном цикле, или под действием света провести хлорирование толуола по метильной группе.Замещение в ароматическом ряду имеет важное практическое значение. В синтетических
целях оно осуществляется как в лабораторных условиях, так и в промышленных масштабах.
Примером практического использования таких реакций служит синтез антимикробного
средства — стрептоцида.При действии на анилин хлорсульфоновой кислотой по аналогии с сульфированием имеет
место сульфохлорирование, в результате чего получаются орто- и гшра-сульфанилхлориды:NH2nh2nh2+ н20so2ciо- и я-сульфанилхлориды
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ337Второй из них после реакции с аммиаком дает пара-сульфаниламид, который и являет¬
ся стрептоцидом. Его антимикробное действие основано на молекулярном соответствии ме¬
таболиту микроорганизмов /гара-аминобензойной кислоте.nh2nh2оNH3>-НС1nh2S02C1 so2nh2п-сульфаниламидСООНw-аминобензойнаякислотасульфамидыЗамещая последнее вещество в контакте с ферментом, стрептоцид прерывает обмен ве¬
ществ микроорганизма и тем самым убивает его. Таким образом, стрептоцид является типич¬
ным антиметаболитом. Антиметаболитами называют природные или синтетические био¬
логически активные соединения, близкие по строению метаболитам и вступающие с ними
в конкурентные отношения.Варьированием заместителей R1-^ в молекуле стрептоцида синтезируют его аналоги —
сульфамиды, среди которых имеются соединения, обладающие некоторыми преимущества¬
ми перед стрептоцидом, а потому нашедшие применение в медицинской практике. К насто¬
ящему времени испытано несколько десятков тысяч сульфамидных препаратов, из числа
которых около двадцати используют в клинической практике.Окисление гомологов бензола. В силу своей устойчивости бензольный цикл в обычных
условиях инертен даже по отношению к таким сильным окислителям, как азотная кислота,
перманганат калия, перекись водорода. Поэтому обработка гомологов бензола сильными
окислителями «сжигает» лишь боковые цепи, то есть алкильные радикалы; от них остается
атом углерода, непосредственно связанный с бензольным кольцом и порождающий карбок¬
сильную группу — СООН.При окислении гомологов бензола с одной боковой ветвью образуется бензолкарбоно-
вая или бензойная кислота.СНяСООНСНз /СНз[О]бензойная кислотаПри окислении гомологов бензола с двумя боковыми цепями образуются орто-, мета-
или гшря-бензолдикарбоновые кислоты (фталевые); при окислении гомологов с тремя п.г
пями — трикарбоновые кислоты и т. д.
338ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVСН,соонСНзсоон[О]> I V / Iсн3 ^сюоно-фталевая кислотас2н5 ^ соонж-фталевая кислотаСООНСН соон^Нз я-фталевая кислотаПо числу и взаимной ориентации карбоксильных групп в продуктах окисления гомоло¬
гов бензола можно судить о расположении заместителей в исходном соединении; это обсто¬
ятельство может быть использовано в аналитических целях.При биологическом окислении арены ведут себя аналогично: попа-
ОН в живой организм, гомологи бензола превращаются в соответству-6ющие карбоновые кислоты. Сам же бензол подвергается медленному С-
гидроксилированию с образованием фенола, обладающего токсическим
действием. В этом — особо сильное токсичное действие бензола по срав¬
нению с другими аренами. Бензол накапливается в организме, т.е. явля¬
ется кумулятивным ядом.Бензол в реакциях присоединения. Необратимое разрушение ароматической связи бен¬
зольного цикла происходит лишь при взаимодействии с реагентами, богатыми энергией, или
при высокой температуре, когда бензол сгорает до углекислого газа и воды.Кислород воздуха при температуре 450 °Св присутствии катализатора — оксида ванадия
(У205) — разрушает бензол по схеме:О + С02 + 2Н20малеиновыи ангидридПродукт реакции — малеиновый ангидрид применяется для производства некоторых
пластмасс; реакция используется в промышленности.Хлорирование бензола идет при сильном освещении, вызывающем образование радика¬
лов хлора. Продуктом реакции является 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан, часто называемый
гексахлораном:С1С1циклогексангексахлоран
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ339Гексахлоран является эффективным и дешевым инсектицидом, однако, он токсичен, по¬
добно другим хлорсодержащим инсектицидам (см. разд. 21.3). Поэтому делаются попытки
заменить его более совершенными препаратами.Гидрирование бензола осуществляется лишь при нагревании под давлением в присут¬
ствии никелевых или платиновых катализаторов. Продукт реакции — циклогексан — слу¬
жит сырьем для синтеза капрона.Химические свойства нафталина. Особенности химического поведения конденси¬
рованных аналогов бензола рассмотрим на примере их простейшего представителя — на¬
фталина.8 1 ос а5 4 а аВ молекуле нафталина одна из пар 71-электронов, создающих ароматическую связь, яв¬
ляется общей для того и другого кольца. Поэтому энергия сопряжения у нафталина мень¬
ше, чем у бензола, и химически он более активен.Неодинаковое участие 71-электронов углеродных атомов цикла в образовании арома¬
тической связи приводит к неравномерному распределению электронной плотности в
кольце. Рентгенографический анализ показывает, что и длины связей кольца неодина¬
ковы. В частности, длина а,(3-связи меньше длины бензольной связи, а длина Р,(3-связи
больше.Отличается также поведение атомов углерода в реакциях электрофильного замещения:
атомы 1,4, 5 и 8 в реакциях такого типа ведут себя активнее, чем атомы 2, 3, 6 и 7.Электрофильное замещение в нафталиновом ряду — галогенирование, нитрование, суль¬
фирование, алкилирование — идет в сравнительно мягких условиях. Заместитель при этом
взаимодействует преимущественно с а-атомами углерода. Так образуется, например, а-нит-
ронафталин:N02(0[0) [0О +Н2°а-нитронафталинРазличие в химической активности а- и P-положений нафталинового цикла незначи¬
тельно. Поэтому в жестких условиях реакции замещения сопровождаются образованием за¬
метного количества Р-изомеров; Р-изомеры к тому же более стабильны, при нагревании
происходит переход а-изомеров в более устойчивые p-изомеры. Подбором условий мож¬
но синтезировать любой желаемый продукт.Правила ориентации заместителя в соединениях нафталина несколько сложнее правил
ориентации заместителей в производных бензола.Если молекула нафталинового соединения содержит заместитель первого рода, то этот
заместитель активирует цикл, к которому принадлежит, и электрофильный реагент атаку¬
ет один из а-атомов углерода этого цикла.Пример такого случая — нитрование Р-метилнафталина:
340ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVN02QQT^Qy *0pr“‘1-нитро-2-метилнафталинno21-нитро-3-метилнафталинПрисутствие заместителя второго рода дезактивирует цикл; активную роль в электро¬
фильном замещении играют углеродные атомы смежного цикла, занимающие а-положение.
В результате могут образоваться два изомера. Так, из а-сульфонафталина при нитровании
образуются 1-сульфо-5-нитронафталин и 1-сульфо-8-нитронафталин:S03H S03HN02 SO3H
00+Н2°N021-сульфо-5-нитро- и 1-сульфо-8-нитронафталиныГидрирование нафталина — частный случай реакции присоединения. При действии на
нафталин водорода в момент выделения, сначала одно из колец, выступая в роли сопряжен¬
ного диена, присоединяет молекулу водорода по 1,4-типу (в a-позиции), теряя тем самым
ароматичность.13Н9И«2 Г 1S'П Н2 Г ]|J^L JтетралиндекалинОбразующийся при этом циклоалкен — 1,4-дигидронафталин — легко присоединяет к
себе по я-связи вторую молекулу водорода, превращаясь в тетрагидронафталин (тетралин).
В условиях каталитического гидрирования тетралин может присоединить к себе еще три мо¬
лекулы водорода, превратившись в насыщенный декагидронафталин (декалин).Окисление нафталина происходит легче, чем окисление бензола. При этом затрагива¬
ется одно из колец, оно теряет ароматичность и «сгорает» — как боковые цепи при окис¬
лении гомологов бензола. Продуктом окисления в зависимости от катализатора является
ор/гао-фталевая кислота, используемая в промышленности в синтетических целях, или 1,4-
нафтохинон.СООН[°] (f~M + 2С02 + Н20
СООН1,4-нафтохиноно-фталевая кислота
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ341У замещенных нафталинов будет окисляться кольцо, содержащее заместитель первого рода.
Заместители второго рода, напротив, стабилизируют то кольцо, к которому присоединены.Конденсированные арены, молекулы которых включают в себя более двух колец, в общем
обладают аналогичными химическими тенденциями, а именно, склонны к электрофильно-
му замещению и плохо вступают в реакции присоединения (правила ориентации замести¬
телей в таких молекулах усложняются еще больше).Таким образом, химические свойства углеводородов определяются особенностями стро¬
ения их молекул. Для алканов, молекулы которых построены на прочных о-связях, реакции
с ионными или сильно полярными реагентами не характерны. Они взаимодействуют с реа¬
гентами, богатыми энергией, вступая в реакции гомолитического замещения или подверга¬
ясь окислению. Алкены, алкадиены и алкины отличаются непрочными тг-связями, легко по¬
ляризуемыми р-электронами. Поэтому их характерным свойством является электрофильное
присоединение. Ароматическая связь в аренах придает им активность во взаимодействии с
электрофильными реагентами, однако они больше предрасположены к реакциям замеще¬
ния, а присоединение происходит только в случае весьма активных реагентов.Разнообразие химических свойств углеводородов объясняет существование широкого
спектра их производных, находящих всевозможное практическое применение. Свойства уг¬
леводородов обобщены в таблице 20.6.Углеводороды в природе. Одним из естественных источников углеводородов является
природный газ, состоящий почти полностью из метана.Другим богатым источником углеводородов является нефть, представляющая собой
сложную смесь алканов, циклоалканов (циклопентан, циклогексан и их гомологи), аренов
(бензол, толуол, диметилбензол и их гомологи), а также конденсированных углеводородов
(нафталин и его гомологи). В некоторых разновидностях нефти содержатся еще и полиэд¬
рические углеводороды, в частности, адамантан. Всего из нефти выделено около двухсот пя-Таблица 20.6Свойства углеводородовТип,гибри¬
дизацияМеханизмреакцийПримерБиологическое значениеалкан, sp3гемолитическоегалогенирование,С-окисление как путьзамещениенитрование,биосинтеза и трансформациисульфированиексенобиотиковалкен,электрофильноегидрирование,биосинтезалкадиен,присоединениегалогенирование,гликолей,алкин;гидрогалогенирование,канцерогенезsp2,spполимеризация,бензпиренаокислениеарен,электрофильноегалогенирование,С-окисление как путьsp2замещениенитрование,биосинтеза и трансформациисульфированиексенобиотиков
342ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVтидесяти веществ, в том числе и неуглеводородного строения. Как образуется нефть, науке
пока не известно.Выделение из нефти отдельных компонентов основано на использовании особенностей
физических свойств углеводородов. Поскольку основой их молекул являются малополярные
ковалентные связи, они не проявляют склонности к межмолекулярным взаимодействиям. Как
следствие этого, им присущи относительно низкие температуры кипения и плавления.Простейшие алканы, циклоалканы, алкены, алкадиены и алкины, углеродная цепь кото¬
рых содержит не более пяти атомов углерода, представляют собой при обычных условиях
газы (исключая бутин-2). Большинство компонентов, входящих в состав нефти, являются
веществами жидкими.Попутные газы нефти — это еще один источник углеводородов, здесь присутствуют ме¬
тан, этан, пропан и бутан.Простейшим способом переработки нефти является ее фракционная перегонка. Основ¬
ными фракциями являются бензин, керосин и дизельное топливо. Остаток перегонки — ма¬
зут — применяют как котельное топливо, а также для приготовления вазелина, смазочных
масел, гудрона; последний после соответствующей обработки используется как асфальт.По мере возрастания молекулярного веса углеводородов их температура плавления по¬
вышается. Алканы, начиная с С16Н34, существуют в твердом состоянии при обычной темпе¬
ратуре; смесь таких веществ называют парафином. Парафин применяют в медицине в виде
компрессов и ванн. Температура плавления углеводородов зависит также от того, насколь¬
ко плотно упакованы молекулы в кристаллической решетке; поэтому углеводородам с бо¬
лее разветвленной углеродной цепью соответствует более высокая температура плавления.
Например, н-алкан, декан С10Н22 — вещество жидкое; нафталин С10Н8, с тем же числом угле¬
родных атомов, становится жидким при температуре 80°; адамантан С10Н1б плавится лишь
при нагревании до 269°.Будучи слабо поляризованными веществами, углеводороды плохо растворимы в воде.
Они, однако, липофильны. Поэтому углеводороды широко применяются в качестве раство¬
рителей в процессах синтеза и в процессах экстракции природных веществ — эфирных ма¬
сел, жиров и пр.Благодаря высокой липидной растворимости углеводороды, попадая в живой организм,
концентрируются в жировых тканях, а также в оболочках нервных клеток, что приводит к
снижению нервной чувствительности. Этим объясняется наркотическое действие углеводо¬
родов (и вообще всех неэлектролитов). В отдельных случаях, например, у циклопропана нар¬
котический эффект весьма значителен. Поэтому циклопропан иногда используют для обще¬
го наркоза.В организме углеводороды подвергаются С-гидроксилированию и выводятся из клетки.
Однако некоторые углеводороды, например, бензол, окисляются очень медленно и оказы¬
ваются, таким образом, кумулятивными ядами. С увеличением числа циклов в молекуле аре¬
на возрастает не только его токсичность, но также и его канцерогенная активность.С физическими свойствами углеводородов связано существование ряда экологических
проблем. Важнейшей из них представляется морская транспортировка нефти. Нефть, попа¬
дая по различным причинам в воду, остается на ее поверхности и, концентрируясь в при¬
брежной зоне, богатой разнообразными живыми организмами, вызывает необратимое нару¬
шение экологического баланса.К химическим способам обработки нефти относятся: крекинг, дегидрирование, аромати¬
зация и изомеризация. В сочетании с перегонкой и гидрированием они позволяют получать
те или иные специфические продукты, используемые не только как топливо, но и для целей
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ343органического синтеза. В развитие нефтепереработки фундаментальный вклад внес выда¬
ющийся русский химик В. Н. Ипатьев.Нефть, таким образом, является важным комплексным сырьем, запасы которого, к сожа¬
лению, ограничены.В последнее время все большее внимание уделяется так называемой микробиологиче¬
ской обработке нефти, основанной на избирательном усваивании углеводородов некоторы¬
ми микроорганизмами, что позволяет получать из нефти белковое сырье.Богатым источником углеводородов является каменноугольная смола — побочный про¬
дукт коксования углей. Из нее в большом количестве извлекают бензол, толуол, стирол, на¬
фталин и его аналоги — антрацен, фенантрен и др.В большом количестве извлекают углеводороды и из растительных источников. Так, до¬
быча природного каучука из латекса составляет в настоящее время около 3 млн тонн в год.Многие растительные масла также содержат углеводороды, в основном терпены. При¬
мером смеси терпенов является скипидар — продукт перегонки смолы хвойных растений.
Кроме углеводородов в состав таких масел входят терпеноиды — соединения, содержащие
спиртовые, альдегидные и кетонные группировки — в том числе важные для медицины мен¬
тол и камфора. Характерным представителем терпеновых углеводородов является лимонен
С10Н16. Терпены широко используются для приготовления лаков и красок. В соке моркови,
томатов, шиповника содержатся углеводороды ликопин и а-, (3-, у-каротины (С40Н56).Последние являются провитаминами А — веществами, которые в организме человека пре¬
вращаются в витамин А. Молекулы каучука, терпеновых углеводородов, каротинов и ликопи-
на построены из чередующихся фрагментов, повторяющих скелет молекулы изопрена. Поэто¬
му их называют изопреноидами. К их числу относятся также стероиды — основа гормонов.20.3.6. Синтез углеводородовАлканЫу циклоалканы. Для получения этих углеводородов помимо нефтепереработки
используются следующие процессы.а) Гидрогенизация ненасыщенных углеводородов — алкенов, алкадиенов, алкинов, аре-
нов — с сохранением длины углеродной цепи исходного углеводорода.б) Восстановление галогенопроизводных и кислородных соединений — спиртов, альде¬
гидов, кетонов, кислот — под действием иодистого водорода, гидридов металлов, гидрази¬
на и других восстановителей. Например:^пГ12п+2алканR-I + H-I -> R-H + 12
4R-OH + LiAlH, -> 4R-H + LiOH + А1(ОН)3
344ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVв) Декарбоксилирование карбоновых кислот, осуществляемое в лаборатории при сплав¬
лении карбоновых кислот со щелочами:R-COONa + NaOH -> R-H + Na2C03Эта же реакция происходит ферментативным путем в живом организме:R-COOH -> R-H + С02г) Углеродно-водородный синтез. Под воздействием вольтовой дуги угольные электро¬
ды в атмосфере водорода превращаются в метан:С + 2Н2 -> СН4В определенных условиях — давление, температура, катализатор — непосредственно из
углерода и водорода можно получить сложную смесь н-алканов, так называемый синтин —
синтетический бензин:пС + (гг +1)Н2 —> С„Н2„+2Синтетический бензин можно получить также гидрированием окиси углерода при тем¬
пературе 300 °С в присутствии никелевого катализатора. Этот процесс перспективен в стра¬
нах, не имеющих собственных запасов нефти.д) Реакция Вюрца( 1855 г.). Галогенопроизводные, при действии на них металлическим
натрием дают соединения с «удвоенным» углеводородным скелетом:R-I + 2Na + I-R -> R-R + 2NaI.При использовании смеси двух галогенопроизводных получаются три различных про¬
дукта:3R-I + 6Na + 3I-R' -> R-R + R'-R' + R-R' + 6NaI.Разновидностью реакции Вюрца является взаимодействие цинка с дигалогенопроизвод-
ными, в результате чего образуются циклоалканы:I-(CH2)4-I + Zn -> С,Н8 + Znl2
циклобутанСреди рассмотренных способов получения углеводородов промышленное значение име¬
ют в основном гидрогенизация и крекинг. В странах, не имеющих собственной нефти, прак¬
тикуется производство синтина.Алкены, алкадиены. Основным промышленным способом получения алкенов являет¬
ся крекинг нефти. Этим способом получают ненасыщенные углеводороды с небольшой це¬
пью — этилен, пропен, бутены и пентены.Вторым по важности является дегидрирование алканов, осуществляемое при темпера¬
туре 450 °С в присутствии катализатора — оксида хрома(Ш):Сянм с„н2„+ н2С увеличением температуры до 550-600 °С алкены подвергаются дальнейшему дегид¬
рированию, образуя алкадиены. Именно так производится основная масса дивинила (из
бутана или бутена) и изопрена (из 2-метилбутана) — сырья для получения синтетического
каучука.
346ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IV20.4. Химические свойства гетареновНаличие ароматической связи в пяти- и шестичленных ненасыщенных гетероциклах
придает им свойства, подобные свойствам их углеводородных аналогов — аренов. В частно¬
сти, для них тоже не характерны реакции присоединения; гидрирование этих соединений,
как и гидрирование бензола, осуществляется лишь в жестких условиях (температура, дав¬
ление, катализатор). Например, фуран — пятичленный гетероцикл — присоединяет к себе
водород при повышенной температуре и давлении. Аналогичным образом в жестких усло¬
виях присоединяет к себе водород пиридин — шестичленный азотистый гетероцикл.Нтетрагидрофуран пиперидинУстойчивость ароматического кольца гетероциклов проявляется не только в их инерт¬
ности по отношению к реакциям присоединения, но и в поведении по отношению к окисли¬
телям. В реакциях окисления гетероциклов, подобно окислению гомологов бензола, разру¬
шаются цепочки заместителей с образованием группы СООН, ароматический же гетероцикл
остается без изменения. Примером может служить окисление Р-этилпиридина. Оно приво¬
дит к образованию Р-пиридинкарбоновой кислоты, известной под названием никотиновой
кислоты. Аналогично а-аминокислотам (см. разд. 10.7.4) она в кристаллическом состоянии
и отчасти в растворах существует в виде таутомера с биполярно-ионной структурой.Эта же кислота получается, как это можно ожидать, и при окислении алкалоидов-изоме¬
ров никотина и анабазина. Полезно обратить внимание на то, что эти вещества имеют хи-
ральный центр (отмечен звездочкой). Никотиновая кислота — типичный провитамин, так
как ее амид — никотинамид — это витамин PP.Азотистые гетероциклические соединения растительного происхождения и облада¬
ющие физиологической активностью называют алкалоидами. Вещества эти в больших
дозах весьма токсичны для человека и для животных, но в небольших количествах мно¬
гие из них используются в медицине, например, хинин (производное хинолина), резер¬
пин, стрихнин (производные индола). Сейчас известно о существовании нескольких
тысяч алкалоидов.
ГЛ. 20]УГЛЕВОДОРОДЫ347Для пятичленных ароматических гетероциклов (фуран, тиофен, пиррол) характерны ре¬
акции электрофильного замещения. Гетероатом здесь является донором электронной пары
для 71-системы, поэтому на углеродных атомах цикла плотность 71-электронов увеличена,
причем больше в a-положении. Следовательно эти гетероциклы вступают в реакции элек¬
трофильного замещения легче по сравнению с бензолом и наиболее реакционноспособным
является a-положение. В качестве примера можно назвать реакции алкилирования, галоге-
нирования, нитрования и сульфирования тиофена:При выборе реагентов следует учитывать нестабильность в сильно кислых средах пир-
рольных и фурановых колец. Поэтому, в частности, пиррол сульфируют комплексами три-
оксида серы с некоторыми основаниями, например, пиридинсульфотриоксидом C5H5NS03.Пиррол содержит полярную связь N-Н и является очень слабой NH-кислотой (рКа = 17,5).
При взаимодействии со щелочными металлами или их амидами пиррол дает соли, устойчи¬
вые в отсутствии воды. В сильнокислой среде протонирование пиррола приводит к наруше¬
нию ароматической системы и он легко полимеризуется с образованием смолы.Наличие в молекулах азотистых шестичленных гетероциклов 5р2-гибридизированного
атома азота, более электроотрицательного, чем атомы углерода, приводит к понижению элек¬
тронной плотности гетероцикла и к ослаблению его активности в реакциях электрофильного
замещения. В отличие от пиррола, у пиридина неподеленная пара электронов атома азота не
участвует в образовании ароматической системы. Атом азота в таком цикле можно уподо¬
бить электроноакцепторному заместителю второго рода в молекуле бензола. В соответствии
с влиянием такого заместителя, в молекуле пиридина, например, обеднены электронами а-
и у-позиции. Поэтому электрофильное замещение должно происходить с Р-ориентацией,
причем в жестких условиях и обычно в кислой среде, где пиридин существует в виде кати¬
она. Соответственно, реакции галогенирования, нитрования и сульфирования пиридина
идут с незначительным выходом.НС1 + С1 «Л*. (f3) 1% /рУ- so3H
S S SнNaНС1 +'N'С12оW|hono2'КS03H'N'+ НОН
348ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVШестичленные гетероциклы с двумя атомами азота — пиримидин и пиразин — электро-
фильному замещению не подвержены вообще.Благодаря наличию свободной пары электронов пиридин и его производные являются
основаниями. С кислотами они образуют соли пиридиния. Основность пиридина несколь¬
ко больше, чем у анилина, но значительно меньше основности алифатических аминов. Яв¬
ляясь нуклеофилом, атом азота в пиридине способен алкилироваться с образованием чет¬
вертичных алкилпиридиниевых солей.I - Iн сн3Вследствие того, что в молекуле пиридина атомы углерода, занимающие места 2, 4 и 6,
обеднены электронами, у них появляется возможность участвовать в реакциях нуклеофиль¬
ного замещения. Еще сильнее проявляется это свойство у пиразина и пиримидина.Примером нуклеофильного замещения (SN) может служить аминирование пиридина
амидом натрия, именуемое также реакцией Чичибабина.а и у-аминопиридиныТаким образом, комбинации атомов углерода различной гибридизации, вариация дли¬
ны и разветвленности углеродных цепей и колец и замены углеродных атомов на гетеро¬
атомы создают основу для существования всего многообразия органических веществ.
Глава 21.
ГАЛОГЕНЫНет других элементов со столь развиты¬
ми кислотными свойствами, как галоиды.Д. И. МенделеевГалогены {gals — по гречески соль, genes — рождать) составляют 7-ю группу Периодиче¬
ской системы и имеют п$272р5-конфигурацию. Первым из них был открыт хлор (Шееле, Шве¬
ция, 1774 год). В 1811 году француз Куртуа открыл иод, во Франции же были открыты бром
(Балар, 1826 год) и фтор (Муассан, 1886 год). Астат — коротко живущий радиоактивный
элемент, его известный изотоп 210At распадается наполовину за 8,5 часов. В земной коре его
содержится не более 30 г. Практического значения не имеет, изучен мало.21.1. Элементы, простые веществаГалогены находятся в предпоследней группе соответствующих периодов и являются наи¬
более типичными неметаллами, о чем свидетельствуют величины их относительных элект¬
роотрицательностей (табл. 21.1). Молекулы галогенов двухатомные. Им присуща тенденция
к присоединению электрона с превращением в галогенид-анионы, что выражается полуре-
акцией Х2 + 2е —> 2Х~, редокс-потенциал которой (см. табл. 21.1) указывает на высокие окис¬
лительные способности галогенов. При этом величина потенциала уменьшается сверху вниз
параллельно уменьшению величины ОЭО. В согласии с указанными особенностями галоге¬
ны в природе находятся в виде солей — фторидов, хлоридов, бромидов и иодидов, что и оп¬
ределяет их общее название.Фтор в своих соединениях как самый электроотрицательный элемент всегда имеет сте¬
пень окисления -1. В отличие от него другие галогены с меньшей величиной электроотри¬
цательности, с одной стороны, и d-подуровнями, с другой, могут приобретать наряду со
степенью окисления -1 и положительные степени окисления от +1 до +7 (прежде всего в
соединениях с кислородом).Галогены играют важную роль в жизненных процессах. В виде различных соединен) ш
они входят в состав живых тканей. При этом хлор и бром существуют в виде гидратирован-
350ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫОбщие сведения о галогенах[Ч. IV
Таблица 21.1ЭлементОЭОФ°,вБиологическая рольF4,102,85зубная эмальС12,901,36СГ осмотический фактор,НС1 — желудочный сокВг2,741,09транквилизаторI2,210,53щитовидная железаных ионов Cl" и Вг", а фтор и иод входят в состав нерастворимых биосубстратов. Фтор сле¬
дует отнести к микробиоэлементам — содержание этого элемента в организме человека всего
несколько миллиграммов. Однако интерес к этому элементу не ослабевает, прежде всего у
стоматологов, так как он концентрируется в первую очередь в зубах (в меньшей степени в
костях и ногтях). Основная часть фтора зубов входит в состав зубной эмали в виде трудно
растворимого фторапатита Ca5F(P04)3. Избыток фтора в организме вызывает заболевание,
называемое флуорозом. При этом зубная эмаль и костная ткань становятся хрупкими, а орга¬
низм испытывает истощение.В организме человека содержится около 100 г хлора, существующего в виде хлорид-иона,
а именно хлористого натрия плазмы крови и соляной кислоты желудочного сока. Хлорис¬
тый натрий в составе плазмы играет важнейшую роль в поддержании водно-электролитного
баланса посредством создаваемого с его участием осмотического давления. Суточная потреб¬
ность организма в хлориде натрия составляет до 10 г. Проблемы правильного питания, осо¬
бенно при сердечно-сосудистых заболеваниях, требуют контроля за поступлением хлорис¬
того натрия в организм. Хлорид натрия необходим для ферментативного синтеза соляной
кислоты стенками желудка по уравнению:Н2С03 + ci-> нсо3 + НС1.Соляная кислота выполняет каталитическую роль в гидролизе пептидных связей белков,
а также имеет дезинфицирующее действие, так как высокая кислотность убивает микроор¬
ганизмы.Хлорсодержащие биомолекулы у высших организмов неизвестны, однако два атома хло¬
ра входят в состав антибиотика левомицетина. Антибиотики — вещества биологического
происхождения, синтезируемые микроорганизмами и подавляющие рост бактерий и других
микроорганизмов, а также вирусов и клеток.Бром относится к микробиоэлементам (его количество в человеческом организме — не¬
сколько миллиграммов). Он концентрируется в железах внутренней секреции, в первую оче¬
редь в гипофизе. Роль брома в биопроцессах не ясна. Однако хорошо изучено действие бро-
мид-иона на центральную нервную систему, которая высоко чувствительна к присутствию
этого иона. Бромиды находятся в основном в межклеточной жидкости. Бромид-ион оказывает
успокаивающее действие при повышенной возбудимости. Передозировка бромидных препа¬
ратов вызывает явление «бромизма» — хронического отравления этим ионом. Причина ток¬
сичности бромид-иона заключается в его малой проницаемости через клеточные мембраны из-
за сравнительно большого по отношению к хлорид-иону размера, в результате чего скорость
ГЛ. 21]ГАЛОГЕНЫ351его выведения из организма невысока. Для снижения токсического воздействия бромид-иона
на основе принципа Ле Шателье применяют введение избыточных количеств хлорида натрия,
что приводит к вытеснению бромид-ионов из тканей и выведению их почками.Больше известно о биологической функции иода, количество которого в организме со¬
ставляет около 25 миллиграммов. Более половины находится в щитовидной железе в виде
иодсодержащих гормонов этой железы. Понижение ее активности вызывает заболевание ги¬
потиреоз, а недостаток иода в пище и питьевой воде является причиной другой болезни —
эндемического зоба. Естественно, что для лечения этих заболеваний применяют иодсодер-
жащие препараты — иодиды натрия и калия. Остальная часть иода, содержащегося в орга¬
низме, по-видимому, необходима для биосинтеза некоторых белков и липидов.Таким образом, галогены являются незаменимыми для жизнедеятельности элементами.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что из-за сходства в свойствах галогены
в биосредах могут заменять друг друга, что может вызывать неожиданные эффекты как ан¬
тагонизма в действии их ионов, так и явления усиления действия (синергизма).Поскольку галогены в природе существуют в виде галогенид-ионов, получение свободных
галогенов заключается в действии окислителей на эти ионы, причем редокс-потенциал окис¬
лителей должен превосходить потенциал самих галогенов (см. табл. 21.1). В соответствии с
этим не может существовать окислителя, способного превратить фторид-ион в свободный
фтор, так как фтор — самый сильный окислитель. Фтор синтезируют электролизом фторидов
в виде их расплавов (а не водных растворов, чтобы избежать электролиза воды).Проще обстоит дело с остальными галогенами, что видно из реакций получения хлора и
брома:2КМп04 + 16НС1 -> 5С12 + 2МпС12 + 2КС1 + 8Н20
Ф° +=+1,51ВМпО“+8Н 4 Mn^+^OК2Сг207 + бКВг + 7H2SO,-> ЗВг2 + Cr2(S04)3 + 4K2SO„ + 7Н20
Фою^+цн* =+1’36В2Сг3+ + 7Н20В этом отношении представляет интерес реакция СГ-иона с пероксидом водорода. Полу-
реакция пероксида водорода как окислителя в кислой среде выглядит следующим образом:Н202 + 2Н+ + 2е ^ 2Н20 = +1,78 В .2НгОСпрашивается, будет ли происходить образование хлора в плазме крови, где присутству¬
ет в достаточных количествах хлорид-ион, если известно, что пероксид водорода является
метаболитом и непрерывно образуется в плазме в процессе биотрансформации кислорода.Расчет по уравнению Нернста и сравнение полученного результата с данными таблицы21.1, показывают, что при условии одномолярных концентраций всех веществ (за исключе¬
нием протонов) потенциалы полуреакций практически равны.Фн2о2+2Н+ = 1,78 - 0,059 pH (при pH= 7,4 q> = 1,34 В)2Н20ф «2. = 1,36 В.2СГ
352ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVСледовательно существует реальное равновесие, положение которого в условиях орга¬
низма определяется малой концентрацией пероксида водорода, иными словами, образова¬
ние хлора не происходит. Когда среда становится более кислой, потенциал пероксида воз¬
растает.Повышенную кислотность создают анаэробные бактерии, чей метаболизм приводит к
образованию ряда органических кислот. Поэтому в ближайшем окружении таких бактерий
создается кислая среда. Это обстоятельство лежит в основе антибактериального действия
лейкоцитов, которые атакуют анаэробные микробы при их попаданиии в кровяное русло, а
способствует этому то, что стенки лейкоцитов содержат фермент пероксидазу, благоприят¬
ствующий продуцированию пероксида водорода. Таким образом, в месте контакта лейкоци¬
та с анаэробной бактерией происходит реакция:2С1- + Н202 + 2Н+ <=± С12 + 2Н20,в результате которой выделяется хлор, убивающий микроорганизм.Галогены широко применяются в промышленности. Достаточно перечислить лишь не¬
которые области применения хлора. Его используют для получения соляной кислоты, не¬
которых хлоридов, например, хлористого алюминия, солей хлорноватистой кислоты и мно¬
гочисленных дезинфицирующих и отбеливающих средств, хлорноватой и хлорной кислот,
брома, титана, германия, эмульгаторов и детергентов, хлорированных углеводородов, при¬
меняемых в качестве растворителей, фосгена (из которого синтезируют полиуретаны), хлор-
каучука, различных пестицидов, монохлорукусной кислоты и многих других веществ.Галогены в свободном виде чрезвычайно токсичны из-за их сильного окислительного
действия. Это определило применение хлора в качестве боевого отравляющего вещества.
Однако уменьшение окислительной активности при переходе к менее активному иоду или
использование хлора в малых концентрациях позволяет употреблять их в качестве дезин¬
фицирующих средств. Хлор применяют для дезинфекции воды, а йодную спиртовую на¬
стойку — для обеззараживания ран.21.2. Галогенид-ионыАнионы галогенов (кроме F-) способны отдавать электроны, поэтому они являются вос¬
становителями. Восстановительная способность галогенид-ионов возрастает по мере увели¬
чения их радиуса от хлорид- к иодид-аниону. Свойства соединений, в состав которых вхо¬
дят галогены со степенью окисления -1, можно сопоставить на примере хлоридов элементов
III периода (табл. 21.2).5-элементы образуют соли в соответствии с их электроположительными свойствами. Га-
логениды элементов 3-й группы занимают промежуточное положение между ионными и ко¬
валентными соединениями. Начиная же с элементов 4-й группы, в галогенидах присутствует
полярная ковалентная связь. Это наглядно видно по отношению галогенидов к гидролизу.
Хлориды элементов 1-й группы, как соли сильных оснований и сильной соляной кислоты,Таблица 21.2Хлориды элементов III периодаСоединениеNaClMgCl2aici3SiCl4РС15so2ci2ОЭО элемента0,91,21,51,82Д2,5
ГЛ. 21]ГАЛОГЕНЫ353не гидролизуются. Хлорид магния как соль, образованная основанием средней силы, подвер¬
гается слабому гидролизу при кипячении:MgCl2 + НОН <=> Mg(OH)Cl + НС1.Хлорид алюминия гидролизован в сильной степени уже на холоде:А1С13 + НОН <=> А1(ОН)С12 + НС1,А1(ОН)С12 + НОН ^ А1(ОН)2С1 + НС1.Хлориды элементов 4-6-й групп быстро и необратимо гидролизуются с образованием
двух кислот: соляной и кислоты, соответствующей элементу в составе хлорида.SiCl4 + 2НОН <=± Si02 + 4НС1,PCI5 + 4НОН <=> Н3Р04 + 5НС1,S02C12+ 2НОН <=> H2S04 + 2НС1.Иными словами, соединения галогенов с неметаллами ведут себя по отношению к воде
сходно с ангидридами, также образующими соответствующие кислоты. Это позволяет вы¬
делить все соединения, которые формально можно произвести заменой атомов кислорода и
(или) гидроксильных групп в кислотах на галогены, в отдельную разновидность веществ,
именуемую галогенангидридами.Тогда круг галогенангидридов для многих элементов должен быть расширен. Так, для уг¬
лерода кроме СС14 галогенангидридом является и фосген СОС12, для фосфора существует
хлорокись фосфора РОС13. Хлористый сульфурил S02C12 — не единственный хлорангидрид
серной кислоты, существует и соединение SCl6.Все галогенангидриды объединены одним общим свойством — гидролизом по связиЭ-Х (X — галоген) по уравнению:э-х + НОН -»э-он + н-х.Особый интерес представляют собой соединения галогенов с водородом — галогеново-
дороды, некоторые свойства которых сведены в таблицу 21.3.Галогеноводороды можно получать несколькими способами. Один из них — прямой син¬
тез из элементов:Н2 + X2<i± 2НХпригоден для получения фторо- и хлороводорода, так как эти реакции сильно экзотермич-
ны, что видно из данных табл. 21.3:Н2 + F2 -> H2F2, Н2 + С12 —^->2НС1.Таблица 213Свойства галогеиоводородовНХц, Dг(Х-),Аа, %Енх, кДж/мольА Н°, кДж/мольHF1,981,3010568-268НС11,041,8192,5436-92,3НВг0,791,9693,5364-36HI0,382,2095298+20
354ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVРеакция водорода со фтором происходит со взрывом уже в темноте и при охлаждении.
Взаимодействие водорода с хлором также идет энергично, но требует инициирования
светом. Синтез бромоводорода осуществляется лишь при нагревании, а эндотермичес¬
кий процесс образования иодоводорода равновесен, и получать его таким образом неце¬
лесообразно:Н2 +Вг2—^->2НВг, Н2+12 з=±2Ш.Другой путь получения галогеноводородов — вытеснение их из солей действием сильных
кислот в отсутствии воды (обычно используют серную кислоту), также применим лишь к
получению фторо- и хлороводорода:CaF2 (тв.) + H2S04 (конц.) —> H2F2 + CaS04,NaCl (тв.) + H2S04 (конц.) —> HCl + NaHS04.По отношению к бромид- и иодид-ионам концентрированная серная кислота выступа¬
ет в качестве окислителя, в результате чего вместо галогеноводородов выделяются свобод¬
ные галогены по уравнениям:2NaBr(TB.) + 2H2S04(kohu.) —> Br2 + S02+ Na2S04 + 2H20,8NaI(TB.) + 5H2S04 (конц.) —> 4I2 + H2S + 4Na2S04 + 4H20.Поэтому для приготовления HBr и HI используют гидролиз соответствующих бром- и
иод ангидридов:2Р + 3Br2—> 2PBr3, PBr3 + ЗНОН -> Н3РОэ + ЗНВг
или соответствущие окислительно-восстановительные превращения с участием галогенов:H2S + I2—> 2HI + Si.Галогеноводороды — газы, которые при растворении в воде образуют кислоты за счет
диссоциации сильнополярных (см. табл. 21.3) связей:НХ <=> Н+ + х-.Сила галогеноводородных кислот растет с номером периода (см. табл. 21.3), что объяс¬
няется параллельным ростом поляризуемости, которая, в свою очередь, увеличивается по
мере увеличения радиуса галогенид-иона (см. табл. 21.3). Таким образом, иодоводородная
кислота — самая сильная из галогеноводородных кислот. Аномально низкую диссоциацию
плавиковой кислоты H2F2 объясняют ее димерным [и даже полимерным (H2F2)n] за счет во¬
дородных связей строением, рассматривая ее как двухосновную и учитывая, что второй сту¬
пенью диссоциации кислот такого типа можно пренебречь.Укажем на еще одну аномалию плавиковой кислоты — ее способность реагировать со
стеклом и растворять его. Эта способность связана с тем, что фторид-ион может (как в от¬
дельных случаях и остальные галогенид-ионы) выступать в качестве лиганда. Процесс ра¬
створения оксида кремния выразится реакциями:2H2F2 + Si02—> SiF4 + 2Н20,H2F2 + SiF4 —> H2[SiF6].Свойство же остальных галогенид-ионов быть лигандами представлено в уравнениях:CuCl2 + 2НС1 -> Н2[СиС14]2KI + Hgl2—> K2[HgI4].
ГЛ. 21]ГАЛОГЕНЫ355Именно процессом комплексообразования объясняется токсичность фторид-анионов,
которые, образуя комплексы с катионами металлов, входящих в активные центры фермен¬
тов, подавляют их активность.Растворимость молекулярного иода значительно увеличивается в присутствии иодида
калия, что связано с образованием комплексного соединения К[13]. Молекулярный иод об¬
разует комплексы включения с крахмалом и поливиниловым спиртом (синий иод). Эти ком¬
плексы не очень устойчивы и способны постепенно отдавать молекулярный иод. Поэтому
синий иод является эффективным, но мягким бактерицидным препаратом пролонгирован¬
ного действия.Нахождение галогенид-ионов в биосредах требует умения определять их присутствие,
хотя бы на качественном уровне. Для этого существует групповая реакция на хлорид-, бро¬
мид- и иодид-анионы, заключающаяся в образовании плохо растворимых галогенидов се¬
ребра при действии AgNOs:Х-+ Ag+->AgXi.Для качественного определения бромид-ионов используют вытеснение брома из броми¬
дов под действием хлора:Cl2 2Вг —> 2С1 + Вг2,
сопровождающееся окрашиванием раствора в желто-коричневый цвет — окраску брома в
водных растворах. На действии хлора основано и обнаружение иодид-аниона. Однако здесь
действие избытка хлора приводит к окислению иода до степени окисления +5. Сначала ра¬
створ, содержащий иодид-ионы, приобретает бурую окраску выделившегося иода:С12 + 2I-—> 2С1- + 12,
а затем обесцвечивается, из-за перехода 12 в Ю3-ион:I2 + 5С12 + 6Н20 2НЮ3 + 10НС1.Присутствие хлорид-иона определяют, основываясь на растворении осадка хлорида се¬
ребра в аммиаке, что объясняется тем, что эта соль обладает большей растворимостью, чем
бромид и иодид серебра (см. разд. 13.1):AgCU + 2NH3—> [Ag(NH3)2]Cl.Фторид серебра неплохо растворим в воде, а потому определение этого иона требует спе¬
циальных процедур, основанных на способности плавиковой кислоты разъедать стекло, о
чем уже было сказано. Для этого сначала действием серной кислоты вызывают выделение
фтористого водорода, который улетучивается и, попадая на поверхность стекла, вызывает
его помутнение.21.3. Галогенопроизводные углеводородовПолучение органических галогенопроизводных основано на уже известных реакциях уг¬
леводородов, а именно, на радикальном галогенировании алканов и циклоалканов:r-h + x2->r-x + h-x,электрофильном присоединении галогенов и галогеноводородов к алкенам:
356ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVи к ал кинам (или алкадиенам):С„Н2п_2Х2 С„Н2„_2 —2^->СпН2п_,Х,а также на электрофильном замещении в ароматическом ряду:Аг-Н + Х2—> Аг-Х + Н-Х.Комбинацией этих методов можно вводить заданное количество атомов галогенов в не¬
обходимое положение цепи или цикла, что видно из примеров хлорирования пропена и то¬
луола, в зависимости от условий приводящего к разным продуктам.СН2 =СН-СН3-%^СН2 =СН-СН2С1—а—>СН2С1СНС1СН2С1
пропен аллил хлористый 1,2,3-трихлорпропанхлористый толуол о-хлортолуол я-хлортолуолбензилМожно вводить атомы галогенов и замещением кислорода или гидроксильной группы в
кислородных органических соединениях, действуя на них галогенангидридами, например,
галогенангидридом сернистой кислоты, называемым хлористым тионилом:ROH + SOCl2-> R-C1 + S02+ HCI,R2C=0 + SOCl2-* R2CC12+ so2.Известны и другие способы введения галогена в состав органических молекул. С неко¬
торыми из них мы познакомимся позднее.Нуклеофильное замещение галогена — наиболее характерное свойство органических га¬
логенопроизводных. Объясняется это частичным положительным зарядом атома углерода,
к которому присоединен галоген, обладающий большой электроотрицательностью. В общем
виде это превращение выражено уравнением:R5+:X5-+ :Y~—> R:Y + :Х~.
нуклеофилСпособность к нуклеофильному замещению определяется природой галогена, в частно¬
сти, величиной энергии связи углерод-галоген, которая изменяется в той же последователь¬
ности, что и для связи Х-Н. Связь углерод-фтор очень прочна (энергия связи 452 кДж/
моль), что делает фтор малоподвижным в нуклеофильном замещении,
а фторалканы химически инертными веществами, о чем уже говори¬
лось выше.Значительно менее прочные связи углерода с остальными галогена¬
ми делают их активными партнерами в нуклеофильном замещении в
соответствии с изменением энергии связи галоген-углерод, величина
р, я-сопряжение которой составляет 252 кДж/моль для хлора, 239 и 180 кДж/моль в
ГЛ. 21]ГАЛОГЕНЫ357случае брома и иода, соответственно. В согласии с этим по химической активности галоге¬
нопроизводные можно расположить в ряд: F « Cl < Br < I.Другим фактором, сказывающимся на активности галогена в нуклеофильном замещении,
является природа атома углерода, к которому этот галоген присоединен. В ряду ароматичес¬
ких и особенно непредельных галогенопроизводных имеет место р,71-сопряжение между
р-электронами атомов галогенов и тг-связями углеродного остова (М-эффект), что приводит
к упрочнению связи углерод-галоген. Как уже было отмечено ранее, в случае галогенопро¬
изводных мезомерный и индуктивный эффекты имеют противоположные знаки.О проявлении мезомерного эффекта можно судить по уменьшению длины связи, кото¬
рая составляет 1,77 А у хлоралканов (сопряжение отсутствует), и 1,69 и 1,70 А в случае хло¬
ристого винила и хлорбензола, соответственно. Этот эффект приводит к практически пол¬
ной потере подвижности галогена при кратной связи и к возможности замещения галогена
в аренах лишь в жестких условиях (температура, давление).Нуклеофильное замещение галогена в ряду производных алканов и в меньшей степени
для представителей аренов может происходить под действием кислородных, сернистых, азо¬
тистых и других нуклеофилов, что позволяет осуществлять на основе органических галоге¬
нопроизводных синтез различных классов органических соединений. Многообразие таких
превращений частично иллюстрируется схемой 21.1.Различную подвижность атомов галогенов в предельных и ароматических структурах можно
использовать для направленного последовательного введения функциональных групп в состав
органических молекул, что подтверждает приведенный ниже пример синтеза пара-гидрокси-
бензилового спирта путем постепенной замены атомов хлора на гидроксильные группы:спиртR-OH, сложный
эфирR-S-RсульфидСхема 21.1. Синтезы на основе галогенопроизводных.n-хлорбензиловый п-гидроксибензиловыйспиртС1спиртОН
358ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVДругие возможности синтеза органических соединений из галогеналканов представля¬
ет реакция Вюрца:3R - X + 6Na + 3X-R" -> R’-R" + R’-R' + R"—R" + 6NaXи отщепление галогеноводородов (по правилу Зайцева, см. 20.3.6):С„Н2п+1Х + NaOH (спирт) -> С„Н2„ + NaX + Н20,позволяющие синтезировать алканы и алкены, соответственно.Способность галогеналканов к нуклеофильному замещению объясняет их известную вы¬
сокую биологическую активность, прежде всего, токсичность многих из них. Они реагиру¬
ют в первую очередь с аминогруппами белков и нуклеиновых кислот, вызывая их необрати¬
мое поражение. На этом основано создание в ряду галогенопроизводных (особенно среди
хлорпроизводных) токсических соединений направленного действия.Среди них — боевые отравляющие вещества: сернистый иприт — Р,Р'-дихлордиэтилсульфид
(применявшийся в первую мировую войну), азотистый иприт — Р,Р',Р"-трихлортриэтиламин
и люизит — Р-хлорвинилдихлорарсин (также использованный в военных операциях).ХСН2СН2С1 /Н2СН2С1 ^С1
S N-CH2CH2C1 C1-CH=CH-As
ЧСН2СН2С1 SCH2CH2C1 SclДругую группу хлорсодержащих токсичных соединений составляют пестициды самого
различного назначения. Пестициды — химические средства борьбы с вредителями сель¬
ского хозяйства и с переносчиками многих опасных заболеваний животных и человека.О гексахлоране и его действии уже сказано в разделе 20.2.3. Отдельные представители
хлорсодержащих пестицидов представлены на рисунке 21.1. Среди них — гексахлорофен,
являющийся бактерицидом. Его применяют для дезинфекции ротовой полости в виде по¬
лосканий. Большинство прочих приведенных веществ представляют собой типичные инсек¬
тициды. Эйджент орандж (2,4,5-Т), применявшийся во время вьетнамской войны, являет¬
ся дефолиантом — средством по уничтожению листьев деревьев.Будучи малополярными органическими веществами, хлорорганические пестициды об¬
ладают кумулятивным токсическим эффектом. Они накапливаются в жировых тканях и пе¬
редаются с пищей от одной особи к другой. К примеру, ДДТ обнаружен в жировых тканях
пингвинов Антарктиды, которые попали туда из рыб, явившихся резервуаром этого инсек¬
тицида. Поэтому имеется тенденция к изъятию хлорсодержащих пестицидов из практики.Всю опасность их применения демонстрирует «диоксиновая» проблема. Обращает на
себя внимание присутствие в ряде пестицидов однотипного структурного фрагмента — по¬
лихлорированного ароматического кольца. Оказалось, что два таких кольца входят в состав
диоксинов -- одних из самых ядовитых из известных токсических соединений, синтезиро¬
ванных человеком.Производство большинства хлорсодержащих пестицидов (и не только их) сопровожда¬
ется побочным образованием диоксинов. В зависимости от размеров колец и числа галоге¬
нов в молекуле существует семейство диоксинов, насчитывающее десятки представителей.Диоксины, как оказалось, обладают не только кумулятивным токсическим действи¬
ем, но и пагубно воздействуют на наследственный аппарат животных и человека, отра¬
жаясь на будущих поколениях. Таким образом, необходимо полное уничтожение не
только таких производств, но и полная санитаризация почвы, влаги и воздушной сре¬
ды всех тех территорий, где когда-либо находились или находятся производства с воз-
ГЛ. 21]ГАЛОГЕНЫ359ОНОСН2СООС4Н9С1С1полихлорированый эйджент орандж (2,4,5,-Т)фенол бутиловый эфир 2,4,5-трихлор-феноксиуксусной кислотыДДТ1,1 -ди(4-хлорфенил )-
2,2,2-трихлорэтанС1хлордан-С1 С1-
С1 С1гексахлорофендиоксингептахлорС1„ 'С1"полихлорированные бифенилы
Рис. 21.1. Представители галогенсодержащих инсектицидов.можным образованием диоксинов и тех мест, где вещества, содержащие их в виде мик¬
ропримесей, применялись.Однако это еще не делается повсеместно, несмотря на экологические катастрофы во
Вьетнаме (где применялся эйджент орандж), в Италии (Севезо, авария на производстве2,4,5-трихлорфенола), США (штат Миссури имеет около 100 зараженных диоксином уча¬
стков в результате производства эйджент орандж) и у нас в Уфе. Как это ни прискорбно, при¬
менение хлорсодержащих инсектицидов будет продолжаться в тропиках, так как это пока
единственный эффективный способ борьбы с переносчиками малярии, которая по-прежне-
му уносит миллионы человеческих жизней.Нуклеофильное замещение хлора под действием воды в щелочной среде с заменой хло¬
ра на гидроксильную группу составляет основу метаболизма хлорсодержащих органических
веществ. Щелочной гидролиз применяют для дегазации боевых хлорсодержащих отравля¬
ющих веществ.
360ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[ЧЛУНекоторые галогенопроизводные применяются в медицине. Хлористый этил, быстрое
испарение которого вызывает охлаждение смоченных им тканей и тем самым потерю боле¬
вой чувствительности, употребляется для обезболивания. Для общего наркоза применяет¬
ся хлороформ (из-за токсичности сейчас употребляется редко) и 1,1,1-трифтор-2-хлор-2-
бромэтан (фторотан).Способность производных фторалканов растворять в себе кислород, их химическая
инертность и нетоксичность позволяют использовать их в качестве кровезаменителей.В противоположность фторалканам, некоторые фторорганические соединения, содержа¬
щие функциональные заместители, являются сильными ядами. К ним относятся, например,
фторуксусная кислота, содержащаяся в ряде тропических растений (в частности, в анчаре),
и фторсодержащие боевые отравляющие вещества, такие, как зарин и зоман (см. гл. 25).21.4. Кислородные соединения галогеновДействие сильных окислителей на хлор и его аналоги может служить способом получения
соединений с положительными степенями окисления, которые в природе не встречаются. В
большинстве это кислородные соединения галогенов. В таблице 21.4 обобщены некоторые
свойства кислородсодержащих кислот в ряду галогенов. Среди них особое место занимают
фторноватистая кислота HOF и ее ангидрид, где фтор имеет степень окисления -1. В действи¬
тельности, число соединений с положительными степенями окисления значительно больше,
особенно среди оксидов, однако они не представляют практического интереса.Образование производных галогенов со степенью окисления +1 частично происходит
уже при растворении галогенов в воде, однако равновесие реакции самоокисления-самовос¬
становления (диспропорционирования):Н20 + X2<=i НОХ + НХ (X - С1, Вг, I)в большей степени смещено в обратную сторону, причем тем сильнее, чем менее активен га¬
логен. В случае фтора реакция идет по другому пути:2F2 + Н20 (ж.) -> OF2T + 2HF.Таблица 21.4Кислородные кислоты галогеновСтепеньокисленияFС1ВгIОкончание
кислоты соли+1(-1)OF2, [HOF],нею,НВгО,НЮ,гипо...истаягипо-...-ита>30%соII•срК = 8,6>IIоСГ5+3-[НСЮ2],
рК= 2,0---истая-ит+5-нсю3,рК = -1НВг03ню,-оватая-ат+7—нсю4,рКш—10_—-наяпер-...-ат
360ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVНекоторые галогенопроизводные применяются в медицине. Хлористый этил, быстрое
испарение которого вызывает охлаждение смоченных им тканей и тем самым потерю боле¬
вой чувствительности, употребляется для обезболивания. Для общего наркоза применяет¬
ся хлороформ (из-за токсичности сейчас употребляется редко) и 1,1,1-трифтор-2-хлор-2-
бромэтан (фторотан).Способность производных фторалканов растворять в себе кислород, их химическая
инертность и нетоксичность позволяют использовать их в качестве кровезаменителей.В противоположность фторалканам, некоторые фторорганические соединения, содержа¬
щие функциональные заместители, являются сильными ядами. К ним относятся, например,
фторуксусная кислота, содержащаяся в ряде тропических растений (в частности, в анчаре),
и фторсодержащие боевые отравляющие вещества, такие, как зарин и зоман (см. гл. 25).21.4. Кислородные соединения галогеновДействие сильных окислителей на хлор и его аналоги может служить способом получения
соединений с положительными степенями окисления, которые в природе не встречаются. В
большинстве это кислородные соединения галогенов. В таблице 21.4 обобщены некоторые
свойства кислородсодержащих кислот в ряду галогенов. Среди них особое место занимают
фторноватистая кислота HOF и ее ангидрид, где фтор имеет степень окисления -1. В действи¬
тельности, число соединений с положительными степенями окисления значительно больше,
особенно среди оксидов, однако они не представляют практического интереса.Образование производных галогенов со степенью окисления +1 частично происходит
уже при растворении галогенов в воде, однако равновесие реакции самоокисления-самовос¬
становления (диспропорционирования):Н20 + Х2<=* НОХ + НХ (X - С1, Вг, I)в большей степени смещено в обратную сторону, причем тем сильнее, чем менее активен га¬
логен. В случае фтора реакция идет по другому пути:2¥2 + Н20 (ж.) -> OF/T + 2HF.Таблица 21.4Кислородные кислоты галогеновСтепеньокисленияFС1ВгIОкончание
кислоты соли+1(-1)OF2, [HOF],нею,НВгО,НЮ,гипо...истаяГИПО-...-ИТа>30%рК = 7,3рК = 8,6ркг 10,6+3-[HC10J,рК= 2,0---истая-ит+5НС103,
рК = -1НВгО,НЮ3-оватая-ат+7—нсю4,рК = -10~—-наяпер-...-ат
ГЛ. 21]ГАЛОГЕНЫ361Смещение указанного равновесия вправо достигается в щелочной среде по уравнению:Х2 + 2КОН КОХ + КХ + Н20.Например, при растворении хлора в холодной щелочи происходит реакция:С12 + 2КОН -> КС10 + КС1 + Н20.Если растворять хлор в кипящем щелочном растворе, диспропорционирование идет
глубже, и в результате вместо гипохлорита образуется хлорат калия:ЗС12 + 6КОН -> 5КС1 + КС103 + ЗН20.При более сильном нагревании, то есть исходя из расплава хлората калия, получают пер¬
хлорат калия:4КС10з->ЗКС104+КС1.В этой серии превращений проявляется общая тенденция элементов верхней части Пе¬
риодической системы к существованию в крайних степенях окисления как наиболее устой¬
чивых. Эта же тенденция присуща азоту (наиболее стабильны степени окисления -3 и +5)
и сере (-2 и +6).Однако по мере увеличения номера периода возрастают металлические свойства, растет
разница в энергиях внешних s- и р-орбиталей, а тем самым уменьшается вероятность их гиб¬
ридизации, и как следствие этих причин высшие степени окисления становятся менее проч¬
ными. Это наблюдается на примере галогенов, где иод и бром не проявляют тенденции к об¬
разованию устойчивых соединений со степенью окисления +7.Итак, самоокисление-самовосстановление — основной путь к солям кислородных кис¬
лот галогенов, а от них и к самим кислотам, на примере которых можно наблюдать некото¬
рые закономерности в изменении химических свойств.Из данных таблицы 21.4, в частности, видно, что в ряду кислот НХО сила кислот зако¬
номерно падает с уменьшением электроотрицательности галогена. Более того, иодноватис-
тая кислота может диссоциировать еще и по типу основания, то есть является амфолитом,
демонстрируя тем самым появление у иода слабых металлических свойств:Н01<=>Г + 0Н ~(рКь= 9,6).Другую общую тенденцию проявляют кислородные кислоты хлора, где по мере уве¬
личения количества электроотрицательных атомов кислорода растет сила кислот, и по¬
тому хлорная кислота НСЮ4 оказывается одной из самых сильных известных кислот
(см. табл. 21.4).В соответствии со вскрытыми закономерностями соединения хлора со степенью окисле¬
ния хлора +1 являются, с одной стороны, наиболее доступными среди хлорположительных
соединений, а, с другой, мало устойчивыми, проявляя свойства сильных окислителей. Вели¬
чина редокс-потенциала этой степени окисления, менее стойкой, чем +5 и +7, выше их по¬
тенциалов и выше, чем у самого хлора. Эти обстоятельства и определяют область примене¬
ния соединений со степенью окисления +1 — сильных и нестойких окислителей, которые
принято называть соединениями, содержащими активный хлор (С1*).Хлорактивные соединения широко применяются в качестве дезинфицирующих средств,
действие которых основывается на окислении и замещении хлором атомов водорода в мо¬
лекулах белков микроорганизмов, что вызывает их гибель.Простейший представитель дезинфицирующих средств среди хлорактивных соедине¬
ний — раствор хлора в гидроксиде калия, известный под названием жавелевой воды. Дру-
362ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVгои всем известный пример — хлорная известь, синтезируемая действием хлора на гаше¬
ную известь:Са(ОН)2 + С12-> СаОС12 + Н20.Хлорная известь представляет собой смешанную соль хлорид-гипохлорит кальция и со¬
держит один атом активного хлора. Можно увеличить количество атомов активного хлора
до двух, если выделить гипохлорит кальция Са(ОС1)2 в чистом виде.Еще одна разновидность хлорактивных дезинфицирующих соединений — хлорамины, орга¬
нические относительно стабильные производные нестойкого хлорамина NH2C1. В их числе хо¬
рошо растворимый в воде монохлорамин Б, хуже растворимый в воде, но зато содержащий два
активных хлора дихлорамин Б, и гексахлормеламин с шестью атомами активного хлора.С1 С1I хт 1/VAvNn
Cl Xrt ClXI .OClca' or X x N4^rxoci ^oci [/\i (/\i A
Cl Clхлорная гипохлорит монохлорамин Б дихлорамин Б гексахлормеламин
известь кальцияАктивность хлорактивного соединения определяется количеством атомов активного хло¬
ра, приходящегося на молекулу хлорактивного соединения (X АС). Эту активность измеряют
количеством молей свободного хлора, выделившегося при взаимодействии одного моля хло¬
рактивного соединения с соляной кислотой.При этом взаимодействии происходит окислительно-восстановительная реакция, в ре¬
зультате которой два атома хлора с различными степенями окисления (-1 и +1) превраща¬
ются в свободный хлор (реакция конмутации). Например, для широко используемого мо¬
нохлорамина Б реакция выглядит следующим образом:C6H5S02NClNa + 2НС1 C6H5S02NH2 + NaCl + Cl2.Тогда теоретическое содержание активного хлора в нем составит:ci*(%)=^-==зз,з%.
МХАС 213,5Аналитически содержание активного хлора в техническом препарате определяют с по¬
мощью метода редоксметрии, именуемого иодометрией (см. разд. 15.4). Суть его состоит в
том, что всякий достаточно сильный окислитель (в данном случае хлор) превращает иодид-
ион в свободный иод, а последний далее титруют тиосульфатом натрия, применяя в качестве
индикатора крахмал:С12 + 2KI —> 2КС1 + 12,I2 + 2Na2S203—» 2NaI + Na2S4Oe.Итак, соединения галогенов играют важную биологическую роль, наибольшее же значе¬
ние имеют производные хлора. Среди них имеется несколько разновидностей физиологи¬
чески активных веществ — разнообразных пестицидов, отравляющих веществ и дезинфици¬
рующих средств.
Глава 22.
КИСЛОРОДВ долгий период жизни земли достигнуто
то равновесие между процессами, погло¬
щающими кислород и его развивающими,
при котором сохраняется в целой массе
атмосферного кислорода определенное
количество свободного кислорода.Д. И. Менделеев22.1. Элемент, простое веществоКислород — элемент 6-й группы II периода. Впервые идентифицирован как самостоя¬
тельный элемент Шееле (1770 г., Швеция) и Пристли (1774 г., Англия). Кислород являет¬
ся самым распространенным элементом земной коры, где его содержание в виде силикатов,
карбонатов, воды и других оксидов и кислородных солей составляет 55%. Много его и в ат¬
мосфере — 20,95% по объему. Его масса в воздухе составляет около 1,1 *1015т.Весь свободный кислород — результат фотосинтеза, продуктивность которого составляет2,5-1011 т в год. Практически весь этот кислород потребляется животными и человеком для
удовлетворения его промышленных нужд. Первичная атмосфера Земли кислорода почти не
содержала и состояла из азота, водорода, метана и некоторых других газов. Постепенное вы¬
свобождение кислорода в результате геохимических процессов, а также вследствие деятель¬
ности анаэробных микроорганизмов вызвало смену восстановительной атмосферы на окис¬
лительную, а это привело к изменению образа существования и к тому, что кислород стал
использоваться живыми организмами.Кислород играет незаменимую физиологическую роль. Без него невозможны многочис¬
ленные жизненно важные процессы. Только немногие живые организмы, называемые ана¬
эробами, могут обходиться без кислорода. Экзотермическая реакция кислорода со многими
биомолекулами, прежде всего с глюкозой, является энергетическим источником организма.
Кислород входит в состав многих неорганических биомолекул — воды, фосфат-, карбонат-
ионов и др. В качестве элемента-органогена кислород порождает множество кислородсодер¬
жащих органических биомолекул и присутствует в кислородсодержащих функциональных
364ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVгруппировках — спиртовой, фенольной, эфирной, альдегидной, кетонной, карбоксильной,
сложноэфирной, амидной группах углеводов, липидов, пептидов, гормонов и др. Их взаимо¬
превращения служат основой большинства метаболических процессов, составляющих сущ¬
ность жизни. С участием кислорода или его соединений связывают и некоторые частные
жизненные проявления, например, фагоцитарные, то есть защитные функции организма.Высокая энтальпия ионизации (1313 кДж/моль), высокая энтальпия сродства к элект¬
рону (142 кДж/моль), а следовательно высокая электроотрицательность (ОЭО = 3,5), усту¬
пающая лишь фтору, а также малый радиус атома (0,75 А) сообщают кислороду свойства
сильного окислителя, с одной стороны, и полярный характер связей с его участием, с дру¬
гой стороны, причем электроны таких связей смещены к атому кислорода.В соответствии с этим и с электронной конфигурацией кислород принимает степени
окисления 0, -1 и -2. Исключение составляют его соединения со фтором, например, ди¬
фторид кислорода OF2, где он имеет степень окисления +2.В нулевой степени окисления элемент кислород может находиться в двух аллотропных
модификациях — в виде кислорода 02 и озона 03.Молекула кислорода устроена необычно. Ее структура не может быть описана с помо¬
щью метода валентных связей. Удовлетворительное описание молекулы кислорода дает
метод молекулярных орбиталей (см. табл. 2.6). В соответствии с этим в молекуле кислоро¬
да имеется тройная связь, а сама молекула представляет собой бирадикал с параллельными
спинами неспаренных электронов, а следовательно обладает парамагнетизмом, то есть струя
кислорода отклоняется в магнитном поле. Такая молекула кислорода носит название трип-
летного кислорода (триплет 302).i 0:::0 i —»: 6::0: —> 4 0:::б Т 302 -> Ю2Триплетный кислород имеет энергию диссоциации на атомы 496 кДж/моль. Эта высокая
величина служит кинетическим фактором относительной химической инертности кислоро¬
да, что служит одной из причин нахождения кислорода в свободном состоянии в атмосфере.
Нет нужды объяснять значение этого обстоятельства для существования живых существ.Молекулярный кислород применяется в медицине при гипоксических состояниях, сер¬
дечно-сосудистых заболеваниях, отравлениях цианидами и угарным газом, в отдельных слу¬
чаях в неврологической практике. Возможны три варианта употребления кислорода: дыха¬
ние чистым кислородом, оксигенобаротерапия, то есть помещение пациента в атмосферу
кислорода, иногда под давлением в несколько атмосфер, и введение кислорода в желудок в
виде так называемого кислородного коктейля. При этом необходимо помнить, что в избы¬
точных дозах кислород токсичен. Не следует забывать об опасности работы с чистым кис¬
лородом, в атмосфере которого многие обычно негорючие материалы становятся легко вос¬
пламеняемыми и даже взрывоопасными. Это нередко служит причиной несчастных случаев
в клинической практике.При возбуждении триплетного кислорода под действием света происходит электронная
перестройка триплетной молекулы 302, в результате чего возникает молекула, так называ¬
емого синглета I. На это требуется энергия 92 кДж/моль. Такой кислород нестабилен и бы¬
стро распадается. Период его полураспада составляет 45 минут.При дальнейшем возбуждении происходит еще одна трансформация молекулы кислоро¬
да, и возникает молекула кислорода синглет И. Это возбужденное состояние кислорода еще
менее стабильно: его период полураспада составляет 10~10 секунды. На его образование из
синглета 1 требуется 63 кДж/моль. В целом же на переход триплетного кислорода в синглет
II необходимо затратить 155 кДж/моль. Таким образом, под действиеч света происходит об¬
ГЛ. 22]КИСЛОРОД365разование активных синглетных форм кислорода Ю2, причем их активность тем больше, чем
сильнее энергия облучения, и чем больше время экспозиции.С образованием синглетных форм кислорода на свету связано важное физиологическое
явление — фотодинамическое действие. Суть его состоит в следующем. Существует груп¬
па веществ, в том числе и в составе биосред (к ним, в частности, относятся пигменты крови),
которые высоко чувствительны к действию света, и, поглощая квант, переходят в возбужден¬
ное состояние. Эти вещества обладают и другой особенностью — способностью передавать
энергию возбуждения молекулам кислорода, переводя их тем самым в синглетное состояние.
Такие вещества называют сенсибилизаторами (S). Синглетный кислород, будучи химиче¬
ски активным, реагирует с биомолекулами в биосредах, например, с белками и, соединяясь
с ними, вызывает их последующее разрушение.Фотодинамическое действие — это повреждение биоструктур при поглощении света пиг¬
ментами в присутствии кислорода. Простейший пример фотодинамического действия —
солнечный ожог. С ним также связаны воспалительные процессы, интоксикация продукта¬
ми разрушения биоструктур, канцерогенез и другие патологические явления. Для защиты
организма в нем вырабатываются специальные вещества — тушители (Т), которые пере¬
хватывают молекулы возбужденных сенсибилизаторов. К ним относят, например, холесте¬
рин и витамин А. Следует сказать, что в отдельных случаях фотодинамическое действие
используют в лечебных целях, например, для поднятия общего тонуса, для чего порцию
крови пациента подвергают дозированному ультрафиолетовому облучению.Химические свойства кислорода определяются, в частности, наличием в его молекуле
неподеленных электронных пар. Это определяет его способность к координации с катионами
металлов в качестве лиганда, а с биомолекулами — в роли биолиганда. Это чрезвычайно важ¬
но для обеспечения процесса дыхания. Дело в том, что растворимость кислорода в воде не¬
велика — 3,1 объема кислорода в 100 объемах воды, чего совершенно недостаточно для обес¬
печения процессов жизнедеятельности. К тому же поступление кислорода в ткани за счет
пассивного процесса диффузии не может снабдить их кислородом в достаточной мере. Та¬
ким образом, необходимы биомолекулы-переносчики кислорода, которые, с одной стороны,
должны достаточно прочно связывать кислород, а с другой — легко высвобождать его.Такими свойствами обладают молекулы гемоглобина, содержащие катионы железа, и
молекулы белков-гемоцианинов, которые являются переносчиками кислорода у моллю¬
сков, ракообразных и пауков. Гемоцианины содержат катионы меди. Существуют синте¬
тические комплексы катиона кобальта с аминокислотами, которые также могут связывать¬
ся с кислородом. Эти комплексы служат моделями для изучения свойств кислорода как
биолиганда.Кислород, диффундирующий в кровь человека, связывается с гемоглобином и в виде
оксигемоглобина потоком крови переносится в капилляры. Оксигемоглобин высвобожда¬
ет в капиллярах кислород, который, диффундируя через их стенки, частично связывается
далее в комплексное соединение с железосодержащим веществом миоглобином (для накоп¬
ления кислорода в тканях и поддержания необходимого парциального давления). Основная
же часть кислорода в клетках расходуется на метаболические процессы. Один литр крови од¬
норазово переносит 250 мл кислорода. Следует сказать, что лишь пятая часть вдыхаемогоТ
366ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.1Vкислорода связывается гемоглобином. Однако избыток кислорода обязателен, так как обес¬
печивает необходимую для эффективной диффузии кислорода концентрацию.Еще одна разновидность кислородных комплексов, играющих существенную биохими¬
ческую роль, — комплекс кислорода с цитохромом Р-450 (см. гл. 35), выполняющим необ¬
ходимую роль в окислительных превращениях органических молекул в организме.Важнейшее свойство кислорода — его окислительная способность. Большинство элемен¬
тов Периодической системы энергично взаимодействуют с ним, превращаясь в оксиды. Боль¬
шинство органических веществ также окисляется кислородом. Хорошо известны различные
виды окисления — ржавление, коррозия, горение, гниение, скисание пищевых продуктов и т. д.Восстановление кислорода в водных растворах, которое имеет место в живых системах,
описывается известным уравнением:02 + 4Н+ + 4е <=>2Н20 (<р = 0,059pH).Как уже отмечалось, величина редокс-потенциала этой полуреакции в биосредах состав¬
ляет +0,80 В. Эта относительно невысокая величина является термодинамическим факто¬
ром, обеспечивающим существование биологических систем.Данная полуреакция распадается на ряд элементарных этапов, подчиняющихся своим за¬
кономерностям, знание которых необходимо для понимания механизма связывания кисло¬
рода с биосубстратом:02 + Н+ + е<р>*Н02
Н02 + Н+ + е <=> Н202
Н202+ Н+ + е <=> Н20 + 'ОН
•0Н + Н+ + е<=>Н20Для клетки важно, чтобы происходила полная утилизация кислорода. Если процесс вос¬
становления нарушается, то образуются различные активные формы кислорода, способству¬
ющие свободнорадикальному окислению биосубстратов.22.2. Супероксид-анион-радикалПервый этап восстановления кислорода начинается с еще более простой стадии — при¬
соединения электрона к молекуле кислорода:02 + е <=> 02*В результате возникает чрезвычайно активная частица — супероксид-анион-радикал кис¬
лорода 02*. Редокс-потенциал этой полуреакции составляет -0,3 В. Такая невысокая вели¬
чина самой первой стадии связывания кислорода служит еще одним термодинамическим
фактором, понижающим химическую активность кислорода.Супероксид-анион-радикал кислорода играет существенную роль в ряде биохимических
процессов. Хотя его образование и является первой стадией трансформации кислорода в
молекулу воды, в обычных условиях биологического окисления превращение кислорода в
воду осуществляется с участием цитохромов без промежуточной генерации супероксид-ани-
он-радикала. Однако за счет паразитарных химических реакций, происходящих в проме¬
жуточных стадиях дыхательной цепи, до 2% кислорода в биосредах дает супероксид-ани¬
он-радикал (рис. 22.1). В малых количествах (не более 1-2%) он образуется и в результате
окислительно-восстановительных процессов в молекуле оксигемоглобина:HHb(Fe2+)02<=± HHb(Fe3+)02* <=> HHb(Fe3+) + 02‘
ГЛ. 22]КИСЛОРОД367В результате возникает метгемоглобин, содержащий ион
железа 3+ и не способный переносить кислород.Супероксид-анион-радикал далее вовлекается в окис¬
лительные превращения. Так как он чрезвычайно активен,
существует специальный фермент, ответственный за его раз¬
рушение — супероксид-дисмутаза (Е), содержащий катион
Cu2+ [Е(Си2+)]. Супероксид-дисмутаза реагирует с ним по
следующей схеме:Е(Си2+) + ОГ <=* Е(Си+)+ 02Е(Си+) + 02* + 2Н+ <=> Е(Си2+) + Н202Таким образом, химически активный супероксид-ани-
он-радпкал заменяется менее реакционноспособными мо¬
лекулами кислорода и пероксида водорода, который далее
разлагается под действием фермента каталазы, превраща¬
ясь в кислород и воду. В тех случаях, когда концентрация
суперокспд-анион-раднкала оказывается аномально высо¬
кой, он вступает в реакции с бносубстратом, разрушая его.R-H + Oj* —> R-O-O" + Н*о2- + н,о->но2 + он-H02 + R-H-*R-0-0*+H2Именно такие превращения имеют место при лучевом поражении, когда выбитый у-кван-
том из молекулы воды электрон захватывается молекулой кислорода плазмы крови. Это яв¬
ление носит название кислородного эффекта при раднолизе биосред. Оно значительно усу¬
губляет действие облучения.Одна из наиболее популярных современных теорий старения организма объясняет это
явление продукцией активных форм кислорода — супероксид-анион-радикала и образую¬
щихся из нее перекиси водорода и радикала гидроксила.Супероксид-анион-радикал кислорода образует соединения с катионами щелочных ме¬
таллов — супероксиды. Супероксиды используются в системах автономного жизнеобеспе¬
чения в соответствии с реакцией:4К02 + 2С02—> 2К2С03 + 30222.3. ОзонОзон — другая аллотропная разновидность кислорода. Он образуется при облучении
кислорода, а также при тихом электрическом разряде в кислороде. Его получение можно вы¬
разить тремя последовательными стадиями.Ю,+ '02-> Оз + О
02 + О —> О3Строение молекулы озона можно представить с учетом существования донорно-акцеп-
торного взаимодействия между молекулой кислорода (донор) и кислородным атомом (ак¬
цептор).НАД4АТФ i-JX/'аоАТФ^->еЦитохромы°qеНоОНоО2^2Рис. 22.1. Образование супероксид-
анион-радикала в процессе переноса
электронов в дыхательной цепи.
368ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVО spsp3 О Ojp30=0-»0 о<-о=оПоскольку молекула озона в таком виде может быть представлена двумя граничными
структурами, то ее истинное строение есть их суперпозиция, что приводит к заключению о
нелинейном строении молекулы озона с одинаковыми концевыми атомами кислорода.Молекула озона нестабильна. Это выражается в положительной величине энтальпии ре¬
акции его образования:Поэтому характерным свойством озона является его разрушение с образованием моле¬
кулярного и атомарного кислорода. Если при малых концентрациях озона этот процесс идет
спокойно, то в газовых смесях, сильно обогащенных озоном, распад озона может происхо¬
дить со взрывом.Другое свойство озона — высокая окислительная способность в соответствии с уравне¬
нием:Величина стандартного редокс-потенциала составляет +2,07 В. Расчет показывает, что
в биосредах при pH = 7,4 величина редокс-потенциала этой реакции составит +1,63 В. Так
как величины потенциалов биосред лежат ниже +0,80 В, их органическое вещество будет не¬
медленно подвергаться окислению при контакте с озоном. По этой причине озон применя¬
ется для дезинфекции, и обработка воды озоном для ее обеззараживания — одна из возмож¬
ных стадий водоподготовки. Озон крайне токсичен (его летальная доза в воздухе — 1%) и
вызывает поражение дыхательных органов и кожи.Примером окислительных свойств озона является реакция обнаружения озона:Реакция озона с органическими веществами происходит различно для предельных и не¬
насыщенных соединений. Для насыщенных молекул идет гомолитический процесс образо¬
вания радикалов:что приводит к необратимой деструкции таких молекул.Алкены и другие соединения с кратными связями присоединяют озон по двойной свя¬
зи с образованием неустойчивых и взрывоопасных озонидов, представляющих собой пяти¬
членные кислородные гетероциклы. Озониды необратимо разрушаются водой, в результа¬
те чего получаются карбонильные соединения, альдегиды или кетоны, строение которых
зависит от природы и числа заместителей при двойной связи исходного алкена.Это означает, что озонирование может быть использовано для нужд структурного ана¬
лиза. Действительно, эта реакция явилась ключевой для установления строения каучука.
Озонирование последнего приводит к единственному продукту — кетоальдегиду, называе¬
мому левулиновым альдегидом. Зная его строение, не составляет труда реконструировать
молекулу каучука.302—> 203 АН°= +284 кДж/моль03 + 2Н+ + 2е<=>02 + Н20.2KI + 03 + Н20 -> 12 + 2КОН + 02.R-H + 03->R02+ -он,R,Ч /\=0 + 0=/R3+ Н202алкенR2 о r4озонид
ГЛ. 22]КИСЛОРОД369-сн2-с=сн-сн2-сн2-с=сн-сн2-СН3 СН32п СНоССН,СН,СНПкаучук левулиновыиальдегидОзон играет глобальную роль для поддержания жизненных процессов на Земле, опреде¬
ляя характер поглощения солнечной радиации в атмосфере. Хотя его содержание ничтожно
мало (10"5-10-6% по объему), причем эта часть преимущественно находится в верхних слоях
атмосферы, именуемых озоновым слоем, уникальная способность озона поглощать радиацию
с длиной волны менее 290 нм, то есть наиболее активную в биологическом отношении, служит
защитой биосферы от этого излучения. Присутствие в атмосфере веществ, вызывающих раз¬
рушение озонового слоя приводит к неблагоприятным экологическим последствиям.Например, механизм разрушения озона в присутствии фреонов (чаще всего, CF3C1 и
CF2C12) выглядит следующим образом. Под действием ультрафиолетового излучения сна¬
чала происходит гомолитический распад молекулы фреона:CF3C1 -^CFj'+Cl'.а затем свободный атом хлора атакует молекулу озонаС1 + 03—^ СЮ + 02,после чего имеет место реакция возникающего свободного радикала с атомарным кислоро¬
дом, образующегося при действии радиации на молекулу кислорода:сю- + о->сг + о2.А итоговое превращение озона в кислород выразится уравнением:03 + О —^ 202.Стабильные фреоны широко применяются в аэрозолях и в качестве хладоагентов, вслед¬
ствие чего их концентрация в атмосфере растет.22.4. ПероксидыПри неполном двухэлектронном восстановлении кислорода в растворах происходит обра¬
зование соединения кислорода со степенью окисления -1 — пероксида водорода (термин «пе¬
роксид» — номенклатурное название соединений с группировкой -0-0-. В биохимии до сих
пор для такого рода соединений широко используется тривиальное название «перекись»):02 + 2Н+ + 2е <р± Н202Химические свойства этого соединения определяются двумя обстоятельствами. Во-пер-
вых, его молекула содержит связь О-О, имеющую малую прочность (Есв = 146 кДж/моль),
следовательно пероксид водорода легко разрушается. Во-вторых, промежуточное значение
степени окисления кислорода в ее молекуле сообщает ей свойства и окислителя, и восста¬
новителя в соответствии с уравнениями:Н202 + 2е + 2Н+ <=> 2Н20 (<р° = +1,78 В)Н202 - 2е & 2Н+ + 02 (ф° = +0,68 В)
370ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVТак как восстановление кислорода в растворах до пероксида — промежуточная стадия
связывания кислорода в биосрсдах, и поскольку пероксид водорода является химически
активным веществом, в живых системах должны существовать способы утилизации это¬
го вещества.В соответствии с этим в организме существуют два фермента, отвечающие за разложе¬
ние пероксида водорода. В частности, днспронорцпоппровапнс пероксида водорода на кис¬
лород и воду происходит с участием фермента каталазы.2Н202 ка1У.1аз1.) 02+2Н20Восстановление пероксида до воды регулируется посредством фермента пероксидазы.и л , s иероксидаза 4 п a i ОКИСЛеННЫИН202 + субстрат —2 > Н20 + субстратСледует отметить, что до 15% кислорода, участвующего в биопроцессах, проходит через
промежуточную стадию образования пероксида водорода. Иными словами, пероксид водо¬
рода — эндогенны и метаболит.Пероксид водорода в организме участвует в механизмах детоксикации п пнтокснкацпи,
транспорте глюкозы через мембраны и других процессах.В частности, пероксид водорода участвует в детоксикации сульфит-иона, являющегося
одним из промежуточных продуктов метаболизма сернистых соединении, окисляя после¬
дний до нетоксичного сульфат-иона по уравнению:SO;^+ H,0,->S0? + Н,0Как уже отмечалось ранее, пероксид водорода участвует в механизме защитного бакте¬
рицидного действия лейкоцитов:11.0, + 2С1- + 21Г-> С1, + 2Н,0Оказалось, что пероксид водорода по аналогии с вышеприведенной реакцией вовлечен
в процесс биосинтеза некоторых хлорсодержащих антибиотиков, способствуя введению ато¬
ма хлора в их структуру:11.0, + Cl + R-H + 1Г-> R-C1 + 2Н,0Токсическое действие пероксида водорода заключается в его реакции с гемоглобином, в
результате чего происходит окисление катиона Fe2r в Fe*'-катион:11.0, + Fe-+ -> Ее*' + ОН + 'ОНОбразование в этой реакции гидроксильного радикала усугубляет ситуацию.Пероксид водорода окисляет серосодержащие тиольпые п сульфидные группы ферментов:311,0, + R-SI I -> R-S0 J1 + 311,0211.0, + R-S-R' -> R-SO,-R' + 211,0Пероксид водорода представляет собой жидкость, которая в чистом виде разрушается, а
потому используется в виде водных растворов различной концентрации крепостью не выше
30%. Учитывая высокую химическую и физиологическую активность пероксида водорода,
ее употребляют в качестве дезинфицирующего средства, а также для отбеливания тканей, по¬
скольку пероксид водорода окисляет и пигменты, обесцвечивая их. Как сильный окислитель,
пероксид водорода находит применение в качестве компонента ракетного топлива.
ГЛ. 22]КИСЛОРОД371Пероксид водорода представляет собой очень слабую кислоту, однако замещение атомов
водорода в ней возможно, что порождает три разновидности пероксидов.Замена атомов водорода катионами щелочных и щелочноземельных металлов даст се¬
мейство солей — пероксидов металлов (например, Na202), которые используют в химиче¬
ской практике как сильные окислители.Замещение водородных атомов остатками кислородных кислот дает класс пероксокис-
лот (моно- при замене одного атома водорода и ди- при замещении обоих).О О ОII II IIHO-S-O-O-H HO-S-O-O-S-OHII II IIо о опероксомоносерная псроксод и сернаякислота кислотаСоли этих кислот, как и сам пероксид, находят использование в качестве отбеливателе!”!.22.5. Органические пероксидыЭти соединения можно рассматривать как производные пероксида водорода, в молекуле
которого атомы водорода заменены органическими радикалами. Соответственно, различают
гидропероксиды (ROOI I) и пероксиды (ROOR'). Среди различных способов получения этих
соединений наиболее распространенным является окисление органических веществ, зачастую
происходящее на воздухе.У разветвленных алканов легче всего окисляются третичные атомы углерода.СН3 СН3СНз-С-Н + 02н> СНз-С-ООН ™'iPor'eP°KC™J | 1 6 | третбутилаCH3 СН3В алкенах окислению подвергаются атомы углерода, соседние с двойной связью. Именно
эти атомы затрагиваются при пероксидном окислении липидов в организме (см. также гл. 29).
R-CH2-CH=CH-R' + 02 -► R—СН—СН=СН—R'Iо-о-нПроцесс образования гидропероксидов является гомолитическим и, следовательно, ини¬
циируется ультрафиолетовым или гамма-излучением. Он сопровождается образованием
свободных радикалов, так как связь кислород-кислород легко разрушается:ROOM —> RO* + ’ОН (оксильпые радикалы).При этом образуются так называемые оксильные радикалы. Способность перекисей и
гидроперекисей к распаду па свободные радикалы позволяет использовать некоторые из них
как инициаторы в процессах полимеризации.В живом организме образование органических пероксидов и гидропероксидов интенсив¬
но происходит из липидов биомембран.Механизм этого явления по современным представлениям выглядит следующим образом.
Под воздействием определенных ферментов образуются свободные радикалы липидов (RH)RH —> R* + *Н.
372ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVДалее активные формы кислорода (возникающие в тканях ферментативным способом)
окисляют возникшие свободные радикалы:R* + 02-> R02- И’ + 02 -> Н02*Возникшие пероксидные радикалы атакуют молекулы биосубстрата по гемолитическому
механизму с образованием гидропероксидов, причем процесс будет продолжаться, так как
сопровождается появлением новых радикальных частиц:R02- + R'H -> ROOH + *R' H02’ + R'H -> R'OOH + ’H.Весьма неустойчивые гидропероксиды легко разрушаются, образуя оксильные радика¬
лы (см. выше), также атакующие биосубстрат. В результате таких процессов получается
сложная гамма веществ — активных радикалов и продуктов их последующих реакций с био¬
субстратом. Свободные радикалы вызывают существенные изменения в молекулах липидов,
нуклеиновых кислот, ферментов, других белков и прочих биомолекул.Это явление, которое имеет место в тканях организма, представляет собой нормальный
физиологический процесс и называется пероксидным окислением липидов. Превышение
нормы пероксидного окисления липидов — показатель патологических состояний, связан¬
ных с активацией гемолитических превращений под действием таких факторов, как луче¬
вое поражение, рана, травма и др. Показано, что пероксиды липидов являются промежуточ¬
ными веществами биосинтеза ряда гормонов и других физиологически активных веществ и
вызывают процесс обновления липидного состава биомембран. Органические гидроперок¬
сиды обнаружены во многих органах и тканях человека.На важное биохимическое значение процессов образования пероксидов указывал еще в
конце XIX века А. Н. Бах. В настоящее время им придается важное значение при объясне¬
нии старения организма, мутагенеза, канцерогенеза, лучевой болезни и др.22.6. ОксидыС большинством простых веществ кислород реагирует с образованием оксидов — со¬
единений кислорода со степенью окисления -2. Высокий редокс-потенциал и определя¬
ет нахождение большинства элементов Периодической системы в виде кислородных сое¬
динений — силикатов, фосфатов, оксидов металлов и их солей с кислородсодержащими
кислотами.Свойства оксидов в периодах и группах изменяются закономерно в зависимости от
структуры электронных оболочек элементов, образующих соответствующие оксиды, что
видно из данных таблицы 22.1.Таблица 22.1Оксиды III периодаОксидNa20MgOА1203Si02р2о5so3С1207ГидроксидNaOHMg(OH)2А1(ОН)3H2Si03i Н3Р04H2S04НС104Характе¬ристикагидроксидащелочьоснованиесреднейсилыамфолитслабаякислотасредняякислотасильнаякислотаоченьсильнаякислота
ГЛ. 22]КИСЛОРОД373По мере роста электроотрицательности в ряду натрий — хлор меняется природа оксида: от
основных оксидов натрия и магния до ангидридов кислот в случае оксидов кремния, фосфора,
серы и хлора. Это легко прослеживается и на изменении свойств соответствующих гидроксидов
(Х-О-Н), где имеет место переход от очень сильного основания через амфотерное соединение
к сильной кислоте. Если X — электронодонорный элемент, например атом активного металла
(Na), то мы имеем дело с гидроксидом, для которого характерны основные свойства, так как связь
Х-0 более полярна, чем О-Н. В случае когда X — электроноакцепторный элемент (Cl, S), по¬
лярность связи Х-О уменьшается, а связи О-Н возрастает, для этих соединений характерны
кислотные свойства. В промежуточном варианте имеется возможность проявления и кислотных
и основных свойств — т.е. гидроксиды проявляют свойства амфолита (А1).Итак, кислород со степенью окисления -2 формирует широкую серию неорганических
соединений — оксидов, оснований, кислородсодержащих кислот и их солей. Соединение
кислорода в этой степени окисления с органическими радикалами порождает спирты, фе¬
нолы и простые эфиры.22.7. Спирты, фенолы22.7.1. Классификация и номенклатураСпиртами называют органические вещества, представляющие собой соединения алифа¬
тического радикала с одной или несколькими гидроксильными группами, а фенолами — со¬
единения из гидроксигрупп и ароматического радикала. По числу гидроксигрупп в молекуле
спирты и фенолы подразделяют на одно-, двух-, трехатомные (или в общем случае много¬
атомные). Примером двухатомного спирта является этиленгликоль; примером двухатомного
фенола — дигидроксибензол в трех своих изомерах — орто-,мета- и пара-. Глицерин — трех¬
атомный спирт.ОНСН2ОНIСН2ОНэтилен¬гликольОНорто-мета-дигидроксибензолыСН2ОНIСНОНIСН2ОНглицеринОдноатомные спирты, в зависимости от радикала, с которым связана группа ОН, подраз¬
деляются на первичные, вторичные и третичные. Примеры: этиловый спирт — первичный,
изопропиловый спирт — вторичный, mpe/77-бутиловый спирт — третичный.СН3 СНз3 IСН3-СН2-ОН )CH-OH СНз-С-ОНсн,СН3этиловый изопропиловый трет- бутиловыйспирт спирт спирт
374ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVПо международной номенклатуре группе ОН, как функциональному определителю клас¬
са спиртов, соответствует окончание -ол в названии соединения. В том случае, когда она яв¬
ляется заместителем, ей соответствует название гидрокси- (ранее использовалось название
окси-). Для некоторых спиртов широко употребляются тривиальные названия:СН3СН2СН2СН20Н СН3СН2СНСН3н-бутиловый
спиртбутанол-1ОНСН3СНСН2ОНСН3тривиальныевтор- бутиловый изобутиловыйспирт спиртмеждународныебутанол-2 2-метил-пропанол-1СН3iсн3-с-онСНятрет -бутиловый
спирт2-метил-пропанол-222.7.2. Способы получения спиртов и феноловСпирты можно синтезировать следующими способами:— каталитическим окислением алканов (см. разд. 20.3.1);— гидратацией алкенов (см. разд. 20.3.2);— нуклеофильным замещением галогена в галогенопроизводных под действием водно¬
го раствора щелочи (см. разд. 21.3);— восстановлением карбонильных соединений — альдегидов и кетонов; из альдегидов по¬
лучаются спирты первичные, а из кетонов — вторичные (см. разд. 26.3);— взаимодействием первичных аминов с азотистой кислотой (см. разд. 24.3).Глицерин получают гидролизом липидов (см. разд. 29.4) или хлорированием пропена споследующим действием щелочью.СН3-СН=СН2 ——■> СН2С1-СН=СН2 нос1> сн2-сн-сн2 NaOH. сн2-сн-сн2Cl, III IIICl ОН Cl он он онДругой вариант промышленного синтеза глицерина — окисление пропена до акролеина,
с последующим присоединением пероксида водорода и восстановлением.сн2=сн-сн3-^ сн2=сн-сн=о-5^- сн2-сн-сн=о-^ сн2-сн-сн2II IIIон он он он онВ промышленности фенол в основном получают окислением кумола (изопропилбензо-
ла), при этом синтезируется и другой ценный продукт — ацетон.сн3 сн3 ООН
ЧСН/ CH3-C-CH3 он- (fj) —* (fj) + снзсоснзацетон[О]кумол фенол
ГЛ. 22]КИСЛОРОД375Фенол извлекается из каменноугольной смолы — действием на нее сначала щелочи, а за¬
тем, для нейтрализации, — кислотами. Кроме того, фенол можно получить из бензолсуль-
фокислоты (см. разд. 23.5) и гидролизом хлорбензола в жестких условиях.22.7.3, Свойства спиртов и феноловСвойства спиртов и фенолов во многом определяются свойствами гидроксильной груп¬
пы, входящей в состав их молекул.Если говорить о физических свойствах гидроксисоединений, то способность гидроксильных
групп образовывать водородные связи объясняет тот факт, что простейшие спирты — метанол,
этанол — кипят при сравнительно высокой температуре (65 и 78 °С, соответственно), а фенол —
даже не жидкость, а твердое вещество. По той же причине низшие гомологи спиртов и много¬
атомные спирты хорошо растворимы в воде. Однако по мере усложнения углеводородного ра¬
дикала растворимость спиртов в воде понижается, зато возрастает липидная растворимость.Высшие жирные спирты (С12-С20) обладают большой поверхностной активностью и по¬
этому широко используются в качестве моющих средств. Они обладают тем достоинством,
что усваиваются микроорганизмами, и, следовательно, хороши в экологическом отношении.
В настоящее время этих веществ в мире производится более 1 млн тонн в год.В водных растворах спирты и фенолы ведут себя как слабые кислоты; они диссоцииру¬
ют с образованием алкоголят-ионов или фенолят-ионов, соответственно.Н-О • • • Н-О • • • Н-О ROH ^ RO” + Н+ рКа 15-17| | | алкоголятR R R АгОН^АгО" + Н+ рКа 9-11водородные связи фенолятВследствие электронодонорных свойств алкильного заместителя (R—ЮН) кислотные
свойства у спиртов выражены слабее, чем у воды. Реакция нейтрализации для спиртов об¬
ратима, причем равновесие сильно смещено в сторону исходных веществ, однако отвечаю¬
щие им соли — алкоголяты — легко получить, воздействуя на спирты активными металла¬
ми (например, натрием или калием). Кислотные свойства фенолов выражены значительно
сильнее и фенолы легко нейтрализуются щелочами. Это объясняется, во-первых, большей
полярностью связи О-Н из-за +М-эффекта, и значительной стабилизации сопряженного
основания фенола (феноксид-иона) за счет делокализации отрицательного заряда с участи¬
ем ароматической системы:0%н^со-+ н.Необходимо знать, что спиртовая группа входит в
состав природных аминокислот белков серина и трео¬
нина, а фенольная — тирозина, а следовательно, сооб¬
щает тому участку полипептидной цепи, где находят¬
ся эти аминокислоты, соответствующие химические
свойства.Подвижный атом водорода в спиртах и фенолах мо¬
жет замещаться не только металлом, но и кислотным ос-I- пОНтирозинеринбелоктком — ацилом (от лат. acid— кис-
376ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVлый). Ацилирование спиртов кислотами приводит к образованию сложных эфиров. Процессэтот называют этерификацией.ROH + НОАс <=> ROAc + НОН.
спирт кислота сложный эфирЭтерификация под действием серной кислоты приводит к образованию алкилсерных
кислот, например:С2Н5ОН + H0S03H C2H50S03H + НОНэтанол этилсерная кислотаНитроэфиры образуются при этерификации под действием азотной кислоты. В частно¬
сти, из глицерина получают тринитрат глицерина, взрывчатое вещество, обычно называе¬
мый нитроглицерином.ch2ono2CHONO, < 3HN°3CH,ONO,тринитратглицерина-ЗН20 |СН2ОНСНОНСН,ОНнзр(Ч СНОН о-НоОСН,ОНсн2о-р-онIсн2он оI IIСНО - Р-ОНСН9ОН ононглицерофосфатыСН2ОНСНОН оI IIсн2о-р-оI IО—Са
глицерофосфат
кальцияПодобно другим нитроэфирам, нитроглицерин обладает сосудорасширяющим действием
и поэтому служит лекарством.Взаимодействуя с фосфорной кислотой, спирты образуют алкилфосфаты. В медицине
находит применение глицеринфосфорная кислота (глицерофосфат) в виде кальциевой соли
(глицерофосфат кальция — средство от упадка сил и истощения нервной системы).Реакция фосфорной кислоты со спиртами играет важную биологическую роль, в частно¬
сти, нуклеиновые кислоты — эфиры фосфорной кислоты и нуклеозидов, а фосфолипиды —
производные глицеринфосфорной кислоты — входят в состав нервных клеток.Из-за низкой нуклеофильности кислородного центра реакция этерификации карбоно¬
выми кислотами фенолов идет медленно, поэтому для получения сложных эфиров фенола
используют ангидриды или галогенангидриды карбоновых кислот:/)СНЧ-С + С.НсОН\XX = галоген, OCOR,0сн3-с + нх
чо-с6н5фениловый эфир
уксусной кислоты
(фенилацетат)Ацилирование гидроксильных групп серина, треонина и тирозина белков — важная ме¬
таболическая реакция.Кроме кислотных свойств спирты могут проявлять и слабые основные свойства за счет
неподеленной пары электронов на кислородном атоме, образуя алкилоксониевый катион:'нR-0-H +Н+<=>R-0X
•\Н
ГЛ. 22]КИСЛОРОД377Безводные спирты при нагревании (Т < 140 °С) в присутствии концентрированной сер¬
ной кислоты подвергаются межмолекулярной дегидратации с образованием простых диал-
киловых эфиров:. +/Н -Н20 r-0-НR-O-H + Н+ ^ R-0 R R-0-R + Н+Н простой эфирВнутримолекулярная дегидратация с образованием алкенов идет при избытке кислоты
и температуре выше 150 °С. При этом отщепление воды идет с выполнением правила Зай¬
цева (см. разд. 20.3.6).Спирты легко подвергаются окислению, в результате чего первичные спирты образуют
альдегиды, а вторичные — кетоны.СН3СН2ОН *3 СН3СН=0 СН3СНСН3 СН3ССН3
[Н] I [Н] IIон оацетальдегид ацетонЭти процессы составляют промежуточную фазу окислительных клеточных процессов,
происходящих под воздействием ферментов, и носят обратимый характер.Третичные спирты в мягких условиях не окисляются, а в жестких претерпевают слож¬
ные превращения с разрывом углерод-углеродных связей, ближайших к гидроксилу, с об¬
разованием карбоновой кислоты и кетона.При окислении первичной спиртовой группы глицерина образуется глицериновый аль¬
дегид, а при окислении вторичной — дигидроксиацетон:сн=о сн=о СН2ОН СН2ОНI I [01 I [О] IН-С-ОН + НО-С-Н « „ ' СНОН с=о| | -Н20 | -Н20 IСН2ОН СН2ОН СН2ОН СН2ОНглицериновый глицерин дигидроксиацетональдегидОкисление глицерина в дигидроксиацетон и глицериновый альдегид является обрати¬
мым биохимическим превращением, связывающим между собой липиды (глицерин — их со¬
ставляющая) с углеводами (по сути дигидроксиацетон и глицериновый альдегид являются
простейшими представителями природных углеводов).Один из атомов углерода (атом С-2) в молекуле глицеринового альдегида асимметри¬
чен — он содержит четыре различных заместителя. Поэтому глицериновый альдегид может
существовать в виде двух энантиомеров (рис. 22.2).Стереоизомеры глицеринового альдегида можно изобразить на плоскости с помощью так
называемых проекционных формул Фишера. Для этого пространственное изображение хи-
ральной молекулы располагают так, чтобы вверху оказалась наиболее окисленная группа,
а ближе к наблюдателю — атом водорода и функциональный заместитель с гетероатомом
(ОН, NH2 и другие группы). Далее это изображение проецируется на плоскость, как это
показано на рис. 22.3.Проекционные формулы глицеринового альдегида можно представить упрощенно, не
изображая асимметрических атомов углерода (рис. 22.3, а), и совсем упрощенно — не изоб
ражая также атомов водорода при асимметрических атомах углерода (рис. 22.3, б).
378ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVРис. 22.2. Шаростержневые модели эпаптиомеров глицеринового альдегида.н-проекционные формулысн=о сн=о сн=о
-он ОН НО-СН9ОНСН2ОНDСН2ОНLперспективная v v , v ,модель a 5Рис. 22.3. Стереоизомерия глицеринового альдегида.По предложению М. А. Розанова фишеровское изображение молекулы глицеринового
альдегида с правосторонним расположением группы ОН относительно асимметрического
атома углерода принято называть D-изомером, а его зеркальное отображение — L-изомером.
Однако, оказалось, что направление вращения и конфигурация вещества не всегда совпада¬
ют. Поэтому ошибочно отождествлять принадлежность вещества к D-ряду с определенным
направлением вращения светового луча, которое однозначно может быть определено толь¬
ко экспериментально. Согласно принятому обозначению направления вращения плоскости
поляризации света при прохождении его через оптически активное вещество, первому изо¬
меру приписывается знак (+) [В(+)-глицериновый альдегид], а второму — знак (-) [(L(-)-
глицериновый альдегид].Все оптические изомеры природных молекул принято производить от глицеринового
альдегида. Согласно этому, стереоизомеры, которые можно произвести без обращения кон¬
фигурации из глицеринового альдегида с правым расположением ОН-группы, относят к D-
ряду. К нему принадлежат, в частности, почти все углеводы природного происхождения. К
L-ряду относятся аминокислоты белков, так как все они имеют левое расположение аминог¬
руппы в проекционных формулах Фишера, то есть генетически связаны с L-глицериновым
альдегидом.Поскольку Д1-классификация оптических изомеров носит относительный характер,
Р. Кан, К. Ингольд и В. Прелог в 60-70-х гг. разработали так называемую ^5-номенк¬
латуру оптических изомеров, позволяющую определить их абсолютную конфигурацию
ГЛ. 22]КИСЛОРОД379и основанную на рассмотрении расположения заместителей у асимметричного атома с
учетом их «старшинства». Для того чтобы описать конфигурацию по R,5-системе, асим¬
метрический тетраэдр рассматриваемого соединения располагают в пространстве таким
образом, чтобы самый младший заместитель (на рис. 22.3 — водород) находился в наибо¬
лее отдаленном от наблюдателя углу. Конфигурация будет определяться тем, как распо¬
лагаются остальные три заместителя на грани тетраэдра, обращенной к наблюдателю. Если
в порядке уменьшения старшинства они располагаются по движению часовой стрелки, то
конфигурацию обозначают буквой R {rectus — правый); в противном случае — к 5-ряду
{sinister — левый).Определение конфигурации можно проводить и по формуле Фишера. В этом случае про¬
екцию располагают так, чтобы младший заместитель оказался внизу, а затем определяют на¬
правление чередования остальных групп в порядке падения старшинства, не забывая о том,
что в проекциях Фишера горизонтальные связи соответствуют заместителям, направленным
на наблюдателя, а вертикальные — от него.Работая с проекциями Фишера, следует также помнить о том, что их можно вращать
только в плоскости листа, на котором они изображены, ни в коем случае не выводя из этой
плоскости.Фенолы — также легко окисляемые соединения. Среди них особо следует отметить пара-
дигидроксибензол — гидрохинон, окисление которого приводит к хинону (1,4-бензохинон).
Данный процесс обратим. Практическое применение в хингидронном электроде находит эк¬
вимолекулярная смесь «хинон (X) — гидрохинон (ГХ)», именуемая хингидроном (ХГ) (см.
разд. 12.3.6). В организме подобные окислительно-восстановительные процессы реализуют¬
ся для убихинонов, входящих в состав всех клеточных мембран.гидрохинон хинонОНСНзО.^СНзсн30'
онвостановленные
убихиноны п = 6-10СН СН2)ЯН(СН{СНзТакая пара в коферменте Q (см. разд. 34.3) участвует в процессе окисления субстрата и
переноса электронов от окисляемого субстрата к кислороду, а витамины группы К, содер¬
жащие нафтохиноновую группировку, обеспечивают свертываемость крови на воздухе.Пропускание паров спирта при 200-300 °С над мелко раздробленным металлом (Си, Ag,
Pt, Pd) — приводит к реакции дегидрирования с выделением водорода и окислением спир¬
тов в альдегиды или кетоны. В организме дегидрирование спиртов происходит под действи¬
ем ферментов, но свободный водород при этом не выделяется:R-CH2-OH + НАД+—> R-CH=0 + НАД(Н) + Н+При взаимодействии спиртов с сухими галогеноводородами происходит замещение гид¬
роксильной группы галогеном. Этот процесс обратим, равновесие смещается вправо при свя¬
зывании воды. Так получают хлористый этил, который применяется в медицине в качестве
наркотического и обезболивающего средства:С2Н5ОН + НС1 <=> С2Н5С1 + Н20.
380ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVФенолы в эту реакцию не вступают. Галогенпроизводные могут быть получены из фенолов
(и из спиртов) действием пентагалогенидов фосфора или хлорангидрида сернистой кислоты.R"0H -РОВ,!-НВ? R-Br R-°H -so°-HCI - R-ClФенол благодаря электронодонорному эффекту гидроксильной группы значительно лег¬
че вступает в реакции электрофильного замещения, чем бензол. Например, фенол обесцве¬
чивает бромную воду при комнатной температуре, легко нитруется даже разбавленной азот¬
ной кислотой и вступает в реакции поликонденсации с формальдегидом.22.7.4. Важнейшие представители спиртов и фенолов, их практическое значениеМетанол. Широко используется как исходный продукт для получения формальдегида
(путем окисления). Используется также как растворитель, как антифриз и как топливо. Об¬
ладает наркотическим действием, однако сильно токсичен, — преобразуется в организме в
яды — формальдегид и муравьиную кислоту. Это превращение метанола, происходящее под
действием ферментов, служит причиной его токсического действия. Явление, когда в резуль¬
тате метаболизма из неядовитого вещества в организме образуются токсичные продукты,
называют летальным синтезом.Существует несколько способов синтеза метанола; наиболее эффективным среди них
представляется синтез из СО и водорода в присутствии катализатора:СО + 2Н2—> СН3ОН.Этанол. Применяется для производства ацетальдегида, хлороформа, диэтилового эфи¬
ра, этилена, уксусной кислоты, синтетического каучука. Используется в качестве моторно¬
го топлива, поскольку обладает высоким октановым числом. В медицине ценен как раство¬
ритель лекарственных средств. Употребляется при изготовлении алкогольных напитков.
Этанол — наркотик, возбуждающе действующий на организм; его длительное и неумерен¬
ное употребление приводит к алкоголизму.Химизм возникновения алкоголизма чрезвычайно сложен и далек от окончательного
выяснения. Однако ключевой стадией является ферментативное окисление этанола в аце-
тальдегид, последующее взаимодействие которого с некоторыми биогенными аминами вы¬
зывает образование алкалоидоподобных веществ, блокирующих рецепторы, чувствительные
к действию морфина и подобных ему наркотиков. Следует знать, что этанол является про¬
дуктом метаболизма, а следовательно, это надо учитывать при судебно-медицинских экспер¬
тизах по определению алкоголя в организме. Синтезируют этиловый спирт путем гидрата¬
ции этилена, а также спиртовым брожением углеводов.Цетиловый спирт (С16Н33ОН). Входит в состав вос¬
ковых веществ, представляющих собой сложные эфиры.
Используется для приготовления ПАВ.Ментол (5-метил-2-изопропилциклогексанол). От¬
носится к терпенам. Извлекается из растений и входит
в состав сердечно-сосудистых средств, зубных порошков
и паст.Сорбит. Один из оптических изомеров шестиатом¬
ных спиртов. Встречается в растительных источниках.
Им богаты фрукты и ягоды. Служит заменителем саха¬
ра в питании больных диабетом.СН2ОН9Нз —I— онно-он Ч—он.СН
СНз СНзсн2онментол сорбит
ГЛ. 22]КИСЛОРОД381Инозит. Также относится к шестиатомным спиртам, но имеет циклическое строение (см.
20.2.3). Содержится в мышцах, в печени, в почках, в мозгу; обладает витаминным действием.Этиленгликоль. Синтезируется путем гидратации окиси этилена (см. 20.3.2). Применя¬
ется в качестве антифриза в смеси с водой. Сильный яд по той же причине, что и метанол —
в результате летального синтеза из него образуется токсичная щавелевая кислота и другие
не менее ядовитые соединения.Глицерин. Важнейший биогенный спирт. Применяется в медицине как увлажнитель фар¬
мацевтических препаратов.Фенол и его гомологи — крезолы — используются в качестве антисептиков. Из фенола по¬
лучают лекарственные препараты, такие, как салицилаты, салол и аспирин. Все фенолы
сильно ядовиты.22.8. Простые эфирыК простым эфирам относятся соединения с общей формулой R^-O-R2, где R — алкиль¬
ный, либо арильный радикалы. Названия простых эфиров производятся от названий ради¬
калов. Например, С2Н5-0-С2Н5 — диэтиловый эфир, а С2Н5-0-СН=СН2 — этилвинило-
вый эфир. В простых эфирах атом кислорода может быть включен в цикл.V ..ОКИСЬ Оэтилена тетрагидрофуран тетрагидропиран диоксанПростейшие представители циклических эфиров — окись этилена, тетрагидрофуран, тет¬
рагидропиран, диоксан и фуран.Два из них представлены и формулами Хеуорса, широко используемыми для изображе¬
ния молекул углеводов, в которых эти циклы присутствуют.Способы получения эфиров. Эфиры можно синтезировать следующими способами:- действием алкоголятов (или фенолятов) на галогенопроизводные углеводородов:C6H5ONa + С1СН3-> С6Н5-0-СН3 + NaCl;анизол- действием спиртов на алкилсерные кислоты:C2H50S03H + С2Н5ОН -» C2H5-0-C2H5+ H0S03H;
этим способом получают также тетрагидрофуран и диоксан:ОH2so4 / \ h2so4
НОСН2СН2СН2СН2ОН ——> / \ 2НОСН2СН2ОН ►О >ог- электрофильным присоединением спиртов к ацетилену:НС=СН + НОС2Н5 н2с=сн-о-с2н5.Свойства и применение эфиров. В отличие от спиртов простые эфиры не образуют во¬
дородных связей; по этой причине они кипят при более низкой температуре. Например,
382ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVтемпература кипения диэтилового эфира 36 °С, в то время как этиловый спирт, имеющий
на два атома углерода меньше, кипит при 78 °С. По этой же причине простые эфиры пло¬
хо растворимы в воде, зато обладают хорошей липидной растворимостью. Это объясняет
анестезирующее свойство некоторых эфиров (диэтиловый, этилвиниловый) и их приме¬
нение в медицине для общего наркоза. По сравнению со спиртами простые эфиры хими¬
чески менее активны. Они не изменяются при нагревании с водой, щелочами и разбав¬
ленными кислотами. Только концентрированная иодоводородная кислота при сильном
нагревании (140 °С) расщепляет эфиры на соответствующий спирт и иодоуглеводород. На
первой стадии этой реакции происходит протонирование атома кислорода с образовани¬
ем иона оксония.R-O-R' + HI <=R-O7НXR’ион оксония>0.о'О О'скраун-эфирыДиэтиловый эфир, тетрагидрофуран и диоксан широко ис¬
пользуются как растворители при экстракции эфирных масел,
липидов и других веществ.Виниловые эфиры служат в качестве исходных мономеров
при получении полимерных материалов. В частности, так назы¬
ваемый бальзам Шостаковского, применяемый для заживления
ран, — это полимер винилбутилового эфира СН2=СН-0-С/1Н9.Особую группу циклических эфиров представляют собой так называемые краун-эфиры
(от англ. crown — корона), молекулы которых формой напоминают корону. Размер колец
краун-эфиров может меняться в любых пределах (в качестве примера приведены две моле¬
кулы с разным количеством атомов в цикле), а это, как оказалось, важно для их участия в ка¬
честве лигандов в комплексообразовании с катионами металлов, и, в частности, с катиона¬
ми щелочных металлов (см. разд. 40.2).Существует соответствие между размерами колец краун-эфиров и радиусами катионов,
что обеспечивает избирательность взаимодействия. Последнее свойство применяется в хи¬
мической практике для растворения солей в органических растворителях, для каталитиче¬
ских целей и, что более важно, при интерпретации проблемы транспорта ионов через кле¬
точные мембраны.Многие эфиры легко окисляются на воздухе под действием света, причем окислению
подвергаются атомы углерода, соседние с эфирной связью:СНз-СН2-0-СН2-СНз-^>СНз-СН2-0-СН-СНзООНгидропероксид диэтилового эфираВ результате окисления образуются неустойчивые и взрывоопасные гидроперокси¬
ды. Из-за высокой воспламеняемости и летучести диэтилового эфира обращение с ним
требует особых предосторожностей — его следует хранить в темноте, без доступа воздуха
и тепла.Простая эфирная группировка присутствует во многих алкалоидах и лекарственных
средствах, примером чего может служить молекула папаверина, в состав которой входит
четыре эфирных группы.
ГЛ. 22]КИСЛОРОД383Итак, кислород и множество его неорганических и органических соединений необходи¬
мы для существования жизни. Имеется целая гамма так называемых активных форм кисло¬
рода, которые включаются в те или иные жизненно важные процессы (синглетный кисло¬
род, супероксид-анион-радикал, пероксид водорода, пероксидные и оксидные радикалы
биомолекул) и которые играют определенную роль в формировании и протекании разнооб¬
разных физиологических явлений. Взаимоотношения живого организма с кислородом
чрезвычайно сложны, включая различные виды химических превращений — комплексо-
образование, окислительно-восстановительные реакции и т. д. Множество биохимических
процессов требует участия кислорода или его активных форм, будь это биологическое окис¬
ление, пероксидное окисление липидов, биосинтез гормонов и других биорегуляторов и т. д.
К ним примыкают и многие патологические явления и заболевания, такие, как лучевое по¬
ражение, фотодинамические явления, интоксикации и др.
Глава 23.
СЕРАК этому классу веществ принадлежат
весьма важные в физиологическом отноше¬
нии вещества, которые называются
протеинными, ...и составляют главный
материал, служащий для постройки
мелких частей животных организмов;
соединения, сюда принадлежащие, заклю¬
чают серу.А. М. Бутлеров23.1. Элемент, простое веществоСера находится в шестой группе III периода Периодической системы, а поэтому имеет
3$2Зр4Зб/°-конфигурацию электронов внешнего уровня. Свойства серы определяются нали¬
чием свободного d-подуровня, что позволяет ей использовать в образовании химических
связей все шесть электронов внешней электронной оболочки. Таким образом, сера может
иметь валентность 2, 4 и 6. Другая особенность этого элемента — среднее по величине зна¬
чение относительной электроотрицательности (ОЭО) — 2,5. Это означает, что сера может
принимать как отрицательные, так и положительные степени окисления. Действительно,
самые характерные степени окисления серы: -2, 0, +4 и +6.Однако в таких реакциях химическая активность серы должна быть умеренной. Следова¬
тельно сера относительно устойчива и в свободном состоянии. В нем атомы серы способны к свя¬
зыванию между собой, но такая связь не может быть прочной, поскольку атом серы обладает от¬
носительно большими размерами. Тем не менее, свободная сера представляет собой в обычных
условиях молекулу S8, которая имеет циклическое строение. Однако известны и другие ее мо¬
дификации линейного строения с переменным числом атомов в цепи — S2, S6,... S^.В природе сера встречается как в самородном состоянии, так и в виде соединений со сте¬
пенями окисления -2 (сульфиды, например, FeS) и +6 (гипс CaS04 и др.). В составе живых
ГЛ. 23]СЕРА385организмов сера присутствует в соединениях со степенью окисления -2 — в основном в ами¬
нокислотах белков цистеине, цистине и метионине (некоторые белки содержат до 3% серы),
в липидах, а также в некоторых витаминах и биорегуляторах. Присутствует в биосредах в не¬
больших количествах и сульфат-анион.Свободная сера как умеренно активный реагент обладает некоторым дезинфицирующим
действием, а потому находит применение как кожный противогрибковый препарат. В ста¬
рину для тех же целей применялось окуривание серой, поскольку S02, образующийся при
горении серы, также обладает бактерицидным действием.Итак, сера представлена в природе широким набором соединений, которые связаны меж¬
ду собой окислительно-восстановительными переходами. Если учесть еще одну особенность
атома серы — высокую поляризуемость, что объясняется экранированием валентных элек¬
тронов от ядра электронами второго энергетического уровня, то можно сделать заключение,
что и связи с участием серы также легко поляризуемы, а потому легко разрываются, в осо¬
бенности под действием нуклеофильных реагентов. Иными словами, сера обладает высоко и
нуклеофильностью.Эти особенности отражаются на круговороте серы в природе (схема 23.1). Сера и
сульфиды легко окисляются кислородом воздуха, превращаясь в оксид серы(1У) и да¬
лее в сульфат-ион. Этот процесс происходит также под действием тиобактерий и тионо-
вых бактерий.окислениеs2-,h2sIso2тиобактерии
►окислениетиобактерии
►десульфурирующие бактерииокислениеSO42-тионовые бактериианаэробыR-SH, R-S-S-R
биосубстраиокислениеаэробыСхема 23.1. Круговорот серы в природе.Микробиологический процесс превращения сульфидов в серу осуществляется под дей¬
ствием света и может быть выражен уравнением:ггС02 + 2nH2S -> (СН20)„ + rcH20 + 2nSЭто превращение — один из вариантов фотосинтеза, обеспечивающий анаэробные серо¬
бактерии органическими веществами.Другая разновидность микроорганизмов — десульфурирующие бактерии — вызывают
переход сульфат-иона в сульфид. Наконец, аэробные процессы вызывают образование се¬
росодержащих биомолекул, содержащих SH и S-S группировки, которые, в свою очередь,
под действием анаэробов трансформируются в сероводород.
386ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IV23.2. Неорганические соединения серы (-2)Важнейшее соединение серы со степенью окисления -2 — сероводород. Сероводород —
газ, хорошо растворимый в воде (в одном объеме воды растворяется три объема сероводо¬
рода). Раствор сероводорода в воде представляет собой слабую сероводородную кислоту:H2S*=>H+ + HS- рКа1= 7,0HS-f=>H+ + S2‘ рКа2= 13,0Это означает, что растворимые в воде соли сероводородной кислоты, — сульфиды и гид¬
росульфиды, гидролизованы согласно уравнениям:Na2S + НОН <=± NaHS + NaOH
NaHS + НОН *=> H2S + NaOHСульфиды ряда металлов (FeS, MnS, ZnS) плохо растворимы в воде, а некоторых — и в
соляной кислоте (CuS, PbS, HgS, As2S3). Различная растворимость и окраска сульфидов ис¬
пользуется в качественном анализе для разделения катионов и их обнаружения.Сульфид-ион — сильный восстановитель. Редокс-потенциал сульфид-иона в щелочной
среде составляет -0,48 В, а в кислой — +0,14 В. Окислители превращают сульфиды в зави¬
симости от условий в соединения серы со степенями окисления 0, +4 или +6.2H2S + 302—> 2S02 + 2Н20
5H2S + 2КМп04 + 3H2S04 5S + 2MnS04 + K2S04 + 8Н20
H2S + 4Н202—> H2S04 + 4Н20Получают сероводород его вытеснением из сульфидов или прямым синтезом, который
обратим:Na2S + 2НС1 -> H2S + 2NaCl
Н2 + S <=> H2SВ природе он образуется при гниении в результате деятельности десульфурирующих и
анаэробных серобактерий.Сероводород сильно токсичен из-за способности прочно связываться с катионами меди
ферментов дыхательной цепи.23.3. Тиолы, тиоэфиры (сульфиды)Замена атомов водорода органическими радикалами приводит к двум классам соедине¬
ний — тиоспиртам или тиолам R-SH и тиоэфирам (сульфидам) R-S-R.Тиолы, или меркаптаны содержат в своем составе группу SH. Эта группа входит в состав
белков и некоторых других биомолекул и выполняет важную биохимическую роль.Будучи производными сероводорода, тиолы обладают слабо кислыми свойствами, но
кислотность группы SH значительно больше (на 5-6 порядков), чем кислотность гидро¬
ксильной группы в спиртах.R-SH <=± Н+ + RS- рКа=10Они образуют соли, называемые меркаптидами или тиолятами, причем аналогия с серо¬
водородом для них состоит в малой растворимости солей тех же катионов, что и для сульфи¬
ГЛ. 23]СЕРА387дов. Это свойство определяет их тривиальное название — меркаптаны (от лат. corpus тегсипй
aptum — соединения, осаждающие ртуть).Прочное связывание меркарто группы с катионами многих металлов принципиально
важно для жизненных процессов, поскольку именно таким образом катионы многих биоме¬
таллов прочно связываются с белками, образуя металлопротеины, среди которых имеется
множество металлоферментов.С другой стороны, связывание с тиольной группой пептидов — причина высокой токсич¬
ности катионов свинца, ртути, мышьяка, таллия, кадмия и ряда других тяжелых металлов.
На этом основано и создание некоторых боевых отравляющих веществ, в качестве примера
которых можно привести люизит ((3-хлорвинилдихлорарсин).Токсическое действие люизита состоит во взаимодействии с тиольными группами моле¬
кулы дигидролипоевой (6,8-димеркаптооктановой) кислоты, кофактора оксидазных фер¬
ментов.С1С1СН=СН—As/ +ХС1Кофакторы ферментов или коферменты — вещества, необходимые для действия неко¬
торых ферментов, которые потребляются и изменяются в ходе биохимических реакций, но
в последующих превращениях восстанавливают свою структуру (подробнее см. разд. 34.3).Простейшим противоядием (антидотом) при отравлениях производными тяжелых ме¬
таллов может служить водный раствор сульфида натрия, так называемое щелочное серово¬
дородное питье. При этом происходит уменьшение концентрации иона металла в результате
образования его нерастворимого сульфида.Еще более мощными антидотами здесь служат тиолы, содержащие более одной меркап-
то группы, что обеспечивает более прочное связывание с ними токсичных катионов. Типич¬
ный пример такого антидота — димеркаптопропанол, впервые примененный в Англии, а
потому именуемый британским антилюизитом (сокращенно БАЛ). Для лучшей раствори¬
мости в воде гидроксильную группу в молекуле БАЛ заменяют ионным остатком соли сер¬
ной кислоты, в результате чего получают более удобный для практического использования
антидот — унитиол.Cl HS-?H> /S-CH2С1СН=СН—As + HS-CH -> С1СН=СН—As | +2НС1Чс1 сн2он S-(THБАЛ СН*0НCl HS ?Й2 ,S-CH2Hgx + HS-CH ->Hg I +2HC14cl CH2S03Na XS-CHCH2S03Naунитиол L л
388ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IV. Тиольная группа обладает подвижным атомом водорода, способным замещаться под дей¬
ствием кислородных кислот (АсОН), то есть может вступать в реакцию тиоацилирования
с образованием сложных тиоэфиров (реакция этерификации). Эта реакция обратима, а сле¬
довательно сложные тиоэфиры легко гидролизуются, что объясняется наличием легкопо-
ляризуемого нуклеофильного центра в их молекулах.RSH + НОАс <=> RSAc + НОНСтоль же легко эта связь разрушается и под действием спиртов, что приводит к превра¬
щению тиоэфиров в сложные эфиры (реакция перэтерификации).RSAc + R1OH <=> RSH + R1OAcЭто свойство тиольной группы используется в биохимических процессах для переноса
ацетильной группы к кислородсодержащим биосубстратам, с помощью молекулы кофермен-
та А, содержащего меркаптогруппу SH (его обычно обозначают как KoA-SH). Так, в част¬
ности, происходит превращение холина в ацетилхолин.KoA-SH + СН3-С ► K0A-S-C-CH3 + Н20хОН !K0A-S-C-CH3IIОСН3ho-ch2-ch2-n-ch3СНзхолинОН"СН3ch3-c-o-ch2-ch2-n-ch3II 1о СН3ацетилхолинОН" + KoA-SHС помощью кофермента А производится биосинтез жирных кислот, гормонов, а в неко¬
торых микроорганизмах — антибиотиков.Как и сероводород, тиолы являются сильными восстановителями. Обычно они пре¬
терпевают двухэлектронное окисление, величина редокс-потенциала которого лежит в
интервале -(0,2-Я),3) В. Это значение показывает, что действие окислителя in vivo, в пер¬
вую очередь, направлено на тиольную группу биомолекул. Следовательно, такие моле¬
кулы выполняют защитную функцию, предохраняя ткани от действия окислителей.Окисление меркаптогруппы слабыми окислителями происходит с образованием дисуль¬
фидов, причем реакция обратима, а следовательно даже слабые восстановители биосред вос¬
станавливают дисульфиды в тиолы.2RSH + [О];^ RS-SR + НОН
дисульфидПревращение тиолов в дисульфиды, вероятно, протекает через промежуточные тиок-
си-радикалы RS*, которые преимущественно реагируют между собой с образованием ди¬
сульфидов.
ГЛ. 23]СЕРА389Защиту биомолекул от окислителей осуществляет уже упомянутая дигидролипоевая
кислота, превращающаяся при окислении в липоевую кислоту, и трипептид глутатион
(см. гл. 33):ХООН rm ^СООНSH SH
дигидролипоевая кислота[О] ^[Н]липоевая кислотаGlu [О]2 Cys—SH
Glyx [Н]глутатионGlu GluCys—S—S—Cys
Gly7 4GlyТакая защита необходима, так как иначе будут окисляться белки, содержащие тиольные
группы. Окислению подвергается аминокислота белков цистеин, превращаясь при этом в
цистин.[О]2HOOC-CH-CH2-SH HOOC-CH-CH2-S-S-CH2-CH-COOH1 [Н] I Inh2 1 J nh2 nh2цистеин цистинВ результате молекулы белков «сшиваются» между собой дисульфидными связями, ко¬
торые принято называть дисульфидными мостиками, а следовательно, изменяют простран¬
ственное строение, и тем самым их функции нарушаются.WVWW|WWVVWso3HS03Hvwwwlwvwvw[О]белокWWWV|WtfUWWSISwwwviwwwwбелок[Н]wvv/vwywvvvwvSHSHwvwwJwwwwВ то же время дисулъфидные мостики — обязательные структурные фрагменты ряда
белков, определяющие их конформации и биологические функции. Особенно много дисуль-
фидных мостиков в молекулах белков волос и ногтей. Дисульфидные мостики сообщают
белковым молекулам структурную жесткость.Белковые молекулы могут быть денатурированы под действием восстановителей, пре¬
вращающих дисульфидные мостики в тиольные группы. Денатурация приводит к потере
белком биологических свойств. В отдельных случаях действие слабых окислителей на де¬
натурированный полипептид может приводить к его ренатурации, т.е. к полному восстанов¬
лению как структуры, так и свойств (рис. 23.2).Таким образом, обратимый окислительно-восстановительный переход тиол-дисульфид
происходит под действием слабых окислителей и т^становителей, и соотношение в них
окисленных и восстановленных форм белков, то есть дистеина и цистина, зависит от содер¬
жания окислителей (восстановителей) в биосредах. Для поддержания гомеостаза это коли¬
чество должно находиться в строго определенных пределах.
390ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVНеобратимыми в случае белков являются транс¬
формации, связанные с действием сильных окисли¬
телей, которые, как уже было сказано (см. разд.
18.5), переводят соединения серы в состояние со
степенью окисления +6. Такие окислители, как, на¬
пример, эндогенная перекись водорода, необратимо
переводят и дисульфидные мостики, и тиольные
группы белков в сульфогруппы R-S03H, что озна¬
чает их денатурацию.Особенно сильное нарушение окислительно-вос-
становительного режима клеток происходит, как уже
отмечалось, при лучевом поражении. Не удивитель¬
но, что в качестве радиопротектора (то есть препара¬
та, предохраняющего организм от лучевого поражения) применяется $-меркаптоэтиламин
(меркамин) NH2CH2CH2SH, окисление которого активными формами кислорода — продук¬
тами кислородного эффекта при радиолизе воды приводит к образованию цистамина.[О]2NH2-CH2CH2-SH nh2-ch2ch2-s-s-ch2ch2-nh2
[Н]меркамин цистаминЕще одна особенность меркаптогруппы — участие в гемолитических процессах с обра¬
зованием относительно мало реакционноспособных радикалов R-S*, склонных к самолик¬
видации за счет образования дисульфида. Это свойство меркамина также служит защитой
от действия свободнорадикальных частиц — продуктов радиолиза воды. С целью усиления
протекторной защиты от указанных воздействий используют тиоловые антидоты, содержа¬
щие две тиоловые группы (2,3-димеркаптопропанол-1) или тио- и аминогруппы (например,
пеницилламин, 2-амино-З-меркапто-З-метилбутановую кислоту).Таким образом, равновесие тиол-дисульфид связано с регуляцией активности фермен¬
тов и гормонов, приспособлением тканей к действию окислителей, восстановителей и ради¬
кальных частиц.Тиолы обычно получают из галогенопроизводных углеводородов реакцией нуклеофиль¬
ного замещения или действием на спирты пятисернистым фосфором.R-X + NaHS -> R-SH + NaX5R-OH + P2S5 -> 5R-SH + Р20Г)Простейшие предельные меркаптаны — газы, обладающие неприятным запахом. Это
свойство используется для обнаружения утечки бытового газа, в который в микроконцент¬
рациях добавлен З-метилбутантиол-1. Алкилмеркаптаны — основные компоненты отпуги¬
вающего секрета скунса.Тиоэфиры R-S-R1 синтезируют нуклеофильным замещением галогена действием мер-
каптидов на галогенопроизводные:R-X + NaS-R1 -> R-S-R1 + NaXНеподеленные электронные пары атомов серы сообщают сульфидам способность всту¬
пать в донорно-акцепторные взаимс. *ействия в качестве донора электронной пары, в резуль¬
тате чего с галогеналканами образуются сульфониевые соли. Сульфониевые соли ввиду вы¬
сокой поляризуемости связи С-S охотно реагируют с нуклеофилами, алкилируя их. ЭтоРис. 23.2. Денатурация — репатурация
полипептида восстановлением -окислением
дисульфидных мостиков.
ГЛ. 23]СЕРА391свойство служит способом биохимического переноса метильной группы от одной молеку¬
лы биосубстрата к другой:R-S-R' + СНз-Х —► R-S-R' X' ——»► R-S-R' + CH3-Y + НХбиосубстрат метилированный3 биосубстратКонкретно в этой биохимической реакции принимает участие молекула аминокислоты
метионина (CH3-S-R, где R — аминокислотный остаток), которая при участии аденозина
(А) образует соответствующую метилсульфониевую соль — S-аденозилметионин. После¬
дняя вследствие высокой поляризуемости связи С-S охотно передает свою метальную груп¬
пу азотистым нуклеофилам, например, молекуле коламина, в результате чего in vivo полу¬
чается холин:3CH3-S+(R)A + HOCH2CH2NH2-> 3R-S-A + HOCH2CH2N(CH3)3+ + 2Н+
коламин холинДругое общее свойство сульфидов — окисление, которое в зависимости от силы и коли¬
чества окислителя приводит к производным серы в степени окисления +4 и +6 — сульфок-
сидам и сульфонам:О[О] [О] IIR-S-R * R-S-R ► R-S-RII IIО Осульфоксид сульфонСреди сульфоксидов особого внимания заслуживает простейший представитель, диметил-
сульфоксид (CH3)2SO, полученный впервые А. М. Зайцевым, учеником А. М. Бутлерова. Это
вещество сочетает в своей молекуле как неполярные, так и сильно полярные связи, что сооб¬
щает ему уникальное свойство быть растворителем как мало полярных органических веществ,
так и ионных соединений. Это позволяет молекулам диметилсульфоксида легко проникать
через клеточные мембраны. Поэтому под названием димексид он применяется в медицине как
растворитель для накожного введения некоторых лекарственных препаратов.Среди сульфидов имеется сильно токсичное соединение — (3,(3'-дихлордиэтилсульфид,
известное как боевое отравляющее вещество сернистый иприт, который активно алкилирует
многие метаболиты организма. Его дегазация основана на окислении, осуществляемом дей¬
ствием хлорной извести или хлораминами, и на щелочном гидролизе.СН2СН2ОН 2NaOH /СН2СН2С1 г01 ,СН2СН2С1 [01 Оч СН2СН2С1S « S o=s -L-L* s'xCH2CH2OH -2NaCl ЧСН2СН2С1 XCH2CH2C1 СГ ЧСН2СН2С1иприт23.4. Соединения серы (+4)Важнейший представитель — газообразный оксид серы(1У) или сернистый ангидрид.74
Сернистый ангидрид растворяется в воде с образованием нестойкой сернистой кислоты,
являющейся кислотой средней силы по первой ступени диссоциации:
392ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVS02 + H20^>H2S03
H2S03<=> Н+ + HS03 КаГ 1,4-10'2 р КаГ 1,85
HS03-^±H++S0|- КаГ 6.2-10-8 \>Ка = 7,20Ей отвечают два типа солей — сульфиты и гидросульфиты. Сульфиты слабо гидролизу¬
ются в водных растворах по аниону:so,2- + НОН ^ HS03+ он-10^ = _10^= 10.7
' К. 6,2-10°2 7при этом среда становится щелочной.Для гидросульфитов в растворах идут одновременно два конкурирующих процесса —
гидролиз и диссоциация:10-14 10~14HSO3- + НОН <=> H2S03+ ОН- Kh = = 14 10-2 =7>1 •10'13,
HS03-^H++S032- К, = 6,2-10-8.Поскольку в этом случае константа диссоциации много больше константы гидролиза,
процесс диссоциации превалирует над гидролизом и среда в растворе будет кислая.Хлорангидрид сернистой кислоты — хлористый тионил SOCl2. Он легко гидролизуется
по уравнению:SOCl2 + НОН -> S02T + 2НС1.Его используют для введения хлора в молекулы органических соединений, например, для
синтеза галогенопроизводных из спиртов (см. разд. 22.7.3):SOCl2 + ROH -> S02T + R-Cl + НС1ТСоединения серы(1У) активны в окислительно-восстановительных реакциях, являясь
как окислителями, так и восстановителями:Na2S03+ 2Na2S + 3H2SO,->3Na2SO, + 3S + 3H20
5Na2S03+ 2KM11O4 + 3H2SO/, —> 5Na2SO,+ 2MnS04+ K2S04+ 3H20В этом — причина высокой токсичности оксида серы(1У) и его производных. Поэтому
существует биохимический механизм детоксикации сульфит-иона с участием фермента
сульфитоксидазы и эндогенной перекиси водорода:so32- + h2o2->so,2- + h2oСернистый ангидрид накапливается в атмосфере в результате вулканической деятельно¬
сти, при сжигании содержащих серу низкосортных каменных углей, в результате производ¬
ства целлюлозы сульфитным методом и вследствие промышленного получения оксидов ме¬
таллов из сульфидных руд. Это вызывает тяжелые экологические последствия. При высокой
влажности воздуха формируется туман, содержащий сернистую кислоту и серную кислоту
(как результат окисления сернистого ангидрида), а также сажу и пыль. Это явление чаще
всего возникает в промышленных районах при низких температурах и отсутствии ветра, что
препятствует рассеянию тумана. Оно^называется токсическим смогом. Смог вызывает по¬
ражения легких и в отдельных случаях — гибель людей.
ГЛ. 23]СЕРА393Те же факторы, а также присутствие в атмосфере оксидов азота и хлороводорода (отхода ряда
химических производств) служат причиной кислотных дождей — еще одной формы загрязне¬
ния окружающей среды. Кислотные дожди увеличивают кислотность водоемов, а тем самым
вызывают болезни и гибель их обитателей, нарушают биохимические процессы в почвах, что
приводит к поражению растений. Закисление почвы вызывает растворение, а затем вымывание
из нее тяжелых металлов, что усугубляет токсическое действие. В атмосфере кислотных дождей
разрушаются покрытия зданий и сооружений, корродируют металлоконструкции и др.23.5. Соединения серы (+6)Этой степени окисления серы отвечает серный ангидрид S03. Растворение его в воде при¬
водит к серной кислоте.H2SO< Н+ + HSO," рК(Л = -2,8HSCV <=± Н+ + SOt рКа= 1.9Серной кислоте отвечают соли — сульфаты и гидросульфаты. Рад сульфатов находит
применение в медицине. Так, сульфат натрия Na2S0410H20 — слабительное средство,
MgS0(i-7H20 применяют как слабительный и желчегонный препарат, а также при гиперто¬
нии, медный и цинковый купорос CuS04-5H20 и ZnS047H20 употребляются в качестве ан¬
тисептиков и рвотных препаратов. Гипс CaS04-2H20 используют для изготовления гипсо¬
вых повязок, малорастворимый BaS04 — рентгеноконтрастное вещество, применяемое для
рентгеноскопии желудочно-кишечного тракта.Хлорангидрид серной кислоты — хлористый сульфурил S02C12 — легко гидролизуется:S02C12 + 2Н20 H2SO, + 2НС1ТСерному ангидриду отвечает еще одна кислота — пиросерная H2S207, которую можно
рассматривать как продукт присоединения серного ангидрида к серной кислоте.Безводная серная кислота, является сильным водоотнимающим сред-
ством, используемым в практических целях для выполнения реакций, ц цидущих с выделением воды и для осушения некоторых газов. HO-S-O-S-OHВ разбавленных растворах серная кислота является окислителем за 0 0
счет катионов водорода, которые восстанавливаются до элементарного
водорода. Концентрированная серная кислота — сильный окислитель за счет S+6. В зависи¬
мости от условий проведения реакции и восстановительных свойств металлов и неметаллов
она восстанавливается до S02, S или H2S, что иллюстрируют реакции:Си +2H2S04 (конц.) —> CuS04 + S02+ 2Н204Zn + 5H2SO/( (конц.) -> 4ZnS0,| + H2S + 4Н20Соединяясь с перекисной группировкой, остатки серной кислоты дают пероксокисло-
ты — моно- и дипероксосерные кислоты, H2SOf) и H2S208, сответственно. Пероксокислоты
и их соли, персульфаты, — сильные окислители. В частности, редокс-потенциал персульфат-
иона составляет +2,08 В.Это означает, что под действием персульфата возможно окисление таких веществ, кото¬
рые в окисленном состоянии сами служат сильными окислителями. В качестве полезного
примера можно привести превращение катиона марганца (2+) в перманганат-ион, что ис¬
пользуют как качественную реакцию для обнаружения солей марганца в растворах:5(NH4)2S208+ 2MnS0,+ 8Н20 5(МН4)2504+ 2НМпО, + 7H2S04
394ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVПолучают персульфаты электрохимическим путем по схеме:
2SO?- - 2е -> 2S2082- ср° = +2,08 ВПрименяют персульфаты в качестве отбеливателей.В органических соединениях остаток серной кислоты присутствует в составе сулъфо-
эфиров (иначе называемых алкил серными кислотами) ROSOsH и сульфокислот RS03H.
Сульфоэфиры обычно синтезируют действием серной кислоты на спирты:Сульфоэфиры выполняют определенную биохимическую роль. Во-первых, присут¬
ствующие в малых количествах в плазме сульфат- и гидросульфат-ионы (а они присут¬
ствуют в биообъектах как конечные продукты окисления серосодержащих биомолекул)
реагируют с гидроксилсодержащими органическими веществами, попадающими в плазму,
а образующиеся молекулы сульфоэфиров в виде ионных, а следовательно хорошо раство¬
римых в воде соединений — солей соответствующих сульфоэфиров — выводятся из орга¬
низма с мочой.Биохимическая реакция связывания спиртов сульфат-ионом — частный случай связы¬
вания различных полярных групп (NH2, ОН и др.) органических веществ в организме, ко¬
торый называется конъюгацией.Образование связи С-ОН вместо связи С-Н in vivo, как известно, называется С-гидро-
ксылированием. Этот процесс происходит в митохондриях и превращает неполярный или
мало полярный ксенобиотик в более полярное, а следовательно лучше растворимое веще¬
ство, что позволяет ему попасть в плазму.Суммарно С-окисление и конъюгация составляет суть так называемой сульфатной защи¬
ты организма от ксенобиотиков. К примеру, токсичный бензол выделяется с мочой частич¬
но в виде калиевой соли сульфоэфира фенола.сульфохлорированием алканов (см. разд. 20.3.1) и электрофильным сульфированием аре-
нов и гетаренов (см. разд. 20.3.5).Соли длинноцепочечных сульфоалканов — алкилсульфонаты применяют в качестве мо¬
ющих средств (ПАВ).Ароматические сульфосоединения находят использование в органическом синтезе бла¬
годаря сильной поляризуемости связи С-S, присутствующей в их составе, что позволяет
вводить их в реакции нуклеофильного замещения, а тем самым — синтезировать из них фе¬
нолы, тиофенолы, нитрилы.ROH + H0S03H R0S03H + Н20С-гидроксилирование конъюгацияС6Н6 + [О] -» С6Н5-ОН + H0S03K -» C6H5-0-S03K + Н20конъюгацияксенобиотикCHOCOR2CHjOCOR1Тем же путем из кишечника выводятся вырабатываемые микроорганиз¬
мами токсичные вещества — фенолы, производные индола и другие соедине¬
ния.iСульфоэфирная группа входит и в состав сульфолипидов, рассмотренных
ниже (см. разд. 29.1).CH20S03HсульфолипидыСульфосоединения (или сульфокислоты) получают гомолитическим
ГЛ. 23]СЕРА395ArSH + NaHSOs
NaSHарилсульфохлоридАЮН HSi^XoNai^ArloH ^3 Л-Cl “Ь aJ-NH,+ NaHS03 f || t* || -HC1 II -NH4C1 II0 0 -S02 0 0арилсульфонатKCN арилсульфамидArCN + KHSO3Сульфосоединения — сильные кислоты, а потому со щелочами дают соли арилсульфо-
наты. Подобно серной кислоте, сульфокислоты образуют галогенангидриды, в частности,
хлорангидриды — сульфохлориды, действуя на которые аммиаком получают сульфамиды,
в том числе и сульфамидные антимикробные препараты.23.6. Тиосульфат-ионПри кипячении водных растворов сульфитов с серой образуются тиосульфата:Na2S03 + S —> Na2S203 тиосульфат натрияСтроение тиосульфатов можно представить двумя формулами, включающими атомы
серы в разных степенях окисления: -2 и +6.Na-O S-Na Na-O O-Na
S Scf 4o o/ 4sЭто сообщает молекуле тиосульфата способность к диспропорционированию в кислой
среде по схеме:Na2S203 + 2НС1 -> 2NaCl + S + S02 + H20Данная реакция используется при лечении больных чесоткой, т.к. образующиеся сера и
оксид серы(1У) проявляют противопаразитную активность.Тиосерная кислота не стабильна, существует лишь в водных растворах и разрушается
при хранении.Свойства тиосульфат-иона определяются в первую очередь атомом серы со степенью
окисления -2, как более реакционноспособным. Следовательно, этому веществу присущи
многие свойства сульфид-иона. В частности, тиосульфат под действием окислителей окис¬
ляется в свободную серу (при недостатке сильного окислителя или в случае слабых окисли¬
телей) или в сульфат-ион (при избытке сильного окислителя):Na2S203+ С12 (недостаток) + Н20 —» 2NaCl + S + Н2504Na2S203 + 4С12 (избыток) + 5Н20 -> 8НС1 + 2NaHSO,С солями тяжелых металлов тиосульфат натрия дает плохо растворимые сульфиды, а сле¬
довательно его можно применять в качестве антидота при отравлениях тяжелыми металлами:Na2S203 + HgCl2 + Н20 -> Na.SO, + KgSl + 2НС1
396ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVТиосульфат-ион отдает атом серы и цианид-иону, тем самым превращая его в нетоксич¬
ный роданид-ион:Na2S203 + KCN -> Na2S03 + KCNSПод действием слабых окислителей, каким является, к примеру, иод, происходит сшив¬
ка двух молекул тиосульфата, напоминающая сшивку тиолов в дисульфид:2Na-0 S-Na +12 Na-0 S-S 0-Na + 2NaIX - X X(/ \) (/ 4o 4oтетратионатВ результате получается тетратионат натрия Na2S40(J.Эта реакция лежит в основе уже упомянутого (см. разд. 15.4 и 21.4) метода иодометрии,
применяемого повсеместно, в том числе и в клинико-биохимической и гигиенической прак¬
тике, для анализа как окислителей, так и восстановителей.Следует сказать, что в биосредах наряду с конечным превращением серосодержащего
биосубстрата в сульфат-ион идет частичное образование и тиосульфат-иона, а также тетра-
тионат-иона, которые в итоге также трансформируются в сульфат.Тиосульфат-ион образует прочные комплексные соединения со многими катионами ме¬
таллов-токсикантов: кадмия, меди(1), ртути(Н), свинца и др. С катионами серебра, в част¬
ности, он образует прочный водорастворимый комплекс [Ag(S203)2]+, в котором ионы сереб¬
ра связаны сильней, чем в нерастворимых галогенидах серебра, что широко используется для
удаления остаточных количеств галогенидов при обработке кино- и фотопленок.Итак, соединения серы в жизненных процессах выполняют незаменимые функции: за¬
щиты тканей от окисления за счет восстановительных свойств соединений с низшими сте¬
пенями окисления, а посредством реакций нуклеофильного замещения — метилирования и
ацилирования — путей биохимического синтеза, а также конъюгации как защиты от токсич¬
ных веществ. Способность к образованию связей между атомами серы является важным
фактором формирования пространственной организации белков, что необходимо для их ус¬
пешного функционирования.23.7. Другие элементы 6 группыВ ряду O-S-Se-Te- Ро растут радиусы атомов и ионов, понижаются энтальпия ионизации
и относительная электроотрицательность. Ослабляется проявление неметаллических свойств,
соответственно накапливаются металлические свойства. Падает термодинамическая стабиль¬
ность гидридов Н2Э, зато растет сила их как кислот вследствие роста поляризуемости связи3-Н. В то же время увеличивается восстановительная активность этих гидридов. Кислоты со¬
става Н2Э03 нестойки, кислоты Н2Э04 стабильны, но являются сильными окислителями.Селен является биоэлементом, но в отличие от кислорода и серы он содержится в био¬
объектах в микроколичествах (концентрация соединений селена в плазме — не выше4-10'3 ммоль/л). Селен в избыточных количествах сильно токсичен.Будучи аналогом серы, селен замещает последнюю в составе тиольных групп и дисуль-
фидных мостиков. В частности, известно, что селен накапливается в волосах и ногтях. Яв¬
ляясь более сильным восстановителем в своих соединениях со степенью соединения -2,
селен выполняет защитную функцию, предохраняя белки от действия эндогенных сильных
ГЛ. 23]СЕРА397окислителей, таких, как перекись водорода. Точно так же соединения селена предохраняют
ткани от токсического действия катионов тяжелых металлов — ртути и кадмия. Поскольку
последний является канцерогеном, соединения селена выполняют антиканцерогенную роль.
Известны производные селена, обладающие радиозащитным действием.Прослежено несомненное участие селена в действии некоторых ферментов, регулирую¬
щих окисление липидов и белков.Теллур обнаружен в живых организмах, однако его роль остается неясной, если не счи¬
тать установленного факта, что он, подобно селену, может замещать серу в серосодержащих
пептидах. Это, естественно, сказывается на активности ферментов. О биологическом значе¬
нии полония сведения отсутствуют.
Глава 24.
АЗОТНи растения, ни животные прямо не
поглощают азота воздуха, а берут его из
готовых азотистых соединений, притом
растения питаются азотистыми веще¬
ствами почвы и воды, а животные азотис¬
тыми веществами, содержащимися в
растениях или других животных.Д. И. Менделеев24.1. Простое вещество, фиксация азотаЭлектронная конфигурация валентного уровня этого элемента 5 группы II периода Пе¬
риодической системы — 2s2p3. Химические свойства азота определяются его высокой элек¬
троотрицательностью (ОЭО 3,1), а следовательно, способностью давать множество соедине¬
ний, в первую очередь, с электроположительными элементами, в частности, с водородом.
Другая особенность — отсутствие ^/-подуровня, что определяет существование у атома азо¬
та неподеленной электронной пары. Это означает, что азот в своих соединениях выступает
активным донором в донорно-акцепторных взаимодействиях.Хорошо известны соединения, отвечающие всем возможным степеням окисления азота.-3 -2 -1 ОNH3 NH2NH2 nh2oh n2аммиак гидразин гидроксиламин азот+1 +2 +3 +4 +5N20 NO HN02 N02 HN03закись азота, окись азота, азотистая двуокись азота, азотнаяоксид азота(1) оксид азота(И) кислота оксид азота(1У) кислота
ГЛ. 24]АЗОТ399В бинарных соединениях с любыми элементами, кроме фтора и кислорода, азот имеет
отрицательную степень окисления. Среди них наибольшей прочностью и значением обла¬
дают соединения со степенью окисления азота -3 (аммиак и его органические производные,
в том числе, амины в составе биомолекул), +3 (нитрит-ион) и +5 (нитрат-ион и его органи¬
ческие производные — нитросоединения и нитроэфиры).Химия молекулярного азота характеризуется необычайной кинетической и термодина¬
мической стабильностью молекулы азота. Энергия, которая необходима для расщепления
молекулы на атомы по уравнению:N=N: *=* 2N,составляет 947 кДж/моль. Следовательно, любой процесс, требующий для своего осуществ¬
ления предварительной диссоциации молекулы азота, должен иметь исключительно высо¬
кую энергию активации, обычно отвечающую температурам порядка 1000 °С или выше.
Даже при 3000 °С степень диссоциации молекулы-азота составляет лишь 0,1%. Восстанов¬
ление до аммиака — экзотермическая реакция, лежащая в основе как природного, так и про¬
мышленного процессов связывания азота, — ускоряется, однако, действием катализаторов
и может поэтому протекать в значительно более мягких условиях. Промышленный процесс
синтеза аммиака происходит при 450 °С и давлении около 30 МПа.N2 + ЗН2 2NH3 ДЯ° = —46 кДж/мольБиологический процесс связывания азота реализуется при температурах биосферы в со¬
ответствии с полуреакцией:N2+6H++6e<=*2NH3.Причина столь мягких условий биологической фиксации азота — регуляция этого про¬
цесса ферментом нитрогеназой, содержащимся в некоторых микроорганизмах почвы, кото¬
рые выполняют эту реакцию. Величина ее редокс-потенциала свидетельствует об умеренной
окислительной способности азота (ф°= +0,055 В).Еще одна важная реакция — взаимодействие с кислородом, которое в природных усло¬
виях происходит под действием электрических разрядов гроз и выполняется в промышлен¬
ности таким же способом, хотя и в малых масштабах.N2 + 02 <=> 2NO А Я0 = +90 кДж/моль.Сочетание высокой химической активности азота в его соединениях и прочности мо¬
лекулы азота приводит к тому, что единственным природным ресурсом азота является мо¬
лекулярный азот, содержание которого в атмосфере составляет 78,2%. Небольшие запасы
селитры, которые разрабатываются в Чили, являются минерализованными продуктами
жизнедеятельности живых организмов.Глобальной проблемой поэтому является вопрос фиксации азота — перевода его в соеди¬
нения. Общее количество связанного азота Земли составляет 2,4-108 т. Две трети этой массы —
результат биологической фиксации. Примерно 25% азота фиксируется в виде аммиака, полу¬
чаемого промышленным синтезом. Оставшиеся 10% связываются путем образования оксида
азота как в результате атмосферных явлений, так и промышленным способом.Азот входит в состав молекул большинства классов органических биосоединений — бел¬
ков, нуклеотидов, биогенных аминов, гемов, витаминов, алкалоидов, мочевины и др.Таким образом, круговорот азота в природе (схема 24.1) в основном реализуется биоген¬
ным и антропогенным способами. Микроорганизмы (Azotobacter) связывают его в аммиак.
400ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVNitrozomonas NitrobacterпроизводствоNH3аммиакаn2N0no2no;AzotobacterатмосферныеявленияденитрификацияСхема 24.1. Круговорот азота в природе.Другое семейство микроорганизмов, Nitrozomonas, переводят аммиак в нитрит-ион, далее
трансформирующийся под действием еще одной разновидности бактерий, Nitrobacter, — в
нитрат-ион. Совокупное микробиологическое превращение азота в нитрат называют нит¬
рификацией почвы. Кстати, простейший старинный способ получения нитратов — помеще¬
ние пищевых растительных отходов в почву на длительное время с последующим вымыва¬
нием нитратов из продуктов такой микробиологической обработки.Далее осуществляется процесс потери азота — денитрификация, состоящая в том, что
распад биосубстрата приводит к восстановлению нитрат-иона в свободный азот или в ионы
аммония, которые далее в результате восстановительного аминирования образуют глутами¬
новую кислоту.2N03'+ 12Н+ + 10е .™тротаза> Nj + 6Нг0
NOJ+ ЮН* + 8е ни^тР^таза> ад + 3Н20Таким образом, почва — сложный комплекс микроорганизмов, нарушение режима су¬
ществования которого приводит к серьезным экологическим последствиям. В частности, они
вызываются избыточным введением аммиачных удобрений, что приводит к перенаселенно¬
сти почвы Nitrozomonas и тем самым — к насыщению почвы и далее водоемов токсичным нит¬
рит-ионом.Нитраты — основной источник азота для большинства зеленых растений и грибов. Био¬
логически процессы, в ходе которых почвенные нитраты превращаются в аммиак, называ¬
ют восстановительной ассимиляцией нитрата. Нитраты могут также использоваться вмес¬
то кислорода при анаэробной генерации энергии в некоторых бактериях. Продуцирование
энергии этим способом называется нитратным дыханием или восстановительной дисси¬
миляцией нитрат-иона. В некоторых типах бактерий могут реализовываться процессы
обоих типов.24.2. АммиакАммиак — газ, прекрасно растворимый в воде. В водных растворах аммиак в основном на¬
ходится в виде гидрата, который в кислой среде образует ион аммония, а в нейтральной или
слабощелочной обратимо диссоциирует с образованием иона аммония и гидроксила:NH3 НОН <=> NH; + ОН- рКъ = 4,75
ГЛ. 24]АЗОТ401В крови при pH =1Л гидрат аммиака с учетом его рКа (ВН+) = 9,25 более чем на 98% бу¬
дет находиться в виде ионов аммония.Ион аммония ведет себя аналогично ионам щелочных металлов, образуя с кислотами
соли, хорошо растворимые в воде. Водный раствор смеси аммиака и соли аммония представ¬
ляет собой аммиачный буфер. Соли аммония гидролизованы, имеют кислую реакцию. Хло¬
рид аммония применяют в качестве мочегонного средства при алкалозе, а потому следует
учитывать изменение кислотности в плазме при его употреблении. Его присутствие в био¬
средах вызывает некоторое увеличение кислотности за счет гидролиза. Выведение аммиа¬
ка из организма осуществляется через почки в основном в виде мочевины.Аммиак — активный лиганд и с большинством катионов d-металлов образует комплек¬
сы — аммиакаты, устойчивость которых соизмерима с прочностью их биокомплексов.Cu2++ 4NH3-> [Cu(NH3)4]2+Это обстоятельство, по-видимому, объясняет его токсичность, поскольку при попадании
в нервные ткани он координируется с катионами биометаллов, нарушая их баланс.Аммиак является восстановителем. Несмотря на низшую степень окисления атома азо¬
та, аммиак в условиях организма устойчив к окислению. Его окисление происходит только
при высокой температуре и в зависимости от условий и действующего окислителя может
происходить по-разному. Так, реакция с кислородом в отсутствии катализатора идет до сво¬
бодного азота:4NH3 + 302—> 2N2 + 6Н20,в присутствии катализаторов образуется оксид азота(П), что используется в промышленном
способе получения азотной кислоты:4NH3+ 502 -> 4NO +6Н20.Ферментативный процесс окисления (Nitrozomonas) приводит к нитрит-иону:2NH3 + 302 2Н+ + 2N02 + 2Н20.Нуклеофильность аммиака проявляется в способности алкилироваться галоидными ал¬
килами в присутствии оснований. В зависимости от соотношения реагентов образуются раз¬
личные алкиламины вплоть до солей тетраалкиламмония. Благодаря этому же свойству ам¬
миак легко ацилируется с образованием соответствующих амидов (см. разд. 24.3.3).24.3. Амины24.3.1. Классификация и номенклатураАминами являются органические производные аммиака, в молекуле которого один, два
или три атома водорода заменены радикалами. По этому признаку различают первичные
(RNH2), вторичные (R2NH) и третичные (R3N) амины.В зависимости от характера радикала амины могут быть предельными или ароматиче¬
скими, а также предельно-ароматическими (метиламин, анилин и метиланилин, соответ¬
ственно). С атомом азота может быть связан и разветвленный радикал (например, трет
бутиламин), и поликонденсированный, что демонстрируется примером адамантиламина
(аминоадамантана), обладающего биологическим действием и применяемого в медицине.
402ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVNH,CH3-NH2метиламинпервичныйрКь=Ъ,ПCH3-NHIСН3диметиламин
вторичный
рКь= 3,02CH3-N-CH3IСНзтриметиламин
третичный
рКь= 4,10NH2СН3-С-СН3IСН3треш-бутиламин аминоадамантанСН,NH,\NHСН3 СН3
4NXанилин
рКь- 9,38По принципам рациональной номенклатуры название этого класса веществ складывает¬
ся из названия радикалов при атоме азота, именуемого амином. В названии первичных ами¬
нов по международной номенклатуре аминному атому азота присваивается название ами-
но, употребляемое с указанием его местоположения перед названием углеводородной цепи.
Впрочем, многие амины сохранили свои тривиальные названия, например, анилин .Кроме аминогруппы в молекулах органических веществ могут находиться и иные заме¬
стители, как это, к примеру, имеет место в случае сульфаниловой кислоты. Аминный атом
азота может быть включен и в насыщенный цикл. К числу насыщенных гетероцикличес¬
ких аминов относится построенный с напряжением трехчленный этиленимин, обладающий
сильным мутагенным действием. Этилениминовый цикл входит в состав молекул некото¬
рых лекарств. Без напряжения построены тетрагидропиррольный и пиперидиновый циклы,
присутствующие в молекулах ряда алкалоидов (в том числе никотина и анабазина, см. разд.
20.4). С их участием, как и с помощью морфолинового кольца, построены молекулы многих
лекарственных средств.V7NIНОNIНэтиленимин тетрагидропирролпиперидинN‘IНморфолинГетероциклическими ароматическими аминами являются, к примеру, пиррол и пиридин.
Наконец, аминогруппа может быть связана и с гетероциклом, что иллюстрируется приме¬
ром аденина (6-аминопурина) — незаменимого фрагмента нуклеиновых кислот.* Анилин — одно из нескольких тривиальных наименований этого соединения, которое называли также крис-
таллином, кианолом и беизидамом. Термин анилин введен русским химиком Фрицше в 1840 г.
ГЛ. 24]АЗОТ403рКь- 14,27рКь = 8,83ЖIнпиррол пиридин аденинК числу производных аммиака относятся и органические вещества, которые можно по¬
строить из солей аммония или его гидроксида замещением всех четырех атомов водорода
различными углеводородными радикалами, как это видно на примере тетраметиламмоний
гидроксида:СНзCH3-N+-CH=CH2 ОН”СН3CH3-N+-CH3 ОН-сн.сн.тетраметиламмониигидроксидN-алкилпиридинийхлоридтриметилвиниламмонии
гидроксид (нейрин)Другим примером тетразамещенных аммонийных производных — четвертичных аммо¬
ниевых оснований или их солей — служит нейрин, токсичное вещество, образующееся в про¬
цессе гниения тканей животного происхождения.Четвертичный атом азота может входить в состав гетероциклов, например, соответству¬
ющей соли из ряда пиридина — N-алкилпиридиниевой соли. К таким четвертичным солям
относятся некоторые алкалоиды. Кроме того, четвертичный атом азота входит в состав мно¬
гих лекарственных веществ и некоторых биомолекул.Выше приведенные примеры демонстрируют многообразие аминосоединений и их боль¬
шое медико-биологическое значение. К этому необходимо добавить, что аминогруппа вхо¬
дит в состав таких классов биомолекул, как аминокислоты и белки, нуклеиновые кислоты,
присутствует в ряде природных производных углеводов, именуемых аминосахарами. Ами¬
ногруппа является важнейшей функциональной группой алкалоидов и многочисленных ле¬
карственных препаратов самого различного назначения. Отдельные примеры таких веществ
будут приведены ниже. »24.3.2. Амины как органические основанияНаличие свободной электронной пары азота сообщает аминам свойства оснований. Поэто¬
му характерной особенностью аминов является реакция с кислотами с образованием соответ¬
ствующих аммониевых солей, что видно из реакции для первичного предельного амина:RNH2 + НС1 ► RNH3CI"алкиламмониихлоридпиридиниихлорид
404ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVАналогично из анилина образуется анилиниевая соль, из пиридина — пиридиниевая и т.д.Подобно аммиаку, амины в водных растворах создают щелочную среду, согласно урав¬
нению:RNH2+ Н20 <=> RNH3+ + ОН-Количественно основность азотсодержащих оснований в водной среде отражается вели¬
чиной константы равновесия (Kh) (чаще используют величинуpKh) илирКа(ВН+), характе¬
ризующей кислотность сопряженной кислоты данного основания.+ рКьR3N: + Н < » [R3NH]
pKa(BW)Наиболее сильными основаниями будут соединения, содержащие атом азота, у которо¬
го неподеленная пара азота находится на неподеленной яр^-гибридной орбитали (алифати¬
ческие амины, аммиак, аминокислоты), а наиболее слабыми — те, у которых эта пара уча¬
ствует в р,я-сопряжении (амиды, пиррол, пиридин).Электронодонорные заместители, к которым относятся алкильные группы, должны уве¬
личивать основность аминов, поскольку увеличивают электронную плотность у атома азота.
Так, метиламин (pKh = 3,27) является более сильным основанием, чем аммиак (рКь = 4,75), а
диметиламин (pKh = 3,02) — более сильное основание, чем метиламин. Однако при переходе
ктриметиламину, вопреки ожиданию, основность несколько падает (рКь = 4,10). Причина это¬
го состоит в том, что с увеличением числа заместителей у атома азота подход протона все бо¬
лее затрудняется. Таким образом, здесь речь идет не об электронном, а пространственном вли¬
янии заместителей. Это воздействие заместителей называют стерическим фактором.Ароматические амины — более слабые основания, чем предельные, из-за электроноак¬
цепторного эффекта ароматического кольца. Поэтому невысока основность и пиридина.
Накопление фенильных заместителей заметно подавляет активность электронной пары
атома азота. Так, рКь дифениламина составляет 13,12, а трифениламин совсем не прояв¬
ляет свойств основания.Чрезвычайно низкая основность пиррола вызвана тем, что в его молекуле электронная
пара атома азота вовлечена в образование бя-электронной ароматической связи. На ее свя¬
зывание с протоном требуется значительная дополнительная затрата энергии. В результа¬
те образования пирролиевых солей ароматическая связь, а, следовательно, и стабильность
молекулы исчезают. Этим объясняется то, что пиррол в кислой среде быстро осмоляется.Интересно отметить, что сильный электроноакцепторный эффект, оказываемый пир-
рольным циклом на атом азота, приводит к ослаблению связи N-Н, в силу чего пиррол спо¬
собен проявлять свойства слабой кислоты (рКа = 17,5).рКа
R2NH R2N" + н+Под действием такого активного металла, как калий, может быть приготовлена его кали¬
евая соль — пиррол-калий.Кислотные свойства связи N-Н пиррольного цикла объясняют, в частности, способность
порфина и его природных производных к образованию солей с катионами металлов. Два
пиррольных кольца молекулы порфирина координируются с катионом за счет электронных
пар своих атомов азота, а два других — заменяя атомы водорода, как и молекула самого пир¬
рола при образовании пиррол-калия. Именно такими солями и являются хлорофилл и ге¬
моглобин (см. гл. 41).
ГЛ. 24]АЗОТ405+ КNIН+ 1/2 Н2NIКпиррол-калийметаллокомплекспорфина24.3.3. Способы получения аминов1. Алкилирование аммиака и аминов галогеналканами (синтез Гофмана). Эта реак¬
ция представляет собой нуклеофильное замещение по поляризованной связи углерод-гало-
ген с замещением последнего атомом азота, обладающим нуклеофильной активностью за
счет электронной пары. На примере взаимодействия аммиака с иодистым алкилом видно,
что процесс приводит к постепенному замещению всех атомов водорода по схеме:1. NH3 + R5+-X5~—> [RNH3+]X~ + NH3<
алкиламмонийRNH;+ NH.Xалкиламин:RoNH + NH„X2. RNH2+ R5+-X5- [R2NH2+]X- + NH3^ ^диалкиламмоний диалкиламин3. R2NH+ R5+-X5--> [R3NH+]X" + NH3*=* R3N + NH,Xтриалкиламмоний триалкиламин4. R3N + R5+-Xs“—> [R4N+]X~тетраалкиламмонийВ результате образуется смесь первичного, вторичного, третичного аминов и четвертич¬
ной аммониевой соли. Чаще синтез Гофмана применяют для синтеза третичных аминов и
четвертичных солей, поскольку на первых стадиях реакцию обычно остановить не удается.Так, действие на триметиламин хлористым цетилом приводит к четвертичной аммоний¬
ной соли — триметилцетиламмоний хлориду.Это вещество так же, как и его аналоги с достаточно длинной углеводородной цепочкой
(> С12), обладает моющим действием.СНзCH3-N + Ci6H33Cl
СНзСНзCH3-N+-Ci6H33 Cl-
СНзтриметилцетил¬
аммоний хлоридСН3CH3-N+—С j 6Н33 СГ
СН2бензилдиметилцетил-
аммоний хлорид
406ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVВ отличие от обычного мыла такие соединения в поверхностно-активной органической
части молекулы несут положительный заряд, а потому называются катионными или инвер-
тными мылами. Инвертные мыла используются в кислой среде. В структуру инвертного
мыла можно ввести заместитель, проявляющий антимикробную активность. В этом случае
синтезируют бактерицидные мыла, применяемые в хирургической практике. Примером бак¬
терицидного мыла служит бензилдиметилцетиламмоний хлорид. Инвертные мыла можно
синтезировать также алкилированием пиридина или других циклических аминов. Так, из
пиридина и хлористого цетила получают хлорид цетилпиридиния.C16H33CIцетилпиридиниихлоридC16H332. Алкилирование аммиака и аминов спиртами. Реакция аминов со спиртами, которая
в промышленности осуществляется при нагревании под давлением, идет, как правило, толь¬
ко по первым двум стадиям, например:NHoСН3ОН-НОНОбратимая замена спиртовой группы на аминогруппу играет важную роль в биологиче¬
ских процессах в живых тканях и происходит ферментативным путем.3. Декарбоксилирование аминокислот также является характерным биохимическимпревращением. В лаборатории его можно осуществить на¬
греванием в щелочной среде. Особенно легко оно идет под
действием микроорганизмов при гниении:NH2CH(R)COOH -> nh2ch2r + со2аминокислота аминРезкий неприятный запах гниющих белков в основ¬
ном определяется образованием аминов, а также серово¬
дорода.Белки состоят из 22 аминокислот, а это означает, что в
биосредах присутствует не менее 22 биогенных аминов. На
самом деле их значительно больше, так как многие первич¬
но образующиеся амины претерпевают дальнейшие транс¬
формации, порождая новые разновидности биогенных ами¬
нов, многие из которых являются биорегуляторами.4. Восстановление азотсодержащих органических
соединений. Реакция Зинина (1842 г.) состоит в восстанов¬
лении нитросоединений по схеме:Я. Я. Зинии
(1810-1880)
ГЛ. 24]АЗОТ407[Н]-Н20NHOHNHo[Н][Н]-Н20нитробензолнитрозобензол фенилгидроксиламинанилинЭтой реакцией Зинин впервые синтезировал анилин, а также выделил и исследовал не¬
которые промежуточные продукты. Открытие Зинина играет важную практическую роль,
т.к. на основе анилина развились анилино-красочная промышленность и синтез целого ряда
новых лекарственных соединений. Ценны и промежуточные продукты этого восстановле¬
ния — ароматические нитрозосоединения и гидроксиламины. Поэтому, по словам Гофмана,
имя Зинина заслуживает быть записанным золотыми буквами в историю химии.Можно получать амины восстановлением и других азотсодержащих органических соеди¬
нений, в частности, нитрилов, оксимов и амидов:R-C=Nнитрил(CH3)2C=NOH
оксим ацетона[Н]* rch2nh2амин[Н]* (CH3)2CHNH2 + Н20
изопропиламинСН3СШН2ацетамид[Н]этил амин5. Действие гипобромидов на амиды карбоновых кислот (перегруппировка Гофмана).R-C-NH2 + NaOBr —► R-NH2 + NaBr + C02II
О24.3.4. Химические свойства аминов1. Ацилирование. Кроме реакций алкилирования (см. разд. 24.3.3) и образования солей
с минеральными кислотами (см. разд. 24.3.2) первичные и вторичные амины вступают в ре¬
акции ацилирования с различными кислотами (подобно спиртам), в результате чего обра¬
зуются амиды.Так, например, анилин реагирует с уксусной кислотой:NH,NH-C0.НО\;с-сн,-н2оNH-Cосн,QацетанилидфенацетинОНпарацетамол
408ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVВ итоге получается соответствующий амид, именуемый ацетанилидом. Это вещество под
названием антифебрин явилось первым синтетическим лекарством, обладающим жаропо¬
нижающим действием. Из-за токсичности он был со временем заменен другими препарата¬
ми. Среди них находятся фенацетин, который в отличие от антифебрина в пара-положении
к амидной группировке имеет простую эфирную группировку, и парацетамол, обладающий
гидроксильной группой.Ацилирование аминогруппы играет важную биологическую роль. В частности, амины
или кислоты, попадающие в организм, выводятся из него в виде амидов. Например, бензой¬
ная кислота в этих условиях превращается в бензамид:С6Н5СООН + NH3-> C6H5CONH2 + Н20Ацилирование аминов может происходить и под действием минеральных кислот, напри¬
мер, фосфорной. Так, из фосфорной кислоты и диметиламина образуется гексаметилфос-фотриамид (иначе гексаметапол), нашедший примене¬
ние как эффективный растворитель.Аналогичный амид, получаемый ацилированием эти-
ленимина, под названием ТЭФ (триэтилениминфосфот-
риамид) применяется как лекарственное средство для
лечения некоторых злокачественных опухолей.2. Реакции первичных аминов с альдегидами и ке-
тонами происходят, как и взаимодействие карбониль¬
ных соединений с аммиаком (см. гл. 26), и приводят к об¬
разованию иминов, например:N=CHCH3сн3ч сн3сн3чNN—Р=0сн/СНз7 СНзгексаметил-фосфотриамидvN I
N—Р=0
1/ I
N
Z_\ТЭФNH,+ сн3сн=о-нонфенилиминацетальдегида3. Окисление происходит различным образом для первичных, вторичных и третичных
аминов.Первичные амины при окислении дезаминируются, теряя молекулу аммиака и образуя
карбонильное соединение.‘ ,0CH,-CH,-NH,[О]СН3-С +NH3
\нУ вторичных аминов при окислении наблюдается дезалкилирование, т.е. от молекулы
амина отщепляется алкильная группа:СН3\NHNH,[О]+ СН2=0 формальдегид
ГЛ. 24]АЗОТ409N-Окисление является характерным свойством третичных аминов, которое осуществля¬
ется по общей схеме:[О]R3N —► R3N-»0 N-окисьПроцессы дезаминирования, дезалкилирования и N-окисления происходят при фермен¬
тативном окислении аминов и их надо учитывать, рассматривая процессы метаболизма ами¬
нопроизводных из числа лекарственных препаратов, алкалоидов, ОВ и т.д. при их попада¬
нии в организм.4. Замещение атомов водорода бензольного кольца ароматических аминов. Как ужесказано ранее, аминогруппа является заместителем первого рода. Анилин и его аналоги лег¬
ко вступают в реакции галогенирования, нитрования и сульфирования, причем входящий
заместитель ориентирован в орто- и пара-положения.5. Амины являются активными лигандами, образуя комплексы, как и сам аммиак:М"+ + 2t?RNH2-> [M(RNH2)2n]"+Особенно активны ди-, три- и полиамины, так как выступают в качестве полидентатных
лигандов, образуя стабильные хелаты. В качестве примера приведем реакцию катиона меди
с бидентатным этилендиамином:D ,NH2H2Nv+ Си'2+'NH2H2N"nh24sTH2/ \/NH2Jh2nэтилендиаминКоординация катионов биометаллов с содержащими атомы азота группами белков, как
и связывание их с тиольными группами, и есть важнейшие виды взаимодействия между
ними, определяющие образование и строение металлопротеинов, а также токсичность тяже¬
лых металлов.24.3.5. Важнейшие представители аминов и их медико-биологическое значениеМетиламин, диметиламин, диэтиламин и другие простейшие представители алифатиче¬
ских аминов находят применение в синтезе лекарственных веществ, а некоторые из них (ме¬
тиламин, диметиламин, триметиламин) содержатся в ряде биообъектов.Анилин, метил- и диметиланилины, дифениламин используют для получения многих
медицинских препаратов (стрептоцид и др.), а также красителей, взрывчатых веществ и т.д.Диамины — путресцин и кадаверин. Долгое время считалось, что они образуются в про¬
цессе гниения белков при гнойных процессах и распаде трупов. Сейчас установлено, что ядо¬
витые свойства белкам при их гниении придают другие соединения.NH2(CH2)4NH2 NH2(CH2)5NH2 NH2(CH2)6NH2путресцин кадаверин гексаметилендиамин1,4-диаминобутан 1,5-диаминопентан 1,6-диаминогексанИх гомолог гексаметилендиамин вырабатывается для производства полимерного мате¬
риала найлона (см. гл. 33).Сильной биологической активностью обладают аминопроизводные, имеющие функци¬
ональные заместители в (3-положении к аминогруппе. Так, эмбихин, содержащий в своем
410ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVсоставе два (3-хлорэтильных заместителя, подавляет рост злокачественных опухолей; заме¬
ной в его молекуле СН3-группы на разнообразные заместители, синтезируют различные ци-
тотоксические препараты, находящие применение в онкологической практике.Замена метильного радикала еще одной (3-хлорэтильной группой приводит к образова¬
нию сильного отравляющего вещества, обладающего кожно-нарывным действием — азоти¬
стого иприта.Незаменимую физиологическую роль выполняют некоторые (3-аминоспирты и их про¬
изводные. Так, 2-аминоэтанол (или коламин) и холин входят в состав липидов нервных тка¬
ней в виде сложных эфиров с фосфорной кислотой — фосфорилколамина и фосфорилхоли-
на (см. разд. 28.4).При дегидратации холина образуется нейрин.Сложный эфир холина и уксусной кислоты — ацетилхолин выполняет функцию пере¬
дачи нервных импульсов, то есть является нейромедиатором.Сильное воздействие на центральную нервную систему оказывают симпатомиметиче-
ские амины — эфедрин (2-метиламино-1-фенилпропанол-1), содержащийся в некоторых ра¬
стениях, и адреналин, входящий в состав ткани надпочечников. Адреналин и ряд его аналогов
(норадреналин, дофамин) объединяют общим названием катехоламины. Катехоламины —
гормоны надпочечников, являющиеся медиаторами нервной системы.Адреналин принимает участие в передаче нервного возбуждения, оказывает влияние на
сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Его используют при шоке, остановке серд¬
ца, падении кровяного давления, как и его аналог эфедрин. К числу симпатомиметиков, то
есть веществ, возбуждающих симпатическую нервную систему, относятся и некоторые син¬
тетические препараты, например, фенамин (2-амино-1-фенилпропан), который также при¬
меняют в специальных целях.CH3N(CH2CH2C1)2метилди(Р-хлорэтил)аминэмбихинN(CH2CH2C1)3три(р-хлорэтил)амин
азотистый ипритСН3СНзСНзCH3-N+-CH=CH2 ОН-
СНзнейринch3-n+-ch2-ch2 ОН- ch3-n+-ch2-ch2 ОН-СНз ОСОСНз СНз ОНацетилхолинхолинОНфенаминОНэфедринНтриптаминОНадреналиннорадреналиндофамин
ГЛ. 24]АЗОТ411Еще одним примером аминов-биорегуляторов служит триптамин, 3-((3-аминоэтил)ин-
дол, имеющий сильное симпатолитическое действие (блокирующий нервную систему).Радиопротекторным, т.е. радиозащитным эффектом обладают амины с (3-меркаптогруп-
пой. Их простейшим представителем является меркамин NH2CH2CH2SH (см. разд. 23.3).24.4. Гидразин и гидроксиламинСтепень окисления азота -2 имеет соединение, именуемое гидразином. Его получают ре¬
акцией хлора с аммиаком с промежуточным образованием хлорамина:NH3 + С1-С1 -> NH2-C1 + НС1хлораминNH3 + NH2-C1 -> NH2-NH2 + HC1
гидразинОба атома азота в молекуле этого вещества способны к присоединению протонов:
NH2-NH2 + НС1 -> [NH2-NH3+]C1- + НС1 -> [NH3+-NH3+](C1“)2гидразиний дигидразинийГидразин — сильнейший восстановитель, его горение в кислороде сильно экзотер-
мично, а потому он используется в качестве ракетного топлива. 1,1-Диметилгидразин
(CH3)2NNH2 — также хорошее топливо.NH2-NH2+ 02-> N2 + 2Н20 АЯ°= -626 кДж/мольОкислительные свойства гидразина выражены очень слабо, однако проявляются в реак¬
ции образования озазонов карбонильных соединений (см. разд. 26.3).Многие органические производные гидразина находят применение в ме- q= C-NHNH2
дицине, т.к. обладают сильной биологической активностью. Например, гид-
разид у-пиридинкарбоновой кислоты (изоникотиновой кислоты), получае¬
мый ацилированием гидразина по аналогии с ацилированием аминов, под
названием тубазид употребляется при лечении туберкулеза.В последнее время и сам гидразин в виде соли — гидразин сульфата — на¬
шел применение в лечении раковых заболеваний. Он не является противо¬
опухолевым средством, однако служит мощным фактором борьбы с сопутствующим раку
явлением катехсии (истощения), объясняемым нарушением углеводного обмена в злокаче¬
ственных клетках. Катехсия подрывает силы больного в борьбе с болезнью. Гидразин суль¬
фат особенно эффективен при лечении поздних стадий развития болезни.Гидроксиламин — еще одно из соединений азота. Степень окисления азота в нем -1, и
следовательно, гидроксиламин обладает и окислительными, и восстановительными свойст¬
вами.Это вещество перспективно как источник антидотов ФОС (см. гл. 25).При ацилировании гидроксиламина, идущему по атому азота, получаются гидроксамо-
вые кислоты, фрагмент которых присутствует в некоторых железосодержащих белках, си-
дерофорах (см. гл. 41) и входит в состав средств для лечения отравлений катионом железа
(см. гл. 42).VoH + H2NOH-—. Ч-NHOH гаТислотаВаЯо ~н2и Отубазид
412ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IV24.5. Нитрит-ионСтепени окисления +3 отвечает азотистая кислота, которая является нестойкой и разру¬
шается в результате реакции диспропорционирования. Поэтому ее рассматривают как кис¬
лоту слабую, хотя по величинерКаее следовало бы отнести к числу кислот средней силы.3HN02-> 2NO + HN03+ Н20HN02 <=> Н+ + N02" рКа = 3,29Из-за неустойчивости азотистой кислоты обычно вместо нее имеют дело с ее солями —
нитритами. Нитрит-ион, как частица с промежуточной степенью окисления азота, способ¬
на вступать в реакции как окисления, так и восстановления, что используется для целей ка¬
чественного анализа при обнаружении нитрит-иона, обладающего высокой токсичностью:2KMn04+5KN02+3H2S04^5KN03+2MnS04+K2S04+3H202KI + 2KN02+ 2H2S04-> 2K2S04 + I2+ 2NO + 2H20Токсичность нитрит-иона, отчасти, объясняется его окисляющим действием на катион
Fe2+ в составе гемоглобина, в результате чего тот превращается в катион Fe3+, а гемоглобин
тем самым — в метгемоглобин, который не связывает кислород, а потому возникает кисло¬
родная недостаточность. Выделяющийся при этом оксид азота(И) образует с гемоглобином
устойчивый комплекс — нитрозогемоглобин.HHb(Fe2+) + N02- +2Н+—> MeTHHb(Fe3+) + N0 + Н20Важную роль играют реакции аминов с азотистой кислотой, которые происходят различ¬
но для аминов разного типа.Ключом к пониманию этой группы реакций может служить взаимодействие с азотистой
кислотой аммиака, представляющее собой конмутацию — окислительно-восстановительное
превращение, в котором азот со степенями окисления -3 и +3 приобретает нулевую степень
окисления:NH3+HN02-> [NH4N02] ->N2+ 2Н20Сходно выглядит и реакция первичных алифатических аминов, в которой одним из ко¬
нечных продуктов также является азот, а каким образом это происходит — ясно из схемы:RNH2+ HONO »► [RNH-N=0] ► [R-N-N-OH] ► ROH + N2T-H20диазосоединениеВ этом сложно идущем превращении в качестве промежуточного продукта возникает так
называемое диазосоединение, которое является нестойким и сразу разлагается.Реакцию можно использовать в синтетических целях для превращения аминогруппы в
спиртовую, а также и в анализе — для количественного определения аминогрупп по объе¬
му выделившегося азота. В частности, этот метод (метод Ван-Слайка) употребляется в ме¬
дико-биологической практике для определения первичных алифатических аминогрупп в
биосредах.Еще один аспект этой реакции — дезаминирование биомолекул, содержащих амино¬
группы, под действием нитрит-иона при его попадании в организм. Это, в частности, при¬
водит к повреждению молекул ДНК, а следовательно, усугубляет токсическое действие
нитрит-иона.
ГЛ. 24]АЗОТ413Первичные ароматические амины под действием азотистой кислоты образуют соответ¬
ствующие ароматические диазосоединения, которые в отличие от предельных диазосоеди¬
нений устойчивы в холодных водных растворах из-за стабилизирующего действия арома-
' тического заместителя. Эти диазосоединения в солянокислом растворе обычно существуют
в виде солей арилдиазония:Ar-NH2 + H0N0(NaN02+ НС1)-Н20[Ar-NH-N=0]НС1 н о
[Ar-N=N-OH] ► [Ar-NsN]+ СГ -2-*. Аг-ОН + N2+ HCl-H,0соль диазонияПри кипячении растворов соли диазония превращаются в соответствующие фенолы.Реакции диазосоединений и солей диазония отличаются разнообразием, причем они мо¬
гут происходить как с выделением азота, так и без него. Превращения с выделением азота
служат для осуществления реакций замещения диазогруппы на галоген, циано-, меркапто-
группу или другие заместители:АгВгСи,Вг,-N,а глт.1 НОН ■ хт ХТ1+ CuCN
АгОН — [Ar-N=N] Cl ——►ArCNKSH-N,ArSHК числу реакций без выделения азота относится восстановление диазосоединений, кото¬
рое является способом синтеза арилгидразинов:Ar-N=N+ Cl” AtNHNH2 • НС1Поэтому ароматические диазосоединения являются полезными промежуточными веще¬
ствами для превращения ароматических аминов в самые разнообразные продукты.Важное свойство ароматических диазосоединений представляет собой реакция азосо¬
четания, в результате которой диазогруппа ArN2 замещает атом водорода ароматическо¬
го кольца, содержащего заместитель первого рода X.<p>x-<q^n=n40^x+hciВ этом превращении, которое является частным случаем электрофильного замещения в
ароматическом ряду, катион диазония (ArN2+) играет роль электрофильной частицы. Источ¬
ник катиона диазония называют диазосоставляющей; участвующее в реакции ароматическое
соединение, активированное заместителем первого рода, названо азосоставляющей, а прс
дукт — азосоединением.
414ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫМногие из полученных таким путем азосоединений интенсивно окрашены, а потому со¬
ставляют семейство азокрасителей. Азокрасители применяются, в частности, в качестве кис-
лотно-основных индикаторов, например, метилоранж:H03S -Ч ( ) VNeN+ Cl- + Н N(CH3)диазосоставляющая азосоставляющаяho3s -(метилоранж,азокрасительДля медицинских целей реакция образования азокрасителей ценна как метод анализа фар¬
мпрепаратов с аминогруппами (например, стрептоцида) и способ их обнаружения в биосредах.Вторичные амины, независимо от типа заместителей, с азотистой кислотой образуют
нитрозоамины.R2NH + HONO —» Н20 + R2N-N=0 диалкил(арил)нитрозоаминЭти вещества являются сильно токсичными (проявляют канцерогенную активность).
Поскольку вторичные амины присутствуют в биосредах, становится понятной чрезвычай¬
но высокая токсичность нитрит-иона, содержание которого в сточных водах не должно пре¬
вышать по гигиеническим требованиям 10 мг/л.Третичные алифатические амины с азотистой кислотой практически не реагируют, по¬
скольку образующиеся соли слабой кислоты неустойчивы.Третичные ароматические амины в отличие от предельных вступают в реакцию с азотис¬
той кислотой. Этот процесс представляет собой электрофильное замещение, которое проис¬
ходит под действием нитрозоний-иона (NO+), образующегося из азотистой кислоты? подоб¬
но нитроний-иону из азотной (см. разд. 20.3.5). Реакция облегчена тем, что ароматическое
кольцо здесь активировано аминогруппой, являющейся заместителем первого рода:(CH3)2N Ч ) / н+ HONO —► (CH3)2N N=0 + НОНп -нитрозодиметил анилин24.6. Нитрат-ионСтепень окисления азота +5 представлена сильной азотной кислотой:HN03 -> Н+ + N03- рКа = -1,6Ее соли — нитраты, хорошо растворимы в воде. Нитрат-ион является сильным окисли¬
телем и, в зависимости от условий, может восстанавливаться до различных продуктов.
Обычно он реагирует в соответствии с полуреакциями:
ГЛ. 24]АЗОТ415N03~ + 2Н+ + е —> N02 + Н20N03" + 4Н+ + Зе -> N0 + 2Н20Одна из качественных реакций на нитрат-ион, в частности, происходит по второй схеме:6FeS04 + 2KN03 + 4H2S04 -> 3Fe2(S04)3 + 2N0 + K2S04 + 4H20Эта реакция имеет важное значение для регуляции сердечно-сосудистой деятельности
(см. разд. 24.7).Несомненно, что в больших концентрациях нитрат-ион токсичен. Однако вопрос о
его опасности в малых дозах подвергается сомнению и дискутируется в связи с пробле¬
мой использования нитратов в сельском хозяйстве, а также в качестве пищевых консер¬
вантов.Окислительные свойства нитрат-иона зависят во многом от природы действующего вос¬
становителя. Подбором условий можно реализовать переход азота практически в любую сте¬
пень окисления от +4 до -3. Примером этого может служить реакция нитрат-иона с алюми¬
нием, которая также применяется для обнаружения нитрат-иона:8А1 + 3KN03 + 5К0Н + 2Н20 -> 8КА102 + 3NH3TОрганические производные азотной кислоты содержат нитрогруппу и их можно разде¬
лить на две группы: нитросоединения R-N02h нитроэфиры R-0-N02.Нитросоединения могут быть получены реакцией гомолитического нитрования алканов
и электрофильного замещения в ряду аренов. Эти вещества не встречаются в природе, за ис¬
ключением антибиотика левомицетина (хлоромицетина).02N—( ( ) ь СН-СН-СН2ОНОН NH-C-CHC12IIолевомицетинНекоторые нитросоединения употребляются в производстве пестицидов, например,
2-метил-4,6-динитрофенол.Полинитросоединения представляют интерес как взрывчатые вещества. Примером
этого является наиболее важное бризантное вещество 2,4,6-тринитротолуол, известный
как тротил.Значение нитросоединений в синтезе аминов обсуждено выше.Нитроэфиры как лекарственные препараты уже упоминались. Полинитроэфиры, такие,
как тринитроглицерин и нитроклетчатка, применяются в качестве взрывчатых веществ, как
и полинитросоединения.24.7. Оксиды азотаИзвестны оксиды, отвечающие всем возможным положительным степеням окисления
азота: N20, NO, N203, N02, N205. Два из них — азотистый и азотный ангидриды, N203h N205,
соответственно, практического значения не имеют, а потому не рассматриваются.Оксиды азота(1) и (II) — N20 и N0 — несолеобразующие оксиды, неспособные к реак¬
циям с кислотами и основаниями.
416ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVОксид азота (I), известный как закись азота, может быть получен реакцией дисмутации
нитрата аммония, происходящей при нагревании:NH4N03—>N20 + 2Н20Оксид азота (I) — безопасное и распространенное аналгезирующее средство, использу¬
емое в стоматологии. Он менее токсичен, чем хлороформ, и безопаснее эфира, который легко
воспламеняется. Закись азота применяется и при некоторых специальных криопроцедурах,
например, в офтальмологии. В малых концентрациях N20 вызывает возбуждение, а в боль¬
ших — общий наркоз.N0 — оксид азота (II), может быть получен как действием восстановителей на нитрит-
и нитрат-ионы, так и каталитическим окислением аммиака или связыванием азота с кисло¬
родом при высоких температурах или в электрическом разряде.Со времен У. Гарвея врачей интересовали тонкие механизмы регуляции работы сердеч¬
ной мышцы и расширения кровеносных сосудов. Это и понятно, так как именно с этими фи¬
зиологическими процессами связаны не только проявления жизнедеятельности, продуктив¬
ной работоспособности, но и наиболее распространенные болезни современности — инфаркт
миокарда, инсульт, атеросклероз и др.Многие видели начало этих механизмов в действии некоего вещества, находящегося
непосредственно в стенках самого сердца или кровеносных сосудов. Предполагалось, что
вещество образуется в эндотелиальном, т.е выстилающем внутреннюю поверхность кро¬
веносных сосудов слое клеток. Именно оно-то и определяет величину просвета сосуда и
работоспособность сердечной мышцы.В начале 90-х годов прошлого века было сформулировано и экспериментально обосно¬
вано положение о том, что центральной сигнальной молекулой для сердечно-сосудистой си¬
стемы млекопитающих является этот оксид азота.Специальный фермент, синтетаза оксида азота(П) или СОА, регулирует превраще¬
ние аминокислоты L-аргинина в L-цитруллин, сопровождающийся генерацией оксида
азота:HoN , год2 Н ы+УШ-(СН2)зСНСОСГ + НАДФ(Н) + 302 + Н+ ►2 nh2аргининh2n
► 2 o>-NH-(CH2)3CHCOO“ + НАДФ + 2NO + 2Н20
NH3+цитруллинВыяснение роли оксида азота(П) дает ключ к объяснению действия нитроглицери¬
на и других нитропрепаратов. Нитроглицерин — типичный пример пролекарства (про¬
лекарство — химически модифицированная форма лекарственного средства, которая в
биосредах в результате метаболических процессов превращается в само лекарственное
средство). Нитроглицерин быстро всасывается в ротовой полости и диффундирует в
кровяное русло, где легко, как всякий сложный эфир, гидролизуется с образованием
нитрат-иона:
ГЛ. 24]АЗОТ417ch2-ono2 сн2-онI 3H,0 ICH-0N02 —*_»► СН-ОН +3HNO,I I dch2-ono2 сн2-оннитроглицеринГемоглобин крови и железосодержащие ферментые системы гладкомышечных клеток
восстанавливают нитрат-ион с образованием оксида азота(Н):3Fe2+ + N03- + 4Н+ -> 3Fe3+ + NO + 2Н20.Последнее превращение хорошо известно в аналитической химии и лежит в основе ка¬
чественной реакции для обнаружения нитрат-иона — реакции «бурого кольца».Значение N0, а следовательно и продуцирующего его нитроглицерина, не ограничивается
ролью в регуляции кровяного давления. Молекула оксида является универсальным биологиче¬
ски активным веществом, не ограничивающее полем своей деятельности только сердечно-со¬
судистую систему. Газообразный оксид азота, проникая сквозь клеточные мембраны, непос¬
редственно участвует в передаче возбуждения между нервными клетками, между нервными,
мышечными и секреторными клетками. А это означает, что практически все стороны деятель¬
ности нервной системы — сон, бодрствование, мотивации, эмоции, память, забывания, коорди¬
нация движений, работа желез и т.д., и т.п. осуществляются при непосредственном участии ок¬
сида азота. Но этого мало. Оказалось, что N0 активно участвует в формировании защитных
реакций организма, например, в борьбе с инфекциями посредством активации иммунных про¬
цессов, в воздействиях физических факторов посредством перераспределения потоков крови. С
оксидом азота(Н) связаны регуляция секреции инсулина, почечной фильтрации, репаративных
процессов в костной и кожной тканях, слизеобразование в кишечном эпителии.Открытие роли N0 в организме стало фундаментом для последующих изысканий. Ведут¬
ся, к примеру, активные исследования по использованию оксида азота для предупреждения
развития тяжелых пневмоний или прекращения роста злокачественных опухолей.Еще одно существенное свойство NO — способность к координации с катионами d-ме¬
таллов, и в том числе, с катионом Fe2+ в составе гемоглобина, что обусловливает токсичность
этого оксида, вызывающего гипоксию, как и угарный газ.Оксид азота(П) легко окисляется уже на воздухе до диоксида N02. Последний также ток¬
сичен, так как является сильным окислителем и оказывает разрушающее действие на живые
ткани.При работе двигателя внутреннего сгорания в нем в небольших количествах имеет мес¬
то связывание азота за счет окисления:N2 + 02 -> 2N0 2N0 + 02 -» 2N02Оксиды азота являются активными сенсибилизаторами (S), вызывающими по уже об¬
сужденному механизму (см. разд. 22.1) образование синглетного кислорода, озона и моле¬
кулярного кислорода:S + Av —> S* s* + 3o2->s + 1o2
02 + Ю2—> о3+ оСледовательно, чем выше концентрация оксидов азота в атмосфере, тем больше в нем со¬
держание озона. А это определяет качество воздуха для дыхания. Ситуацию можно охарак¬
теризовать с помощью табл. 24.1.
418ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫСодержание оксида азота(Н) и озона в воздухе[4.IVТаблица 24.1Качество воздухаСодержание, мкг/м3оксида азота(II)озонаНездоровый
Очень нездоровый
Опасный
Очень опасныйИЗО22603000375012001000400800С другой стороны, при недостатке кислорода в двигателе внутреннего сгорания может
происходить не только полное сгорание бензина до углекислого газа и воды, но и неполное
окисление до альдегидов:альдегидПрисутствующие в выхлопных газах альдегиды реагируют с активными формами^кис-
лорода и диоксидом азота.В результате в атмосфере накапливаются пероксиацилнитраты:Эти вещества нестойки и как всякие вещества с перекисной группировкой легко разру¬
шаются по радикальному механизму при взаимодействии с влагой. В результате образуют¬
ся, с одной стороны, агрессивная азотная кислота, а, с другой стороны, активные свободные
радикалы.Это явление носит название фотохимического смога и требует для возникновения ин¬
тенсивного солнечного освещения, активного транспортного движения и условий для появ¬
ления застойной зоны воздуха в приземном слое атмосферы данной территории. Фотохи¬
мический смог характерен для больших тропических и субтропических городов. Впервые
такой смог был отмечен в Лос-Анджелесе в 1944 году.NO, N02,03, R-CH=0, R-C03N02 — основные компоненты фотохимического смога. Все
эти вещества химически активны и разрушают живые ткани, вызывая удушье, а в экстре¬
мальных случаях и гибель людей. Агрессивные химические компоненты вызывают увяда¬
ние растений, а также коррозию металлических конструкций, разрушение резины, красите¬
лей и других материалов и сооружений.В целом отметим, что азот незаменим в жизненных процессах. При этом основная
роль отводится соединениям азота со степенью окисления -3, которые содержат в сво¬
ем составе или аминогруппы, или гетероциклические атомы азота (в кольцах имидазо-
ла, пиримидина, индола, пурина, порфирина и др.)- Атом азота сообщает тем биомоле¬
кулам, в которых он присутствует, основные свойства, высокую нуклеофильность и
лигандную активность, проявляющуюся в комплексообразовании с катионами биоме¬
таллов из числа d-элементов.R-CH3 + 02-> R-CH=0 + Н204o-o-no2пероксиацилнитрат
Глава 25.
ФОСФОРХимия фосфорорганических соединений...
является наглядным классическим приме¬
ром того, как научные исследования чисто
теоретического характера в известный
период своего развития начинают давать
обильные плоды практического значения.Б. А. Арбузов25.1. Элемент, простое веществоФосфор, как элемент 5-й группы III периода Периодической системы, имеет 3s23p33cP-
конфигурацию внешней электронной оболочки. Способность Зя-электронной пары к распа¬
риванию с участием вакантных rf-орбиталей, с одной стороны, и сравнительно невысокое
значение относительной электроотрицательности (ОЭО = 2,1), с другой, определяют особен¬
ности этого элемента.Первая из них состоит в малой донорной активности неподеленной электронной пары,
а следовательно низкой основности соединений трехвалентного фосфора. Другая особен¬
ность заключается в малой устойчивости соединений трехвалентного фосфора, точнее, лю¬
бых других состояний фосфора, кроме пятивалентного. Таким образом, из наиболее типичных
степеней окисления фосфора -3, +3 и +5 самой устойчивой является последняя, в которой
фосфор обычно представлен кислородными соединениями. Иными словами, для фосфора
типично существование в виде фосфат-иона.В силу относительно большого радиуса (что является следствием нахождения этого эле¬
мента в III периоде) не высока прочность связи Р-Р. Эта связь присутствует в элементном
фосфоре, который представлен в целом одиннадцатью аллотропными модификациями, из
которых наиболее известны нетоксичные красный и черный фосфор, и чрезвычайно ядови¬
тый белый фосфор. К примеру, молекула белого фосфора имеет состав Р4. Еще один из не¬
многих примеров соединений со связью Р-Р — фосфорноватая кислота Н2ОзР-РОзН2.
420ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[4.IVНе высока прочность связи фосфора и с такими элементами, как Н (энергия связи Р-Н
322 кДж/моль) и С (272 кДж/моль) по сравнению с прочностью связи Р-0 (502 кДж/моль).
Последнее обстоятельство является определяющим в химии фосфора. Эта связь сильно по-
лярна и отличается сильной поляризуемостью из-за относительно большого размера атома
фосфора. Следовательно связь Р-0 активна в нуклеофильном замещении, что определяет
своеобразие химического поведения как неорганических, так и органических производных
фосфатов. К этому следует добавить представление о пространственном строении фосфат-
иона, имеющего тетраэдрическую конфигурацию (см. разд. 2.1.3).В свободном состоянии фосфор стал известен, по-видимому, с XII века, когда был опи¬
сан арабским алхимиком Алхид Бехилом, однако честь его открытия обычно приписывают
Г. Брандту (1667 г.), получившему фосфор восстановлением фосфатов мочи действием угля.В природе фосфор находится в виде малорастворимых фосфатов. В основном это мине¬
ралы фосфорит Са3(Р04)2 и апатит Ca3(P04)2Ca(F,Cl)2. Его содержание в земной коре —
8-10~2%, что отвечает общему количеству 15 млрд. тонн. Таким образом, ресурсы фосфора ог¬
раничены, а следовательно, этим количеством ограничены и масштабы земной жизни.Фосфаты, прежде всего, кальциевые, широко потребляются земледелием в виде различ¬
ных удобрений (суперфосфат, преципитат и др.). Еще одна область, где расходуется значи¬
тельное количество фосфатов (до 50% от их общего количества) — производство моющих
средств. Триполифосфат натрия — основной компонент стиральных порошков. Глицерофос¬
фат кальция используется в медицине. Органические производные фосфора необходимы
сельскому хозяйству как пестициды.В организме содержится 500-800 г фосфатов, из них 88% находится в скелете — осталь¬
ная часть внутри клеток, небольшая часть во внеклеточном пространстве. Концентрация не¬
органического фосфата в плазме (сыворотке) крови — 1,12-1,45 ммоль/л. Фосфаты различ¬
ной степени замещения находятся в сыворотке преимущественно в виде свободных ионов.
Небольшая их часть (менее 15%) связана с белком.Биологическая роль фосфора в организме состоит в участии в синтезе 2,3-дифосфогли-
церата, определяющего кислородтранспортную способность гемоглобина; в образовании
фосфопротеинов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран, коферментов;
в фосфорилировании углеводов, что делает их доступными для метаболических процессов;
в образовании нерастворимого гидроксоапатита костной ткани; в формировании фосфатной
буферной системы крови и мочи.Баланс фосфатов в плазме (сыворотке) крови складывается из соответствующего равно¬
весия между поступлением, депонированием и выделением этих анионов. С обычной дие¬
той за сутки в организм поступает один грамм фосфора, 70% которого всасывается, а осталь¬
ная часть выводится.25.2. Фосфин, фосфидыКак уже отмечено, соединения фосфора в низшей степени окисления -3 непрочны. Их
легче всего получить связыванием фосфора с активными металлами при повышенной тем¬
пературе:3Mg + 2Р -> Mg3P2фосфид магнияГидролиз фосфидов приводит к получению летучего, токсичного и горючего фосфина:
М&Ра + 6Н20 -» 3Mg(OH)2 + 2РН3Т
ГЛ. 25]ФОСФОР421На воздухе он легко окисляется до фосфорной кислоты:РН3 + 202 -> Н3Р04Основные свойства фосфина выражены слабо (рКь = 26), поэтому соли фосфония мож¬
но получить лишь действием очень сильных кислот (иодистоводородной, хлорной) на ра¬
створы фосфина в органических растворителях.РН3 + HI —> [РН4]+1~ иодид фосфонияПрисутствие даже следов влаги полностью гидролизует эти соли с выделением фосфина.25.3. Кислородные соединения фосфораОксиды фосфора(Ш) и (V) получаются при сгорании фосфора или каких-либо соеди¬
нений фосфора с низшими степенями окисления в зависимости от количества кислорода.
Эти оксиды имеют полициклическое строение, причем в структурах реализуется тенденция
фосфора к образованию прочных связей P-О. Осо¬
бенностью оксида фосфора(У) является его боль- О
шое сродство к воде. Поэтому он часто исполь- р ^
зуется как осушитель для газов и органических О ^ >^0 '^О
растворителей. Он может присоединять одну, две, | О | | О |три и более молекул воды с образованием метафос- Р-*. ^q^-P I - форной (НР03), дифосфорной, или пирофосфор- / р / / р ^ /ной (Н4Р207), ортофосфорной (Н3Р04) или поли- О О О ^ // "^Офосфорной (Р205пН20) кислот. В свою очередь эти р4 Q6 ® Р4О10кислоты превращаются друг в друга при гидролизе
или в результате дегидратации.Существуют кислородные кислоты фосфора (и их соли), отвечающие практически всем
положительным степеням окисления фосфора от +1 до +5 (табл. 25.1). Особенности строе¬
ния этих кислот определяются отмеченной тенденцией фосфора к нахождению в пятивален¬
тном состоянии. Проявлением этой тенденции служит явление таутомерии фосфористой
кислоты с переходом атома водорода от кислорода (таутомерная форма А) к фосфору (тау-
томер Б). Последняя форма значительно более устойчива. Аналогичная таутомерия имеет
место для фосфорноватистой кислоты.ОН ОН1Р^Л ^ Н0-Р=0 БНО7 (Ч),-НнИз данных таблицы 25.1 видно, что все кислородные кислоты фосфора в первой ступе¬
ни диссоциации близки между собой, представляя собой кислоты средней силы, что и не
удивительно, так как диссоциации во всех случаях подвергается связь Н-0 однотипного
фрагмента Н-О-Р.С другой стороны, видно, что диссоциация имеет место только для атомов водорода, свя¬
занных с кислородом. Следовательно фосфористая кислота двухосновна, а фосфорновати-
стая является одноосновной.Типичные способы получения всех перечисленных выше кислот или их солей изображе¬
ны ниже:
422ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫФосфорсодержащие кислоты[4.IVТаблица 25.1СтепеньокисленияФормулаСтруктурнаяформулаНазвание кислоты
и анионаКонстантыдиссоциации+1н3ро2ННО—Р=01нфосфорноватистая,гипофосфит7,9 10-2+3Н3Р03нН0-Р=06нфосфористая,фосфит1,6 10"2
1,8-10"7+4н4р206он он
1 1
0=р—Р=0
1 1
он онфосфорноватая,гипофосфат6,3 10-3
1,5*10"3
5,410~8
9,310-11+5Н3Р04онно—Р=0
1онфосфорная,фосфат7,0-10-3
8,0 10-8
4,8-1013Р4О10 + 6Н20 —> 4Н3Р04
2Р + 4КОН + 4Н202 -> К4Р206 + 6Н20
Р406 + 6Н20 —>4Н3Р03
4Р + ЗКОН + ЗН20 -> РН3 + ЗКН2Р02Соединения PFS, РС15, РОС13, РС13, РВг3, Р13 — галогенангидриды фосфорной и фосфо¬
ристой кислот. Общая их черта — необратимый гидролиз, в качестве примера которого изоб¬
ражен гидролиз пятихлористого фосфора:РС15 + 4Н20 -» Н3Р04 + 5НС1Замена галогена на кислород (или гидроксильную группу) возможна и под действием
спиртов, что используют для превращения последних в галогеналканы:РОС13 + 3ROH -> Н3Р04 + 3R-C1Степени окисления фосфора +5 отвечают еще две кислоты: пирофосфорная Н4Р207 и
метафосфорная (HP03)x.ОН ОН
I I0=Р—О—Р=0
I Iон онпирофосфорнаякислотаОНI—Р-О—IIL Ометафосфорнаякислота
ГЛ. 25]ФОСФОР423В них проявляется характерная черта соединений фосфора — легкое образование связей
О-P, что приводит к формированию как циклических структур (оксиды фосфора), так и ли¬
нейных с переменным числом атомов фосфора — двух (для пирофосфорной кислоты), трех
(для молекулы аденозинтрифосфорной кислоты) (см. ниже), или большего количества, как
в полимерной метафосфорной кислоте. Мета-, и пирофосфорная кислоты реагируют с во¬
дой, превращаясь в ортофосфорную кислоту.25.4. Биологическая роль неорганических фосфатовСоли фосфорной кислоты, фосфаты, играют наиболее значимую роль, в том числе и в
биологических системах.Растворимые фосфаты, а именно гидро- и дигидрофосфаты калия, К2НР04 и КН2Р04,
формируют биологическую фосфатную буферную систему, ответственную, вместе с белко¬
выми буферными системами, за постоянство pH внутриклеточной жидкости.Труднорастворимые кальциевые соли — гидроксоапатит ЗСа3(Р04)2Са(0Н)2 (иначе
Са5(ОН)(РО/1)3) и карбонатапатит ЗСа3(Р04)2СаС03Н20 составляют минеральную осно¬
ву костной ткани. Это — трудно растворимые соединения. Так, ЯР для гидроксоапатита со¬
ставляет 1,6-10“58. Как видно из структурной формулы, гидроксоапатит представляет собой
основную соль, а следовательно, реагирует с кислотами по уравнению:Са5(0Н)(Р04)3 + Н+ *=± Са3(Р04)2 + 2Са2+ + Р043~ + Н20Это означает, что в организме имеет место постепенное ра¬
створение гидроксоапатита и существует равновесие между ра¬
створимыми и нерастворимыми фосфатами, в том числе, и орга¬
ническими. Достаточно сказать, что в среднем каждые семь лет
костная ткань полностью обновляется. Формирование костной
ткани в организме является результатов протекания взаимопро-
тивоположных реакций минерализации (осаждения) и демине¬
рализации (растворения) кости. Первая из них протекает в остеоб¬
ластах, вторая — в остеокластах. Подробнее процесс образования
костной ткани рассмотрен в разделе 13.3.Сходное явление имеет место и с зубной тканью, которая так¬
же представляет собой гидроксоапатит. Анаэробные микроорга¬
низмы полости рта метаболируют, создавая кислую среду, и тем самым служат причиной
кариеса. Этот процесс активируется, если разрушена зубная эмаль. Последняя содержит не¬
растворимый в кислотах и механически прочный фторапатит. Для регенерации зубной эма¬
ли рекомендуется применять зубную пасту, содержащую соли фтора, а потому способству¬
ющую образованию фторапатита. Другой вариант состоит в добавке в воду микроколичеств
фторидов, однако он нежелателен, так как приводит к хотя бы частичному образованию
фторапатита в костной ткани, что нарушает естественное равновесие между растворимыми
и нерастворимыми фосфатами организма.Труднорастворимые фосфаты цинка Zn3(P04)2 и алюминия А1Р04 входят в состав так
называемых фосфат-цементов, пломбировочного материала в стоматологии.Было обнаружено, что смешанные соли метафосфорной кислоты с катионами калия,
кальция и магния и переменной длиной цепи (вменяется от 3 до 1000) в больших количе¬
ствах содержатся в клетках микроорганизмов в виде гранул так называемого волютина. У не¬
которых бактерий высокомолекулярные полифосфаты составляют до трети весового коли¬Са—О
ч0-р=0Са<°'HO(F)—Са—О—Р=0о'Са'хО0-Р=0Са—гидроксо(фтор)апатит
424ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVчества их сухого вещества. Полифосфаты представляют собой резерв фосфора клеток. В
условиях дефицита фосфора происходит ферментативная реакция:(ПолиФ)х + Н20 -> (ПолиФ)^ + ортофосфат,восполняющая этот дефицит. Одновременно эти полифосфаты представляют собой резер¬
вы катионов калия, магния и кальция. Кроме того, их следует рассматривать как ионно-
обменники, регулирующие уровень тех или иных ионов в клетках. В клетках высших жи¬
вотных и человека полифосфаты присутствуют в клеточных ядрах и мембранах, однако в
малых количествах. В процессе биохимической эволюции резервные функции полифосфа¬
тов взяла на себя молекула аденозинтрифосфорной кислоты. Роль полифосфатов в тканях
человека заключается в другом, а именно — в участии в генетической и структурной орга¬
низации.25.5. Органические производные фосфораКак отмечено, наиболее распространены соединения пятивалентного фосфора. Поэто¬
му такие органические производные трехвалентного фосфора, как замещенные фосфины
(RPH2, R2PH, R3P), соли фосфония (R4P+X_), триалкилфосфиты P(OR)3, хотя и существу¬
ют, однако не им принадлежит ведущая роль.Более важны производные фосфорной кислоты — ее эфиры, которые называют алкил-
(или арил-) фосфатами, соединения пятивалентного фосфора со связью P-С, которые име¬
нуют алкилфосфоновыми кислотами или алкилфосфонатами, а также диалкилфосфиновые
кислоты или, соответственно, диалкилфосфинаты.ОН ОН R'I I IRO—Р=0 R—Р=0 R—Р=0I I Iон он оналкилфосфорная кислота, алкилфосфоновая кислота, диалкилфосфиновая кислота,
алкилфосфат алкилфосфонат диалкилфосфинат25.5.1. Получение и химические свойстваПолучение. Ал кил фосфаты синтезируют ацилированием (фосфорилированием) спир¬
тов фосфорной кислотой (см. разд. 22.7.3). Соединения со связью P-С получают с помощью
метода, называемого перегруппировкой Арбузова:R—О s s
\.. R'5+X5"
R-O-P R-O^
триалкилфосфитR-0R-O-P-R'R-с/X'-RXORIR'—P=0
IORалкилфосфонатВ этой реакции реализуется тенденция фосфора переходить из трех- в пятивалентное со¬
стояние. Она аналогична таутомерии фосфористой кислоты. В настоящее время разработано
множество и других методов синтеза фосфорорганических соединений, например, окисле-
ГЛ. 25]ФОСФОР425ние фосфинов. Таким образом, фосфорорганические соединения доступны и достаточно
изучены.НR-P[О]'НОНR-PОН[О]RР-Н[О]RRР-ОНR[О]ОНR—Р=0IОНRR—Р=0
IОНСвойства. Общим свойством акилфосфатов и алкилфосфонатов является способ¬
ность к нуклеофильному замещению ОН-групп. Это явление называют фосфорилиро-
ванием.OR1R—Р=0IОНHOR-НОНR—Р=0
IОН=t-галогенангидридалкилфосфоновойкислотыНХ -НОНОН
R—Р=0ОНNR R
HNR'R2 | ► R-P=0-НОН |ОНсложный эфир
алкилфосфоновой
кислотыдиалкиламидалкилфосфоновойкислотыМожно осуществить фосфорилирование различных соединений, в том числе спиртов и
аминов, в соответствующие эфиры и амиды. Легко заменяется ОН-группа и на галоген с об¬
разованием галогенангидридов.В изображенных продуктах фосфорилирования остается еще одна ОН-группа, которая
тоже может быть замещена. Тем самым в пределах одной молекулы можно комбинировать
между собой различные функциональные группы (спиртовая, эфирная, амидная, галогенан-
гидридная и др.), что в сочетании с варьированием заместителя R порождает многообразие
органических соединений пятивалентного фосфора.В то же время хлорангидриды, эфиры и амиды фосфорной и фосфоновой кислот также
участвуют в реакциях нуклеофильного замещения за счет своих функциональных группи¬
ровок.Так, они сравнительно легко реагируют с водой. Способность к гидролизу, а, следователь¬
но, потенциальная нестабильность является специфической особенностью алкилфосфатов
и фосфонатов.Необходимо упомянуть способность эфиров и хлорангидридов фосфоновой и фосфор¬
ной кислоты участвовать в нуклеофильном замещении с гидроксиламином и его производ¬
ными (см. разд. 24.4):
426ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVX ON^R-P=0+H0N^ —► R—Р=0 + HXI ^ IY YЭта реакция лежит в основе антидотного действия производных гидроксиламина при от¬
равлении токсичными фосфорорганическими соединениями.25.5.2. Биологическая роль органических производных фосфорной кислотыПроизводные алкилфосфатов, т.е. соединения с группировкой R-0-P, широко представ¬
лены в живой природе. Связывание фосфорной кислоты органическими молекулами биосуб¬
страта с образованием их сложных эфиров или амидов называют биологическим фосфорили-
рованием. Остаток фосфорной кислоты входит в состав многих производных углеводов, он
обязателен для нуклеиновых кислот и фосфолипидов. Всякое замещение спиртовой группы
в организме совершается через стадию ее фосфорилирования, причем фосфорилирование в
зависимости от обстоятельств может осуществляться с образованием эфиров как фосфорной,
так и пиро- или трифосфорной кислот. В дальнейшем эти эфиры взаимодействуют с тем или
иным нуклеофилом, конечным результатом чего служит замена гидроксильной группы. Изоб¬
разим этот важный процесс на примере эфира трифосфорной кислоты:ОН ОН ОН он он он
III III HNHR
А-ОН + Н-О-Р-О-Р-О-Р-ОН ——* А-О-Р-О-Р-О-Р-ОН ►II II II -НОН II II IIаденозин ООО ОООаденозинтрифосфорнаякислотаОН ОН он
* А-ОН + RNH-P—О-Р-О-Р—ОНII II IIОООДля биоэнергетики важна молекула аденозиптрифосфорной кислоты (АТФ). Ее образо¬
вание в процессе биологического окисления глюкозы (и не только ее) называют окислитель¬
ным фосфорилированием. Эффективность окислительного фосфорилирования определя¬
ют коэффициентом Р/О — молярным отношением связанного фосфата, приходящегося на
количество поглощенного кислорода. Например, для окислительного фосфорилирования с
участием глюкозы P/О составляет 38/12 = 3,17.Гидролиз АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) и фосфорной кислоты, таким образом,
сопряжен с другими биохимическими превращениями. Накопление АТФ в клетках — акку¬
муляция ими энергии, необходимой для функционирования (биосинтеза, активного транс¬
порта питательных веществ, двигательной функции и др.).Связь О-P в молекуле АТФ является макроэргической. Так называются богатые энер¬
гией химические связи, разрушение которых сопровождается выделением большого коли¬
чества энергии. Непосредственный разрыв макроэргической связи, как и любой связи
требует затраты энергии, но за счет энергии, выделяющейся при гидролизе и гидратации
образующихся частиц АДФ и дигидрофосфата, это превращение в целом сопровождается
выделением энергии: AG0 = -30,5 кДж/моль.
ГЛ. 25]ФОСФОР427Причины высокой величины свободной энергии гидролиза АТФ заключаются в следу¬
ющем. Во-первых, выделению энергии при гидролизе способствует электростатическое от¬
талкивание трех одноименно заряженных фосфатных групп АТФ, находящихся в растворе
в диссоциированном состоянии:000 ОООII II II II II II ^ дчА-О-Р-О-Р-О-Р-ОН А—О—Р—О—Р—О—Р—О0 + 4Н1 I I I ^ i ~ i ~ОН ОН ОН 0е 0е 0еВо-вторых, возможность резонанса для продуктов гидролиза (резонанс гидрофосфат-
иона — см. разд. 2.1.3) делает их более стабильными. Наконец, некоторые дополнительные
перестройки структуры продуктов гидролиза также вносят свой вклад в энергетическую ста¬
бильность продуктов гидролиза.ООО 00 ом II II r\ I II г\ ел II г\А-о-р—О—Р—О—Р—О0 + НОН - A-O-P-O-P-O0 + Н® + НО-Р-О0
О© О® О© О0 О0 о0Макроэргической является и связь О-P в АДФ. В сумме при гидролизе АТФ до адено-
зинмонофосфата (АМФ) и двух гидрофосфат-ионов выделяется около 50 кДж/моль.0 0 О ои и n II п и пА-о-р-О—Р-00 + НОН А-О-Р-О0 + Н® + НО-Р-О0о© о0 о0 о0Последовательный разрыв макроэргических связей АТФ — основной поставщик энер¬
гии организма, предварительно выработанной им за счет биологического окисления. Разрыв
первой из них — источник обычных процессов жизнедеятельности. При энергетическом де¬
фиците отщепляется вторая фосфатная группировка — это «второе дыхание» организма.Наконец, последняя из трех макроэргических связей — энергетический резерв организ¬
ма, «неприкосновенный запас», расходование которого приводит к гибели.О ОА-О-Р-0е +HOH , - А-ОН + НО-Р-О0
о© о0Анионы АТФ, АДФ и АМФ в биосредах связаны с катионом Mg2+, и именно такие соеди¬
нения представляют собой активные формы фосфорилирования различных биосубстратов.
Иными словами, катионы магния (а также и близкие им по свойствам катионы марганца)
являются катализаторами окислительного фосфорилирования.Следует сказать, что макроэргическими связями обладают ди- и трифосфаты других мо-
нонуклеозидов — гуанозина, уридина и т.д., и их гидролиз также реализуется в биохимиче¬
ских процессах для получения энергии. Однако главенствующая роль в этом отношении
принадлежит молекуле АТФ, которую принято считать универсальной «разменной моне¬
той» биоэнергетики.Полезно знать, что макроэргическими могут быть не только связи О-P. Так, макро-
эргична связь С-S ацилмеркаптанового фрагмента ацетилкофермента A (CH3CO-S-R).
Такими же свойствами обладает и связь C-N некоторых карбаминов (HOOC-N<). Эта
связь образуется в ряде биохимических процессов с участием витамина тиамина и слу¬
жит для введения карбоксильной группы в состав некоторых биомолекул. Эти превра¬
щения также поставляют необходимую энергию тем реакциям, с которыми они сопря¬
428ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVжены. Однако их масштабы несопоставимы с биоэнергетической ролью аденозинтрифос-
форной кислоты.Таким образом, обратимый гидролиз АТФ — универсальный источник обмена веществ
всех живых организмов. Следовательно, биокруговорот всех элементов-органогенов (схема25.1) является следствием биокруговорота фосфора, реализуемого в реакции гидролиза АТФ.Энергия этого процесса в конечном итоге — солнечное излучение, используемое в фото¬
синтезе. Это позволило дать одно из определений жизни как свойства материи, приводящего
к сопряженной циркуляции биоэлементов в водной среде, движимой энергией солнечного
излучения по пути увеличения сложности.Среди алкилфосфатов имеются и лекарственные препараты, например, фосфакол, при¬
меняется при лечении глаукомы.Вопросы химии соединений с фосфатными группировками рассмотрены далее в соответ¬
ствующих разделах.25.5.3. Биологическая активность алкилфосфонатовЗдесь приведены необходимые сведения об алкилфосфонатах, т.е. веществах со связью
С-Р. Эти соединения в природе встречаются редко. Исключение составляют немногие фос-ЭнергияизлученияОрганический Неорганический
фосфор v * фосфорОрганическая НеорганическаясерасераСхема 25.1. Сопряженные круговороты элементов-органогенов.фосфакол,
я-нитрофениловый эфир
диэтилфосфорной кислоты
ГЛ. 25]ФОСФОР429фонолипиды и цилиатин NH2CH2CH2P(0H)2=0 ((3-аминоэтилфосфоновая кислота), кото¬
рый является продуктом жизнедеятельности некоторых видов морских анемонов.Отличительной особенностью многих производных алкилфосфоновых кислот являет¬
ся высокая токсичность, причем одни из них более ядовиты для теплокровных животных и
человека (а потому являются ОВ), другие — для насекомых (т.е. представляют собой инсек¬
тициды).К числу фосфорорганических ОВ относятся такие вещества, как табун, зарин и зоман.
Табун, зарин, зоман и родственные им соединения являются ядами нервно-паралитического
действия, т.е. они поражают нервную систему.Механизм действия фосфорорганических ОВ заключается в том, что они являются ин¬
гибиторами фермента холинэстеразы. Они блокируют его активные центры, препятствуя
тем самым взаимодействию фермента с ацетилхолином — медиатором нервных импульсов.
Таким образом, токсичность фосфорорганических соединений — результат нуклеофильного
замещения с участием функциональных группировок активного центра фермента.Естественно, что фосфорорганические аналоги ацетилхолина — фосфорилхолины обла¬
дают еще большей токсичностью. К числу сильнейших ОВ относятся и тиоаналоги фосфо-
рилхолинов — фосфорилтиохолины.Типичными представителями фосфорорганических инсектицидов служат хлорофос и
тиофос, изображенные ниже.ОС2Н5IN=C-P=0IОСН(СН3)2СН3IОСНС(СН3)3СН3-Р=0IFСН3-Р=0IFцианфосфоновой кислотыдиметиламид
этилового эфиразарин,
изопропиловый эфир
фторангидрида
метилфосфоновой кислотызоман,
пинаколиновый эфир
фторангидрида
метилфосфоновой кислотыOCH2CH2N+(CH3)3R-P=0ISCH2CH2N+(CH3)3R-P=0IXфосфорилхолиныXфосфорилтиохолиныX = OR', Fхлорофос,О, О-диметил-(2,2,2-трихлор-
1 -гидроксиэтил)фосфонаттиофос,О, О-диэтил- 0-(4-нитрофенил )-
тиофосфат
430ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVПолезно обратить внимание, что тиофос является эфиром не фосфоновой, а тиофосфор-
ной кислоты. Кроме тиофоса существует еще много и других органических тиофосфатов,
которые используют в качестве инсектицидов.Фосфорорганические инсектициды в отличие от хлорсодержащих инсектицидов
сравнительно быстро разрушаются из-за уже отмеченной способности к гидролизу и
не накапливаются в природе. Однако они обладают сравнительно высокой токсичнос¬
тью для человека и поэтому с их нежелательным действием приходится сталкиваться в
токсикологической практике.Принципы борьбы с отравлениями здесь такие же, как и в случае фосфорорганических
ОВ. В их числе важное место занимает упомянутая выше реакция с производными гидро-
ксиламина, которые употребляются в качестве противоядий.Гидролиз амидных, галогенангидридных и сложноэфирных групп, входящих в состав
ОВ, является способом их дегазации. Проблема ликвидации запасов боевых отравляющих
веществ является в настоящее время актуальной.Среди производных алкилфосфонатов имеются и лекарственные средства. Так, армии,
близкий аналог фосфакола (см. разд. 25.5.2), также является препаратом для излечения гла¬
укомы.ОС2Н51 э армии,N02 ?вО п-нитрофениловый, этиловый эфирэтилфосфоновой кислотыКроме производных фосфоновой кислоты существуют семейства органических произ¬
водных диалкилфосфинистой, диалкилфосфиновой и алкилфосфонистой кислот, среди ко¬
торых имеется много представителей физиологически активных веществ.R R НI I IR-P=0 R-P=0 R-P=0I I IH OH OHдиалкилфосфинистая диалкилфосфиновая алкилфосфонистаякислота кислота кислотаСледует упомянуть, что фосфорорганические соединения находят применение также и
в качестве растворителей, поверхностно-активных веществ, катализаторов технологических
процессов, комплексонов и т.д. Таким образом, органическая химия фосфора представляет
собой перспективную и быстро развивающуюся область химической науки. Существенный
вклад в изучение фосфорорганических соединений внесли отечественные ученые А. Е. Ар¬
бузов и Б. А. Арбузов.Итак, роль фосфора как элемента-органогена определяется его нахождением в биосре¬
дах в виде фосфат-иона, который входит в состав неорганических компонентов живых орга¬
низмов в виде как мало, так и хорошо растворимых фосфатов, с одной стороны, и в состав
органических биомолекул в ряду углеводов, нуклеиновых кислот и липидов, с другой сто¬
роны. Нуклеофильное замещение при атоме фосфора в них составляет суть важнейшей ре¬
акции биологического фосфорилирования. Существует сложная система равновесия меж¬
ду различными формами фосфатов в составе биосубстрата, регулирующая распределение
соединений фосфора в различных тканях и средах организма.
ГЛ. 25]ФОСФОР43125.6. Мышьяк, сурьма, висмут25.6.1. Неорганические производныеС ростом радиуса атома от азота к висмуту падает величина относительной электроот¬
рицательности, уменьшается энтальпия ионизации, все большую роль в формировании хи¬
мических связей начинают играть rf-орбитали. При движении вниз в пределах группы усили¬
ваются металлические свойства. Если мышьяк является амфотерным элементом, то сурьма и
висмут уже относятся к металлам. Устойчивы для них степени окисления -3, +3 и +5. При
этом устойчивость соединений с крайними значениями степеней окисления сверху вниз
уменьшается в связи с нарастанием металличности. Поэтому гидриды этих элементов мало¬
прочны. Не прочной является и висмутовая кислота, как и ее соли, висмутаты, являющие¬
ся сильными окислителями.В частности, висмутаты способны окислять катион марганца (2+) в перманганат-анион:2Mn(N03)2 + 5NaBi03+ 16HN03-> 2НМп04+ 5Bi(N03)3+ 5NaN03+ 7H20Из соединений As(V), Sb(V), Bi(V) наиболее устойчивы соединения мышьяка. В отли¬
чие от фосфатов, которые достаточно устойчивы к восстановлению и не токсичны, соедине¬
ния мышьяка( V) токсичны, так как в организме человека легко восстанавливаются до соеди¬
нений As(III) под действием сульфидов или тиолов.Оксиды и гидроксиды трехвалентного мышьяка, сурьмы и висмута проявляют амфотер-
ные свойства. Однако самым значимым для медицины свойством этих соединений являет¬
ся образование трудно растворимых сульфидов, приводящее к их прочному связыванию с
меркапто группами белков, что и служит причиной их высокой токсичности. В первую оче¬
редь, этот эффект связывают с блокировкой тиольных групп биорегулятора глутатиона,
который восстанавливает в тканях токсичные пероксиды — продукты пероксидного окис¬
ления липидов (см. разд. 23.3).Для судебно-медицинской практики важно обнаружение мышьяковых препаратов, ко¬
торое основано на восстановлении соединений As+3 до соединения As-3 — арсина. Последу¬
ющее термическое разложение арсина до свободного мышьяка с образованием так называ¬
емого мышьякового зеркала и служит для обнаружения этого элемента при отравлениях.
Этот метод, чувствительность которого 710'7 г мышьяка, носит название пробы Марша:As203 + 6Zn + 12НС1 -> 2AsH3T + 6ZnCl2 + 3H202AsH3—»2Asi + 3H2Мышьяковые соединения накапливаются в ногтях и волосах за счет связывания с тиоль-
ными группами белков. Последнее обстоятельство используется в методе радиационного
анализа при определении хронических мышьяковых отравлений.Столь же токсичны соединения сурьмы и висмута, но их эффект выражен слабо, так как
в желудке они гидролизуются с образованием малорастворимых соединений, содержащих
оксокатионы ЭО+ и не всасывающихся через стенки желудочно-кишечного тракта:SbCl3 + Н20 -> SbOCll + 2НС1
хлористый
антимонияBi(NOs)3 + Н20 -> Bi0N03vl + 2HN03
азотнокислый
висмутил
432ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ[Ч. IVО биологической роли мышьяка, сурьмы и висмута, которые относятся к числу микро¬
биоэлементов, известно немного. Мышьяк, возможно, незаменимый элемент, во всяком слу¬
чае, в микроколичествах он полезен. Относительно сурьмы и висмута ничего определенного
сказать нельзя. Известно лишь, что соединения этих элементов угнетают действие некоторых
ферментов.Соединения мышьяка(Ш) в микродозах применяют в стоматологической практике для
омертвления мягких тканей зубов. Используют мышьяковые препараты и для лечения не¬
которых кожных заболеваний.Еще одна область применения мышьяковых соединений в медицине — лечение не¬
рвных расстройств и малокровия с помощью 1%-ного раствора гидроарсената натрия
Na2HAs04-7H20. Вероятно, лечебное действие достигается за счет частичного блокиро¬
вания тиольных групп ферментов.Сульфид сурьмы Sb2S5 входит в состав медицинской резины. Оксид висмута(Ш) — сос¬
тавная часть препарата ксероформа, который служит наружным подсушивающим и антисеп¬
тическим средством. Основной нитрат висмута Bi0N03 употребляют в качестве вяжущего
и антисептического средства при желудочно-кишечных заболеваниях.25.6.2. Органические производные мышьякаСуществуют органические соединения трех- и пятивалентного мышьяка. Среди них об¬
наружены как сильно ядовитые вещества, так и лекарственные средства.Взаимодействием AsCl3 с ацетиленом получают Р-хлорвинилдихлорарсин, который обла¬
дает кожно-нарывным действием и является боевым О В, известным под названием люизит.Так как в состав люизита входят два «галогенангидридных» атома хлора, он легко гид¬
ролизуется, причем продукт гидролиза — Р-хлорвиниларсеноксид тоже сильно токсичен.ОНCl-CH=CH-As^ ***° > Cl-CH=CH-As=0 - ^°] > Cl-CH=CH-As=0
\С1 -2НС1 Iлюизит ОНГидролиз люизита в присутствии окислителей (перекись водорода, хлорамин, хлорная
известь и т.д.) превращает его в Р-хлорвинилмышьяковую кислоту, которая значительно
менее ядовита, как и все соединения пятивалентного мышьяка в целом. В такой обработ¬
ке и заключается дегазация люизита. Его токсический эффект состоит в действии на ти-
ольные группировки белков, а, следовательно, эффективными противоядиями являются
БАЛ и унитиол.Токсичны и другие арсины. Например, дифенилхлорарсин, дифенилцианарсин и адамсит
являются отравляющими веществами раздражающего и общеядовитого действия.0-£-0 0"4г0Напротив, соединения пятивалентного мышьяка — производные алкиларсоновой и ди-
алкиларсиновой кислот — менее токсичны и используются в качестве лекарственных пре¬
паратов.
ГЛ. 25]ФОСФОР433СНзСНз'As-ONaОнатриевая соль
диметиларсиновой
кислотыатоксилсальварсанНатриевая соль диметиларсиновой кислоты применяется в дерматологии. Для лечения
сонной болезни ранее применялся препарат атоксил — натриевая соль арсаниловой кисло¬
ты. Однако атоксил сильно токсичен и вызывает, в частности, слепоту. Атоксил, как типич¬
ный аналог яяря-аминобензойной кислоты, представляет собой антиметаболит.Поиски лекарственных средств среди соединений мышьяка связаны с именем основателя
химиотерапии П. Эрлиха. Эрлих получил противосифилитический препарат «сальварсан»,
формула которого была установлена позднее. Сальварсан является полимерным соединени¬
ем со связями -As-As-. В настоящее время мышьяковые препараты вытесняются антибио¬
тиками.
ЧАСТЬ VОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ— и вот трудами современных ученых
развилась новая отрасль сведений и
требует своих прав на звание науки
самостоятельной под именем химии
органической; эта отрасль знаний, из
которой общественная и часная жизнь
почерпают более, нежели из многих других
наук.Н. Н. ЗининГлава 26.ОКСОСОЕДИНЕНИЯ26.1. Классификация и номенклатураСоединения, содержащие карбонильную группу С=0 (оксогруппа, карбонил), именуемые
оксосоединениями, представлены альдегидами RCH=0 — веществами, у которых один из за¬
местителей при карбонильной группе — атом водорода, и кетонами R1R2C=0, в которых кар¬
бонильная группа связана с двумя радикалами.Отличие в строении этих классов оксосоединений обусловливает и принципиальное раз¬
личие в их химических свойствах. Альдегиды (но не кетоны) легко окисляются в соответ¬
ствующие кислоты уже такими слабыми окислителями, как аммиачный раствор оксида се¬
ребра или свежеприготовленный щелочной раствор гидроксида меди:RCH=0 + Ag20 -> R-COOH + 2Agl
карбоновая кислотаRCH=0 + 2Cu(OH)2 -> R-COOH + Cu2Ol + 2H20
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ435Генетическая связь альдегидов с карбоновыми кислотами отражается в том, что триви¬
альные названия многих альдегидов производятся от названий тех кислот, в которые они
окисляются.Международные правила присваивают альдегидной группе окончание -аль, причем эта
группа определяет начало нумерации. Часть альдегидов имеет свои тривиальные названия,
как и многие кетоны. Если альдегидная группа не входит в главную цепь, то она обознача¬
ется префиксом формил- и цифрой, указывающей ее местоположение.По правилам рациональной номенклатуры название кетонов начинается с названий ради¬
калов, присоединенных к карбонильной группе, которой соответствует окончание кетон. По
международной номенклатуре кетонной карбонильной группе отвечает окончание -он, поло¬
жение которой указано цифрой, причем нумерацию начинают с ближайшего к ней конца цепи.При наличии в главной цепи более старшей группы кетонная группа обозначается пре¬
фиксом оксо-.Альдегиды:СНзчСНзСН2чС13Счмуравьиныйальдегид,формальдегидуксусныйальдегид,ацетальдегид,этанальпропионовыйальдегид,пропанальтрихлорэтаналь,хлоральСНзСН2СН2чСНзСН3-СНчсн2=снчмасляный альдегид,
бутанальизомасляный альдегид,
2-метилпропанальакролеин,пропенальсн=обензальдегид ос-фуранкарб-альдегид,
фурфурол2-метил-3-гидрокси-5-гидроксиметил-пиридин-4-карбальдегид,пиридоксальКетоны:С=0СНзацетон,пропанонметилэтилкетон,бутанонацетофенон, циклогексанонметилфенилкетон,1-фенилэтаналь
436ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫВ зависимости от характера заместителей у карбонильной группы оксосоединения мо¬
гут быть насыщенными, ненасыщенными или гетероциклическими.Кроме карбонильной группы в их молекулах могут содержаться и различные функцио¬
нальные заместители, в том числе и другие карбонильные группы. В последнем случае го¬
ворят о ди-, три- и т.д. альдегидах и кетонах.Диальдегиды и дикетоны:Уч°о нСН3 Оо>-<сн,нн сн,снаэтандиаль,глиоксальдиметилглиоксаль,бутандионОД
УОбензохинон-1,4,
циклогексадиен-2,5-дион-1,4малондиальдегид,пропандиальацетилацетон,пентандион-2,42-метилнафтохинон-1,4Карбонильная группа присутствует во многих разновидностях биомолекул. В част¬
ности, она характерна для углеводов (глюкоза, например, обладает альдегидной карбо¬
нильной группой, а фруктоза представляет собой кетон), присутствует в ряде стероид¬
ных гормонов, а также терпенов. Ею обладают природные кетокислоты. Пиридоксаль
представляет собой кофактор многих ферментов. Малондиальдегид — важнейший про¬
дукт пероксидного окисления липидов, а потому его определение в биосредах практику¬
ется в биохимическом анализе. О роли убихинонов уже говорилось (см. разд. 22.7.3).
Нафтохинонная структура присутствует в витаминах группы К. 2-Метилнафтохинон-
1,4 является, к примеру, витамином К4 — антигеморрагическим фактором, отвечающим
за свертываемость крови.Многие альдегиды и кетоны используют на практике, в том числе в синтезе лекарств. На¬
пример, фурфурол — сырье для производства фурацилина и ряда других препаратов.26.2. Способы получения альдегидов и кетонов1. Оксосоединения можно получить ранее рассмотренной реакцией окисления спиртов
(см. разд. 22.7.3), при этом первичные спирты дают альдегиды, а вторичные — кетоны. Окис¬
ление гидрохинона служит методом синтеза я-хинона. Реакции окисления спиртовых или
фенольных гидроксильных групп, катализируемые ферментами, например, алкогольдегид-
рогеназой, являются важнейшим путем введения карбонильной группы в биомолекулы.2. Реакция Кучерова (см. разд. 20.3.4) с ацетиленом приводит к ацетальдегиду, а с гомо¬
логами ацетилена — к различным кетонам.3. Гидролиз геминальных дигалогенпроизводных приводит к образованию альдегидов
и кетонов:
ГЛ. 26] ОКСОСОЕДИНЕНИЯ 437СНС1, —-—»CH=0 + 2НС1хлористый бензилиден4. Универсальным методом синтеза оксосоединений служит реакция декарбоксили-
рования карбоновых кислот, осуществляемая при их сильном нагревании над оксидами
металлов (М) МпО или Th02 (или их гидроксидами). Из схемы нетрудно заметить, что ис¬
пользование одной кислоты (R1 = R2), а не смеси из двух различных кислот приводит к
симметричному по строению кетону. Именно таким способом из уксусной кислоты и Са-
(ОН)2 и был получен впервые ацетон, откуда и происходит его название. Если одна из кис¬
лот представляет собой муравьиную (R1 = Н), в реакции получается альдегид.ОR1ОНООМ(ОН)2-нон *онRО/м\■чооfR1-МСОзRОИз дикарбоновых кислот образуются кетоны циклоалканового ряда с числом атомов уг¬
лерода в кольце меньше на единицу, чем в исходной кислоте, например:Оон м(он)2
он -нон *г</ г\м:ро/Л,оадипиноваякислотаЧ>
Ъ-МСОзциклопентанон5. Широко применяется в промышленности метод оксосинтеза, заключающийся в дей¬
ствии на алкены смесью оксида углерода(Н) и водорода в присутствии катализатора на ос¬
нове карбонилов кобальта и железа, приводящий к альдегидам:rch=ch2+со + н2RCH,CH,-Cкат.'\О,онR-CH-CI 4сн,н6. Альдегиды можно также в принципе синтезировать восстановлением карбоновых
кислот (или некоторых их функциональных производных). Легче всего альдегиды обра¬
зуются при восстановлении хлорангидридов карбоновых кислот (X = С1) в присутствии
палладия:R-COX + H2 -» R-CH=0 + HX
438ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ7. Ацилированием ароматических соединений по Фриделю-Крафтсу (см. разд. 20.3.5)
получают ароматические и жирноароматические кетоны.26.3. Химические свойства карбонильных соединенийДля двойной связи карбонильной группы, как и для всякой другой кратной связи, харак¬
терны реакции присоединения. Оксосоединения значительно активнее алкенов, что обус¬
ловлено большей электроотрицательностью атома кислорода. Это вызывает появление зна¬
чительного дипольного момента карбонильной группы (=2,5 D), причем положительный
конец диполя находится у карбонильного атома углерода, который обладает поэтому элек¬
тронодефицитным характером. Высокая полярность и поляризуемость связи С=0 приво¬
дят к тому, что присоединяющийся реагент будет направляться своим отрицательным кон¬
цом к атому углерода. Сказанное выражается схемой:ОХ\ 5+ 5- 5+ 5- IС=0 + X-Y ^ -C-Y
/ ^ |Следовательно, для оксосоединений характерно нуклеофильное присоединение.Донорные заместители (а в их числе находятся и алкильные группы) должны снижать
электрофильность карбонильного углерода и тем самым уменьшать реакционную способ¬
ность. Поэтому в ряду формальдегид — ацетальдегид — ацетон последний обладает мини¬
мальной реакционной способностью. Напротив, введение электроноакцепторных групп облег¬
чает присоединение. Так, хлораль значительно активнее ацетальдегида. В целом альдегиды,
как правило, активнее кетонов, т.к. у них больше эффективный заряд и пространственная до¬
ступность реакционного центра на карбонильном атоме углерода.Несмотря на высокую полярность, карбонильные соединения имеют меньшие темпера¬
туры плавления и кипения, чем родственные спирты. Это объясняется отсутствием их ассо¬
циации из-за невозможности образования водородной связи. Простейшие альдегиды и ке¬
тоны, однако, хорошо растворимы в воде, т.к. с ее молекулами такая связь у карбонильной
группы образуется.26.3.1. Реакции присоединения карбонильной группы1 .Присоединение водорода к карбонильной группе, как уже отмечалось (см. разд. 22.7.2),
служит способом синтеза спиртовой группы. Это явление носит обратимый характер и игра¬
ет существенную биохимическую роль.Действие сильными восстановителями приводит к восстановлению оксосоединений до
алканов:2R]COK2 + LiAlH, + 2Н20 г^СН.К2 + LiOH + А1(ОН)32. Гидратация альдегидов и кетонов является обратимой реакцией:ОН С1 н
-онR1\С=0 + Н-ОН ^ R'-C-OH С1-R2 LR Cl ОНхлоральгидрат
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ439Для наиболее активного в реакциях присоединения формальдегида (R1 = R2= Н) степень
гидратации составляет 100%, ацетальдегид (R1 = СН3, R2= Н) гидратирован на 58%, а аце¬
тон (R1 = R2 = СН3) практически не образует гидрата. Таким образом, большинство оксосо-
единений воду не присоединяют. Исключение составляют альдегиды и кетоны с электро¬
ноакцепторными заместителями. Например, продукт взаимодействия хлораля с водой —
хлоральгидрат СС13СН(ОН)2 настолько устойчив, что его легко выделить в чистом виде.
Хлоральгидрат применяется в клинической практике, т.к. он обладает снотворным и проти-
восудорожным действием.Y3. Присоединение спиртов, которое легко осуществляется для альдегидов, приводит
первоначально к обратимому образованию неустойчивых продуктов, именуемых полуаце-
талями (R1 = Н).полуацетальный гидроксилГОН] OR^\ ■ H-OR IС=0 + H-OR ^ Rj-C-OR X > R-C-OR
р2/ I -НОН IR2 R2полуацеталь ацетальГидроксильная группа полуацеталей, так называемый полуацетальный гидроксил, не¬
прочно связан с углеродным атомом, т.к. этот атом связан с еще одним электроотрицатель¬
ным атомом — кислородом группы OR. Поэтому полуацетальный гидроксил легко замеща¬
ется под действием второй молекулы спирта, в результате чего образуется ацетаЩ. Кетоны
(R1, R2 Ф Н) взаимодействуют со спиртами значительно труднее, чем альдегиды,^образуя по¬
лу кетали и кетали.Интересен случай, когда карбонильная и спиртовая группы находятся в одной моле¬
куле. В таких веществах — гидроксикарбонильных соединениях — имеется возможность
внутримолекулярного взаимодействия между этими группами, что должно приводить к
образованию циклических полуацеталей. Естественно, что взаимодействие может осуще¬
ствляться тогда, когда замыкающийся цикл лишен напряжения, т.е. будет пяти- или шес¬
тичленным. Это условие выполняется для тех гидроксикарбонильных соединений, в ко¬
торых реагирующие функциональные группы разделены тремя или четырьмя атомами
углерода. Рассмотрим это превращение на примере бутанол-4-аля (у-гидроксимасляного
альдегида):3 2Н0СН2СН2СН2СН=0 ^бутанол-4-аль циклическийполуацетальВ образующемся циклическом полуацетале с тетрагидрофурановым кольцом полуаце¬
тальный атом углерода (Cj) является хиральным центром, а, следовательно, получается
смесь двух энантиомеров (рацемат). Энантиомеры циклических полуацеталей именуют а-
и (3-изомерами (таутомерами). При изображении по Хеуорсу (см. разд. 20.2.4) принято по-
луацетальную гидроксильную группу а-изомера помещать под плоскостью кольца, a v
(3-изомере — наоборот.
440ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.V<г°у1 она-формаУраН0СН2СН2СН2СН=0гидроксимасляныиальдегид,0 онр-формаI/Аналогичный процесс с образованием шестичленного тетрагидропиранового производ¬
ного изображен и для пентанол-5-аля.НОСНоСНоСНоСНоСН=0о ононa-форма р-формаЭти реакции идут достаточно быстро и обратимо, следовательно, одно и то же вещество
представлено одновременно тремя изомерными формами. В этом случае говорят о явлении
таутомерии (динамической изомерии). Рассматриваемые превращения являются примера¬
ми кольчато-цепной таутомерии. Кольчато-цепная изомерия представляет собой харак¬
терное свойство таких важных в биологическом отношении веществ, как углеводы. Наблю¬
дается она и у многих других природных веществ, содержащих одновременно и гидрокси-,
и оксогруппы, например, у некоторых природных стероидных гормонов.4. Синильная кислота чрезвычайно легко присоединяется к оксосоединениям, в резуль¬
тате чего получаются продукты, содержащие гидроксильную и нитрильную группы при
одном и том же атоме углерода (а-гидроксинитрилы, циангидрины). Для альдегидов эта ре¬
акция в общем виде выглядит следующим образом:RН:с=о + H-CNNIIIсICN CN-ОН НО-—> R-C*-OH
Iна-гидроксинитрилRD- и L-изомерыПолучающиеся а-гидроксинитрилы содержат асимметрический атом углерода и следо^
вательно представляют собой рацематы, т.е. смесь равных количеств D- и L-энантиомеров,
которые изображены с помощью проекционных формул Фишера (см. разд. 22.3).Синтез а-гидроксинитрилов имеет большое практическое значение, т.к. из них получа¬
ют углеводы, гидрокси-, кето- и аминокислоты, т.е. разнообразные биомолекулы. Реакция
синильной кислоты с карбонильной группой используется при отравлениях синильной кис¬
лотой, для чего обычно употребляют глюкозу (см. разд. 27.2).Дегазацию помещений, содержащих пары синильной кислоты, осуществляют посред¬
ством формалина (40% водный раствор формальдегида):
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ4415. Присоединение аммиака и аминов к альдегидам в первой стадии происходит, как и
в других рассмотренных реакциях нуклеофильного присоединения, а затем от первичного
продукта присоединения отщепляется вода за счет группы ОН и атома водорода аминогруп¬
пы. Образующееся вещество называется иминож.RД> О + H-NHR1НОНIR-C-NHR1IН-н2оR+Н20 Н':c=nr‘Образование иминов обратимо, при действии воды они могут распадаться на исходные
амин и оксосоединение. В случае первичных аминов образуются сравнительно устойчивые
замещенные имины, называемые основаниями Шиффа или азометинами.Имины альдегидов обычно нестойки и претерпевают циклотримеризацию:RН JL НN^^ST
3R-CH=NH —►RRРеакция аминогруппы с образованием C=N связи является необходимой стадией в про¬
цессе транс-аминирования — биохимического превращения, суть которого состоит в пере¬
даче аминогруппы от одной молекулы к другой; транс-аминированием одни аминокислоты
превращаются в другие in vivo.сн=оно. ^ ,СН2ОНRCH=N-CH-COOHR+ NH,-CH-COOH-н2оН3С N+Н20пиридоксальCH2NH2аминокислотаR+ 0=С-н2о'СООН +н2оch2-n=cc' ^соонСН2ОННзСкетокислотаВ этом процессе принимает участие молекула пиридоксаля. Сначала он образует имин ■
молекулой аминокислоты (или аминогруппой белка). Затем в образовавшемся имине имеет
442ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. Vместо таутомерия за счет перемещения кратной связи C=N (имин-иминная таутомерия), в
результате получается имин с иным положением связи C=N. Этот имин ферментативно гид¬
ролизуется, давая кетокислоту и пиридоксамин. Другая кетокислота взаимодействует с пи-
ридоксамином, а продукт этой реакции за счет таутомерии и последующего гидролиза (то
есть реакции в обратном направлении) превращается в аминокислоту и пиридоксаль. Таким
образом, суммарное превращение служит путем замены карбонильной группы на амино¬
группу (и наоборот) и тем самым служит приемом передачи аминогруппы от одной амино¬
кислоты к другой, то есть представляет собой транс-аминирование.Другой важный аспект образования иминов в результате взаимодействия пиридоксаля
(точнее, его фосфата) с аминокислотами — это его связывание с аминогруппой остатка глута¬
миновой кислоты в составе некоторых ферментов, в результате чего формируется активный
участок молекулы фермента, ответственный за некоторые метаболические превращения.Образование имина служит необходимой стадией связывания молекулы ретиналя с бел¬
ком в биохимическом процессе возбуждения палочек сетчатки глаза. Первоначальной стадией
этого процесса служит фотоизомеризация 11 -транс- —> 1 1-цмс-ретиналь. Только после такой
изомеризации становится возможным пространственное соответствие (комплементарность)
молекул ретиналя и белка опсина (изображен условно). Последующее связывание 1 i-цис-ре-
тиналя с опсином приводит к образованию молекулы имина, называемого родопсином:Родопсин и запускает механизм зрительного восприятия.Сложным образом происходит реакция аммиака с формальдегидом, в которой образуется
уротропин (см. разд. 26.4).6. Продукты взаимодействия оксосоединений с гидроксиламином называют оксима-
ми. Практическое значение имеет оксим циклогексанона, получение которого служит про¬
межуточной стадией синтеза полимера капрона.О + h2noh-Н20>NOHоксимциклогексанона
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ443Реакцией диметилглиоксаля с гидроксиламином получают диметилглиоксим {реактив
Чугаева), являющийся активным бидентатным лигандом. Это его свойство используется для
определения ряда катионов переходных металлов в аналитической химии.СНз О СНз NOH
\—+ 2H2NOH ► >—\
О СН3 -2Нг° HON СНздиметилглиоксаль диметилглиоксимВ биологических целях такие комплексы также подвергаются исследованию, поскольку
во многом имитируют свойства значительно более сложно построенных биокомплексов (на¬
пример, витамина В12).В качестве противоядий при отравлении фосфорорганическимиОВ применяют некоторые оксимы, особенно карбонильных соедине- Г С Л| х~ний гетероциклического ряда. В качестве примера можно привести хтлттл \г+ СН— NUHпралиооксим — оксим альдегида, содержащего пиридиновое кольцо с ^четвертичным атомом азота. СН37. С гидразином и его ароматическим производным — фенил гидра- пралидоксим
зином альдегиды и кетоны также образуют продукты, содержащие связь
C=N, которые называются гидразонами и фенилгидразонами, соответственно.R!R2C=0 + H2NNHR-> r1r2c=nnhr + н2оR = Н, гидразон; R = С6Н5, фенилгидразонГидразоны под действием щелочи выделяют азот и превращаются в алканы. Эта реакция,
открытая в начале XIX в. русским химиком Н. М. Кижнером и носящая его имя, является
эффективным способом превращения различных оксосоединений в алканы, например:СН3 ч СНз КОН
с=о + h2nnh2 „тт > c=nnh2 ——> СН3СН2СН2СН3
г „у -2Н2о _ „/ 2 -n2метилэтилкетон гидразон бутанметилэтилкетонаСвоеобразно идет реакция фенилгидразина с а-гидроксикарбонильными соединениями,
например, с глицериновым альдегидом. В первой стадии получается соответствующий фе¬
нилгидразон:СН=0 + H2NNHC6H5 > CH=NNHC6H5 фенилгидразон-ОН-Н,0глицеринового
альдегидаСН2ОН СН2ОНглицериновый
альдегидДалее вторая молекула фенилгидразина окисляет вторичную спиртовую группу в кетон-
ную, которая снова взаимодействует с фенилгидразином и в результате получается озазон.Образование фенилгидразонов из альдегидов или кетонов и озазонов из а-гидроксикар-
бонильных соединений используется в идентификационных целях, в частности, в химии
углеводов.
444ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫch=nnhc6h5 ch=nnhc6h5 ch=nnhc6h5
OH h2nnhc6h5 I
-NH3, -C6H5NH2 * I
CH2OH CH;озазонРеакция с фенилгидразином некоторых веществ, содержащих карбонильную группу, на¬
шла употребление в синтезе таких широко известных антипиретиков и анальгетиков, как ан¬
типирин, амидопирин, анальгин и др. (см. разд. 32.2.2).Оксосоединения могут вступать в реакции нуклеофильного присоединения и с некото¬
рыми другими веществами (металло-органические соединения, меркаптаны, ацетилен и др.).
Эти реакции имеют значение в органическом синтезе, но менее интересны в медико-биоло-
гическом аспекте.Н-ШНС°НУ p=NNHC6H5-н7о IСН,ОН26.3.2. Реакции с участием заместителя при карбонильной группеКарбонильная группа обладает сильным электроноакцепторным действием и потому
оказывает воздействие на связанный с ней заместитель. В случае предельного радикала кар¬
бонильная группа ослабляет связь С-Н при углеродном атоме в a-положении к карбониль¬
ной группе (а-водород).Это выражается в повышенной склонности а-зодорода к замещению, например, в реак¬
циях галогенирования. Так, ацетальдегид хлорируется уже в обычных условиях с последо¬
вательным замещением всех трех а-водородных атомов и образованием хлора ля:СН3 +С1 С1СН2 +С1 С12СН +QJ С13СС=0 7^ С=0 7^ с=о —^ с=он/ -HCI н/ -НС1 нх -НС1 н/этаналь хлоральМалая прочность связи С-Н у а-углеродного атома может приводить к отрыву а-водо-
рода в виде протона, который далее атакует атом кислорода карбонильной группы. В таком
случае можно ожидать частичную изомеризацию оксосоединения в непредельный спирт
(енол):ос I I \ /кетон Н->С-*С=0 С=С енол| и / хОНТаким образом, возможна прототропная таутомерия кетон <=> енол, так называемая
кето-енольная таутомерия.Соотношение таутомеров определяется величинами их свободных энергий. У предель¬
ных альдегидов и кетонов свободная энергия кетоформы ниже энергии енольной формы на
63 кДж/моль, поэтому степень их енолизации ничтожно мала (=10~4%). Устойчивость оксо-
формы по сравнению с ее таутомером — непредельным спиртом — находит отражение в пра¬
виле Эльтекова (см. разд. 20.3.4).При стабилизации енольной формы действием каких-либо факторов ее долю в таутомер-
ном равновесии можно заметно повысить или сделать эту форму единственно возможной.
В частности, у (3-дикарбонильных соединений енольный таутомер стабилизирован за счет
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ445образования прочной внутримолекулярной водородной связи (до 20 кДж/моль) и сопря¬
женной системы С=С-С=0 (еще около 15 кДж/моль) и поэтому может преобладать в сме¬
си, что и имеет место для ацетилацетона:В случае фенола оксоформа вообще практически отсутствует, т.к. ее образование долж¬
но разрушать ароматическую систему с энергией сопряжения, равной 150 кДж/моль.О ОНоПоложение таутомерного равновесия в значительной степени зависит и от природы ра¬
створителя.Соединения, для которых наблюдается явление таутомерии, вступают в реакции, харак¬
терные для каждого таутомера. При этом результат реакции зависит не столько от содержа¬
ния этих таутомерных форм, т.к. они находятся в равновесии, а в большей степени от соот¬
ношения активности их реакционных центров. Поэтому в итоге может образоваться один
или несколько продуктов в зависимости от природы субстрата и реагента, а также условий
проведения реакции. Явлением кето-енольной таутомерии объясняются многие химические
свойства таких важных метаболитов, как углеводы, гидрокси- и кетокислоты.Электроноакцепторное влияние карбонильной группы на ненасыщенный радикал в не¬
предельных альдегидах и кетонах проявляется в том, что электрофильное присоединение к
их двойной связи С=С происходит против правила Марковникова:5+ 8“сн2=сн б_\=0 + НВг ► ВгСН2СН2СН=0нх ^пропеналь,акролеинПо отношению к ароматическому радикалу карбонильная группа проявляет себя как за¬
меститель второго рода. Поэтому реакции электрофильного замещения, например, нитро¬
вание, идут для бензальдегида по преимуществу в .мета-положение:сн=о сн=оhono2-НоОо'N0,
446ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ26.3.3. Реакции полимеризации и конденсации альдегидов и кетонов1. Наличие подвижного а-водородного атома в молекуле предельных альдегидов и кето¬
нов сообщает им способность вступать в реакцию нуклеофильного присоединения по кар¬
бонильной группе другой молекулы. Эта обратимая реакция, катализатором которой явля¬
ется щелочь, на примере ацетальдегида выглядит следующим образом:СН3\ кпц-> СН3—СН-СН2—СН=0 алъдольIОН3-гидроксибутаналь)с=о + н-сн2
н с=он/Ее продукт содержит альдегидную и спиртовую группы и поэтому называется алъдолем,
а реакция представляет собой альдольную конденсацию или альдольное присоединение.
Альдольную конденсацию, которая является окислительно-восстановительной реакцией,
впервые наблюдал А. П. Бородин.Альдоль нестоек и если в его молекуле имеется а-водородный атом, при нагревании от¬
щепляет воду, превращаясь в непредельный альдегид, бутен-2-аль, который имеет тривиаль¬
ное название кротоновый альдегид.СНЯ. Нсн3-сн-сн2-сн=оIон-Н20н2—0нкротоновый альдегидПоэтому суммарное превращение ацетальдегида в две стадии называется кротоновой
конденсацией.Эта реакция, в которую могут вступать различные оксосоединения, причем перекрест¬
но (например, ацетон с ацетальдегидом), имеет большое практическое значение, т.к. позво¬
ляет синтезировать разнообразные p-гидроксикарбонильные производные или ненасыщен¬
ные альдегиды и кетоны, причем увеличивается длина углеродной цепи. Число способов
увеличения атомов углерода в органических молекулах ограничено. Следует учитывать, что
и продукты альдольного присоединения, в свою очередь, могут претерпевать новое альдоль¬
ное присоединение и т.д.Примером перекрестного альдольного присоединения может служить реакция между
глицериновым альдегидом и дигидроксиацетоном, которая приводит к фруктозе:СН2ОНдигидроксиацетонглицериновыиальдегидН°СН2ОН+сн=о
онсн2он=оно--он-ОН
СН2ОНфруктозаСН2ОНЭтот процесс (в виде фосфатов глицеринового альдегида и дигидроксиацетона) в живых
организмах обратим и идет под действием специального фермента — альдолазы. В расти¬
тельных клетках так осуществляется биосинтез фруктозы, а в животных происходит обрат¬
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ447ный процесс, представляющий собой одну из стадий углеводного обмена и биотрансформа¬
ции молекул углеводов в липиды и наоборот.2. С альдегидами, не имеющими а-водородного атома (например, формальдегид, бен-
зальдегид, фурфурол) и поэтому не способными претерпевать альдольную конденсацию, под
действием щелочи происходит иное превращение — окислительно-восстановительное дис-
пропорционирование (дисмутация) до соответствующих спирта и карбоновой кислоты (в
виде соли), например, в случае бензальдегида:(f:H=0 COOK СН2ОНО — ^ + (6бензоат калия бензиловый спиртРеакцию впервые наблюдал Канниццаро в 1853 г. Для альдегидов, обладающих ос-водо-
родным атомом, аналогичный процесс удалось осуществить В. Е. Тищенко (1906 г.) под дей¬
ствием алкоголята алюминия. В результате образуется не смесь спирта с кислотой, а продукт
их взаимодействия — сложный эфир, например:СН2 \>0 А1(°К)3> СН3-СН2-0-СССНз этилов„ыйэфир3 2 % Q уксусной кислотыПоэтому это превращение названо реакцией Канниццаро-Тищенко или сложноэфирной
конденсацией. Оно есть следствие того, что альдегиды по степени окисления занимают про¬
межуточное положение между спиртами и кислотами, с которыми их связывают окислитель¬
но-восстановительные переходы, играющие важную роль в процессах метаболизма органи¬
ческих веществ.3. Для бензальдегида под действием цианид-иона (катализатор) происходит так называ¬
емая бензоиновая конденсация.сн=оООН^ > \C~j)—СН—С- бензоинОН. Н. Зинин обнаружил эту реакцию и подробно исследовал разнообразные химические
превращения ее продукта — бензоина.4. Полимеризация характерна только для простейших альдегидов и кетонов (формаль¬
дегид, ацетальдегид, ацетон).Формальдегид и ацетальдегид легко вступают в реакцию тримеризации:RRx 0^0 0^03 /С=0 *11 I JН О^R = Н, СН3 триоксиметилен
448ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VПродукт тримеризации формальдегида — триоксиметилен — был открыт А. М. Бутле¬
ровым. Триоксиметилен, так же как и тример ацетальдегида — паральдегид, деполимеризу-
ется при нагревании.Формальдегид в водном растворе постепенно образует линейный полимер — параформВ настоящее время в промышленной практике широко употребляется еще один линейный
полимер формальдегида — полиформальдегид (п ~ 1000), из которого изготовляют различные
детали. Полиформальдегид — один из самых дешевых полимерных материалов. Синтезиро¬
ваны также полимеры ацетальдегида и ацетона.Интересный вариант полимеризации формальдегида состоит в образовании углеводов.
Это превращение под действием баритовой воды Ва(ОН)2 впервые осуществил А. М. Бут¬
леров в 1861 году.Сначала формальдегид димеризуется в гликолевый альдегид, тримеризация которого
дает сахаристое вещество — гексозу.Эта реакция дает ключ к пониманию одного из вопросов химической эволюции — про¬
блемы синтеза углеводов из простейших молекул. Представляется, что их образование про¬
исходило в водной среде под действием минеральных щелочных катализаторов из формаль¬
дегида, присутствовавшего в земной атмосфере.26.4. Отдельные представители карбонильных соединенийФормальдегид СН2=0 в больших количествах получают окислением метанола, а также
из смеси оксида углерода(Н) и водорода. Он важен для получения фенолформальдегидных
смол, полиформальдегида, как полупродукт органического синтеза. В медицинской практи¬
ке его употребляют в виде 40%-ного водного раствора — формалина — для дезинфекции и
консервирования препаратов.Из формальдегида синтезируют уротропин, впервые полученный А. М. Бутлеровым
(1860 г.). Реакция состоит в действии аммиака на формальдегид и сначала дает, как обыч¬
но, тример (рис. 26.1).Тример далее взаимодействует еще с тремя молекулами формальдегида, а промежуточ¬
ный продукт — с молекулой аммиака, в результате чего и образуется гексаметилентетрамин
(тетрааза-адамантан), именуемый уротропином.Молекула уротропина представляет собой поликонденсированный насыщенный гетеро¬
цикл, состоящий из четырех шестичленных колец. Уротропин применяют для синтеза по¬
лимеров, а также как лекарство (мочегонное средство, составная часть антигриппозного пре¬
парата кальцекса и др.).(/2 = 8-100):ггСН2=0 + НОН —> НО-[—СН2-0—]я—Н параформСН=0СНОН6CH;-0 Ва(01»> 3™"°
СН2ОНгексозагликолевыйальдегидСНОНIСН2ОН
ГЛ. 26]ОКСОСОЕДИНЕНИЯ449ЗСН,=0 + 3NH,-Н,03[CH2=NH] -формальдиминN NIНмNJ -N—/
уротропин
гексаметилентетраминРис. 26.1. Синтез уротропина из формальдегида.Ацеталъдегид СН3СНО производят из ацетилена, а также непосредственным каталити¬
ческим окислением этилена кислородом воздуха. Он является полупродуктом для синтеза
этилового спирта, этилацетата, паральдегида, хлораля и др.Фурфурол получают термической обработкой отрубей, соломы, кукурузных початков.
Продукт нитрования фурфурола — 5-нитрофурфурол служит для производства фурацилина.Пиридоксаль является важнейшей структурной единицей витамина В6. Он выполняет
ряд незаменимых функций в животных и растительных организмах, в частности, при его уча¬
стии осуществляется процесс транс-аминирования.Ацетон СН3СОСН3 синтезируют в основном окислением кумола, а также изопропило¬
вого спирта (см. разд. 22.7.2), получают его из уксусной кислоты или микробиологическим
путем — ацетон-бутиловым брожением некоторых микроорганизмов. Ацетон незаменим как
растворитель, он необходим в синтезе хлороформа, его применяют при получении изопре¬
на и др. При диабете наблюдается аномально высокое содержание ацетона (а также и неко¬
торых других предельных кетонов) в крови.Камфора представляет собой терпеновый кетон, извлекаемый из сока
ряда растений. Из 4 возможных стереоизомеров камфоры (молекула ко¬
торой содержит 2 хиральных центра) в природе встречается только один
изомер, обладающий правым вращением поляризованного света. Камфора
используется в медицине как средство, возбуждающее сердечную деятель¬
ность. Ее употребляют в производстве пластмасс. Например, целлуло¬
ид, первый известный синтетический пластический материал, пред¬
ставляет собой смесь камфоры с нитроклетчаткой. Раствор целлулоида в
спиртоэфирной смеси известен под названием коллодия, применяемого для закрепления по¬
вязок и покрытия ран.СН3ч СН3,0камфора
Глава 27.
УГЛЕВОДЫИстория синтеза сахаров начинается
с 1861 г., когда Бутлеров нашел,
что... триоксиметилен...
превращается в сладкий сироп.К. Шорлеммер27.1. ВведениеДля сахаристых веществ был предложен термин углеводы (К. Шмидтом в 1844 г.), так как
состав многих представителей сахаров отвечает формуле Ст(Н20)п. Например, глюкоза и
фруктоза имеют состав С6(Н20)6, тростниковый или свекловичный сахар (сахароза) —
С12(Н20)11? а клетчатка — [С6(Н20)5]х. На самом деле не все сахара соответствуют предло¬
женной формуле. Однако название «углеводы» укоренилось и в настоящее время является
общепризнанным для этих веществ.Углеводы наряду с жирами (липидами), белками и нуклеиновыми кислотами являют¬
ся важнейшими химическими соединениями растительного и животного мира. Достаточно
сказать, что около 12% сухого веса любых организмов приходится на долю сахаристых ве¬
ществ. Они присутствуют во всех частях человеческого организма (кровь, клеточная ткань,
мозг, печень и т.д.). Например, гликоген — крахмал животного происхождения — может со¬
ставлять до 20% от общего веса печени. В одной бактериальной клетке присутствуют 4,2 млн
молекул глюкозы и фруктозы, 1,8 млн молекул рибозы и 3,9 млн молекул дезоксирибозы.Согласно принятой классификации, углеводы подразделяют на две основные группы:
моносахариды и полисахариды.Моносахариды — это простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более
простых углеводов. Моносахариды в зависимости от длины углеродной цепи, разделяются
на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы* и т.д., а в зависимости от природы карбонильной
группы, которая входит в их состав, они делятся на альдозы и кетозы.* Окончание -от — необходимое указание па принадлежность вещества к классу углеводов.
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ451По международной номенклатуре альдопентозы имеют название 2,3,4,5-тетрагидрокси-
пентаналь, альдогексозы — 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь. Однако в химии углеводов эта
номенклатура практически не применяется и для них используются тривиальные названия.Полисахариды — это конденсационные полимеры моносахаридов с отщеплением моле¬
кулы воды. Так, сахароза С12Н22Ои — конденсационный димер глюкозы CGH1206 и фрукто¬
зы С6Н1206.Полисахариды в свою очередь делятся на низкомолекулярные (или сахароподобныё) и
высокомолекулярные (или несахароподобные).Среди сахароподобных полисахаридов важны дисахариды, часто встречающиеся в при¬
роде: сахароза, мальтоза, целлобиоза, лактоза. Дисахариды, как и моносахариды, легко ра¬
створяются в воде, из которой выделяются в виде кристаллов. Они сладки на вкус.Сладость моно- и дисахаридов может различаться в довольно широких пределах. Так, са¬
мый сладкий углевод — фруктоза — в 1,5 раза слаще сахарозы, которую принимают за эта¬
лон. Сахароза, в свою очередь, в 2 раза слаще глюкозы и в 4-5 раз — лактозы, которая уже
почти безвкусна.Полимеры моносахаридов с большим молекулярным весом лишаются физических свойств
сахаристых веществ, о которых сказано выше. Несахароподобные углеводы — высокомолеку¬
лярные полимеры — лишены сладкого вкуса. Высокомолекулярные полисахариды (крахмал,
клетчатка, агар-агар и др.), как правило, обладают малой растворимостью. Они, подобно дру¬
гим высокомолекулярным соединениям, образуют коллоидные растворы. Для них характер¬
ны явления набухания и застудневания, что широко используется в практике (например, за¬
студневание крахмала — в пищевой промышленности, агар-агара — в микробиологии).В схеме 27.1 отражена классификация углеводов:глицериновый дигидроксиацетон, сахароза, крахмал,альдегид, фруктоза мальтоза клетчаткарибоза, глюкозаСхема 27.1. Классификация углеводов.27.2. МоносахаридыПод углеводами в настоящее время подразумевают производные многоатомных спиртов,
содержащие карбонильную группу (альдегидную или кетонную).Глицериновый альдегид и дигидроксиацетон (см. разд. 22.3) можно считать простейшими
моносахаридами — триозами. В соответствии с принятой классификацией глицериновый
452ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. Vальдегид — алъдотриоза, а диоксиацетон — кетотриоза. Эти вещества, хотя в индивидуаль¬
ном виде в природе обычно не встречаются, являются промежуточными продуктами угле¬
водного обмена.27.2.1. Синтез Фишера-КилианиПри взаимодействии 0(+)-альдотриозы с синильной кислотой образуется два стереоизо-
мерных а-гидроксинитрила, а из ее энантиомера — Ц-)-альдотриозы — еще два изомерных
продукта.Это объясняется тем, что после присоединения синильной кислоты к альдегидной группе
0(+)-глицеринового альдегида в молекуле возникает новый асимметрический атом углеро¬
да (бывший до присоединения углеродом карбонильной группы). Напомним, что общее
число стереоизомеров любого вещества выражается формулой 2п, где п — число асимметри¬
ческих атомов углерода. В молекуле продукта присоединения HCN к глицериновому аль¬
дегиду два асимметрических атома углерода. Поэтому из D- и L-глицериновых альдегидов
можно получить 4 изомерных а-гидроксинитрила.D-глицериновыйальдегидсн=о
-онL-глицериновыйальдегидсн=оно-СН2ОНIhcnСН2ОНIhcnD-a-гидроксинитрилы L-a-гидроксинитрилыНитрильная группировка (-C=N) при гидролизе дает карбоксильную группу (СООН), ко¬
торую в определенных условиях можно восстановить до альдегидной группировки. При
суммировании превращений (присоединение HCN, гидролиз C=N группы, восстановление
СООН группы) мы переходим от одной альдотриозы к двум стереоизомерным альдотетрозам.1) HCN * 2) Н20 * 3)[Н1RCH=0 — ► RCH(OH)CN RCH(OH)COOH J RCH(0H)CH=0—NH3 —H2OЭти стереоизомерные альдотетрозы не являются энантиомерами (как D- и L-альдотриозы).
Разновидность оптических изомеров, которые не являются энантиомерами, называется диасте¬
реомерами. В общем к диастереомерам относятся стереоизомеры, не являющиеся зеркальным
изображением один другого и отличающиеся физическими и химическими свойствами.
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ453Понятие диастереомерии охватывает широкий круг стереоизомеров, важнейшими из ко¬
торых являются а-диастереомеры и я-диастереомеры. Типичными представителями первых
являются моно- и полисахариды, ко второй группе относятся цис- и транс-изомеры алкенов.Переход от глицеринового альдегида к диастереомерным альдотетрозам был осуществ¬
лен впервые Фишером и Килиани в 80-х годах XIX столетия и носит название синтеза Фи-
шера-Килиани (схема 27.2).При превращении триоз в тетрозы конфигурация нижнего асимметрического атома уг¬
лерода не изменяется, то есть продукты сохраняют генетическую связь с тем глицериновым
альдегидом (D- или L-), из которого они получены.Генетическая связь с исходной альдотриозой — основа дополнительной классификации
углеводов. Существуют два ряда моносахаридов: D-ряд (при изображении по Фишеру гид¬
роксильная группа у нижнего асимметрического атома углерода находится справа) и L-рядсн=оонСН2ОН
D-глицериновый альдегид1) HCN2) Н203) [Н]\сн=о
-онсн=оно-онсн2онD-эритрозаснонюнD-треозаD-альдотетрозы1) HCN1) HCN2) Н202) Н203) [Н]3) [Н]сн=о1Г1лциппнип(ип:н2онсн=осн=о сн=о
-он но--он но-онD-рибозасн2онD-арибинозаНО-ОНСН2ОНD-ксилоза■ОНСН2ОНD-ликсозаD-альдопентозыСхема 27.2. Синтез Фишера-Килиани.
454ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫЭ. Фишер
(1852-1919)(гидроксильная группа у того же атома углерода стоит слева). Та¬
ким образом, возможны две диастереомерные D-альдотетрозы и
две энантиомерные им L-альдотетрозы. В природе D-эритроза
встречается как промежуточный продукт обмена веществ.D.L-Система обозначений моносахаридов не всегда удобна, т.к.
она относится только к одному из нескольких хиральных центров.
Однако она остается наиболее употребительной в химии углево¬
дов и лишь в редких случаях заменяется R,S-системой (см. разд.
20.2.4). По этой номенклатуре, например, глюкоза называется
211,35,411,511-2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь.При обработке любой из четырех изомерных альдотетроз (две
D- и две L-) последовательно синильной кислотой, водой и водоро¬
дом можно синтезировать все возможные 8 изомерных альдопентоз,
четыре из которых принадлежат к D-ряду, а четыре других изоме¬
ра, являясь попарно энантиомерами соответствующих D-стереоизомерных форм, относятся
к числу L-альдопентоз. Все D-альдопентозы широко распространены в живых системах.Легко подсчитать, что должно существовать 16 альдогексоз, восемь из которых являют¬
ся D-моносахаридами, а восемь — L-моносахаридами.Сказанное можно представить в виде общей схемы 27.2, приведенной для моносахари¬
дов: альдотриоз, -тетроз и -пентоз D-ряда. Ряд нетрудно распространить на синтез альдогек¬
соз, просто такой же ряд построить и для L-моносахаридов. Углеводы D-ряда выбраны в
связи с тем, что именно они главным образом находятся в природе.Рассмотрим структуры важнейших природных моносахаридов.В их числе находится 0(-)-кетогексоза — D-фруктоза. Она служит примером левовра¬
щающего моносахарида, принадлежащего к D-ряду. Другое тривиальное название D-фрук-
тозы — левулоза.Структурными изомерами D-фруктозы являются D-альдогексозы — D-глюкоза, D-ман-
ноза и D-галактоза, которые в свою очередь являются диастереомерами по отношению
друг к другу.D-Глюкоза и D-манноза отличаются конфигурацией только у второго атома углерода.
Разновидность оптических изомеров моносахаридов, которые отличаются конфигурацией
только одного атома углерода, относят к числу эпимеров. Ранее эпимерами назывались толь¬
ко те альдозы, которые отличались конфигурацией у углеродного атома соседнего с аномер-
ным центром, т.е. у С-2; в дальнейшем это понятие было расширено и его стали применять
и для других диастереомеров. Следовательно, D-глюкоза и D-манноза — это С-2 эпимеры,
а D-глюкоза и D-галактоза — С-4 эпимеры. Эпимерами по отношению друг к дру1у являются
также альдопентозы — D-рибоза и D-арабиноза.сн=о
-он
-онсн=оонСН2ОНD-рибозаонОН2он(:нсн=о
-он носн=оно-но--ононD-дезоксирибозаСН2ОНD-глюкозасн=о
-онно-он ноонСН2ОНD-маннозаСН2ОН\=оно-онСН2ОНD-галактоза-ОНонСН2ОНD-фруктоза
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ455Полезно обратить внимание на одинаковую конфигурацию у 3-го, 4-го и 5-го атомов
углерода для широко встречающихся в природе углеводов: D-глюкозы, D-маннозы и
D-фруктозы.Индивидуальные названия углеводов имеют тривиальное происхождение. Глюкозу на¬
зывают именно так за сладкий вкус, фруктозу — по источнику, из которого извлекают, как
впрочем, и маннозу. Манна — это сладковатые выделения ряда растений — ясеня, некоторых
лишайников и др. Галактоза входит в состав молочного сахара (лактозы), а арабиноза обна¬
ружена во многих растительных камедях (вишневый клей, гуммиарабик и др.).Все перечисленные моносахариды имеют общую формулу Ст(Н20)„. Однако уже давно
известны и найдены в живых объектах и моносахариды, имеющие иную суммарную форму¬
лу. Важнейшей из них является изображенная выше дезокси-0(-)-рибоза, формула которой
С5Н10О4. Она входит в состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Приставка дезокси-
указывает на отсутствие атома кислорода. В данном случае он отсутствует в положении 2.
Более правильно этот углевод следует именовать 2-дезокси-0(-)-рибозой.2-Дезокси-0(-)-рибоза относится к числу так называемых «неправильных» моносаха¬
ридов. Известны и дезоксигексозы, например, 2-дезокси-0(+)-глюкоза, которая также об¬
наружена в природных объектах. Изредка в растительных источниках встречаются дезок-
симоносахариды, в которых отсутствует атом кислорода у последнего атома углерода.
Подобные моносахариды называются метилозами.Другая «неправильность» углеводов может заключаться в разветвлении углеродной
цепи, что в природе наблюдается редко.К числу «неправильных» углеводов относятся и такие сахара, в которых гидроксильная
группа заменена другими функциональными заместителями. Здесь важны аминосахара (одна
или несколько гидроксильных групп заменены ЫН2-группами). В частности, строительный
материал насекомых и ракообразных относится к числу несахароподобных аминополисаха-
ридов. Он называется хитином. Фрагменты аминосахаров входят в состав молекул ряда гор¬
монов, нервных клеток, компонентов крови (например, у-глобулина) и др.27.2.2. Свойства моносахаридов. МутаротацияЛюбой из индивидуальных моносахаридов, обладая рядом конкретных физических
свойств (температура плавления, растворимость и т.д.), характеризуется и своей специфи¬
ческой величиной удельного вращения — [a]D.Удельное вращение любого моносахарида после растворения в воде меняется во време¬
ни, достигая в итоге нового, вполне определенного значения. Так, например, свежеприготов¬
ленный раствор D-глюкозы имеет [a]D + l 12°, а после длительного стояния ее удельное вра¬
щение становится равным +52,5° и далее не изменяется. Изменение удельного вращения
растворов углеводов во времени называется мутаротацией. Это явление вызывается изме¬
нением симметрии молекулы, а, следовательно, трансформацией ее структуры в растворе.Явление мутаротации объясняется кольчато-цепной таутомерией (см. разд. 26.3.1) углево¬
дов за счет взаимодействия карбонильной группы с гидроксильными группами в положени¬
ях 4 или 5 в альдозах или в положениях 5 или 6 в случае фруктозы. Медленное установление
таутомерного равновесия объясняется тем, что в его основе лежат реакции электрофильно-
нуклеофильного расщепления связи С-О и С-О-С и присоединения по карбонильной груп¬
пе, скорости которых достаточно малы.Обе циклические полуацетальные формы (с пяти- или шестичленным кольцом) сущест¬
вуют в виде а- и (3-аномерных форм, каждая из которых должна характеризоваться своей
456ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vвеличиной удельного вращения, отличного от удельного вращения линейной (гидроксикар-
бонильной) формы.В циклических формах возникает дополнительный центр хиральности, так как углерод
оксогруппы становится асимметрическим. Этот центр называют аномерным, а соответству¬
ющие два стереоизомера — а-и $-аномерами.У а-аномера конфигурация аномерного центра совпадает с конфигурацией «концевого»
хирально.го центра в молекуле моносахарида, а у p-аномера — противоположна. В целом не¬
обходимо отметить, что из-за наличия в молекуле еще нескольких центров хиральности а-
и Р-аномеры не являются энантиомерами, а относятся друг к другу как диастереомеры. Ано-
меры представляют собой частный случай эпимеров.При установлении равновесия между всевозможными формами в растворе удельное
вращение должно измениться от величины, отвечающей одной из начальных таутомерных
форм, в виде которой моносахарид находится в твердом состоянии, до конечного значения,
отвечающего суммарному вкладу всех таутомерных форм, участвующих в равновесии. На
схеме 27.3 изображена мутаротация глюкозы.Схема отвечает принципам изображения по Толленсу, при котором для наглядности уг¬
леродный остов гидроксикарбонильной формы сохраняется без изменения и в циклических
изомерах, а кислородный мостик соединяет полуацетальный атом углерода с углеродом в
четвертом (пятичленное кольцо) или в пятом (шестичленное кольцо) положениях.При взаимодействии карбонильной группы цепного таутомера D-глюкозы с четвертой
гидроксильной группой замыкается пятичленный тетрагидрофурановый гетероцикл, и по¬
этому пятичленные кольчато-полуацетальные формы называют фуранозами. Реакция аль-НО--ОН-ОН о1-онсн2онa-D-глюкофуранозаттгчrlwпн сттОUn Vпиипсн=о
-онно--он-он X*CHiOHD-глюкозаСН2ОНP-D-глюкофуранозаНОСН2ОНa-D-глюкопиранозаp-D-глюкопиранозаСхема 273. Мутаротация D-глюкозы по Толленсу.
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ457дегидного карбонила с пятым гидроксилом дает пирановое кольцо, и такие таутомерные
формы называют пиранозами.Обобщая сказанное, можно дать полное название каждой таутомерной форме (см. схе¬
му 27.3).Значительно большее распространение в настоящее время нашел способ изображения уг¬
леводов по Хеуорсу (см. разд. 20.2.4). При этом способе изображения заместители помещают
сверху и снизу от плоскости молекулы в зависимости от конфигурации соответствующего
углеродного атома, а именно: группы, расположенные справа в фишеровской проекции, по¬
мещают ниже плоскости кольца в формуле Хеуорса, а группы слева — выше этой плоскости.Рассмотрим переход от формул Фишера-Толленса к формулам Хеуорса на примере а-
D-глюкопиранозы. Предварительно необходимо так перестроить фишеровскую проекцию,
чтобы кислород находился на одной прямой с углеродными атомами, при этом группа
Cl 12ОН должна быть помещена слева.СН2ОН
а- D-глюкогшранозаНОН2СонНО /13 2[\ онс-Н4-ш --Х-JS сгНОН2С,вОбращает на себя внимание существенное различие в принципах изображения по Фи-
шеру-Толленсу и по Хеуорсу. Так как модели Хеуорса являются перспективными изобра¬
жениями, а не проекциями, их можно любым образом перемещать в пространстве (сравни¬
те А-Б-В).Мутаротация D-глюкозы по Хеуорсу представлена на схеме 27.4.Необходимо помнить, что формулы Хеуорса не отражают
подлинной пространственной формы молекул. В частности,
кольцо пиранозы, как и циклогексановый цикл, может существо¬
вать в различных конформациях и не является плоским (см. разд.20.1). Конформация кресла обычно более устойчива. Именно в
такой форме и изображена одна из пространственных цикличес¬
ких форм глюкозы (рис. 27.1). Для фуранозных таутомеров наи¬
более устойчивая конформация — конверт.Рис. 27.1. Пространственная
модель a-D-глюкопиранозы.
458ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VНОН2СНОН2Сононa-D-глюкопираноза\сн=о
-онно-/p-D-глюкопираноза-ОН-ОНСН2ОНD-глюкоза(открытаяформа)\a-D-глюкофуранозаp-D-глюкофуранозаСхема 27.4. Мутаротация D-глюкозы по Хеуорсу.Таким образом, метод Хеуорса, как и Фишера, — условный способ изображения реаль¬
ных структур, не позволяющий полностью отразить их стереохимические особенности.Возникает вопрос: в какой форме реально находятся моносахариды в кристалличес¬
ком состоянии и в растворе? В результате специальных исследований найдено, что в кри¬
сталлическом состоянии и в растворах линейная гидроксикарбонильная форма практи¬
чески отсутствует. Форма циклического таутомера в значительной степени зависит от
природы растворителя, который был использован для кристаллизации. В частности, все
альдозы, как правило, кристаллизуются из воды в a-пиранозной форме, а фруктоза — в
(3-фуранозной. Если же глюкозу перекристаллизовывать из пиридина, то образуется (3-
глюкопираноза.В растворе устанавливается равновесие между всеми кольчатыми формами с заметным
преобладанием пираноз. Взаимные переходы циклических таутомеров совершаются толь¬
ко через нециклический таутомер, хотя он обычно присутствует в равновесной смеси в сле¬
довых количествах (например, для глюкозы его содержится около 0,02%). Сказанное ил¬
люстрируется табл. 27.1. Положение равновесия зависит от природы моносахарида, его
агрегатного состояния и природы растворителя.Мутаротация — явление динамического химического равновесия, и к ней полностью
применимы все принципы смещения равновесия. В зависимости от условий моносаха¬
рид может проявлять химические свойства любой из пяти возможных таутомерных форм
и давать продукты взаимодействия в той таутомерной форме, реакция с которой смещает
равновесие в сторону ее образования, даже в том случае, когда содержание формы незна¬
чительно. Именно поэтому, наблюдая образование продуктов присоединения по очень
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ459Таблица 27.1Мутаротация моносахаридов[«IdРавновесная смесь в водномМоносахаридКристалличе¬
ское состояние,
формаРастворрастворе,
содержание отдельных форм, %ПиранозаФуранозаос-0-а-0-D(-)-pn6o3a-18,8°,а-пираноза-23,7°18541216Б(+)-глюкоза+112°,а-пираноза+52,5°3565——Э(+)-манноза+30°,а-пираноза+14,5°6733——0(+)-галактоза+15°,а-пираноза+80°2575——D(-)-фруктоза+ 132°,
р-фуранозаоСО1—76420активной карбонильной группе, ранее считали, что моносахариды существуют в нецик¬
лической форме.Таким образом, моносахариды следует рассматривать как вещества, обладающие свой¬
ствами:а) многоатомных спиртов (в любой из таутомерных форм);б) альдегидов или кетонов (в нециклической форме);в) полуацеталей (в любой из четырех циклических форм).27.2.3. Реакции с участием гидроксильных группТак как моносахариды в кристаллическом состоянии и в растворах существуют в коль¬
чатых иолуацетальных формах, целесообразно прежде всего рассмотреть химические свой¬
ства, связанные с присутствием именно этих форм, то есть обсудить реакции полуацеталь-
ного гидроксила.Полуацетальный гидроксил непрочно связан с атомом углерода и может замещаться
другими группировками в реакциях со спиртами, кислотами, аминами (НХ) и т.д. по общей
схеме:гликоза гликозидВещество, которое действует на полуацетальный гидроксил моносахарида (гликозы или
озы), называется агликоном (НХ), а продукт реакции — гликозидом. Гликозиды — веще¬
ства, как правило, нестойкие и под действием воды (особенно в присутствии кислот) вновь
распадаются на моносахарид и агликон. Название гликозидов строится заменой окончания
-оза в названии моносахарида на -озид.
460ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫГликозиды в отличие от самих исходных моносахаридов уже не способны к мутаротацип,
так как подвижный атом водорода полуацетальной группы в них отсутствует, поскольку и
сам полуацетальный гидроксил исчез.Если в качестве агликонов выступают спирты, фенолы или карбоновые кислоты, то про¬
дукты реакции называют 0-гликозидами.Например, при реакции метилового спирта (агликон) с глюкозой (допустим, в а-пира-
нозной форме) образуется продукт алкилирования — метил-Б-глюкопиранозид (в виде сме¬
си аномеров). Если же подействовать на a-D-глюкопиранозу уксусной кислотой, то можно
получить ацетил-О-глюкопиранозид, являющийся продуктом ацилирования (указаны толь¬
ко а-аномеры):НОН2Сметил-а-Б-глюкопиранозид ацетил-а-О-глюкопиранозидКак правило, реакция образования гликозидов происходит через промежуточное обра¬
зование гликозил-катиона, имеющем плоскую конфигурацию. Он атакуется нуклеофиль¬
ным реагентом с двух сторон плоскости, в результате чего получаются а- и (3-аномеры гли-
козида. Однако они образуются не в эквимолярных количествах, а с преобладанием одного
из них. Во-первых их образование идет с различной скоростью, и, во-вторых, вследствие, так
называемого, аномериого эффекта более устойчивой оказывается a-аномерная форма.Гликозиды легко гидролизуются до моносахаридов разбавленными кислотами, но дос¬
таточно устойчивы в щелочной среде.К числу О-гликозидов относятся многие важные в физиологическом отношении веще¬
ства, образующиеся в результате жизнедеятельности. О-гликозидами являются ди- и поли¬
сахариды.Сложно устроенные молекулы витаминов К, Р, антибиотика стрептомицина и других
природных соединений включают в себя О-гликозидный фрагмент.Большую группу природных растительных веществ составляют так называемые сердеч¬
ные гликозиды, извлекаемые из наперстянки, ландыша и т.д. Они с давних пор широко ис¬
пользуются при лечении сердечно-сосудистых и других заболеваний. Большинство из этих
веществ сложны по строению, однако среди них встречаются простые соединения.Так, например, гликозид толокнянки — арбутин — это 4-гидроксифенил-а-0-глюко-
пиранозид:
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ461a- D -гл юкопиранозаарбутинЕсли полуацетальный гидроксил углевода взаимодействует с меркаптогруппой (-SH),
продукт реакции называют S-гликозидом. S-гликозиды очень редки. Они, в частности, най¬
дены в горчице.Более активные алкилирующие и ацилирующие агенты могут реагировать кроме полу-
ацетального также и со спиртовыми гидроксильными группами.Если вместо метилового спирта взять иодистый метил (СН31) в присутствии щелочи и
подействовать им на D-глюкозу, то в продукте реакции кроме гликозидной метальной груп¬
пы образуется еще четыре простых эфирных группировки.НОН2ССН30Н2С5C„—1яа—* 1 ^ 0СНзЖ1 СНзООСНзa-D-глюкопиранозаОСНзметил-2,3,4,6-тетра-О-метил-глюкопиранозидН20,Н+СН3ОН2С-СНзОН2,3,4,6-тетра-О-метил-глюкопиранозаПолученный продукт алкилирования глюкозы представляет собой смесь аномеров и на¬
зывается: метил-2,3,4,6-тетра-0-метил-0-глюкопиранозид. В тех случаях, когда речь идет о
смеси аномеров, безотносительное положение гликозидной группы обозначают волнистой
линией. Одна из метальных групп в названии выделена специально, чтобы показать, что она
является гликозидной, а, следовательно, отличается от остальных по своим химическим
свойствам. Это легко заметить, если подействовать на полученный продукт метилирования
водой. При действии воды гликозидный фрагмент разрушается на агликон и производное
моносахарида, в котором простые эфирные группировки, не склонные к гидролизу, сохра¬
няются без изменения.
462ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫНужно указать, что продукт гидролиза в отличие от исходного гликозида способен к му-
таротации, но с участием только трех таутомерных форм (а не пяти, как сама глюкоза), а
именно: а- и Р-пиранозных и нециклической 2,3,4,6-тетра-0-метил-0-глюкозы.Если в реакции с глюкозой вместо уксусной кислоты взять ее более активный ангид¬
рид (см. разд. 28.4.2), в результате получится продукт полного ацилирования a-D-глюко-
пиранозы: ацетил-2,3,4,б-тетра-О-ацетил-Б-глюкопиранозид. В нем ацетильная группа
при первом атоме углерода («полуацетальная»), как в предыдущем случае метильная, за¬
метно отличается от других ацетильных (сложноэфирных) групп и легко удаляется гид¬
ролизом.Подбором условий можно получить продукты ацилирования одной или нескольких гид¬
роксильных групп. В живых организмах под действием ферментов происходит избиратель¬
ное ацилирование моносахаридов фосфорной кислотой по гидроксилу у последнего атома
углерода (пятый — у рибозы и 2-дезоксирибозы, шестой — у глюкозы и фруктозы).Например, из D-глюкозы образуется D-глюкозо-б-фосфат:НОН2С<Lr°>но Х[ он
он1-фосфат D-глюкопиранозыНОН2Сон6-фосфат D-глюкопиранозыВ процессе реакции, как и следует ожидать, сначала фосфорилируется более активный
полуацетальный гидроксил молекулы глюкозы в ее таутомерной пиранозной форме, а затем
остаток фосфорной кислоты с участием ферментов переносится из первого положения в
шестое. Эти реакции фосфорилирования углеводов являются начальными стадиями угле¬
водного обмена.Широко распространены в живой природе, особенно в нуклеиновых кислотах, N-глико-
зиды (см. гл. 31), получаемые действием аминов на гликозы с замещением полуацетально-
го гидроксила аминогруппой.27.2.4. Реакции с участием карбонильной группыХотя линейная оксикарбонильная форма в сколько-нибудь значительных количествах
и не присутствует в кристаллических моносахаридах и их растворах, ее участие в таутомер-
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ463ном равновесии сообщает моносахаридам все свойства, присущие альдегидам (в альдозах)
или кетонам (в кетозах). Рассмотрим некоторые из этих свойств, заключающиеся прежде
всего в высокой активности карбонильной группы в реакциях присоединения. С двумя ре¬
акциями мы уже познакомились — это присоединение синильной кислоты (синтез Фише-
ра-Килиани) и внутримолекулярное присоединение спирта при мутаротации.Восстановление моносахаридов. Моносахариды легко гидрируются по связи С=0 и
при этом превращаются в многоатомные спирты. Из D-маннозы, в частности, получается
многоатомный спирт D-маннит, а из D-глюкозы — D-сорбит. Восстановление D-фруктозы
приводит к эквимолекулярной смеси эпимеров — D-маннита и D-сорбита, так как в продукте
ее гидрирования второй атом углерода становится асимметрическим.сн=о
-онно--он-онсн2онD-глюкоза[Н]но--он-онсн2он
N0сн=оно-но-но--он-он-он-онСН2ОНD-фруктозаСН,ОН-он[Н]СН2ОНD-манноза[Н]/СН,ОНно-
но-сн2онD-глюцит(D-сорбит)-ОН-ОНСН2ОНD-маннитПолучающиеся в результате восстановления шестиатомные спирты (их общее назва¬
ние — гекситы) вступают во все реакции, характерные для многоатомных спиртов. В том
числе они ацилируются, давая сложные эфиры, которые находят применение в практи¬
ке. Например, гексанитроэфир D-маннита (D-маннит-гексанитрат), как и нитроглице¬
рин, является взрывчатым веществом и, кроме того, применяется как сосудорасширяю¬
щее средство.Реакции с фенилгидразином. Известно (см. разд. 26.3.1), что а-гидроксиальдегиды и
а-гидроксикетоны дают с фенилгидразином озазоны. Так же ведут себя и моносахариды.
Эта реакция требует участия трех молекул фенилгидразина на одну молекулу моносахари¬
да, и ее продуктами являются озазон, аммиак и анилин.Так как в результате реакции атом углерода, соседний со связью C=N, теряет асиммет¬
ричность, различие в строении озазонов из двух эпимерных моносахаридов должно исчезать.
Другими словами, озазоны С-2 эпимеров идентичны. D-глюкоза и D-манноза дают один и
464ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫтот же продукт — D-глюкозазон. Тот же озазон получается и из D-фруктозы, так как в ней
при второй стадии дегидрируется первичная спиртовая группа.сн=о
-онно--он-онСН2ОНD-глюкозаH2NNHC6H5-NH3-NH2C6HS-2НгОch=nnhc6h5HNNHC6H5но--он-онСН2ОНD-глюкозазонH2NNHC6H5
" -NH3
-NH2C6H5
-2Н20CH=0HO-но--он-онСН2ОНD-маннозаH2NNHC6H5-NH3-NH2C6H5-2Н20СН2ОН\=оно--он
-онСН2ОНD-фруктозаОтметим, что из D-рибозы и D-арабинозы (а они эпимерны) также образуется один и тот
же озазон — D-рибозазон.Озазоны — окрашенные в ярко-желтый цвет, высокоплавкие, кристаллические вещества.
Они плохо растворимы в воде и поэтому используются в целях идентификации углеводов.
То, что D-глюкоза, D-манноза и D-фруктоза дают один и тот же озазон, является строгим до¬
казательством их одинаковой конфигурации с третьего по пятый атом углерода. Это было
впервые установлено Э. Фишером.Озазоны сахаров сыграли важную роль в исследовании моносахаридов: для выделения
сахаров из сложных смесей, их идентификации, сравнительного изучения конфигурации
углеродных цепей и др. В настоящее время эти вопросы решаются с использованием совре¬
менных методов выделения и анализа.Названия озазонов ранее производилось от наименования исходных сахаров, например, D-
галактофенилозазон. Сейчас они складываются из обозначения конфигурации цепи остатка
сахара, указания общего числа атомов углерода в исходном сахаре и наименования класса соеди¬
нений — фенилозазон. D-глюкофенилозазон называют поэтому D-арабиногексофенилозазон.Эпимеризация моносахаридов. Карбонильная группа, как известно, сообщает подвиж¬
ность атому водорода у а-углеродного атома, что приводит к явлению кето-енольной тауто¬
мерии альдегидов и кетонов. Применительно к D-глюкозе в ее гидроксикарбонильной фор¬
ме явление кето-енольной таутомерии выразится следующим уравнением:
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ465сн=о-онно-ОН--он-онСН2ОНD-глюкозаСН-ОНLohно--он-онСН2ОНендиолОН"
СН2ОН\=осн=оно-ОН-НО--ОН-ОНСН2ОНD-маннозаНО--ОН-ОНСН2ОНD-фруктозаВ данном случае имеет место таутомерия — а-гидроксикарбонил ендиол. Точно такой же
ендиол возникает и из эпимера D-глюкозы — D-маннозы, так как при енолизации атом углеро¬
да С-2 перестает быть асимметрическим. Этот же ендиол должен возникнуть и при енолизации
D-фруктозы с участием водорода при атоме углерода С-1. Следовательно, в процессе кето-еноль-
ной таутомерии моносахаридов должны принимать совместное участие три моносахарида: D-
глюкоза, D-манноза и D-фруктоза. В итоге должно наблюдаться частичное взаимопревращение
всех трех моносахаридов через промежуточный ендиол до установления равновесия между ними.
Из D-маннозы, D-глюкозы и D-фруктозы по отдельности образуется одна и та же равновесная
смесь трех моносахаридов, соотношение которых зависит от условий проведения процесса.В водных растворах в отсутствие катализаторов такое равновесие устанавливается край¬
не медленно. Однако реакция резко ускоряется под действием щелочи, а также некоторых
ферментов. Естественно, такой процесс, происходящий с обращением конфигурации у атома
С-2, сопровождается изменением удельного вращения. Изменение удельного вращения мо¬
носахаридов до определенного значения под действием щелочи, вызванное кето-енольной
таутомерией, называется эпимеризацией.Эпимеризацией пользуются для синтеза кетоз и трудно доступных альдоз и их производ¬
ных. О процессе эпимеризации нельзя забывать в аналитической работе с растворами угле¬
водов, так как она может наступить уже при выпаривании или нагревании растворов са¬
харов в щелочном стекле. В более концентрированных растворах (более 1%) происходят
глубокие изменения моносахаридов, приводящие к ряду нестойких продуктов. При дей¬
ствии на сахара умеренно концентрированных щелочей наблюдается расщепление углерод¬
ной цепи до сложных смесей, содержащих преимущественно трехуглеродные молекулы.Эпимеризация глюкозы — одна из стадий метаболизма (катаболизма) глюкозы, причем
в этом биохимическом процессе принимает участие фосфорилированная форма глюкозы
D-глюкозо-б-фосфат:
466ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vсн=о-онно--он
-он онСН20-Р=0\онD-глюкозо-б-фосфатСН-ОНIL-OHно--он-он он/СН20-Р=0\онендиолсн2он=0но--он
-он онСН20-Р=0\онD-фруктозо-б-фосфатН3РО4ОНСН20-Р=01=0 он
сн2ондигидрокси-ацетонфосфатСН=0-он онсн2о-р=о\онглицеральдегид-3-фосфат-н2оОН
СН20-Р=0
(=0 ОННО--ОН-ОН ОНсн2о-р=о\онD-фруктозо-1,6-дифосфатЭпимеризация приводит к образованию D-фруктозо-б-фосфата, который далее фосфо-
рилируется в D-фруктозо-1,6-дифосфат. Ретроальдолизация последнего (см. разд. 26.3.3)
вызывает превращение в 3-монофосфаты глицеринового альдегида и дигидроксиацетона.
Эти фосфорные эфиры, в свою очередь, претерпевают взаимопереход за счет эпимеризации.
Путем серии последующих ферментативных превращений они превращаются далее в фос¬
фат енола пировиноградной кислоты (см. разд. 32.2.1).Окисление моносахаридов. Окисление является важной реакций в химии углеводов.
Его используют для получения ряда соединений, в структурных исследованиях и в биохи¬
мических анализах для обнаружения моносахаридов (в частности, глюкозы), в биологичес¬
ких жидкостях (моча, кровь).В зависимости от условий окисления моносахаридов образуются различные продукты.
Окисление в щелочной среде, как правило, сопровождается разрушением углеродной цепи
молекулы моносахарида. Окисление в нейтральной или кислой среде позволяет сохранить
углеродный скелет.Под действием окислителей в молекулах моносахаридов, в первую очередь, будет окис¬
ляться альдегидная группировка, которая наиболее активна в химических реакциях.Мягкими окислителями (например, бромной водой) можно окислить альдегидную груп¬
пу в карбоксильную, не затрагивая других групп. Продукты окисления альдегидной груп¬
пы альдоз называются гликоновыми (альдоновыми) кислотами. Реакция бромной воды
с D-глюкозой дает D-глюконовую кислоту, с D-галактозой — D-галактоновую кислоту и т.д.
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ467СООН
-ОНно-сн=о
-он[О]но--он-онHNO,СООНD-глюкароваякислотаСООН-он[О]но--он-онВг2, Н20-он-онСН2ОН
D-глюкозаСН2ОНD-глюконоваякислотаАльдозы способны восстанавливать в щелочной среде катионы металлов (серебро, медь),
что возможно вследствие таутомерного перехода из циклической в открытую альдегидную
форму. Кетозы также способны восстанавливать катионы металлов за счет того, что в щелоч¬
ной среде при эпимеризации они изомеризуются в альдозы. В частности реакции «серебря¬
ного и медного зеркала» дает D-фруктоза. В щелочной среде она эпимиризуется в D-глюко-
зу и D-маннозу, которые и реагируют с окислителями. Углеводы, вступающие в эти реакции,
называются восстанавливающими. Как уже отмечалось выше, в щелочной среде моносахари¬
ды расщепляются, поэтому получается смесь продуктов окисления. Гликозиды не дают поло¬
жительной пробы с указанными реагентами, так как самопроизвольно не образуют альдозу.сн=о
-онно--он-он+ Ag(NH3)+реактивТолленсаВодный NH3AgпродуктыокисленияСН2ОНD-глюкозаНО-СН=0
-ОНI продукты-ОН + Си 2 (комплекс) ► Си20| + ОКИСЛенИяреактив-ОН Фелинга красно-СН ОН (голубой цвет) кирпичный цветD-глюкозаD-глюконовую кислоту изготавливают в промышленности. Ее применяют в некоторых
лекарственных препаратах, в частности, в виде кальциевых солей (глюконат кальция).Если обработать моносахарид более сильным окислителем (например, разбавленной
НЫ03или К2Сг207), то окислению может подвергнуться не только альдегидный, но и пер¬
вичный спиртовой атом углерода (5-й — у пентоз, 6-й — у гексоз). В результате возникают
дикарбоновые кислоты, которые называют гликаровыми кислотами. Другое (тривиальноеу
468ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫназвание гликаровых кислот — сахарные кислоты. Из D-пиокозы, в частности, образуется
D-глюкаровая кислота.Окисление в гликаровые кислоты используется в целях идентификации моносахаридов.Из D-фруктозы после окисления сильным окислителем образуется D-фруктаровая кис¬
лота, которую можно получить также и иным путем — окислением вторичной гидроксиль¬
ной группы D-глюкаровой кислоты.СН2ОН=оно-соон=0[О]-он-онHNO,но-соон
-он[О]-он-онHNO,но-сн2онD-фруктозаСООНD-фруктароваякислота-ОН
-ОНсоонD-глюкароваякислотаПри действии окислителей не на сам моносахарид, а на его гликозид (в нем нет карбо¬
нильной группы) окисляется только первичная спиртовая группа. При последующем гид¬
ролизе получается окисленное производное моносахарида, в котором альдегидная группа ос¬
талась неокисленной. Такие вещества называют гликуроновыми (уроновыми) кислотами.
Из D-глюкозы, в частности, получается D-глюкуроновая кислота.НОН2СНООСНОон[О]ОСНзсн=о
-онно-нонноос-СНзОН-он-онносоонD-глюкуроноваякислотаОНонГликуроновые кислоты обладают всеми характерными свойствами моносахаридов.
Это — мутаротация, эпимеризация под действием щелочей, реакция с синильной кисло¬
той, фенилгидразином и т.д. Они вступают в реакции «серебряного и медного зеркала» и
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ469образуют в результате этого гликаровые кислоты. Ниже приведена мутаротация D-глюку-
роповон кислоты.НООСнооса- D-глюкопираноуроновая
кислота\ /сн=о
-онно-Р" D-глюкопираноуроновая
кислота-ОН
-ОНсоонD-глюкуроновая кислотаа- D-гл юкофураноуроновая
кислотаP-D-глюкофураноуроноваякислотаСочетание высоких полярности и химической активности полуацетального гидроксила
глюкуроновой кислоты сообщают ей важное свойство — она участвует в процессе удаления
ксенобиотиков, конъюгируясь с их гидроксильной или аминогруппой. В результате реакции
с полуацеталытым гидроксилом образуются соответствующие конъюгаты — D-глюкопира-
ноуроиозиды. Конъюгаты удаляются с мочой. Поэтому глюкуроновую кислоту всегда можно
обнаружить в моче, откуда и происходит ее название.В циклических таутомерных формах гликуроновые кислоты образуют гликозиды с раз¬
личными агликонами, в том числе и такие, которые встречаются в природе. В ряде объектов
растительного происхождения в больших количествах накапливаются несахароподобные
полисахариды, являющиеся конденсационными полимерами гликуроповых кислот. В их
числе пектиновые вещества, концентрирующиеся в кожуре цитрусовых. Полимерные про¬
изводные D-маннуроновой кислоты содержатся в бурых водорослях. Эти вещества после
выделения применяются в пищевой и фармацевтической промышленности.27.3. Сахароподобные полисахариды (дисахариды)В природе широко представлены полимерные производные моносахаридов — полисаха¬
риды с молекулярным весом, который может очень сильно меняться (от нескольких соте1
до десятков миллионов). Они построены из молекул моносахаридов, связанных друге дру¬
470ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vгом в результате отщепления молекул воды, то есть полисахариды следует рассматривать
как конденсационные полимеры моносахаридов.Полисахариды относятся к О-гликозидам. Их образование происходит с участием в кон¬
денсации полуацетального гидроксила моносахарида в одной из четырех возможных цик¬
лических таутомерных форм, которые возникают в результате мутаротации. Следующая мо¬
лекула моносахарида является агликоном и может реагировать двояко: или также своим
полуацетальным гидроксилом, или одной из своих спиртовых групп. Обычно (но не обяза¬
тельно) в образовании полисахарида участвует гидроксильная группа в положении 4.Рассмотрим эти закономерности для конденсационных димеров моносахаридов — диса¬
харидов. Их можно разделить на два типа. Первому типу дисахаридов дано название глико-
зид-гликозы, второму типу — гликозид-гликозиды.В гликозид-гликозах, где одна молекула связана полуацетальным гидроксилом, а вто¬
рая — спиртовым, карбонильная группа сохраняется во второй части дисахарида, и поэто¬
му для них проба с Ag20 является положительной.В гликозид-гликозидах оба моносахарида реагируют своими полуацетальными гидро¬
ксильными группами. Карбонильная группа в них отсутствует, поэтому они не обнаружи¬
вают ни одной из реакций, характерных для группы С=0, в том числе и реакцию «сереб¬
ряного зеркала». Это позволяет легко отличить дисахариды двух типов между собой.
Гликозид-гликозы называют восстанавливающими дисахаридами, а гликозид-глико¬
зиды — невосстанавливающими дисахаридами.Дисахариды обоих типов являются сахароподобными полисахаридами и имеют много
общего в физических свойствах. Однако в их химическом поведении кроме отношения к ре¬
агенту на карбонильную группу (например, Ag20) существуют и другие принципиальные
различия, которые требуют специального рассмотрения.27.3.1. Восстанавливающие дисахаридыВажнейшими представителями восстанавливающих дисахаридов — гли-
козид-гликоз — являются мальтоза, целлобиоза и лактоза. Во всех этих ве¬
ществах агликоном является 4-О-глюкоза. Следовательно мальтоза, целло¬
биоза и лактоза представляют собой гликозил-4-0-глюкозы\Мальтоза построена из двух молекул глюкозы. Одна молекула глюкозы
в а-пиранозной форме объединяется с другой при участии своей полуаце-
тальной гидроксильной группы.сн=о
-онно--о—1
-онно-НОН2Со-он-онНОН2Со—1сн=о
-онно--0-R-ононСН9ОНононсн2он сн2онпо Толленсу (открытый таутомер)по Хеуорсу (циклический таутомер)мальтоза
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ471При построении названия первая молекула приобретает окончание -озил} а в названии
второй молекулы глюкозы сохраняется название -оза. Следовательно, полное название
мальтозы — a-D(+)-глюкопиранозил- 1,4-D(+)-глюкоза. В наиболее полном названии диса¬
харида указывается конфигурация обоих аномерных атомов углерода.Мальтоза, являясь димером глюкозы, в свою очередь, является мономером крахма¬
ла. Мальтоза в большом количестве находится в солоде, поэтому её называют солодовым
сахаром.Целлобиоза также построена из двух молекул глюкозы, но отличается от мальтозы тем,
что в одной из молекул, образующих димер, в реакцию вступает полуацетальный гидроксил
(3-пиранозной формы, то есть целлобиоза — $-В-(+)-глюкопиранозил-1,4-В(+)-глюкоза.сн=о
-онно--О—
-ОНно-НОН2Соно-он-онноонг-О¬ОНсн2он сн2онпо Толленсу (открытый таутомер)ОН НОН2Спо Хеуорсу (циклический таутомер)целлобиозаЦеллобиоза в чистом виде в природе встречается редко, однако она является мономером,
образующим полимер — клетчатку, и в связанном виде в этом соединении чрезвычайно рас¬
пространена.Лактоза также является восстанавливающим дисахаридом, построенным из D-глюкозы,
которая связывается своим 4-м гидроксилом с D-галактозой. D-галактоза реагирует своим
полуацетальным гидроксилом в (3-пиранозной форме. Полное название лактозы — (3-D(+)-
галактопиранозил- 1,4-D(+)-глюкоза.сн=о
-онно--онспниппицлirlwонГ—Оонсн2он сн2онпо Толленсу (открытый таутомер)он НОН2Спо Хеуорсу (циклический таутомер)лактозаЛактоза, или молочный сахар, содержится в молоке млекопитающих (до 4-6%). Этот ди¬
сахарид выделяют выпариванием сыворотки после отделения свертывающихся белков при
скисании молока. Из-за малой сладости лактозу применяют как наполнитель в драже и таб
летках в фармацевтической промышленности.
472О Р Г А Н И Ч ЕС К11 Г: Б И О М О Л Е К У Л ЬI|Ч.\27.3.2. Химические свойстваХимические свойства восстанавливающих дисахаридов определяются тем, что та из ча¬
стей молекулы дисахарида, в которой не затронут полуацетальный гидроксил, вследствие
мутаротации может существовать в растворах в различных таутомериых формах.В отличие от моносахаридов в мутаротации дисахаридов принимают участие только три
таутомерные формы: гидроксикарбонильная и две пирапозные. Фураиозные формы здесь
невозможны, так как в дисахаридах нет свободной гидроксильной группы в 4-м положении.
Мутаротация для всех трех восстанавливающих дисахаридов (мальтозы, целлобиозы и лак¬
тозы) в общем виде выглядит так (R — остаток моносахарида):НОН2ССН=0
-ОНно-НОН2С-0-R-ОНСН2ОНВ таутомерии, приводящей к мутаротации, участвует та часть дисахарида, которая обра¬
зована агликоном — 4-О-глюкозой.Лактоза, которая в твердом виде находится в p-пиранозной форме и имеет удельное вра¬
щение [a]D+90°, после мутаротации в водном растворе приобретает удельное вращение [ос],,
+55°. Целлобиоза в кристаллическом состоянии находится в a-форме с [а]1)+24°) а после её
мутаротации [a]D становится равным +35°.По аналогии с моносахаридами для восстанавливающих дисахаридов характерны все те
реакции, которые присущи как полуацетальному гидроксилу, так и карбонильной группе.Например, при действии метанола на мальтозу можно получить a-метилмальтозид, что
является результатом большей химической активности ее полуацетального гидроксила в та-
утомерной а-форме:НОН2СНОНОН2Сонсн3он
-н9о *ононНОНзС НОН2Сон онМальтозу (как, впрочем, и лактозу, и целлобиозу) можно не только ал кил иро чать, но и аци-
лировать по полуацетальному гидроксилу с образованием соответствующих О-гликозидов.При взаимодействии с бромной водой альдегидная группа восстанавливающих дисаха¬
ридов окисляется до карбоксильной группы.
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ473сн=о-онно-но--О—-онсн2оно-он-ОН[О]соон
-онВг2, Н20но-сн2онно--О—1
-онб-он-ОНмальтозаСН2ОН СН2ОН
мальтобионовая кислотаДисахарид вступает в реакцию в таутомерной гидроксикарбонильной форме и получа¬
ются гликоновые кислоты, которые в отличие от гликоновых кислот из моносахаридов на¬
зывают бионовыми кислотами. Так, из лактозы получают лактобионовую кислоту, а из
мальтозы — мальтобионовую.Для обсуждаемых дисахаридов характерны все остальные реакции по карбонильной
группе: присоединение синильной кислоты, взаимодействие с фенилгидразином с образо¬
ванием озазонов, восстановление в соответствующие многоатомные спирты, эпимеризация
в щелочных растворах и т.д.Лактоза, мальтоза и целлобиоза представляют наглядные примеры различия физиологи¬
ческого действия оптических изомеров в зависимости от их конфигурации. Мальтоза полно¬
стью усваивается человеческим организмом. Лактоза, отличающаяся от нее конфигурацией
двух хиральных центров, усваивается не всеми из-за так называемой лактазной недостаточнос¬
ти, что важно в педиатрии. Невозможно вскармливать детей, страдающих лактазной недо¬
статочностью, искусственными молочными смесями. Целлобиоза совсем не переваривает¬
ся человеком, хотя легко гидролизуется в желудке травоядных животных.Изредка в природных объектах происходит такое сочленение моносахаридов, когда один
из них реагирует не 4-й, а 6-й гидроксильной группой. Таким дисахаридом является, напри¬
мер, аллолактоза, которая, как и лактоза, находится в молоке. Она тоже образована из D-глю-
козы и D-галактозы и представляет собой Р-Б-галактопиранозил-1,6-0-глюкозу. Полезно
обратить внимание на то, что в мутаротации аллолактозы в отличие от лактозы участвуют пять
таутомерных форм, так как здесь возможно образование не только пираноз, но и фураноз.Иногда, но крайне редко, в образовании природных дисахаридов в качестве одного из
двух моносахаридов участвуют пентозы, например, арабиноза и др.27.3.3. Невосстанавливающие дисахариды (сахароза)Количество известных невосстанавливающих дисахаридов природного происхождения
значительно меньше, чем восстанавливающих. Однако один из числа их представителей
чрезвычайно широко распространен в природе и играет важную роль в жизнедеятельности
человека. Это — сахароза (тростниковый сахар), в построении молекулы которой участвуют
два моносахарида — D-глюкоза (в а-пиранозной форме) и D-фруктоза (в виде (3-фуранозы).Сахароза — это а-0-глюкопиранозил-1,2-$-0-фруктофуранозид (или — Р-D-фруктофу-
ранозил-2,1 -CL-D-глюкопиранозид), что можно изобразить по Толленсу и по Хеуорсу следу¬
ющим образом:
474ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫHO--он-ОН-о——0~
но-Н0Н2С-сн2он-он о}сн2онсахарозаСН20Нпо ТолленсуВ молекуле сахарозы нет полуацетальных гидроксильных групп и карбонильной груп¬
пы, поэтому отсутствуют реакции, характерные для этих функциональных группировок (му-
таротация, образование гликозидов, реакция «серебряного зеркала», восстановление, взаи¬
модействие с фенилгидразином, синильной кислотой и т.д.).Сахароза, как и всякий гликозид, может разрушаться на исходные компоненты при дей¬
ствии воды в присутствии кислот, выступающих в качестве катализатора этого превращения.
Процесс гидролиза сахарозы сопровождается изменением удельного вращения ее растворов,
так как в результате гидролиза возникают индивидуальные моносахариды (D-глюкоза и D-
фруктоза), каждый из которых характеризуется своим удельным вращением, отличным от
удельного вращения сахарозы. Явление изменения знака удельного вращения при необрати¬
мом гидролизе сахарозы называется инверсией сахарозы. При инверсии удельное вращение
сахарозы меняется от +66,5° до -40,5°. Изменение знака вращения вызвано тем, что D-фрук-
тоза (левулоза) имеет сильное отрицательное вращение, которое составляет -93°.Напомним, что явление гидролиза, как характерное свойство всяких гликозидов, в той
же мере присуще и восстанавливающим дисахаридам — мальтозе, целлобиозе, лактозе.Процесс инверсии необратим и при отщеплении воды от смеси D-глюкозы и D-фруктозы
сахароза вновь не образуется. Дело в том, что число возможных комбинаций сочленения моно¬
сахаридов между собой, даже если учитывать только взаимодействие полуацетальных гидрокси¬
лов в кольчатых формах, составляет 16, а с учетом возможного участия и спиртовых групп чис¬
ло таких комбинаций неизмеримо возрастает. Этот пример служит наглядной иллюстрацией
трудности решения проблемы синтеза дисахаридов заданного строения из моносахаридов. Тем
не менее разработаны специальные синтетические приемы, которые позволяют получать отдель¬
ные индивидуальные дисахариды. Родоначальником разработки синтеза дисахаридов из моно¬
сахаридов явился А. Колли. В природе синтез дисахарида определенного строения (например,
сахарозы) осуществляется за счет избирательного действия ферментативных систем. Фермен¬
тативный синтез сахарозы был осуществлен и в лабораторных условиях.Для сахарозы практически можно наблюдать только реакции со спиртовыми гидро¬
ксильными группами. Это, в частности, окисление сильными окислителями, при котором
три первичных спиртовых гидроксила превращаются в карбоксильные группы и в резуль¬
тате образуется сахартрикарбоновая кислота:нон2с ноос-о.[О]но:н2онhno3ноонноООНсахартрикарбоновая кислота
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ475Спиртовые гидроксильные группы сахарозы можно подвергать также алкилированию
и ацилированию, причем, как и для моносахаридов — в жестких условиях. Например, при
обработке сахарозы йодистым метилом в присутствии щелочи получается продукт полно¬
го метилирования сахарозы — окта-О-метилсахароза:СНзОСН2Еще одним важным свойством сахарозы, а также мальтозы является участие в процессе
брожения. Брожение происходит под действием ферментов и начинается с гидролиза диса¬
харида до моносахаридов, которые далее и подвергаются собственно брожению.Другими невосстанавливающими дисахаридами, также распространенными в природе,
являются трегалозы. Эти вещества — D-глюкопиранозил-О-глюкопиранозиды, то есть про¬
дукты объединения за счет полуацетальных гидроксилов двух молекул D-глюкозы в пира-
нозной форме. Возможны все варианты их сочетания между собой — а,а-, р,(3- и а,(3-, обна¬
руженные в тех или иных природных источниках (от пекарских дрожжей до лишайников и
некоторых видов грибов).В процессе рафинирования (одной из стадий очистки тростникового сахара) может быть
получена в чистом виде рафиноза, невосстанавливающий трисахарид, который является
6-Р-0(+)-галактопиранозил-а-0(+)-глюкопиранозил-Р,0(+)-фруктофуранозидом. Рафи¬
ноза, кстати, самый распространенный после сахарозы полисахарид из числа сахароподоб¬
ных полисахаридов.27.4. Несахароподобные полисахаридыПри образовании из моносахаридов полимерной цепи несахародоподобных (высоко¬
молекулярных) полисахаридов одна молекула моносахарида в одной из возможных кольча¬
тых таутомерных форм взаимодействует своим полуацетальным гидроксилом с каким-либо
спиртовым гидроксилом (обычно в четвертом положении) второй молекулы моносахарида.
Вторая молекула моносахарида также своим полуацетальным гидроксилом соединяется со
спиртовым гидроксилом третьей молекулы и т.д. Таким образом, высокомолекулярные по¬
лисахариды являются поли-О-гликозидами. В свою очередь, полисахариды делятся на гомо-
и гетерополисахариды. Гомополисахариды состоят из одного моносахарида. Гетерополиса¬
хариды составлены из двух (или более) различных моносахаридов. Наряду с первичной, т.е.
определенной последовательностью моносахаридных остатков, значительную роль для них
играет и вторичная структура, определяемая пространственным расположением полимоле-
кулярной цепи.27.4.1.К гомополисахаридам, встречающимся в природных объектах, относятся крахмал, гли¬
коген и клетчатка.
476ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫЭти соединения отличают большие молекулярные веса порядка 105-107 — для крахма¬
ла и для клетчатки, 106-107 — для гликогена. Общая молекулярная формула всех вышеназ¬
ванных полисахаридов (С6Н10О5)п.Высокомолекулярные полисахариды по своим физическим свойствам отличаются от
низкомолекулярных полисахаридов и от моносахаридов. Они некристалличны. Так, крах¬
мал и гликоген представляют собой аморфные порошки. Только гликоген хорошо растворим
в воде, крахмал растворяется в ней лишь при нагревании, а клетчатка является не раствори¬
мым в воде полисахаридом. Крахмал и гликоген образуют коллоидные растворы.Несахароподобные полисахариды являются оптически активными веществами. Раство¬
ры крахмала и гликогена имеют сильное правое вращение [a]D + 195°. Целлюлоза же обла¬
дает небольшой оптической активностью, ее удельное вращение [a]D-3°.Крахмал представляет собой смесь двух различных полисахаридов — амилозы (до 20%)
и амилопектина. Амилоза хорошо растворима в теплой воде и не дает клейстера. Амилопек-
тин в горячей воде растворим с трудом и образует при этом вязкий клейстер. Причина раз¬
личий кроется в неодинаковом строении этих полисахаридов.НОН2С НОН2СамилозаАмилоза представляет собой регулярный а-1,4-глюкозидный полимер, то есть построе¬
на из молекул глюкопиранозы в a-форме, связанных между собой с участием гидроксиль¬
ной группы в положении 4, т.е. дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза. Мак¬
ромолекула амилозы свернута в спираль диаметром 10 А, причем на каждый виток спирали
приходится 6 остатков глюкозы. Во внутренний канал спирали могут входить соответству¬
ющие по размеру молекулы, например иода, образуя комплексы включения.Амилопектин в отличие от амилозы имеет разветвленное строение. Основная цепь по¬
строена, как и в амилозе, посредством а-1,4-глюкозидной связи, однако она имеет ответвле¬
ния за счет образования а-1,6-глюкозидных связей.НОН2Самилопектин
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ477Условно различие в строении амилозы и амилопектина изображено на рисунке 27.2.Еще одно различие заключается в неодинаковой молекулярной массе этих полисахари¬
дов. Амилоза легче, ее цепь состоит примерно из двух тысяч звеньев. Амилопектин содер¬
жит в своем составе до сотен тысяч остатков глюкозы. Таким образом, крахмал — ассоциат
амилозы и амилопектина, связанных между собой водородными связями.QscOcOQoooocDoocbooooooамилоза амилопектинРис. 27.2. Амилоза и амилопектин.При нагревании крахмала происходит гидролитическое расщепление его молекул на по¬
лисахариды с меньшим молекулярным весом, которые называются декстринами. Декстри¬
ны имеют ту же общую формулу (С6Н10О5)х, что и крахмал, только х < п. Под действием
ферментов (амилазы) крахмал подвергается гидролизу до дисахарида мальтозы; при бо¬
лее глубоком гидролизе в присутствии минеральных кислот расщепление идет до моноса¬
харида — глюкозы:Н20 Н20 Н20
крахмал ►декстрины ► мальтоза ►глюкозаКрахмал содержится в хлебе, картофеле, овощах и имеет важное значение как источник
питания. Он используется также в качестве исходного материала при получении глюкозы.
В фармацевтической промышленности крахмал употребляют для приготовления паст, таб¬
леток и т.д.Гликоген представляет собой аналог амилопектина. Полимерная цепь гликогена также со¬
стоит из молекул глюкозы в их а-пиранозной форме, связанных между собой а-1,4- и а-1,6-
гликозидными связями.Гликоген (или животный крахмал) является резервным углеводом животных организ¬
мов. Он содержится в печени (до 20%), мышцах (-4%). В процессе жизнедеятельности, в
первую очередь при мышечной работе, происходит расщепление гликогена, который отда¬
ет сосредоточенную в нем энергию. Гликоген еще более разветвлен, чем амилопектин, что
имеет важное физиологическое значение. Отщепление от гликогена молекул глюкозы, не¬
обходимых для энергетического использования, осуществляется, в первую очередь, на кон¬
цах цепей. Чем таких концов больше в молекуле, тем быстрее компенсируются затраты глю¬
козы в процессе биологического окисления.Еще одним примером несахароподобного гомополисахарида, состоящего из молекул D-
глюкозы, связанных а-1,6-гликозидными связями, является декстран. Кроме 1,6-связей
основной цепи в молекуле декстрана имеются и ветвления посредством ос-1,4-, а-1,3- и а-1,2-связей.Декстран синтезируют микробиологическим путем из сахарозы.Декстран применяют при больших потерях крови, лечении ожогов и нефротических
отеков. Частично гидролизованный декстран, называемый «клиническим» декстраном, ис¬
пользуется как заменитель крови, поскольку по свойствам соответствует плазме. Сульфо-
478ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫэфиры декстрана подавляют свертываемость крови и являются заменителями гепарина
(см. ниже).Клетчатка (или целлюлоза) представляет собой линейный полимер целлобиозы, то есть
состоит из глюкопиранозных остатков, связанных Р-1,4-гликозидными связями.Клетчатка является основным веществом растительных клеток. Она составляет 50-70%
древесины. Хлопок, волокна льна и конопли почти целиком состоят из клетчатки.В результате частичного гидролиза клетчатки меняются свойства целлюлозного матери¬
ала: снижается прочность волокон, увеличивается растворимость в щелочах. Полный кис¬
лотный (или ферментативный) гидролиз клетчатки приводит к образованию D-глюкозы.НОН2Сон^оон НОН2СцеллюлозаЧеловек, а также плотоядные животные не усваивают клетчатку, так как в их организме
нет ферментов, которые способствуют ее гидролизу. Переваривание клетчатки травоядны¬
ми объясняется присутствием в их пищеварительной системе микроорганизмов, которые
могут ее гидролизовать.Мономерный фрагмент молекулы клетчатки имеет три свободные гидроксильные груп¬
пы, по которым может идти ее алкилирование и ацилирование. Образующиеся при этом
сложные эфиры имеют практическое значение. Так, при обработке остатков клетчатки сме¬
сью концентрированных азотной и серной кислот образуется нитроклетчатка — нитроэфир
клетчатки*.В зависимости от условий нитрования можно получить моно-, ди- и тринитроэфиры
клетчатки. Смесь моно- и динитроклетчатки называют коллоидной ватой или коллоксили¬
ном. Он используется в медицине под названием коллодия. Из смеси коллоксилина, камфо¬
ры и спирта приготовляют целлулоид. Тринитроклетчатка представляет собой взрывчатое
вещество, применяемое под названием пироксилин.o2noh2cono2^оо— иono2 o2noh2cтринитроклетчаткаУксуснокислые эфиры или ацетаты клетчатки получают при действии на нее уксусно¬
го ангидрида в присутствии уксусной и серной кислот:* Нитроклетчатка — общепринятое, но неверное название питроэфира клетчатки.
ГЛ. 27]УГЛЕВОДЫ479СН3СООСН2ОСОСНзО—СН3СООСН2пОСОСНзтриацетилцеллюлозаДи- и триацетаты клетчатки (ди- и триацетилцеллюлоза) используется для приготовле¬
ния искусственного шелка, лаков и т.д.Хитин построен из остатков D-глюкозы, связанных, как и в целлюлозе, (3-1,4-гликозид-
ными связями. Однако в его молекуле гидроксильная группа в положении 2 отсутствует.
Она заменена ацетиламиногруппой. Хитин нерастворим в воде, щелочи, разбавленных кис¬
лотах, органических растворителях.Хитин — основной компонент наружного скелета ракообразных, насекомых, оболочек не¬
которых грибов. Сульфоэфиры хитина обладают антикоагулирующим действием и могут
поэтому применяться в медицине.27.4.2. ГетерополисахаридыГиалуроновая кислота — полимер ацетилированного по аминогруппе дисахарида P-D-
глюкуранозил-3-(2-амино)*Р-0-глюкозы:Гиалуроновая кислота входит в состав межклеточного вещества тканей человека. Ей от¬
водится множество жизненных функций. Она выполняет роль межклеточной смазки, поэто¬
му ее много в сухожилиях, коже, хрящах. Ее высокие вязкость и липкость определяют ее
роль в качестве барьера, препятствующего проникновению микроорганизмов внутрь соеди¬
нительной ткани. В то же время в присутствии гиалуроновой кислоты возрастает упругость
тканей, то есть она служит неким цементирующим материалом. Ее содержание высоко в
стекловидном теле. Участвует гиалуроновая кислота и в процессе распределения веществ в
тканях. Известно, что ее комплекс с белком, именуемый протеогликином, способен связы¬
вать ионы натрия, калия и кальция, то есть является ионнообменником, и тем самым регу¬
лирует процесс обмена этих ионов.Гепарин — гетерополисахарид сложного строения. В его состав входят остатки D-глюко-
замина и D-глюкуроновой кислоты в а-пиранозной форме. Соединены они чередующимися
а-1,4- и а-1,3-гликозидными связями. К тому же аминогруппы у большинства глюкозамин-
ных остатков полимера сульфатированы (сульфамиды), а у некоторой части — ацетилирова-НОН2СОНр-В-глюкуранозил-3-(2-ацетиламино)-р-0-глюкоза
480ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vны. Частично сульфатированы и гидроксильные группы в положении 6 (сульфоэфиры).
Сказанное представлено в формуле:гепаринГепарин можно обнаружить в малых количествах в самых различных тканях — в пече¬
ни, крови, легких и селезенке. Вырабатывается гепарин особыми клетками, имеющими на¬
звание тучных. Главная функция гепарина — предотвращение свертывания крови. В каче¬
стве антикоагулянта гепарин широко применяется в самых различных областях медицины.Другой представитель гетерополисахаридов — агар-агар, который получают из морских
водорослей, находит применение в кондитерской промышленности и микробиологии из-за
характерной особенности давать плотные гели.Агар-агар состоит из смеси полисахаридов сложного строения. Основными (но не един¬
ственными) мономерными звеньями этих полисахаридов являются глюкуроновая кислота
и галактоза.К настоящему времени из различных природных источников, по преимуществу из
микроорганизмов, выделены и исследованы десятки полисахаридов самой разнообраз¬
ной природы, причем некоторые из них обладают сильной биологической активностью
(противомикробное, противоопухолевое и др. действие). Ряд из них уже производится про¬
мышленностью.27.5. ЗаключениеПриведенные сведения наглядно демонстрируют роль углеводов в живой природе. Сум¬
мируя данные, можно обратить внимание на следующие моменты:— углеводы и их производные выступают в роли источника энергии, выделяющейся в ре¬
зультате углеводного обмена. К числу таких углеводов относятся гликоген и глюкоза;— многие углеводы выполняют функцию резервных питательных веществ, в определен¬
ных условиях превращающихся в D-глюкозу или другие питательные вещества. Резервными
углеводами, в частности, являются сахароза, гликоген и крахмал;— полисахариды и их производные являются конструктивными материалами некоторых
организмов. Строительным каркасом растений служит клетчатка — главное сырье углевод¬
ных строительных материалов в человеческой практике (древесина), основа целлюлозооб¬
рабатывающей промышленности. Клетчатка выступает как ценное сырье и в химической
промышленности (после гидролиза, ацилирования и т.д.). Полиаминосахарид хитин состав¬
ляет остов организмов насекомых и др.;— ряд сложных производных углеводов относится к числу биологически активных ве¬
ществ, применяемых в качестве лекарственных препаратов (сердечные гликозиды и др.), ви¬
таминов (например, аскорбиновая кислота), антибиотиков (стрептомицин и др.); полисаха¬
ридам, входящим в состав крови, присуща иммунологическая активность;— углеводы являются фрагментом нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), а также незаме¬
нимыми компонентами сложных белков (гликопротеидов) и некоторых жировых веществ
(гликолипидов).
Глава 28.КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕКислоты одноосновные... могут образо¬
ваться во множестве случаев из разных
органических соединений.А. М. Бутлеров28.1. Строение и номенклатураОрганические соединения, которые содержат карбоксильную группу -СООН, относят
к классу карбоновых кислот. Некоторые наиболее важные из числа моно- и дикарбоновых
кислот предельного, непредельного, ароматического и гетероциклического рядов представ¬
лены ниже.рКа 3,75СНзч ЛрКа 4,75 рКа 4,88;с-оСН3СН2СН2Ч'с-оСНзIсн3-снч>>0ноно номуравьиная уксусная
кислота кислотапропионоваякислотамаслянаякислотаизомаслянаякислотаCL .ОНОакриловаякислотакротоноваякислотабензойнаякислотаР-пиридинкарбоновая(никотиновая)кислота
482ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VКарбоновые кислоты, которые входят в состав липидов и их производных рассмотрены
в следующей главе.Для многих карбоновых кислот более приняты тривиальные названия, возникновение
которых обычно связано с природным источником, из которых они выделены или синтези¬
рованы. Так, муравьиная кислота содержится в выделениях муравьев, масляная — в коро¬
вьем масле, щавелевая — в ряде растений; никотиновая кислота получена впервые окисле¬
нием никотина, янтарная — янтаря, о-фталевая — нафталина и т.д.Международные названия предельных карбоновых кислот, которые строятся из назва¬
ния соответствующего углеводорода с добавлением окончания -овая кислота. Названия
циклических и ароматических карбоновых кислот образуют добавлением к названию угле¬
водорода слов карбонокая кислота. Для названия аниона карбоновой кислоты использует¬
ся ее латинское название с суффиксом -ат.Кислотные остатки, именуемые в общем ацильными радикалами (Ас-), также характе¬
ризуются своими индивидуальными названиями. С их помощью удобно называть производ¬
ные карбоновых кислот — галогенангидриды, амиды, эфиры. В этом случае при названии
ацила используется суффикс -ил.Янтарная кислота — представитель предельных дикарбоновых кислот, а изомерные фта-
левые кислоты принадлежат к ароматическому ряду.Фумаровая и малеиновая кислоты представляют собой характерный пример цис- и транс-
изомеров этиленового ряда, которые сильно различаются между собой (см. ниже).О.формилацетилпропионилбутирилбензоилСООНIСООНн соонVн соонV/СООНщавелеваякислотамалоноваякислотаянтарнаякислотафумароваякислотамалеиноваякислотаСООНсоонJо-, м- и я-фталевые кислотыКислоты имеют большое значение в практике. Муравьиная, уксусная и бензойная кис¬
лоты в больших количествах вырабатываются промышленностью, т.к. являются важными
ГЛ. 28]КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ483полупродуктами для синтеза разнообразных материалов — в том числе и лекарственных ве¬
ществ. Соли длинноцепочечных карбоновых кислот с щелочными металлами представля¬
ют собой мыла. Акриловую и n-фталевую кислоты используют как мономеры в синтезе по¬
лимерных материалов, среди них и медицинского назначения.Многие необходимые вещества, в том числе лекарства, получают из малоновой, янтар¬
ной и о-фталевой кислот.Медико-биологическое значение карбоновых кислот состоит в том, что многие из них
являются метаболитами и присутствуют в различных растительных и животных биосре¬
дах. Уксусная кислота и ее производные, ацетаты, представляют собой структурную син¬
тетическую единицу, из которой построены многие сложные биомолекулы, например,
стероидные гормоны, липиды и др. Широкий набор предельных и ненасыщенных кар¬
боновых кислот, именуемых жирными кислотами, участвует в построении молекул ли¬
пидов. Карбоксильная группа входит в состав таких важных групп биомолекул, как гид-
рокси-, кето- и аминокислоты. Никотиновая кислота является провитамином витамина
РР (никотинамида).28.2. Получение1. Карбоновые кислоты синтезируют окислением углеводородов, первичных спиртов,
альдегидов:Окисление н-алканов осуществляется в промышленности действием на углеводороды
нефти кислородом в присутствии катализатора — солей марганца под давлением и при вы¬
сокой температуре. Особенно характерен такой способ для синтеза ароматических и ге¬
тероциклических кислот. Бензойную кислоту, как известно, легко получать действием
окислителей на монозамещенные гомологи бензола, о-фталевую кислоту синтезируют из
нафталина, а никотиновую кислоту — из Р-метилпиридина. Последняя образуется и при
окислении алкалоидов никотина и анабазина (см. разд. 20.3.5), т.к. у них в P-положении пи¬
ридинового кольца находится насыщенное (а, следовательно, разрушаемое окислением)
кольцо.Окисление спиртовой группировки используется в микробиологическом способе
синтеза уксуса, при котором происходит уксуснокислое брожение спирта до уксус¬
ной кислоты.В целом, в живых организмах самые различные органические вещества (углеводороды,
спирты, альдегиды) обычно претерпевают ферментативное окисление до соответствующих
карбоновых кислот. Иногда это имеет нежелательные последствия. Так, токсичность этилен-
гликоля объясняется его окислением при попадании в организм до сильно ядовитой щаве¬
левой кислоты.Метаболизм органических биомолекул до карбоновых кислот — общая биохимическая
реакция.Один из биохимических путей образования карбоновых кислот: явление пероксидного
окисления липидов (ПОЛ), при котором активные формы кислорода атакуют а-углеродные
атомы кратных связей непредельных липидов:Ы-СН3 [0] ► R-СООН r-ch2ohR-CH=0
484ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫтаутомерияR1CH2CH=CHR2r‘ch=chch2r20202R‘CHCH=CHR2R‘CH=CHCHR2н-о-отт гидропероксидыU—U—rir‘ch=o + CH=CHR2R‘CH=CH + 0=CHR2оненолыНОIR‘CH-0 + 0=CHCH2R2
02R^OOH + HOOCCH2R2R‘CH2CH=0 + 0=CHR2
02^СН2СООН + HOOCR2Процесс ПОЛ особенно активируется при лучевом поражении, что и является основной
причиной повреждения биомембран.Уровень содержания некоторых карбоновых кислот в биосредах является поэтому полез¬
ным биохимическим показателем, а обнаружение в них низших карбоновых кислот служит
дигностическим признаком анаэробной инфекции, поскольку такие кислоты, как пропио-
новая, масляная, изовалериановая, продуцируются анаэробными бактериями.2. Гидроксиформилирование алкенов также является промышленным способом, кото¬
рый состоит в действии на алкен смесью СО + Н20 в присутствии катализаторов:3. Гидролиз нитрилов позволяет синтезировать карбоновую кислоту из галогенопроиз¬
водного углеводорода, при этом число атомов углерода, как и в предыдущем методе, увели¬
чивается на единицу, например:СН2=СН2+С0 + Н20 сн3сн2соонпропановаякислотасоон4. К карбоксильной группе приводит и гидролиз тригалогенпроизводных, содержащих
все три галогена при одном атоме углерода:
ГЛ. 28]КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ485С1iОНIIонсоон5. Карбоновые кислоты образуются при гидролизе различных производных карбоновых
кислот (галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, амиды), в том числе и природного
происхождения, таких, как липиды. Об этом будет сказано подробно дальше.Кроме перечисленных методов существует много и других способов образования кар¬
боксильной группы, которые, однако, носят частный характер и потому здесь не рассмат¬
риваются.28.3. Свойства карбоновых кислотКарбоновые кислоты относятся к числу высококипящих и высокоплавких веществ по
сравнению с другими органическими соединениями с тем же числом атомов углерода. Это
объясняется образованием димерных ассоциатов, т.е. объединением двух молекул посред¬
ством водородных связей за счет взаимодействия гидроксильных и карбонильных групп раз¬
личных молекул. Разрушение димеров происходит только при сильном нагревании. Поэтому
даже в газовой фазе большая часть молекул кислоты димеризована:Низшие предельные кислоты хорошо растворимы в воде, но уже начиная с С9-кислот,
они почти не смешиваются с водой.Химические свойства карбоновых кислот определяются особенностями строения кар¬
боксильной группы, которая представляет собой не формальную комбинацию спиртовой и
карбонильной групп, а новую функциональную группировку. Поэтому кислоты принципи¬
ально отличны по свойствам как от спиртов, так и от альдегидов или кетонов. С одной сто¬
роны, электроотрицательный атом кислорода ОН понижает полярность связи С=0, а по¬
этому для карбоновых кислот не характерно нуклеофильное присоединение по этой связи,
свойственное оксосоединениям. С другой стороны, положительно заряженный карбониль¬
ный атом углерода притягивает к себе электронные пары кислорода и тем самым ослабля¬
ют связь О-Н, усиливая положительный заряд на атоме водорода. Поэтому карбоновые кис¬
лоты обладают более сильными кислотными свойствами, чем спирты.28.3.1. Кислотные свойстваКарбоновые кислоты диссоциируют в водных растворах на карбоксилат-ион и протон:О-Н - Оассоциативный димеркарбоксилат-ион
486ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫВ карбоксилат-анионе, как было доказано, атомы кислорода рав¬
ноценны, т.е. происходит выравнивание длины двух связей С-0 и
равномерное распределение отрицательного заряда между атомами
кислорода. Сказанное иллюстрируется молекулярной моделью аце-
тат-иона (рис. 28.1). Такое выравнивание зарядов легко объяснимо с
Рис. 28.1. Молекулярная позиЦий резонанса. Оно энергетически выгодно и потому является до-
моделъ ацетат-иона, полнительной причиной повышенной кислотности карбоксильной
группы по сравнению со спиртовой.Сила карбоновых кислот определяется характером заместителя в углеводородном радика¬
ле и от стабильности образующегося аниона. Так, муравьиная кислота (см. выше) несколько
сильнее уксусной, т.к. алкильный заместитель является донором электронов (+/-эффект).
Акцепторный характер непредельного и ароматического заместителя по сравнению с СН3
группой вызывает некоторое уменьшение рКа при переходе от уксусной кислоты к акриловой
и бензойной. Влияние электроноакцепторного заместителя на кислотность карбоксильной
группы удобно проследить на примере дикарбоновых кислот. По мере удаления электроноак¬
цепторных карбоксильных групп друг от друга сила кислоты заметно падает в ряду щавеле¬
вая — малоновая — янтарная кислоты. В обратном направлении меняется кислотность хлор-
уксусных кислот (-/-эффект): монохлоруксусная кислота (С1СН2-СООН) - рКа = 2,86,
дихлоруксусная (С12СН-СООН) -рКа = 1,29, трихлоруксусная (С13С-СООН) -рКа = 0,65.Соли карбоновых кислот, которые образуются при их нейтрализации, находят примене¬
ние в практике. Так, натриевые и калиевые соли непредельных и предельных кислот с
длинным углеводородным радикалом представляют собой мыла. Основная свинцовая соль
уксусной кислоты НО-РЬ-ОСОСН3 известна как свинцовая примочка, применяемая в
медицине. Нетоксичные соли бензойной кислоты, бензоаты, обладают консервирующим
действием и потому используются как добавки ко многим пищевым продуктам. Некоторые
соли карбоновых кислот употребляются в органическом синтезе, например, их пиролизом
получают альдегиды и кетоны (см. разд. 26.2).Следует помнить, что соли карбоновых кислот подвержены заметному гидролизу, а в
смеси с самими кислотами они образуют буферные растворы.28.3.2. Окислительно-восстановительные превращенияКислоты не имеют выраженной склонности к действию восстановителей и окислителей.
Только сильные восстановители действуют на них. Так, с LiAlH^ они дают спирты:R-COOH + LiAlH,—> RCH2OH + LiOH + Al(OH)3,a с HI — алканы:R-COOH + 6HI -> R-СНз + 3I2 + 2H20.С окислителями реакции идут еще труднее. Исключение составляет муравьиная кислота,
которая сохраняет в своем составе альдегидную группу и потому дает реакцию «серебряного
зеркала»:НСООН + Ag20 2Ag + С02 + Н20.Легко окисляется и щавелевая кислота (или ее соли), что и используется в методе пер-
манганатометрии.5H2QA + 2KMnO, + 3H2SO, -> ЮС02 + 2MnS04 + K2S04 + 8Н20.
ГЛ. 28]КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ487В прочих предельных кислотах обычно окисляется а-углеродный атом с образованием
а-гидрокси- или а-кетокислот (см. ниже). Ферментативным путем окислению подвергает¬
ся и (3-углеродный атом до Р-гидроксикислот.С пероксидом водорода из кислот образуются пероксокислоты — вещества, содержащие
пероксидную группировку:Пероксокислоты являются сильными окислителями.28.3.3. ДекарбоксилированиеПри сильном нагревании карбоновых кислот наблюдается их декарбоксилирование:Способность к этому превращению определяется прочностью связи карбоксильной груп¬
пы с радикалом, которая понижается, если в нем содержатся электроноакцепторные замести¬
тели. Поэтому, например, щавелевая кислота декарбоксилируется уже при слабом нагревании:а янтарную кислоту (как и уксусную или другие предельные кислоты) практически уже не
удается декарбоксилировать нагреванием. Однако декарбоксилирование любых кислот лег¬
ко осуществляется ферментативным путем и является одной из необходимых стадий пре¬
вращения органических веществ в организме.28.3.4. Влияние карбоксильной группы на заместительЭлектроноакцепторный эффект карбоксильной группы заключается в повышенной
склонности к замещению атомов Н в a-положении молекул предельных кислот. В резуль¬
тате можно вводить атомы галогена в это положение:Еще легче осуществляется замещение с образованием из уксусной кислоты монофтор-,
дифтор- или трифторуксусной кислот. Следует отметить, что ядовитая монофторуксусная
кислота содержится в соке некоторых тропических растений. Ее соли — монофторацетаты —
применяются как средства борьбы с грызунами.Особенно сильно проявляется влияние на a-положение в молекуле малоновой кислоты
и ее эфиров. Суммарный эффект двух карбоксильных групп приводит к тому, что а-атом
водорода может проявлять «кислый» характер и замещаться активными металлами. Это
используется в синтетических целях для получения из малоновой кислоты и ее эфиров
а-замещенных гомологов:R-C + Н20чоонпероксокислотаR-COOH -» R-H + С02Т.ноос-соон -> н-соон + со2Т,малоновую кислоту для этого нужно нагреть значительно сильнее:НООС-СН2-СООН -> СНз-СООН + со2Т,СНз-СООН + С12 -» СН2С1-СООН + НС1
СН2С1-СООН + С12 -> СНС12-СООН + НС1
СНС12-СООН + С12 -»СС13-СООН + НС1.
488ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vос,н,2АА5RXОС2Н5 -NaXо омалоновый эфирВ непредельных кислотах эффект группы -СООН заключается в том, что электрофиль-
ное присоединение идет вопреки правилу Марковникова:СНо=СН-СООННВг■> ВгСНоСНоСООНВ ароматических кислотах карбоксильная группа выступает как заместитель второго
рода, ориентируя дальнейшее замещение в мета-положение и затрудняя реакцию по срав¬
нению с бензолом:СООНH0S03H-нонH03sсоонж-сульфобензойнаякислота28.4. Производные карбоновых кислотЕще одной общей особенностью карбоновых кислот является их способность к нуклео¬
фильному замещению OH-группы, в результате чего получаются производные карбоновых
кислот: галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры, амиды и т.д. Прежде чем обратиться
к отдельным представителям производных, необходимо обратить внимание на то, что они,
с одной стороны, могут гидролизоваться в карбоновые кислоты, а, с другой стороны, более
активные из них (хлорангидриды и ангидриды) способны к реакциям нуклеофильного за¬
мещения с образованием менее реакционноспособных (сложных эфиров и амидов).Таким образом, перечисленные соединения связаны взаимными переходами:Rсложныйэфир\ ►с--OR1< -НС10-RCOOHr'ohНОНRхлорангидридО,С-С1нон^SOCl2-S02-НС1R\,с-онHNR'R2о
нон
R-НОН"нонR\ л.c-o-c.о%ангидридо■\hnr'r21т>2-НС1о.C-NRR'HNR'R2-RCOOHамид
ГЛ. 28]КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ48928.4.1. ГалогенангидридыЭти вещества (RCO-X) получают действием на кислоты галогенангидридами минераль¬
ных кислот (SOCl2, РС13, POCI3, PCI5, РВг3 и др.). Особенно удобно применять SOCl2, т.к.
кроме желаемого галогенангидрида остальные продукты представляют собой газы.Известны фтор-*, хлор-, бром- и иодангидриды. Их названия строят по типу алкилгало-
генидов, исходя из соответствующего ацильного радикала. Например, СН3-СО-С1 это хло¬
ристый ацетил, а С6Н5-СО-Вг — бромистый бензоил.Наиболее важны ацилхлориды, которые чрезвычайно реакционноспособны и исполь¬
зуются для ацилирования спиртов и аминов. Причина их активности по отношению к нук¬
леофильным агентам — высокий положительный заряд на карбонильном атоме углерода,
который поэтому обладает высокой электрофильностью и легко вступает в реакции при¬
соединения с последующим отщеплением НС1. По той же причине все галогенангидриды
легко гидролизуются.28.4.2. Ангидриды карбоновых кислотАцилированием галогенангидридами солей карбоновых кислот можно получить их ан¬
гидриды. Они образуются также и при нагревании карбоновых кислот с сильными водоот¬
нимающими реагентами (Р205).По химическим свойствам ангидриды похожи на галогенангидриды: они легко гидроли¬
зуются и являются ацилирующими агентами по отношению к спиртам и аминам. Наиболь¬
ший практический интерес представляет уксусный ангидрид, который производится для
синтеза ацетатного волокна.Особую группу составляют ангидриды дикарбоновых кислот, которые получаются за
счет внутримолекулярной потери молекулы воды с образованием пяти- (или шестичлен¬
ных) гетероциклических колец — янтарный, малеиновый и фталевый ангидриды. Они важ¬
ны для синтеза пластмасс, красителей, лекарственных средств.28.4.3. Сложные эфирыОбычным методом синтеза сложных эфиров являются ацилирование спиртов действи¬
ем кислот, их галогенангидридов или ангидридов, а также другими сложными эфирами (ре¬
акция перэтерификации, в биохимии — трансацилирования).Другой способ их получения — сложноэфирная конденсация. Сложные виниловые эфи¬
ры, как отмечено раньше, синтезируют присоединением карбоновых кислот к ацетилену.В организме реакция ацилирования спиртов осуществляется с помощью соответствую¬
щего фермента, который не только активирует реагенты, но и способствует удалению воды
из реакционного центра в результате гидрофобных взаимодействий.О Оянтарный малеиновый
ангидрид ангидридОфталевыйангидридуксусныйангидрид*Первый фторапгидрид (бензойной кислоты) получил А. П. Бородин в 1862 г.
490ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VНазвание сложных эфиров строится из названия радикала спирта в сочетании с корнем
латинского наименования кислоты, к которому добавляется окончание -am (или -оат).Сложные эфиры широко распространены в живой природе. Многие из них входят в со¬
став плодов, цветов и определяют их аромат. Сложные эфиры являются обязательными
компонентами эфирных масел — сложных смесей растительного происхождения, в состав
которых входят также терпены и кислородные гетероциклические соединения и др.Сложными эфирами глицерина, как известно, являются жиры (липиды). Воскоподобное
вещество кашалотов — спермацет — состоит, в основном, из цетшового эфира пальмитино¬
вой кислоты (С15Н31СООН). Пчелиный воск также представляет собой многокомпонентную
смесь, в которой преобладает сложный эфир — мирициловый эфир пальмитиновой кислоты.Простейшие эфиры (например, этилацетат) употребляются как растворители, экстраген¬
ты, пластификаторы полимерных материалов и т.д. Ряд эфиров используется для приготов¬
ления фруктовых эссенций в парфюмерии и пищевой промышленности.Так, этилфомиат обладает запахом рома, изопентилацетат входит в состав грушевой
эссенции, бензилацетат пахнет жасмином, а этилбутират — абрикосами.Соединения со сложноэфирной группировкой имеют широкий спектр физиологического
действия. Диметилфталат, например, является репеллентом, отпугивающим кровососущих
насекомых. Сосудорасширяющий препарат валидол представляет собой ментиловый эфир
изовалериановой кислоты. Сложноэфирные группировки присутствуют в молекулах лекар¬
ственных средств аспирина, салола (см. разд. 32.1), новокаина и др.ОООэтилформиатпентилацетатэтилбутиратОэтилбензоатОСНзОСНзОдиметилфталатСНзСНз/С2Н5
О O-CH2CH2NчСгН5валидолновокаин
ГЛ. 28]КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ49128.4.4. АмидыНазвания амидов карбоновых кислот строятся из названий исходных кислот. Так,
HCO-NH2 — это амид муравьиной кислоты или формамид, а C6H5-CO-N(CH3)2 — это ди-
метиламид бензойной кислоты или диметилбензамид и т.д.Амиды получают ацилированием аминов карбоновыми кислотами или лучше — хлоран-
гидридами, ангидридами карбоновых кислот или сложными эфирами. В первом случае вна¬
чале образуются аммониевые соли, которые при нагревании выше их температуры плавления
внутримолекулярно отщепляют воду, превращаясь в амиды. Еще один метод их синтеза — гид¬
ролиз нитрилов:Ацилированием аммиака действием циклических ангидридов (янтарного, фталевого,
малеинового и т.д.) получают циклические диамиды, которые называются имидами. Напри¬
мер, из фталевого ангидрида получают фталимид:Имиды можно получить и с участием остатков различных кислот. В качестве примера
можно привести сахарин — имид о-сульфобензойной кислоты, который из-за сладкого вкуса
и малой токсичности употребляют как суррогат углеводов.Химические свойства амидов и имидов определяются тем, что неподеленная электрон¬
ная пара азота в них участвует в сопряжении с вакантной 2р-орбиталью карбонильной груп¬
пы (+М-эффект), а потому связь в амидах имеет частично двойной характер. Этим объясня¬
ется и то, что, с одной стороны, у амидов подавлены свойства оснований, а, с другой стороны,
атом водорода NH2-rpynnbi становится подвижным. Это означает, что у амидов имеется тен¬
денция к проявлению кислотных свойств (рКа = 13-15), которые сравнимы с кислотностью
спиртов. В целом же амиды следует рассматривать как соединения, у которых и основные,
и кислотные свойства выражены крайне слабо.Подвижность атома водорода группы NH2 может проявляться также и в явлении амид-
имидольной таутомерии (аналогичной кето-енольной).По аналогии с альдегидами и кетонами в амидах «имидольный» таутомер присутствует в
незначительных количествах, зато доля такого таутомера у циклических имидов (например,
у фталимида), как и доля енола у Р-дикарбонильных соединений, может заметно возрастать.NHОkNH2ООоофталевый ангидридфталимидо-сульфобензойная кислотасахаринООфталимидимидол
492ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VУвеличена в имидах и подвижность атома водорода группы -CONHCO-, который мож¬
но заместить на металл действием щелочи. Это используется в органическом синтезе для по¬
лучения первичных аминов (метод Габриэля). Синтез Габриэля состоит в алкилировании
фталимид-калия галогеналканом, а затем в последующей обработке водой продукта, который
гидролизуется, как и остальные имиды (и амиды в целом), с образованием алкиламина.О О О ОNHОфталимидNKОНОН+ rnh2фталимид-калийЯвление амид-имидольной таутомерии характерно для оксипроизводных азотистых ге¬
тероциклов и составляет важную отличительную черту тех из них, что входят в состав нук¬
леиновых кислот (см. гл. 31).В кислой среде вследствие протонирования молекула амида активируется и может аци-
лировать спирты, образуя сложный эфир и соответствующий амин. Электрофильные реа¬
генты атакуют в амидах кислородный атом карбонильной группы. Так, при нагревании ами¬
дов с Р205 происходит внутримолекулярное отщепление молекулы воды с образованием
нитрилов карбоновых кислот.Амиды имеют значение в практической деятельности. Простейшие амиды — формамид,
диметилформамид и др. используются как промышленные растворители; диэтиламидмета-
толуиловой кислоты (диэтилтолуамид или сокращенно ДЭТА) служит репеллентом, более
эффективным, чем диметилфталат; пикотинамид является витамином PP. Амидная группи¬
ровка входит в состав многих лекарственных средств (см., например, фенацетин, разд. 24.3).
Поливинилпирролидон, полимер амида, в котором амидный фрагмент включен в пятичлен¬
ное кольцо, используется как плазмозаменяющий препарат.nIОНС=СНоN'-нс-сн2оN-винилпирролидон поливинилпирролидонАмидная связь характерна для группы жировых веществ, входящих в состав нервных
клеток, в том числе и коры головного мозга. Эти соединения являются амидами сфингози-
на (см. разд. 29.1). Наконец, фрагмент -СО-NH- присутствует во всех пептидах, где он на¬
зывается пептидной связью, особенности строения которой будут разобраны позднее (см.
разд. 33.4).
Глава 29.
ЛИПИДЫ29.1. Строение и классификацияЛипидами называют большую группу природных соединений, в которую входят разнообраз¬
ные по химическому строению вещества. Общим свойством, позволившим объединить их в еди¬
ную группу, явилась растворимость в органических растворителях и нерастворимость в воде. В
соответствии с этим к липидам были отнесены жирные кислоты, простые и сложные эфиры гли¬
церина, амиды — производные аминоспирта сфингозина, холестерин и его эфиры, воска и даже
каротин. По мере выяснения деталей структуры и изучения функций этих соединений в клет¬
ке стало очевидным, что такое определение липидов не отражает ни общности химического стро¬
ения, ни единства биологических функций и не может быть признано удачным.Более целесообразно к липидам относить природные биологически активные производные
высших жирных кислот и спиртов. Обычно это простые и сложные эфиры, образующиеся в
результате взаимодействия глицерина и стероидных спиртов с высшими жирными кислота¬
ми. В молекуле липида непременно присутствует один или несколько гидрофобных замести¬
телей, обеспечивающих хорошую растворимость в неполярных растворителях. Многие липи¬
ды содержат наряду с гидрофобными также и гидрофильные заместители, имеющие сродство
к полярным растворителям. Наличие в липидах такого типа полярных и гидрофобных заме¬
стителей определяет их участие в образовании структуры биологических мембран и функци¬
ональную роль, связанную с переносом веществ и ионов через мембраны, энергообеспечени¬
ем клетки и защитными реакциями организма. В последние годы широко обсуждается роль
липидов как биорегуляторов.Разнообразие химического строения чрезвычайно осложняет классификацию липидов,
вследствие чего в настоящее время единая система классификации отсутствует. В соответ¬
ствии с химическими свойствами липиды делят на две группы: нейтральные липиды и
полярные липиды.Каждая из групп включает несколько классов липидов. Обычно классификация базиру¬
ется на наиболее существенных особенностях строения, но в сложных соединениях выбор
определяющего признака не всегда однозначен.К группе нейтральных липидов относятся глицеролипиды, сфинголипиды, эфиры хо¬
лестерина, воска. В каждый класс входят соединения нескольких типов в зависимости от
природы, числа и положения заместителей.
494ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫПолярные липиды разделены на две группы в соответствии с характером кислотного ос¬
татка: фосфолипиды и сулъфолипиды. Последние, содержащие сульфоэфирную группу
(-0-S02-0H), содержатся в природных объектах в малых количествах.Одними из основных компонентов липидов являются карбоновые кислоты, именуемые
жирными кислотами, отдельные представители которых приведены ниже.\^^соон масляная кислота С3Н7СООНСООНмиристиновая кислота С13Н27СООНпальмитиновая кислота С15Н31СООНстеариновая кислота С17Н35СООНарахиновая кислота С19Н39СООНлингоцериновая кислота С23Н47СООНпальмитоолеиновая кислота С15Н29СООНолеиновая кислота С17Н33СООНлинолевая кислота С17Н31СООНДля трех их характерных представителей даны молекулярные модели их анионов —
пальмитата, стеарата и олеата (рис. 29.1). Нетрудно заметить, что эти жирные кислоты име¬
ют неразветвленную цепочку с четным числом атомов углерода, что объясняется особенно¬
стями их биосинтеза, который происходит из остатков уксусной кислоты (С2).В действительности ассортимент кислот, обнаруженных в липидах, значительно шире
(свыше 150), причем в их числе обнаружены и кислоты с разветвленной цепью, а также с кис¬
лородсодержащими функциональными группировками (гидрокси-, кетокислоты).пальмитат стеаратолеатРис. 29.1. Молекулярные модели анионов жирных кислот.
ГЛ. 29]ЛИПИДЫ495Другими типичными составляющими липидов разных групп являются глицерин, сфин-
гозин и холестерин:СН2ОНIснонIСН9ОНглицеринСН2ОНIchnh2IснонсфингозинСН3СН3Сложные эфиры жирных кислот и глицерина образуют группу простых липидов
(жиры, масла, воска). Жиры составляют основную массу природных липидов. Наиболее
часто в жирах присутствуют остатки пальмитиновой, стеариновой, олеиновой кислот, а в
составе коровьего масла — и масляной кислоты.Как правило, этерификации в жирах подвергнуты все три спиртовые группировки в мо¬
лекуле глицерина (как первичные, обозначенные a-положениями, так и вторичные — в (3-по-
ложении). Полные эфиры глицерина и жирных кислот являются простыми триглицери¬
дами (триацилглицеринами).R2COO-C^OCOR1JL_R2COO-CH^COR1
- ОCH9OCOR3простои триглицеридСН20-Р-0НIонфосфатидная кислотаЖиры — производные глицерина. Например, если глицерин был ацилирован пальмити¬
новой, стеариновой и олеиновой кислотами (R1— пальмитоил, R2 — стеароил, R3 — олеино-
ил), то образуется простой триглицерид — а-пальмитоил-(3-стеароил-а‘-олеиноилглицерин
или 1-пальмитоил-2-стеароил-3-олеиноилглицерин. Часто для них используются тривиаль¬
ные названия, основанные на названиях, входящих в их состав жирных кислот. Например,
в последнем случае — 1-пальмито-2-стеароолеин. Молекулы триглицеридов с различными
а-кислотными остатками (R1 ^R3) хиральны, т.к. (3-углеродный атом в этом случае будет
асимметричен. Поэтому большинство молекул жиров оптически активно. Асимметричные
природные триглицериды относятся в основном к числу L-изомеров.Продукты неполной этерификации глицерина жирными кислотами — моно- или дигли¬
цериды распространены намного реже и обнаруживаются обычно в качестве промежуточ¬
ных продуктов метаболизма триглицеридов. Жиры относятся к нейтральным липидам.При замене одного из a-остатков карбоновых кислот триглицеридов фосфорной кислотой
образуются фосфатидные кислоты, из которых построены молекулы сложных липидов —
фосфатидов, принадлежащих к группе полярных липидов. Эти вещества образуют семейство
фосфолипидов, из которых построены клеточные мембраны. Ранее бислойная модель клеточ¬
ной мембраны (см. разд. 20.4) рассматривалась на примере простых липидов. В действитель¬
ности же мембрану образуют фосфолипиды. Переход к фосфолипидам в принципе не сказы¬
вается на справедливости выше приведенных рассуждений.
496ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫФосфатиды характеризуются тем, что остаток фосфорной кислоты в них, в свою очередь,
фосфорилирует молекулу многоатомного спирта или биогенного амина — коламина или
холина*. Все природные фосфатиды имеют a-L-структуру.CHoOCOR1 CHoOCOR1R2COO-О R2COO-О СНзCH20-P-0(CH2)2NH$ CH20-P-0(CH2)2-N+-CH3о- о- СН3кефалины (фосфатидилколамины) лецитины (фосфатидилхолины)•Фосфатидилколамины (или фосфатидилэтаноламины, кефалины) и фосфатидилхоли¬
ны (или лецитины) — незаменимые компоненты нервных клеток. Они вместе с некоторы¬
ми белками дают белково-липидные комплексы — липопротеиды, представляющие собой
компоненты клеточных мембран. Фосфатидами богаты печень, сердечная мышца, эритро¬
циты. Фосфатиды присутствуют в таких продуктах, как яичный желток, соевые бобы, икра.
Их недостаток порождает малокровие, заболевания нервной системы и т.д.Присутствие фосфатидов в составе клеточных мембран сообщает им свойства амфоли-
тов и одновременно буферные свойства. Физиологическое значение pH обеспечивает их
нахождение как в ионизированной, так и неионизированной формах, причем соотношение
этих форм составляет (1,5-4):1, что отвечает достаточно устойчивой буферной системе. Та¬
ким образом, сама стенка клетки служит важным фактором поддержания постоянства pH
внутренней среды клетки. Особенно важна ее роль в суммарном действии буферных систем
крови в процессе поддержания постоянства pH внутренней среды эритроцитов.К числу сложных липидов относятся и структурные аналоги фосфолипидов — сфинго-
липиды, которые содержат вместо глицерина сфингозин.Сфинголипиды представляют собой амиды сфингозина и некоторых жирных кислот
(обычно лингоцериновой С2А). Из этих двух компонентов образуются церамиды.Первичная спиртовая гидроксильная группа молекулы церамидов, в свою очередь, может
быть связана с остатком моносахарида галактозы, глюкозы, олигосахаридов или фосфорили-
рована фосфорилхолином. В первом случае образуется нейтральный липид (галактоцереб-
розид)} так называемый психозин, во втором — полярный липид, сфингомиелин. Этерифика-
ция спиртовых групп в галактозидной части психозина (в положении 3, например) приводит
к природным сулъфолипидам, другой разновидности полярных липидов.СН3I°* /0-CH2CH2-N+-CH3сн2он сн2о/Р^о- сн3CH-NH-C-R CH-NH-C-(CH2)22CH3I II I II v 2/22 3снон о снон оI IСН=СН(СН2)12СН3 СН=СН(СН2)12СН3церамид сфингомиелин* Еще одно из природных веществ, которое фосфорилируется фосфатидпыми кислотами, — аминокислота
серим (см. разд. 33.1). Такие производные называют фосфатидилсерииами.
ГЛ. 29]ЛИПИДЫ497НОН2СН<О.СН20психозинОН СН—NH—С—(СН2)22СН3
СНОН ОШ IСН=СН(СН2)12СН3Эти и родственные им вещества выполняют важнейшие функции в нервных тканях. В
частности, сфингомиелин входит в состав миелиновой оболочки нервных волокон.29.2. СтероидыК нейтральным липидам относятся также и сложные эфиры жирных кислот и холесте¬
рина. В организме эта разновидность липидов особенно часто встречается в нервных тканях,
печени, а также в плазме крови.Холестерин (холестерол) содержит в своем составе насыщенную структуру стерана (см.
разд. 20.1.3). Его молекула содержит 8 асимметрических атомов углерода и, следовательно,
может иметь 256 стереоизомеров, однако лишь один из них находится в природе.Как известно, отложение холестерина на стенках кровеносных сосудов приводит к ате¬
росклерозу. Однако причиной этого следует считать не присутствие холестерина в организ¬
ме, а нарушение обмена веществ.Важной функцией холестерина является то, что из него в организме осуществляется
биосинтез большого семейства физиологически активных веществ, именуемых стероидами.
Все стероиды объединяет наличие в их структуре стеранового цикла.В печени из холестерина синтезируются необходимые для пищеварения желчные кис¬
лоты — холевая и 7-дезоксихолевая. Холевая кислота в организме, образуя амиды с глици¬
ном и таурином, превращается в глицинхолевую и таурохолевую кислоту.СН3СН3C0NH(CH2)2S03Hтаурохолевая кислотаНООН НО ^ v ОНСН,носн3 > conhch2coohглицинхолевая кислота
498ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VАнионы желчных кислот — типичные ПАВ, которые выполняют активные функции в
процессах пищеварения. Особенно они важны для усвоения липидов. Желчные кислоты
используют как лекарственные препараты, предотвращяющих образование желчных кам¬
ней, состоящих из холестерина.Стероидные гормоны вырабатываются из холестерина железами внутренней секре¬
ции и регулируют важнейшие жизненные процессы. Половыми железами производят¬
ся гормоны, которые оказывают влияние на функции размножения, процессы роста и
старения организма. В качестве примера приведена формула мужского полового гормона
тестостерона.тестостерон кортизонНадпочечниками вырабатываются гормоны, регулирующие обмен веществ, ионный ба¬
ланс и т.д. Например, кортизон, который управляет углеводным обменом, используется в
качестве лекарства при ревматизме, астме, аллергии и др.В настоящее время развивается промышленный синтез природных стероидов и их син¬
тетических аналогов (например, преднизолона), которые находят разнообразное примене¬
ние во многих областях медицины.В этом отношении интересен пример с диэтилстильбэстролом. Это вещество, которое от¬
носительно несложно синтезировать, представляет собой тетразамещенный этилен [транс-3,4-ди-(я-гидроксифенил)гексен-3]. Если мысленно соединить концевые атомы этильных
групп с бензольными циклами (на формуле это показано пунктиром), молекула становит¬
ся похожа на структуру с четырьмя конденсированными кольцами, как и молекулы стеро¬
идов. Это вещество нашло применение для лечения эндокринных расстройств и применя¬
ется как противоопухолевое средство.Холестерин и некоторые родственные ему вещества относят к зоостеринам, т.к. они
встречаются у животных и человека. В растениях их заменяют родственные стероиды, име¬
нуемые фитостеринами. Из фитостеринов в растительных тканях осуществляется синтез не¬
которых витаминов, алкалоидов, а также гликозидов (например, сердечных гликозидов). В
промышленном производстве стероидных препаратов в качестве сырья используются неко¬
торые виды растений из числа пасленовых и лилейных.В настоящее время общее число найденных в природе стероидов составляет многие сотни
соединений.
ГЛ. 29]ЛИПИДЫ49929.3. ПростагландиныПростагландины были обнаружены в семенной жидкости барана шведским исследова¬
телем У. фон Эйлером в тридцатых годах XX века. Он же наблюдал, что простагландины вы¬
зывают понижение кровяного давления и сокращение мышц. Оказалось, что простагланди¬
ны — гормональные регуляторы многих биопроцессов. Простагландины обладают широким
спектром биологической активности и встречаются в небольших количествах почти во всех
тканях организма.В частности, они вызывают болевые ощущения. Анальгетики (например, анальгин) умень¬
шают боль, так как подавляют биосинтез простагландинов.В организме простагландины образуются из арахидоновой кислоты. Молекулы простаг¬
ландинов (как и арахидоновой кислоты) построены из двадцати углеродных атомов.Все простагландины имеют сходное строение. Их молекулы состоят из двух углерод¬
ных цепей, присоединенных в транс-положении к циклопентановому кольцу. Разные
функциональные группы в составе молекулы, как и в случае стероидов, и порождают
семейство простагландинов, которых в настоящее время известно свыше 30. Ниже пока¬
заны формулы двух типичных простагландинов, для классификации которых приняты
буквенные обозначения:Концентрации простагландинов в тканях чрезвычайно низки (10~9-10~6 моль/л),
они крайне нестойки. Поэтому эксперименты по их выделению, изучению механизма
действия представляют очень сложную задачу. В настоящее время простагландины уже
применяют в гинекологии, для лечения сердечно-сосудистых заболеваний и астмы.
Считается, что простагландины способны изменять активность гормон-рецепторных
ассоциатов.29.4. Свойства липидовОсновная часть липидов построена посредством неполярных связей. Поэтому мало по¬
лярные в целом молекулы липидов гидрофобны. Нерастворимые в воде клеточные оболочки
и построены из липидного материала, что обеспечивает функционирование водных раство¬
ров содержимого клеток. Напротив, липиды хорошо смешиваются с неполярными или мало
полярными веществами. Поэтому жиры используются для растворения пахучих веществ варахидоновая кислотаООНСООНонпростагландин Егбнпростагландин F2
500ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. Vпарфюмерии; в свою очередь, липиды экстрагируют с помощью таких растворителей, как
углеводороды, эфир, хлороформ. Следует помнить о высокой липидной растворимости
многих отравляющих веществ, молекулы которых построены посредством ковалентных
малополярных связей.По принципу гидрофобное™ к группе липидов кроме перечисленных выше соединений
относят также и другие не растворимые в воде природные вещества — некоторые витами¬
ны (например, витамин А), убихиноны и т.д. Особенностью липидов является способность
к образованию в определенных условиях водных эмульсий, что важно для питания организ¬
ма. Примером такой эмульсии является молоко.Неполярная природа липидов служит причиной их низкой электро- и теплопроводно¬
сти. Поэтому липиды выступают в качестве защитных оболочек многих живых организ¬
мов от электрических или термических воздействий (как от охлаждения, так и перегрева),
а, кроме того, и от механических воздействий.Невысокая плотность (0,91-0,97 г/см3) оказывается необходимой для сообщения мно¬
гим организмам плавучести.Липиды не имеют постоянной температуры плавления или застывания, т.к. представля¬
ют собой многокомпонентные смеси. Температура застывания жиров (а их свыше 1300 раз¬
новидностей) определяется относительным содержанием в них остатков непредельных кис¬
лот. Чем оно выше, тем при более низкой температуре жир застывает. Высоко содержание
непредельных кислот в жидких растительных маслах и в жирах водоплавающих животных,
липиды наземных млекопитающих обогащены предельными жирными кислотами. Ниже
других застывает ореховое масло (-27 °С), выше — баранье сало (+55 °С).Характерным химическим свойством липидов, как и всяких органических веществ, яв¬
ляется окисление. Эта реакция сопровождается выделением 39 кДж энергии на 1 г жира, что
более чем в два раза превосходит тепловой эффект окисления углеводов или белков. При¬
чина этого — значительно более отрицательная суммарная степень окисления углерода в
липидах, чем в белках и углеводах. Поэтому жиры играют роль энергетических ресурсов,
составляя в норме до 20% веса человеческого организма.Другая важная особенность окисления липидов состоит в том, что в его результате из 1 г
жира образуется до 1,4 г Н20. Это существенный вклад в поддержание общего водного ба¬
ланса организма. Отдельные виды обитающих в пустынях животных эндогенной водой пол¬
ностью удовлетворяют свои потребности во влаге.Биологическое окисление липидов — многостадийный процесс, который начинается с их
гидролиза до жирных кислот и глицерина (в случае жиров) или других компонентов. Гид¬
ролиз жиров идет ступенчато по схеме:триглицерид —»диглицерид —> моноглицерид —> глицерин.Лишь после гидролиза происходит ступенчатое окисление глицерина и жирных кислот.Как известно, первичная ступень окисления глицерина дает дигидроксиацетон и глице¬
риновый альдегид, альдолизация которых приводит к фруктозе. Этот процесс обратим и
лежит в основе многоступенчатого взаимопревращения углеводов (гликогена) и липидов,
осуществляемого в организме.Ферментативное окисление жирных кислот, которое реализуется с участием кофермента
А, является основным источником энергии при окислении липидов. Остальные этапы это¬
го процесса представлены в схеме 29.1.В результате на определенной стадии образуются (3-кетокислоты, поэтому процесс назы¬
вается (3-окислением. Далее кетокислоты вновь вовлекаются в (3-окисление.
ГЛ. 29]ЛИПИДЫ501R-CH2-CH2-COOH + HS-KoA -> R-CH2-CH2-CO-S-KoA
R-CH=CH-CO-S-KoA R-CH-CH2-CO-S-KoA Щ
I
OH
-> R-C-CH2-CO-S-KoA HS-K?-h> R-C-S-KoA + CH3-C-SK0A
II II II
О 0 0Схема 29.1. p-Окисление жирных кислот.Окислению могут подвергаться и остатки непредельных жирных кислот по месту их
кратных связей — происходит процесс пероксидного окисления липидов (см. разд. 22.5).
Этот процесс может происходить и на воздухе. Он, а также частично идущий гидролиз яв¬
ляются причинами прогоркания пищевых жиров.Нарушение работы окислительной системы приводит к тяжелым изменениям в обмене
веществ и нарушению функционирования клеток, лежащим в основе интоксикаций, атерос¬
клероза и образования канцерогенных соединений.Среди реакций омыляемых липидов особое место занимает реакция гидролиза. С помо¬
щью этой реакции устанавливают их строение и получают глицерин и соли различных жир¬
ных кислот, обладающих моющим действием (мыла). Гидролиз — первая стадия метаболиз¬
ма пищевых жиров в организме.Реакцию гидролиза в промышленности осуществляют в нескольких технологических
вариантах. Все эти реакции проходят по схеме бимолекулярного нуклеофильного замеще¬
ния 5д2. В организме этот процесс проходит под действием ферментов — липаз.R2COO-C^OCOR1 СН2ОН R^OONa
_ 3Na0H » CHOH + R2COONaCH2OCOR3 CH2OH R3COONaНепредельные остатки липидов можно подвергнуть гидрогенизации и тем самым пре¬
вратить жидкие растительные масла в твердые жиры, что лежит в основе производства
маргаринов.Особое место среди липидов занимают производные полиненасыщенных жирных кислот.
Общее их количество не поддается учету (со всеми возможные вариациями длины углерод¬
ной цепи, числа кратных связей и их положения в цепочке). Они содержатся в различных
количествах и сочетаниях в разнообразных жирах природного происхождения — от расти¬
тельных масел до жиров рыб и некоторых других морских обитателей. В свою очередь, сре¬
ди них из-за высокой биологической активности особое место занимают эйкозантетраено-
вые кислоты. Об их типичном представителе — арахидоновой кислоте — уже было сказано
выше. Арахидоновая кислота — это со6-эйкозантетраеновая кислота. Название означает, что
кислота содержит 4 двойных связи в углеводородной цепочке эйкозана — углеводорода из
20 атомов углерода, причем первая из двойных связей находится при 6-м углеродном ато¬
ме, считая с конца цепи (буквой со обозначают концевой атом углерода).В ходе исследований, выполненных новозеландскими учеными в 70-80-х годах, выясни¬
лось, что мясо некоторых моллюсков, служащее традиционной пищей новозеландских абс
ригенов, обладает сильнейшей биологической активностью. Экстракт жиров этих моллюс¬
502ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫков под названием липринол в настоящее время широко применяется как эффективное про¬
тивовоспалительное средство. Более того, недавно было установлено, что липринол обладает
и выраженным противоопухолевым действием. В составе липринола преобладают эйкозан-
тетраеновые кислоты с иным, нежели в арахидоновой кислоте, расположением кратных
связей. Это по примуществу со3-эйкозантетраеновая кислота. Механизм же ее действия, как
и физологической активности многих других ненасыщенных жирных кислот, связывают
со всем каскадом их биохимических превращений, который еще далек от детального ис¬
следования.ш3-эйкозантетраеновая кислотаЛекарственные средства на базе липидов и пищевые добавки на их основе приобретают
все большее значение.Таким образом, к липидам причисляют многие классы веществ, объединяемых одним
общим физическим свойством — гидрофобностью. Среди них находятся вещества самого
разного строения и выполняющие самые разнобразные функции — от оболочек клеток до
гормонов, биорегуляторов и витаминов.
Глава 30.ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫВ органической химии нет тела, которое
привлекло бы внимание физиологов
в большей степени, чем мочевая кислота.ДО. Либих, Ф. ВелерДля угольной кислоты, как и для всякой двухосновной кислоты, могут существовать два
типа производных — монозамещенные за счет одной гидроксильной группы и дизамещенные,
образованные с участием двух ОН-групп. Монозамещенные производные угольной кисло¬
ты — соответствующие галогенангидриды, эфиры, амиды общей формулы Х-С(0Н)=0 (где
X = Cl, OR, NH2h т.д.) неустойчивы.Продукты присоединения аммиака и первичных аминов к C02(H0-C0-NHR) называ¬
ются карбаминами. Образование непрочного карбамина в реакции С02 с аминогруппой гло¬
бина — белковой части молекулы гемоглобина — лежит в основе транспорта углекислоты из
клеток к легким (см. разд. 19.3).Доступными и практически важными являются дизамещенные производные:Фосген СОС12, газообразное вещество со слабым запахом свежего сена, легко синтезиро¬
вать реакцией хлора с окисью углерода. Фосген является боевым ОВ удушающего действия.
Как и всякий галогенангидрид, фосген вступает в нуклеофильное замещение с водой, амми¬
аком, спиртами (см. разд. 19.3):дихлорангидрид диалкил- алкил- карбамид, тиомочевина гуанидинугольной кислоты карбонат уретан мочевинаалкиловый эфир
хлоругольной кислоты
504ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫСпособность фосгена к нуклеофильному замещению, с одной стороны, используется при
его дегазации (щелочной гидролиз), а, с другой стороны, служит для синтетических целей.
С помощью фосгена получают многие лекарства, красители, а также карбамид. В органиче¬
ском синтезе применяют и диалкилкарбонаты.Важны для практики смешанные эфиры и амиды угольной кислоты — уретаны. В час¬
тности, этилуретап является снотворным средством. Некоторые другие уретаны также яв¬
ляются лекарственными препаратами. О значении мочевины будет сказано далее. Укажем
здесь, что сернистый и азотистый аналоги мочевины — тиомочевина и гуанидин, также на¬
ходят широкое применение. Гуанидин входит в состав ряда важных природных соединений.
Так, в мышечной и нервной тканях животных (в виде фосфата), а также в моче содержится
креатин (N-метилгуанидинуксусная кислота):H2NV=NH
СН,—NСН2-СООНкреатинОII(HO)2P~HN
СНз—:NH"сн2-соонкреатинфосфатВ креатинфосфате связь P-N является макроэргической (обозначается волнистой лини¬
ей, см. разд. 31.1), ее гидролиз протекает с выделением значительного количества энергии.Гуанидиновый фрагмент присутствует и в молекуле аминокислоты белков аргинина (см.
разд. 33.1).Особенностью гуанидина является высокая основность. По основности он близок к ще¬
лочам. Причина этого заключается в стабилизации вследствие резонанса катиона гуаниди-
ния, образующегося в результате присоединения протона к гуанидину.H2Nh2n)=NHН+ H2NH,NH,N>-nh2H,NH,N,>-NH2nh2H2N<J^NH;©гуанидинии30.1. Мочевина и ее производныеМочевина или карбамид — кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Ее ха¬
рактерной особенностью является способность к образованию соединений включения (см.
гл. 9) с н-алканами и другими длинноцепочечными соединениями с неразветвленной угле-
род-углеродной цепью, по отношению к которым она вступает в качестве «хозяина».В кристаллической решетке мочевины имеются шестигранные полости, в которых и
могут размещаться молекулы алканов. Изоалканы с разветвленными углеводородными це¬
пями в полости не проходят. В этом заключается способ разделения нормальных и изоал-
канов, который важен для практики, в частности, для улучшения качества топлива.Кислоты и щелочи при нагревании вызывают гидролиз мочевины до углекислого газа и
аммиака; ее ферментативный гидролиз по аналогичной схеме идет под действием фермен¬
ГЛ. 30] ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ505та уреазы. При медленном нагревании кристаллической мочевины до 150-160 °С она раз¬
лагается с выделением аммиака и образованием биурета.0 0 0 0II II II IIh2n-c-nh2 + h2n-c-nh2 h2n-c-nh-c-nh2биуретВ щелочных растворах биурет дает с ионами меди(И) характерное фиолетовое окраши¬
вание, обусловленное образованием хелатного комплекса (биуретовая реакция). .Для количественного определения мочевины (по объему выделившегося азота) исполь¬
зуется ее реакция с азотистой кислотой.H2NCONH2 + 2HN02 -> С02 + 2N2 + 3H20Мочевина способна к реакции ацилирования карбоновыми кислотами, их ангидридами
или галогенангидридами. Эта реакция, открытая Н. Н. Зининым, приводит к уреидам, на¬
пример:О хттт СН34С„^ + -й. 0^N„Я NH^ацетилмочевина
или ацетуреидНекоторые уреиды применяются в медицине. В частности, уреид а-бромизовалериано-
вой кислоты (бромурал) используется как мягкое снотворное средство.30.2. Пиримидиновые производные мочевиныВажной является реакция образования уреидов дикарбоновых кислот, которые называ¬
ются уровыми кислотами. Уровые кислоты далее циклизуются с образованием гетероцик¬
лических уреидов. Так, например, из щавелевой кислоты и мочевины возникает сначала ок-
салуровая кислота, при циклизации которой получается парабановая кислота:о ?о. /ОН NH \—nhY - !>=о о=/ у= о ^2- Y >=0О^ОН Ш> Т)Н NH’ O^Nноксалуровая парабановаякислота кислотаКислотные свойства парабановой кислоты объясняются тем, что ее NH-группировки зак¬
лючены между двумя группами С=0, а, следовательно, являются достаточно подвижными,
«кислыми».Парабановая кислота принадлежит к числу производных имидазола. Природным произ¬
водным имидазола, имеющим в своем составе фрагмент мочевины, является биотин (вита
мин Н), необходимый для липидного обмена в организме.
506ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫБиотин участвует в переносе карбоксильных групп в живых клетках. Это происходит из-
за способности биотина к легкому обратимому образованию соответствующего карбамина —
карбоксибиотина, который передает в дальнейшем свою карбоксильную группу нуклео¬
фильному центру молекулы соответствующего субстрата (Y, например, при образовании
малонил-КоА из ацетил-КоА и диоксида углерода):О О“чЛг11 %Лм-С00Н\ / С02 N N Y-и =—'И Y‘coo~\/^(СН2)4-СООН ЧУ^(СН2)4-СООНбиотин карбоксибиотинАналогично получению парабановой кислоты из эфира малоновой кислоты синтезиру¬
ют ее циклический уреид, именуемый барбитуровой кислотой.О О ° нОС2Н5 V-NH V-Nн/ + NH2>о Н2С^ >0 . Н2Г >=0\—ос2н5 nh2/ -c^oh J nh2/“ -с2н5он ч /-cf СГ"ОС2Н5 о хнмалоновый эфир барбитуровая кислотаАтомы водорода при атомах азота, а также при углеродном атоме в молекуле барбитуро¬
вой кислоты также подвижны, и потому ее молекула склонна как к лактим-лактамной тау¬
томерии, так и к кето-енольной таутомерии. Только четыре из общего числа равновесных
таутомерных форм барбитуровой кислоты представлены на схеме:лактим-лактамнаятаутомерия ^ iононI Г ) Т 2,4,6-тригидроксипиримидинHO^N^OHкето-енольнаятаутомерия0^"'N ''0IнПри этом в одной из таутомерных форм ее можно рассматривать как 2,4,6-тригидрокси¬
пиримидин.
ГЛ. 30]ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ507Некоторые производные барбитуровой кислоты, называемые барбитуратами, являются
эффективными снотворными препаратами. К их числу относятся веронал (<барбитал, 5,5-диэтил-
барбитуровая кислота) и люминал (фенобарбитал, 5-этил-5-фенилбарбитуровая кислота):ОО5,5-диэтилбарбитуровая кислота, 5-этил-5-фенилбарбитуровая кислота,веронал люминалАналоги барбитуровой кислоты, содержащие пиримидиновое кольцо, входят в состав
нуклеиновых кислот. Например, 2,4-дигидроксипиримидин или урацил, обозначаемый в
биохимии буквой У:урацил (У)Урацил склонен к лактим-лактамной таутомерии. В составе нуклеиновых кислот урацил
находится в более устойчивой лактамной форме (обведена рамкой).NH2
НС)Кроме урацила в нуклеиновых кислотах содержатся его 5-метильный гомолог тимин (Т)
(2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин, 5-метилурацил) и 4-амино-2-гидроксипиримидин
или цитозин (Ц). Для них также в рамке представлены более устойчивые таутомерные формы.Среди производных пиримидина существуют и лекарственные препараты, в частности,
обладающие противоопухолевым действием. Примером может служить молекула 5-фтору -
рацила, заместитель которой (атом фтора) по своим размерам занимает промежуточное по¬
ложение между атомом водорода в молекуле урацила и метильной группой в тимине. Сле¬
довательно он структурно подобен этим веществам и может замещать их в составе молекул
нуклеиновых кислот в процессе их биосинтеза. Получающаяся при этом нуклеиновая кис¬
508ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vлота уже не может выполнять своих функций, а следовательно клетка гибнет. 5-Фторура-
цил — это типичный антиметаболит.NH2 СНзj^-N^/СНг^ ©,NH2СН:Хо; свСН2СН2ОНСНзтиаминО ОII II ©
СН2СН2О-Р-О-Р-ООН онтиаминдифосфат (кокарбоксилаза)Природным производным, содержащим пиримидиновый цикл, является тиамин (ви¬
тамин Bj). В свою очередь тиамин входит в состав молекулы кокарбоксилазы — вещества,
необходимого для биосинтеза ацетилкофермента А (см. разд. 34.3). Дефицит тиамина при¬
водит к тяжелой форме авитаминоза — заболеванию, которое называется на Востоке
«бери-бери».30.3. Пуриновые производные мочевиныОсторожным окислением барбитуровой кислоты синтезируют
оксибарбитуровую кислоту (2,4,5,6-тетрагидроксипиримидин),
которая способна ацилировать мочевину с образованием цикли¬
ческого уреида — мочевой кислоты. Молекула мочевой кислоты
содержит конденсированный пуриновый гетероцикл и представ¬
ляет собой 2,6,8-тригидроксипурин. Пространственное строениемочевой кислоты дано на рис. 30.1.Рис. 30.1. Мочевая кислота.ОНно■игчон2,4,5,6-тетрагидрокси-пиримидинмочевая кислотаОН2,6,8-тригидроксипурин
Мочевая кислота, как и мочевина, является продуктом азотистого обмена в организме.
У млекопитающих содержание мочевой кислоты в моче невелико и лишь при некоторых
нарушениях обмена возрастает. Отложения мочевой кислоты в суставах служат причиной
подагры. Камни мочевого пузыря и почек также состоят из мочевой кислоты или ее солей —
уратов. У пресмыкающихся и птиц мочевая кислота, а не мочевина, является главным про-
ГЛ. 30] ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ509дуктом азотистого обмена. Ее содержание в гуано, используемом как
удобрение, достигает 25%.Аналогами мочевой кислоты являются производные пурина, на¬
ходящиеся в нуклеиновых кислотах — аденин (А) и гуанин (Г).Аденин — это 6-аминопурин. Молекулярная модель аденина
представлена на рис. 30.2.При гидролизе аденина происходит замена аминогруппы на гид¬
роксильную с образованием 6-гидроксипурина или гипоксантина, Рис. 30.2. Аденин.
молекула которого способна к лактим-лактамной таутомерии:Следует обратить внимание, что в имидазольном кольце производных пурина в принци¬
пе возможна имин-имипная таутомерия (см. разд. 26.3.1), например, как это имеет место в
случае гипоксантина:Превращение аденина в гипоксантин легко осуществляется ферментативным способом,
поэтому гипоксантин обнаружен во многих тканях растений и животных.Гуанин представляет собой 2-амино-б-гидроксипурин, таутомерные формы которого
изображены ниже.Как и аденин, гуанин в организме дезаминируется с образованием 2,6-дигидроксипури -
на, именуемого ксантином.NH2ОНОнннаденин (А)гипоксантинООгипоксантинОНОонгуанин (Г)ксантин
510ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫКсантин представляет собой важное промежуточное звено азотистого обмена. Следует
обратить внимание на то, что окисление гипоксантина приводит к ксантину, а из него, в свою
очередь, при окислении возникает мочевая кислота.ОО[О]hyV>ннгипоксантинN'IНксантинНОО>='NОнмочевая кислотаВажными природными производными ксантина являются алкалоиды теофиллин, теоб¬
ромин и кофеин, обнаруженные в чае, какао и кофе.Они представляют собой метальные гомологи ксантина, а именно, теофиллин — это
1,3-диметилксантин, теобромин представляет собой 3,7-диметилксантин, а кофеин — 1,3,7-
триметилксантин.1,3-диметилксантин,
теофиллин3,7-диметилксантин,теобромин1,3,7-триметилксантин,
кофеинИскусственным путем теобромин и кофеин, оказывающие стимулирующее действие на
центральную нервную систему, можно получить из ксантина.
Глава 31.НУКЛЕОТИДЫСоответствие числа пар аденина с тими-
ном и гуанина с цитозином логически
вытекает из регулярно повторяющейся
формы сахаро-фосфатного остова.Дж. Уотсон31.1. МононуклеотидыНуклеиновые кислоты — полимерные соединения, в которых элементарными мономер¬
ными звеньями служат производные D-рибозидов в рибонуклеиновых кислотах (РНК) или
2-дезокси-Б-рибозидов в дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК). D-рибоза и 2-дезокси-
D-рибоза находятся в этих соединениях в |3-фуранозной форме.Агликонами по отношению к этим углеводам служат пуриновые (аденин, гуанин) или
пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) азотистые основания. Общими для ДНК и РНК
являются аденин, гуанин и цитозин (А, Г, Ц, соответственно); в ДНК кроме них входит ти¬
мин (Т), а в РНК — урацил (У).Общая формула природной N-гликозидной группировки выглядит следующим образом:Эти вещества представляют собой нуклеозиды, т.е. соединения, образованные нуклеи¬
новыми основаниями и рибозой (или дезоксирибозой). N-гликозидная связь образуется
между атомом углерода С-Г рибозы (или дезоксирибозы) и атомом азота нуклеинового ос
нования: N-1 у пиримидиновых и N-9 у пуриновых оснований. Названия нуклеозидов стро-РНКДНКУрацил
Цитозин, аденин, гуанинТимин
Цитозин, аденин, гуанинОН ОН(Н)
512ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vяте я как производные от тривиального названия соответствующего нуклеинового основа¬
ния с окончанием -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов. Исключение
составляет название тимидин (а не дезокситимидин). Поэтому нуклеозиды из РНК называ¬
ются аденозин, гуанозин, цитидин и уридин, а в ДНК — 2 '-дезоксиаденозин, 2 '-дезоксигуано-
зин, 2,-дезоксицитидин и тимидин, соответственно. Сокращенно нуклеозиды обозначают
однобуквенными символами входящих в них оснований с добавлением строчной буквы «д»
в случае соответствующих дезоксирибонуклеозидов.Нуклеозиды, как N-гликозиды, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но рас¬
щепляются в кислой среде.Следует сказать, что кроме пяти вышеперечисленных нуклеиновых оснований в состав
нуклеиновых кислот могут входить в малых количествах и некоторые другие производные
пиримидина и пурина. Примером нуклеозида с участием такого производного пурина, а
именно гипоксантина, служит молекула инозина. Такие нуклеотиды называют минорными.Среди нуклеозидов имеются и физиологически активные вещества. Так, аденин-З’-дезок-
си-Р-О-рибофуранозид представляет собой антибиотик, называемый кордицепином. Исполь¬
зуя аналогии с природными веществами, синтезируются лекарственные препараты, для чего
конструируют молекулы нуклеозидов на основе иных, нежели рибоза или дезоксирибоза,
моносахаридов.Примерами такого рода могут служить аденин-$-0-арабинофуранозид, являющийся
противовирусным препаратом, и цитозин-$-0-арабинофуранозид, обладающий антилейке-
мическим действием.ОNH?инозинаденин-З'-дезокси-р-В-рибофуранозид(кордицепин)аденин-р-Э-арабинофуранозидцитозин-р-Э-арабинофуранозидОсуществляя более глубокие трансформации нуклеозидов, создают новые лекарствен¬
ные препараты (см. гл. 36).
ГЛ. 31]НУКЛЕОТИДЫ513Мономерные N-гликозиды в нуклеиновых кислотах связаны сложноэфирной связью с
фосфорной кислотой за счет гидроксильных групп моносахаридного остатка в З'-ем или
5'-ом положениях, как это изображено на примере аденозин-3’- и -5’-монофосфатов:НОаденозин-З’-фосфат (АМФ-3) аденозин-5’-фосфат (АМФ)З'-адениловая кислота (аденозинмонофосфат)5'-адениловая кислотаВещества, состоящие из остатков рибозы (дезоксирибозы), фосфорной кислоты и азоти¬
стых оснований, называются нуклеотидами. Нуклеотиды — это фосфаты нуклеозидов.Для нуклеотидов используют два вида названий. В первом случае название состоит из
названия нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка. Например, адено¬
зин-З’-фосфат. Второе строится с добавлением -овая кислота к названию азотистого осно¬
вания (например, З’-адениловая кислота). Изложенное выше представлено в таблице 31.1.Таблица 31.1Название нуклеозидов и нуклеотидовАзотистоеоснованиеСокра¬щениеНуклеозидНуклеотидНуклеиноваякислотаАденинААденозинАдениловаякислотаАденозин-...-фосфатРНКДезокси-аденозин21 -Д езоксиад ени-
ловая кислотаДезоксиаденозин-
...-фосфатДНКГуанинГГуанозинГуаниловаякислотаГуанозин-...-фосфатРНКЦитозинцДезокси-гуанозинЦитидин2'-Дезоксигуа-
ниловая кислота
Цитидиловая
кислотаДезоксигуанозин-
...-фосфатЦитидин-...-фосфатДНКРНКДезокси-цитидин2'-Дезоксицити-
диловая кислотаД езоксицитидин-...
-фосфатДНКТиминТТимидинТимидиловаякислотаТимидин-...-фосфатДНКУрацилУУридинУридиловаякислотаУридин-...-фосфатРНК
514ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫСокращенные названия АМФ, ГМФ и т.п. всегда относятся к 5'-нуклеотидам. В осталь¬
ных случаях указывается положение фосфатной группы, например, З'-ГМФ, З'-дЦМФ и т.д.Нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты (по фосфатной группе) с
рКа1 = 0,9-1,5 и рКа2= 6,0-6,5.Наряду с нуклеотидами, входящими в состав молекул нуклеиновых кислот, некоторые
мононуклеотиды и их производные встречаются в свободном состоянии. Так, изображенная
выше адениловая кислота присутствует в мышечной ткани. АМФ может присоединять еще
два остатка фосфорной кислоты, образуя в результате аденозин-5'-трифосфат (АТФ).Аденозин-5'’трифосфат является основным веществом, осуществляющим перенос
энергии в биологических системах (см. разд. 25.5.2). Процессы, связанные с расходовани¬
ем энергии, сопровождаются сопряженным расщеплением АТФ до аденозин-5'-дифосфата
(АДФ) и Н3Р04. Совершение работы в этом случае происходит за счет выделения энергии
при разрыве химической макроэргической связи Р-0 (32 кДж/моль). Напротив, в процес¬
сах распада питательных веществ часть освобождающейся энергии расходуется на сопря¬
женное образование АТФ из АДФ; полученный в результате АТФ служит резервом энер¬
гии в организме.аденозин-5'-трифосфат (АТФ)Пространственная модель молекулы АТФ пред¬
ставлена на рис. 31.1.Помимо биоэнергетической функции важна роль
АТФ в процессах биосинтеза, что можно иллюстри¬
ровать примером биосинтеза белка. Каждая амино¬
кислота, вступающая в молекулу белка, доставляется
к месту синтеза с помощью транспортной рибонукле¬
иновой кислоты (тРНК). Связывание же аминокисло¬
ты с тРНК происходит путем реакции этерификации
З’-фосфорилированного рибозного остатка тРНК.Однако предварительно аминокислота переводится в
смешанный ангидрид в результате взаимодействия с
АТФ. Только после этого идет уже реакция связыва¬
ния аминокислоты с молекулой тРНК.Рис. 31.1. Шаростержневая модель
молекулы АТФ.ОНIон онHO-P-O-P-O-P-O-R' + nh2-ch-coohII II II IООО Rаденозин-5'-трифосфат (АТФ)-Н4Р2О7RОНIIIоосмешанный ангидрид
ГЛ. 31]НУКЛЕОТИДЫ515Этот процесс осуществляется с помощью соответствующего фермента, аминоацил-тРНК-
синтетазы, и его смысл состоит в активации молекулы аминокислоты перед ее взаимодействи¬
ем с тРНК за счет перевода в более реакционноспособный смешанный ангидрид.Такая активация с помощью АТФ происходит в процессе метаболизма не только амино¬
кислот, но и жирных кислот, желчных кислот, а также ряда других биомолекул.Помимо аденозинтрифосфата существуют и играют существенную роль в метаболизме
и другие трифосфаты — уридинтрифосфат (УТФ), цитидинтрифосфат (ЦТФ), гуанозин-
трифосфат (ГТФ). УТФ важен для синтеза углеводов, ЦТФ необходим в биосинтезе липи¬
дов, ГТФ требуется для метаболизма белков.Важную роль в метаболизме играет аденозин-3 ',5’-циклофосфат (циклический АМФ или
сокращенно цАМФ), в котором фосфорная кислота ацилирует одновременно спиртовые
группировки в положениях 3' и 5' в пределах одной молекулы. Он служит промежуточным
звеном действия большого числа гормонов. Этой молекуле отводится роль регуляции меж¬
клеточных коммуникаций.NH2аденозин-3', 5’-циклофосфат (цАТФ)
цикличекая адениловая кислотаСреди нуклеотидов имеются и кофакторы, необходимые для функционирования неко¬
торых ферментов, например, кофермент А.NH2пантотеновая кислота (остаток)ОН СНз О ОII II IIСН-С-СН2+О-Р-О-Р-ОН2С
_ I I | I I
0=с СНз ОН онNHI он онCH2CH2CiNHCH2CH2SHII 1О меркамин (остаток)кофермент (А)Кроме остатка аденозиндифосфорной кислоты в составе этого вещества имеются фраг¬
менты пантотеновой кислоты и меркамина. Кофермент А принимает участие в активации
карбоновых кислот, для чего служит тиольная группа меркаминового остатка, вовлекающа¬
яся в процесс тиоацилирования (см. разд. 23.3).
516ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VНельзя забывать, что и сами молекулы АТФ, УТФ, ЦТФ и ГТФ также выполняют фун¬
кции коферментов — веществ, необходимых для функционирования ферментов.31.2. ПолинуклеотидыПолимеризация нуклеотидов с образованием нуклеиновых кислот осуществляется по¬
средством сложноэфирной связи между фосфорной кислотой и спиртовыми гидроксильны¬
ми группами в положениях 3’ предыдущего нуклеотидного звена и 5' — последующего.Ниже дан фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты с остатками А, Г и Ц (рис. 31.2).Для удобства записи первичной структуры нуклеиновых кислот существует несколько спо¬
собов ее сокращений. Концы линейной (неразветвленной) полинуклеотидной цепи обознача¬
ют: 5'-конец слева и З'-конец справа. Левый конец, на котором находится фосфатная группа
обозначают буквой «ф». Полное название в этом случае заключается в использовании ранее
приведенных сокращенных названий нуклеозидов и буквы «ф». Знак «ф» ставится слева от обо¬
значения нуклеозида, если у него этерифицирован углеводный остаток по С-5’, и справа, если
по С-3’. Иногда букву «ф» заменяют черточкой. Например: АфТфЦфГф или А-Т-Ц-Г.Молекулы ДНК находятся в ядрах клеток. Для данного вида животного или раститель¬
ного организма количество ДНК в одной клетке постоянно для всех его клеток. Постоянным
является и размер молекулы ДНК, молекулярная масса которой обычно велика и лежит в
пределах от 107 до 1010. Еще одной отличительной особенностью молекулы ДНК является
ее состав — он постоянен для всех клеток данного организма в любом возрасте и в любых фи¬
зиологических условиях, хотя и заметно отличается для различных биологических видов.
Это означает, что для ДНК данного организма последовательность азотистых оснований в
цепи полинуклеотида носит индивидуальный характер.Специфической чертой ДНК является то, что число остатков аденина в ней равно чис¬
лу тиминовых остатков (А = Т), а количество остатков гуанина равно количеству цитозино-\0=Р-0Н2С оногоОН(Н)Рис. 31.2. Фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты.
ГЛ. 31]НУКЛЕОТИДЫ517вых (Г = Ц). Этот факт объясняется особенностью ее вторичной структуры, которая была
расшифрована в 1953 году Дж. Уотсоном и Ф. Криком.Оказалось, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль, построенную из
двух спирализованных полинуклеотидных цепей. Связь между цепями осуществляется по¬
средством водородных связей, которые существуют между парами аденин-тимин и гуанин-
цитозин. Первая пара ассоциирована с участием двух водородных связей, вторая объ¬
единяется за счет трех водородных связей. Расстояние между связанными между собой
водородными связями атомами кислорода и (или) азота варьируется от 2,8 до 3,0 А.нр-2'9А-1р—2,8 А-
СНз О: • • • I-J
N——3,0 А—>|
ОнN-H ••• ОN—/ )=Nо: • • • н-N//I*— 2,9A-HаденинцитозингуанинРис. 31.3. Комлемептарпостъ пар
оснований в двойной спирали ДНКЭти основания составляют комплементарные пары.Такое соответствие между парами азотистых оснований
называют их комплементарностью. В целом речь идет
о комплементарности двух цепей молекулы ДНК, что
представлено на рис. 31.3.Обычно длина витка двойной спирали ДНК состав¬
ляет ~ 34 А, причем на один ее виток приходится 10 остат¬
ков азотистых оснований. Однако длина витка и угол
закручивания спирали могут варьироваться в зависимо¬
сти от тонких деталей строения молекулы ДНК. Поэто¬
му известно более десятка разновидностей различных
двуспиральных структур ДНК. Следует сказать, что
кроме водородных связей комплементарных пар осно¬
ваний, действующих поперек спирали, существенную роль играют и межмолекулярные гид¬
рофобные взаимодействия между соседними основаниями в цепи
полимера, действующие вдоль спирали. Такие взаимодействия
между нуклеиновыми основаниями, уложенными в стопку, назы¬
вают стэкинг-взаимодействиями (англ. stack — штабель). Они до¬
полнительно скрепляют структуру двойной спирали.Из принципа комплементарности следует, что последова¬
тельность нуклеотидов в одной цепи определяется их последо¬
вательностью в другой (рис. 31.4 и 31.5).Постоянство состава и комплементарность цепей молекулы
ДНК в ее спирали и определяет ее уникальную и фундаменталь¬
ную биохимическую роль. ДНК является хранителем всей сово¬
купности генетической информации в каждой клетке и в целом
организме.Рис. 31.4. Двойная спираль ДНК.
518ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫМолекулы РНК в пределах одной клетки в отличие от ДНК
не характеризуются таким постоянством. Они различаются как
величиной и составом, так и местонахождением в клетке. Это
определяет и разнообразие их биологических функций. Кроме
того, в отличие от ДНК молекулы рибонуклеиновых кислот не
имеют такой пространственной упорядоченности. Лишь в неко¬
торых видах РНК обнаруживаются участки, в которых водород¬
ные связи соединяют между собой комплементарные основания.
Однако такое связывание имеет место в пределах одной цепи, а не
между двумя комплементарными цепями. Молекулы РНК про¬
являют тенденцию к сворачиванию в хаотичные клубки и т.д.Так называемая рибосомная РНК, которая содержится в ри¬
босомах и составляет около 80% РНК клеток, может иметь самые
различные размеры (М от 35 ООО до 1 ООО ООО). Транспортная РНК
невелика по размеру (М 23 ООО — 30 ООО), в то время как величина
информационной РНК варьируется в очень широких пределах (М
от 25 ООО до 1 500 ООО). Роль информационной РНК заключается
в том, что она выполняет функции матрицы, структура которой оп¬
ределяет строение синтезируемых в клетке полипептидов.Хотя генетическая информация определяется последовательностью нуклеиновых осно¬
ваний в молекуле ДНК, сама эта молекула в синтезе белка участия не принимает. Она пе¬
редает всю необходимую информацию путем образования молекулы РНК. Этот процесс на¬
зывается транскрипцией.Синтез белков, основанный на информации, содержащейся в РНК, называется транс¬
ляцией. РНК является посредником в синтезе белков:транскрипция трансляция
ДНК > РНК > БелокВ изучении строения полинуклеотидов, в исследовании синтеза белка с их участием на¬
ука за последнее время достигла наиболее впечатляющих достижений, которые открывают
грандиозные перспективы выяснения механизмов интимнейших биологических процессов
с целью управления ими.31.3. Физико-химические свойства полинуклеотидовКаждое звено полимерной цепи полинуклеотида содержит остаток фосфорной кислоты,
представляющую собой кислоту средней силы (рКи = 2). Таким образом, нуклеиновые кис¬
лоты — это довольно сильные многоосновные кислоты, полностью ионизованные в биосре¬
дах, и поэтому их поверхность несет отрицательный заряд.Специфика пространственного строения ДНК определяет ту ее особенность, что иони¬
зированные остатки фосфорной кислоты составляют наружную оболочку двойной спира¬
ли. Именно это обстоятельство объясняет большую склонность нуклеиновых кислот к
ион-ионному взаимодействию с веществами, содержащими аминогруппы. Особый инте¬
рес вызывает взаимодействие нуклеиновых кислот с белками, которые содержат допол¬
нительные аминогруппы (так называемые слабоосновные белки). Такие белки иначе на¬
зывают гистонами. С ними ДНК образует комплексные ассоциаты — нуклеопротеиды.Рис. 315. Пространственная
модель ДНК.
ГЛ. 31]НУКЛЕОТИДЫ519В данном случае речь идет об образовании нуклеогистонов. Полагают, что образование
и диссоциация нуклеогистонов регулируют синтез РНК, а тем самым — синтез белков.Рибонуклеиновые кислоты также за счет ион-ионного взаимодействия с белками дают
нуклеопротеиды, рибосомы. Рибосомы — внутриклеточные частицы, осуществляющие био¬
синтез белка. Они присутствуют во всех клетках живых организмов: бактерий, растений и
животных. В каждой клетке содержатся тысячи или десятки тысяч рибосом. Рибосомы име¬
ют несколько разновидностей. Типичные рибосомы состоят из 50-65% рибосомной РНК и
35-50% слабоосновных белков. Молекулярная масса одной рибосомной субъединицы, име¬
ющей сферическую форму, составляет около 3-106, а диаметр — 200-300 А. При увеличении
рН(до 12) и ионной силы среды (например, при растворении в 0,5-1,0 М растворах солей)
происходит отделение белка от РНК в рибосомах.Вирусы также представляют собой устойчивые комплексные ассоциаты, содержащие до
30% нуклеиновых кислот (ДНК, возможно присутствие и РНК) и большое число белковых
молекул, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую для данного
вируса трехмерную структуру.Как полидентатные лиганды, к тому же несущие ос¬
татки фосфорной кислоты, все нуклеотиды легко связы¬
ваются с катионами металлов, образуя соли или внутри-
комплексные соединения (в последнем случае с участием
донорных группировок и атомов азота пиримидиновых и
пуриновых оснований). Для молекул ДНК и РНК ком-
плексообразование вызывает изменение конформаций
молекул, а следовательно и изменение биологических
свойств. Для мононуклеотидов связывание с катионами
металлов необходимо для выполнения ими биологичес¬
ких функций. Так, АТФ функционирует в виде магние¬
вого комплекса (рис. 31.6).Молекула АТФ может связываться in vivo и с катио¬
нами марганца или кальция, что, естественно, сказывает¬
ся на участии АТФ в биохимических процессах.Полинуклеотиды не содержат склонных к окислению группировок, а потому в мягких ус¬
ловиях не подвергаются окислительно-восстановительным превращениям. При жестком
окислении в водной среде нуклеиновые кислоты превращаются, как и прочие органические
соединения, в углекислоту и воду. Азотистая часть их молекул трансформируется в мочеви¬
ну, мочевую кислоту или соли аммония. Естественно, что при этом образуются и неоргани¬
ческие фосфаты.НО Оо— Р-0\ IРис. 31.6. Магниевый комплекс АТФ.
Глава 32.ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ...имеется теперь целый ряд расщеплений
кислоты виноградной на компоненты.
Пастер, производя эти исследования,
сделал еще замечание, что... подобная
оптическая и молекулярная диссиметрия
свойственна исключительно веществам...
которые образованы жизнедеятельностью.А. М. Бутлеров32.1. Гидроксикарбоновые кислоты32.1.1. Классификация и номенклатураОрганические соединения, содержащие в своем составе одновременно спиртовые (или
фенольные) группы и карбоксильные группировки, называют гидроксикислотами. При
этом количество карбоксильных групп определяет основность гидроксикислот, а количество
групп ОН (как спиртовых, так и кислотных) — их атомность.Для многих гидроксикислот существуют тривиальные названия. Тривиальные латин¬
ские названия применяют и для солей этих кислот.Простейшая одноосновная двухатомная гидроксикислота — гликолевая кислота, ее гомо¬
логами являются молочная и (3-гидроксимасляная кислоты.К числу одноосновных двухатомных кислот относится и простейшая из ароматических ок-
сикислот — салициловая (или о-гидроксибензойная) кислота. Яблочная кислота — представитель
трехатомных дикарбоновых кислот; лимонная кислота содержит три карбоксильных и одну ОН
группу, а потому является четырехатомной трехосновной; четырехатомной двухосновной кис¬
лотой является винная. Гидроксикислоты различают и по взаимному положению функциональ¬
ных заместителей; в зависимости от этого бывают а-, (3-, у- и т.д. гидроксикислоты (рис. 32.1).32.1.2. Стереоизомерия гидроксикарбоновых кислотМногие гидроксикислоты (например, молочная, яблочная, винная) обладают асиммет¬
рическими атомами углерода (в формулах отмечены звездочкой), а, следовательно, для них
ГЛ. 32]ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ521но-сн2-соон2-гидроксиэтановая
кислота(гликолевая)СНз-СН-СООНIон2-гидроксипропановая
кислота (молочная),
лактатырсн3-сн-сн2-соон3 2онР-гидроксимаслянаяно-сн,-сн,-сн,-соону-гидроксимаслянаякислота,у-гидроксибутиратыноос-сн-сн-соонI Iон оно-гидроксибензойная
кислота (салициловая)СООНIНООС-СН2-С-СН2-СООНIОН2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая винная кислота,кислота (лимонная), тартратыцитратыРис. 32.1. Представители гидроксикислот.характерно явление оптической изомерии. Молочная кислота, имеющая один хиральный
центр, представлена двумя энантиомерами, изображенными ниже с помощью проекционных
формул Фишера:НООС-СН2-СН-СООНIОНяблочная кислота,
малатысн=о
-он[О]соон-ОН[Н]соон
-онсн2онD-глицериновыйальдегидсн,онсн=осоонно-[О]но-[Н]СНз0(-)-молочнаякислотаСООНСН2ОНL-глицериновыйальдегидмолочнаякислотаброжения(рацемат)но-СН2ОН СН3Ц+)-мясомолочнаякислотаТот из энантиомеров молочной кислоты, который имеет ту же конфигурацию замести¬
телей, что и D-глицериновый альдегид, принято считать принадлежащим к D-ряду. Его ан¬
типод служит представителем L-ряда.Сопоставление конфигурации изомеров молочной кислоты и глицеринового альдегида осу¬
ществляется путем таких химических превращений, которые не изменяют конфигурации асим¬
метрического атома углерода. Окислением альдегидной группы D-глицеринового альдегида с
последующим восстановлением первичной спиртовой группы и может быть получена D-молоч-
ная кислота. При этом совсем не обязательно, чтобы она обладала правым вращением поляри¬
зованного света, т.к. вращение определяется тем, какие функциональные заместители связаны
522ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫс асимметрическим атомом углерода, природой растворителя, концентрацией раствора и его тем¬
пературой. В частности, D-молочная кислота в водных растворах обладает левым вращением и,
следовательно, это — 0(-)-молочная кислота, а ее антипод — Ц+)-мясомолочная кислота.Таким образом, как уже было сказано ранее, критерием определения конфигурации оп¬
тических изомеров и принадлежности к D-или L-ряду является их сравнение с энантиоме-
рами глицеринового альдегида (см. разд. 27.2.2).Ц+)-Молочная кислота выделена Ю. Либихом в 1832 г. из мышечной ткани и называ¬
ется поэтому мясомолочной кислотой. При сбраживании сахаров при помощи особых возбу¬
дителей брожения образуется В(-)-молочная кислота. При закисании различных продук¬
тов, в том числе и молока, образуется эквимолярная смесь обоих энантиомеров, т.е.
их рацемат, не обладающий оптической активностью. Рацемат носит название молочной
кислоты брожения (0,Ь-молочной кислоты).Молекула винной кислоты содержит 2 хиральных центра и, следовательно, должна иметь
4 стереоизомера (2”, где п — число хиральных центров). Эти стереоизомеры изображены ниже:(+)-виннаякислотасоон(-)-виннаякислотаСООНно--он но-соон-онсоон
-он
-онсоонсоонно-но-виноградная кислота
(рацемат)IIIСООНмезовиннаякислотаIIIСООНIVЗдесь должны существовать две пары антиподов — энантиомеров. Энантиомеры (I—II и
III—IV) должны обладать попарно одинаковыми физико-химическими характеристиками,
но различаться по свойствам между парами, т.к. у этих пар расстояния между отдельнымизаместителями различны, а, следовательно, различно и их
поведение. Эти соединения попарно являются диастерео¬
мерами.Формулы III и IV тождественны, т.к. при повороте фор¬
мулы IV на 180° в плоскости рисунка она превращается в
формулу III. Причина заключается в том, что эта молеку¬
ла (в отличие от I и II) обладает плоскостью симметрии, се¬
чение которой показано пунктиром.Действительно, оба хиральных центра форм III и IV
имеют одинаковый набор заместителей с противополож¬
ной конфигурацией, а, следовательно, будут взаимно ком¬
пенсировать вызываемое ими оптическое вращение. III и
IV — Молекулы одного и того же вещества, которое не дол¬
жно обладать оптической активностью за счет внутримоле¬
кулярной компенсации. Такая разновидность стереоизоме¬
ров называется мезоформой.Таким образом, существует три стереоизомера винной
кислоты: два оптически активных энантиомера (+) и (-) иJI. Пастер
(1822-1895)
ГЛ. 32]ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ523их диастереомер, мезовинная кислота, который оптически не активен. Кроме мезовинной
кислоты существует еще одна оптически недеятельная разновидность винных кислот, а
именно рацемат — (±)-винная кислота, называемая иначе виноградной кислотой*. Она об¬
разуется при продолжительном нагревании с водой любой из оптически активных винных
кислот. В присутствии щелочи такое нагревание приводит к получению мезовинной кисло¬
ты. Оптическую изомерию винных кислот изучал Л. Пастер, который выделил из виноград¬
ной кислоты оба энантиомера — (+)- и (-)-винные кислоты.32.1.3. Способы получения гидроксикарбоновых кислотДля получения гидроксикислот существует множество способов. Большинство из них
основано на окислительно-восстановительных превращениях кислородсодержащих соеди¬
нений. Так, гликолевую кислоту можно в принципе получить окислением этиленгликоля:НО-СН2СН2-ОН H0-CH2CH=0 -но-сн2с=о-Н20 -н2о |онгликолевый гликолеваяальдегид кислотаОкисление этиленгликоля до гликолевого альдегида и далее — гликолевой кислоты —
промежуточные стадии окисления этиленгликоля в организме до щавелевой кислоты. Эти
вещества крайне токсичны и служат причиной отравлений этиленгликолем.Гидроксикислоты (например, молочную кислоту) можно синтезировать восстановлени¬
ем соответствующих оксокислот (пировиноградной):[Н]СНо-С-СООН СНз-СН-СООН& [0] шпировиноградная молочнаякислота кислотаа-Гидроксикислоты удобно синтезировать гидролизом а-галогенкислот, а также гидро¬
лизом а-гидроксинитрилов (синтезируются из карбонильных соединений действием си¬
нильной кислоты):С12 Н20 2Н20 HCNСН3-СН2-СООН ►СНз-СН-СООН ► СНз-СН-СООН CH3-CH-C=N* СН3-СН=03 2 -НС1 3 | -НС1 3 | -NH3 3 |С1 ОН ОНмолочная кислотаПолезно обратить внимание, что приведенные выше способы получения молочной кис¬
лоты приводят к рацемической молочной кислоте брожения.К гидроксикислотам приводит и присоединение воды к непредельным кислотам. При
этом из а,(3-непредельных карбоновых кислот из-за влияния карбоксильной группы обыч¬
но образуются (3-гидроксикислоты.Гидроксикислоты образуются и биохимическим путем. В качестве примеров можно при¬
вести (3-окисление жирных кислот (см. разд. 29.4) и расщепление углеводов с образовани¬
ем молочной кислоты (см. разд. 27.2).* Отсюда и взято название рацемат, т.к. по латыни виноградная кислота э го — acidum racemicum.
524ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ32.1.4. Химические свойства гидроксикарбоновых кислотГидроксикислоты, обладающие полярными гидроксильными и карбоксильными функ¬
циями, обычно представляют собой твердые высокоплавкие вещества, легко растворимые
в воде и других полярных средах.Химическое поведение этих соединений определяется способностью к реакциям по спир¬
товой и карбоксильной группам, а также свойствами, связанными с участием в реакциях
обеих функций.Реакции гидроксильной группы.1. Предельные гидроксикислоты легко окисляются, например, молочная кислота превра¬
щается в пировиноградную кислоту. В организме важной стадией Р-окисления жирных кис¬
лот (см. разд. 29.4) является дегидрирование Р-гидроксикислот в виде производных с кофер-
ментом А в соответствующие производные р-оксокислот.2. Как и спирты, гидроксикислоты способны к образованию сложных эфиров за счет ре¬
акций их ацилирования кислотами. Например, салициловая кислота ацетилируется с обра¬
зованием ацетилсалициловой кислоты, известной как жаропонижающее и анальгетическое
средство аспирин.Реакции карбоксильной группы.1. Гидроксикислоты относятся к числу слабых кислот (рКа ~ 4-5) и образуют соли. Соли
салициловой кислоты (салицилаты) применяют при лечении ревматизма.2. Гидроксикислоты ацилируют спирты с образованием сложных эфиров. Так, из сали¬
циловой кислоты и метилового спирта получают метилсалицилат, а с фенолом синтезиру¬
ют фенилсалицилат.Метилсалицилат употребляют как наружное болеутоляющее средство при ревматиче¬
ских воспалениях; фенилсалицилат {салол) является дезинфицирующим препаратом при
желудочно-кишечных заболеваниях.салицилатнатрияО пхьсалициловаякислотаООНацетилсалициловая
кислота, аспиринCL ^ОНОНметилсалицилат фенилсалицилатсалициламид
ГЛ. 32]ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ525Кроме сложных эфиров гидроксикислоты образуют другие производные — галогенан-
гидриды, ангидриды, амиды. К примеру, салициламид — жаропонижающий препарат.Реакции с совместным участием спиртовой и кислотной групп. Такие превращения
обычно вызываются нагреванием гидроксикислот и происходят различно для а-, (3- и у-гид-
роксикислот.а-Гидроксикислоты дегидратируются межмолекулярно с образованием двух сложно¬
эфирных группировок в шестичленном кислородном гетероциклическом производном, име¬
нуемом лактидом:О^Х)Н НО^ ЛR ОННСгЧ)-2Н20R" "О'^ОлактидВнутримолекулярная окислительно-восстановительная дисмутация а-гидроксикислот
происходит при их нагревании в присутствии серной кислоты и сопровождается разрывом
связи С-С. При этом образуется муравьиная кислота и соответствующее карбонильное про¬
изводное — альдегид или кетон.Г, Н+R-CH-COOHIОНR-CH=0 + НСООНЛимонная кислота в данных условиях вместе с муравьиной кислотой образует ацетон-
дикарбоновую кислоту, которая легко декарбоксилируется с образованием ацетона.(3-Гидроксикислоты при нагревании также внутримолекулярно теряют воду, поскольку
их а-водородный атом подвижен, и переходят в а,(3-непредельные кислоты:te сн3ч н
я2о
ОН Н соонсн,-сн-сн,-соонР-гидроксимаслянаякислотакротоноваякислотаПодобные реакции в организме осуществляются при участии дегидратаз, в частности,
при (3-окислении жирных кислот и дегидратации лимонной кислоты в цикле Кребса.у-Гидроксикислоты (а также и 8-) при нагревании претерпевают внутримолекулярную
дегидратацию и образуют внутримолекулярные пятичленные (или шестичленные) сложные
эфиры — лактоны:носн2сн2сн2соону-гидроксимаслянаякислота-н2оО'Оу-бутиролактонHOCH2CH2CH2CH2COOH ——*1 1 1 1 -Н205-гидроксивалериановая ^ ^кислота 6-валеролактон32.1.5. Значение гидроксикислотГидроксикислоты в свободном виде или в составе некоторых производных находятся в
растительных и животных объектах и принимают важное участие в ряде биологических
процессов. Яблочная, лимонная, винные кислоты содержатся в соке многих растений или
526ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. Vпродуктах их переработки (свекла, виноград, рябина, яблоки, плоды цитрусовых и т.д.). Они
безвредны для человека и находят применение в кулинарии, а также при пищевом консер¬
вировании. Салициловая кислота содежится в коре ивовых растений (Salicum), которая из¬
давна применялась для лечения воспалительных процессов.Молочная кислота — продукт молочнокислого брожения углеводов по суммарному урав¬
нению:Молочнокислое брожение лежит в основе процессов скисания молока в кефир, просток¬
вашу и подобные молочные продукты, а также в основе квашения капусты, огурцов, поми¬
доров и других плодов. Силосование — процесс молочнокислого брожения растительной
зелени.* Такие гидроксикислоты, как лимонная, яблочная и особенно молочная кислота, при¬
нимают участие в биохимических явлениях клеточного дыхания и обмена веществ (в ча¬
стности, в цикле Кребса). В процессе работы в мышцах накапливается мясомолочная
кислота в результате расщепления углеводов по схеме, аналогичной молочнокислому
брожению. Ее накопление является причиной метаболического ацидоза. у-Гидроксимас-
ляная кислота (ГОМК) и ее производные, у-гидроксибутираты, являются нейрорегуля¬
торами.32.2. Оксокарбоновые кислотыОксокислоты подразделяются на альдо- и кетокислоты. В практическом отношении и
в медико-биологическом аспекте важны а- и (3-кетокислоты, которые и рассматриваются
здесь. Среди кетокислот главенствующая роль принадлежит пировиноградной и ацетоук-
сусной кислотам:Пировиноградная кислота — представитель а-кетокислот, ацетоуксусная кислота явля¬
ется (3-кетокислотой.32.2.1. Пировиноградная кислота
Получение:1) окислением молочной кислоты. В организме эта реакция идет путем ее дегидрирова¬
ния с помощью дегидрогеназы окисленной формой кофермента НАД+ (см. разд. 34.3);2) действием KCN на хлористый ацетил с последующим гидролизом:С6Н12Об—> 2С3Н603.О онпировинограднаякислотаацетоуксуснаякислота3) пиролизом виноградной кислоты, откуда и возникло ее название:
ГЛ. 32]ГИДРОКСИ- И ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ527Свойства. Пировиноградная кислота обладает всеми свойствами, присущими соединени¬
ям, содержащим кетонную или карбоксильную группы. Оксокислоты сильнее, чем соответ¬
ствующие гидроксикарбоновые кислоты. В биосредах организма (pH ~ 7.4) они обычно нахо¬
дятся в виде анионов. Пировиноградная кислота образует соли, галогенангидриды, а также
подвергается декарбоксилированию (в разбавленной серной кислоте). В концентрированной
серной кислоте происходит реакция декарбонилирования с образованием уксусной кислоты.
Соли пировиноградной кислоты и другие ее производные называют пиру ватами.В то же время пировиноградная кислота реагирует и своей кетонной группой. Так, ее
можно восстановить в молочную кислоту, из нее легко синтезировать фенилгидразон.Пировиноградная кислота проявляет склонность к кето-енольной таутомерии, причем
ее енольная форма может, в свою очередь, принимать участие в химических превращениях
своим спиртовым гидроксилом. В частности, при его ацилировании фосфорной кислотой
образуется фосфоенолпировиноградная кислота (фосфат енола пировиноградной кислоты),
играющей определенную роль в процессах углеводного обмена. В организме анион этой
кислоты — фосфоенолпируват — образуется в процессе гликолиза и служит предшествен¬
ником пирувата.пируват натрияэтилпируватпирувил хлоридC6H5NH-NH:-Н20СНОфенилгидразонпировинограднаякислотаацетальдегидфосфат енола
пировиноградной кислотыенолмолочная кислотаМедико-биологическое значение. Пировиноградная кислота является ключевым соеди¬
нением многостадийного процесса углеводного обмена. При клеточном дыхании в присут¬
ствии кислорода она в конечном итоге «сгорает»:
528ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vr-iCH3CH(OH)COOHмолочнокислое брожениеСНзСОСООНсо2 + сн3сн=о[Н]С2Н5ОН спиртовое брожение[О]аэробное брожениеС02 + Н20В отсутствии кислорода она под действием ферментов восстанавливается в молочную
кислоту, которая и накапливается в мышцах при интенсивных физических нагрузках, свя¬
занных с большими затратами кислорода. То же явление происходит и при молочнокислом
брожении. Иной процесс, а именно ферментативное декарбоксилирование, идет при спир¬
товом брожении и при декарбоксилировании под действием декарбоксилазы в присутствии
коферментов НАД+ и А (см. разд. 34.3).32.2.2. Ацетоуксусная кислота и ее эфирАцетоуксусная кислота представляет собой метаболит, который накапливается в тканях
при нарушениях углеводного обмена, вызываемых диабетом, а также при углеводном голо¬
дании. Вместе с ней в тканях всегда присутствуют и продукты ее ферментативных превра¬
щений, а именно Р-гидроксимасляная кислота, образующаяся при ее восстановлении, и аце¬
тон, возникающий при декарбоксилировании. Эти соединения именуют ацетоновыми телами.Ацетоуксусная кислота не стойка, легко самопроизвольно декарбоксилируется:а потому в практике обычно имеют дело с ее стабильным этиловым эфиром, называемым
ацетоуксусным эфиром.Ацетоуксусный эфир синтезируют альдольной конденсацией этилацетата в щелочной
среде (обычно для этих целей употребляют метилат натрия):Ацетоуксусный эфир и ацетоуксусная кислота обладают характерными свойствами ке¬
тонов. Восстановление ацетоуксусной кислоты, например, приводит к Р-гидроксимасляной
кислоте:СН3СОСН2СООН -> СН3СОСН3 + со2,С2Н5О ОС2Н5ацетоуксусныйэфирО ОНОН ОН|3-гидроксимасляная кислота
ГЛ. 31]НУКЛЕОТИДЫ529Из ацетоуксусного эфира можно получить фенилгидразон. Этот фенилгидразон не сто¬
ек, т.к. легко отщепляет молекулу спирта и циклизуется в пятичленное пиразольное коль¬
цо. Образующийся в результате З-метил-1 -фенилпиразолон-5 обладает анальгетическим и
жаропонижающим действием. Он является родоначальником многих анальгетиков (анти¬
пирин, амидопирин, анальгин, бутадион и т.д.).сн,С2Н50 О5 +Нч /НN XН СйНс-Н20оVYсн.елоIнфенилгидразон
ацетоуксусного эфира-С2Н5ОН3-метил-
1 -фенилпиразолон-5СНзСН3N'С6Н5антипирин,
2,3-диметил-1 -фенил¬
пиразолон-5(СН3)2Ыч_^ сн30==^N-CH3С6Н5амидопирин,
2,3-диметил-1 -фенил-
4-диметиламинопиразолон-5NaOoSCH2^NСНз" WСН,.N-CH3N
СВН,анальгинХарактерной особенностью ацетоуксусного эфира является выраженная склонность к
кето-енольной таутомерии за счет того, что а-атом водорода обладает значительной подвиж¬
ностью из-за одновременного сильного электроноакцепторного действия карбоксильной и
карбонильной групп.Нн нси.осн,ос2н5оос2н,а .оЕнол ацетоуксусного эфира дает характерные реакции спиртовой гидроксильной груп¬
пы (в частности, образует алкоголят под действием Na).Таким образом, ацетоуксусный эфир обладает разнообразной реакционной способно¬
стью: как за счет функциональных группировок двух таутомерных форм, так и за счет слож¬
ноэфирной группы. Эти его свойства широко используются в синтетических целях. Синтезы
с ацетоуксусным эфиром составляют важный раздел препаративной органической химии.
Глава 33.АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ...на канве полипептидных остатков,
имеющих определенную структуру, можно
вышить боковые цепи остатков, не внося
каких-либо существенных изменений в
конфигурацию всей молекулы. При этом
свойства получающегося белка, разумеет¬
ся, должны определяться не только
остовом полипептидых цепей, но также и
характером боковых цепей.JI. Полинг33.1. Классификация и получениеАминокислоты, т.е. вещества, содержащие одновременно амино- и карбоксильные группы,
подразделяются на алифатические, ароматические и гетероциклические производные. Среди
ароматических аминокислот, в частности, важны п-аминобензойная кислота, служащая факто¬
ром роста микроорганизмов (ее антиметаболитами являются сульфамидные препараты) и п-
аминосалициловая кислота или ПАСК, обладающая противотуберкулезным действием.NH2OLсоонw-аминобензойная я-аминосалициловаякислота кислота (ПАСК)Аминокислоты подразделяются в зависимости от расположения групп NH2 и СООН на
а-, (3-, у- и т.д. аминокислоты. Так, в 8-аминокапроновой кислоте, из которой получают по¬
лимерный материал капрон, эти группы разделены пятью группами СН2.NHoОсоон
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ531О (-2)
NH2CH2COOHглицин,
аминоэтановая кислотаР<3)NH2CH2CH2COOH3-аминопропановая,р-аминопропионоваякислотае(6)NH2CH2CH2CH2CH2CH2COOH6-аминогексановая,е-аминокапроноваякислотаD-аланинL-аланинРис. 33.1. Молекулярные модели
D- и L-аланина.В (3-аминопропионовой кислоте, служащей продуктом про¬
межуточного обмена аминокислот и входящей в состав ряда
биологически активных веществ (например, одного из витами¬
нов группы В — пантотеновой кислоты), расстояние между
NH2 и СООН группами составляет два СН2-звена.Белки, как известно, построены из а-аминокислот. Моле¬
кулы а-аминокислот, за исключением простейшей (глицин, R
= Н, см. табл. 33.1), хиральны. Энантиомеры простейшей хи-
ральной аминокислоты, а-аланина, представлены на рис. 33.1.Молекулы почти всех природных а-аминокислот принадлежат к L-ряду,
СООН что изображено с помощью проекции Фишера. Относительная конфигура¬
ция а-аминокислот определяется, как и у гидроксикислот (см. разд. 32.1.2),
по конфигурационному стандарту — глицериновому альдегиду. Расположе¬
ние в проекционной формуле Фишера аминогруппы слева соответствует L-
конфигурации, справа — D-конфигурации. По R,5-системе а-углеродный атом у всех а-ами¬
нокислот (кроме цистеина) L-ряда имеет 5-конфигурацию, а у D-ряда — R.Сведения о важнейших a-L-аминокислотах, которые входят в состав белков, даны в
табл. 33.1. Недавно были обнаружены еще две аминокислоты, входящих в состав природ¬
ных аминокислот. В 1986 г. — селеноцистеин, а в 2002 г. — опубликованы данные по иссле¬
дованию L-пирролизина. Таким образом, стало очевидным, что ранее общепринятый ряд
важнейших аминокислот следует расширить до 22.HoNCHCOOHnh9-RICH9SeHселеноцистеинL-пирролизин, X = СНз, OH, NH2В биохимии принято использовать трех- или однобуквенные сокращения тривиальных
названий природных аминокислот. С помощью этих сокращений записывают аминокислот¬
ные остатки в макромолекулах пептидов и белков.Если представить эти кислоты в общем виде как NH2CH(R)COOH, то как видно из
табл. 33.1, в числе аминокислот белков есть предельные аминокислоты (R = Н или алкил).
Кроме того, в состав радикалов R могут входить разнообразные функциональные группы:
спиртовая гидроксильная в серине и треонине или фенольная — в тирозине, меркаптогруппа
в цистеине, тиоэфирная — в метионине, дополнительная карбоксильная группа в моноами-
нодикарбоновых кислотах (кислотные аминокислоты), аминная — в диаминомонокарбоно-
вой кислоте — лизине или гуанидиновая — в аргинине (основные аминокислоты), амидная
функция — в аспарагине и глутамине.
532ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫВажнейшие а-аминокислоты NH2CHRCOOH[Ч. V
Таблица 33.1НазваниеФормулаСокращенное название
аминокислотного остаткаpKa (COOH)
рКЛ NH3+)русскоемеждународноеPK(R)ГлицинNH2CH2COOHГлиGly2,609,80АланинNH2CHCOOHСНзАлаAla2,359,87ВалинNH2CHCOOHАСНз СНзВалVal2,299,40Лейцинnh2chcoohСН2СНСНз7 ЧСНзЛейLeu2,339,74ИзолейцинNH2CHCOOHснСН3СН2 ""СНзИлеlieu2,329,76Серинnh2chcoohСН20НСерSer2,199,21Треонинnh2c^hcoohСНСНз \)НТреThr2,099,11Цистеинnh2chcoohCH2SHЦисCys1,92
10,46
8,35 (SH)ЦистинNH2CHCOOHCH2-S-S-CH2NH2CHCOOHЦисБ-БЦисCysS-SCys1,9010,40МетионинNH2CHCOOHCH2-CH2-SCH3МетMet2,139,28АспарагиноваякислотаNH2CHCOOHСН2-СООНАспAsp1,99
9,90
3,90 (COOH)АспарагинNH2CHCOOHCH2-CONH2АснAsn2,108,84
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ533ГлутаминоваякислотаГлутаминЛизинАргининФенилаланинТирозинТриптофанГистидинПролинГидрокси-пролинnh2chcoohСН2-СН2-СООНГлуGluNH2CHCOOHГлнGinCH2-CH2-CONH2NH2CHCOOHЛизLysCH2-CH2-CH2-CH2-NH2NH2CHCOOH NHAprArgCH2-CH2-CH2-NH-/nnh2NH2CHCOOHФенPheсн26NH2CHCOOHТирТугсн291онNH2CHCOOHТриTrp^ ^СН21НNH2CHCOOHVйNГисHisС У—соонПроPro1Нно>-\НО-ПроHO-Pro( соонV1Н2,109.47
4,07 (СООН)2.17
9,132,169.18
10,79 (NH3+)2.48
8,9912,5 (гуанидин)2,169.182,20
9,11
10,13 (ОН)2.439.441,809,356,04 (имидазол)1,9510,641,9910,66
534ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫМолекулы аминокислот могут также содержать бензольное кольцо или азотистый гете¬
роцикл — индольный, имидазольный или насыщенный пиррольный (тетрагидропирроль-
ный). Таким образом, природа заместителя R в аминокислотах белков варьируется в широ¬
ких пределах, что в итоге определяет разнообразие химического поведения, а тем самым и
биохимических функций белков.В зависимости от общего числа амино- и карбоксильных групп аминокислоты подразде¬
ляются на нейтральные (моноаминомонокарбоновые), основные (диаминомонокарбоновые)
и кислые (моноаминодикарбоновые) кислоты.Тривиальные названия аминокислот белков связаны с тем или иным их свойством (на¬
пример, L-глицин обладает сладким вкусом) или с природным источником, из которого они
выделены (так, аспарагин извлечен впервые из спаржи).Аминокислоты белков делятся на заменимые и незаменимые. Незаменимые аминокис¬
лоты (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан) не
синтезируются в организме и должны быть получены с пищей. Заменимые аминокислоты
образуются при их недостатке в результате биосинтеза из других аминокислот или из небел¬
ковых компонентов.Общее число a-L-аминокислот, извлеченных из различного растительного или живот¬
ного материала, намного больше приведенных в табл. 33.1 и составляет в настоящее время
несколько десятков. Примером такой довольно распространенной в биообъектах аминокис¬
лоты может служить гомолог лизина — орнитин NH2(CH2)3CH(NH2)COOH. В отдельных
случаях в состав полипептидов входят и D-аминокислоты.Способы получения, а-Аминокислоты получают кислотным гидролизом белков. Суще¬
ствует много разнообразных методов их синтеза, из числа которых укажем важнейшие:1. из a-галогенкарбоновых кислот действием избытка аммиака, например:Cl2 3NH3 НС1СН3СН2СООН —► сн3снсоон ► ch3chcoonh4 ► СН3СНСООН-НС1 31 -NH4CI 3 | -NH4CI |Cl nh2 nh2a-аланин2. гидролизом a-гидроксинитрилов с последующей обработкой избытком аммиака:HCN H20,NH3
СН3СН=0 * CH3CHC=N * СН3СНСООН3 | 3,ОН NH2Вариантом этого метода, известного как реакция Зелинского-Стадникова, является дей¬
ствие NH^CN, которое сразу же приводит к a-аминонитрилу, а его дальнейший гидролиз —
к аминокислоте.3. из непредельных кислот за счет присоединения аммиака по кратной связи:*о мнз ^О
н2с=сн-с^ ► h2nch2ch2c^
он онр-аланинСледует отметить, что в настоящее время разработаны различные лабораторные методы
синтеза оптически активных аминокислот. Некоторые из них являются моделями биохими¬
ческих процессов, приводящих к синтезу a-аминокислот в организме. В качестве примера
можно привести реакцию восстановительного аминирования кетокислот коферментом
НАДФН. В ходе этого процесса in vivo образуется только один стереоизомер, а именно
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ535а-аминокислота L-ряда. Второй процесс — это основной путь биосинтеза а-аминокислот —
реакция трансаминирования. Синтез аминокислоты в этом случае происходит путем пере¬
носа аминогруппы от одной а-аминокислоты к а-кетокислоте, у которой углеводородный
радикал соответствует по строению радикалу целевой а-аминокислоты. Реакция происхо¬
дит с участием ферментов аминотрансаминаз и кофермента пиридоксальфосфата.Принципиальное значение для выяснения вопроса о химической эволюции — формиро¬
вания аминокислот из неорганических веществ — имел эксперимент по получению амино¬
кислот из смеси аммиака, метана и углекислоты под действием электрического разряда под
давлением и при нагревании. В результате опыта в реакционной смеси были обнаружены
почти все природные аминокислоты.33.2. Свойства аминокислотАминокислоты как вещества, обладающие двумя функциональными группами, дают реак¬
ции за счет обеих функциональных групп, а также с их совместным участием. Некоторые ре¬
акции обусловлены функциональными группами в радикале аминокислоты. Многие реакции
имеют практическое значение для идентификации и анализа аминокислот.33.2.1. Реакции с участием аминогруппыАминокислоты проявляют все свойства первичных предельных аминов (см. разд. 24.3),
т.е. образуют соли с минеральными кислотами, подвергаются ацилированию под действи¬
ем ангидридов и хлорангидридов, образуют имины в реакциях с альдегидами и кетонами, а
с азотистой кислотой претерпевают дезаминирование — превращаются в гидроксикислоты.Взаимное превращение гидроксикислота — аминокислота происходит в клетке под дей¬
ствием ферментов. Важно отметить, что этот процесс идет с обращением конфигурации хи-
рального центра, участвующего в реакции нуклеофильного замещения:33.2.2. Реакции с участием карбоксильной группыАминокислоты, как и другие вещества с группой СООН, проявляют свойства, характер¬
ные для карбоксильной группы (см. гл. 28.3), в частности слабые кислотные свойства. Как
видно из данных табл. 33.1, величина рКа, отвечающая диссоциации карбоксильной группы,
колеблется в пределах 1,8-2,6.ВеличинарКа, характеризующая кислотность аминогруппы (NH3+, см. след, разд.), нахо¬
дится в интервале 8-11. Следует обратить внимание на то, что ряд аминокислот, содер¬
жащих дополнительную функциональную группировку, характеризуется величиной рКа,
значение которой может оказаться в различных пределах в зависимости от природы это ”
группировки.
536ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VNH2 Так, у моноаминодикарбоновых кислот кислотность дополнитель¬ной группы СООН выражается величиной рКа, близкой к 4, а основ¬
ность второй аминогруппы диаминомонокарбоновых кислот определя¬
ется величиной рКа 10,8-12,5.Аминокислоты участвуют в ацилировании аминов и спиртов. В меди¬
цине применяется для обезболивания продукт взаимодействия этанола
с яяря-аминобензойной кислотой, известный как препарат анестезин.Еще большей эффективностью обладает новокаин — продукт аци¬
лирования той же самой кислотой Р-диэтиламиноэтилового спирта
(см. гл. 24).В присутствии гидроксида бария при нагревании аминокислоты
могут претерпевать декарбоксилирование. В организме этот процесс происходит под дей¬
ствием ферментов декарбоксилаз.Некоторые из аминов, получаемых в результате ферментативного
декарбоксилирования, играют важную роль. Так, например, образую¬
щиеся из гистидина и триптофана гистамин и триптамин (см. разд.24.3) обладают физиологической активностью. Гистамин, в частности,
является сосудорасширяющим агентом, регулирует секрецию желу¬
дочного сока, влияет на явление аллергии.33.2.3. Реакции с участием групп NH2 и СООН1. Как уже отмечалось, аминокислоты проявляют свойства и кислот, и оснований. Такие
соединения представляют собой амфотерные электролиты или амфолиты. Существенно,
что при растворении аминокислот в воде (а они в ней хорошо растворимы за счет полярных
группировок NH2 и СООН) амино- и карбоксильная группа реагируют между собой с об¬
разованием биполярного иона (или амфиона) за счет переноса протона с карбоксильной
группы на аминогруппу, т.е. наблюдается прототропная таутомерия. В таком виде аминокис¬
лоты и находятся в водном растворе.H2NCHRCOOH H3N+CHRCOO“Именно в таком виде изображены энантиомеры аланина на рис. 33.1.Поскольку кислотные свойства биполярной структуры на 5-6 порядков слабее, чем у
неионизированной формы, в водных растворах это прототропное равновесие для молекул
а-аминокислот практически полностью смещено в сторону биполярного таутомера. Отри¬
цательно заряженная карбоксильная группа проявляет основные свойства, а положитель¬
но заряженная аммонийная группа — кислотные свойства. Вследствие этого аминокислоты
взаимодействуют и с кислотами, и с щелочами, образуя два типа солей, в которых они выс¬
тупают в виде или катиона, или аниона. Суммарные кислотно-основные превращения би¬
полярного иона обсуждены в разд. 10.7.2. Бифункциональность аминокислот проявляется и в том, что они представляют собой
полидентатные лиганды и легко образуют внутрикомплексные (.хелатные) соединения с
катионами ^-металлов (см. гл. 3,42). Например, все а-аминокислоты образуют со свежепри¬
готовленным гидроксидом меди(П) растворимый электронейтральный хелатный комплекс,
окрашенный в ярко-синий цвет. Реакции комплексообразования аминокислот играют важ¬
ную роль в поддержании металло-лигандного гомеостаза (см. разд. 11.2), а также в хелато-
терапии (см. разд. 42.2).CHoCHoNHoгистаминэтиловый эфир
п-аминобензойной
кислоты (анестезин)
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ5373. Термические превращения аминокислот также связаны с участием обеих функциональ¬
ных групп и напоминают в этом отношении свойства оксикислот.Так, а-аминокислоты при нагревании образуют внутренние гетероциклические (пира-
зиновые) амиды — дикетопиперазины:°^онH,N.VR'4NH,ho^Sd-2Н20нЧГ
IндикетопиперазинР-Аминокислоты отщепляют аммиак, так как в их молекулах имеется подвижный а-во-дородныи атом:сн3-сн-сн2-соон —►I -NH3nh2Р-аминомаслянаякислотаСН3. Н
и СООН<кротоновая кислотау-, 5- и е-Аминокислоты образуют внутримолекулярные циклические амиды (лактамы)
с пяти-, шести- или семичленными кольцами соответственно, например:ООН4—nh2е-аминокапроновая
кислота33.3. ПолипептидыВажнейшим свойством аминокислот, которое требует участия как NH2, так и СООН
группы, является их линейная поликонденсация с отщеплением воды и образованием амид¬
ной связи. Продукты такой реакции называют пептидами, а амидный фрагмент в них — пеп¬
тидной связью. Из двух молекул аминокислот получаются дипептиды, из трех — трипеп-
тиды и т.д. Принято различать низкомолекулярные пептиды (олигопептиды), содержащие
не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, в состав которых входит до 100 ами¬
нокислотных остатков. В целом о таких продуктах говорят как о полипептидах. Синтети¬
ческие способы образования пептидных связей включают некоторые специальные приемы
и здесь подробно не рассматриваются. В животных и растительных клетках синтез поли¬
пептидов осуществляется сложным образом с участием молекул нуклеиновых кислот и
ферментов.В настоящее время в практике находят широкое применение высокомолекулярные
синтетические полипептиды капрон и найлон, отличающиеся высокой механической
прочностью.
538ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫКапрон синтезируют полимеризацией е-капролактама, а найлон совместной поликонден¬
сацией гексаметилендиамина с адипиновой кислотой:-ch2ch2ch2ch2ch2c-nh-окапронНе-капролактамnNH2(CH2)6NH2 + иНООС(СН2)4СООН ~2пН2°»
гексаметилендиамин адипиновая кислота—NH(CH2)6NH-C-(CH2)4C-о онайлонОднако оба эти полимера по своим качествам заметно уступают некоторым природным
полипептидам, например, кератину волос, паутине или шелку. Причина этого состоит в мно¬
гообразных структурных возможностях, которые реализуются в природных полипептидах,
что позволяет им эффективно выполнять те или иные специальные функции.Во-первых, в природных полипептидах может широко варьироваться длина цепи. Так,
активатор ферментов глутатион представляет собой трипептид, антибиотик грамицидин S
состоит из 10 аминокислотных остатков, гормон инсулин построен из 51 аминокислоты, а
фермент рибонуклеаза содержит 124 аминокислотных остатка. Рибонуклеазу уже по суще¬
ству можно отнести к белкам, т.к. высокомолекулярные полипептиды (М ~ 5 ООО), выпол¬
няющие какую-либо специальную биологическую функцию, и принято считать белками.
Некоторые белки имеют молекулярный вес свыше 1 ООО ООО, а следовательно, состоят из
многих тысяч аминокислотных остатков.Во-вторых, в природных полипептидах широко комбинируется состав аминокислотных
звеньев. В общем виде структуру любого полипептида можно схематично представить фор¬
мулой:ООО 00II II II II IINH2—|—С—NH—|—С— NH —|— С NH—|—С—NH—|—С— ОН,R1 R2 R3 R4 R5в которой R^-R^h т.д. — остатки, отвечающие какой-либо из природных аминокислот.Например, трипептид у-глутатион, являющийся антиоксидантом и кофактором, пост¬
роен из глутаминовой кислоты, цистеина и глицина:NH2-CH-(CH2)2-C-NH-CH-C-NH-CH2-COOH у-глутатионI II I IIСООН о сн2 оISHПри написании формулы полипептида слева помещают ту концевую аминокислоту со
свободной ЫН2-группой (N-конец), которая реагирует своей карбоксильной группой, а
при составлении названия аминокислотным остаткам с прореагировавшей карбоксиль¬
ной группой придают окончание -ил. Название молекулы, реагирующей по аминогруппе
и находящейся на конце цепи, сохраняется без изменения (С-копец). В соответствии с этим
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ539глутатион представляет собой у-глутамилцистеинилгли-
цин. В сокращенной записи по-русски это выглядит у-Глу-
Цис-Гли, а в международной форме — H-y-Glu-Cys-Gly-
ОН. Для пептидов принято записывать концевые группы
неионизированными, хотя в действительности они нахо¬
дятся в растворах в ионизированном состоянии (см. разд.33.2.3).Нетрудно посчитать, что глутатиону может отвечать
еще 5 структурных изомеров с иной последовательнос¬
тью аминокислотных звеньев. С возрастанием цепи чис¬
ло всевозможных полипептидных структур чрезвычайно
быстро растет. Так, для полипептидной цепи из 50 аминокислотных остатков, в построе¬
нии которой могут участвовать 20 аминокислот, количество возможных вариантов со¬
ставляет 2 О50.В-третьих, разнообразие структуры и свойств белков достигается тем, что в состав заме¬
стителей аминокислот входят функциональные группы (алкил, арил, гетарйл, спиртовый
или фенольный гидроксил, тиольная, тиоэфирная, аминная, амидная, гуанидиновая или
карбоксильная группы, см. табл. 33.1), что позволяет им проявлять полифункциональные
химические свойства. В зависимости от состава полипептид (или его отдельный участок)
может обладать кислотными или основными свойствами, проявлять склонность к образо¬
ванию водородных, ионных или ковалентных связей, комплексных соединений, вступать в
окислительно-восстановительные превращения и т.д.33.4. Пространственное строение полипептидовПоследовательность аминокислот в молекуле полипептида образует его первичную
структуру. Из нее нельзя получить представления о пространственном строении белков.
Между тем, функции белков в значительной степени определяются особенностями их сте¬
реохимии. Сведения об этом дает знание вторичной, третичной и четвертичной структуры
полипептида.Они, в первую очередь, определяются конформацией пептидной связи. Как известно (см.
разд. 28.4.4), связь С-N в амидах (а следовательно, и в пептидах) занимает промежуточное
положение между простой и двойной связями за счет сопряжения между тг-связью С=0 и
электронной парой атома азота. Это приводит к стабилизации плоской конформации фраг¬
мента -CO-NH-, причем аминокислотные остатки, как установлено, находятся в трансо-
идном положении:
540 ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫВ результате вся полипептидная цепь выглядит следующим образом:[4.VО Ri Н О R3 Н О RsНО R2 Н О R4 ННужно отметить, что в пределах цепи находятся как гибкие,
т.е. способные к быстрым конформационным переходам, обыч¬
ные ст-связи, так и относительно малоподвижные пептидные
связи, которые, однако, не представляют собой истинно двой¬
ных связей, а следовательно, тоже способны к конформацион¬
ным переходам, хотя и к более медленным. Сочетание в цепи по¬
липептида жестких и подвижных участков делает ее эластичной
и позволяет ей гибко перестраивать структуру в зависимости от
условий.Особенностью пептидных связей является способность к об¬
разованию водородных связей между карбонильными группами
каждого первого а-аминокислотного остатка и аминогруппой
каждого пятого остатка (-С=0--H-N-). Если такие связи воз¬
никают внутри полипептидной цепи, это приводит к ее скручи¬
ванию в спираль, называемую а-спиралью (рис. 33.2).Длина одного шага спирали полипептида равна 5,4 А, при¬
чем один ее виток составляет 3,6 аминокислотных остатка.Спиральную структуру имеют
такие полипептиды как альфа-ке- ^ гёратин, миоглобин (рис. 33.3), гемог- Двйлобин. Обычно белковые цепи лишь Ч
частично спирализованы. Например, ЧяжЯжДр
в гемоглобине а-спиральный участок
занимает до 75% общей длины цепи. *При наличии межмолекулярных Рис ш Простражшеипое
водородных связей возникает плоская параллельная конформа- строение молекулы миоглобина.
ция, состоящая из нескольких полипептидных цепей, так называ¬
емая (3-складчатая конформация полипептидов (рис. 33.4). Примером складчатой структу¬
ры полипептидов может служить конформация белков, образующих шелковые нити.Нахождение молекулы белка в а-спиральной или (3-складчатой конформации и опреде¬
ляет вторичную структуру полипептида.Малая прочность водородных связей обусловливает относительно легкую трансформа¬
цию вторичной структуры под воздействием внешних условий (изменениеpH, температу¬
ры, механическое воздействие). К примеру, в грубом приближении кератин волоса имеет
конформацию а-спирали, а при натяжении переходит в Р-конформацию, в результате чего
его длина может увеличиваться обратимо без разрыва почти в два раза.Еще одной особой разновидностью вторичной структуры полипептидов является трой¬
ная спираль коллагена. Коллаген — самый распространенный белок, в организме на его долю
приходится до 30% от общего количества белков. Вместе с другими компонентами он образует
коллагеновые волокна, составляющие основную массу соединительной ткани организма.Рис. 33.2. Строение а-спирали.
Тонкими линиями показаны
водородные связи.
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ541О RОВ основе коллагеновой структу¬
ры (рис. 33.5) лежит полипептид
тропоколлаген. В тропоколлагене
треть аминокислотного состава при¬
ходится на долю глицина. Кроме
того, в составе тропоколлагена до 22%
пролина и гидроксипролина. Около
96% полипептидной цепи коллагена
построено из последовательности
триплетов (Гли-Про-Про-ОН)|Г
Полипептидная цепь тропоколлаге¬
на, состоящая примерно из 1000 ами¬
нокислотных остатков, имеет форму
спирали.В состав полипептидной цепи кол¬
лагена входит и гидроксилизин. ОН-
Группа 5-гидроксилизинового остатка
осуществляет связь коллагена с диса¬
харидом, состоящим из глюкозы и га¬
лактозы, связанных а-1,2-гликозидной связью.НкО RОRНкО RОRRНкО RО RО RООRОRО RRОRО RРис. 33.4. Строение /?-складчатой структуры полипептидов.остаток
р-D-галактопиранозыостаток
а-D-глюкопиранозыНОостатокгидроксилизинаNH2I гсн2О-СНо-СН-СНо-НОНоСОНполипептидная цепь
коллагенаТри параллельно вытянутые единичные спирали скручиваются в суперспираль, которая
стабилизируется водородными связями между триплетами разных цепей (см. рис. 33.5). Во¬
дородная связь образуется между NH-группами глициновых и карбонильными группами
пролиновых и гидроксипролиновых звеньев.Ступенчато уложенные в длину тропоколлагёковые единицы образуют коллагеновое
волокно. Тропоколлагеновые молекулы соединяются между собой ковалентными связями,
в образовании которых участвуют остатки лизина. В такой высокоорганизованной много¬
мерной форме коллаген представляет собой нерастворимый в воде белок.В ходе формирования структуры коллагена имеет место окисление пролина в гидрокси-
пролин и лизина в гидроксилизин, для осуществления чего требуется участие витамина С.
Дефицит последнего вызывает нарушение синтеза коллагена, что приводит к возникнове¬
нию цинги. Ее проявления — ослабление костной и зубной ткани.
542ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫВ медицинской практике применяют коллаге-
новые пленки, губки, предназначенные для лечения
ожогов, ран и язв. Временно закрывая пораженные
поверхности, такие пленки замещаются со време¬
нем собственными тканями организма.Третичная структура полипептидов выража¬
ется в том, что ни один белок не имеет правильной
а- или p-конформации. Более высокий порядок
пространственной организации определяется нали¬
чием изгибов полипептидной цепи.Одна из причин таких изгибов — отсутствие
водородных связей между отдельными звеньями.
Это, в частности, обязательно происходит в присут¬
ствии остатков пролина и гидроксипролина, в ко¬
торых аминный атом азота является вторичным, а
следовательно, пептидная связь с его участием не
имеет атома водорода при атоме азота. Таким обра¬
зом, это звено в принципе не может участвовать в образовании водородной связи:Рис. 33.5.Спиральная модель коллагена,
а — вид сбоку, б — вид сверху.Другая причина — взаимодействие между собой функциональных заместителей амино¬
кислотных остатков.Здесь важную роль играют ковалентные связи — дисульфидные мостики между остатка¬
ми цистеина. Такие дисульфидные мостики могут связывать между собой участки одной
полипептидной цепи, например, в молекуле рибонуклеазы имеется 4 внутримолекулярные
дисульфидные связи. Часто белок образован несколькими цепями, соединенными между со¬
бой дисульфидными мостиками. Так, молекулы некоторых белковых антител устроены из4 полипептидных цепей, связанных дисульфидными мостиками.Достаточно прочным является также ион-ионное взаимодействие между аминогруппой
остатка диаминомонокарбоновой кислоты и карбоксильной группой остатка моноаминоди-
карбоновой кислоты.Для металлопротеинов существептметалло-лигандная координация из-за того, что ами¬
нокислоты (а следовательно и полипептиды) легко образуют внутрикомплексные соедине¬
ния — хелаты.Меньшей прочностью отличаются водородные связи типа -X-H-Y- между атомом во¬
дорода спиртовой или фенольной групп, с одной стороны, с кислотным остатком или ато¬
мами азота гетероцикла, с другой. Такого типа связи могут реализовываться и в других
случаях при сближении двух полярных группировок, одна из которых обладает атомом во¬
дорода.Кроме того, определенный вклад вносят и гидрофобные взаимодействия, которые суще¬
ствуют между неполярными группировками (-R...R- или -Аг...Аг-) остатков предельных
или ароматических аминокислот в водных растворах.Далее, полярные и ионные участки молекул полипептидов могут гидратироваться за счет
водородных связей или ион-дипольных взаимодействий.
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ543Перечисленные варианты взаимодействий между аминокислотными остатками и с мо¬
лекулами воды представлены на рис. 33.6.гидратация
полярных группдисульфидная
связьСН90Н-0^.ттвзаимодействие металло-лигадная
координациягидрофобныевзаимодействияСН
/ \
Н3С СН3сн3 сн2снч
\ /СНоно ••• H3N 'н \гидратация
полярных группводороднаясвязьРис. 33.6. Типы взаимодействий в полипептидах.В итоге молекула каждого природного полипептида имеет в биосредах сложную инди¬
видуальную конформацию, в которой отдельные участки регулярной структуры а-спирали
и Р-складчатого листа сменяются сложными изгибами, петлями и т.д.В качестве примера можно привести изображение весьма простого природного полипеп¬
тида грамицидина S*, обладающего антимикробной активностью (рис. 33.7). Первичная
структура этого циклического полипептида выражается формулой:— Var-Orn-Leu-D-Phe-Pro-Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro —В этой молекуле можно увидеть как реализацию Р-складчатой структуры с четырь¬
мя водородными связями, так и неучастие остатков пролина в образовании водородных
связей.Единство химического состава и пространственной конформации молекулы каждого по¬
липептида и определяет его ярко выраженную биохимическую индивидуальность. Особенно
наглядно это иллюстрируется специфичностью действия такой разновидности полипепти¬
дов, как ферменты. Структура ряда из них расшифрована, а для некоторых имеются и пред¬
ставления о механизме действия. В реакции принимает участие не весь полипептид, а лишь
небольшой его участок — активный центр. При этом далеко не всегда аминокислотные ос¬
татки активного центра расположены в цепи по соседству. Они могут быть сближены про-* Выбранный пример интересен и другими моментами: во-первых, в этом полипептиде присутствуют остат¬
ки аминокислоты D-ряда (D-фенилаланип), что случается редко, и, во-вторых, в его состав входит аминокислот,1
орнитин NH2(CH2);,CH(NH2)COOH, обычно не участвующая в построении природных полипептидов.
544ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. VРис. 33.7. Копформациоипая модель грамицидина S.странственно при формировании третичной структуры. Конфигурация активного центра
определяет специфичность действия фермента.Конформации полипептидов чрезвычайно чувствительны к воздействию внешних ус¬
ловий. Так, действие слабых восстановителей или окислителей может разрушить или, на¬
оборот, создать дисульфидные связи, изменение pH среды столь же сильно сказывается
на существовании ион-ионных взаимодействий и водородных связей. Изменение ионной
силы раствора также сильно влияет на все виды ионных и полярных взаимодействий.
Смена растворителя влияет на степень проявления водородных связей и гидрофобных
взаимодействий.Не удивительно, что белки легко разрушаются и при повышении температуры. В ре¬
зультате таких воздействий происходит денатурация белков, т.е. необратимые конформа-
ционные (или химические) изменения, вследствие которых активный центр фермента раз¬
рушается.Четвертичная структура полипептидов определяет объединение их в белковые ком¬
плексы, обычно (но необязательно) за счет водородных связей и гидрофобных взаимодей¬
ствий. Так, в гемоглобине объединены четыре попарно одинаковые субъединицы, а белковая
оболочка вируса табачной мозаики состоит из 2 130 полипептидных молекул. Кроме того,
многие природные полипептиды связаны с остатками фосфорной кислоты (фосфопротеиды),
с липидами (липопротеиды), углеводами (гликопротеиды), катионами металлов (металлопро-
теиды), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды). Вопросы структуры сложно построен¬
ных белков рассматриваются в курсе биохимии.33.5. Изоэлектрическая точка аминокислот 1Как известно, аминокислоты обладают свойствами амфолитов, что обусловлено наличи¬
ем функциональных групп кислотного (СООН) и основного (NH2) характера (подробнее см.
гл. 10). В водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполяр¬
ного иона, анионной и катионной формы. Положение равновесия в значительной степени
зависит от pH среды. В случае глицина это можно выразить суммарным уравнением:рКа= 2,6 рКа2= 9,8nh3+-ch2-cooh JL nh;-ch2-coct ^ NH2-CH2-COO~R+ (катион глицина) R+~ R“ (анион глицина)Более кислая среда pH < pi pH = р! ► Более щелочная среда pH > pi
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ545В случае биполярного иона аминокислоты, например, глицина, NH3+-CH2COO~, моле¬
кула электронейтральна. Состояние, при котором концентрация биполярных ионов макси¬
мальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм аминокислоты равны
между собой, называется изоэлектрическим состоянием. То значение pH, при котором дос¬
тигается изоэлектрическое состояние и при котором молекула не перемещается под воздей¬
ствием внешнего электрического поля, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pi). В
ИЭТ суммарный заряд молекулы аминокислоты равен 0.Изоэлектрическая точка зависит от величинрКа аминокислот [рКа (СООН), pKaj(NH3+)]
и может быть рассчитана на примере глицина следующим образом. В случае глицина:[H+][NH3+CH2COO-] [H+][NH2CH2COO-]1 [NHJCHjCOOH] И 2 [NH£CH2COO-]«г ^ [H+]2[NH2CH2COO-]Следовательно, /С, К2=—Гхттт+^тт —>а в изоэлектрической точке [NH2CH2COO~] =[NH3CH2COUHJ= [NH3+CH2COOH], поэтому К fa = [Н+]2. Отсюда [Н+] = . После логарифмированияполучаем:ТТ т pKi + pK2
pH = pi j .Отсюда для глицина pi = (2,6 + 9,8)/2 = 6,2.Как показывают расчеты, при pH > рКа(NH3+) + 2 аминокислота будет на 99% находить¬
ся в виде аниона, при pH = pi в виде биполярного иона, и, соответственно, при pH <
рКа(СООН) — 2 на 99% в виде катиона. В растворах с pH между указанными значениями
аминокислоты находятся в виде смеси биполярного иона с анионом или катионом, соот¬
ветственно.Картина выглядит более сложной для тех аминокислот, которые содержат дополнитель¬
ную группу, способную к ионизации (например, для аспарагиновой кислоты). Ее диссоци¬
ация может быть представлена следующим образом:СООН СОО" СОО~ СОО-NHJ-C-H NH3—С—Н NH3—С—Н ^2- nh2-c-hI I I ICH2COOH CH2COOH CH2COO“ CH2COO"A Б В ГДля этапов диссоциации А <=» Б, Б <=* В и В <=> Г величины рКа составляют 1,99, 3,90 и
9,90, соответственно. Только форма Б находится в изоэлектрическом состоянии (с равным
количеством положительных и отрицательных зарядов). При расчете изоэлектрической
точки в этом случае следует учитывать значения лишь двух первых величин/?^. В этом слу¬
чае ИЭТ вычисляется по формуле:1 99 + 3 90pi = 1/2[р/Св(СООН) + pKa(R)] = ' о ’ = 2,95.В случае основных аминокислот ИЭТ вычисляют по аналогичной формуле —
pi = 1/2[pKa(NHП + pKa(R)\.
546ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ33.6. ПолиамфолитыЗвенья полипептидной цепи, содержащие дополнительные амино- или карбоксильные,
то есть ионогенные группы (например, лизин, гистидин, аспарагиновая или глутаминовая
кислоты), сообщают полимеру свойства полиэлектролитов. Полиэлектролиты диссоцииру¬
ют в растворах на макроионы (высокомолекулярные заряженные частицы) и малые ионы
(низкомолекулярные заряженные частицы). Они растворимы в полярных растворителях,
электропроводны, и на их свойствах сильно отражается электростатическое взаимодействие.
Таким образом, полиэлектролиты находятся в таком же отношениии к полимерам-неэлек¬
тролитам, как низкомолекулярные электролиты — к неэлектролитам.Более широко полипептиды следует рассматривать как полиамфолиты — полимеры,
несущие как положительные, так и отрицательные заряды.Н+ pj+
H3N+—Prot—COO" ^ H3N+—Prot—COO" "—» HyST-Prot-COO"I + I Irh2+ RH R-pH < pi pH = pi pH > piпоявляется молекула появляетсякатион белка белка анион белкаВ зависимости от pH среды белки, как и аминокислоты, могут находиться в различных
формах. В кислой среде (при рН<рГ) молекулы полиамфолитов заряжены положительно.
С ростом pH слабокислые группы заряжаются отрицательно, что приводит к падению обще¬
го заряда макромолекулы. Дальнейшее повышение pH вызывает отрыв протонов (в основ¬
ном за счет ионизации заместителей -RH), что приводит к тому, что при рН>р1 молекулы
полиамфолитов приобретают суммарный отрицательный заряд. В сильнокислой среде про¬
исходит протонирование ионизированной концевой карбоксильной группы белка, а в силь¬
нощелочной среде — депротонирование концевой аминогруппы. Однако в биологических
средах, для которых не характерны такие крайние значения pH, подобных превращений с
белковыми молекулами практически не происходит.При некотором промежуточном значении pH суммарный заряд макромолекулы белка
становится равным нулю, то есть достигается изоэлектрическая точка (pH =рГ). Число ка¬
тионных и анионных групп молекул белка совпадает (рис. 33.7). Величина pi белков зави-Таблица 33.2Значения изоэлектрических точек некоторых белковБелокPiБелокPiПепсин желудочного сока2,00у-Глобулин крови6,40Казеин молока4,60Гемоглобин6,68Альбумин сыворотки крови4,64Оксигемоглобин6,87а-Глобулин4,80Химотрипсин8,60Миозин мышц5,00Рибонуклеаза9,50Р-Глобулин крови5,20Цитохром С10,70Фибриноген крови5,40Лизоцим10,70
ГЛ. 33]АМИНОКИСЛОТЫ. ПОЛИПЕПТИДЫ547сит от природы буферной системы и ионной силы раствора. В
зависимости от аминокислотного состава белки подразделяют¬
ся на «нейтральные» (pi = 5,0-7,0), «кислотные» (pi < 4,0) и
«основные» (р1> 7,5) (табл. 33.2).Изоэлектрическая точка белков может быть измерена с по¬
мощью электрофореза, так как в этой точке подвижность по¬
липептида равна нулю. При этом используется прием изолек-
трического фокусирования. Суть его состоит в том, что между
электродами устанавливают градиент рН} так что разные бел¬
ки образуют стационарные зоны в тех местах, где их pi совпадает с pH. Если отдельные зоны
затем отделить друг от друга, возникает метод разделения и анализа природной смеси бел¬
ков. Для определения изоэлектрической точки могут быть использованы также данные по
набуханию и коагуляции полиамфолитов в растворах с различными значениями pH (см.
разд. 39.3).h3n:HqN+“Н3№H,NРис. 33.7. Полиамфолит
в изоэлектрической точке.
Глава 34.ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИЛаборатория живой клетки с ее катали¬
тическими процессами — вот идеал
органической химии.А. Е. АрбузовФерменты (энзимы) являются катализаторами химических реакций, происходящих в
живых системах. В настоящее время известно около 10000 биохимических реакций, каждая
из которых катализируется ферментами.Характерной особенностью ферментов является чрезвычайно высокая эффективность.
Так, разложение пероксида водорода без катализатора имеет энергию активации 75 кДж/
моль, гетерогенный катализ под действием платины снижает активационный барьер до 48
кДж/моль, а в присутствии фермента этой реакции, каталазы, энергия активации составляет
лишь 23 Дж/моль. Такое изменение энергии активации приводит к увеличению скорости
реакции в 20 000 и 31011 раз, соответственно.Гидролиз белков под действием НС1 требует энергии активации 80 кДж/моль, а присут¬
ствующий в желудочном соке трипсин понижает ее до 50 кДж/моль, благодаря чему и про¬
исходит усваивание белковой пищи желудком.Один моль фермента может вызвать трансформацию от 1000 до 100 000 молей веще¬
ства (субстрата) в течение секунды, что равносильно увеличению скорости нефермента¬
тивной реакции в 1010-1013 раз. Такая эффективность ферментов объясняется, во-первых,
концентрационным фактором — т.е. активной сорбцией ферментом субстрата, что эквива¬
лентно увеличению его концентрации. Концентрационный фактор увеличивает скорость
в тысячи раз.Во-вторых, ферменты проявляют ориентационный эффект, который увеличивает ско¬
рость реакции еще примерно в тысячу раз. Сущность ориентационного эффекта состоит в
наличии стереоспецифического контакта активного центра фермента с субстратом. Это рез¬
ко увеличивает вероятность эффективного столкновения, что отвечает возрастанию предэк-
споненциального множителя А в уравнении Аррениуса (см. разд. 7.3).В-третьих, ферменты обладают полифункциональным эффектом, который имеет реша¬
ющее значение. Этот эффект состоит в одновременном действии на молекулу субстрата не¬
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ549скольких атакующих групп фермента или в ряде последовательных воздействий на превра¬
щающуюся связь.Эффекты сближения (концентрирования), ориентации и полифункциональности дей¬
ствия являются тремя главными факторами, определяющими высокую каталитическую
активность ферментов.Ферменты — это белки или их производные, которые благодаря особой трехмерной
структуре выступают в качестве высокоспецифичных биохимических катализаторов*. В
целом клетка нуждается в разнообразных ферментах, каждый из которых катализирует стро¬
го определенную реакцию. Лишь ограниченное число ферментов катализирует определен¬
ную разновидность реакций. Так, например, эстеразы являются катализаторами гидролиза
только сложных эфиров.Процессы в живой природе, как правило, представляют собой серию взаимосвязанных
сложных реакций. Зачастую продукт одной реакции служит исходным материалом (суб¬
стратом) для другой реакции. Реакции должны быть весьма специфичными, чтобы не воз¬
никало осложнений со стороны других процессов, протекающих одновременно.Совокупность факторов, определяющих высокую активность ферментов, в отдельных
случаях приводит к тому, что некоторые реакции осуществляются лишь в условиях фермен¬
тативного катализа, а в других вариантах остаются еще неизвестными.34.1. Химические принципы ферментативной кинетикиПо своим размерам молекулы ферментов близки к коллоидным частицам (см. гл. 38).
Поэтому их нельзя однозначно отнести ни к гомогенным, ни к гетерогенным катализа¬
торам и поэтому их выделяют в отдельный класс ультрамикрогетерогенных катализа¬
торов.Действие ферментов, как было сказано, заклю¬
чается в понижении энергии активации реакции.Огромную роль в катализе ферментами играет об¬
разование промежуточного продукта ES (интерме¬
диата) между метаболизирующимся веществом S
(субстратом) и ферментом Е (энзимом).Высокий энергетический барьер некатализиру-
емого процесса разбивается, как минимум, на два
меньших, так как в этом случае реагирующие ча¬
стицы оказываются сближенными и сориентиро¬
ванными еще до начала реакции — до стадии обра¬
зования промежуточного соединения. В результате
энергетическая диаграмма реакции складывается
из двух максимумов, отвечающих двум различным
энзим-субстратным комплексам и трех миниму¬
мов, отвечающих субстрату, интермедиату и про¬
дуктам (рис. 34.1).* Не так давно была открыта энзиматическая (рибонуклеазная) активность у некоторых видов РНК, что по¬
служило толчком для разработки технологий создания рибозимов — специфических молекул РНК, обладающих
различными энзиматическими активностями и предназначенных для генной инженерии, борьбе с опухолевыми
заболеваниями и ВИЧ-инфекцией.Рис. 34.1. Энергетическая диаграмма
ферментативной реакции.
550ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. VХарактерной чертой ферментативного катализа
является то, что скорость ферментативной реакции
увеличивается до определенной постоянной величи¬
ны (Vmfix). Типичная кривая зависимости скорости
ферментативной реакции от концентрации субст¬
рата Cs (при СЕ — const) представлена на рис. 34.2.
Причем при низких концентрациях субстрата реак¬
ция имеет по субстрату первый порядок, а при вы¬
соких — нулевой. При этом скорость реакции стано-Рис. 34.2. Зависимость скорости фермента- вится максимальной Vm(xx .
тивной реакции от концентрации субстрата. В 1913 году Михаэлисом и Ментен была предло¬
жена теория, объясняющая эту зависимость. Фер¬
ментативный процесс можно представить схемой:ki koЕ + S » ES —^ Е + Р,k2в которой Е и S — фермент и субстрат, ES — промежуточное соединение, Р — продукт реак¬
ции, a kU3 — константы скоростей отдельных стадий, в указанных стрелками направлениях.Начальная скорость образования продукта реакции Р должна быть пропорциональна
концентрации промежуточного комплекса:С другой стороны, скорость реакции определяется соотношением скоростей всех трех
реакций:Vf = kr [Е] • [S], V2 = kr [ES], V3 = kr [ES].Концентрацию фермента через некоторый промежуток времени после начала реакции
можно представить, как [Е] = [E]0-[ES].В обратимом процессе образования комплекса ES в состоянии равновесия скорость его
образования Vu равна скорости его разложения V2+ V3.V-(V2+V3) = 0; кЩ • [S] - k2[ES] - *3[ES] = Ц [E]0- [ES]} v[S] - &2[ES] - ^[ES]=0.
Решая это уравнение относительно [ES], находим:fES1=iM_£,[S ]+k2+k3В этом случае скорость ферментативной реакции будет описываться уравнением4Л[ЕЩ ЩЕИЗ,* • K.+[SJk. “I" k-где Km = — — константа Михаэлиса.к\В кинетических исследованиях используют величину максимальной скорости Vm(ixy т.е.
скорости, с которой реагирует фермент, полностью существующий в виде комплекса ES.
Тогда[E]0=[ES], a Vmax = kj ■ [ES] = k} ■ [E]0.
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ551Подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим:, м0 *и+и’КпахЕсли V0 = -J-5- f то Кт= [S], т.е. величина константы Михаэлиса численно равна концен¬
трации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной (см.
рис. 34.2).Кинетическая константа k3 в уравнении Vmax= k3-[E]Q называется числом оборотов фер¬
мента, которое показывает количество молекул субстрата, превращаемых в продукт реакции
(в единицу времени, за секунду) в условиях, когда весь фермент находится в составе интер¬
медиата ES. Одним из самых активных ферментов является карбоангидраза, для которой
число оборотов составляет 6-105 с1. Таким образом, 10_6 М раствор карбоангидразы спосо¬
бен катализировать образование 0,6 моля Н2С03 из С02 и Н20 за секунду. В этом случае
Vmax= 6* 105 с-1-10-6 моль/л = 0,6 моль/л-с.Величина константы Михаэлиса зависит от pH, температуры, природы субстрата и дру¬
гих факторов. Ее значение, приводимое наряду с Vvl(JX и числом оборотов фермента, как ко¬
личественный параметр ферментативной реакции, служит характеристикой конкретной
фермент-субстратной системы в определенных условиях.34.2. Механизм действия ферментов...взаимоотношение между соответствую¬
щими группировками, ...принадлежащими к
питательным веществам, с одной сторо¬
ны, и клетке, с другой, должны быть
специфичными. Они должны подходить
друг к другу, как гайка и винт или как ключ
и замочная скважина.П. ЭрлихДля описания механизма действия ферментов общепринято сравнение с замком и клю¬
чом. Эта аналогия полезна, однако не отражает других происходящих взаимодействий, на¬
пример, изменения формы фермента при его связывании с субстратом.Активный центр, то есть та часть фермента, которая участвует в непосредственном вза¬
имодействии с субстратом, включает лишь несколько аминокислотных остатков, причем эти
остатки могут принадлежать участкам белковой цепи, взаимно удаленным друг от друга.Активный центр создается определенной конфигурацией белковой молекулы, образую¬
щей полость, в которую встраивается активируемый субстрат. Это объясняет специфичность
каталитического действия ферментов.Переплетенная за счет слабых взаимодействий молекула фермента проибретает сложную
объемную форму. На ее поверхности существуют выпуклости, складки, углубления, впади¬
ны, ниши, щели. В одной из таких неровностей и образуется активный центр фермента, ко¬
торый обычно состоит из 2-3 аминокислотных остатков, сближенных между собой. В соот¬
ветствии с представлениями Э. Фишера в этот активный центр, как ключ в замок, входит
реагирующая с ферментом молекула — субстрат.
552ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫФерментативный катализ является кислотно-основным процессом. Функциональные
группы аминокислот, входящих в состав активного центра, являются носителями кислотных
или основных свойств.Рассмотрим строение и роль активного центра фермента на примере молекулы химо-
трипсина, осуществляющего гидролиз пептидной связи.Химотрипсин представляет собой
полипептид, построенный из 246 L-ами-
нокислот. Его третичная структура, кро¬
ме прочих факторов, определяется че¬
тырьмя дисульфидными мостиками и и
двумя ион-ионными взаимодействиями
между СОО" и NH3+-rpynnaMH. Пред¬
ставление о пространственной структуре
его молекулы дает модель, полученная
методом рентгеноструктурного анализа
(рис. 34.3).Жирными линиями выделены обра¬
зующие активный центр аминокислоты,
молекула метаболизирующегося суб¬
страта, а слева и справа внизу — гидро¬
фобные участки, окружающие активный
центр.Рис. 34.3. Молекула химотрипсипа, полученная методом АКТИВНЫЙ центр химотрипсина фор-рентгеноструктурного анализа. мируют пространственно сближенныемежду собой аминокислотные остатки
серина (Ser-195), гистидина (His-57) и аспарагиновой кислоты (Asp-102). Они образуют
между собой единую систему (переходное состояние), соединенную водородными связя¬
ми, которую называют системой с переносом заряда:Asp-102 His-57 Ser-195Ионизированная в обычном состоянии карбоксильная группа аспарагиновой кислоты и
протон группы NH имидазольного кольца гистидинового остатка соединены водородной
связью, однако в процессе реакции протон переходит к аспарагиновой кислоте, что увели¬
чивает отрицательный заряд имидазольного цикла. Это в свою очередь благоприятствует
отрыву протона гидроксильной группы серинового остатка, необходимого для участия в
гидролизе пептидной связи субстата. Следовательно отрицательный заряд аниона аспара¬
гиновой кислоты действует как электростатический катализатор, стабилизирующий возни¬
кающий положительный заряд на молекуле гистидина при возможном отрыве ею протона
от гидроксильной группы молекулы серина.Таким образом, перенос всех протонов в процессе ферментативной реакции осуществля¬
ется синхронно, сам активный центр образует в совокупности составной нуклеофил.Предполагаемый механизм действия химотрипсина представлен на рис. 34.4. В самом
ферменте Е (рис. 34.4, а) существует, как сказано, система с переносом заряда. При подхо¬
де молекулы субстрата S имидазольный атом азота выступает в качестве основного катали-
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ553затора, что способствует отрыву протона от группы ОН, активируя кислородный атом гид¬
роксильной группы серинового остатка для атаки карбонильного атома углерода полипеп¬
тидной связи (рис. 34.4, б). В результате образуется непрочный фермент-субстратный ком¬
плекс (E-S).К тому же, как выяснилось, в дополнительной стабилизации отрицательного заряда в
ходе образования фермент-субстратного комплекса участвует не входящий в состав актив¬
ного центра, однако расположенный в удобной пространственной позиции аминокислотный
остаток молекулы глицина в 193-ем положении (Gly-193). Аминогруппа пептидной связиPiРис. 34.4. Механизм гидролиза пептидной связи активным центром химотрипсина.
554ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vс участием этого остатка глицина образует дополнительную водородную связь с атомом
кислорода пептидной связи субстрата.Дальнейшее превращение приводит к разрыву пептидной связи и образованию фер¬
мента, ацилированного по гидроксильной группе ацил-Е, а также одного из продуктов Pt
(рис. 34.4, в). Затем имеет место гидролиз сложноэфирной группы (рис. 34.4, г), в резуль¬
тате чего получается второй продукт реакции Р2 (RjCOOH) и высвобождается готовый к сле¬
дующему каталитическому акту активный центр фермента (рис. 34.4, Э).Таким образом, взаимодействие фермент-субстрат представляет собой высокоорганизо¬
ванную и согласованную во времени и пространстве систему. В результате многоточечного
контакта «фермент-субстрат» достигаются необходимая ориентация и сближение реаги¬
рующих групп в пределах активного центра. По существу происходит перевод реакции из
межмолекулярного режима во внутримолекулярный еще до начала самой реакции и фор¬
мирования переходного состояния. Внутримолекулярный режим исключает энтропийные
потери, необходимые для наведения порядка в случае переходного состояния некаталити¬
ческого процесса.Участок фермента, называемый активным центром, не только обусловливает определен¬
ную стереоспецифичность реакции. Важна природа боковых цепей, образующих этот центр,
их гидрофильные и гидрофобные свойства. Так, наличие в активном центре неполярных
групп приводит к тому, что среда приобретает низкую диэлектрическую проницаемость по
сравнению с водной фазой, в которой находится фермент. Это в свою очередь приводит к
изменению некоторых параметров: иначе идут процессы электролитической диссоциации,
становятся более сильными ион-ионные взаимодействия.Все это важно для правильного функционирования фермента и дает объяснение явлению
избирательности действия фермента, в частности, химотрипсина. Известно, что химотрип-
син гидролизует пептидные связи, образованные с участием фенилаланина, триптофана или
тирозина с другими аминокислотами. В то же время трипсин гидролизует связи аминокис¬
лот с лизином или аргинином, а пепсин расщепляет связь между валином и лейцином. Меж¬
ду тем, известно, что все три этих гидролитических фермента имеют однотипный активный
центр, а именно триаду Ser-His-Asp. Различие в гидрофобном окружении активного цен¬
тра (рис. 34.3) для каждого из этих ферментов формирует размер и форму полости, окружа¬
ющей его, и размещение на ее периферии заместителей, способных к тем или иным видам
слабых взаимодействий с данным конкретным субстратом. Это и определяет селективную
активность ферментов.Следует ясно представлять себе, что как сам фермент, так и его активный центр не явля¬
ются застывшими образованиями. Ведь в самом ферменте, когда субстрат отсутствует, имеет
место свой собственный набор взаимодействий со своим специфическим энергетическим
эффектом. Взаимодействие между субстратом и ферментом характеризуется собственным
суммарным энергетическим вкладом, который вызывает последующие перестройки фермен¬
та, благоприятные для еще более тесного сближения субстрата с ферментом. Можно гово¬
рить о «настраивании» активного центра. Аналогичные изменения имеют место и в молекуле
субстата. И те, и другие изменения направлены на образование переходного состояния, ста¬
билизация которого является движущей силой реакции. Таким образом, кооперативный
эффект проявляется в наборе факторов, который благоприятствует протеканию реакции.Итак, важнейшие причины, способствующие прохождению ферментативных реакций
состоят во многоточечном взаимодействии фермент-субстрат, необходимом для сближения
и правильной ориентации реагирующих групп, в переводе реакции во внутримолекулярный
режим и в стабилизации переходного состояния реакции.
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ55534.3. КофакторыНаряду с чисто белковыми ферментами, к числу которых относится химотрипсин и ко¬
торые осуществляют лишь кислотно-основную регуляцию метаболических процессов, су¬
ществует много ферментов, в состав которых входит и небелковая часть, без которой фер¬
мент не может функционировать.Действительно, если раствор такого неочищенного фермента в целлофановом мешочке
поместить в дистиллированную воду, поры в целлофане позволяют низкомолекулярным
компонентам раствора диффундировать в наружный водный раствор, в то же время моле¬
кулы белка остаются внутри мешочка. Оказалось, что фермент становится неактивным до
тех пор, пока отделенные таким способом низкомолекулярные компоненты не будут добав¬
лены к нему вновь. Следовательно деятельность ферментов в биосредах активируется при¬
сутствующими в биосредах низкомолекулярными веществами.Активаторами ферментов могут быть ионы металлов или сложные органические моле¬
кулы. Они называются кофакторами или коферментами. Именно кофакторы в составе
фермента и осуществляют необходимую реакцию, взаимодействуя с субстратом. Роль же
белковой части таких ферментов, называемой апоферментом, состоит в основном в про¬
странственной организации всего превращения.Чаще всего кофактор размещается в специальной полости-кармане апофермента, в ко¬
торой удерживается посредством невалентных слабых взаимодействий. Однако в отдельных
случаях между кофактором и апоферментом может осуществляться ковалентное связыва¬
ние: координационное соединение с катионом металла, сульфидный или дисульфидный
мостики для органических кофакторов. Большинство кофакторов из числа органических
молекул относится к производным азотистых гетероциклов, по преимуществу из ряда нук¬
леотидов. Обычно (но не всегда) они ответственны за окислительно-восстановительные
превращения субстратов.Примером участия катионов металлов в качестве кофакторов в ферментативных процес¬
сах может служить действие катиона цинка в составе фермента карбоангидразы при связы¬
вании углекислого газа водой (рис. 34.5). Природа функциональных групп в активном цен¬
тре фермента, с которыми связан катион цинка, для упрощения не указана.Как уже отмечалось ранее (см. гл. 12), в биосредах имеют место три типа окислительно¬
восстановительных превращений. Окислительно-восстановительные кофакторы, отвечаю¬
щие за одну из разновидностей таких реакций — дегидрирование, относятся к числу произ¬
водных нуклеотидов.Таковы типичные кофакторы — никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и его фос-
форилированное производное никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+).Оактивный центрРис. 34.5. Участие активного центра карбоангидразы в гидратации углекислого газа.
556ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VНиже приведены формулы этих соединений и показана суть окислительно-восстано¬
вительного перехода, связанного с гидрированием-дегидрированием пиридинового цикла.
Это — пиридинзависимые дегидрогеназы. Всего известно свыше 150 различных пиридин-
зависимых дегидрогеназ, и, по-видимому, ни один из других коферментов не осуществляет
в организме такого большого количества разнообразных превращений.R = Р03Н2 (НАДФ+)/^^conh2N'субстратНч ,НCONH,+ субстрат + Н+НАД+ НАД(Н)Другая разновидность дегидрогеназ относится к числу флавинзависимых. Наиболее
распространенный кофактор этой группы — флавинадениндинутслеотид (ФАД).О! 11 ~ ii,о~| о оI ! п иCH2-(CH2)3-CH2-0fP-0-P-0H2Cостаток рибофлавинаIОН ононфлавинадениндинуклеотид (ФАД)СН3-СН3"субстратО+ субстратФАДФАД(2Н)
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ557В основе структуры этого кофактора лежит гетероцикл — аллбксазин, производным ко¬
торого является рибофлавин (его остаток отделен на схеме пунктиром). Окислительно-вос¬
становительный переход с участием рибофлавинового фрагмента и лежит в основе принци¬
па действия этого кофактора.Еще одним характерным представителем кофакторов из числа представителей нуклео¬
тидов может служить коферментА, состоящий из связанных между собой остатков адени-
на, рибозы, пирофосфат-иона, пантотеновой кислоты и 2-аминоэтантиола (меркамина).NH2остаток пантотеновой кислотыОН СНз jo ОII ! п иСН-С-СН2-0|Р-0-Р-0Н2СI I i I I0=С СН3 i0H 0НI .NH ( он ОНCH2CH2C-1-NHCH2CH2SHII!О остаток меркаминакофермент АС одной стороны, как уже сказано ранее (см. разд. 23.3), кофермент А (сокращенно КоА
или HS-KoA) осуществляет в тканях перенос ацильной группы за счет тиольной группы
меркаминового фрагмента молекулы по схеме:RCOOH + HS-KoA -> RCOS-KoA + Н20.тиоэфирСильная поляризуемость атома серы вызывает высокую активность образующихся ти-
оэфиров, которые охотно вступают во взаимодействие с различными нуклеофилами — во¬
дой, аминами, спиртами. Тем самым происходит перенос ацильной группы к этим нуклео¬
филам, например:RCOS-KoA + H2NR -> RCO-NHR + HS-KoA.С другой стороны, в молекуле ацилкофермента А имеется подвижный атом водорода в
a-положении к карбонильной группе, что благоприятствует его отрыву в виде протона с
образованием соответствующего карбаниона. Оба эти свойства в совокупности проявляются
в участии кофермента А в ферментативном процессе окислительного расщепления жирных
кислот (см. разд. 29.4). Следует указать, что этот процесс реализуется с участием целого
набора кофакторов, среди которых отметим ФАД и НАД+.Совокупно окислительное расщепление жирных кислот может быть представлено схе¬
мой, приведенной ниже.Сначала происходит тиоацилирование жирной кислоты коферментом А:,РRCH2CH2CH2COOH + HS-KoA rch2ch2ch2c +h2oS-KoA
558ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VВо второй стадии происходит дегидрирование кислоты при участии окисленной формы
ФАД, что возможно из-за высокой подвижности атома водорода в a-положении к тиоациль-
ной группе. Реакция протекает стереоспецифично — образуется транс-изомер ненасыщен¬
ной кислоты.Y Р а /? /РRCH2CH2CH2C + ФАД RCH2CH=CHC +ФАД(2Н)S-KoA S-KoAДалее при катализе гидратазой происходит присоединение воды по кратной связи, кото¬
рое идет вопреки правилу Марковникова, с образованием оптического L-изомера.О ,0rch2ch=chc +н2о rch2ch-ch2c2 \ I \S-KoA ОН S-KoAСледующая стадия включает дегидрирование спиртовой группы, которое осуществляет¬
ся соответствующей дегидрогеназой и окисленной формой кофермента НАД+./РRCH^H-CH.C7 + НАД+ RCH2C-CH2C + НАД(Н) + Н+I \ II \ОН S-KoA О S-KoAВ результате образуется (3-кетокислота в виде кетотиоэфира. Теперь снова действует
кофермент А (при катализе фермента тиолазы), вызывающий разрыв связи С-С по сосед¬
ству с карбонильной группой с отщеплением ацетилкофермента и присоединением компо¬
нентов кофермента А по месту разрыва межуглеродной связи:,о О ОRCH2C-CH2C + HS-KoA RCH2C + СН3-СII \ \ \О S-KoA S-KoA S-KoAВпоследствии другие ферменты превращают две образовавшиеся тиоэфирные молекулы
в соответствующие кислоты RCH2COOH и СН3СООН (если быть более точными — в их аце¬
тильные производные RCH2COOCOCH3 и СН3СООСОСН3), в результате чего высвобожда¬
ются две молекулы кофермента А, снова готовые к следующей процедуре расщепления жир¬
ной кислоты. Таким образом происходит постепенный полный распад жирной кислоты,
причем в каждой из стадий расщепления ее молекула теряет один остаток уксусной кислоты.Рассмотренный пример позволяет нам пронаблюдать действие сразу же нескольких ко¬
факторов (кофермента А, ФАД и НАД+) и одновременно продемонстрировать, что многие
метаболические реакции представляют ряд согласованных между собой последовательных
ферментативных процессов.34.4. Важнейшие метаболические реакцииВ предыдущих главах учебника указывались важнейшие метаболические реакции тех
или иных функциональных групп или отдельных биомолекул. Здесь важнейшие из этих
превращений систематизированы.
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ559Как уже было сказано выше, существует три разновидности ферментативных окисли-
тельно-восстановительных реакций. Ферменты реакций этого типа, оксидоредуктазы, пере¬
носят водород или электроны и катализируют биологическое окисление. В их состав входят
специфические коферменты — ФАД, НАД+, коэнзим Q и др.Гидролитическое расщепление характерно для пептидной, сложноэфирной, амидной и
гликозидной связей. В соответствии с типом разрываемой связи ферменты, регулирующие
эти процессы, называют гликозидазами, эстеразами и т.д., а в целом они принадлежат к се¬
мейству гидролаз. Совокупность гидролитических реакций представлена в табл. 34.1.Таблица 34.1Гидролитические метаболические реакцииСубстратРеакцияБелки, пептидыR-C-NH-R! Н2°» R-C-OH + H2N—Riii иО ОДи-, полисахаридын,о н2о н2окрахмал ■■ »• декстрины 1 ■ » мальтоза » глюкозаП ол ину кл еотид ыПолинуклеотид ► мононуклеотидыЛипидыСН2 —OCOR, СН2-ОН HOOCR,1 н2о \ 1 + 1
CH-OCOR2 ► СН-ОН HOOCR2CH2-OCOR3 CH2-OH HOOCR3Эфиры фосфорной
кислотыАТФ + Н20 ► АДФ + Н3РО4Большую группу метаболических превращений составляют реакции переноса группы
атомов с помощью специфических переносчиков, которые действуют как коферменты.
Известны реакции переноса метальных, карбоксильных, амино-, сульфо-, формильных и
фосфорильных групп. Ферменты, ответственные за эти превращения, называют трансфе-
разами. Типичные примеры реакций этого типа даны в табл. 34.2.Взаимопревращения изомеров, включая рацемизацию, цис-транс-изомеризацию, переме¬
щение двойных связей, обмен групп у асимметрического атома углерода, перемещение фос¬
фатной группы от одного атома углерода к другому в углеродной цепочке широко распрос¬
транены среди метаболических превращений. Их катализируют ферменты изомеразы.В некоторых метаболических превращениях имеет место негидролитическое отщепление
группы от молекулы субстрата. Возможно также отщепление с образованием двойных свя¬
зей или присоединение той или иной группы по двойной связи. Типичные отщепляемые
группы — С02, Н20, NH3. Эти реакции называют декарбоксилированием, дегидратацией,
дезаминированием, соответственно. Специфические ферменты реакций отщепления назы¬
вают лиазами. Примеры реакций отщепления сведены в табл. 34.4.Крайне важны реакции образования новых связей с помощью макроэргических фосфо-
ангидридных соединений. В качестве таких компонентов может выступать АТФ или другое
макроэргическое соединение, а также биотин в процессах ферментативного карбоксилиро-
вания (см. гл. 31). Ферменты этой группы называют лигазами. В результате их действия
происходит образование связей С-С в процессе синтеза жирных кислот, связей C-N и С-0
при биосинтезе белков.
560ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫМетаболические реакции переноса групп[Ч. VТаблица 34.2Переносимая группаРеакцияФосфорил-О ОR-O-P-OH + R'-OH ► R-O-P-OH + R-OHОН ОНСульфурил-0 0 0 0R— о-р—O-S-OH + R'-OH ► R-O-P-OH + R'-O-S-OHi ii i и
ОН 0 ОН 0Амино-R—С=0 + H2NCH2R' ► R’—С=0 + H2NCH2Rн нАцетил-СН2СООНR—С-СООН + 0=C-S-KoA ► R-C-COOH + HS-KoAн i i0 сн3 онТаблица 34.3Метаболические реакции изомеризацииРазновидностьПримерПеренос фосфатной
группы1-Фосфат D-глюкопиранозы—6-фосфат D-глюкопиранозыCi_C2Глюкоза —► фруктозаС2-С3НОСН2-СН-СООН ► Н203Р-0СН2-СН-С00Н0Р03Н2 ОНЭпимеризацияГлюкоза —маннозаРацемизацияD —►LТаблица 34.4Метаболические реакции отщепленияРеакцияПримерДекарбоксилированиеR—С—СООН ► R-C-H + С02А к
0 ОДегидратацияRCH2CHR’ ► RCH-CHR*ОНДезаминированиеRCH2CHR’ ► RCH-CHR*nh2Ретроальдолизацияфруктоза —> дигидроксиацетон + глицериновый альдегид
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ561Особого рассмотрения требует вопрос о метаболизме аминокислот. Аминокислоты слу¬
жат источником белков, биорегуляторов пептидной природы, ферментов, пуриновых и пи¬
римидиновых оснований (а следовательно и нуклеиновых кислот), пиррольных производ¬
ных (порфиринов) и ряда других соединений. При необходимости аминокислоты служат
источником энергии за счет окисления их углеродного скелета.В живых организмах количество отдельных аминокислот и их общая сумма остаются
постоянными. Постоянно и количество поступающего и выводящегося азота в целом (азот¬
ный баланс).Живые организмы не запасают аминокислоты и белки впрок, поэтому необходимое ко¬
личество азота (обычно в виде аминокислот) поступает с пищей. Кроме того, источником
аминокислот (эндогенный источник) могут служить белки организма, которые постоянно
подвергаются метаболизму с освобождением входящих в них аминокислот. Разница между
поступлением аминокислот извне и из эндогенных источников, и расходом аминокислот,
служащих субстратами в биохимических процессах, и составляет постоянную концентра¬
цию аминокислот в биосредах.Скорость распада и синтеза индивидуальных белков различна для разных тканей. Так,
период полураспада белков печени и плазмы крови составляет 10 сут., белков слизистой
оболочки кишечника — несколько суток, а период полураспада гормонов белковой приро¬
ды и ферментов — часы или минуты (для инсулина 6-9 мин). В среднем период полураспада
белка в организме человека составляет около 80 сут. Эндогенные источники очень важны,
так как только треть аминокислот поступает с пищей.При дезаминировании аминокислот образуется аммиак. Только беспозвоночные мо¬
гут выделять аммиак в окружающую среду. У человека и других млекопитающих конеч¬
ным продуктом азотного обмена является мочевина, у птиц и пресмыкающихся — моче¬
вая кислота.Мочевина образуется в результате процесса, который происходит в печени и получил
название цикла мочевины. Источником аммиака для биосинтеза мочевины служит окисли¬
тельное дезаминирование глутаминовой кислоты.Декарбоксилирование аминокислот — это процесс, который в живых организмах проис¬
ходит под действием ферментов флоры кишечника. У высших организмов декарбоксилиро¬
вание особенно интенсивно идет после смерти. При этом из лизина и орнитина образуются
такие биогенные амины, как кадаверин и путресцин.Превращение углеродного скелета аминокислот, необходимое для синтеза заменимых
аминокислот из незаменимых, требует предварительного удаления аминогруппы. Чаще все¬
го это достигается транс-аминированием (см. разд. 33.1). Транс-аминирование аминокислот
является к тому же важным связующим звеном между метаболизмом аминокислот и угле¬
водов. В этот процесс вовлечены некоторые заменимые аминокислоты, которые через ряд
промежуточных соединений превращаются в гликоген.34.5. Физико-химические принципы гомеостазаПостоянство внутренней среды — необхо¬
димое условие жизни.К. БернарВ биосистемах протекают разные процессы: дыхание, мышечное сокращение, транспорт
веществ и т.д. Вся совокупность этих процессов в живых системах взаимосвязана.
562ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VВодно-электролитный баланс обеспечивает постоянство осмотического давления, необхо¬
димого для поддержания постоянства концентраций множества компонентов биосред и для
равномерного транспорта питательных веществ в клетку и выведения продуктов метаболиз¬
ма из нее. Одновременно поддерживается постоянство ионной силы внутриклеточных раство¬
ров и плазмы крови. Ее величина сильно сказывается на ферментативной активности.С ионной силой тесно связаны процессы диссоциации электролитов биосред, в первую
очередь, кислотно-основное равновесие компонентов биологических буферных систем. С
их помощью поддерживается кислотно-основное состояние отдельных тканей, биосред и
организма в целом. Тем самым достигается постоянство рЯ, необходимое для успешного
функционирования ферментов, чья активность чрезвычайно чувствительна к изменению
кислотности.В свою очередь, металло-лигандный баланс, определяющий оптимальное содержание
металлов в биосредах, как и гетерогенное равновесие, регулирующее формирование твер¬
дых структур организма, зависят от величины pH и тесно связаны с кислотно-основным
состоянием.Окислительно-восстановительные процессы, являющиеся поставщиком энергии биоло¬
гических систем, представляют собой серию взаимосвязанных многостадийных превраще¬
ний, причем часть из них также является рЯ-зависимыми. Таким образом, интенсивность
протекания биологических окислительно-восстановительных превращений тесно увязана
с кислотно-щелочным состоянием организма.При всем разнообразии эти процессы можно свести к двум типам: обратимые и необра¬
тимые.В обратимом процессе система постоянно находится в состоянии, бесконечно близком
к термодинамическому равновесию, и достаточно лишь незначительно изменить условия,
чтобы процесс был обращен. Термодинамическое равновесие — состояние системы, когда
градиенты различных видов энергии выровнены и способность системы совершать работу
равна нулю. Представления о термодинамическом равновесии вытекают из термодинами¬
ки закрытых систем и обратимых процессов (см. гл. 6).При необратимом процессе система изменяется по направлению к конечному состоянию
с определенной скоростью. При этом часть свободной энергии системы (то есть той энергии
системы, за счет которой может совершаться работа при постоянной температуре) теряет¬
ся в виде тепла. Для того чтобы обратить данный процесс, необходимо компенсировать эти
потери. Следовательно, обращение необратимого процесса связано с остаточными измене¬
ниями в окружающей среде.Процессы, протекающие в биосистемах, носят, как правило необратимый характер, и
сопровождаются увеличением энтропии. В биосистемах не вся затрачиваемая при данном
процессе свободная энергия переходит в полезную работу, т.к. часть ее рассеивается в виде
тепла. Чем больше увеличение энтропии при данном процессе, тем более он необратим.Применим ли к биосистемам второй принцип термодинамики? С одной стороны, в биоси¬
стемах протекают процессы, при которых энергия в соответствии с этим принципом перехо¬
дит с более высокого на более низкий уровень. В процессе дыхания богатые энергией и слож¬
ные по строению углеводы распадаются до простых низкоэнергетических веществ — воды и
углекислоты, а выделившаяся свободная энергия используется для реализации других про¬
цессов. С другой стороны, в живых системах осуществляются и процессы, при которых энер¬
гия переходит на более высокий уровень. При фотосинтезе из простых бедных энергией
соединений углекислоты и воды при участии квантов света синтезируются углеводы, содер¬
жащие значительный запас свободной энергии.
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ563Это позволило сомневаться в применимости второго принципа термодинамики к биоси¬
стемам. Между тем, эти сомнения снимаются, если рассматривать живые организмы во вза¬
имодействии с внешней средой. В изолированной системе самопроизвольно протекающие
процессы приводят ее к состоянию термодинамического равновесия. Однако функциониру¬
ющие биологические системы никогда не достигают такого состояния. Они всегда облада¬
ют работоспособностью, а их энтропия немаксимальна. Это объясняется тем, что биосисте¬
мы являются не изолированными, а открытыми системами. Они постоянно обмениваются
энергией с внешней средой.Для рассмотрения приложимости второго принципа термодинамики к биосистемам сле¬
дует брать вместе с участком среды, обеспечивающим его нормальное функционирование в
течение определенного времени. Такая система названа условно изолированной системой.
В отдельных участках этой системы энтропия может уменьшаться, однако это уменьшение
происходит за счет возрастания энтропии в другой части такой системы. В результате общая
энтропия такой системы в соответствии со вторым принципом термодинамики не уменьшает¬
ся, а имеет тенденцию к увеличению.В живых системах, как и в закрытых термодинамических, сохраняется постоянство ус¬
ловий: давления, объема, температуры, концентрации компонентов. Однако это не равновес¬
ное состояние, и наблюдаемое постоянство достигается за счет постоянного (то есть идущего
с постоянной скоростью) притока и оттока веществ из системы. Такое состояние системы
называется стационарным, и его исследует термодинамика открытых систем и необрати¬
мых процессов.В таком случае принято говорить не о равновесии, а о балансе.Рассмотрим в качестве примера водный баланс организма (рис. 34.6). В любой открытой
емкости с водой, уровень последней может изменяться в зависимости от множества причин.
Количество воды может прибывать в результате
дождя, конденсации и др. или убывать вледствие
испарения, разбрызгивания и т.д. Точно также дело
обстоит с водным балансом организма. Вода посту¬
пает в организм с питьем, с пищей и в результате
метаболических процессов. В свою очередь мы те¬
ряем влагу с мочой, потом и испражнениями. Тем не
менее, суточный баланс воды составляет в среднем2 л/сутки и остается примерно одним и тем же в те¬
чение нашей жизни.В течение суток мы теряем примерно 500 Джо¬
улей, однако компенсируем эту потерю поступле¬
нием такого же количества энергии с пищей. Те¬
перь изменим условия. Пусть поступление энергии
в наш организм уменьшится до 250 Дж/сутки. Тог¬
да уменьшится и вес тела, однако это уменьшение
не будет происходить с постоянной скоростью до полной гибели организма. Скорость потери
веса уменьшается и со временем достигает некоей постоянной величины. Этот вес отвечает
новому равновесию между поступлением энергии и ее оттоком из организма.Еще один пример. В закрытой системе отдельные компоненты гидрокарбонатного буфе¬
ра присутствуют в равновесных концентрациях, которые являются функцией pH (рис. 34.7).
Их соотношение — величина постоянная. Для открытой системы, каковой является плазм; ,
крови, характерно равенство количеств поглощаемого и выделяемого в единицу временипотери потреблениеРис. 34.6. Составляющие суточного водного
баланса.
564ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫСО,HCOi+H+ Н2О + СО2со2Рис. 34.7. С02 в закрытой (а) и открытой (б) системах.углекислого газа, и сохранение величины pH. Кровь забирает С02 из тканей и переносит его
в легкие, где он выделяется в процессе дыхания.Таким образом, организм обладает способностью поддерживать постоянство параметров
и неизменность во времени скоростей поступления и удаления веществ и энергии, то есть
пребывать в стационарном состоянии.Это свойство живых систем впервые обнаружил в XIX веке физиолог К. Бернар, а У. Кен¬
нон назвал его в 1932 году гомеостазом («оставаться тем же» — греч.). Гомеостаз — отно¬
сительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды организма, обус¬
лавливающего устойчивость физиологических функций.Механизм гомеостаза действует на всех уровнях организации живых систем — молеку¬
лярном, клеточном, на уровне целого организма и даже на популяционном уровне. В слож¬
ном организме этот механизм включает в себя постоянный контроль и регуляцию множества
факторов, в том числе газообмена, питания, гормональной секреции, содержания неоргани¬
ческих и органических веществ.На молекулярном уровне гомеостаз регулирует следующие основные параметры внут¬
ренней среды:— кислотность среды (pH)]— концентрацию респираторных газов — кислорода и углекислого газа;— концентрацию питательных веществ и продуктов выделения;— концентрацию солей и других электролитов;— объем и осмотическое давление внутриклеточной жидкости и плазмы крови.В принципе же существуют системы гомеостаза любых компонентов биосред: гомеостаз
калия, натрия, кальция, меди, железа, глюкозы и т.д.Так как биологические системы способны к поддержанию постоянства физико-химиче¬
ских параметров, они обладают системой саморегуляции, причем существует регуляция в
простанстве и во времени.Пространственная регуляция проявляется в первую очередь в сохранении структурной
организации белков (их первичной, вторичной и т.д. структуры). Пространственная регуля¬
ция функционирования живых систем способствует их временной регуляции. Время же
участвует в регуляции, изменяя скорости реакций. Механизмы регуляции начинают дей¬
ствовать на самых различных уровнях организации, однако в их основе всегда лежат моле¬
кулярные механизмы.Термодинамические особенности стационарного состояния открытых систем были впер¬
вые определены в 1946 году И.Р. Пригожиным. Им было сформулировано положение, что
ГЛ. 34]ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ565в открытой системе в стационарном состоянии прирост энтропии в единицу временипринимает минимальное значение для данных условий, то есть — —> min.АтПринцип Пригожина проводит к заключению, что в стационарном состоянии рассеяние
свободной энергии минимально. Это условие позволяет системе в течение длительного вре¬
мени сохранять свою энтропию, энергию Гиббса и относительное постоянство своей внут¬
ренней среды.Основные положения, вытекающие из термодинамических представлений о стационар¬
ном состоянии состоят в следующем:— развитие системы осуществляется под действием двух тенденций — стремления к ми¬
нимуму энергии и к максимуму энтропии;— реакции происходят самопроизвольно, если их AG < 0\— в тех процессах, в которых AG > 0, требуется подвод энергии извне;— состояние равновесия является энергетически самым выгодным, так как в нем AG = 0;AS— для открытых систем в стационарном состоянии > тт.АтСтационарное состояние необходимо биосистемам, так как за счет непрерывного обме¬
на энергией с внешней средой биосистемы не только находятся на удалении от термодина¬
мического равновесия (низший возможный энергетический уровень), сохраняя свою рабо¬
тоспособность, но и поддерживают во времени постоянство своих параметров. Для таких
систем характерен интенсивный обмен энтропией с внешней средой, что и обеспечивает
протекание в них процессов самоорганизации. Следовательно в стационарном состоянии
биосистемы приобретают способность к саморегуляции. Если стационарное состояние до¬
статочно устойчиво, то после отклонения от него, вызванного внешним воздействием, сис¬
тема способна вернуться в исходное состояние.Для стационарного состояния биосистем важны их энергетические уровни, которые пока¬
зывают, насколько система удалена от термодинамического равновесия. Такие уровни возник¬
ли в процессе эволюции и обеспечивают организму наиболее выгодный энергетический обмен
в данных конкретных условиях.Энергетический обмен в живых системах организован так, что они могут обходить энтро¬
пийный термодинамический критерий и в них протекают невозможные с термодинамической
точки зрения реакции, которые идут с уменьшением энтропии и с увеличением свободной
энергии (биосинтез, активный транспорт и т.д.). Это достигается с помощью механизмаэнергетического сопряжения, когда возможная с
точки зрения энтропийного критерия реакция со¬
прягается с реакцией, термодинамически невоз¬
можной, и дает для нее энергию (рис. 34.8). При этом
даваемая первой реакцией свободная энергия дол¬
жна превышать потребляемую энергию второй ре¬
акции. Сопрягаемые реакции должны иметь общий
компонент — сопрягающий фактор, каковым обыч¬
но является фосфат-ион.Типичным примером энергетического сопряже¬
ния является процесс окислительного фосфорилирс
вания, протекающий при участии митохондриальныхЭнергодающаяЭнергопотребляющая
реакцияРис. 34.8. Энергетическое сопряжение реакций.
566ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vмембран. В ходе этого процесса за счет энергии переноса электронов по дыхательной цепи
осуществляется синтез богатых энергией молекул АТФ, используемых для совершения са¬
мой разнообразной работы.Реализация химических процессов в живых системах осуществляется путем их перево¬
да в многостадийный режим. Это объясняется тем, что разница свободных энергий началь¬
ного и конечного состояний Gm4 и GK0H для каждой из отдельных стадий обычно невелика,
а потому вероятность достижения равновесия для нее больше, чем для процесса в целом.
Такая возможность обратимости отдельных стадий позволяет живому организму легко ре¬
гулировать синтез тех или иных веществ в требуемых количествах.Многостадийность прохождения химических превращений в живых системах обеспечива¬
ется пространственным объединением ферментов в мультиферментные системы, локализован¬
ные в строго определенных частях клетки, и, далее, в узкой специализации клеток и тканей.Мультиферментные системы — это системы, в которых индивидуальные ферменты органи¬
зованы таким образом, что продукт одной ферментативной реакции служит субстратом для
следующей реакции. Общая скорость в мультиферментных системах определяется реакцией,
протекающей с меньшей, чем все остальные, скоростью. Это — скоростьлимитирующая реакция.Метаболические процессы в клетке контролируются за счет регуляции активности ин¬
дивидуальных ферментов в составе мультиферментных систем. В мультиферментных сис¬
темах индивидуальные ферменты организованы так, что продукт одной ферментативной
реакции служит субстратом для последующего превращения (молекулярный конвейер).
В этом случае возможен механизм регуляции по принципу обратной связи.Имеются два типа обратной связи.Положительная обратная связь реагирует на быстрое изменение в системе.Так, рост С02 в плазме ограничивает способность буферной системы углекислота-гид¬
рокарбонат компенсировать изменение кислотности среды, в случае когда в плазму начнут
поступать другие кислоты (например, молочная кислота). Однако возрастающая вследствие
такого поступления кислот в кровь кислотность среды стимулирует респирацию. Убыль в
результате этого рС02 восстанавливает буферные свойства данной буферной системы. Это —
типичный пример быстрой обратной связи.Таким образом, здесь имеет место изменение концентрации субстрата, количество фер¬
мента же остается постоянным.Существует и другой вариант быстрой обратной связи. Например, при родах контракта¬
ция матки вызывает немедленное выделение окситоцина из гипоталамуса, который сразу же
вызывает ее дополнительные сокращения, что приводит к поступлению новых порций ок¬
ситоцина и так — до тех пор, пока плод не покинет матку. В этом случае происходит изме¬
нение концентрации биорегулятора — окситоцина. Последний взаимодействует с фермен¬
том, меняя его конформацию, и таким образом повышает активность фермента. В ходе этого
процесса количество фермента также не изменяется.Изменение концентрации соединения, подающего регуляторный сигнал, в основном
достигается за счет так называемой компартментации, когда части клетки отделяются про¬
странственно, но объединяются функционально. Это осуществляется за счет мембран, отде¬
ляющих клетку от внеклеточной среды и отдельные внутриклеточные образования от клет¬
ки в целом.Если продукт последующего превращения обладает способностью контролировать ак¬
тивность предшествующего фермента, ингибируя его образование, тогда имеет место отри¬
цательная обратная связь. Такая регуляция механизма гомеостаза на молекулярном уров¬
не называется ингибированием с обратной связью.
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии567Мультиферментные системы включают действие нескольких ферментов, последователь¬
но превращающих метаболит в конечный продукт, нужный организму. Перепроизводство
продукта подавляется ингибирующим действием этого продукта на первый по счету фер¬
мент ферментативной системы. Так как, однако, конечный продукт расходуется в последу¬
ющих стадиях метаболизма, его ингибирующий эффект убывает таким образом, что фер¬
ментативная система снова производит его в достаточных количествах. Следовательно,
содержание продукта поддерживается на постоянном уровне. Такие системы в целом оп¬
ределяют пределы синтеза химических продуктов. Данный вариант осуществляет долговре¬
менное регулирование системы.Например, вклад почек в кислотно-основное равновесие за счет выделения ионов водо¬
рода и генерации гидрокарбонат-иона может служить примером долговременного способа
регуляции параметров гомеостаза.В этом случае, в отличие от описанных выше, меняется количество фермента в системе,
а в результате — общая активность мультиферментной системы.Действие обоих механизмов обеспечивает такие условия, что содержание каждого ком¬
понента клетки отклоняется в пределах не более нескольких процентов. Существенно, что
при этом не появляются новые метаболические маршруты, а существующие пути или реали¬
зуются, или блокируются по принципу обратной связи.Итак, мультиферментная система представляет собой некий молекулярный конвейер. В
многостадийном конвейерном процессе каждая предшествующая стадия создает условия
для реализации последующей. Недаром специалисты в области ферментативной кинетики
разрабатывают концепцию молекулярной машины.На более высоком структурном уровне осуществляются нервная и гормональная регу¬
ляции, что выходит за пределы нашего обсуждения.Ферментация уже давно используется в человеческой практике. Явления сбраживания,
сквашивания, скисания, которые лежат в основе процессов производства кисломолочных
продуктов, сыра, алкогольных напитков, обработки фруктов и овощей, являются фермента¬
тивными процессами.Микробиологическая промышленность производства антибиотиков и других лекарст¬
венных средств базируется на ферментативных реакциях. В настоящее время перспекти¬
вы промышленного использования ферментативных реакций еще только раскрываются. В
будущем биотехнологические ферментативные процессы станут основным источником про¬
мышленного производства аминокислот, белков, углеводов, гормонов, лекарственных пре¬
паратов и других био- и физиологически активных молекул.Уже в настоящее время в промышленности используется несколько десятков техноло¬
гических ферментативных схем (в том числе, синтез некоторых гидрокси- и аминокислот,
гидролиз крахмала и многие другие).Интенсивно развивается медицинская энзимология, которая изучает вопросы примене¬
ния ферментов в качестве лекарственных средств и проблемы использования ферментов в
клинико-диагностической практике.
Глава 35.ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химииЯ... слышал об опустошениях, которые
причиняет химия. По-видимому, она
является четвертым бичом, разоряющим
людей и уничтожающих их понемногу, в то
время как война, моровая язва, голод
уничтожают их во множестве, зато с
перерывами.Ш.-Л. МонтескьеВ настоящее время значительная часть человечества в той или иной мере подвержена
действию различных химикатов, которые проникают в организм с вдыхаемым воздухом,
водой и продуктами питания. Последствием такого воздействия стало увеличение уровня
заболеваемости, особенно связанной с нарушением иммунного статуса.Привлекли внимание последствия «химизации» и для окружающей среды (уменьшение
численности или исчезновение отдельных видов животных). Это привело к стремлению
лучше понять связи между свойствами химикатов и их воздействием как на человека, так и
на экосистемы и к возникновению новой отрасли химической науки — экологической хи¬
мии, науки о распространении и влиянии химикатов и продуктов их трансформации на че¬
ловека и окружающую среду.Ее основные задачи можно сформулировать следующим образом: изучение воздействия
химикатов на окружающую среду; разработка тестов для оценки опасности тех или иных
химикатов; создание концепций для оценки опасности для экосистем из-за проникновения
в них химикатов. Решение этих задач невозможно без понимания закономерностей распро¬
странения, распределения и химических превращений токсичных соединений в изменчивых
условиях внешней среды.Представление о важнейших видах химических загрязнений в окружающей человека
среде дает табл. 35.1, в которой приведены те вещества, содержание которых должно подле¬
жать обязательному контролю.Экологическая химия оперирует рядом собственных понятий и терминов.Экотоксикантом называют токсичное и устойчивое в условиях окружающей среды ве¬
щество, способное накапливаться в организмах до опасных уровней концентраций.Чужеродные для организмов химические вещества, не входящие в естественный биоти¬
ческий круговорот, называют ксенобиотиками.
ГЛ. 35] ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ 569Таблица 35.1Химические вещества, подлежащие определению в природных средахОпределяемыевеществаПриродная средаВоздухАтмосферныеосадкиВодаПочваБиота03, so2, со, со2, NO, no2,фреоны, углеводороды+Анионы, катионы*++Бензпирен+++++Тяжелые металлы+++++Хлорорганические соединения+++++* Сульфаты, хлориды, нитриты, нитраты, фосфаты, аммоний, кальций, магний, калий, натрий.Увеличивающееся поступление ксенобиотиков (а к их числу в первую очередь относятся
продукты хозяйственной деятельности, пищевые добавки и лекарственные средства) в орга¬
низм серьезно угрожает здоровью и даже жизни человека, так как оказывает повреждающее
воздействие на клетки и вызывает мутации, ведущие к злокачественным процессам или
наследственным заболеваниям.Совокупность чужеродных биологическим системам веществ, содержащихся в окружа¬
ющей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии),
позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с абиотиче¬
скими и биотическими элементами экосистемы составляют ксенобиотический профиль био¬
геоценоза. Ксенобиотический профиль следует рассматривать как один из важнейших фак¬
торов внешней среды (наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими
условиями и т.д.), который может быть описан качественными и количественными харак¬
теристиками, используемыми в химии.Важным элементом ксенобиотического профиля являются чужеродные вещества, содер¬
жащиеся в органах и тканях живых существ, поскольку рано или поздно все они потребля¬
ются другими организмами (т.е. обладают потенциальной биодоступностью).Биомагнификацией называют накопление химиката в тканях организмов за счет процес¬
сов питания, тогда как термином биоконцентрирование обозначают накопление химиката из
окружающей среды без учета его поступления с пищей.Наиболее токсичными и широко распространенными экотоксикантами из числа приведен¬
ных в табл. 35.1 следует считать металлы и хлорорганические соединения, о чем было заявлено
еще в 1972 году в Стокгольме на конференция ООН по охране окружающей среды.35.1. Металлы в окружающей средеВ мире нет вредных веществ, в мире есть
вредные количества.Д. И. МенделеевВ настоящее время проблема загрязнения окружающей среды металлами стоит очень ос¬
тро. В списке наиболее опасных загрязнений атмосферы и мирового океана — 20 металлов
Из них три — ртуть, свинец и кадмий — отнесены к загрязнениям глобального масштаба.
570ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VВ связи с этим возникает проблема контроля содержания металлических ядов в окружа¬
ющей среде. Необходимо владеть методами определения металлов в воде и воздухе, знать
основные процессы, происходящие с участием металлов в окружающей среде и в организ¬
ме, представлять себе основные источники металлических загрязнений и действие различ¬
ных металлов на организм.Проблема загрязнения окружающей среды металлами впервые была отмечена в 1938-40
годах в Швеции, когда для обработки семян перед посевом начали применять метилртутьхло-
рид. В 50-60-х годах случаи отравления участились и были связаны в основном с сельско¬
хозяйственным применением производных ртути (Гана, Гватемала, Ирак, Пакистан).Самый известный случай отравления металлами произошел в Японии, в городе Мина-
мата, на берегу одноименного залива. С 1952 года в этом городе стали производить хлори¬
стый винил и ацетальдегид, а в 1953 году у жителей города появились симптомы заболе¬
вания, напоминающего менингит. Признаками были расстройство речи и слуха, онемение
губ и конечностей, нарушение координации. С 1956 года это заболевание приобрело харак¬
тер эпидемии. Из 116 заболевших умерло 46 человек. Исследования показали, что речь
идет о пищевом отравлении, поскольку удалось вызвать это заболевание искусственно,
скармливая кошкам рыбу из залива Минамата. В 1957 году было запрещено рыболовство
в этой зоне. Только в 1960 году установили, что сточные воды химического предприятия
содержат метилртуть. Однако сброс токсичных отходов в воды залива продолжали вплоть
до 1968 года.Аналогичный случай произошел в 1965 году в городе Ниигата. К 1975 году количество
пострадавших в Японии достигло 798 человек. Суд над предприятиями длился 5 лет — с 1968
по 1973 год — и сумма выплат пострадавшим составила 800 миллионов долларов США.Казалось бы опасность ртутных отравлений достаточно очевидна, однако в 1972 году в
Ираке 450 крестьян умерли от употребления в пищу зерна, обработанного гранозаном (пе¬
стицидом, содержащим ртуть).Еще один известный случай связан с отравлением кадмием и произошел опять-таки
в Японии в 1968 году. Горнообогатительный комбинат сбрасывал отходы в реку, кото¬
рая весной заливала рисовые поля. У крестьян, питавшихся этим рисом, повышалась
ломкость костей. Более 50% заболевших «итай-итай» умерли, а остальные остались ин¬
валидами.Металлы в атмосферу Земли поступали всегда, независимо от уровня технического про¬
гресса. К природным источникам металлов относятся: эрозия почвы, испарение металлов с
поверхности океана, космические тела (метеориты и кометы), вулканическая пыль, лесные
пожары, эмиссия с растительного покрова.Интересно, что эмиссия металлов с растительного покрова сопоставима с поступлением
металлов в атмосферу в результате сжигания каменного угля. Так, с одного квадратного
километра леса в атмосферу в течение года поступает 9 кг цинка и 5 кг свинца.Со всего растительного покрова Земли по самым низким оценкам в атмосферу поступают
следующие количества металлов (тонн/год):кадмийникельмедьсвинеццинк2001600160025009400Металлические загрязнения, как и любые другие, делятся на локальные (десятки кило¬
метров, охватывающие районы добычи и использования металлов), региональные (до сотен
и тысяч километров) и глобальные (масштабы полушария или всего земного шара).
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии571Вопрос локальных загрязнений сейчас стоит очень остро.Выбросы металлургических предприятий содержат различные соединения металлов,
загрязняющие прилегающую территорию: свинца (Pb, PbS, PbS04, PbO), кадмия [Cd, CdO,
Cd(OH)2, CdS], цинка (Zn, ZnO, ZnS), меди (Cu, CuS04, CuO).В качестве фона обычно рассматривают содержание металлов в воздухе Антарктиды
(табл. 35.2).Таблица 35.2Содержание металлов в воздухе (г/м3)МеталлАнтарктидаСельские районыГородаРЬ10*и-10'1210“910'6Cd10-1110-1°10-9—10-7As10"1210-1°ю9Из табл. 35.2 очевидно существование локальных загрязнений, причем они сосредоточе¬
ны обычно в районах проживания людей.Существуют и региональные проблемы. Особенно остро они стоят в северной Атлан¬
тике. Промышленные стоки добавляют к естественному выносу рек в океан двукратное
количество ртути, двенадцатикратное количество свинца, цинка и меди и тридцатикрат¬
ное количество сурьмы. Однако контроль загрязнений дает свои положительные резуль¬
таты. Известно, например, что в 80-х годах за 6 лет содержание ртути в водах Темзы сни¬
зилось на 75%.Все металлы, содержащиеся в воде, делят на консервативные (концентрация которых
практически постоянна) — Na, К, Са, Mg — и неконсервативные — преимущественно тяже¬
лые металлы Си, Fe, Zn и т.д. В океане металлические загрязнения имеют следующий мас¬
штаб: глобальные (ртуть, свинец, кадмий), региональные (медь, мышьяк), локальные (цинк,
железо, марганец, хром, селен, сурьма).В мировом океане металлы перемещаются по пищевым цепям от фитопланктона до хищ¬
ных рыб, при этом постоянно накапливаясь. Так, существуют виды планктона, которые кон¬
центрируют свинец в 12000 раз, кобальт в 16000 раз, медь — в 90000 раз по сравнению с со¬
держанием этих металлов в воде. Крупные виды хищных океанических рыб — тунец, акула —
накапливают таким образом до 500-700 мкг ртути на килограмм веса. В верхней части всей
этой пищевой цепи стоит человек.Таким образом, можно без преувеличения сказать, что борьба с возрастающей загрязнен¬
ностью окружающей среды, и, в частности, металлическими ядами — одна из актуальных
задач современности, от решения которой зависит судьба человечества.Действие металлов на организм. При рассмотрении токсичности металлов крайне
важно учитывать форму попадания металла в организм. Например, хлорид одновалентной
ртути (каломель Hg2Cl2) — малорастворимое вещество и используется как лекарственное
средство, а хлорид двухвалентной ртути (сулема HgCl2) — сильный яд. Две соли бария —
карбонат и сульфат — одинаково плохо растворимы в воде (ПР = 10~10), однако сульфат ис¬
пользуется как рентгеноконтрастное вещество при исследовании желудочно-кишечного
тракта, а карбонат очень токсичен, поскольку при попадании в желудок легко растворяет¬
ся в соляной кислоте:ВаС03 + 2НС1 -> Ва2+ + 2С1~ + Н20 + С02.
572ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VНаконец, металлическая ртуть не может проникать через клеточные мембраны, а ее ли¬
пидорастворимое производное — катион метилртути — легко преодолевает этот барьер. К
сожалению, металлическая ртуть, попадая в океан, метилируется обитающими там бактери¬
ями до этого очень токсичного производного.При рассмотрении частных вопросов уделим больше внимания токсичным металлам,
попадание которых в организм вызывает тяжелые последствия.Молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов тяжелых металлов служат:
1) гем-содержащие белки и ферменты; 2) системы пероксидного и свободно-радикального
окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидной защи¬
ты; 3) ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ; 4) белки клеточных мембран и ион¬
ные каналы мембран.Ионы Pb, Hg, Со, Cd образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомо¬
лекулами, содержащими меркапто- (HS-) или алкилтиогруппировки (RS-).Многие комплексы металлов с органическими лигандами близки по своим парамет¬
рам (размеру, распределению зарядов и др.) к «обычным» субстратам (аминокислотам,
гормонам, нейромедиаторам) и поэтому могут связываться с соответствующими рецеп¬
торами (эффект мимикрии). Например, комплекс, образуемый ртутью и аминокислотой
цистеином, имитирует аминокислоту метионин, необходимую для биосинтеза адренали¬
на и холина.Другой механизм токсического действия заключается в замене биометаллов в металлсо¬
держащих биокомплексах, что вызывает потерю последними биологической активности.
Так, в результате замены иона Zn на Hg или Pb происходит дезактивация участвующих в
синтезе гема ферментов карбоангидразы и аминолевулинатдегидратазы. Кроме того, ионы
свинца, кобальта и кадмия активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем. Потеря гема
приводит к развитию анемии.Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением синтеза цитохрома
Р-450 (см. разд. 41.2.2), ответственного за биодеградацию ксенобиотиков. Нарушение этой
системы приводит к накоплению органических токсикантов в тканях и органах. Однако
цитохром Р-450 участвует в метаболизме не только ксенобиотиков, но и эндогенных биоло¬
гически активных веществ — гормонов, катехоламинов, витаминов группы Д, холестерина
и т.д. Поэтому нарушение их синтеза или снижение активности может вызвать глубокие
нарушения метаболизма.В случае ионов свинца, ртути, хрома, кадмия и других тяжелых металлов отмечена акти¬
вация пероксидного и свободнорадикального окисления. В результате этого повреждаются
некоторые белки, нуклеиновые кислоты, липиды, а также биомембраны. Повреждающий
эффект объясняется ингибированием металлами ферментов, защищающих организм от
накопления в нем Н202. Пероксид водорода, в свою очередь, может давать высокоактивный
в реакциях окисления и потому обладающий повреждающим действием свободный радикал
гидроксила.Бериллий — легкий двухвалентный металл второго периода таблицы элементов. Берил¬
лий применяется в атомной, электронной и ракетной технике, входит в состав специальных
бериллиевых бронз. В организме человека содержится около 40 мкг бериллия.Отравление обычно происходит при ингаляции промышленной пыли, поскольку при
поступлении через желудочно-кишечный тракт бериллий осаждается в виде фосфатов и
соединений с белками.В организме бериллий накапливается в скелете, где вместе с магнием заменяет кальций
в составе гидроксиапатита костной ткани. При попадании в организм действует на биоло¬
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии573гически активные фосфаты, что объясняется «жесткостью» этого катиона, и его высоким
сродством к атому кислорода. Бериллий ингибирует щелочную фосфатазу — фермент гид¬
ролиза фосфатов, содержащий цинк — и другие фосфатазы, содержащие магний и кобальт,
в результате замены катиона металла на бериллий, а также ингибирует и синтез ДНК.Вызывает бериллоз — аллергическое заболевание с системным поражением органов,
прежде всего легких. Типичный признак бериллоза — пневмония. Канцерогенен, пыль бе¬
риллия может вызывать рак легких.Алюминий широко распространен в природе и используется в технике. В организме че¬
ловека его содержится около 60 мг. Основные каналы поступления в организм — вдыхание
промышленной и бытовой пыли, отравление солями.Алюминий по своему действию на организм похож на бериллий (диагональное сход¬
ство). Он влияет на метаболизм фосфатов. В желудочно-кишечном тракте алюминий дает
нерастворимые фосфаты, вследствие чего падает поступление фосфора в организм. Это при¬
водит к мышечной дистрофии и рахиту. Уменьшение содержания АТФ вызывает наруше¬
ния тканевого метаболизма.При отравлении алюминием снижается всасывание глюкозы из кишечника, что приводит
к гипогликемии. Следствием отравления алюминием может быть задержка роста, гранулемы,
перитонит. Мишенью для алюминия служит и нервная система. Вследствие снижения актив¬
ности холинэстеразы возможно нарушение передачи нервного импульса и повреждение нерв¬
ных волокон.Трехзарядный катион алюминия способен конкурировать с Fe3+B транспортирующем
железо белке трансферрине, что приводит к развитию железодефицитной анемии.Хром используется для гальванических покрытий, как легирующая добавка к стали, со¬
единения хрома применяют как красители и в кожевенном деле. Относится к группе умерен¬
но опасных промышленных веществ. Ежегодно в окружающую среду попадает 6,7-106 кг
хрома. Высоко содержание этого металла в дорожной пыли — 33,8 мг/кг. В организме чело¬
века содержится около 6 мг хрома. Хром входит в состав ферментов трипсина и фосфатгли-
тамазы. Хром способствует усвоению глюкозы, активируя инсулин, участвует в метаболизме
углеводов.Соединения хрома(Ш) значительно менее токсичны, чем хрома(У1). Это связано прежде
всего с тем, что трехвалентный хром неспособен проникать через клеточные мембраны. Соеди¬
нения трехвалентного хрома амфотерны и при pH 6-8 существуют в виде нерастворимого
гидроксида. Катионы Сг3+могут заменять Fe3+в трансферрине и гемоглобине.Токсичность соединений хрома(У1) существенно выше. Такие соединения — хроматы и
бихроматы — являются очень сильными окислителями. Хроматы способны проникать че¬
рез кожу и через любые клеточные мембраны, поскольку хромат-ион СтО/~ по структуре
подобен сульфат-иону SO^2-, а сульфат имеет в организме специальную транспортную сис¬
тему. Внутри клетки хроматы восстанавливаются до ионов хрома(Ш), окисляя при этом
клеточные субстраты. Соединения хрома(У1) обладают и канцерогенными свойствами.Марганец является одним из незаменимых биогенных элементов. В организме человека
содержится 12 мг марганца. Ежедневно человек должен получать с пищей от 2 до 9 мг мар¬
ганца.Марганец необходим для роста, образования костей, метаболизма глюкозы и липидов,
активации ряда ферментов. В частности, при этом имеет место переход Мп+2—> Мп+3.Если содержание марганца в пище значительно превосходит норму, то он может конку¬
рировать с железом в железосодержащих ферментах. Избыток марганца нарушает метабо
лизм глюкозы и цикл Кребса, т.е. нормальное функционирование дыхательной цепи.
574ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VСоли Мп2+ малотоксичны, тогда как токсичность производных марганца( VII) значитель¬
но выше. Это связано в первую очередь с хорошей растворимостью перманганатов и с их
сильными окислительными свойствами:Мп04" + Red —> Мп02 + Ох.Присутствие в воздухе металлической пыли марганца вызывает постепенное разруше¬
ние ЦНС.Возможно, что в будущем соединения марганца заменят сильно токсичный тетраэтил¬
свинец в роли антидетонатора для бензина. В таком случае вместо сильно токсичного, но
хорошо исследованного загрязнителя появится новый техногенный токсикант, опасный
своей малой изученностью.Железо редко рассматривают как токсичный металл, поскольку общеизвестно его высо¬
кое биологическое значение. В организме человека содержится около 4-5 г железа. Желе¬
зо входит в состав гемоглобина, миоглобина, трансферрина и ферритина, ферментов ката-
лазы, пероксидазы и др.Недостаток железа в организме вызывает железодефицитную анемию (малокровие), а у
растений на бедных железом почвах развивается хлороз (пожелтение листьев).Отравление солями железа, происходящее случайно или при передозировке лекарствен¬
ных препаратов, сопровождается рвотой, учащенным дыханием, судорогами. Происходит
разрушение клеточных стенок, развивается гепатит. При отравлении солями железа(Ш)
наблюдается инактивация ферментов цикла Кребса и ацидоз вследствие гидролиза, pH сни¬
жается до 6,7. Гидролиз солей железа приводит к образованию малорастворимых основных
солей, которые увеличивают свертываемость крови и вызывают тромбоз.Кобальт — также является незаменимым биогенным микроэлементом, содержащимся в
организме в количестве 1,2 мг, из них около 100 мкг в виде витамина В12.Отравления кобальтом могут происходить при вдыхании металлургической пыли, при
передозировке лекарств против анемии и при лечении радиоактивным кобальтом онколо¬
гических заболеваний. Соли кобальта могут всасываться через кожу. Антидотами при отрав¬
лениях кобальтом служат соединения, содержащие меркаптогруппы.Кобальт в норме стимулирует костный мозг, а при избытке накапливается в нем. Токсич¬
ность кобальта вызвана рядом факторов:— кобальт способен блокировать транспортные системы железа;— ингибирует некоторые окислительные ферменты, в частности, пируватдегидрогеназу;— способен связываться с меркаптогруппами в тканях, т.е. относится к тиоловым ядам
(в частности, взаимодействует с дигидролипоевой кислотой — кофактором многих ферментов);— избыток кобальта может предположительно вызывать базедову болезнь.Никель — металл, который содержится в воздухе городов (до 0,15 мкг/м3) и в пыли дорог
(до 20 мг/кг). В состав человеческого организма входит около 10 мг никеля (в составе фер¬
мента уреазы).Никель относится к мягким кислотам и его сродство к лигандам возрастает в ряду
О < N < S.Катионы никеля при попадании в организм ингибируют окислительные ферменты. В
отличие от меди, кадмия и ртути не ингибирует фермент глутатион-Б-трансферразу, хотя
дает прочный комплекс с цистеином. Никель и другие мягкие металлы (Zn, Cd, Hg, Си, Pb)
в отличие от жестких (Mg, Са, Mn, Na) дезактивирует ацетилхолинэстеразу. Никель может
замещать катионы цинка в цинк-содержащих ферментах. Катионы никеля могут изменять
структуру РНК, и поэтому никель обладает канцерогенными свойствами.
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ575Медь — незаменимый металл, ежедневное поступление которого в организм должно со¬
ставлять 4-5 мг. В организме человека содержится около 100 мг меди. Дефицит этого метал¬
ла вызывает анемию, замедление роста, патологические изменения костей и сердечно-сосу¬
дистую недостаточность. Превышение суточной дозы в 300-500 раз приводит к накоплению
меди и вызывает болезнь Вильсона-Коновалова.Отравления медью могут происходить при заглатывании пыли, при случайном попа¬
дании растворов солей и при употреблении кислых напитков, подолгу хранившихся в мед¬
ной таре.Медь в организме связывается как с N,S-лигандами, так и с N,0-, т.е., в частности, с ами¬
нокислотами. Взаимодействуя с меркапто-группами, медь может вызывать их окисление.2 Си2+ + 2 RS--> 2 Cu++ R-S-S-RТоксичность катиона меди обусловлена следующими основными факторами: ингибиро¬
ванием глутатион-редуктазы, понижением концентрации глутатиона и слипанием (агглю¬
тинацией) белка, увеличением клеточной проницаемости эритроцитов из-за взаимодей¬
ствия с тиольными группами мембран.Цинк — производство этого металла достигает 7 млн т/г. В организме человека присут¬
ствует 1,4-2,3 г цинка (в 10-15 раз больше, чем меди).В медицине используют фосфат цинка — как зубной цемент, хлорид —
как антисептик. Фосфид цинка находит применение как фунгицид, однако
его действие обусловлено выделяющимся при гидролизе фосфином. В
сельском хозяйстве используются пестициды, содержащие цинк: поликар-
бацин, цинеб, антракол. Ионы цинка входят в состав яда многих змей.Цинк не относят к промышленно опасным элементам, но поскольку
в воздухе цинковых производств присутствует кадмий, мышьяк, марга¬
нец и свинец, то у рабочих часто развивается «лихорадка литейщиков».Избыток цинка в организме влияет на метаболизм железа, меди, фосфат-иона. Ионы
цинка являются кофакторами многих ферментов — карбоангидразы, различных пептидаз и
эстераз. За место в этих ферментах с цинком может конкурировать медь и очень токсичный
кадмий.Кадмий — чуждый организму элемент. В организме новорожденных его нет совсем, од¬
нако после 10 месяцев кадмий начинает поступать с пищей. Ежесуточное поступление по¬
рядка 215 мкг. В организме человека постоянно содержится около 50 мг кадмия.Кадмий используется в защитных гальванических покрытиях, в красителях и в электро¬
технике. Отравления обычно происходят из-за промышленного загрязнения воздуха и воды.
Достаточно высоко содержание кадмия в сигаретном дыме: 20 сигарет содержат 15-18 мкг
кадмия. Значительное количество кадмия содержат устрицы и другие морские продукты. Их
неумеренное потребление может приводить к ломкости костей — болезни «итай-итай».Мировое производство кадмия составляет 20 тыс. т/г. При выплавке кадмия в атмосферу
попадает 1000 т, что составляет 45% всего поступления. Вторичная переработка различных
изделий дает еще 52%.При поступлении через желудочно-кишечный тракт кадмий плохо всасывается, так как
его соли гидролизуются. Очень хорошо кадмий проникает в организм через легкие. Адсор¬
бция сульфида кадмия в легких вызывает язвы и воспаления. Кадмий с большим трудом
выделяется из организма, и поэтому хелатирующие антидоты лучше всего применять в те¬
чение получаса после отравления. В организме не существует механизма выведения кадмии,
поэтому кадмий накапливается в печени и почках. Примерно 80% кадмия в организме свя¬ch9-nh-c-sch2-nh-c-sIIsцинеб\Zn/
576ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. Vзывается с тиольными группами специальных белков, называемых тионеинами, — так реа¬
лизуется механизм его детоксикации.Отравление кадмием вызывает бронхит, эмфизему, анемию, почечные колики. Установ¬
лено, что кадмий обладает онкогенными свойствами.Кадмий связывается в организме с HS-группами ферментов, нарушает метаболизм ДНК
и РНК, окислительные процессы в митохондриях, замедляя трансформацию ксенобиотиков.
Кадмий является антиметаболитом цинка, конкурируя с ним за место в ферментах и блоки¬
рует синтез метаболитов витамина Д.Ртуть — очень токсичный металл. В организме содержится около 13 мг ртути. Основ¬
ные источники поступления ртути в организм (в мкг/сут) следующие:ВоздухВодаПродукты питанияРыба1<0,45100-700В атмосферу в результате естественного испарения с поверхности земли поступает
25000-125000 тонн ртути в год. Техногенная доля составляет всего 30%. В промышленнос¬
ти ртуть используется при электролитическом производстве хлора (49%), в ртутных выклю¬
чателях (35%), входит в состав красок (7%) и пестицидов (3,5%). Из ртутьсодержащих пести¬
цидов наиболее известны церезан, включающий металлическую ртуть, гранозан Et-Hg-Cl и
агрозан Ph-Hg-0-C(0)-CH3.Следует еще раз отметить различие в токсичности хлоридов одно- и двухвалентной рту¬
ти. Каломель Hg2Cl2 малорастворима и используется как дезинфицирующее и слабительное
средство. Сулема HgCl2 хорошо растворима и, хотя и используется как антисептик, является
сильным ядом. Связи Hg-Cl в молекуле сулемы ковалентны и поэтому не гидролизуются.Свинец — токсичный металл. В организме человека его содержится около 120 мг. Ежегод¬
ное потребление свинца составляет 3 млн. т, а добыча — 2 млн. т. Около 40% расходуется на
производство аккумуляторных батарей, а 20% — на производство тетраэтилсвинца для эти¬
лированного бензина. ТЭС используется для улучшения бензина с 1923 года. В качестве
антидетонатора добавляют 80 мг ТЭС на 1 литр бензина. От 25 до 75% свинца выбрасыва¬
ется в атмосферу. Ежегодно в атмосферу поступает 180000 т свинца. Содержание свинца в
воздухе Лос-Анжелеса составляет 5 мкг/см3 воздуха.В организме свинец прежде всего связывается с меркаптогруппами различных ферментов.Pb2+ + 2RSH -> R-S-Pb-S-R + 2Н+.Свинец может реагировать и с карбоксильными группами, и с фосфат-ионами. С амино¬
группами свинец взаимодействует плохо. Связываясь с группами -SH, -СООН и РО^3-, сви¬
нец повышает жесткость клеточных мембран, тем самым снижая их устойчивость к осмоти¬
ческому шоку.Ежедневно в организм с пищей поступает 200-300 мкг свинца. В организме существуют
два «депо» свинца — в мягких тканях (с периодом полувыведения около 20 дней) и в кос¬
тях (период полувыведения 20 лет).Свинцовое отравление вызывает «плюмбизм» — анемию, поскольку ингибирует фермен¬
ты костного мозга, отвечающие за синтез гема. Кроме того интоксикация свинцом повреж¬
дает нейроны, что может вызвать энцефалопатию, особенно у детей.Таллий — металл, соединения которого используются в электронной промышленности
и в органическом синтезе. Сульфат таллия применяется как крысиный яд, а карбонат — в ка¬
честве фунгицида. В организме человека содержится около 100 мкг таллия. В атмосфере
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии577содержание таллия повышено в районе металлургических заводов и угольных теплоэлект¬
ростанций.Токсичность этого металла исследована недостаточно хорошо, хотя он относится к первому
классу опасности. Известно, что отравление таллием вызывает выпадение волос и поражение
почек. Одновалентный таллий токсичнее трехвалентного. Известно, что заглатывание 3 грамм
сульфата таллия или 560-700 мг ацетата таллия приводит к смертельному исходу.Одновалентный таллий легко проникает через клеточные мембраны и нарушает баланс
ионов натрия и калия. Основной мишенью для таллия является нервная система. Кроме
того, он нарушает синтез белка и процессы фосфорилирования. Таллий влияет на митоз, т.е.
является клеточным ядом общего действия.В заключение укажем, что совместное присутствие металлов может значительно осложнять
ситуацию. Так, смесь меди и цинка в пять раз токсичнее, чем каждый из металлов в отдельно¬
сти, цинк и никель также проявляют синергизм, а токсичности цинка и кадмия аддитивны.35.2. Хлорорганические соединенияВажнейшие хлорорганические инсектициды, гексахлоран (ГХЦГ), ДДТ и гексахлорбен¬
зол известны ученым еще с конца XIX века, однако их производство началось в 1949 г.Тогда же началось производство и соединений так называемой дриновой группы, явля¬
ющихся полихлорированными циклодиенами или их производными. К ним относятся хлор-
дан, алдрин, гептахлор, хлорден, изоэдрин, токсафен и др. Последний представляет собой
смесь полихлорированных камфенов (содержание хлора в нем составляет обычно 67-69 %).
Помимо перечисленных к числу пестицидов относятся полихлорированные бифенилы. Они
были синтезированы впервые в 1877 г. Сведения о строении некоторых хлорорганических
соединений приведены в разд. 21.3.В пресноводных водоемах ГХЦГ и ДДТ очень быстро накапливаются в микроводорос¬
лях. От 50 до 80% общего количества ДДТ в виде примеси к воде сорбировалось водорослью
хлорелла менее, чем за минуту. В наибольших количествах полихлорированные экотокси¬
канты регистрируются в организмах высших трофических уровней водных экосистем, в
жировых тканях хищных рыб и питающихся ими птиц и животных.Ответом на распространение хлорорганических пестицидов явился рост числа устойчи¬
вых (резистентных) к действию видов насекомых-вредителей. Это стимулировало разработ¬
ку новых классов биоцидов, в частности, фосфорорганических, карбаматных и пиретроид-
ных инсектицидов. Однако новый виток в использовании химических средств защиты не
сулит решения проблемы: уже сейчас появились насекомые (например, популяции капуст¬
ной моли в странах юго-восточной Азии), резистентные ко всем перечисленным классам
пестицидов.Таким образом, пестициды, выступая как мощный фактор антропогенного воздействия,
катастрофически влияют на многие экосистемы. Особенно сильно последствия их исполь¬
зования проявляются в агроценозах, приводя к сокращению и без того бедного видового
состава этих искусственных экосистем. Снижение межвидовой конкуренции и ослабление
естественных механизмов регуляции в свою очередь создают предпосылки для дестабили¬
зирующего отбора, характерного для стадии распада экосистем.К числу экотоксикантов относятся также хлорированные фенолы, используемые как
консерванты древесины, дезинфицирующие средства, полупродукты в синтезе различных
пестицидов. Кроме того, они образуются в больших количествах в качестве побочных про¬
дуктов при хлорировании и отбеливании.
578ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫОдними из источников загрязнения водных экосистем служат целлюлозно-бумажные
комбинаты, применяющие хлор для отбеливания целлюлозы. При производстве 1 т этой
продукции образуются (г): хлорлигнины (мол. масса более 1000) — 32 700, хлорированные
органические кислоты — 260, хлорфенолы — 160, хлороформ — 38, хлоруглеводороды аро¬
матического ряда — 7.Значительные количества хлорорганических соединений поступают в газовую фазу при
сжигании и пиролизе бытовых отходов и других видов топлива при относительно низких
температурах (порядка 500-700 °С). Их выход повышается в присутствии соединений меди,
алюминия, железа, являющихся, как уже сказано выше, катализаторами электрофильного
галогенирования ароматического кольца.числе древесины, ПХДД и ПХДФ всегда циркулировали в окружающей среде, что подтвер¬
ждается их обнаружением в донных отложениях с возрастом более 100 лет. Однако интен¬
сивное накопление ПХДД и ПХДФ в этих отложениях совпадает с началом бурного разви¬
тия хлорной промышленности, пришедшимся на 1930-е гг.Еще в начале 1940-х гг. были описаны случаи острого диоксинового отравления персо¬
нала химических предприятий. Самая крупная катастрофа произошла в июле 1976 г. в ита¬
льянском городе Севезо. Здесь при взрыве реактора в атмосферу было выброшено несколько
сотен тонн 2,4,5-трихлорфенола, содержавшего в качестве примеси 2-3 кг 2,3,7,8-тетрахлор-
дибензодиоксина (2,3,7,8-ТХДД).Чрезвычайно широкий спектр биологического действия ПХДД и ПХДФ стали причи¬
ной выделения этих ксенобиотиков в категорию суперэкотоксикантов. 2,3,7,8-ТХДД гораздо
токсичнее таких боевых отравляющих веществ, как зарин и VX-газ.Множественность клеточных мишеней для диоксинов и подобных веществ в различных
биосредах определяет широкий спектр их токсического действия. В их числе: 1) эффекты
эмбриотоксические и тератогенные (эффекты в отношении развития) — повышение числа
спонтанных абортов, рождение потомства с аномалиями развития; 2) иммунотоксические,
аналогичные действию вируса СПИД; 3) гистопатологические, вызывающие болезнь «хло-
ракне» (изменение клеток сальных желез кожи) и язвенную болезнь; 4) метаболические,
связанные с модуляцией активности; 5) эндокрино-токсические, связанные с влиянием на
метаболизм гормонов тироксина, эстрогенов, андрогенов (подавление синтеза тестостеро¬
на приводит к устойчивой феминизации потомства); 6) нейротоксические, проявляющие¬
ся в повышенной нервозности, депрессивных состояниях, снижении уровня умственного
развития, что объясняют влиянием полихлорированных диоксинов и дибензофуранов на
метаболизм некоторых нейротрансмиттеров в клетках головного мозга; 7) канцерогенные,
вызывающие образование злокачественных опухолей.35.3. Экологические проблемы атмосферыО роли неорганических компонентов атмосферы в формировании таких явлений, как
парниковый эффект (углекислый газ), озоновый слой (озон), токсический и фотохимиче¬n зо-я-диоксины (ПХДД) и дибен-
зофураны (ПХДФ).Особую опасность представ¬
ляют содержащиеся в летучей
золе полихлорированные дибен-ПХДФПХДДОбразующиеся при горении
различных видов топлива, в том
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии579ский смог, кислотные дожди (оксиды серы и азота), уже сказано в выше в соответствующих
разделах. Между тем, в атмосфере присутствуют и многие летучие органические компоненты.Антропогенные загрязнения. Широкое использование ископаемых богатств, сжигание топ¬
лива сопровождаются выделением в атмосферу больших масс различных химических соедине¬
ний. Большинство антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь
небольшую часть территории нашей планеты. Возрастают выбросы, источником которых явля¬
ется автомобильный транспорт (в США на его долю приходится до 63% выбросов углеводоро¬
дов). В качестве примера загрязнения городского воздуха углеводородами и ацетоном можно
привести хроматограмму образца воздуха центрального района Санкт-Петербурга (рис. 35.1).Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителей является
теплоэнергетика. Оксиды азота и серосодержащие соединения в основном продуцируются
теплоэлектростанциями и ТЭЦ. Роль эмиссии S02 (источник кислотных дождей) и оксидов
азота, N0 и N02 (инициаторы образования фотохимического смога) уже была обсуждена ра¬
нее (см. разд. 24.7).В дымах угольных теплоэлектростанций типичны следующие уровни кислотообразую¬
щих газов (млн1): S02 — 1500; NOx— 500; НС1 — 150.Уменьшение выбросов NOx дается с большим трудом, так как высокотемпературное
окисление азота при сжигании топлива сложно контролировать. Поэтому многим странам
не удается уменьшить поступление этого загрязнителя в атмосферу.С отходящими газами тепловых электростанций и ТЭЦ, работающих как на жидком, так
и на твердом топливе, в атмосферу выбрасываются значительные количества летучих угле¬
водородов. Газы, выделящиеся при сжигании жидких нефтепродуктов, содержат аромати¬
ческие углеводороды (бензол, толуол, этилбензол и др.) и алканы нормального строения от
С7Н16 до С40Н82. При сжигании одной тонны нефти на предприятиях электроэнергетики
выделяется 0,25 кг, а при сжигании тонны угля — 0,16 кг углеводородов. Наименьшее коли¬
чество углеводородов выделяется при использовании природного газа.22 15 141311 10 975 432127Т} вС 160 130 100 70 40Рис. 35.1. Хроматограмма органических компонентов воздуха Санкт-Петербурга: 1 — 2-метилпропан; 2 — бутан;
3 — 2-метилбутан; 4 — пентан; 5 — 2-метилпентан, 6 — циклопентан; 7 — З-метилпентан; 8 — ацетон;9 - гексан; 10 — метилциклопентан; 11 — 2-метилгексан; 12 — циклогексан; 13 — 3-метилгексан; 14 — гептан;15 — бензол; 16 — метилциклогексан; 17 — 2-метилгептан; 18 — 4-метилгептан; 19 — 3-метилгептан;20 — транс-
1,4-диметилциклогексан; 21 — октан; 22 — толуол; 23 — триметилциклогексан; 24 — нонан; 25 — этилбензол; 26 —
п-ксилол; 27 — м-ксилол; 28 — о-ксилол; 29 — декан; 30 — пропилбензол; 31 — м-этилтолуол; 32 — п-этилтолуол.
580ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫТЭС и ТЭЦ служат самым значительным источником крайне опасных для здоровья по-
лиароматических углеводородов (ПАУ). В начале 70-х годов в США они были ответствен¬
ны за выброс около 500 т канцерогена бензпирена в год, что составляло примерно 38% об¬
щей эмиссии этого соединения в стране. Предприятия энергетики используют различные
виды топлива: торф, мазут, уголь или природный газ. Наивысшие средние концентрации
ПАУ в дымовых газах от теплоэлектростанций характерны для ТЭС, работающих на торфе.Образование и выделение ПАУ в конденсированной фазе и в виде паров характерно для
всех установок по сжиганию топлива. Особенно большие количества этих соединений посту¬
пают от мелких котельных. Сжигание в них всех видов топлива сопровождается эмиссией
большего количества ПАУ, чем это происходит на крупных ТЭЦ и теплоэлектростанциях при
одинаковой норме расхода топлива. Повсеместно отмечаемое увеличение концентрации ПАУ
в зимнее время несомненно связано с наступлением отопительного сезона. В северном полу¬
шарии максимум содержания ПАУ в атмосфере приходится на период с декабря по март.Образующийся при работе тепловых установок дым содержит твердые частицы сажи,
однако в нем присутствуют и другие компоненты. Эмиссия летучей золы и различных эле¬
ментов (в том числе — радионуклидов и тяжелых металлов) определяется зольностью топ¬
лива и эффективностью работы системы газоочистки и резко понижается при повышении
производительности против номинальной. Угольные ТЭС выделяют в атмосферу больше
тяжелых металлов и радионуклидов, чем другие ТЭС (кроме ванадия и никеля, в этом слу¬
чае максимум приходится на нефть).Еще одним источником загрязнений служит промышленное производство. Продуктами
органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех
органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. Вместе с не¬
многими производными (этилбензол, стирол, фенол, винилхлорид, акрилонитрил, фта-
левый ангидрид и терефталевая кислота) они являются объектами крупнотоннажного
производства. Эти полупродукты используются в дальнейшем для выработки широкой
номенклатуры других органических соединений (свыше 40 000 наименований).В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутству¬
ет широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные,
побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах заводов синтетических мо¬
ющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновые
кислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами и ра¬
створителями. Предприятия лесохимической промышленности выбрасывают альдегиды,
кетоны, спирты и карбоновые кислоты, множество терпенов, большие количества дурнопах-
нущих газообразных веществ (одорантов), таких, как метил- и диметил сульфиды, диметил-
дисульфид, а также формальдегид, спирты и фенолы.Велики выбросы используемых в промышленности растворителей. На их долю в инду¬
стриально развитых странах приходится 20-25% общей эмиссии углеводородов и летучих
галогенуглеводородов (метиленхлорида, хлороформа, четыреххлористого углерода, дихлор¬
этана, три- и тетрахлорэтилена, винилхлорида).В качестве летучих компонентов (пропеллентов) в аэрозольных упаковках широко
применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85%
фреонов и только 15% — в холодильных установках и установках искусственного климата. Спе¬
цифика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1 -2 года после производства. Считают, что почти все произведенное количество фтортрихлор- и
дифтордихлорметана (5,27 млн т и 7,75 млн т соответственно в 1981 году) рано или поздно дол¬
жно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии581Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становится коммуналь¬
ное хозяйство городов (жилые и общественные здания, предприятия тепло- и водоснабже¬
ния, химчистки, свалки). Хотя вклад этого источника в суммарную антропогенную эмиссию
невелик, отсюда поступают основные количества опасных долгоживущих загрязнителей
(например, диоксинов), поэтому они участвуют в формировании глобального фона неко¬
торых органических экотоксикантов.На городских свалках накапливаются огромные количества (часто превышающие 1 млн т)
бытовых отходов и мусора с высоким содержанием органических веществ. Захороненные от¬
ходы выделяют серосодержащие соединения (метилмеркаптан, диметилсульфид, диметилди-
сульфид и сероуглерод), ароматические и непредельные углеводороды, терпены, спирты и
карбонильные соединения, а также в наибольших количествах метан. Тонна захороненных
на свалке отходов в течение 25 лет выделяет 25-30 м3 метана, причем 70% этого количества
в первые десять лет.В выбросах вентиляционных систем жилых домов идентифицировано более 40 токсич¬
ных и дурнопахнущих веществ: меркаптанов и сульфидов, аминов, спиртов, предельных и
диеновых углеводородов, альдегидов и некоторых гетероциклических соединений.Источниками одорантов служат сооружения по очистке сточных вод и свалки твердых
отходов. Сточные воды содержат до 0,025% органических веществ. После отстаивания и
первичной обработки вода направляется в установки бактериальной деградации органиче¬
ских компонентов. Очистка, продолжающаяся около недели, сопровождается выделением
одорантов, прежде всего серо- и азотсодержащих производных.Биогенные ресурсы органических веществ. До конца 70-х годов бытовало мнение, что
из природных источников поступает гораздо меньше органических соединений, чем из ан¬
тропогенных. Между тем выделение органических соединений в окружающую среду — уни¬
версальное явление, характерное для всех видов организмов от одноклеточных бактерий до
высших растений и животных. Выделение этих веществ происходит в процессах дыхания,
выброса отходов метаболизма и в результате деятельности органов внешней секреции.Во-первых, биоэмиссия значительно сильнее антропогенной. Так, глобальная био¬
эмиссия лишь углеводородов (без учета метана) оценивается ориентировочно величиной
1,5 109 т/год, что более чем в 10 раз превосходит выделение углеводородов из антропоген¬
ных источников. Во-вторых, общее количество выделяемых живыми организмами органи¬
ческих веществ насчитывает тысячи наименований, причем эмиссия специфична для каж¬
дого микроорганизма, растения. В-третьих, существует группа универсальных соединений,
которые присущи почти всем живым организмам и масштабы эмиссии которых особенно
велики. В их числе метан, этилен, изопрен, этиловый спирт, ацетон. В выделениях хвойных
деревьев присутствуют терпеновые углеводороды, представителями которых являются а-
и (3-пинены. Максимальная доля от общей эмиссии растительностью приходится на долю
этилена, изопрена и терпенов.Выделение метана в атмосферу происхо¬
дит благодаря деятельности анаэробных бак- Н3Стерий, являющихся конечным звеном трофи- \ СН3ческой пищевой цепи, разлагающей сложные
органические соединения. В природе извест¬
но большое число экосистем с активно проте- Н3СХ
кающим метаногенезом. Его эмиссия в целом
составляет примерно 0,6-109 т/год. Хотя доля а-пиненметана в общей массе атмосферы невелика
582ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ(не более нескольких десятитысячных процента), его роль совершенно несопоставима с этим
количеством. Известно, что поддержание высокой температуры у земной поверхности («пар¬
никовый эффект») объясняется поглощением инфракрасного излучения молекулами воды
и углекислоты в составе атмосферы. Одна молекула метана поглощает в некоторых диапа¬
зонах частот в 25 раз больше инфракрасной радиации, чем молекула С02.Другим важнейшим биогенным компонентом атмосферы является изопрен. Его эмиссия
многократно возрастает в условиях стресса — при повреждении тканей, во время засухи и т.д.Эмиссия терпенов является эволюционно выработанным механизмом неспецифического
иммунитета растений и выступает в качестве важнейшего фактора жизнестойкости расте¬
ний — ограничения проникновения болезнетворных микроорганизмов в ткани, постоянно
повреждаемые насекомыми и другими животными. Большинство терпенов обладает мощ¬
ным фунгицидным и бактерицидным (или бактериостатическим) действием.Высокой биологической активностью обладает еще один из компонентов летучих
органических соединений — этилен. Исследования показали влияние этилена на ско¬
рость созревания плодов, а также на опадение листьев. Это позволило назвать этилен гормо¬
ном созревания. В результате его действия на некоторые клеточные структуры происходят
снижение интенсивности обменных процессов, замедление роста, опадение листвы и переход
растения в состояние покоя. Полагают, что этилен продуцируется всеми наземными листвен¬
ными растениями.Часть выделяемых в атмосферу соединений участвует и во взаимодействиях растений с
животными. Они служат для привлечения насекомых-опылителей (аттрактанты) и отпугива¬
ния вредителей (репелленты). Например, а-пинен является аттрактантом жуков-лубоедов.Важна роль летучих выделений в терморегуляции растений. Многие компоненты, осо¬
бенно интенсивно выделяемые в атмосферу в жаркую погоду (например, терпены), обладают
высокой теплотой испарения, и поэтому их выделение сопровождается отводом большого
количества тепла от тканей и предохраняет растения от перегрева.Важна роль выделений растений в глобальных геофизических процессах, в том числе в
образовании атмосферных аэрозолей.Так, голубоватую дымку над хвойными лесами, наблюдающуюся в летнее время, связыва¬
ют именно с этим процессом. Инициируемое озоном и радикалами гомогенное газофазное
окисление терпенов имеет сложный механизм и приводит к образованию кислородсодержа¬
щих соединений (СО, альдегидов, кетонов, кислот). Поток токсичного СО за счет окисления
терпенов оценивают величиной 222 млн т/год. Суммарный же поток монооксида углерода при
окислении биогенных неметановых углеводородов составляет 560 млн т/год. Образование при
окислении летучих выделений низших карбоновых кислот сказывается на кислотности ат¬
мосферных осадков. Например, дождевая вода в лесных районах Австралии и в бассейне Ама¬
зонки имеетрНА-5, что вызвано присутствием НСООН и СН3СООН.Важный аспект воздействия летучих выделений связан с процессами удаления и образо¬
вания озона. В период повышенной фотохимической активности концентрация озона в город¬
ском шлейфе увеличивается за счет взаимодействия техногенных оксидов азота с чрезвычайно
реакционноспособными фитогенными непредельными углеводородами. Средние концентра¬
ции озона в конце 80-х годов двукратно возросли по сравнению с концом XIX века.Под пологом леса идет образование гидропероксидных компонентов: пероксида водоро¬
да Н202и алкилпероксидов (ROOH). Насаждения сильно страдают в результате образования
таких фитотоксикантов. В последние годы все большее внимание исследователей привлекают
поражения лесной растительности, проявляющиеся в пожелтении и преждевременном опа¬
дении хвои и дефиците магния в листве.
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии583Геологические источники. Процессы дегазации верхней мантии Земли сопровождаются
выделением широкого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов ос¬
трова Кунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с дли¬
ной цепи до 12 углеродных атомов. Источником богатых углеводородами газов являются
грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.Земная кора содержит различные газы в свободном состоянии, сорбированные разными
породами и растворенные в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам дос¬
тигает поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного
дыхания земной коры говорит повышенное (иногда в 3 раза) по сравнению с глобальным фо¬
новым содержание метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.Дегазация недр планеты происходит по всей ее поверхности, но наиболее интенсивно по
разломам коры. В пробах газов нефтеносных месторождений было идентифицировано бо¬
лее 60 неорганических и органических соединений. Последние представлены углеводоро¬
дами, легколетучими карбонильными соединениями и спиртами, галогенуглеводородами.В газах вулканов содержатся заметные количества HF и фреонов. Присутствуют галоген-
углеводороды и в газах гидротермальных источников. Эти данные потребовали доказательств
того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И та¬
кие доказательства были получены. Например, фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха
антарктического льда возрастом 2 тыс. лет.Это требует пересмотра факторов формирования озонового слоя атмосферы и связанных
с ним экологических последствий. Образование озоновых дыр связывают с разрушением озона
под действием фреонов. Принято считать, что эти вещества, инертные в нижних слоях атмос¬
феры, медленно диффундируют в атмосферу, где подвергаются фотолитическому разрушению
с выделением хлора, участвующего в разрушении озона. В результате в ведущих промышлен¬
ных странах производство и применение хлорфторуглеводородов были ограничены или даже
прекращены полностью. Началась замена обычно применяемых фреонов фторуглеводорода-
ми, менее потенциально опасными для окружающей среды, — фреонами-заменителями.С1С1-С1С1С1фреоныс:i ]<(:i ]7-С1С1С1-Н F--Н-Cl F-С1-НС1 НН ННТ-1]д1177-НН-С1Н-Я ]1' (2\-С1 Н-фреоны-заменители
584ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫЭти вещества либо не содержат атомов хлора, либо быстро разрушаются в нижних сло¬
ях атмосферы. Однако замена одних фреонов другими хотя и снижает опасность для озон¬
ного слоя атмосферы, чревата непреднамеренными изменениями климата Земли, так как
они являются парниковыми газами. Более того, их окисление, которое происходит в атмо¬
сфере, приводит к крайне токсичному дифторфосгену (CF2=0) и некоторым другим опас¬
ным веществам. Так, окисление C2H2F4, выпускаемого корпорацией Дюпон под индексом
R-134a для использования в автомобильных кондиционерах, приводит к смеси из примерно
76% фторангидрида муравьиной кислоты 0=CHF, 24% фторангидрида трифторуксусной
кислоты CF3CF=0 и 8-14% дифторфосгена. Все эти вещества чрезвычайно ядовиты. Таким
образом, разгерметизация кондиционера в закрытом автомобиле грозит водителю смертель¬
ной опасностью, которая становится еще большей реальностью, если водитель курит, так как
сигаретный огонь служит ускорителем распада C2H2F4.Содержание токсикантов в атмосфере неизбежно должно увеличиваться по мере роста
производства «фреонов-заменителей».Поскольку заменители не абсолютно безопасны для озоносферы, то можно заявить: их
использование не решает полностью проблемы стратосферного озона и в то же время добав¬
ляет новую — массированное химическое воздействие на все без исключения живые орга¬
низмы, соприкасающиеся с атмосферным воздухом.Таким образом, атмосфера нашей планеты — сложная система, для характеристики кото¬
рой требуется изучение множественных связей ее малых газовых составляющих. Важна роль
компонентов атмосферного воздуха в формировании основных характеристик атмосферы,
например ее окислительного потенциала. Во-первых, окисление реакционноспособных лету¬
чих соединений приводит к образованию такого важного компонента атмосферы, как озон. Во-
вторых, при окислении относительно высокомолекулярных веществ, таких, как терпены, ге¬
нерируются малолетучие соединения, включающиеся в процессы образования аэрозолей.
В-третьих, содержание летучих компонентов влияет на распределение радикала гидроксила.
Содержание этой частицы определяет концентрации парниковых газов — углекислоты, воды,
метана. Его избыточные количества могут вызывать неблагоприятные эффекты.35.4. Метаболизм ксенобиотиковМеталлы. Потребность организмов в металлах невелика, и поступление их избыточных
количеств в организмы приводит к тяжелой интоксикации. Поэтому существуют естествен¬
ные механизмы метаболизма и удаления тяжелых металлов, чаще всего в форме металлор-
ганических соединений.Важнейший механизм метаболизма ряда тяжелых металлов (ртути, свинца и олова) —
биометилирование, который включает перенос метил-аниона от модифицированной формы
витамина В12 (метилкобаламина). Донором карбаниона СН3“ служат также некоторые дру¬
гие биомолекулы.Процессы биометилирования наиболее интенсивно осуществляются микроорганизмами,
обитающими в донных отложениях. Поэтому металлорганические соединения прежде всего
и в наибольших количествах поступают в водные экосистемы. Вследствие довольно высокой
химической устойчивости и липофильности органические формы ртути и некоторых других
тяжелых металлов накапливаются в жировых тканях и передаются по пищевым цепям.Поэтому следует представлять себе круговорот ртути в природе (см. схему 35.1). Любое
соединение ртути, оказавшееся в окружающей среде, рано или поздно превращается в катион
метилртути и далее в диметилртуть. Катион метилртути липофилен, обладает стопроцент¬
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии585ным всасыванием и легко проникает через
любые мембраны — через кожу и через ге-
моэнцефалический барьер. Катион метил-
ртути плохо выводится из организма и
накапливается почти во всех органах, в
частности, в почках, печени и волосах. При¬
знаками отравления может быть дисфунк¬
ция почек и расстройство нервной систе¬
мы — речи, слуха и координации движений.Двухвалентная ртуть может необратимо
заменять цинк в карбоангидразе, при этом
фермент теряет свою активность. Кроме
того, ртуть связывает меркаптогруппы, яв¬
ляясь тиоловым ядом, и вызывает слипа¬
ние белков и эритроцитов.Перемещаясь по пищевой цепи, катион
метилртути накапливается в хищных мор¬
ских рыбах (особенно в печени), откуда и
попадает к человеку. Отметим, что катион
метилртути — очень сильный нейротоксин
и ухудщает координацию и подвижность
рыб. Таким образом, добычей рыбаков и
морских птиц становятся наиболее пора¬
женные особи.Другим направлением биотрансформа¬
ции ртути является восстановление катио¬
нов Н£2+или CH3Hg+ с участием кофермен-
та НАД+. Образовавшаяся металлическая
ртуть, обладающая высокой летучестью, может переходить в газовую фазу.Метаболизм органических ксенобиотиков. Биотрансформация ксенобиотиков, как
правило, осуществляется под контролем ферментов, однако в отдельных случаях возмож¬
ны и их неферментные превращения, в частности, гидролиз реакционноспособных группи¬
ровок, например гидролиз атома хлора в хлорсодержащих пестицидах или в Р-хлорэтилами-
новых фрагментах алкилирующих противоопухолевых препаратов под действием соляной
кислоты желудочного сока.Живые организмы, за исключением некоторых видов бактерий, не имеют специфических
ферментов для преобразования ксенобиотиков. Всего же в метаболизме ксенобиотиков уча¬
ствуют около 30 неспецифических ферментов.Возможны три типа превращений под действием энзимов: полная минерализация до
С02, Н20 и др. неорганических частиц без образования на промежуточных стадиях биоло¬
гически активных соединений; разрушение ксенобиотика до низкомолекулярных соедине¬
ний, которые затем выделяются в окружающую среду и включаются в природный кругово¬
рот веществ; химическая трансформация с накоплением метаболитов в клетках организма.Метаболизм ксенобиотиков, как правило, приводит к снижению их активности — дезак¬
тивации, которую в случае токсичных веществ называют детоксикацией.Однако возможно образование метаболитов и с более высокой биологической активно¬
стью, в последнем случае говорят об активации. Этим путем в организме активируются не¬[ осадки] [бактерии]Схема 35.1. Биокруговорот ртути.
586ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫкоторые лекарства, и тогда их называют пролекарствами. Когда же метаболиты ксенобио¬
тиков становятся более токсичными, тогда имеет место токсификация. Так, бензол транс¬
формируется в ядовитый фенол, бензпирен превращается в канцерогенный метаболит (см.
разд. 20.4), средство для общего наркоза хлороформ — в боевое отравляющее вещество фос¬
ген, что и объясняет высокую токсичность хлороформа.Метаболические превращения, протекающие за счет неспецифических ферментных си¬
стем, в общем виде можно представить последовательностью:ксенобиотик —> продукты неспецифических энзиматических превращений —> конъюгация.Общая тенденция заключается в превращении ксенобиотика в более полярное соедине¬
ние и в последующем связывании (конъюгации) образовавшегося продукта с высокополяр¬
ным фрагментом, облегчающим его выделение. У растений, не имеющих системы выде¬
ления, аналогичной органам выделения животных, обычно происходит конъюгирование
ксенобиотиков (или их метаболитов) с углеводами и депонирование в местах, не связанных
с общим метаболизмом.Обычно метаболизм происходит именно в такой последовательности, но при наличии в
молекуле ксенобиотика функциональных групп он может сразу же подвергнуться конъюга¬
ции. Обычно это приводит к увеличению гидрофильности и снижению активности и токсич¬
ности молекулы. Последующей стадией можно считать связывание и выведение метаболи¬
тов из тканей, а затем из организма.Первый этап метаболизма. Неспецифические энзиматические превращения обыч¬
но включают в себя реакции окисления, восстановления и гидролиза. Окислительные про¬
цессы наиболее распространены. Типичен пример окислительного метаболизма этано¬
ла алкоголь- и затем альдегиддегидрогеназами (СН3СН2ОН —> СН3СНО —> СН3СООН).
Пример восстановительного превращения — восстановление дисульфидов. Существуют
ферментативные реакции гидролиза белков и пептидов, липидов и лекарств, содержащих
сложноэфирные группы, например, аспирина, гликозидные фрагменты, в частности, сер¬
дечных гликозидов, и т.д.Однако наиболее важна система, локализованная на главных путях поступления ксено¬
биотиков в организм (пищевом -- печень и желудочно-кишечный тракт и дыхательном —
легкие), а именно в основном в мембранах эндоплазматической сети. Это система цитохро¬
ма Р-450 (см. разд. 41.2.2), называемая также микросомальной системой метаболизма. Ее ос¬
новные функции — образование в молекуле гидрофильных функциональных групп с деток¬
сикацией множества самых различных ксенобиотиков.Эта система характеризуется поливариантностью метаболизма. Алканы и большинство
ароматических углеводородов и гетаренов и их производные (например, бензол, фенол, бар¬
битураты) претерпевают здесь С-гидроксилирование, алкены и отдельные ароматические
производные, например, бензпирен — эпоксидирование.R-H + [О] —» R-0-H
С-гидроксилированиеэпоксидированиеИмеет место также окисление по атомам серы и азота, восстановление нитрогрупп, де-
алкилирование по атомам азота, кислорода и серы и десульфурация.
ГЛ. 35]ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ химии587Однако эта система имеет и недостатки. Так, она отсутствует или дефицитна во многих важ¬
ных органах, например, в сердце и головном мозге, она не обеспечивает защиты организма при
проникновении ксенобиотиков через слизистые оболочки или раны, а также при инъекциях.Главная особенность первого этапа биотрансформации ксенобиотиков — проибретение
их молекулами полярных и способных к последующим превращениям функциональных
групп. С-Гидроксилирование приводит к появлению гидроксильной группы, гидролиз ти-
оэфиров или восстановление дисульфида высвобождает HS-группу, гидролиз галогено¬
производных, сложных эфиров, гликозидов приводит к появлению НО-группы, а гидро¬
лиз амидов или пептидов — группы >NH или -NH2.Конъюгация. Важной стадией биологической трансформации у позвоночных животных
является перевод гидрофобных соединений в водорастворимые, способные выводиться с
мочой. Поэтому основные функции этого этапа метаболизма те же, что и первого: последу¬
ющее увеличение гидрофильности и снижение токсичности ксенобиотиков. После введения
в молекулу ксенобиотика полярной группы в результате первой стадии метаболизма проис¬
ходит его конъюгация — связывание ксенобиотиков или продуктов их трансформации с
гидрофильными молекулами, такими, например, как сульфат-ион и глюкуроновая кислота.
Конъюгация осуществляется под действием определенных ферментов. Сульфат-ион и глю¬
куроновая кислота в малых концентрациях присутствуют в биосредах. Образующиеся с
сульфат-ионом или уроновыми кислотами гидрофильные конъюгаты далее удаляются из
организма системами выделения. В итоге молекулы ксенобиотика покидают организм.Приведем суммарный процесс С-гидроксилирования и конъюгации с сульфат-ионом для
молекулы бензола:В конечном результате токсичный бензол покидает организм с мочой в виде калиевой
соли сульфоэфира фенола.Ниже приведена схема, показывающая образование находящимися в биосредах кофак¬
тором уридинфосфатом (УДФ) и 1-фосфатом глюкозы, 1-УДФ-глюкуроновой кислоты.
Взаимодействие 1-УДФ-глюкуроновой кислоты с гидроксилированной молекулой ксено¬
биотика (R-ОН) приводит к образованию конъюгата глюкуронида.С6Н6 + [О] -> С6Н5ОН + HOSO3K -> C6H50S03K + н2о.НОН2СНОН2СОН1-фосфат а-D-глюкопиранозыОННСОНОНУДФ-Б-глкжуронидD-глюкуронид
588ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫСуществует ряд других гидрофильных конъюгатов, однако механизм их действия в прин¬
ципе таков же.Совместное функционирование обеих фаз метаболизма достаточно эффективно. В по¬
давляющем большинстве случаев оно обеспечивает обезвреживание многих тысяч органи¬
ческих ксенобиотиков различных химических классов и самого разного предназначения:
пестицидов, токсических веществ, канцерогенов, красителей, растворителей и др. В резуль¬
тате обеспечивается устойчивость клеток, тканей и организма в целом, сохраняется здоро¬
вье и жизнь в условиях загрязнения среды.Биотрансформацию в организме человека претерпевают и лекарственные препараты.
Разные препараты в различной степени подвергаются метаболизму — у одних несколько
процентов дозы, другие полностью превращаются в метаболиты.Связывание, транспорт и выведение ксенобиотиков чаще носят физический характер.
В плазме крови как эндогенные (жирные кислоты, билирубин), так и экзогенные веще¬
ства (например, лекарства) связываются и транспортируются альбумином в мочевыво¬
дящие системы. Жирорастворимые вещества (витамины, стероиды) переносятся липо-
протеинами.Нельзя забывать, что ксенобиотики или их метаболиты могут подвергаются биотранс¬
формации и под действием ферментов микрофлоры кишечника. Ферменты микроорганиз¬
мов катализируют гидролиз, декарбоксилирование аминокислотных производных, О- и N-
деметилирование, восстановление нитро- и азогрупп и некоторые другие процессы. Под
влиянием микроорганизмов конъюгированные метаболиты, попавшие в желудочно-кишеч¬
ный тракт с желчью, могут там гидролизоваться, высвобождая агликоны. Гидролизу с уча¬
стием микрофлоры кишечника могут подвергаться не только глюкурониды, но и N-ацетиль-
ные метаболиты, пенициллины и др.Таким образом, из одного и того же ксенобиотика могут образовываться не один, а не¬
сколько метаболитов, иногда — десятки. Метаболиты в свою очередь могут как выводиться
из организма, так и претерпевать дальнейшие метаболические превращения. Только глубо¬
кий анализ всей совокупности биотрансформаций ксенобиотика может дать полную карти¬
ну его реального воздействия на организм.Безусловно, неограниченное антропогенное вмешательство в окружающую среду пред¬
ставляет реальную опасность для жизни на Земле. Однако полностью исключить его нере¬
ально, да этого и не требуется: можно смело утверждать, что все ныне существующие живые
организмы эволюционировали и сформировались в химически неблагоприятном окруже¬
нии, поскольку в природной среде всегда присутствовали канцерогенные полиядерные
ароматические углеводороды, токсичные соединения ртути, свинца и других тяжелых ме¬
таллов, полихлорированные бифенилы и сверхтоксичные полихлордибензо-я-диоксины и
т.д. Быстрое развитие инструментальных методов химического анализа и их применение в
исследовании природной среды уже преподнесло немало сюрпризов. Оказалось, что многие
химические соединения, еще совсем недавно впервые полученные в лабораториях, являются
природными продуктами биогенного или абиогенного синтеза. Полихлорированные бифе¬
нилы были обнаружены в составе вулканического пепла, собранного во время извержения
вулкана Сент-Хеленс в США. Полихлорированные дибензо-гс-диоксины и дибензофураны
образуются при горении древесины. Тот факт, что эти суперэкотоксиканты всегда циркули¬
ровали в биосфере, подтвержден анализом донных отложений с возрастом более 110 лет из
ряда озер в США и Европе. Нашлись природные источники используемого в качестве ан-
тидетонационной добавки к бензину тетраметилсвинца, а также диметилртути — виновника
печально знаменитой «болезни Минамата».
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА589Было достоверно установлено, что и хлорфторуглероды всегда поступали и продолжа¬
ют поступать в атмосферу из глубоких слоев литосферы как в районах вулканизма, так и по
бесчисленным разломам земной коры.Это не могло не привести к выработке соответствующих защитных систем (таких, как
цитохром Р-450), позволяющих эффективно нейтрализовать вредное действие экотоксикан¬
тов-ксенобиотиков.Если взять биосферу в целом, то в ней действуют дополнительные мощные факторы
самоочищения — такие абиотические процессы как фотолиз и гидролиз, реакции газо¬
фазного и гетерогенного окисления. Следовательно, проблема заключается в том, чтобы
не допустить перегрузки «производственных мощностей» биосферы, обеспечивающих ее
самоочищение.Пути же развития бурно прогрессирующей экологической химии заключаются в про¬
слеживании всех возможных маршрутов аккумуляции, биотрансформации ксенобиоти¬
ков, выяснения множественных связей экотоксикантов с теми или иными видами живых
организмов, их популяций и целых биот, и предсказания возможных неблагоприятных по¬
следствий их воздействий.
Глава 36.ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВАХимиотерапия — использование лекарст¬
венных средств, поражающих паразита и
не причиняющих вреда организму-хозяину.П. ЭрлихВ результате химической эволюции в ходе естественного отбора появилось множество
высокоизбирательных молекул, обеспечивающих функционирование живых систем. Такие
вещества называются агонистами. Примерами природных агонистов, регулирующих рост и
деление клеток, служат витамины, коферменты, гормоны, нейромедиаторы. Из их числа
следует особо выделить аденозинтрифосфат (АТФ), обеспечивающий энергетические по¬
требности клетки, пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав ДНК и несу¬
щие информацию о жизнедеятельности, индивидуальной изменчивости и наследственности
клеток, и, наконец, производные гетероцикла птеридинатипадигидрофолиевой кислоты, ре¬
гулирующие биосинтез пуриновых и пиримидиновых оснований ДНК и РНК.Регуляция жизнедеятельности клеток и тканей происходит при взаимодействии агонистов
с комплементарными биополимерами. Следовательно механизм действия биологически ак¬
тивных веществ обычно заключается в их соединении со специфическими рецепторами. Ре¬
цепторы можно рассматривать как участки клеточных мембран, содержащие сложные орга¬
нические молекулы, чувствительные к определенным веществам. Для простоты рецептором
можно считать такую активную группировку в молекуле биосубстрата, к которой присоеди¬
няется группа лекарственного вещества.Путь создания лекарственных веществ, как средств регуляции жизнедеятельности, дол¬
жен состоять в поисках новых агонистов, с одной стороны, и в создании веществ, препятству¬
ющих действию агонистов, с другой.В соответствии с этим используемые в медицине лекарственные вещества подразделяются
на три группы: агонисты, антагонисты и препараты, применяемые для заместительной
терапии.К последним относятся, в основном, витамины, гормоны и неорганические вещества,
восполняющие недостаток таковых в организме: инсулин при диабете, глицерофосфат при
нервном истощении, витамин В12 при некоторых анемиях, кальций при рахите и т.д. В заме¬
стительной терапии необходим контоль дозы вводимых препаратов, так как природные аго¬
нисты в избытке могут быть чрезвычайно токсичными. Вот типичные примеры: избыток
кальциферола (витамин Д2) вызывает рвоту и патологические изменения в печени, даже
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА591небольшой избыток некоторых гормонов вызывает мышечный тремор, введение адренали¬
на перед удалением зуба приводит к тахикардии.Те или иные небольшие изменения в структуре молекул природных веществ приводят к
замедлению их высвобождения, выведения или распада, удлиняя время воздействия. Обыч¬
но лекарственные вещества из числа синтетических агонистов и представляют собой моди¬
фицированные молекулы природных веществ, чаще всего гормонов или нейромедиаторов,
и отличаются более длительным действием.Однако большинство лекарственных средств относится к антагонистам и по сути пред¬
ставляет собой ингибиторы природных агонистов.Фармакологи часто употребляют термин агонист по отношению к рецептору в том же
смысле, что и кофермент по отношению к ферменту. Конечно, между агонистом и кофермен-
том не может быть полной аналогии, так как последний в отличие от лекарственного веще¬
ства химически изменяется ферментом. По тем же соображениям фармакологи сравнивают
препараты-антагонисты с ингибиторами ферментов.Многие антагонисты можно ошибочно принять за агонистов, когда силен эффект их воз¬
действия на человеческий организм. Так, этанол вызывает неконтролируемое возбуждение.
Поэтому этанол относили к стимуляторам, хотя в действительности он является ингибито¬
ром, так как угнетает центры торможения в ЦНС.Создание антагонистов — это поиск веществ для борьбы с паразитарными организмами,
для подавления боли или коррекции нарушений биохимических процессов в больном орга¬
низме. Токсичность антагонистов является их ценным свойством, так как служит для здо¬
ровья человека. Эта токсичность лекарственного вещества должна быть избирательной, так
как только при этом условии возможно эффективное воздействие на строго определенный
тип клеток, не затрагивающее другие клетки.Например, в химиотерапии целью токсического воздействия является уничтожение
вредных клеток, которые относятся к клеткам организма, как паразит к хозяину.Другой иллюстрацией препаратов-антагонистов служат анестетики. Существующие об¬
щие анестетики высокотоксичны для ЦНС и только в малой степени — для других тканей,
при этом их действие исчезает сразу же после прекращения их поступления. Аналогично
проявляется избирательная токсичность местных анестетиков — антагонистов нейромеди¬
аторов (с той лишь разницей, что действие этих веществ длительнее).Используемые в медицине агонисты и антагонисты в основном представляют собой син¬
тетические, реже — природные вещества с низкой относительной молекулярной массой, как
правило, менее 500.Существуют различные типы классификации лекарственных средств. Наиболее часто
используемой является классификация по месту их действия. Обычно в первую очередь
рассматривают препараты, действующие на центральную нервную систему, затем на пери¬
ферические нервные волокна, затем на железы, мышцы, другие органы и т.д. Наконец, об¬
ращаются к различным антипаразитарным средствам.В настоящем учебнике нет возможности и целесообразности хотя бы кратко обсудить все
разновидности и области применения лекарственных средств. Мы ограничимся одним до¬
статочно важным и наглядным примером — химиотерапией.36.1. Принципы химиотерапииМикроорганизмы были открыты в Голландии Антони ван Левенгуком в 1676 г., однако
лишь через два века, после работ Роберта Коха по изучению сибирской язвы, стала ясна их
592ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫроль в возникновении эпидемий. До этого было известно лишь небольшое число химиоте¬
рапевтических средств. Сантонин и мужской папоротник еще в древности применялись в
качестве антигельминтных средств. Хинная кора с XVI века использовалась для лечения
малярии, ипекакуана (корень бразильского растения) — для лечения амебной дизентерии,
соединения ртути применяли при сифилисе. Считалось, что эти средства усиливают за¬
щитные силы организма или служат источником дополнительной энергии.В 1891 г. петербургский врач Д.Л. Романовский показал, что у больных, получавших хи¬
нин, малярийные плазмодии оказывались поврежденными. Следовательно хинин больше
вредит паразиту, чем хозяину. Раньше никто не предполагал, что лекарственное вещество
может действовать подобным образом. Романовский предсказывал, что в будущем будут най¬
дены специфически действующие вещества для борьбы и с другими заболеваниями, способ¬
ные в максимальной степени повреждать паразитов и наносить минимальный вред тканям.Идеи Романовского в начале XX века возродил П. Эрлих, основав химиотерапию. Тер¬
мин «.химиотерапия» был предложен им же. Он определил ее как «использование лекар¬
ственных средств, поражающих паразита и не причиняющих вреда хозяину». Эрлих считал,
что лекарство выполняет роль «магической пули», избирательно поражающей «мишень» —
уязвимое место болезнетворной клетки.Впоследствии, в 1940 г. появился термин «избирательная токсичность», дающий объяс¬
нение химиотерапевтическому эффекту лекарств: они являются более токсичными по отно¬
шению к клеткам гостя (уничтожая их), чем к клеткам человеческого организма — хозяина.36.1.1. Антибактериальная химиотерапияБактерии сильно отличаются особенностями строения и функцио¬
нирования от клеток млекопитающих и человека. Это сулило a priori
богатые возможности поиска «магических пуль» — препаратов с изби¬
рательной токсичностью. Бактерии достаточно сложно устроены, что в
свою очередь расширяло ассортимент потенциальных «мишеней»: от
разрушения стенки бактериальной клетки до нарушения какой-либо
стадии метаболизма в самой клетке.Первой из мишеней оказались ферментные системы паразитов, а
магическими пулями послужила серия органических соединений мы¬
шьяка, предложенных Эрлихом еще в первом десятилетии XX века для
лечения сифилиса (созданные им сальварсан и неосальварсан явились
первыми освоенными промышленностью химиотерапевтическими пре¬
паратами). Токсическое действие препаратов мышьяка, как оказалось,
обусловлено образованием связей As-S с жизненно важными HS-группами ферментов па¬
разита. Избирательная токсичность мышьяковых препаратов невысока, так как HS-группы
присутствуют во многих ферментах клеток «хозяина». Однако историческую роль этих со¬
единений в развитии химиотерапии трудно переоценить.Следующей группой антибактериальных средств явились сульфаниламидные препара¬
ты. Их антибактериальное действие было открыто Г. Домагком в 1935 году на зараженных
стрептококком мышах. Уже в 1936 году сульфаниламиды стали применять в Англии для
лечения послеродового сепсиса. Простейший представитель сульфаниламидных препара¬
тов — стрептоцид или гшря-сульфаниламид.Механизм действия сульфаниламидов был установлен Вудсом в 1940 году. В гное, бак¬
териях и дрожжах было обнаружено вещество, способное ингибировать действие сульфани¬П. Эрлих
(1854-1915)
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА593ламидных препаратов на бактерии. Предположили, что это вещество является метаболитом,
по химической структуре сходным и сульфаниламидом. Далее выяснили, что это вещество
представляет собой яяря-аминобензойную кислоту. Затем нашли, что тшря-аминобензойная
кислота служит фактором роста бактерий, то есть так же важна для них, как витамины для
людей. Более конкретно, фрагмент пяра-аминобензойной кислоты входит в состав дигидро-
фолиевой кислоты (см. разд. 36.1.2), необходимой для биосинтеза нуклеиновых кислот.Размеры яяря-аминобензойной кислоты и формы стрептоцида почти одинаковы
(рис. 36.1). Обе молекулы плоские, в обеих первичная аминогруппа находится в пара-по¬
ложении по отношению к электроноакцепторной группе. Это — свидетельства высокой
степени подобия двух молекул. Только одна из них жизненно необходима бактериям, а
другая оказывает на них губительное действие. Продолжая мысль Э. Фишера о соответствии
энзима субстрату (метаболиту) по принципу «ключ-замок», можно сказать, что стрептоцид
это такой ключ, который входит в замок, чтобы сломать его.Вещества, которые близки по строению продуктам обмена веществ — метаболитам и
вступают с ними в конкурентные отношения, называют антиметаболитами. Иными сло¬
вами, антиметаболиты являются антагонистами метаболитов. Сульфаниламиды — антиме¬
таболиты mzpa-аминобензойной кислоты.Идею действия метаболитов можно проиллюстрировать други-
ми примерами со стрептоцидом. Отмеченные сходства в размерах
карбоксильной и >S02-rpynn позволяют объяснить два на первый I |1взгляд несвязанных факта. Во-первых, выяснилось, что примене-ние стрептоцида для лечения инфицированных стрептококком кур q %q q %q
приводит к тому, что куры начинают нести яйца без скорлупы. Во- гипотиазидвторых, у млекопитающих и человека передозировка стрептоцидавызывает щелочной диурез. Дело в том, что процессы как образования скорлупы, так и вы¬
деления гидрокарбонат-иона с мочой регулируются одним ферментом — карбоангидразой
Стрептоцид ингибирует этот фермент, то есть является антиметаболитом гидрокарбонат-! 0,67 нм пара-аминобензойная кислотам 0,69 нм ►:ияря-сульфаниламида
594ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫиона. Такое объяснение предполагает, в свою очередь, возможность создания эффективных
диуретиков в ряду сульфамидных производных. Хорошо известный врачам диуретик гипо-
тиазид является примером такого препарата. Это вещество содержит две сульфамидных
группировки.В поисках эффективных противомикробных средств молекула стрептоцида подвергалась
самым различным модификациям. Наиболее пригодными оказались такие вещества, в состав
которых вводились гетероциклические радикалы. Так впоследствии были созданы широко
применяемые в медицинской практике норсульфазол, сульфадимезин, этазол и др. антимик-робные средства.nh21nh2nh2ФФФтso21 АS02so2NHNHjixНзС ^^ СНзNHN \1норсульфазолсульфадимезинэтазолПочему сульфаниламиды не оказывают такого же губительного действия на клетки че¬
ловека? Причина заключается в том, что наш организм не может производить дигидрофо-
лиевую кислоту, у него просто нет ферментов, осуществляющих ее синтез. Человек и живот¬
ные получают ее с пищей. Избирательная токсичность сульфаниламидов налицо.Через семь лет после появления первых сульфаниламидов наступила эпоха антибиоти¬
ков. В практике антимикробной химиотерапии начал применяться первый антибиотик -
пенициллин.Антибиотики — низкомолекулярные токсичные соединения, продуценты некоторых
видов бактерий и грибов, а также особого класса организмов актиномицетов, чаще всего
обитающих в почве, способные препятствовать развитию других микроорганизмов. Теперь
известно множество антибиотиков, но не более двух десятков нашли применение в практи¬
ке, так как прочие не обладают выраженной избирательной токсичностью.Для понимания механизма действия антибиотиков требуется достоверное представление
об их строении. В этом отношении показательна история установления во время Второй
мировой войны строения бензилпенициллина, первого известного представителя семей¬
ства пенициллинов. В ней принимали участие два крупнейших химика-органика XX
века — Р. Вудворд (США) и Р. Робинсон (Англия). Робинсон предложил для бензилпени¬
циллина структуру с пятичленным оксазолиновым кольцом, которая не согласовалась с его
свойствами, и, в частности, не могла объяснить сути антимикробного действия пенициллина.
Предложенная Вудвордом формула включала Р-лактамный цикл — четырехчленное коль¬
цо, отличающееся высокой реакционной способностью за счет его легкого разрыва. Имен¬
но эта структура оказалась правильной и смогла объяснить действие бензилпенициллина.
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА595C6H5CH2CONH,сн3СООНбензилпенициллинпо Робинсонупо ВудвордуМеханизмы действия антибиотиков разнообразны, но три из них являются основными:— действие некоторых из них, применяемых в борьбе с инфекционными заболеваниями,
заключается в нарушении синтеза клеточной стенки;— другие антибиотики вызывают повреждение плазматической мембраны. Таковы, к
примеру, амфотерицин и полимиксин;— третий тип антибиотиков влияет на синтез нуклеиновых кислот. Они перспективны
в химиотерапии рака (см. ниже).Суть действия бензилпенициллина заключается в образовании ковалентной связи его
молекулы в результате раскрытия (3-лактамного цикла с ферментом пептидогликан транс¬
пептидазой, который в результате этой химической модификации лишется активности. Этот
энзим ответственен за образование поперечных сшивок в структуре клеточной стенки на
последней стадии биосинтеза.Впоследствии в природных источниках была обнаружена серия (3-лактамных антибио¬
тиков — цефалоспоринов, мишенью действия которых также служат ферменты, ответствен¬
ные за синтез новой клеточной оболочки бактерий.Еще один пример — антибиотик циклосерин, применяемый при лечении устойчивых
форм туберкулеза. Он ингибирует сразу два фермента биосинтеза бактериальной стенки. В
итоге стенки клеток растущих бактерий получаются непрочными, собственное высокое ос¬
мотическое давление их разрывает и бактерии гибнут.Возникает вопрос, а не могут ли существовать антибиотики с еще ц Нтакой антибиотик — фосфономицин — был не только обнаружен, но
и стал применяться в педиатрии при лечении инфекционного ме¬
нингита. Его действие также состоит в предотвращении образования фосфономицин
оболочки батериальной клетки.В настоящее время в распоряжении медиков имеется множество антибактериальных пре¬
паратов, которые принадлежат к самым разным классам органических веществ как природ¬
ного происхождения, так и созданных руками синтетиков, обладают сильнейшим эффектом
и предназначены для лечения или профилактики самых различных микробных инфекций,
от туберкулеза до дизентерии, от сонной болезни до брюшного тифа. Практически для каж¬
дого из видов болезнетворных микробов создан свой собственный набор химиотерапевти¬
ческих препаратов.Казалось, что бактериальные инфекции окончательно побеждены. Однако в действитель¬
ности ситуация выглядит удручающей. И причиной этого служит явление резистентности,
открытое еще в 1905 году П. Эрлихом и его сотрудниками. Резистентность — это выработ¬
ка микроорганизмами устойчивости к действию химиотерапевтических препаратов.Эпидемиологи считают, что в истории человечества имели место три так называемых
эпидемиологических сдвига. Первый из них происходил 5-10 тысячелетий тому назад т-
был вызван переходом человечества к оседлому образу жизни на определенном уровне со¬более активным в реакциях трехчленным циклом? Действительно
596ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫциального развития общества. Концентрируясь в поселениях и окружая себя многочис¬
ленными переносчиками инфекций (комары на рисовых плантациях, блохи, грызуны и
т.д.), человечество вступило в эпоху жесточайших эпидемий, средства борьбы с которыми
отсутствовали.Второй эпидемиологический сдвиг произошел в 50-60-х годах XX века, когда успехи хи¬
миотерапии вселили людям уверенность в близости окончательной победы над инфекцион¬
ными заболеваниями.Сейчас мы переживаем третий эпидемиологический сдвиг, когда многие инфекционные
заболевания возвращаются вновь в новом качестве, как результат приобретенной микроор¬
ганизмами резистентности к химиотерапевтическим препаратам. Достаточно упомянуть
возрастающее количество туберкулезных больных. Причина — в резистентности возбуди¬
теля туберкулеза по отношению к применяемым антибиотикам. Другой пример — госпи¬
тальная инфекция, которая уносит множество жизней прооперированных больных, заразив¬
шихся устойчивыми к действию антибиотиков штаммами стафилококка. Таких примеров
множество, ограничимся этими, как наиболее наглядными.Таким образом, преодоление резистентности внедрением новых синтетических или по-
лусинтетических препаратов является актуальной проблемой современной химиотерапии.36.1.2. Химиотерапия ракаСуществует свыше 200 заболеваний, характеризующихся неограниченным ростом тканей.
Их объединяют собирательным названием «рак». Проблема создания противораковых химио¬
терапевтических средств выглядит значительно более сложной, чем поиск противомикробных
препаратов. Недаром Эрлих, начинавший свои изыскания в области химиотерапии с поиска
противоопухолевых средств, вынужден был отказаться от дальнейших исследований в этом
направлении, столкнувшись с непреодолимыми для того времени препятствиями.Трудности состоят здесь в том, что раковые клетки мало чем отличаются от здоровых.
Среди различий для них самым существенным является их способность к быстрому и некон¬
тролируемому делению — митозу. Избирательная токсичность может быть достигнута здесь
тогда, когда мишенью станут те клеточные структуры, которые принимают участие в про¬
цессе митоза. Ведь в злокачественной опухоли доля здоровых клеток мала по сравнению с
раковыми, а следовательно избирательная токсичность в принципе достижима.Что же может служить конкретной мишенью? Во-первых, это системы синтеза и функци¬
онирования ДНК. Во-вторых, можно поразить ферменты, ответственные за отдельные стадии
митоза. Наконец, можно воздействовать на отдельные структуры самого аппарата митоза.Начнем с тех случаев, когда мишенью действия химиотерапевтического средства служит
молекула ДНК.Первым химиотерапевтическим противораковым препаратом был примененный в 1946
году эмбихин. С него и начинается эпоха химиотерапии рака. Появление эмбихина приве¬
ло к созданию серии препаратов, среди которых укажем цитоксан и тиоТЭФ.эмбихинцитоксантиоТЭФ
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА597■зРис. 36.2. Образование поперечных сшивок между двумя цепями ДНК под действием эмбихина.Механизм действия этой группы веществ заключается в алкилировании нуклеофиль¬
ных центров молекулы ДНК, что вызывает ковалентную необратимую сшивку двух цепей
ДНК (рис. 36.2).А это означает прекращение деления клеток и роста раковой опухоли. Естественно, избира¬
тельная токсичность препаратов этой группы невелика, так как они поражают ДНК и здоровых
клеток. Проще говоря, они столь же токсичны, как и мышьяксодержащие препараты Эрлиха.Другой путь создания противоопухолевых препаратов — это конструирование антиметабо¬
литов, нарушающих процесс биосинтеза ДНК или ее функционирование. Они могут принадле¬
жать к трем группам. Существуют «фолатные», пуриновые и пиримидиновые антиметаболиты.Как уже сказано ранее, дигидрофолиевая кислота — незаменимый провитамин, так как
необходима для биосинтеза нуклеиновых кислот. Поэтому идея создания «фолатных» ан¬
тиметаболитов для лечения раковых заболеваний выглядела весьма заманчивой.Среди них наиболее перспективным оказался синтезированный в 1949 году метотрексат,
отличающийся от дигидрофолиевой кислоты незначительными изменениями — наличием
метильной группы при атоме азота и заменой оксогруппы аминогруппой. Метотрексат ин¬
гибирует фермент дигидрофолатредуктазу и тем самым останавливает биосинтез ДНК. Это
свойство позволило применять его как средство для лечения лейкоза (рак кроветворной
ткани) и некоторых быстрорастущих злокачественных опухолей, поражающих африканских
детей - жителей жарких и влажных областей.Оj СООН
■NH—y V-Coi-NH-CHif :h2n^n^nндигидрофолиевая кислотаСООНh2nN Nн(СН2)2[-СНсоонсоонIIметотрексат
598ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. VМолекула дигидрофолиевой кислоты служит удобным объектом для иллюстрации идеи
создания антиметаболитов.Метотрексат сконструирован путем модификации всей молекулы дигидрофолиевой кис¬
лоты. В ней измененен тот ее участок, который включает остаток пара-аминобензойной кис¬
лоты. Стрептоцид же служит примером создания антиметаболита за счет модификации не
всей молекулы, а только составляющей его компоненты — пара-аминобензойной кислоты.Следовательно, в принципе возможно создание «фолатных» антиметаболитов за счет
изменения структуры и гетероциклической компоненты молекулы дигидрофолиевой кис¬
лоты, то есть в ряду производных птеридина, который и составляет ее гетероциклический
фрагмент. Поиски в этом направлении пока не привели к созданию новых противоопухоле¬
вых препаратов, однако «фолатные» антиметаболиты этого типа оказались эффективны в
борьбе с микробными инфекциями.Так, 2,4-диаминоптеридин не уступает по антималярийной активности хинину, а его бо¬
лее простой аналог в пиримидиновом ряду — пириметамин превосходит его по активности
и применяется в качестве профилактического средства. Дальнейшая трансформация моле¬
кулы привела к созданию сильнейшего антимикробного препарата — триметоприма, кото¬
рый в медицинской практике чаще всего применяют в комбинации со стрептоцидом.В отличие от «фолатных» антиметаболитов пиримидиновые и пуриновые антиметабо¬
литы ингибируют синтез ДНК на последней стадии. Их применяют в виде свободных осно¬
ваний или нуклеозидов, но не нуклеотидов. Последние не могут проникнуть в клетку, так как
обладают способными к ионизации остатками фосфорной кислоты, чуждыми неполярным
липидным мембранам клеток. Антиметаболиты в клетке превращаются в дезоксирибозиды,
конкурирующие с нормальными нуклеозидами. В опухолевой клетке действие отдельных
ферментов изменено, часто имеет место синтез изоферментов, а потому включение антиме¬
таболитов в нуклеиновые кислоты может происходить гораздо интенсивнее, чем в нормаль¬
ных клетках. При включении модифицированного производного пурина или пиримидина
в ДНК будет иметь место так называемый летальный синтез, вызывающий нарушение реп¬
ликации или транскрипции и тем самым — гибель раковых клеток.В качестве типичных антиметаболитов — свободных оснований приведены примеры
пуриновых производных, 6-меркапто- и 2-амино-6-меркаптопурина.Эти соединения занимают прочное место в лечении злокачественных новообразований,
особенно лейкозов.ОСН32,4-диаминоптеридинпириметаминтриметопримSHSH6-меркаптопурин2-амино-6-меркаптопурин
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА599В качестве примеров антиметаболитов — модифицированных нуклеозидов — рассмот¬
рим цитарабин (или арабинозид цитозина) и фторафур.Цитарабин — изомер цитидина, являющегося промежуточным продуктом синтеза ДНК.
В отличие от природного изомера в молекуле цитарабина гидроксильные группы фурано-
вого кольца имеют транс-конфигурацию, то есть вместо рибозы в состав молекулы входит
арабиноза. Цитарабин подавляет развитие острого лейкоза, а также является эффективным
средством для лечения некоторых видов рака у подростков.Фторафур объединяет в молекуле пиримидиновое кольцо и тетрагидрофурановый оста¬
ток, моделирующий рибозу и дезоксирибозу. Фторафур широко применяется для лечения
опухолей желудочно-кишечного тракта и молочной железы.Еще один способ воздействия на молекулу ДНК — интеркаляция (то есть вставка) мо¬
лекулы лекарственного препарата между соседними парами оснований двойной спирали. В
месте интеркаляции имеет место локальное раскручивание спирали, что препятствует нор¬
мальному функционированию молекулы ДНК в целом. Среди интеркаляторов известен ряд
антибиотиков, в том числе — применяемых в онкологической практике.Как происходит интеркаляция одного из таких антибиотиков, актиномицина Д, де¬
монстрирует рис. 36.3. Молекула актиномицина содержит в своем составе плоский гете¬
роциклический феноксазоновый фрагмент и две одинаковые полипептидных цепи, при¬
соединенные к конденсированному циклу. Это изображено в виде структурной формулы
и условной топологической схемы (а). Топологическая схема (б) объясняет суть явле¬
ния интеркаляции.Феноксазоновый цикл актиномицина встраивается (интеркалирует) в остов молекулы
ДНК за счет вандерваальсовых сил между ним и двумя парами нуклеиновых оснований —
над ним и под ним. От гетероциклического остова ответвляются две полипептидные цепи,
которые выходят за внешние участки молекулы ДНК. Тем самым они препятствуют фермен-НОцитарабин,
арабинозид цитозинафторафурN1Актиномицин Да6Рис. 36.3. Актиномицин (а) и его интеркаляция (б).
600ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.Vту РНК-полимеразе двигаться вдоль поверхности ДНК, что необходимо для транскрипции
информации с молекулы ДНК.Интеркаляторами являются и молекулы противоопухолевых препаратов платины, родо¬
начальником которых является молекула ^с-дихлородиамминплатины(Н) [Pt(NH3)2Cl2].
Однако здесь имеет место не только механическая вставка, но и одновременное ковалентное
связывание атома платины с атомами азота нуклеиновых оснований в составе ДНК в резуль¬
тате замещения атомов хлора.Обратимся теперь к новой мишени — органеллам процесса митоза. Микротрубочки - это
органеллы, присутствующие во всех клетках человека. Они являются незаменимой деталью
аппарата митоза. Алкалоид винкристин, применяемый при остром лейкозе у детей, разру¬
шает микротрубочки, тем самым подавляя митоз.Среди противоопухолевых веществ есть и такие, которые стабилизируют микротрубоч¬
ки, например, таксол. Таксол был обнаружен в древесине тихоокеанского тиса в ходе выпол¬
нения научной программы, в результате которой с 1960 по 1981 год было подвергнуто сис¬
тематическому скринингу 130241 растительных и животных экстрактов.Синтез таксола был выполнен тремя независимыми группами исследователей и вклю¬
чал несколько десятков стадий, а общий выход таксола не превышал 4%. Объясняется это
необычайной структурой молекулы таксола, содержащей помимо двух шестичленных колец
восьмичленный и четырехчленный циклы. Особую трудность для синтетиков составляло
наличие в молекуле 11 асимметрических атомов углерода. Ведь только единственный из
общего числа 2048 (211) стереоизомеров и представлял собой таксол, а остальные изомеры
не обладали желаемым биологическим действием.Возможность производства таксола была связана с экологической проблемой. Тихоо¬
кеанский тис как редкий вид находится под государственной охраной. Требуется около 100
лет, чтобы дерево достигло 12-метровой высоты. Необходимо переработать древесину 7
таких деревьев, чтобы получить количество таксола, достаточное для курса лечения един¬
ственного пациента. Однако эта проблема была успешно преодолена с помощью биотех¬
нологии.Таксол останавливает неконтролируемый процесс деления клеток, образуя чрезвычай¬
но стабильные и нефункционирующие микротрубочки, которые в процессе деления, к тому
же, должны деполимеризоваться, чего с ними в данном случае не происходит. Тем самым
аппарат митоза перестает функционировать.Особенно успешным оказалось применение таксола при раке яичника.
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА601Экстракт из древесины другого дерева «кси шу» (Camptoteca acuminata), произрастаю¬
щего в Китае и Тибете, применялся в китайской традиционной медицине как средство про¬
тив лейкемии и рака желудка и печени. Из него было выделено индивидуальное вещество,
названное камптотецином.Было найдено, что камптотецин ингибирует топоизомеразу — фермент, тесно связанный
с процессом деления клеток. Так как раковые клетки растут и делятся значительно быстрее
нормальных, они значительно чувствительнее последних к ингибированию топоизомеразы.Впоследствии была синтезирована группа производных камптотецина, привлекших вни¬
мание клиницистов. Среди них наиболее активное и эффективное производное — топотекан.
Топотекан — это камптотецин с гидроксильной группой в положении 9 и с диметиламино-
метильным заместителем в положении 10. Топотекан оказался весьма эффективен при ле¬
чении рака яичника, не уступая таксолу.36.1.3. Противовирусные препаратыВ отличие от бактерий вирус устроен чрезвычайно просто. Он состоит только из белко¬
вой оболочки и находящейся внутри нее ДНК (или РНК), где закодирован геном вируса.
Вирус может размножаться только внутри клетки хозяина. Для этого он прикрепляется к
клеточной стенке, затем проникает через нее внутрь, где сбрасывает свою оболочку. После
этого начинается репликация вирусной ДНК и образование новых вирусов, для которых
используется исключительно материал клетки-хозяина. Размножившиеся вирусы в конце
концов разрушают клетку, после чего проникают в новые клетки, распространяясь по все¬
му организму.Естественно, при такой биологии вируса в принципе очень трудно создать лекарство,
которое бы различало биологические мишени самого вируса и клетки-хозяина.Цель химиотерапии вирусных инфекций — создание молекул, действующих таким об¬
разом, чтобы включаться в репродуктивный цикл вирусов. Лекарство должно обладать свой¬
ством прерывать репликацию генетического материала за счет того, что вирусные фермен¬
ты ошибочно принимают его за нормальный нуклеозид. Сделать это достаточно трудно, но
в двух случаях это удалось.Так, антиметаболитом для вируса Herpes simplex послужил аналог нуклеозидов ацик¬
ловир. Он обладает очень высокой избирательной токсичностью: в 3 ООО раз более ток¬
сичен для вируса, чем для клеток человека. Ацикловир эффективен против герпесных
инфекций, которыми только в США заражено около 60 млн человек. Особенно опасен
герпесный энцефалит — воспаление мозга, при котором выживает лишь 25% заболевших.
Ацикловир повышает выживаемость до 75%. Активность ацикловира обусловлена его
структурным сходством с дезоксигуанозином — нуклеозидом, необходимым для сборку
любой ДНК.Окамптотецинтопотекан
602ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫДругой применяемый в клинике антиметаболит — азидотимидин, по существу един¬
ственный пока препарат, проявляющий некоторый положительный эффект при лечении
СПИДа.Возможными мишенями вирусов могут быть и их другие уязвимые места. В принципе
можно воспрепятствовать прикреплению вируса к оболочке клетки и, следовательно, про¬
никновению внутрь нее, или же заблокировать механизм сбрасывания вирусом своей бел¬
ковой оболочки. Скорее всего именно так функционирует ремантадин. Ремантадин счита¬
ется противогриппозным средством. Однако он бессилен против начавшегося гриппа и
может служить лишь профилактическим средством, к тому же помогающим лишь ограни¬
ченному проценту людей.ООH,Nx4N^'"NН1Дгсн>ноацикловирCH3-CH-NH2NNH-^.NH,ОN3азидотимидинCH.ремантадинметисазонЕще один известный противовирусный препарат, метисазон, оказался чрезвычайно эф¬
фективным по отношению к вирусу коровьей оспы. Когда вспыхнула эпидемия оспы в Мад¬
расе, этот препарат был введен 110 лицам, имевшим контакт с больными. Из этой группы
заболело лишь трое, да и то в легкой форме. В другой такой же группе, но не получивших
метисазон, заболело 78 человек, из которых умерло 12. Механизм действия метисазона со¬
стоит в нарушении синтеза «поздних» белков (то есть белков, ситезируемых на стадии окон¬
чательной сборки вириона). Пример метисазона демонстрирует, что далеко не все подходы
к конструированию противовирусных препаратов уже известны.Выработанная вирусами в процессе эволюции высокая устойчивость и гибкая реакция на
воздействие любых внешних факторов, в том числе и химических препаратов, делает задачу
конструирования противовирусных препаратов чрезвычайно сложной. К тому же соответству¬
ющий вирусный энзим способен очень быстро трансформироваться так, что лекарство пере¬
стает мешать его функционированию. Поэтому лишь редкие из испытанных соединений до¬
стигают прилавков аптек, и перечень противовирусных препаратов достаточно ограничен. Еще
ждут своих химиотерапевтических средств полиомиелит, гепатит, энцефалит и другие вирус¬
ные инфекции.Химиотерапия достигла впечатляющих результатов за сто лет своего существования.
Некоторые ее достижения, такие как антибактериальные сульфаниламиды и антибиотики,
а также успехи в области химиотерапии рака носят поистине революционный характер для
медицины:.Современные исследователи создают новые поколения химиотерапевтических препара¬
тов. Так, многочисленные хинолоновые производные активны в отношении бактериальных
штаммов, на которые не действуют антибиотики и сульфаниламиды. Представители их по¬
следнего поколения, производные фторхинолонового ряда настолько активны, что их даже
принято называть антибиотиками. Нет сомнений в том, что в дальнейшем будут созданы
новые эффективные противоопухолевые и противовирусные препараты.
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА60336.2. Стереохимия и механизм действия
физиологически активных веществ...возбудители обладают целой серией
химиорецепторов, специфически отличаю¬
щихся друг от друга. Если нам удастся
обнаружить среди них группировку,
которая не имела бы себе аналога в
тканях тела, то мы получим тем самым
возможность создать идеальный лекарст¬
венный препарат.П. ЭрлихБиологическое действие химических соединений сильно зависит от размера и формы их
молекул.Для проявления некоторых типов биологической активности необходимым требовани¬
ем является планарность молекулы, для других — объемность, трехмерность структуры.
Типичным примером биологически активной молекулы с плоской стуктурой является об¬
ладающий антимикробным действием профлавин (3,6-диаминоакридин). Примером мо¬
лекулы лекарственного вещества, обладающей объемным строением, может служить ре¬
мантадин.Замена плоского фрагмента в молекуле лекарственно¬
го вещества другим, неплоским, позволяет установить, на¬
сколько необходима плоская структура для биологичес- _ _ _
кой активности данного соединения. Так, замена плоского ^2N N NH2
бензольного кольца в молекуле фенамина циклобутано- профлавин
вым, циклопентановым и циклогексановым циклами вызы¬
вает ослабление физиологического действия.Для биологически активных веществ с плоской структурой обычно существует зависи¬
мость активности от площади планарной части молекулы. Это было впервые показано для
производных аминоакридина, в молекулах которых площадь, необходимая для проявления
противобактериальных свойств, оказалась равной 38 А2. Именно это создает благоприятные
условия для взаимодействия такой молекулы, в частности, профлавина, с пуриновыми и
пиримидиновыми основаниями ДНК. Когда акридиновый цикл контактирует с плоским
участком, окружающим рецептор, дополнительный выигрыш в энергии, обусловленный
гидрофобным взаимодействием, составляет 8-12 кДж/моль.Хорошо известно влияние стерических затруднений на протекание химических реакций.
Например, в соответствии с правилом Меншуткина, реакция этерификации триметилуксус-
ной кислоты протекает в более жестких условиях, чем уксусной кислоты. В той же мере уве¬
личение стерического объема заместителя в молекуле лекарственнного вещества, например,
в отдельных случаях даже замещение атома водорода на метильную группу может приводить
к полной потере физиологической активности.В целом же замена одной группы (или заместителя) другой, близкой по размерам, может
оказаться весьма полезной. В этом отношении часто бывает эффективна замена атома во¬
дорода на фтор, метильной группы на атом хлора или аминогруппы тиольной группой.
Такая замена может привести к созданию новых лекарств — фторафура, 6-меркаптс
пурина и др.
604ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫУ большинства лекарственных препаратов существует тесная взаимосвязь между про¬
странственной структурой и фармакологической активностью, т.е. имеет место стереоспе¬
цифичность действия Это неудивительно, так как каждый рецептор обладает характерной
пространственной структурой участка, взаимодействующего с биологически активным ве¬
ществом, и их структуры должны соответствовать друг другу по принципу «ключ-замок».Многие синтетические лекарственные препараты существуют в виде смеси двух, а час¬
то и большего числа пространственных изомеров, отличающихся своим биологическим дей¬
ствием. Последствия таких различий не всегда безопасны. Распознавание стереоизомеров
вводимого в организм вещества может осуществляться на разных стадиях — при связыва¬
нии с ферментами и рецепторами, при транспорте через мембраны, в процессах поглощения
в клетках и распределения между тканями. Все эти процессы изучает фармакокинетика.Фармакокинетика — изучение всасывания, распределения, метаболизма и выделения
лекарственных веществ и сопоставление результатов этих исследований с фармакологиче¬
ским эффектом. Фармакодинамика — количественная оценка биологического и терапевти¬
ческого действия лекарственных веществ.Выявление фармакокинетических и фармакодинамических особенностей отдельных
изомеров открывает перспективные направления совершенствования уже известных лекар¬
ственных средств.Лишь 15% синтетических препаратов, находящихся на европейских рынках производит¬
ся в виде отдельных стереоизомеров, остальные 85% представляют собой смеси изомеров. В
то же время современные методы позволяют получать в чистом виде конкретные изомеры
и выбирать из них те, которые обладают наиболее выраженными эффектами и наименьшей
токсичностью.36.2.1. Фармакокинетические различия в действии оптических изомеровОдной из причин различной физиологической активности стереоизомеров являют¬
ся индивидуальные особенности их проникновения в организм и последующего распре¬
деления.Эти различия могут могут быть вызваны свойствами биологических мембран, которые
построены из оптически активного, асимметрического материала, и с наличием в мембранах
специальных систем — пермеаз, осуществляющих перенос метаболитов через мембраны.
Известны стереоспецифические транспортные мембранные системы, при действии которых
концентрация L-аминокислот внутри клеток повышается примерно в 500 раз по сравнению
с окружающей средой. D-аминокислоты этими системами не транспортируются.Пермеазы участвуют в переносе и некоторых
NH2 лекарственных веществ. Так, левовращающаяНООССНСН —\ у NfCH СН СП Ф°Рма -лекарственного препарата сарколизина2 \—/ 222 активна ПрИ лечении некоторых видов опухолей,сарколизин а правовращающая — неактивна. Благодаря ами¬нокислотной природе(препарат является произ¬
водным фенилаланина) L-сарколизин в отличие от D-сарколизина проникает через мем¬
браны с помощью систем активного транспорта L-аминокислот.Следующим фактором, ответственным за фармакокинетические различия, является раз¬
ница в связывании отдельных энантиомеров с белками плазмы и тканей, которое также яв¬
ляются стереоспецифичным, хотя в меньшей степени, чем прямое действие вещества на ре¬
цептор.
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА605Так, если действовать на изолированное сердце крысы равными концентрациями изоме¬
ров норадреналина, то соотношение (-)-изомера к его (+)-изомеру в сердце составит 11:1.В первые 12 часов после приема рацемата психостимулятора фенамина почками в моче
обнаруживалось одинаковое количество его оптических изомеров. Однако в последующие
12 часов содержание (+)-фенамина в моче понижалось. Это более медленное выделение
одного из изомеров обусловлено лучшим связыванием тканями (+)-фенамина и его мета¬
болитов.(-)-Изомер антикоагулянта варфарина ингиби- СШрует синтез комплекса протромбина в 1,9 раза силь- ^^чч^Чч^*СН(С6Н5)-СН2СОСНзнее, чем его энантиомер. В то же время разница в их |l Iантикоагулянтной активности значительно боль-ше — в 6,6 раза. Это связано с различием в скорос- ,r v г варфаринти разрушения энантиомеров в плазме.Подобное действие только одного оптического изомера описано ранее для других лекар¬
ственных препаратов, выступающих в форме рацематов, например, талидомида, лишь лево¬
вращающий изомер которого является мощным транквилизатором, а правовращающая фор¬
ма вызывает сильные тератогенные эффекты.Если энантиомеры рацемической формы лекарственного препарата обладают одинако¬
вой активностью, не имеет значения, какой из них метаболизируется первым. Когда же энан¬
тиомеры отличаются как силой действия, так и вызываемыми нежелательными побочными
явлениями, то важна разная скорость их метаболизма.Последнее, в частности, объясняет разницу между пероральными (80-160 мг) и внутри¬
венными (5-10 мг) оптимальными дозами сердечно-сосудистого препарата верапамила.
Здесь разница намного больше, чем ожидаемая при одинаковой скорости биотрансформа¬
ции изомеров.У некоторых оптически активных препаратов, применяемых в виде рацемата, обмен од¬
ного из энантиомеров может тормозиться из-за взаимодействия с другими лекарственными
средствами. Это при различной силе действия энантиомеров может приводить как к изме¬
нению эффекта препаратов, так и к нежелательным побочным явлениям.Типичным примером является варфарин, применяемый в медицине в виде рацемата.
В присутствии некоторых противовоспалительных препаратов L-изомер обладает более
сильным антикоагулянтным действием, чем D-изомер. Противовоспалительные препараты
избирательно тормозят метаболизм лишь L-изомера и, следовательно, повышают концент¬
рацию именно этого изомера в плазме.36.2.2. Фармакодинамические различия в действии оптических изомеровОтношение активности эвтомера к дистомеру (см. разд. 20.2.2) называется эвдесмическим
и является мерой стереоизбирательности данного соединения.Яркий пример стереоспецифичности действия оптических изомеров демонстрирует отрав
ляющее вещество нервно-паралитического действия зарин. В опытах с ингибированием фер¬СНсн,I J♦сh2n^ nch2c6h5Б-(+)-фенамин (или R)Ь-(-)-фенамин (или S)
606ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫмента ацетилхолинэстеразы в бычьих эритроцитах установлено, что 11(-)-зарин реагирует с
ферментом в 4000 раз быстрее, чем (+)-изомер, то есть эвдесмическое отношение равно 4000.Чем больше данное отношение, тем сильнее биологическая активность лишь одного оп¬
тического изомера. Особенно отчетливо это проявляется, если асимметрический центр уча¬
ствует во взаимодействии с рецептором (так называемое правило Пфейффера).Взаимодействие асимметричной молекулы лекарственного вещества со сложной
структурой активного центра рецептора, осуществляемое по типу «ключ — замок», оп¬
ределяется их контактом в ряде точек. Существуют как точки связывания, так и центры
отталкивания. Первые обусловливают сродство вещества к рецептору. Наличие вторых
может существенно влиять на сродство из-за вероятного изменения конформации ре¬
цептора.Если представить себе, что основные силы взаимодействия асимметрично построенной
молекулы лекарственного вещества с активным участком рецептора (или фермента) сосре¬
доточены минимум в трех точках, как это показано на схеме в разд. 20.2.2, то два энантио-
мера могут одинаково ориентировать в отношении данной поверхности только две из трех
групп, участвующих в процессе. Различие в ориентации третьей группы и может объяс¬
нить разную биологическую активность оптических изомеров. Влияние стереоизомерии
будет проявляться в зависимости от степени участия этой группы во взаимодействии с ре¬
цептором.Представление о трех точках взаимодействия вещества с рецептором весьма услов¬
но. Ведь даже один сложный радикал, соединенный с асимметрическим центром моле¬
кулы, может взаимодействовать с активной поверхностью рецептора в целом ряде точек.
Чем сложнее строение асимметричной молекулы вещества и чем выше ее комплементар-
ность по отношению к рецептору, тем большей разницы в активности можно ожидать у
ее оптических изомеров. Разница же в активности оптических антиподов тем больше,
чем выше физиологическая активность рацемата.Для соединений, у которых различие в активности стереоизомеров выражено слабо, мож¬
но предполагать взаимодействие с рецептором преимущественно в одной-двух точках. Среди
лекарственных веществ таких случаев немало. Например, одинаковым действием обладают
D- и L-изомеры противомалярийного препарата хингамина.Имеются многочисленные данные, касающиеся фармакологических свойств оптических
изомеров норадреналина, адреналина и различных симпатомиметических аминов. Все эти
данные показывают высокую степень стереоизбирательности в их действии на различные
органы и системы. Разница в активности данных изомеров колеблется в широком диапазо¬
не и может достигать значительных величин.У норадреналина и адреналина наибольшей фармакологической активностью обладают
естественные (-)-изомеры. Разница в активности оптических изомеров достигает десятков
раз. Вероятно, разница в активности оптических изомеров может зависеть от скорости их
рацемизации в организме.Из обширной группы опиоидных анальгетиков выраженной стереоселективностью об¬
ладает морфин.В принципе конфигурация морфина с его пятью асимметрическими атомами углерода
(С5, Сб, С9, С13 и С14) атомов теоретически допускает возможность существования 32 опти¬
ческих изомеров. Однако ограничения, которые налагаются «мостиковой» этиламиновой
цепочкой, создающей кольцевую систему (С9-С13), приводят к тому, что морфин существует
лишь в виде 16 оптических изомеров. Они были получены, исследованы и различаются по
биологической активности.
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА6070-(-)-морфин Ь-(+)-морфинПриродный морфин, содержащийся в растительном сырье, является одним из 8 лево¬
вращающих изомеров. Введение этого препарата животным и человеку вызывает у них
сильную и продолжительную анальгезию. Синтетический энантиомер природного морфи¬
на лишен анальгезирующего действия.Интересные данные по различной активности стереоизомеров получены для местноане¬
стезирующего препарата — кокаина.I и IV изомеры: II и III изомеры:R = СООСНз, Rt = Н Ri = СООСНз, R = НЧисло возможных оптических изомеров кокаина равно восьми. Соответственно были
получены четыре рацемические формы кокаина: кокаин (I), псевдококаин (И), аллококаин
(III) и аллопсевдококаин (IV).Наиболее токсичным среди данных препаратов является рацемический аллококаин, а
наименее — (+)-кокаин.Таблица 36.1Местгюаиестезирующая активность (в относительных единицах)
и токсичность стереоизомерных кокаиновПрепаратОптическая формаАнестезияЛД50, мг/кг*Кокаин (природный)(-)1,0205Кокаин (синтетический)(->1,9255Кокаин(+>0,22800ПсевдококаинРацемат0,65340АллококаинРацемат0,4743*доза вещества, при введении которой наступает гибель 50% экспериментальных
животных.
608ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[4.VИз энантиомеров псевдококаина более активным является (+)-изомер, применяемый в
медицинской практике под названием псикаина.36.2.3. Геометрическая изомерия и биологическая активностьЯвление цис-транс-изомерии также оказывает существенное влияние на свойства лекар¬
ственных веществ, таких, например, как эстрогенный препарат диэтилстильбэстрол или про-Qpj тивоопухолевое средство дихлородиам
минплатина (см. разд. 36.1).\ч п Еще один пример. Известно, что"2\ /С=С
// {н5сч
с=с
0 0Н0 „с- ОНН5с,транс-диэтилстильбэстролу-аминомасляная кислота (ГАМК) яв¬
ляется нейрорегулятором. Если взять
цис- и транс-изомеры соответству¬
ющей непредельной кислоты, то лишь
цис-изомер обладает теми же свойст¬
вами, что и ГАМК, а транс-изомер не¬
активен.СООНг.—соонnh2ГАМК4nh2цис-H9Nxтранс -Взаимодействие лекарство — рецептор происходит не на гипотетической плоскости,
как это изображено на рис. 36.4 а, а в определенном объеме, размер и форма которого обус¬
ловлены специфическим строением макромолекулы рецептора. Взаимодействующие
группы рецептора (А‘, В‘, Х‘) могут быть расположены в пространстве таким образом, что
две из них находятся по одну сторону плоскости молекулы вещества, а третья — по дру¬
гую (рис. 36.4 б).Точки А‘, В‘, Х‘ на рис. 36.4 б находятся как бы на внутренней поверхности цилиндра, в
полости которого расположена молекула физиологически активного вещества. При такомрасположении реагирующих групп
рецептора транс-изомер будет иметь
несомненное преимущество перед цис-
изомером. В общем случае, преимуще¬
ство в активности может иметь любой
из изомеров, нужно только чтобы вза¬
имное расположение контактиру¬
ющих групп этого изомера было в
наибольшей степени комплементарно
активному центру рецептора.Так, если в случае диэтилстильбэ-
строла транс-форма более активна,
чем г^с-форма, то цисплатин активен
только в цис-форме, а транс-изомер
активностью не обладает.аРис. 36.4. Взаимодействие геометрических изомеров
с поверхностью рецептора.
ГЛ. 36]ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА609Геометрическая изомерия оказывает сильное Н3С^ НЯСвлияние на фармакологические свойства произ- ^
водных анти- и аш-тропинов. Многие эфиры
бш/7ш-тропина, в том числе и атропин, обладают
сильным мускаринолитическим* действием. Ряд
их четвертичных солей проявляет также никоти-
нолитические свойства. В то же время аналогич¬
ные производные а/я-тропина имеют значитель¬
но более низкую холинолитическую активность в
отношении мускариновых и никотиновых рецепторов. По мускаринолитическим свой¬
ствам бшттш-производные примерно вдвое активнее син-производных.ОН
анти- тропин—ОНсин-тропин36.2.4. Конформационная изомерия и биологическая активностьВ молекулярном механизме действия физиологически активных веществ важное значе¬
ние может иметь их способность принимать в пространстве наиболее устойчивую (предпоч¬
тительную) конформацию.С помощью рентгеноструктурного анализа были определены конформации в крис¬
таллическом состоянии для катионов эфедрина (рис. 36.5 а), норадреналина (6), изо-
протеренола (изадрина) (в) и солей некоторых других адренергических веществ. Как
видно на представленном рисунке, эти вещества* имеют однотипные конформации с ами-
но- и арильной группами в трансоидном положении и с гидроксильной группой по от¬
ношению к аминогруппе — в скошенном положении. Это и определяет их однотипное
действие.а б вРис. 36.5. Конформации адреномиметиков:
а — эфедрин, б — норадреналин, в — изопротеренол.Для определения предпочтительных конформаций адренергических веществ были ис¬
пользованы и квантово-химические расчеты, показавшие, что в наиболее устойчивой кон¬
формации катион норадреналина должен содержать амино- и диоксифенильную группы
в трансоидном положении, как это было установлено экспериментально для твердого
состояния вещества. Таким же методом были вычислены предпочтительные конформации
катионов адреналина и других N-алкильных производных норадреналина. Во всех случаях
предпочтительной является конформация с трансоидным расположением амино- и диокси-
фенильной групп, аналогичная приведенной выше.* Мускаринолитическое, никотинолитическое, холииолитическое действие — разные виды физиологической
активности, обусловленные взаимодействием с разными рецепторами.
610ОРГАНИЧЕСКИЕ БИОМОЛЕКУЛЫ[Ч. VNH2+CH3
нОНСНнСбн,^6П5эфедрин+ В указанной трансоидной конформации а-гидро-ГШ2 ксильная группа и положительно заряженный атом азо-vjv' та норадреналина и подобных ему веществ находятся внепосредственной близости друг от друга. Это может
С6Н5 означать, что и взаимодействие с анионным центром ре¬
псевдоэфедрин ЦептоРа>и образование с ним водородной связи осуще¬
ствляются с одной стороны молекулы. Контакт же запсевдоэфедринсчет липофильной фенильной группы осуществляется с другой ее стороны.Конформации катиона эфедрина и псевдоэфедрина отличаются друг от друга положени¬
ем С-метильной группы по отношению к плоскости основного скелета молекулы. Очевид¬
но, в случае малоактивного псевдоэфедрина в отличие от эфедрина расположение этой груп¬
пы не благоприятствует взаимодействию вещества с рецептором.Фенамин и некоторые его производные в водном растворе в виде солей существуют
преимущественно также в виде конформации с трансоидным положением фенильной и
аминогруппы (рис. 36.6). Правда, наряду с ней существуют и две скошенные конформации
фенамина.У производных фенамина с заместителями при атоме азота содержание трансоидного
конформера еще выше, благодаря тому, что объем группировки +NH2R больше, чем у металь¬
ной группы.Изложенные сведения показывают, что изменение пространственного расположения
одних и тех же групп в молекуле биологически активных веществ может иметь столь же
значительные последствия, как и изменение химической природы этих групп.Знание влияния стерических особенностей на физиологическую активность молекулы
позволяет с помощью стереонаправленного синтеза получать лекарственные препараты,
обладающие наибольшей эффективностью и наименьшей токсичностью.с6н550%с6н545%Рис. 36.6. Копформеры фенамина.С6н55%
ЧАСТЬ VIМИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫВопросы, связанные с... коллоидальным
состоянием вещества... относятся к числу
таких передовых, от решения которых
много подвинется правильное понимание
механизма множества химических реакций.Д. И. МенделеевГлава 37.ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙОбщая площадь, поделенная на количество
молекул, равна площади, занимаемой
каждой молекулой.И. ЛенгмюрБиологические структуры являются гетерогенными системами, состоящими не менее чем
из двух фаз, разделяемых поверхностью раздела. Граница раздела фаз, поверхность раздела,
отличается по термодинамическим параметрам от обеих фаз. Поэтому на поверхности разде¬
ла фаз имеют место поверхностные явления — поверхностное натяжение, адсорбция, адге¬
зия, смачивание и др. Так как многие физиологические процессы (дыхание, пищеварение,
экскреция и др.) протекают на поверхности биомембран, для их понимания требуется знание
основных закономерностей поверхностных явлений.37.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжениеПоверхностный слой, возникающий на границе различных фаз, следует рассматривать как
самостоятельную фазу толщиной в несколько молекул. В отдельных случаях поверхностный
слой имеет толщину, равную диаметру молекулы, и его называют мономолекулярным. По¬
этому поверхностный слой нужно рассматривать кгкмикрогетерогенную систему.Поверхностный слой резко отличается по своим свойствам от свойств фаз, которые он
разделяет. Молекулы, атомы, ионы, находящиеся на границе раздела фаз, не равноценны тем
же частицам, находящимся в объеме фазы.Силы, действующие на молекулы, находящиеся внутри жидкости, одинаковы со всех сто¬
рон, и их равнодействующая Fравна нулю. Силы, действующие на молекулы повехностно-
612МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIго слоя границы раздела жидкости с ее паром, не оди¬
наковы со стороны раствора (снизу и с боков) и газооб¬
разной фазы (сверху). Молекулярные взаимодействия
сверху отсутствуют, равнодействущая сил F не равна
нулю и направлена внутрь жидкой фазы (рис. 37.1). Для
выхода молекул на поверхность требуется выполнить
работу Ws против этой силы. В итоге формируется по¬
верхностный слой с избыточной поверхностной энерги¬
ей Гиббса Gs. Свободной поверхностной энергией назы¬
вается термодинамическая функция, характеризующая
энергию межмолекулярного взаимодействия частиц на
поверхности раздела фаз с частицами каждой из контак¬
тирующих фаз.Все возможные поверхности раздела в зависимости
от агрегатного состояния граничащих фаз делят на под¬
вижные поверхности раздела между жидкостью и газом
(ж-г), двумя несмешивающимися жидкостями (ж-ж) и неподвижные поверхности разде¬
ла между твердым телом и газом (т-г), твердым телом и жидкостью (т-ж), твердым телом
и твердым телом (т-т).При измельчении какой-либо твердой или жидкой фазы суммарный объем и масса ос¬
таются теми же самыми, тогда как суммарная площадь поверхности раздела возрастает.Чтобы учесть влияние поверхности на свойства системы, вводят понятие удельной по¬
верхности (Syd) фазы — величины, измеряемой суммарной площадью граничной поверхно¬
сти фазы (5^), отнесенной к ее объему (V):Зуд = 3Сум/У.Влияние поверхности раздела фаз на свойства системы возрастает с увеличением удель¬
ной поверхности.Энергия Гиббса G системы из двух фаз состоит из двух слагаемых — энергии Гиббса
объемных фаз Gv и поверхностной энергии Гиббса Gs:G = Gy + G$.Энергия Гиббса объемных фаз пропорциональна их массе, а, следовательно, объему, за¬
нимаемому системой:Gv = kV;Поверхностная энергия Гиббса системы пропорциональна межфазной поверхности:Gs = oS,где S — площадь поверхности раздела фаз, м2; а — коэффициент пропорциональности, назы¬
ваемый удельной свободной поверхностной энергией. Ее величина измеряется в кДж/м2 (Н/м).Удельную свободную поверхностную энергию для подвижных поверхностей раздела фаз
(газ — жидкость, жидкость — жидкость) называют коэффициентом поверхностного на¬
тяжения (а). Эта величина измеряется энергией Гиббса, приходящейся на единицу пло¬
щади поверхностного слоя. Она численно равна работе, которую необходимо совершить в
данной системе для образования в ней единицы поверхности раздела фаз при постоянной
температуре.Рис. 37.1. Взаимодействие между
молекулами в объеме жидкости
и в поверхностном слое.
ГЛ. 37] ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ613В системе газ — твердое тело или жидкость — твердое тело поверхность раздела непод¬
вижна. Удельную свободную поверхность в этом случае оценивают по способности твердой
поверхности к смачиванию.Учтя выражения для Gvи Gs, получим:G = kV+oS
G/V=k + aSy(->.Следовательно, энергия Гиббса, приходящаяся на единицу объема системы, линейно
увеличивается с увеличением ее удельной поверхности. При малых значениях удельной
поверхности Зуд поверхностной энергией Гиббса можно пренебречь. При больших значениях
Syd с ней необходимо считаться.Если поверхность кожи человека составляет 1,5 м2, то поверхность эритроцитов имеет
величину уже 3 ООО м2. Клетки, содержащиеся в 1 мл сыворотки крови, имеют суммарную
площадь поверхности 100 м2. Трудно оценить величину суммарной поверхности, разделя¬
ющей все клетки организма, если помнить, что их общее число составляет около 1014, а к ним
еще следует добавить микроорганизмы кишечной флоры, количество которых больше, чем
общее количество клеток организма. Организм представляет собой совокупность систем с
сильно развитыми поверхностями раздела (кожные покровы, стенки кровеносных сосудов,
оболочки органов, клеточные мембраны, мембраны органелл, то есть клеточных структур и
т. д.). В живых системах, следовательно, величина поверхностной энергии должна иметь
большую величину.Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе жидкость — газ возрастает
с увеличением взаимодействия между молекулами жидкости, являясь максимальным для
воды из числа веществ, представленных в табл. 37.1.Таблица 37.1Коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом (298 К)Жидкостьо, кДж/м2Жидкостьо, кДж/м2Вода0,0728Глицерин0,0647Плазма крови0,0454Этанол0,0223Уксусная кислота0,0276Оливковое масло0,0330Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей уменьшается с ростом температу¬
ры и при критической температуре приобретает нулевое значение, так как поверхность раз¬
дела фаз исчезает.С ростом давления поверхностное натяжение на границе жидкость — газ уменьшается,
так как концентрация молекул в газовой фазе возрастает, а, следовательно, увеличивается
взаимодействие с ними молекул поверхностного слоя, и сила Z7 уменьшается.Любая система в соответствии со вторым законом термодинамики стремится самопро¬
извольно перейти в такое состояние, в котором она обладает минимальным запасом энергии
Гиббса G, поэтому и все поверхностные явления идут самопроизвольно только в тех случа¬
ях, когда свободная поверхностная энергия системы уменьшается (AG5 < 0, Gs —> miri). Од¬
нокомпонентная жидкая система (с = const) может понизить запас поверхностной энергии
Гиббса только одним путем — принять форму, при которой поверхность раздела фаз мини¬
мальна (S —»min). Минимальной же поверхностью обладает сфера, чем объясняется форма
614МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIкапель практически любой жидкости — воды, ртути, органических растворителей. К само¬
произвольным поверхностным процессам, за счет уменьшения площади поверхности, так¬
же относятся: коалесценция — слияние капель жидкости или пузырьков газа — и коагуля¬
ция — слипание частиц в дисперсных системах (см. разд. 38.9).Раствор как двух- (или более) компонентная система может понизить запас поверхнос¬
тной энергии Гиббса и другим способом — концентрированием на границе раздела фаз ком¬
понента с меньшим поверхностным натяжением, то есть за счет уменьшения удельной по¬
верхностной энергии (Да < 0). К этим явлениям относятся сорбция и ее последствия —
смачивание, эмульгирование и др.В медико-биологической практике среди поверхностных явлений наибольшее значение
имеет сорбция. Сорбция — это гетерогенный процесс самопроизвольного поглощения твер¬
дым телом или жидкостью вещества из окружающей среды. Вещества, поглощающие соеди¬
нения из окружающей среды, называются сорбентами, а поглощаемое вещество — сорбатом.
Чаще всего сорбция является обратимым процессом, в результате чего наряду с ней проте¬
кает процесс десорбции.Сорбция, сопровождаемая самопроизвольным изменением концентрации растворенного
вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией. Поглотитель в этом случае при¬
нято называть адсорбентом, а поглощаемое вещество — адсорбтивом или адсорбатом.
Величину удельной адсорбции (Г) измеряют количеством молей адсорбтива, приходящих¬
ся на единицу площади поверхности или массы адсорбента (моль/см2 или моль/г, соответ¬
ственно). Процесс сорбции, который сопровождается самопроизвольной диффузией веще¬
ства (абсорбата) по всему объему сорбента (абсорбента), называется абсорбцией.37.2. Адсорбция на границе раздела твердое тело — газАдсорбцию газа на твердой поверхности измерять количеством адсорбтива на единице
поверхности затруднительно, поскольку сложно оценить величину поверхности адсорбента.
Твердая поверхность является неровной. Неровности — микродефекты — превышают размеры
молекул на два-три порядка (сотни ангстремов). Микродефекты увеличивают удельную по¬
верхность системы и создают некоторый избыток запаса поверхностной энергии Гиббса.Поэтому удельная адсорбция газа на твердом теле измеряется его количеством, погло¬
щенным единицей массы твердого тела. Количество поглощенного газа можно определить
по привесу адсорбента и по падению давления адсорбтива.В зависимости от характера действующих сил различают физическую и химическую
адсорбцию.Физическая адсорбция обусловлена в основном вандерваальсовыми силами. Как и в жид¬
кости (см. рис. 37.1), силовое поле частиц адсорбента в его объеме полностью компенсирова¬
но силовыми полями соседних частиц. Силовые поля частиц адсорбента, расположенных на
его поверхности, не уравновешены. Поэтому на поверхности адсорбента действуют остаточ¬
ные силы, способные притягивать молекулы веществ, попавших на эту поверхность. Адсорб¬
ция в первую очередь происходит на участках поверхности с максимальным локальным зна¬
чением поверхностной энергии Гиббса — на так называемых адсорбционных центрах.Для физической адсорбции характерна обратимость, неспецифичность и экзотермичность.Если поглощение адсорбтива происходит вследствие его химического взаимодействия
с адсорбентом, тогда имеет место хемосорбция. Теплоты химической адсорбции находятся
в пределах от -40 до -400 кДж/моль, и потому процесс имеет тенденцию к необратимости.
Кроме этого для хемосорбции характерна специфичность и локализованность.
ГЛ. 37] ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ615Адсорбция зависит от температуры, давления и природы адсорбтива, удельной поверх¬
ности и природы адсорбента. Адсорбент тем эффективней, чем меньше он измельчен и чем
выше его пористость.В зависимости от природы адсорбенты подразделяются на полярные (гидрофильные) —
силикагель [(Si02)J, алюмогель [(А1203)п], глины, цеолиты — и неполярные (гидрофоб¬
ные) — активированный уголь, тальк, фторопласт и др. Адсорбируемость газа или пара оп¬
ределяется его сродством к поверхности адсорбента. Полярные вещества лучше адсорбиру¬
ются на полярных адсорбентах, а неполярные — на неполярных.На поверхности твердого тела при прочих равных условиях лучше адсорбируются те
газы, которые легче конденсируются в жидкость, поскольку его молекулы более склонны к
межмолекулярным взаимодействиям. Так, активированный уголь хорошо адсорбирует ам¬
миак (Ткип = 240 К), но практически .не адсорбирует оксид углерода(П) (Ткип = 83 К). Поэто¬
му обычный противогаз не эффективен при высоких концентрациях угарного газа.Влияние концентрации (или давления) газов или паров на процесс адсорбции имеет
сложный характер. При равенстве скоростей процессов адсорбции и десорбции наступает ад¬
сорбционное равновесие, при котором количества газа или пара в окружающей среде и на
поверхности адсорбента остаются постоянными во времени.Удельная адсорбция с ростом давления (кон¬
центрации) возрастает до некоторого предельного
значения Г„ (рис. 37.2). Графическая зависимость
удельной адсорбции от концентрации или давле¬
ния при постоянной температуре носит название
изотермы адсорбции.Так как адсорбция газов на твердых телах экзо-
термична (АН < 0), с ростом температуры физи¬
ческая адсорбция уменьшается (рис. 37.2).Для изотермы адсорбции используют уравне¬
ние, выведенное И. Ленгмюром, исходя из следу¬
ющих положений:1) адсорбция молекул адсорбата происходит
только на вполне определенных участках поверх¬
ности адсорбента, называемых адсорбционными центрами, где имеются участки с наибо¬
лее некомпенсированными силовыми полями (Gs—»max). При малых давлениях заполня¬
ется лишь часть поверхности, соответствующая адсорбции;2) адсорбционный центр удерживает только одну молекулу адсорбата. На поверхности
адсорбционных центров образуется мономолекулярный слой, соответствующий предельной
адсорбции (мономолекулярная адсорбция);3) адсорбцию рассматривают как равновесный процесс, т.е. имеется равенство скоростей
адсорбции и десорбции.В соответствии с законом действующих масс скорость адсорбции Va пропорциональна
давлению адсорбата р и числу свободных центров Г„ — r/NA (NA — постоянная Авогадро):Va = k(p(r„-r)/NA)где ka — константа скорости адсорбции.Соответственно скорость десорбции Vd пропорциональна числу занятых центров Г:где k() — константа скорости десорбции.Г^, моль/кгТ1<Т2<Т3Рис. 37.2. Рассчитанные изотермы адсорбции газа
твердьш телом при различных температурах.
616МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIПри равновесии скорости адсорбции и десорбции равны. Отсюда получают уравнение
адсорбции Ленгмюра:где Г — адсорбция при данных условиях; Г„ — предельная адсорбция; К — константа адсор¬
бционного равновесия, К = k(-/ka.На практике при больших концентрациях адсор-
бата на изотерме после участка насыщения обычно
наблюдается резкое увеличение адсорбции (см. рис.
37.3). Причина этого — переход от мономолекулярной
адсорбции к полимолекулярной, когда на адсорбци¬
онном центре может находиться более одной молеку¬
лы адсорбата. Происходит такое явление вследствие
капиллярной конденсации — перехода поглощаемого
газа или пара в жидкое состояние в узких порах адсор¬
бента. Она вызвана тем, что давление насыщенного
пара над мениском жидкости в капилляре меньше
давления его пара над плоской поверхностью. Поэто¬
му в капилляре пар начинает конденсироваться при более низком его давлении.Кроме того, на процессы адсорбции накладывается и процесс абсорбции — поглощения
вещества не только поверхностью, но и всей массой адсорбента (тогда речь идет об абсорбен¬
тах и абсорбтивах). Если поглощаемое вещество — газ, то его абсорбция сопровождается
резким изменением объема системы в целом, возрастает при увеличении давления и подчи¬
няется закону Генри (см. разд. 9.3).В реальных условиях разделить процессы адсорбции, капиллярной конденсации и абсор¬
бции трудно. Поэтому для характеристики взаимодействия сорбента с сорбтивом и приме¬
няется более общий термин — сорбция (см. выше), сложный суммарный физико-химиче-
ский процесс адсорбции, абсорбции и капиллярной конденсации.Сорбция газов твердыми телами играет большую роль в процессах газообмена организ¬
ма с окружающей средой. Сорбция газов и паров на твердых поверхностях используется в
системах автономной очистки воздуха (противогаз, системы жизнеобеспечения в замкнутых
пространствах подводных лодок и космических кораблей). Твердые сорбенты нашли разно¬
стороннее применение для очистки газов и летучих органических растворителей в технике
и промышленности.37.3. Адсорбция на границах газ — жидкость, жидкость — жидкость,
твердое тело — жидкостьСпособность растворенных веществ изменять поверхностное натяжение растворителя
называется поверхностной активностью. Растворенные вещества могут повышать, пони¬
жать или вообще не влиять на поверхностное натяжение жидкостей.Поверхностное натяжение биологических жидкостей используют в диагностических
целях. Так, поверхностное натяжение плазмы крови варьируется в зависимости от заболе¬
вания (травма, шок, рана, рак и др.). С возрастом поверхностное натяжение сыворотки крови
уменьшается. Поверхностное натяжение играет значительную роль в таких явлениях, как
деление клеток и движение бактерий, фагоцитоз, влияет на проницаемость клеточных мем¬17 моль/кггаза твердым телом.
ГЛ. 37] ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ617бран и др. Существует много несложных методов измерения поверхностного натяжения,
которые используют в медико-биологической практике.Мерой поверхностной активности служит производная поверхностного натяжения по
концентрации, взятая со знаком минус:где dCndo — бесконечно малые изменения концентрации и коэффициента поверхностно¬
го натяжения.В узких интервалах концентраций производная может быть заменена отношением конеч¬
ных изменений:Д<т
ё=~АС 'Поверхностное натяжение на границе раздела жидкость — жидкость зависит от приро¬
ды жидкостей. Чем меньше силы молекулярного взаимодействия между их молекулами, тем
поверхностное натяжение больше. Температура и концентрации растворенных веществ ока¬
зывают такое же влияние, как и в случае границы раздела жидкость — газ. Давление на эту
величину почти не влияет.В случае адсорбции в растворах (адсорбция на подвижной поверхности фаз) удельную
адсорбцию можно определять по изменению поверхностного натяжения с изменением кон¬
центрации растворенного вещества, используя уравнение Гиббса:г ср д°~RT АС'где Ср — равновесная молярная концентрация вещества, моль/л; Т— абсолютная темпера¬
тура; Да/АС — поверхностная активность (изменение поверхностного натяжения с концен¬
трацией при неизменной поверхности, Дж/м2); R — универсальная газовая постоянная
(8,31 Дж/моль-К).При растворении в данной жидкости какого-
либо вещества можно представить три случая а
распределения растворенного вещества между
граничным слоем и объемом фазы (рис. 37.4), на¬
блюдая зависимость поверхностного натяжения
при постоянной температуре от концентрации
растворенного вещества — изотерму поверхно¬
стного натяжения.1. Растворенное вещество понижает поверхно¬
стное натяжение растворителя (apaaneo/;<G()). Такие
вещества получили название поверхностно-актив¬
ных (ПАВ). Для них g > 0, система уменьшает за¬
пас поверхностной энергии Гиббса. Концентрация
растворенного вещества в этом случае в поверхно¬
стном слое (Су) больше, чем в объеме фазы (Су).2. Растворенное вещество повышает поверхностное натяжение растворителя (орасшюр > а0).
Такие вещества называют поверхностно-инактивными (ПИВ). В этом случаеg< О, ПИВ на¬
капливаются в объеме фазы (Cs< Cv). При этом запас поверхностной энергии Гиббса умень¬ СРис. 37.4. Зависимость поверхностного натялсе-
ния от концентрации для ПИВ, ПНВ и ПАВ.
618МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫшается. По отношению к воде ПИВ — сильные электролиты (кислоты, основания, соли) и
сильно полярные органические соединения (глицерин, аминокислоты и др.).3. Растворенное вещество не изменяет поверхностного натяжения растворителя (ора(7ПЩ)= ао);
поверхностно-неактивными (ПНВ) по отношению к воде веществами является, к примеру, са¬
хароза и ряд других углеводов. У веществ, не влияющих на поверхностное натяжение раство¬
рителя, поверхностные и объемные концентрации одинаковы (Cs = Cv).Из-за биологической значимости подробнее рассмотрим ПАВ.Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это вещества, понижающие поверхност¬
ное натяжение, или, согласно уравнению Гиббса, обладающие положительной адсорбцией.
Их молекулы дифильны, т.е. содержат одновременно полярную группу (-ОН, -СООН,
-NH2, -SO3H и др.) и неполярную углеводородную цепь. Концентрируясь на границе раз¬
дела вода — воздух, дифильные молекулы направлены своими полярными группами в воду,
а неполярные углеводородные радикалы выталкиваются в воздух, тем самым достигается
уменьшение поверхностного натяжения.ПАВ делятся на анионоактивные, катионоактивные, неионогенные и амфотерные.К анионоактивным ПАВ относятся:а) соли высших карбоновых кислот RCOONa (Ctl < R < С18, например, пальмитат натрия
C15H31COO-Na+);б) соли сульфокислот R-C6H4-S03~Na+ (R > С12, например, додецилбензолсульфонат
натрия C12H25-C6H4-S03_Na+);в) соли алкилсерных кислот R0S03~Na+ (R > С12, например, додецилсульфат натрия
Ct2H25-0-S03-Na+).К катионоактивным ПАВ относятся:а) соли и основания тетраалкиламмония [R1R2R3R4N]+X_ (С8< R < С16), например, три-
метилцетиламмоний хлорид [C16H33-N(CH3)3]+C1_;б) соли алкилпиридиния (например, цетилпиридиний иодид)*.Неионогенные ПАВ представлены соединениями следующей общей формулы: R-
Х(СН2СН20)пН [R = Aik, Х=0, N, S или -СОО-, -CONH-, -СбН40-, п = 8-12; например,
препарат ОП-Ю — С8Н17-С6Н4-О-(СН2СН2О)10Н].Неионогенными ПАВ являются также высшие предельные спирты, например, цетило-
вый спирт С16Н33ОН, длинноцепочечные амины и др.Амфотерные ПАВ имеют общую формулу: B+-R-А" (С9 < R < С19, В+ — основная группа,
А" — кислотная группа, например, N-додецил-Р-аланин C12H25-NH2+-CH2-CH2-COO~).Существует правило Дюкло-Траубе:
для низших членов гомологического ряда
жирных кислот, спиртов и аминов с уве¬
личением углеводородной цепи на груп¬
пу -СН2- поверхностная активность ве¬
ществ в разбавленных водных растворах
возрастает в 3-3,5 раза при одинаковой
молярной концентрации. Это правило ил-ртт ртт ртт 1 Г 3 2 люсхрируехся рИС 37 5? где представленаС зависимость коэффициента поверхност-Рис. 37.5. Изотермы поверхностного натяэ/сения для водных НОГО натяжения ОТ концентрации ДЛЯ ГО-растворов гомологического ряда карбоновых кислот. МОЛОГОВ карбоновых КИСЛОТНСООНCH3COOHСН3СН2СООН* С формулой этого вещества так же, как и с формулами других ПАВ и их названиями, можно ознакомиться
ГЛ. 37]ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ619Моющее действие ПАВ заключается в следующем. По преимуществу частицы загрязня¬
ющих веществ (например, жира) гидрофобны, а, следовательно, не смачиваются водой. По¬
этому чистая вода обладает слабым моющим действием. Еслиприменить ПАВ, его молекулы адсорбируются на частицах заг- о Q 9 ? Р р
рязнителя, ориентируясь гидрофобными участками к его моле- cl \ \ / /
кулам, а гидрофильными — к молекулам воды (рис. 37.6). ^ЧцД \Поскольку вода будет находиться в контакте только с по- о~™™~ (^жир^) 'ZZZZ^nлярными группами, которые легко ассоциируются с ней, части- цы загрязняющих веществ окажутся растворенными в воде и / j \ \будут легко смываться ею. В результате молекулы ПАВ посте- / / \\пенно проникают между очищаемой поверхностью и частица- ° &ми загрязнителя. Это явление называют расклинивающим эф- Рис. 37.6. Моющеефектом. В итоге частицы грязи отделяются от загрязненной действие ПАВ.поверхности.В живых системах ПАВ играют совершенно исключительную роль, совмещая в своей
структуре две системы — гидрофильную и гидрофобную. Именно такие вещества формиру¬
ют основу тех клеточных мембран, которые обладают и гидрофильными, и гидрофобными
свойствами одновременно. Вещества этих клеточных мембран могут в сильной мере отли¬
чаться химическим строением, однако их общая особенность — наличие двух частей с прин¬
ципиально различающимися физико-химическими свойствами.Несмотря на структурные различия, множество молекул природных ПАВ, например,
содержащие остаток фосфорной кислоты фосфолипиды и сфинголипиды, имеют весьма
сходные размеры — длину около 30 А и диаметр около 5 А.Липофильная часть природных ПАВ состоит из углеводородного радикала с доста¬
точной для проявления липофильности величиной. Этот радикал может быть линейного
строения, и тогда его величина должна превышать 12 углеродных атомов. Набор таких ра¬
дикалов, реализующихся в биоструктурах, превышает сотню разновидностей. Другой тип
радикалов — полициклические радикалы стероидного ряда, как это, к примеру, имеет ме¬
сто в молекулах желчных кислот, высокая поверхностная активность которых способству¬
ет диспергированию пищи в мельчайшие частицы, необходимые для их последующего ус¬
воения.Гидрофильная часть природных ПАВ имеет в своем составе полярный остаток фосфор¬
ной, серной или карбоновой кислоты. Это может быть также аммонийный ион (в белковых
ПАВ) или сахаридный остаток, например, в молекулах некоторых сфинголипидов.Для однородной гладкой поверхности, каковыми являются границы раздела газ — жид¬
кость и жидкость — жидкость, широко распространена теория мономолекулярной адсорб¬
ции Ленгмюра (см. разд. 37.2). Согласно ей, адсорбция является равновесным процессом.Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра на границе жидкости имеет следующий
вид:С_Г-Г.к+сргде Г„ — предельная величина адсорбции (предельная концентрация вещества на 1 см2 по¬
верхности жидкости, моль/см2); К — константа адсорбционного равновесия, равная отноше¬
нию констант скоростей процессов десорбции и адсорбции; Ср — равновесная концентрация
адсорбтива, моль/см2.
620МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[4.VIДля экспериментального определения предельной величины адсорбции Г„ и константы
адсорбционного равновесия К это уравнение преобразуют в уравнение прямой следующим
образом:ГК + СР
Г Стi=_L AJ_г~г+гсп1/ГЗатем строят зависимость ■— от Тангенс угла
Кнаклона прямой равен jr (рис. 37.7). Прямая отсе-м 1кает на оси ординат отрезок, равный —.При малых концентрациях ПАВ углеводород¬
ные радикалы «лежат» на поверхности полярной
жидкости, а полярные группировки погружены в
нее (рис. 37.8, а). При достижении предельной ве¬
личины адсорбции Г„ молекулы ПАВ образуют на
поверхности мономолекулярный слой, в котором
неполярные углеводородные радикалы располага¬
ются перпендикулярно к поверхности («частокол Ленгмюра», рис. 37.8, б).В этом случае можно рассчитать площадь 5, занимаемую одной молекулой, и длину мо¬
лекулы /;адсорбции Ленгмюра.5 = -1и / =МГгде Na — число Авогадро, Мир — соответственно молекулярная масса и плотность адсорб-
тива.Следовательно, зная константу из уравнения Ленгмюра, можно определять размеры
молекул.а оРис. 37.8. Молекулы ПАВ на поверхности воды:
а — при малых концентрациях, б — в мономолекулярном слое.
ГЛ. 37]ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ621При высоких концентрациях адсорбтива (когда имеет место более чем мономолекуляр-
ная адсорбция) справедливо уравнение Фрейндлиха, в котором выражается эмпирическая
зависимость адсорбции от концентрации (или давления) в сравнительно широких пределах
концентраций:г=ьс;,где Г — удельная адсорбция (количество молей адсорбтива, которое может поглотить 1 г ад¬
сорбента); Ср — равновесная молярная концентрация
адсорбтива, моль/л; Ьип — постоянные, определяемые
опытным путем.Для адсорбции из газовой фазы вместо концентра¬
ции С используют р — равновесное давление адсорби¬
руемого газа над поверхностью адсорбента.Эмпирические постоянные Ьип можно определять
графически. Логарифмируя уравнение Фрейндлиха,
получаем уравнение прямой линии:lgT= lg b + п lg Ср.Определив значение Г при нескольких концентра¬
циях и построив график в логарифмических координа¬
тах, определяют константы Ьип (см. рис. 37.9).37.4. Адсорбция на границе твердое тело — растворАдсорбция растворенных веществ твердыми адсорбентами является более сложным
процессом, чем выше описанные случаи, так как она осложнена присутствием третьего ком¬
понента — растворителя, молекулы которого могут конкурировать с молекулами адсорбтива
за места на поверхности адсорбента, взаимодействовать с адсорбтивом и с поверхностью
адсорбента, если он является электролитом.Молекулярная адсорбция. Неэлектролиты и слабые электролиты на поверхности
адсорбента адсорбируются из растворов в виде молекул. Такой процесс называют молеку¬
лярной адсорбцией.В результате адсорбции концентрация растворенного вещества в растворе уменьшается.Л. А. Ребиндер сформулировал правило выравнивания полярностей', на полярных адсор¬
бентах лучше адсорбируются полярные адсорбтивы из малополярных растворителей; на
неполярных адсорбентах — неполярные адсорбтивы из полярных растворителей.Для системы адсорбент — адсорбтив влияние природы растворителя на адсорбцию мо¬
жет быть сформулировано в виде другого правила (правило Шилова): чем лучше растворя¬
ется адсорбтив в растворителе, тем он хуже адсорбируется поверхностью твердого адсорбен¬
та; чем хуже растворяется — тем лучше адсорбируется.Эти правила можно объяснить тем, что процесс адсорбции из растворов определяется
суммарной энергией взаимодействия активных адсорбционных центров адсорбента между
молекулами адсорбата и молекулами растворителя.Малополярные адсорбенты, например, активированный уголь, лучше адсорбируют не¬
полярные органические соединения, причем тем больше, чем выше их молекулярная масса.Полярные адсорбтивы лучше адсорбируются на поверхности ионных кристаллов. На
поверхности адсорбентов, являющихся оксидами (силикагель, окись алюминия и др.), как1дГв изотерме адсорбции Фрейндлиха.
622МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIправило, имеются гидроксильные группы, поэтому они хорошо адсорбируют воду, спирты,
амины и другие полярные соединения.Как известно, адсорбция экзотермична, а поэтому с повышением температуры уменьша¬
ется. Однако если растворимость адсорбтива в данном растворителе падает с ростом темпе¬
ратуры, то адсорбция из раствора твердым адсорбентом может увеличиваться.С ростом концентрации раствора адсорбция на границе раздела твердое тело — раствор
возрастает до предельного значения. Анализ экспериментально наблюдаемой изотермы ана¬
логичен анализу, приведенному в предыдущем разделе. Для этого используются уравнения
Фрейндлиха и Ленгмюра.При адсорбции ПАВ на границе раздела твердое тело — раствор так же, как и на грани¬
це раствор — газ, имеет место пространственная ориентация молекул адсорбата.В системе полярный адсорбент — неполярный растворитель молекулы адсорбтива-ПАВ
полярной частью обращены к поверхности адсорбента, а неполярная их часть погружена в
растворитель (рис. 37.10, б). В случае системы неполярный адсорбент — полярный раство¬
ритель, наоборот, неполярная часть молекулы обращена к поверхности адсорбента, а поляр¬
ная часть погружена в растворитель (рис. 37.10, а).а бРис. 37.10. Адсорбция ПАВ на границе раздела твердое тело — жидкость.В качестве примера можно привести поведение дифильного вещества по отношению к
неполярному адсорбенту — активированному углю в полярной среде — воде. В таких усло¬
виях молекулы дифильной природы будут адсорбироваться на поверхности угля, ориенти¬
руясь по отношению к нему своими гидрофобными участками. Напротив, те же молекулы
в неполярном растворителе, бензоле, адсорбируются на полярном адсорбенте (силикагеле
Si02), связываясь с адсорбентом полярными участками молекул.В системе полярный растворитель — малополярный адсорбент — адсорбция ПАВ под¬
чиняется правилу Дюкло-Траубе (см. выше).При адсорбции ПАВ из неполярных растворителей полярными адсорбентами выполня¬
ется обращенное правило Дюкло-Траубе: с ростом длины радикала адсорбция уменьшается.
Обращение правила объясняется тем, что с ростом углеводородной цепи растворимость
ПАВ в неполярных растворителях увеличивается.Закономерности распределения веществ между раствором и твердой фазой важны для
понимания процессов обмена веществ. Законы распределения твердого вещества между
неполярной фазой липидного слоя биомембран и полярной фазой — внутри- и межклеточ¬
ной жидкостью — управляют поступлением питательных веществ и удалением продуктов
метаболизма. С явлением адсорбции на клеточных мембранах из полярных биосред организ¬
ГЛ. 37] ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ623ма связано физиологическое действие многих лекарств (барбитураты, анестезирующие сред¬
ства и др.) и токсическое действие ОВ (например, иприта и люизита). Существует специаль¬
ный механизм окисления неполярных или малополярных чужеродных для организма ве¬
ществ (ксенобиотиков), в результате чего эти вещества приобретают полярные группировки
и их способность адсорбироваться на липидных мембранах падает. В итоге они переходят в
водную фазу, откуда уже могут покинуть организм с выделениями.Молекулярная адсорбция твердыми адсорбентами из растворов широко распростра¬
нена в медицинской практике. Уже давно при отравлениях растительными ядами, ток¬
синами, малополярными лекарствами (например, барбитуратами) применяют активи¬
рованный уголь для их удаления из пищеварительного тракта. В настоящее время
осуществляют сорбционную детоксикацию крови и лимфы больного пропусканием их
через активированный уголь. Гемо- и лимфосорбция позволяют удалить из организма
токсичные органические жидкости (например, дихлорэтан и другие галогенопроизвод¬
ные), фосфорорганические соединения и др. Адсорбцию используют для очистки пить¬
евой воды и сточных вод.37.5. Адсорбция сильных электролитовВ растворах сильных электролитов растворенное вещество находится в полностью
ионизированном состоянии; ионы адсорбируются лишь на полярных и практически не ад¬
сорбируются на неполярных адсорбентах.Поэтому основным фактором, обусловливающим специфичность адсорбции сильных
электролитов, является знак заряда поверхности полярного адсорбента — на положитель¬
но заряженных участках поверхности адсорбируются из раствора анионы, на отрицательно
заряженных — катионы. Величина и знак заряда иона, его радиус и степень сольватации
также влияют на процесс адсорбции.Например, чистый уголь является неполярным адсорбентом, на котором электролиты
почти не адсорбируются. Однако поверхность угля, окисленная кислородом при нагревании,
приобретает полярные группы. В водных растворах такая поверхность заряжается положи¬
тельно и начинает адсорбировать анионы. Если поверхность угля обработать при нагрева¬
нии водородом, она в водных растворах заряжается отрицательно и адсорбирует катионы.Адсорбционная способность ионов (особенно катионов) возрастает с ростом их заряда.
При одинаковых зарядах адсорбционная способность больше у тех, радиус которых в сольва-
тированном состоянии меньше. В соответствии с этим правилом ионы по их адсорбционной
способности располагаются в ряды, именуемые лиотропными рядами.Лиотропный ряд адсорбции однозарядных катионов из воды имеет вид:Катион Cs+ Rb+ NH/ К+ Na+ Li+Радиус, A 1,69 1,48 1,43 1,33 0,95 0,60Для однозарядных анионов лиотропный ряд выглядит так:Анион N03" I" В г" СГ F"Радиус, А 2,57 2,16 1,96 1,81 1,36Различают три вида адсорбции сильных электролитов: эквивалентную, избирательную
и обменную.Эквивалентная адсорбция характеризуется тем, что и катионы, и анионы адсорбируют¬
ся на поверхности адсорбента в эквивалентных количествах. Встречается редко.
624МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIИзбирательная адсорбция подчиняется правилу Панета-Фаянса-Пескова: на поверх¬
ности данного адсорбента преимущественно адсорбируются те ионы, которые входят в со¬
став кристаллической решетки адсорбента или изоморфны им по строению и могут достра¬
ивать его кристаллическую решетку.Рассмотрим образование осадка хлорида серебра по реакции:КС1 + AgN03-> AgCll + KN03.Если реагируют эквивалентные количества солей, поверхность осадка не заряжена. При
избытке КС1 поверхность осадка заряжена отрицательно, поскольку на его поверхности ад¬
сорбируются хлорид-ионы, а при избытке AgN03 — положительно, так как преимуществен¬
но адсорбируются ионы серебра.37.6. Ионообменная адсорбцияИзвестны адсорбенты, твердые природные или синтетические вещества, нерастворимые
в воде и органических растворителях и имеющие общие формулы R-IVL, и R-Av, содержа¬
щие катионы М или анионы А, которые способны в водных растворах к обмену с катионом
Mt и анионом At, соответственно. Они получили название ионитов.Иониты обладают сетчатой структурой. С сеткой ковалентно связаны группы атомов
R±, несущих положительный или отрицательный заряд (фиксированные ионы). Этот заряд
компенсируется противоионами (М+ или А"). Фиксированные ионы вместе с противоионами
(R"M+ или R+M~) называют ионогенными или функциональными группировками ионита.По типу ионогенных групп иониты делят на катиониты R"-M+ (кислотные иониты, об¬
менивающие катион) и аниониты R+-M~ (основные иониты, обменивающие анион).По степени ионизации ионогенных групп различают сильно- и слабокислотные катио¬
ниты и сильно- и слабоосновные аниониты.Сильнокислотные катиониты содержат остатки серной, фосфорной и других кислот,
слабокислотные — карбоксильные, тиольные и другие слабо диссоциирующие по кислот¬
ному типу группы. Ионогенные группы сильноосновных анионитов представляют собой
обычно аммониевые основания, а слабоосновные — аминогруппы и остатки других органи¬
ческих оснований.Элементарную ячейку катионита можно рассматривать как высокомолекулярный поли¬
валентный анион, отделенный поверхностью раздела от окружающей среды. Такой полива¬
лентный анион пропитан раствором, содержащим большое число ионов водорода (или дру¬
гих катионов), способных обмениваться на катионы, находящиеся в жидкости, окружающей
зерно катионита. Ячейку анионита можно рассматривать как высокомолекулярный полива¬
лентный катион, противоионами которого являются гидроксильные ионы (или другие ани¬
оны), способные обмениваться на анионы.Ионит, помещенный в водный раствор, поглощает значительное количество воды (иног¬
да до 50%), набухает. Поглощенная вода гидратирует ионогенные группировки и вызывает
их ионизацию.Ионообменной адсорбцией называют процесс, в котором ионит и раствор обменивают¬
ся между собой в эквивалентных количествах одноименно заряженными ионами. Ионооб¬
менные реакции можно выразить следующими уравнениями:для катионита — R~-H+ + Na+ ^± R"-Na+ + Н+,
для анионита — R+-(OH)“ + Cl" <=> R+-Cl" + ОН".
ГЛ. 37]ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ625Активность ионитов — поглощающая способность, характеризующаяся обменной емко¬
стью, — количеством ионов (моль), связанных 1 г сухого ионита из раствора в равновесных
условиях.Ионный обмен — обратимый процесс, что дает возможность использованные иониты
регенерировать. Катиониты регенерируют промыванием раствором кислоты, аниониты —
раствором щелочи.Иониты используют как катализаторы (в реакциях этерификации, гидратации и дегид¬
ратации), для обессоливания воды, очистки сточных вод, в ионообменной хроматографии —
для выделения и очистки ионных соединений, в частности, аминокислот. В медицине их
применяют для консервирования крови, для беззондового определения кислотности же¬
лудочного сока, для детоксикации при отравлениях токсичными электролитами. Аниони¬
ты употребляют в качестве антацидных (то есть понижающих желудочную кислотность)
средств, для предотвращения ацидозов и др. В последнем случае аниониты используются
для обменной адсорбции ионов водорода, следовательно, в них ионы водорода предваритель¬
ной обработкой были замещены катионами металла. Катиониты находят применение для
предупреждения и лечения отеков, связанных с декомпенсацией сердечной деятельности.Свойствами ионитов обладают ткани растений и животных. Их катионообменные свой¬
ства определяются присутствием карбоксильных и фосфатных групп, а способность обме¬
ниваться с анионами — аминогруппами белков.
Глава 38.ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМЖизнь — это особая коллоидная система,... это особое царство природных вод.В. И. Вернадский38.1. Дисперсные системыКоллоидная химия изучает физико-химические свойства гетерогенных дисперсных си¬
стем, образованных из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. По край¬
ней мере, одна из фаз распределена в виде мелких частиц и называется дисперсной фазой,
а другая, однородная непрерывная фаза — дисперсионной средой.Дисперсные системы в природе отличаются большим разнообразием, поэтому сложно со¬
ставить для них единую классификацию. По агрегатному состоянию дисперсные системы
можно разделить на суспензии, эмульсии, золи и т.д. (табл. 38.1).По величине (или по дисперсности) частиц дисперсной фазы дисперсные системы мож¬
но разделить условно натри группы: грубодисперсные, коллоидно-дисперсные и молекуляр-
но(ионно)-дисперсные:< Ю~9м 10“7-10~9м > Ю-7мV у * v V * 4 ~ V ,молекулярно(ионно)- коллоидно- грубодисперсныедисперсные дисперсныеКоллоидно-дисперсные системы и относят к коллоидам (или коллоидным растворам,
если дисперсная среда — жидкость).По интенсивности молекулярного взаимодействия фаз различают лиофильные (в час¬
тности, гидрофильные) и лиофобные коллоидные системы.В лиофильных системах молекулярное взаимодействие между фазами велико, а поэто¬
му поверхностное натяжение на границе раздела между ними мало. Такие системы образу¬
ются самопроизвольно (процесс экзоэргический) и имеют предельно высокую дисперсность.
Лиофильные системы термодинамически устойчивы и поэтому не разрушаются во време¬
ни при сохранении условий их возникновения.В лиофобных системах взаимодействие между молекулами различных фаз незначитель¬
но; межфазное поверхностное натяжение велико, вследствие чего система имеет тенденцию
к самопроизвольному укрупнению частиц дисперсной фазы. Вследствие избытка свободной
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМКлассификация дисперсных систем по агрегатному состоянию627Таблица 38.1ДисперсионнаяДисперсная фазасредагазжидкостьтвердое телогаз-тумандым, пыльжидкостьпенаэмульсиясуспензия,коллоидныйраствортвердое телоаэрозольжидкие включения
в твердом телетвердый зольповерхностной энергии Gs они термодинамически неустойчивы, то есть имеют тенденцию
к распаду и образуются за счет затраты энергии извне. Агрегативная устойчивость лиофоб-
ных коллоидов носит временный характер.Коллоидный лиофобный раствор (золь) — это микрогетерогенная система, состоящая как
минимум из трех компонентов: дисперсной фазы, дисперсионной среды и стабилизатора —
вещества, которое адсорбируется на поверхности раздела фаз и образует защитные слои,
препятствующие сближению частиц дисперсной фазы. С термодинамической точки зрения
стабилизатор, адсорбируясь на межфазной границе, понижает межфазное поверхностное
натяжение и приводит к образованию равновесных коллоидных систем.Коллоиды широко распространены в природе. Почва, глина, природные воды, воздух, об¬
лака, дым, пыль, многие минералы (в том числе и драгоценные камни) — все это коллоид¬
ные системы.Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. В состав лю¬
бого живого организма входят твердые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в
сложном взаимодействии с окружающей средой. Протоплазма клетки обладает свойствами,
характерными как для жидких, так и для твердых веществ. С химической точки зрения орга¬
низм в целом есть сложнейшая совокупность многих коллоидных систем, включающих в
себя и жидкие коллоиды, и гели.Такие биологические жидкости, как кровь, плазма, лимфа, спинномозговая жидкость
представляют собой коллоидные системы, в которых ряд веществ, например, белки, холес¬
терин, гликоген и многие другие находятся в коллоидном состоянии. Вот почему многие
стороны явлений, происходящих в живом организме, могут быть поняты лишь по мере по¬
знания природы коллоидного состояния материи.Важнейшие пищевые продукты — хлеб, молоко, масло — коллоидные системы. От вели¬
чины капелек жира может зависеть скорость их всасывания через стенки пищеварительных
органов. Тонко раздробленный жир в молоке и сливочном масле усваивается организмом
лучше, чем жир в сплошной массе, например, сало.Сильно раздробленные вещества легче проникают через поры кожи, эффективнее дей¬
ствуют на организм, поэтому в медицине широко применяются лекарственные вещества в
виде коллоидных систем (суспензии, эмульсии, мази, кремы, пасты, аэрозоли). Терапев¬
тическое применение коллоидных препаратов металлов и других сильнодействующих ле¬
карств обусловлено, по-видимому, тем, что они обеспечивают очень слабое, но продолжи¬
тельное действие малых доз вещества.При лечении инфекционных заболеваний легких, а также при заболеваниях дыхатель¬
ных путей используются ингаляции аэрозолями различных антибиотиков.
628МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫШироко применяются в медицинской практике эмульсии. Эмульсии классифицируют по
двум типам: прямые, у которых в качестве дисперсной фазы выступает неполярная жид¬
кость, а в качестве дисперсионной среды — полярная жидкость (их обозначают «м/в» где
«м» — масло или другая неполярная жидкость, «в» — вода или другая полярная жидкость),
и обратные («в/м»), у которых дисперсной фазой является полярная жидкость, а дисперси¬
онной средой — неполярная жидкость. Концентрированные эмульсии могут существовать
длительное время только благодаря введению специальных стабилизаторов, называемых
эмульгаторами. В качестве эмульгаторов могут применяться самые различные по природе
поверхностно-активные вещества (см. гл. 37).Жировые эмульсии применяются для энергетического обеспечения голодающего или
ослабленного организма путем внутривенного вливания. Они должны иметь достаточно
высокую концентрацию и степень дисперсности, обладать устойчивостью и не быть токсич¬
ными. Обычно для получения эмульсии используют хлопковое, соевое, оливковое и неко¬
торые другие масла.В санитарном деле очистка питьевой воды основана на процессах адсорбции и взаимной
коагуляции; очистка воздуха от токсичных дымов и туманов построена на закономерностях,
установленных при исследовании аэрозолей.Находят применение коллоиды и при образовании дымовых завес, распылении химика¬
тов воздушно-капельным путем, приготовлении дезинфицирующих растворов и т.д.Существенную роль играют коллоиды в промышленности, главным образом, при добыче
и переработке нефти, в металлургической промышленности, производстве строительных
материалов, в текстильной, лакокрасочной и пищевой промышленности. Поэтому коллоид¬
ную химию называют химией реальных тел.38.2. Способы получения коллоидных растворовДля получения и существования коллоидных растворов необходимы следующие усло¬
вия: достаточно малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде, определен¬
ная коллоидная степень дисперсности (размеры частиц в пределах 10_7-10~9 м) и наличие
в системе стабилизатора (электролита или высокомолекулярного соединения), препятству¬
ющего слипанию коллоидных частиц.Существуют два пути получения коллоидных систем: диспергирование — дробление
крупных частиц до коллоидной степени дисперсности и конденсация путем создания усло¬
вий, при которых атомы, молекулы или ионы соединяются в агрегаты коллоидной степени
дисперсности.Диспергирование можно проводить различными способами:1. Механическое дробление осуществляется в шаровых и коллоидных мельницах, в ко¬
торых диспергируемый материал вместе с дисперсионной средой и стабилизатором дробит¬
ся и истирается в узком зазоре между трущимися поверхностями.2. Электрическое распыление в вольтовой дуге. Для этого два электрода из металла, золь
которого хотят получить, погружают в охлаждаемую жидкость, в которую добавлен элект¬
ролит-стабилизатор, и пропускают электрический ток. Сближают электроды для получения
вольтовой дуги, металл при температуре вольтовой дуги испаряется, а затем конденсируется
в жидкости, образуя золь. Этим методом получают золи золота, серебра, платины и других
металлов.Одним из перспективных вариантов приготовления лекарственных золей является ис¬
пользование аллотропа углерода, фуллерена (см. разд. 19.1). Его синтезируют в вольтовой
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ629дуге из графита в присутствии лекарственных веществ. В результате получают золь фулле-
рена, полости в молекулах которого заполняют молекулы лекарственных препаратов.3. Действием ультразвука. Ультразвуковые колебания — это высокочастотные механиче¬
ские колебания (от 20 ООО до 1 ООО ООО колебаний в секунду), которые получают с помощью
специальных генераторов. Разрывающие усилия возникают как вследствие чередующихся
локальных сжатий и расширений в системе, так и вследствие кавитаций, т.е. образования и
лопания пузырьков при локальных растяжениях жидкости. При этом развиваются локаль¬
ные избыточные давления (порядка тысяч атмосфер) за ничтожно малые промежутки вре¬
мени, которые приводят к разрыву не только жидкостей, но и твердых тел. Так получают
гидрозоли серы, гипса, графита, гидроксидов металлов и т.д.В биомембранологии ультразвуком обрабатывают водные суспензии липидов для полу¬
чения сферических моделей биологических мембран — липосом, т.е. липидных пузырьков
со стенками, состоящими из бимолекулярного липидного слоя (см. ниже).4. Методом пептизации, которая заключается в раздроблении свежеприготовленных рых¬
лых осадков на отдельные коллоидные частицы при добавлении небольшого количества элек-
тролита-пептизатора. При этом степень дисперсности фактически не изменяется, так как
частицы рыхлого осадка уже имеют коллоидные размеры. Различают адсорбционную и хи¬
мическую пептизации. В первом случае электролит-пептизатор адсорбируется на поверхно¬
сти частиц осадка, сообщает им заряд и, таким образом, способствует переходу их во взве¬
шенное состояние. Так образуется золь гидроксида железа(Ш) при добавлении к рыхлому
осадку гидроксида железа(Ш) в качестве электролита-пептизатора хлорида железа(Ш). Во
втором случае пептизатор образуется в результате химической реакции добавляемого веще¬
ства с частицами на поверхности осадка. Так можно получить золь гидроксида железа(Ш)
при добавлении небольшого количества соляной кислоты к свежеприготовленному осадку
гидроксида железа(Ш).Пептизация имеет биологическое значение: рассасывание атеросклеротических бляшек,
почечных и печеночных камней; действие антикоагулянтов при тромбофлебитах сводится,
в сущности, к явлению пептизации.Конденсационные методы образования коллоидных растворов разделяют на физиче¬
ские и химические. К физическим относится образование тумана, облаков, дыма, а также
метод замены растворителя, в котором вещество хорошо растворимо, на растворитель, где
данное вещество малорастворимо. Так, гидрозоли серы и канифоли получают заменой орга¬
нического растворителя (например, спирта), в котором эти вещества хорошо растворимы, на
воду, в которой они малорастворимы.В основе химических конденсационных методов лежат химические реакции (окисления,
восстановления, гидролиза, обмена), приводящие к образованию труднорастворимых ве¬
ществ в присутствии тех или иных стабилизаторов. В этих случаях необходимо использо¬
вать достаточно разбавленные растворы и небольшой избыток одного из реагентов, который
выполняет роль стабилизатора.К примеру, реакцией гидролиза получают золи гидроксидов железа(Ш) и алюминия,
которые применяют для очистки воды:FeCl3 + ЗН20 -> Fe(OH)3 + ЗНС1.Стабилизатором этого золя является частично образующийся при реакции оксохлорид
железа:Fe(OH)3 + НС1 -> FeOCl + 2Н20.
630МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIЗоль серы, который используется в медицине для лечения кожных заболеваний, полу¬
чают реакцией окисления:2H2S + 02 —> 2S + 2Н20.Коллоидные растворы серебра и золота получают также окислительно-восстановитель¬
ными реакциями, например:2AgN03 + Н202 2Ag + 02 + 2HN03
2HAuC14 + 3H202 -> 2Au + 8НС1 + 302
Ag20 + Н2 —> 2Ag + Н202KAu02 + 3CH20 + К2С03 -> 2Au + ЗНСООК + КНС03+ Н20.Бактерицидные свойства коллоидных растворов серебра широко используются в меди¬
цине (лекарственные препараты колларгол и протаргол), а золь радиоактивного золота при¬
меняют для лечения злокачественных новообразований.В формировании структуры почв играет большую роль золь оксида кремния, который
образуется при гидролизе силикатов:Na2Si03 + Н20 -> Si02 + 2NaOH.Получение дымовых и туманных завес в военном деле осуществляется посредством гид¬
ролиза хлорида кремния:SiCl4 + 2Н20 -> Si02 + 4НС1.Золи сульфида сурьмы(Ш), иодида серебра, берлинской лазури и многие другие золи
получают реакцией ионного обмена:2SbCl3 + 3H2S -> Sb2S3 + 6НС1;AgN03 + KI -> Agl + KN03.Образование золя в каждом отдельном случае происходит в присутствии того или ино¬
го стабилизатора.38.3. Очистка коллоидных растворовКоллоидные растворы всегда содержат примеси электролитов и других низкомолекуляр¬
ных веществ. Их можно отделить от коллоидных частиц путем диализа, электролиза или
ультрафильтрации.Диализ основан на применении мембран, задерживающих крупные коллоидные частицы и
пропускающих ионы и молекулы низкомолекулярных веществ. Диализ проводится в приборе,
который называется диализатором. Он представляет собой стеклянный сосуд, нижняя часть
которого затянута полупроницаемой мембраной, сделанной из целлофана* или коллодия**. В
диализатор наливают коллоидный раствор и погружают его в стакан с дистиллированной водой.
Ионы ргмолекулы из золя через мембрану постепенно переходят в наружный сосуд, воду в ко¬* Целлофан — тонкая прозрачная пленка из гидратированной целлюлозы, получается при продавливании кол¬
лоидного раствора вискозы (ксантогената целлюлозы) через узкую щель в кислотную ванну.••Коллодий — коллоидный раствор динитрата целлюлозы в смеси этилового спирта и эфира, после испаре¬
ния растворителя остается плотная пленка.
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ631тором по мере загрязнения можно периодически менять. Коллоидные частицы ввиду малых
размеров пор мембраны не диффундируют через нее и будут оставаться внутри диализатора.Процесс диализа длительный. Он может быть ускорен, если через коллоидный раствор,
подлежащий очистке от избытка электролита, пропустить постоянный электрический ток,
тогда ионы низкомолекулярных примесей будут перемещаться к соответствующим элект¬
родам. Такой процесс носит название электродиализа и проводится в приборе — электро¬
диализаторе, секции которого отделены полупроницаемыми мембранами. Этот метод осо¬
бенно эффективен при малых концентрациях удаляемого электролита.Ультрафильтрация — отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды — произ¬
водится через специально приготовленные плотные фильтры, непроницаемые для частиц
дисперсной фазы. Фильтрование обычно проводят под давлением или используют разреже¬
ние (вакуум). Применяя мембраны с определенной степенью пористости, можно в извест¬
ной мере разделить коллоидные частицы и приближенно определить их размеры. Этим ме¬
тодом впервые были определены размеры ряда вирусов и бактериофагов.Процесс ультрафильтрации лежит в основе функции почек. При фильтрации через мем¬
брану поток жидкости обеспечивается ее гидростатическим давлением, создаваемым стен¬
ками капилляров. Вещества с молекулярной массой до 10 ООО проходят через сито мембра¬
ны свободно, а с молекулярной массой более 50 ООО — только в ничтожных количествах.Пример сочетания диализа и ультрафильтрации — аппарат «искусственная почка»,
предназначенный для временной замены функции почек при острой почечной недостаточ¬
ности. Аппарат оперативным путем подключают к системе кровообращения больного:
кровь под давлением, создаваемым пульсирующим насосом («искусственное сердце»),
протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологиче¬
ским раствором. Благодаря большой рабочей площади мембран (-15 ООО см2) из крови до¬
статочно быстро (3-4 часа) удаляются «шлаки» — продукты обмена и распада тканей (мо¬
чевина, креатинин, ионы калия и др.).38.4. Молекулярно-кинетические свойства лиофобных
коллоидных растворовСвойства, связанные с тепловым движением частиц — броуновское движение, диффу¬
зия, осмос — у коллоидных растворов выражены гораздо слабее, чем у истинных растворов
низкомолекулярных веществ, вследствие значительно больших размеров коллоидных час¬
тиц и меньшей их концентрации.Коллоидные системы по молекулярно-кинетическим свойствам принципиально не от¬
личаются от обычных молекулярных растворов. Частицы золя подобно молекулам находят¬
ся в непрерывном движении (броуновское движение). Вследствие хаотичности броуновско¬
го движения частицы проходят сложный путь, который состоит из огромного числа весьма
малых отрезков прямых линий. Учесть точно эту траекторию нельзя, поэтому за величину,
характеризующую интенсивность броуновского движения, принимают величину среднего
смещения частицы за определенный промежуток времени.Теория броуновского движения была разработана Эйнштейном и Смолуховским. Было
доказано, что квадрат среднего смещения частицы пропорционален коэффициенту диф¬
фузии/):х2=2 Dt,где D — коэффициент диффузии (м2/с), х — среднее смещение (м), х — промежуток времени (с).
632МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[4.VI38.4.1. ДиффузияДля понимания особенностей транспорта растворенных молекул через клеточные мем¬
браны необходимы сведения о диффузии.Диффузия — это процесс, который приводит к самопроизвольному уменьшению градиен¬
тов концентраций в растворе, пока не установится однородное распределение частиц. Коэф¬
фициент диффузии показывает количество вещества, которое диффундирует через попереч¬
ное сечение площадью 1 м2 в течение 1 секунды при градиенте концентрации, равном единице.По формуле Стокса-Эйнштейна коэффициент диффузии обратно пропорционален ра¬
диусу частицы:где D — коэффициент диффузии (м2/с), R — универсальная газовая постоянная, Ыл — чис¬
ло Авогадро, г] — вязкость среды (Н-с/м), г— радиус частицы (м). Коэффициент 6 указывает
на сферическую форму частицы.Определение коэффициента диффузии золей является одним из основных методов кол¬
лоидной химии при определении размеров частиц дисперсной фазы, а также величины мак¬
ромолекул.Подставляя значение D в уравнение для величины среднего смещения, получим:Это уравнение показывает, что интенсивность броуновского движения возрастает с
уменьшением размеров частиц и с повышением температуры.В соответствии с размерами частиц дисперсной фазы скорость диффузии в коллоидных ра¬
створах в сотни и тысячи раз меньше, чем в истинных растворах низкомолекулярных веществ.Аналогичное заключение можно сделать и об осмотическом давлении коллоидных ра¬
створов. Так, 1%-ный золь золота имеет осмотическое давление, равное 0,00045 атм, а ра¬
створ сахарозы той же концентрации и в тех же условиях — 0,725 атм. Кроме того, какая-то
доля измеряемого осмотического давления в коллоидных растворах обусловливается при¬
месью электролитов.Так как малые величины осмотического давления коллоидных растворов точно измерить
трудно, то для определения размера или мицеллярного веса коллоидных частиц осмометрию
применяют очень редко.Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения коллоидных
растворов тоже очень малы (порядка 10~6 К), трудно измеримы, поскольку эти величины,
подобно осмотическому давлению, связаны с концентрацией частиц в единице объема. Кри-
оскопические и эбулиоскопические методы неприменимы еще и потому, что кипячение и
замораживание коллоидных растворов могут привести к их коагуляции.Поскольку концентрация коллоидных растворов очень мала (порядка 1%), их вязкость
также невелика: она мало отличается от вязкости чистого растворителя.38.4.2. СедиментацияNa §щг ’Под действием силы тяжести все коллоидные частицы оседают в растворе. Этот процесс
называется седиментацией. Его скорость находится в прямой зависимости от размера час¬
тиц. Более крупные частицы оседают быстрее, чем мелкие.
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ633Для шарообразных частиц скорость седиментации рассчитывается по уравнению:v_2r\p-Po)g9т]где U — скорость седиментации (м/с), г — радиус частицы (м), р — плотность дисперсной
фазы (кг/м3), р0 — плотность дисперсионной среды (кг/м3), г| — вязкость среды (Н-с/м), g —
ускорение силы тяжести (9,81 м/с2).Зная скорость седиментации, можно вычислить радиус оседающих частиц. Если части¬
цы легче жидкости (например, в эмульсии масла в воде), то (р-р0) имеет обратный знак, и
вместо оседания происходит всплывание частиц по тому же закону.Однако седиментации в золях противодействует броуновское движение, стремящееся
равномерно распределить коллоидны^ частицы по всему объему раствора. В результате дей¬
ствия силы тяжести и силы диффузии в золях устанавливается равновесное состояние —
седиментационное равновесие, при котором концентрация дисперсной фазы закономер¬
но понижается от нижних слоев к верхним и остается постоянной во времени. Распределе¬
ние числа частиц по высоте подчиняется закону Лапласа-Перрена:In— = т^А Р—Poили
n2 RT р2,3lg ^ =
n2 RTгде щ и п2 — число частиц в единице объема на высоте hx и h2 (м) от дна сосуда; т — масса
частицы (кг); NA — число Авогадро; R — универсальная газовая постоянная; р и р0 — соот¬
ветственно плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды (кг/м3); V — объем части¬
цы (м3); g — ускорение силы тяжести.Перрен доказал точность этого уравнения и вычислил с его помощью число Авогадро,
величина которого оказалась близкой к полученной другими методами. Это еще раз подтвер¬
ждает применимость молекулярно-кинетической теории к коллоидным растворам.В настоящее время, когда NA известно с большой точностью, метод подсчета частиц на
двух уровнях используют для нахождения массы частицы и, следовательно, ее радиуса.Исследование седиментационного равновесия часто проводят в центробежном поле в цен¬
трифугах с очень большой скоростью вращения, так называемых ультрацентрифугах, которые
позволяют превышать ускорение силы тяжести в сотни тысяч раз. Ультрацентрифуги широ¬
ко используются в химии белков, нуклеиновых кислот, вирусов и других клеточных структур.38.5. Оптические свойства лиофобных коллоидных растворовПри рассматривании коллоидного раствора в проходящем свете он кажется совершен¬
но прозрачным. Если луч света направлен на коллоидный раствор сбоку, то его путь будет
обнаруживаться на темном фоне в виде светящегося конуса, получившего название конуса
Тиндаля.В основе явления Тиндаля лежит рассеяние видимого света коллоидными частицами,
которое связано с размерами коллоидных частиц и длиной волны падающего света. Части¬
цы более крупные, чем световые волны (10~3-10"6 м), отражают их и поэтому растворы, со¬
держащие такие частицы, выглядят мутными; очень мелкие частицы — молекулы и ионы
низкомолекулярных веществ (10_10м) пропускают свет и истинные растворы являются про¬
зрачными; частицы, размеры которых соизмеримы с длиной полуволны г~ 1АХ, а именно та-
634МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIкими являются коллоидные частицы, рассеивают свет во все стороны: световые волны, на¬
талкиваясь на подобные частицы, огибают их, и луч отклоняется от прямой линии (явление
дифракции света).По закону Рэлея, интенсивность рассеянного света (/) обратно пропорциональна четвер¬
той степени длины волны падающего света:vV21=1,к0 А4где I и /0 — интенсивности рассеянного и падающего света, v — число частиц в 1 м3 золя (ча¬
стичная концентрация), V — объем отдельной частицы, X — длина волны падающего света,
К — константа, зависящая от коэффициентов преломления дисперсной фазы и дисперсион¬
ной среды. 1Из этого уравнения следует, что короткие волны (синяя и фиолетовая часть спектра)
рассеиваются сильнее, чем длинные волны (желто-красная часть спектра). Следовательно,
если исходный свет белый, то рассеянный свет обогащается коротковолновыми компонен¬
тами и приобретает голубой оттенок, характерный для многих коллоидных систем при бо¬
ковом освещении. Этим объясняется голубая окраска неба. В проходящем свете остается
больше длинноволновых компонентов спектра, которые и придают ему красный оттенок.Яркая окраска многих золей (золи металлов, сульфида сурьмы(Ш), берлинской лазури)
обусловлена не только рассеянием, но и поглощением света, причем интенсивность окрас¬
ки зависит от степени дисперсности золя.На явлении рассеяния света коллоидными частицами основаны важнейшие методы ис¬
следования высокодисперсных систем — нефелометрия, ультрамикроскопия и поточная
ультрамикроскопия, которые используются для определения концентрации размеров кол¬
лоидных частиц и их размеров в гетерогенных биологических средах.38.6. Строение коллоидных частицВсякий золь состоит из мицелл и интермицеллярной жидкости. Мицеллы лиофобной
системы, являющиеся гетерогенной микросистемой, составляют дисперсную фазу золя, а
интермщеллярная жидкость — дисперсионную среду, в состав которой входят растворительи растворенные в нем электролиты и неэлектролиты.Мицелла имеет сложное строение (рис. 38.1).
Она состоит из ядра, окруженного двойным элект¬
рическим слоем. Ядро составляет основную массу
мицеллы и представляет собой агрегат из атомов
или нейтральных молекул малорастворимого веще¬
ства (обычно их число огромно — несколько сотен
или тысяч). Ядро имеет кристаллическое строение.В мицелле на границе раздела фаз формируется
двойной электрический слой (ДЭС), который состо¬
ит из адсорбционного и диффузного слоев. Образует¬
ся он двумя способами: адсорбционным путем и пу¬
тем поверхностной диссоциации.При образовании ДЭС адсорбционным путем, со¬
гласно правилу Панета-Фаянса, на ядре адсорбиру¬
ются те ионы, которые входят в состав кристалличе¬Рис. 38.1. Схема мицеллы: 1 — ядро, 2 — слой
потепциалопределяющих ионов, 3 — адсорбци¬
онный слой, 4 — диффузный слой, 5 — слой
противоионов, 6 — двойной электрический слой.
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ635ской решетки ядра (или изоморфны с ней). Они называются потенциалопределяющими
ионами.Они сообщают ядру заряд, вследствие чего вокруг ядра начинают группироваться про-
тивоионы, часть из которых располагается близко к ядру (на расстоянии ионного радиуса)
и вместе с потенциалопределяющими ионами образует адсорбционный слой (адсорбционная
часть ДЭС). Ядро и адсорбционный слой вместе составляют гранулу, заряженную вследствие
неполной компенсации заряда потенциалопределяющих ионов.Остальные противоионы испытывают электростатическое притяжение со стороны гра¬
нулы и, кроме того, находятся в состоянии теплового движения, стремящегося равномерно
распределить ионы по всему объему раствора.В результате действия этих двух противоположно направленных сил противоионы рас¬
пределяются в дисперсионной среде диффузно, т.е. концентрация их по мере удаления от
поверхности частицы убывает. Эти противоионы вместе со своими гидратными оболочка¬
ми образуют диффузный слой (диффузная часть ДЭС) и называются «подвижными» или
«свободными» противоионами.Гранула вместе с диффузным слоем противоионов составляет мицеллу. В отличие от
гранулы мицелла электронейтральна и не имеет строго определенных размеров.Электролит, один из ионов которого адсорбирован на ядре, называется стабилизато¬
ром (обычно это тот электролит, который взят в избытке), он сообщает устойчивость кол¬
лоидным частицам.Рассмотрим строение мицелл золя Agl. Его можно получить взаимодействием разбавлен¬
ных растворов AgNOs и KI при избытке одного из реагентов. В зависимости от того, какое
из веществ взято в большем количестве, заряд частиц золя будет разный.В первом случае (при избытке AgN03) формулу мицеллы можно записать следующим
образом:мицеллагранула {[m(AgI)72Ag+(n-^)N03-]^N03-}ядро адсорбционный диффузный
слой слойВо втором случае (при избытке KI) формула мицеллы приобретет вид: мицелла гранула {[m(AgI)nl-(n-x)K+]x-xK+}ядро адсорбционный диффузныйСЛОЙ слойВ этих формулах т означает количество молекул Agl в ядре, п — число потенциалопре¬
деляющих ионов, адсорбированных на поверхности ядра, (п-х) — число противоионов в
адсорбционном слое, х — их число в диффузном слое.Из приведенных формул видно, что первая мицелла имеет положительно заряженную
гранулу вследствие преимущественной адсорбции на ядре катионов серебра (положитель¬
ный золь), а гранула второй мицеллы заряжена отрицательно за счет отрицательных ионов
иода (отрицательный золь).
636МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIВ качестве примера образования ДЭС путем поверхностной диссоциации можно рассмот¬
реть строение мицеллы кремниевой кислоты, при диссоциации которой образуются потен-
циалопределяющие ионы SiOs2~, фиксированные на поверхности, и противоионы Н+, кото¬
рые переходят в раствор:{[m(Si02- г/Н20) nSiOf- 2(п-х)Н+]^2хН+}.38.7. Электрокинетические свойства коллоидных растворовЭлектрокинетическими явлениями называются процессы, возникающие в гетерогенной
системе при относительном перемещении двух фаз с участием электрического тока. Откры¬
ты русским ученым Ф. Ф. Рейссом в 1807 году.Причина электрокинетических явлений — существование двойного электрического слоя
и легкость смещения гранулы относительно диффузного слоя. При действии электрического
поля мицелла как бы разрывается на границе между адсорбционным и диффузным слоями
(эта граница называется поверхностью скольжения), гранула движется к одному полюсу
(электрофорез), а ионы диффузного слоя движутся к другому полюсу, увлекая за собой гид-
ратные оболочки (электроосмос).Электрофорез — направленное перемещение заряженных частиц дисперсной фазы от¬
носительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.Электроосмос — движение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы под
действием внешнего электрического поля.Если проталкивать жидкость под давлением через капиллярную систему, на концах ее
возникает разность потенциалов, получившая название потенциала протекания (или те¬
чения).При оседании коллоидных частиц в жидкой среде также появляется разность потенци¬
алов между верхним и нижним слоями жидкости, называемая потенциалом оседания (се¬
диментации).Потенциал протекания можно рассматривать как явление, обратное электроосмосу, а
потенциал оседания — электрофорезу.По методике проведения электрофорез делится на электрофорез с движущимся погра¬
ничным слоем (свободный электрофорез Тизелиуса) и зонный электрофорез (с использо¬
ванием носителей — бумаги, гелей и т.д.).Белки, бактерии, вирусы несут заряд и потому, находясь в буферном растворе, способ¬
ны двигаться под действием электрического поля, причем скорость движения зависит от раз¬
мера и заряда частиц. Поэтому электрофорез чрезвычайно широко применяется в медици¬
не и биологии.С помощью электрофореза проводят разделение и анализ смесей макромолекул (на¬
пример, белков сыворотки крови, спинномозговой жидкости, мочи и др.). Этот метод
применяется в медицине для диагноза и контроля за ходом болезни, так как в электро-
фореграммах белков сыворотки крови при различных патологических состояниях на¬
блюдаются резкие изменения, специфичные для каждого заболевания. Электрофорез лекар¬
ственных веществ как метод электротерапии давно и с успехом используется в лечении
многих заболеваний (например, ожоговых ран, атеросклероза, ревматизма, нервно-пси¬
хических заболеваний и др.). Введение через неповрежденную кожу лекарственного ве¬
щества с созданием «депо» способствует более длительному действию его на организм
больного.
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ637Электрофоретическим методом определяют изоэлектрическую точку белков (изоэлек-
трическое фокусирование). Электрофорез белков в присутствии ПАВ (например, додецил-
сульфата натрия) используется для определения молекулярных масс белков.Явление электроосмоса довольно распространено в биологических системах. Введение
лекарств через кожу облегчается еще и потому, что при наложении разности потенциалов
происходит электроосмотический перенос жидкости через поры кожи — воздух удаляется,
проницаемость кожи увеличивается. В медицине электроосмос применяется для очистки
лечебных сывороток.Потенциалы протекания и оседания представляют собой один из механизмов возникно¬
вения биотоков при проталкивании крови по сосудам; в частности, установлено, что один из
пиков электрокардиограммы (так называемый зубец Q) обусловлен течением крови в коро¬
нарной системе.Электрокинетические явления применяются в промышленности и народном хозяйстве.
Электрофорез используют для борьбы с топочными дымами, при изготовлении посуды, ре¬
зиновых изделий, нанесении металлических покрытий на изделия сложных профилей и т.д.
Электроосмос применяется для интенсификации добычи нефти, для осушки и пропитки по¬
ристых материалов (например, осушка торфа, пропитка древесины), для понижения уров¬
ня грунтовых вод и т.д. Изучение потенциалов протекания лежит в основе метода геофизи¬
ческой разведки полезных ископаемых.При транспортировке жидкого топлива возникают высокие потенциалы протекания и се¬
диментации, которые могут быть причиной пожаров и взрывов.38.8. Электрокинетический потенциал38.8.1. Влияние ^-потенциала на свойства коллоидных растворовИоны, достраивающие кристаллическую решетку ядра, сообщают ему заряд, определя¬
ющий электротермодинамический потен¬
циал (ф, рис. 38.2). Полное падение этого по¬
тенциала от его значения на ядре до нулевого
значения соответствует максимальной разно¬
сти потенциалов между твердой поверхностью
и всем слоем противоионов (порядка 1В).Гранула имеет электрический потенциал того
же знака, что и ф-потенциал, но величина его
меньше (порядка 50-100 мВ) и зависит от коли¬
чества противоионов в адсорбционном слое. По¬
тенциал гранулы называется электрокинети-
ческим или потенциалом. Кинетическим его
называют потому, что он может быть обнаружен
и измерен при всех видах перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды относитель¬
но друг друга. Его можно определить так же, как разность потенциалов между подвижной
(диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частью двойного электрического слоя.Дзета-потенциал — мера интенсивности электрокинетических явлений (чем больше за¬
ряд гранулы, тем больше ^-потенциал, и тем больше, следовательно, электрофоретическая
скорость коллоидных частиц).Рис. 38.2. Падение электрических потенциалов в
мицелле: 0А — электродинамический потенциал ф,
BD — электрокинетический потенциал £.
638МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[4.VIДзета-потенциал характеризует устойчивость коллоидных частиц (чем больше ^-по¬
тенциал, тем толще диффузный слой, который предохраняет гранулы от слипания, т.е. коа¬
гуляции).В живых организмах дзета-потенциал оказывает существенное влияние на размеры меж¬
клеточных пространств, противодействуя силам притяжения Ван-дер-Ваальса.38.8.2. Определение ^-потенциалаДля определения ^-потенциала используются различные методы, одним из которых
является электрофорез. ^-Потенциал в этом случае можно рассчитать по следующей
формуле:_ Кпт] ILгде К — коэффициент, зависящий от формы среды (для сферических частиц он равен 6, для
вытянутых — 4), Г| — вязкость среды (Н-с/м2), 8 — диэлектрическая проницаемость среды
(для воды она равна 9-10~9Ф/м), / — путь золя (м), пройденный за время т (с), Е — прило¬
женная разность потенциалов (В), a L — расстояние между электродами (путь тока, м).Электрокинетический потенциал можно рассчитывать, и исходя из данных электроос¬
моса по следующей формуле:г_КлхщS - : ’
гггде % — удельная электрическая проводимость среды (Ом/м), v — объемная скорость элек¬
троосмоса (м3/с), г) — вязкость среды (Н-с/м2), е — диэлектрическая проницаемость среды
(Ф/м), i — сила тока (А).Зная электрокинетический потенциал, а также давление, под которым проталкивается
жидкость через капилляр (или диафрагму), можно вычислить потенциал протекания по
формуле:Е _ Р&Knrixгде Ет — потенциал течения (В), £ — дзета-потенциал (В), е — диэлектрическая проницае¬
мость среды (Ф/м)}р — давление, приводящее жидкость в движение (Н2/м), г| — вязкость
среды (Н с/м), % — удельная электрическая проводимость среды (Ом/м).Электрофорез и электроосмос наблюдаются и при прохождении тока через ткани живых
организмов. В организме существование заряженных групп на биологических мембранах
приводит к образованию двойного электрического слоя, в котором фиксированный отрица¬
тельный заряд клеточной поверхности уравновешен положительным зарядом, создаваемым
ионами межклеточной среды.Дзета-потенциал, измеренный у разных клеток, варьирует от -10 до -30 мВ. Электроки¬
нетический потенциал эритроцитов изучен достаточно хорошо. Было установлено, что ве¬
личина ^-потенциала является характерной для данного вида животных и варьирует в очень
узких пределах (табл. 38.2).Выяснено, что ^-потенциал лейкоцитов у данного вида животных ниже, чем эритроци¬
тов, например, у лошади электрофоретическая скорость эритроцитов равна 1,0110-6 м/с, в
то время как скорость электрофореза лейкоцитов равна 0,49-10-6 м/с.
ГЛ. 38] ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 639Таблица 38.2Дзета-потенциалы и скорость электрофореза эритроцитов млекопитающихВидмлекопитающихСкорость электрофореза*,
v Ю6м/с^-потенциал, ВКролик0,550,0070Свинья0,980,0125Морская свинка1,110,0142Человек1,310,0168Обезьяна резус1,330,0170Кошка1,390,0178Крыса1,450,0186Собака1,650,0211* v — путь пройденный золем при электрофорезе за единицу времени.Существует предположение, что в механизме миграции лейкоцитов в воспаленный очаг
определенную роль должен играть дзета-потенциал лейкоцитов, в связи с тем, что между
воспаленным и здоровым участками ткани возникает градиент потенциала.Оказалось, что величина ^-потенциала бактериальных клеток сильно зависит от на¬
личия белков в среде и от возраста клеток (у молодых клеток более высокий дзета-по¬
тенциал).38.9. КоагуляцияГрубодисперсные системы гетерогенны и неустойчивы. Они самопроизвольно под дей¬
ствием силы тяжести расслаиваются на дисперсионную фазу и дисперсную среду. Истин¬
ные растворы, наоборот, гомогенны и неограниченно устойчивы и в них не происходит са¬
мопроизвольного выделения растворенного вещества из системы.Коллоидные растворы — это гетерогенные системы, обладающие большой свободной
энергией поверхности, то есть они термодинамически неустойчивы. Различают кинетиче¬
скую и агрегативную устойчивость коллоидных растворов. Причиной кинетической (седи-
ментационной) устойчивости является броуновское движение, которое противодействует
оседанию частиц под действием силы тяжести. Причиной агрегативной устойчивости явля¬
ется наличие у частиц одноименных зарядов и сольватных оболочек, которые мешают сли¬
панию частиц. Коллоидные растворы с ионным стабилизатором агрегативно неустойчивы,
если их мицеллы имеют ^-потенциал меньше 30 мВ, относительно устойчивы, если 30 < £ < 50 мВ,
и устойчивы, если £ > 50 мВ.Лиофобные коллоидные растворы, как термодинамически неустойчивые системы могут
разрушаться самопроизвольно или под действием внешних сил. Разрушение коллоидных
растворов начинается с их коагуляции.Коагуляция — это процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты
вследствие потери агрегативной устойчивости. Коагуляция наступает тогда, когда силы
притяжения между частицами превышают силы отталкивания одноименно заряженных
гранул. Процесс коагуляции могут вызвать различные факторы: изменение температуры,
640МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIувеличение концентрации, механическое воздействие, облучение, добавление электролитов.
Наиболее изучена и имеет наибольшее практическое значение коагуляция коллоидов элек¬
тролитами. Электролиты, с одной стороны, необходимы для стабилизации золей, а с другой
стороны, их избыточное добавление ведет к коагуляции золей.Все сильные электролиты вызывают коагуляцию коллоидного раствора при увели¬
чении их концентрации в растворе до некоторого значения, называемого порогом коа¬
гуляции.Порог коагуляции (у) — это минимальное количество электролита (в молях), которое
надо добавить к 1 л золя, чтобы вызвать начало коагуляции за определенный промежуток
времени. Порог коагуляции рассчитывают по формуле:= cv;У V, ’где у — порог коагуляции (моль/л), С — концентрация электролита (моль/л), V3 — объем
раствора электролита (л), V3 — объем золя (л).Коагулирующее действие электролитов подчиняется правилу Шульце-Гарди: коагуля¬
цию вызывают ионы, которые имеют знак заряда, противоположный заряду гранулы, и ко¬
агулирующая способность тем выше, чем выше заряд коагулирующего иона.Таким образом, лучшим коагулятором является тот электролит, который имеет наимень¬
ший порог коагуляции для данного золя.Дерягин и Ландау с помощью теоретических расчетов показали, что значения порогов
ко'агуляции для ионов различного заряда относятся как ^I6 ' 26 ’ З64(1+)’ У(2+)’ 4(3+) j6 * об * обили как 1 : 0,018 : 0,0013, то есть коагулирующее действие ионов растет примерно пропор¬
ционально шестой степени заряда иона.Правило Шульце-Гарди носит приближенный характер, так как наряду с величиной за¬
ряда имеет значение и природа ионов: чем выше гидратируемость иона, тем меньше его ко¬
агулирующее действие. По уменьшению степени гидратации ионы могут быть расположе¬
ны в следующие ряды (лиотропные ряды Гофмейстера):С2042- > S042- > СН3СОО- > Cl- > NO3- > Вг > I- > CNS-
Li+ > Na+ > К+ > Rb+ > Cs+ > Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ > Ba2+.Коагулирующее действие ионов электролитов связано, в основном, с уменьшением ^-по¬
тенциала коллоидных частиц за счет сжатия диффузного слоя и за счет избирательной и
ионообменной адсорбции на коллоидных частицах ионов электролита с зарядом, противо¬
положным заряду гранулы. Коагуляция, как правило, наблюдается при уменьшении ^-по¬
тенциала до 25-30 мВ (критический потенциал). При падении ^-потенциала от максималь¬
ного значения до критического внешние изменения в золе не наблюдаются, поэтому этот
период коагуляции называется «скрытой» коагуляцией, а период, сопровождающийся по¬
мутнением, — «явной» коагуляцией. Скорость коагуляции возрастает до максимальной в
изоэлектрическом состоянии (£ = 0).Коагуляция происходит также при смешении двух золей с различными знаками заряда
(взаимная коагуляция). Такой тип коагуляции применяется в санитарно-гигиенической
практике при очистке воды от взвешенных коллоидных частиц. При добавлении к воде со¬
лей алюминия (или трехвалентного железа) последние, гидролизуясь, образуют положи¬
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ641тельно заряженные коллоидные частицы гидроксидов, которые соединяются с отрицательно
заряженными коллоидными частицами, находящимися в воде.Коагулирующая способность электролита зависит от способа его прибавления к золю.
Если добавлять электролит малыми порциями, коагуляция наступает позже. Это явление
носит название «привыкания» золей. Его следует учитывать при инъекциях. Иногда наблю¬
дается обратная картина («отрицательное привыкание»).Многозарядные ионы (например, ионы трех- и четырехвалентных металлов, органические
ионы), а также ионы Н30+ и ОН~ при добавлении их к золям во все возрастающих количествах
вызывают явление «неправильных рядов» (чередование зон устойчивости и коагуляции).Сначала, по достижении порога коагуляции, они вызывают коагуляцию золя (первая
зона коагуляции). Дальнейшее увеличение концентрации ионов стабилизирует золь, и ко¬
агуляция отсутствует (зона устойчивости). При еще больших концентрациях вновь насту¬
пает коагуляция золя (вторая зона коагуляции). Явление «неправильных рядов» связано с
перезарядкой коллоидных частиц. Перезарядка происходит в том случае, когда коагулиру¬
ющий ион проникает в адсорбционный слой гранулы в сверхэквивалентных количествах, т.е.
в количествах больших, чем надо для нейтрализации потенциалопределяющих ионов.Перезарядка золей объясняется тем, что многозарядные ионы обладают большой адсор¬
бционной способностью.При коагуляции золя смесью электролитов можно наблюдать:а) явление аддитивности — суммирование коагулирующего действия ионов;б) явление антагонизма — ослабление коагулирующего действия одного иона в присут¬
ствии другого;в) явление синергизма — усиление коагулирующего действия одного иона в присутствии
другого.Явление коагуляции играет существеную роль в живом организме, так как коллоидные
растворы клеток и биологических жидкостей находятся в соприкосновении с электролита¬
ми. Поэтому при введении в организм какого-либо электролита надо учитывать не только
его концентрацию, но и заряд ионов. Так, физиологический раствор хлорида натрия нельзя
заменить изотоничным раствором хлорида магния, поскольку в этой соли имеется двухза¬
рядный ион магния, обладающий высоким коагулирующим действием.При введении смеси солей следует предварительно убедиться, что эти соли не являют¬
ся синергистами, чтобы избежать вредной для организма коагуляции.Решение многих проблем в медицине (например, протезирование кровеносных сосудов,
клапанов сердца и т.д.) связано с проблемой свертывания крови. В хирургии во время опе¬
раций в кровь вводят антикоагулянты (гепарин), а после операций — для повышения коа¬
гуляции — протамин-сульфат.С явлением коагуляции эритроцитов вследствие уменьшения их дзета-потенциала вра¬
чи постоянно имеют дело в клинических лабораториях (метод определения СОЭ — скорос¬
ти оседания эритроцитов).Это явление объясняется тем, что при патологии в крови увеличивается содержание не¬
которых видов белков, место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают
белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещенных ими ионов. Заряд эритроцитов пони¬
жается, они быстрее объединяются и оседают.В природе процессы коагуляции играют огромную роль в формировании структуры почв.
Образование плодородных дельт в устьях рек легко объясняется тем, что электролиты мор¬
ской воды вызывают коагуляцию коллоидных частиц, содержащихся в речной воде, а оста¬
новка течения способствует седиментации коагулированных агрегатов.
642МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VI38.10. Коллоидная защитаПри добавлении к лиофобным золям некоторых высокомолекулярных веществ ус¬
тойчивость золей к действию электролитов значительно повышается, что выражается в
повышении агрегативной устойчивости золей и порога коагуляции. Такое явление по¬
лучило название коллоидной защиты. Защищенный золь поддается концентрированию
и даже выпариванию досуха и становится обратимым (то есть термодинамически устойчи¬
вым), он как бы приобретает свойства раствора высокомолекулярного вещества. Механизм
защитного действия зависит от образования адсорбционного слоя введенного вещества вме¬
сте с его гидратными оболочками на поверхности частиц гидрофобного золя. Защитными ве¬
ществами в водной среде могут служить белки, углеводы, пектины (разновидность расти¬
тельных полисахаридов).В водных коллоидных растворах дифильные молекулы ВМС, адсорбируясь на поверх¬
ности коллоидных частиц, ориентируются таким образом, что их гидрофобные участки об¬
ращены к частицам дисперсной фазы, а гидрофильные фрагменты к воде. Система лиофи-
лизируется и мицеллы приобретают дополнительный фактор агрегативной устойчивости.Различные высокомолекулярные вещества защищают золи неодинаково. Мерой защит¬
ного действия высокомолекулярных соединений является так называемое золотое число —
то минимальное количество миллиграммов сухого высокомолекулярного соединения, кото¬
рое необходимо добавить к 10 мл стандартного (красного) золя золота для того, чтобы пре¬
дотвратить его коагуляцию (посинение) при введении в систему 1 мл 10%-ного раствора
хлорида натрия.Аналогично можно оценить серебряное число, рубиновое число, железное число и т.д.
Более простое и легко доступное железное число определяют как минимальное число мил¬
лиграммов защищающего высокомолекулярного соединения, способного защитить 10 мл
золя гидроксида железа от коагулирующего действия 1 мл 0,005 моль/л раствора сульфата
натрия.Сравнение золотых и железных чисел некоторых биполимеров представлено в табли¬
це 38.3.Таблица 38.3Золотые и железные числа некоторых веществВеществоЗолотое число, мгЖелезное число, мгЖелатин0,0085,0Гемоглобин0,25-Крахмал25,020,0Явление защиты играет большую роль в жизни организмов. Так, белки крови защища¬
ют жир, холестерин, малорастворимые соли кальция и мочевой кислоты от коагуляции и
выделения на стенках сосудов. При понижении защитной функции белков возникают забо¬
левания: атеросклероз, кальциноз, подагра, образование камней в почках, печени и т.п. Спо¬
собность крови удерживать в растворенном состоянии большое количество газов (кислорода
и углекислого газа) также обусловлена защитным действием белков.В медицине измерением золотого числа спинномозговой жидкости пользуются для ди¬
агностики некоторых заболеваний, например, менингита.
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ643В фармацевтической промышленности защитные свойства веществ широко использу¬
ются для получения концентрированных золей серебра, ртути, золота и их радиоактивных
изотопов (например, лекарственный препарат колларгол — коллоидный раствор серебра,
а протаргол — коллоидный раствор оксида серебра, защищенные высокомолекулярными со¬
единениями).Добавление к растворам лиофобных золей небольшого количества ВМС, недостаточного
для образования мономолекулярного слоя на поверхности мицелл, может привести к про¬
тивоположному эффекту — уменьшению устойчивости золя. В этом случае лиофобный золь
становится более чувствительным к действию электролитов и других коагулирующих фак¬
торов, что находит отражение в явлении флокуляции — агрегатировании частиц дисперс¬
ной фазы в лиофобных золях и суспензиях под действием небольших количеств ВМС.38.11. Коллоидные растворы поверхностно-активных веществ.
СолюбилизацияМыла и некоторые красители, являющиеся ПАВ, при их малой концентрации в воде (10~5-
10~3 моль/л) образуют истинные растворы. Их более концентрированные растворы приобре¬
тают коллоидную структуру вследствие самопроизвольного образования в системе колло¬
идных агрегатов (рис. 38.3).При этом липофильные части молекул ориентируются по направлению друг к другу с
образованием гидрофобного ядра, которое защищено от водной фазы оболочкой из гидро¬
фильных частей молекул.При более высоких концентрациях сферические мицеллы превращаются в более устой¬
чивые пластинчатые мицеллы в виде двойных слоев с полярными группами, направленными
наружу, и углеводородными цепями, ориентированными параллельно и направленными
внутрь слоев. Подобная структура мицелл обеспечивает сильное взаимодействие с диспер¬
сионной средой и хорошую сольватацию их поверхности молекулами дисперсионной сре¬
ды, что делает коллоидную систему лиофильной, термодинамически устойчивой и не тре¬
бующей стабилизаторов.Следует отметить важное значение мицеллообразования в биологии, поскольку биоло¬
гические мембраны представляют собой сложные двойные слои с гидрофобным ядром и
гидрофильным окружением.истинныйраствор(C2>Qзоль(С3>С2)гельРис. 38.3. Образование мицелл в коллоидных растворах ПАВ.
644МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫОбразование сферических мицелл происходит при определенной для каждого ПАВ кон¬
центрации, которая называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).
При этом резко изменяются физико-химические свойства раствора ПАВ: осмотическое дав¬
ление, электропроводность, мутность, поверхностное натяжение (см. рис. 38.4). Для неионо¬
генных ПАВ значения ККМ обычно лежат в области 10~4-10~5 моль/л, для ионогенных — в
пределах 10_2-10_3 моль/л, однако фосфолипиды и сфинголипиды имеют очень низкие зна¬
чения ККМ — 10_8-10~10 моль/л.ККМ определяют по изменению одного из вышеуказанных свойств. Метод определения
ККМ по изменению поверхностного натяжения а наиболее точен по сравнению с другими.
В отличие от асимметричных единичных молекул ПАВ сферические мицеллы равномерно
гидратированы по всей поверхности. Поэтому поверхностное натяжение водных растворов
ПАВ резко изменяется с ростом концентрации ПАВ вплоть до ККМ, после чего практически
не меняется с увеличением концентрации. На кривых зависимости поверхностного натяже¬
ния от логарифма концентрации (см. рис. 38.4) обнаруживается резкий излом, абсцисса ко¬
торого соответствует ККМ.СУРис. 38.4. Изменение поверхностного натяжения коллоидного раствора ПАВ.Свойством мицеллярных растворов, вытекающим из строения мицелл ПАВ, является
солюбилизация, т.е. внедрение мало- или практически нерастворимых в данном раствори¬
теле веществ в мицеллы лиофильных коллоидов, приводящее к резкому увеличению раство¬
римости этих веществ в мицеллярных растворах. Например, бензол, гептан растворяются в
водных растворах ПАВ при С > ККМ. Солюбилизироваться могут либо дифильные моле¬
кулы, либо молекулы, полярность которых близка к полярности ядра мицеллы. Процесс со¬
любилизации носит самопроизвольный и обратимый характер и не нарушает устойчивость
дисперсной системы. 1С процессом солюбилизации связано стабилизирующее действие ПАВ, которые часто
выступают в качестве эмульгаторов. Так, например, процесс усвоения жиров в организме на¬
чинается с солюбилизации их солями желчных и жирных кислот. Моющее действие ПАВ
также в известной степени обусловлено способностью загрязнений солюбилизироваться в
растворах ПАВ.Следует сказать, что многие природные молекулы, обладающие свойствами ПАВ, напри¬
мер, фосфолипиды, могут в водных растворах образовывать бислойные структуры, в ко¬
торых их молекулы обращены друг к другу гидрофобными концами (гидрофобные вза¬
имодействия), а полярными группами — к молекулам воды (рис. 38.5). Такие структуры
в принципе могут быть многослойными, а не только бислойными.
ГЛ. 38]ХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ645Они могут включать в свою структуру воду, оказав¬
шуюся в промежутке между двумя бислойными структу¬
рами — внутренней и внешней. Такие образования назы¬
вают липосомами. Они удобны как объекты изучения
моделей клеточных мембран, с одной стороны, а, с дру¬
гой стороны, их используют для направленной доставки
лекарственных средств к тем или иным пораженным
органам или тканям. В медицине в настоящее время ши¬
роко применяются как лекарственные средства протео-
липосомы, т.е. липосомы, содержащие внутри молекулу
белка.Рис. 38.5. Строение липосомы.
Глава 39.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВРастворы составляют еще нерешенную
задачу естествознания, потому что,
будучи химическими соединениями, ош/ не
подчиняются законам атомизма или
кратных отношений...Д. И. МенделеевЖивой организм в действительности
существует не во внешней среде (атмо¬
сфера, которой он дышит, соленая или
пресная вода, если он ее обитатель), но в
жидкой внутренней среде, сформирован¬
ной циркулирующей природной жидко¬
стью, которая окружает и омывает все
его ткани...Клод Бернар39.1. Основные понятия химии полимеровСтруктурной химической основой организмов являются природные высокомолекуляр¬
ные соединения (ВМС), биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а так¬
же смешанные биополимеры — липопротеиды, гликопротеиды и липополисахариды.Необходимо знание свойств ряда промышленных полимеров, применяемых в медицин¬
ской практике — винильных полимеров, каучуков, тефлона, капрона, найлона и др.Сюда отнесем и неорганические полимеры — полисиликаты, в частности, кремниевую
кислоту. Наконец, полезно знать и об элементоорганических ВМС. В их числе, к примеру,
находятся силоксаны, содержащие связи кремния с углеродом и кислородом.
ГЛ. 39] ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВ647он-Si—О—
ОН
кремниевая
кислотаR—Si—О—IRсилоксанВМС — это вещества, молекулы которых состоят из большого числа (не менее 1000) хи¬
мически связанных атомов, а потому их молярные массы находятся в пределах 104-107.Полимеры представляют собой такую разновидность ВМС, молекулы которых состоят
из одинаковых групп атомов, мономерных звеньев — п раз повторяющихся структурных еди¬
ниц X, [-Х-]„. Представители полимеров — полиэтилен, винильные полимеры, каучуки. К
их числу можно отнести некоторые полиамиды, например, капрон, если он был получен по¬
лимеризацией капролактама.Прочие ВМС получают поликонденсацей. К этому классу принадлежат полипептиды
(если они получены из аминокислот), полисахариды.Линейные полимеры представляют собой химически не связанные одиночные цепи мо¬
номерных звеньев:-Х-Х-Х-Х-.К ним относятся каучук, целлюлоза, найлон.Разветвленные полимеры выглядят следующим образом:-х-х-х-I-х-х-х-х-Разветвленную структуру имеет полисахарид амилопектин.
Имеются и лестничные полимеры:-х-х-х-х--х-х-х-х-К ним относятся некоторые искусственные волокна.Сетчатые полимеры — это трехмерные полимеры, звенья которых образуют единую хи¬
мически связанную пространственную сетку. В качестве примера сетчатых полимеров мож¬
но привести полисахарид гликоген.В зависимости от элементного состава цепи различают гомоцепные и гетероцепные по¬
лимеры. Пример гомоцепных полимеров — полиэтилен [-СН2-СН2-]„, гетероцепных — по¬
лиамиды [-NH-CO-(CH2)r-]„.Полимеры, содержащие в одной макромолекуле различные типы мономерных звеньев -
Х1-Х2-Х3-, называются сополимерами. Регулярные и нерегулярные сополимеры различа¬
ют порядком чередования мономерных звеньев. Так, найлон с его однотипными звеньями,
построенными из адипиновой кислоты и гексаметилендиамина, представляет собой регу¬
лярный сополимер. Природные полипептиды являются полимерами различных аминокис¬
лот, т.е. нерегулярными сополимерами как и полинуклеотиды, построенные из разных зве¬
ньев мононуклеотидов.
648МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[4.VI39.2. Пространственное строение ВМСХимические связи между мономерными звеньями прочны, как и любые ковалентные
связи (их энергия около 400 кДж/моль). Кроме них между полимерными цепями или раз¬
ными участками одной цепи возникают межмолекулярные взаимодействия — так называе¬
мые молекулярные связи. Обычно их величина — не более 20 кДж/моль. Примером такого
рода связей могут быть водородные связи в полипептидах, закручивающие их в спираль или
укладывающие в складчатую структуру, и сворачивающие молекулы полинуклеотидов в
двойные спирали. Молекулярные связи делают молекулы ВМС нелетучими.Характер и число молекулярных связей (а оно в многозвенном полимере велико) опре¬
деляет конформацию молекулы ВМС.Подсчитано, что при 298 К (25 °С) средняя кинетическая энергия теплового движения
одного звена составляет около 5 кДж/моль, что меньше величины энергии молекулярных
связей. При малых величинах активационного барьера между различными конформация¬
ми (а он обычно невелик, так как звенья полимера соединены между собой a-связями с их
свободным вращением) молекула ВМС представляет собой свободно-сочлененную цепь.
Отдельные звенья полимерной цепи поэтому находятся в состоянии хаотического теплового
броуновского движения, в результате чего молекула ВМС приобретает форму клубка. Та¬
кая форма молекулы ВМС называется глобулой.Для величины среднего радиуса глобулы существует связь со значением молекулярной
массы ВМС (М)\гя-кШ,где rg — средний радиус глобулы, К — коэффициент пропорциональности.Отношение эффективного радиуса макромолекулы г, определенного экспериментально,
к рассчитанному по этой формуле значению rg, характеризует жесткость полимерной цепи.
Оно варьируется в широких пределах, составляя, к примеру, величину 1,7 для гибкой цепи
каучука, и 5,0 для жестких цепей нитроцеллюлозы.39.3. Растворы ВМСМолекулы биополимеров дифильны. Они состоят из неполярных и полярных группи¬
ровок. У неполярных радикалов, например, углеводородных цепей, отсутствует сродство к
полярному растворителю — воде, у полярных групп оно достаточно велико.Полисахариды построены из неполярных связей С-С и С-Н, с одной стороны, и силь¬
но полярных связей С-0 и О-Н, с другой. Молекулы полинуклеотидов обладают высо¬
кой степенью полярности их поверхности, на которой размещаются остатки фосфорной
кислоты, в то время как внутренняя часть этих молекул менее полярна. Полипептиды со¬
держат в своем составе наборы аминокислот с алифатическими и ароматическими ра¬
дикалами, имеющими гидрофобный характер, и с полярными группами (ОН, SH, NH2,
СООН и др.), обладающими высокой гидрофильностью. Вдоль полипептидной цепи распо¬
лагаются фрагменты с принципиально различающимся соотношением гидрофобность —
гидрофильность.Вследствие этого биополимеры обладают поверхностной активностью и в водных растворах
выступают в качестве стабилизаторов различных гидрофобных микрогетерогенных систем.Их поэтому относят к коллоидным ПАВ, которые с одним и тем же растворителем в за¬
висимости от условий образуют истинный или коллоидный растворы.
ГЛ. 39] ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВ649Для таких систем характерно существование динамического равновесия между истин¬
ным и коллоидным растворами.Коллоидные растворы ВМС получаются самопроизвольно из истинных растворов за
счет ассоциации молекул. Процесс образования мицелл в растворах коллоидных ПАВ тер¬
модинамически выгоден. Ядро образовавшихся мицелл составляют неполярные радикалы,
а внешнюю обкладку — полярные группы, что обеспечивает наименьший контакт гидро¬
фобных групп с водой.39.3.1. Колигативные свойства растворов ВМСРис. 39.1. Зависимость осмотическо¬
го давления от концентрации ВМС.Осмотическое давление растворов ВМС существенно п
отличается от рассчитываемого согласно уравнению Вант-
Гоффа р = CRT, причем экспериментально полученная кри¬
вая лежит выше теоретической прямой (рис. 39.1).Это объясняется уже отмеченной относительной неза¬
висимостью теплового движения отдельных участков по¬
лимерной молекулы. Иначе говоря, каждая макромолекула
ведет себя как совокупность нескольких молекул меньше¬
го размера, что и проявляется в увеличении осмотического
давления. Очевидно, что для однотипно построенных моле¬
кул ВМС, количество таких автономных участков будет тем
большим, чем больше молекулярная масса М.Для расчета осмотического давления растворов ВМС предложено уравнение Галлера:я = —С + рС2,М И ’в котором С — массовая концентрация раствора ВМС, г/л; М — его молярная масса, г/моль;
Р — коэффициент, учитывающий гибкость и форму молекулы ВМС в растворе.Число подвижных единиц в растворе учитывается дополнительным слагаемым (ЗС2. При
небольших концентрациях полимера значение этого сла¬
гаемого невелико, и уравнение Галлера совпадает с урав¬
нением Вант-Гоффа. Аналогичные закономерности на¬
блюдаются и для полимеров, молекулы которых имеют
форму сферических глобул (например, для гемоглоби¬
на), так как в этом случае (3 —> 0.Из всех коллигативных свойств растворов ВМС осмо-
метрический метод наиболее чувствителен при определе¬
нии молекулярной массы полимеров. Измеряя осмотичес¬
кое давление для растворов с разными концентрациями,
получают графическую зависимость величины п/С от С, из
которой и находят значение молекулярной массы полиме¬
ра Ми коэффициента Р (рис. 39.2).я/сRT/MРис. 39.2. График зависимости п/С от С.39.3.2. Мембранное равновесие ДоннанаОсмотические свойства растворов полимерных электролитов (полиэлектролитов), а та¬
ковы растворы белков и полинуклеотидов, проявляют ряд особенностей.
650МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIИзвестно, что малые и высокомолекулярные ионы распределяются неравномерно по обе
стороны мембран, если они непроницаемы для ВМС.Рассмотрим типичную для биологических систем ситуацию. По разные стороны мемб¬
раны находятся соль высокомолекулярного соединения, например, белка, макроанионы R"
которых через мембрану проникать не могут (NaR — слева на нижеприведенной схеме) и
низкомолекулярный электролит (NaCl, справа). Пусть в начальный момент их концентра¬
ции составляют и С2, соответственно.При установлении равновесия в такой системе малые анионы С1" перемещаются преиму¬
щественно из правой части в левую. Поэтому для сохранения электронейтральности вмес¬
те с С1"-анионами справа налево перемещаются и катионы натрия. В результате в момент
равновесия, когда через мембрану переместилось х моль/л хлористого натрия, концентра¬
ции ионов в обеих частях сосуда принимают значения:мембранаслева[Na+] = С, + х
[СГ] = х
[R-] = Ctсправа[Na+] = С2-х
[СГ] = С2-х,где [Na+], [Cl-], [R“] — равновесные концентрации ионов; х — изменение концентраций ионов
натрия и хлора в результате перехода части хлористого натрия через мембрану справа налево.
В равновесии в соответствии с законами термодинамики свободные энергии частиц слева
—> <—(G) и справа (G) от мембраны должны быть равны.Для соли NaCl это равенство имеет вид:-> <—СыаС1 = GNaCI-—> <—Так как G°NaCI = G°Naa, а G = G° + RT 1пя±, где а± — активность хлористого натрия (я, =
**• ®сг . см. гл. 9). Следовательно, RT\n^aNt. ■ аа. = RTln^a^- аа., отсюда:^Na+ ’ ^СГ ^Na+ * ^СГ*Это равенство является условием мембранного равновесия Доннана — равновесия, ус¬
танавливающегося в системе растворов, разделенных мембраной, непроницаемой хотя бы
для одного вида ионов, присутствующих в системе. Если коэффициенты активности слева
—> <—и справа равны (у{ = где у, — коэффициент активности z-ro компонента), получают соот¬
ношение Доннана для концентраций ионов NaCl по разные стороны мембраны:i,ccr=c\Для конкретно обсуждаемого случая это уравнение выглядит:(С1+х)х= (С2-х)2,
а изменение концентрации NaCl равно:С22
СI + 2 С2»
ГЛ. 39] ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВ651откуда следует, что низкомолекулярный электролит распределяется по обе стороны мемб¬
раны неравномерно. Данное явление названо эффектом Гиббса-Доннана.При этом, если концентрация низкомолекулярного электролита намного больше концен¬
трации полимера (С2 » Су), то л: * С2/2, т. е. малые ионы равномерно распределяются по обе
стороны мембраны. При обратном соотношении концентраций (С2 С,) изменение* = 0, а
следовательно низкомолекулярный электролит через мембрану практически не перемещается.В первом случае, таким образом, эффект Гиббса-Доннана будет проявляться в сильной
степени, а именно этот случай и типичен для биосистем. Осмотическое давление такого ра¬
створа будет складываться из осмотического давления, вызванного присутствием ВМС (он-
котическое давление), и осмотического давления низкомолекулярного соединения.Эффект Гиббса-Доннана важен для жизнедеятельности организмов, ведь биомембра¬
ны проницаемы для неорганических солей и воды и непроницаемы для биополимеров.
Этот эффект — в числе причин неравномерного распределения ионов вне и внутри клет¬
ки. Перераспределение подвижных ионов вследствие эффекта Доннана приводит к повы¬
шению осмотического давления в клетке и уменьшению его снаружи. При этом внутрикле¬
точный раствор становится гипертоническим по отношению к наружному, и тем самым
клетка поддерживается в состоянии тургора.В частности, влияние доннановского равновесия заставляет бикарбонат-ионы, образую¬
щиеся в эритроцитах, диффундировать преимущественно в плазму. В эритроцитах концен¬
трации ННЬг и ННЬ02 (они по преимуществу находятся в анионной форме, см. разд. 10.7.5)
очень высоки. Поэтому проникающие из эритроцита в плазму анионы распределяются меж¬
ду эритроцитами и плазмой неравномерно. В результате установления доннановского рав¬
новесия концентрации НС03, Cl" и ОН"-ионов в плазме оказываются выше, чем в эритро¬
цитах. Далее должно выполняться такое соотношение:[НСОзЧ [СГ], [ОН-],[нсо3- L [СГ]П [ОН-]/где индексы «э» и «п» обозначают эритроциты и плазму, соответственно.В капиллярных сосудах С02 диффундирует в эритроциты и превращается в Н2С03 (см.
разд. 19.2). Угольная кислота реагирует с HHtr с образованием бикарбонат-иона, что при-ГНСО“ 1водит к увеличению отношения концентраций - Бикарбонат-ионы диффундиру-[нсо3-]пют в плазму, а хлорид- и гидроксил-ионы проникают в клетки, поддерживая электронейт¬
ральность, пока не восстановятся приведенные выше равенства.Описанное выше явление называют бикарбонатно-хлоридным сдвигом.В легких процесс обращается. Здесь бикарбонат-ионы реагируют с ННЬ02, что приводит[НСО3-1 ^к снижению отношения -. Бикарбонат-ионы диффундируют из плазмы в эритро-[НС03 ]пциты, а СГ и ОН"-ионы двигаются в обратном направлении, пока отношения концентраций
снова не выравнятся.39.3.3. ВязкостьВязкостью или внутренним трением называют меру сопротивления среды движению.
Измерение вязкости — самый простой и доступный способ изучения свойств макромо¬
лекул. Он ценен тем, что позволяет определять молекулярную массу биополимеров (М).
652МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[Ч. VIИ. Ньютон для ламинарного (послойного) течения жидкости обнаружил зависимость:Z7 ^2^10F = ri-2—'-S,Z2-2iгде F— тангенциальная касательная сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости относитель¬
но друг друга; Г| — коэффициент динамической вязкости; ——— — градиент скорости тече-z2-ziния (быстрота изменения скорости течения v2 — v1 от слоя жидкости z2 к слою zr; 5 — площадь
слоя, по которому происходит сдвиг).Коэффициент динамической вязкости или абсолютной вязкости г\ количественно харак¬
теризует сопротивление жидкости смещению ее слоев. Измеряют г\ в пуазах, г/см-с. Величи¬
на, обратная rj, ф = 1/г), называется текучестью. Зависимость ц от действующей силы вносит
сложный характер и может быть описана лишь приближенно, а экспериментальное измере¬
ние затруднительно, поэтому удобно пользоваться относительными вязкостями растворов.
Относительная вязкость (г|о™<) выражается формулой:где Г| и г|0 — вязкости раствора и стандарта, в качестве которого обычно используют чистый
растворитель, a t и t0 — соответствующие времена истечения. Нахождение этой величины
совсем не сложно. Для этого надо сравнить время истечения чистого растворителя и раство¬
ра биополимера из специально подобранного для этой цели капилляра.Поскольку наличие молекул растворенного вещества, как правило, нарушает ламинар¬
ное течение жидкостей, приводя к возрастанию вязкости, относительная вязкость ^„обыч¬
но больше единицы. Вязкость раствора выражают несколькими величинами:1) удельная вязкость. ч\у() = г\отп-1,2) приведенная вязкость'. ч\пртед=~о'>п3) характеристическая вязкость: г\хар= Итгде С выражается в г/мл или г/100 мл.Относительная вязкость является мерой изменения вязкости раствора по сравнению с
вязкостью чистого растворителя.Удельная вязкость отражает возрастание относительной вязкости по сравнению с еди¬
ницей. Чтобы учесть влияние концентрации раствора, т.е. оценить, насколько велика удель¬
ная вязкость, отнесенная к единице концентрации растворенного вещества, г\у() делят на С.
При этом получается г\щтт). Кроме того, г\„ршт) сама зависит от концентрации, так что прихо¬
дится вводить еще одну величину — г\хар (собственную или ха¬
рактеристическую вязкость), которую получают путем экстра¬
поляции, показанной на рис. 39.3.Ни одна из обсужденных величин не имеет размерности
вязкости, так что следует соблюдать известную осторожность
при расчетах с ними.Штаудингером было предложено соотношение между мо¬
лекулярной массой и характеристической вязкостью несфери¬
ческих молекул. В модифицированном позднее виде оно вы¬
глядит так:ЧхарРис. 39.3. Приведенная
и характеристическая вязкость.
ГЛ. 39] ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВ653Л,rap = КМа>где К — постоянная, экспериментально определяемая для данных макромолекул и раство¬
рителя. Показатель степени а зависит от формы макромолекул. Для белков компактной
структуры, так называемых глобулярных белков, форма которых близка к шарообразной, по¬
казатель а составляет около 0,5. Таковым, к примеру, является миоглобин. Для молекул, на¬
ходящихся в конформации беспорядочного клубка, показатель степени возрастает до 2. При¬
мером таких белков может служить актин, белок мышечных волокон, когда он находится в
фибриллярной форме, т.е. в виде волокон.39.3.4. Набухание и застудневаниеНабухание — явление самопроизвольного проникновения растворителя в полимерное
вещество, сопровождаемое увеличением его объема и массы. Мерой набухания служит сте¬
пень набухания (аш):т-тп
а =-т0где 7720 — начальная масса полимера; т — масса после поглощения растворителя.Можно определять степень набухания и сопоставлением объемов биополимера до и пос¬
ле набухания. Тогда мера набухания выразится:_av~ V ’
уогде V() — начальный объем; V— объем после поглощения растворителя.Набухание — самопроизвольный процесс, а следовательно приращение энергии Гиббса
здесь отрицательно.Степень набухания полимера зависит от его природы и природы растворителя.Закономерности набухания определяются жесткостью полимерных цепей. Так, степень
набухания у сетчатых и лестничных полимеров с большим числом сшивок между цепями
невелика. Таковы, например, эбониты — вулканизированные резины.Желатин в холодной воде характеризуется ограниченным набуханием, однако в горячей
воде набухает неограниченно. Ограниченное набухание приводит к образованию студней
(см. ниже).Полимер лучше набухает в растворителе, который сильнее взаимодействует с его моле¬
кулами. Поэтому полярные полимеры (белки) набухают в полярных жидкостях (вода), не¬
полярные (каучуки) — в неполярных средах (бензол).На набухание ВМС/влияют также значение pH и присутствие электролитов.Влияние ионов на набухание ВМС связано с их способностью к сольватации и к дегид¬
ратации молекул ВМС. В соответствии с этим степень набухания падает под влиянием ионов
в соответствии с лиотропным рядом (ср. разд. 38.9) :Cs+ < Rb+ < К+ < Na+ < Li+< Ва2+ < Sr2+ < Са2+ < Mg2+CNS" < I- < Br~ < NO:7 < Cl" < CH3COO- < F- < SO2"Анионы, которые находятся правее в таком ряду, подавляют набухание, мешая образо¬
ванию гидратной оболочки молекул ВМС. Анионы же, находящиеся левее, гидратируются
слабее. Они ослабляют слабые взаимодействия между молекулами ВМС, а следовательно,
способствуют набуханию с последующим растворением.
654МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[4.VIТе же ионы образуют ряды с обратным влиянием на способность растворов ВМС к коа¬
гуляции (см. разд. 38.9).Набуханию благоприятствуют также адсорбционные способности ионов. Так, предвари¬
тельная адсорбция желатином иодид- и роданид-ионов приводит к легкому набуханию и да-Степень набухания белка а минимальна в изо¬
электрической точке, что может быть использова¬
но для ее определения. Если добавлять к раствору
ВМС органический растворитель, вызывающий
десольватацию молекул ВМС и тем самым — коа¬
гуляцию (см. разд. 38.9), то последняя в большей
степени идет при значениях pH, близких к изо¬
электрической точке. Это свойство также можно
применять для нахождения pi. Зависимость степе¬
ни набухания и порога коагуляции у от pi предс¬
тавлена на рис. 39.4.39.3.5. Нарушение устойчивости растворов ВМСВысаливание ВМС. Высаливание ВМС — выделение ВМС из раствора в результате де¬
сольватации мицелл при введении ионов или неэлектролитов. Лиотропные ряды по влия¬
нию ионов на набухание ВМС имеют обратную последовательность по высаливающему
эффекту. Наименьший высаливающий эффект проявляют мягкие основания-катионы, ко¬
торые слабо гидратируются и хорошо адсорбируются на молекулах полимеров.Стабильность растворов ВМС падает с уменьшением лиофильности полимера. Лио-
фильность понижается при добавлении к водному раствору ВМС растворителя, в котором
полимер хуже растворим. Например, этанол высаливает желатин из воды.Коацервация. Кроме высаливания при нарушении устойчивости раствора белка или
полисахарида в растворах с достаточно высокой концентрацией ВМС возможно образова¬
ние коацервата — новой жидкой фазы, обогащенной биополимером. Коацерват может об¬
разовать сплошной слой (расслаивание) или выделиться в виде капель.Коацервация связана с понижением взаимной растворимости компонентов раствора, что
можно вызвать изменением как температуры, так и состава раствора. Она является процессом
самоорганизации и структурирования органических веществ в водной среде в самостоятель¬
ную фазу. С образованием коацерватов связывают процесс зарождения жизни (А. И. Опарин).
В экспериментах их используют как модели клетки и ее отдельных структур.Коацервацию используют в фармацевтической практике. Лекарство измельчают в ра¬
створе полимера, а затем вызывают образование мелких капель коацервата. Для этого охлаж¬
дают или изменяют кислотность, частично испаряют растворитель или вводят высаливатель.
Капли оседают на поверхности капсулируе^ых частиц. Этот прием называют микрокапсу-
лированием. Микрокапсулирование способствует устойчивости и увеличению длительно¬
сти (пролонгации) действия лекарств.39.3.6. Свойства студнейПри ограниченном набухании ВМС или частичном испарении растворителя из раство¬
ра ВМС образуются студни (гели).лее — к растворению белка.Рис. 32.4. Влияние pH на набухание (1)
ГЛ. 39] ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ БИОПОЛИМЕРОВ655Студни — структурированные гомогенные системы, состоящие из ВМС и низкомолеку¬
лярных жидкостей. Студни упруги, нетекучи, способны сохранять форму. Это обусловлено
существованием в них пронизывающей весь объем пространственной сетки макромолекул,
соединенных в отдельных «узлах» силами межмолекулярного взаимодействия, и в ячейках
которой заключен растворитель.С одной стороны, гель можно рассматривать как коллоидный раствор ВМС, который
потерял свою текучесть, а с другой стороны — гель образуется в процессе набухания. Для
каждого полимера существует концентрация (точка гелеобразования), ниже которой ра¬
створ не переходит в гель. Большое значение для процесса гелеобразования в водных раство¬
рах белков играет pH раствора. Этот процесс протекает легче при pH, близких к изоэлект-
рической точке.При ограниченном набухании полимера гель образуется вследствие проникновения ра¬
створителя в свободное пространство между макромолекулами. Этот способ образования
гелей особенно характерен для фибриллярных белков и полисахаридов с разветвленной
структурой. Гелями в клетках являются внешние слои цитоплазмы, а в организме — мозг,
кожа, глазное яблоко и др.При старении студни теряют гомогенность. Это явление называют синерезисом. Он со¬
провождается уплотнением пространственной структурной сетки и уменьшением объема
студня за счет выделения жидкой фазы. Примеры синерезиса — свертывание крови, отделе¬
ние сыворотки, явление свертывания скисшего молока, процессы старения и др. Важным
свойством гелей является тиксотропия — способность восстанавливать свою структуру со
временем после ее механического разрушения. Этот процесс наблюдается, например, при
сотрясении мозга и восстановлении его исходных структур.Скорость диффузии ионов и молекул в студнях зависит от концентрации студня, что
проявляется в своеобразии химических реакций, имеющих место в студнях.Р. Лизеганг, исследуя образование осадка бихромата серебра действием AgN03B студне
желатина, пропитанного раствором бихромата калия, наблюдал образование чередующих¬
ся колец (называемых кольцами Лизеганга): окрашенных — содержащих бихромат серебра,
и бесцветных, не содержащих этой соли. По мере удаления от места введения реагента рас¬
тет ширина неокрашенных колец, а интенсивность окраски падает.Сущность этих явлений заключается в том, что раствор нитрата серебра диффундирует
внутрь геля, где и образует осадок при взаимодействии с К2Сг207 по уравнению:K2Cr207 + 2AgN03 -> Ag2Cr207 + 2KN03.В зону выпадения осадка диффундирует К2Сг207 из нижележащего слоя, поэтому при
дальнейшем движении AgN03 попадает в зону с недостаточной концентрацией бихромат-
иона и осадка не образуется. Ниже К2Сг207 содержится уже в достаточном количестве, и там
появляется вторая полоса оскдка.Имеется и другое объяснение происходящего: образующийся осадок движется вместе с
диффундирующим веществом в виде коллоидного раствора. Постепенно диффундирующий
электролит накапливается в среде до уровня порога коагуляции, после чего происходит ко¬
агуляция коллоидного раствора с образованием хорошо заметного слоя осадка. Затем весь
процесс повторяется.Такие реакции называют периодическими. Это явление имело место при образовании
слоистых минералов, таких, как агат и яшма. Подобным образом формируются и камни в
почках. Периодические реакции'наблюдаются и для других биологических явлений, напри¬
мер, передачи нервных импульсов и генерации биоритмов.
656МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ[4.VIТаким образом, растворы ВМС обладают набором специфических свойств, которые
позволяют рассматривать их как промежуточное звено между истинными растворами и
микрогетерогенными системами (коллоидными растворами). Эта специфика позволяет оп¬
ределять ряд важнейших параметров биополимеров — их молекулярную массу, изоэлектри-
ческую точку, коллигативные свойства, а тем самым — понимать особенности функциони¬
рования биополимеров в живых системах.Специфика свойств таких систем во многом определяется свойствами поверхности раз¬
дела между дисперсной фазой (мицеллой) и дисперсионной средой (водой и растворенны¬
ми в ней низкомолекулярными компонентами — электролитами, метаболитами и др. реаген¬
тами). Ведь биохимические реакции происходят на этой поверхности, величина свободной
энергии которой (Gs) не может не оказывать существенного воздействия на их ход. Количе¬
ство адсорбируемого и далее проникающего внутрь мицеллы биосубстрата, который мета-
болирует на активном центре фермента в составе мицеллы, возрастает с ростом его поверх¬
ностной активности и уменьшается с уменьшением величины поверхности мицеллы.Поэтому поверхность раздела играет важную роль в средах, являющихся лиофильными
коллоидными системами, а адсорбционная способность субстрата является существенным
фактором, влияющим на скорость биохимических реакций. Это находит свое выражение в
однотипной математической зависимости уравнения адсорбции по Ленгмюру (см. разд. 37.2)
и уравнения ферментативной кинетики Михаэлиса-Ментен (см. разд. 34.1).Свойства и величина поверхности раздела фаз зависят от природы молекул биологиче¬
ских ПАВ, их количества, а также от формы и размера мицелл.Между тем, два последних фактора чрезвычайно чувствительны к различным внешним
воздействиям. Эти воздействия — изменения pH, природы электролитов, растворенных в
дисперсной водной среде, температуры и др. Данные факторы зависят и от характера и типа
межмолекулярных взаимодействий между молекулами ВМС в составе мицеллы и субстра¬
том дисперсной фазы: ион-ионных, ион-дипольных, гидрофобных, водородных связей и др.
Это, в свою очередь, в случае ферментов определяется набором функциональных групп в их
активных центрах и в их окружении. Заместители должны быть так ориентированы в про¬
странстве, чтобы происходило узнавание определенного субстрата, который метаболирует
на данном ферменте.Эти же факторы зависят от того, в каком состоянии находится система — в виде истин¬
ного раствора или мицеллы гидрофильного коллоидного раствора. Между тем, лиофильные
коллоидные растворы — весьма лабильные системы. Величина активационного барьера пе¬
рехода истинный раствор — коллоидный раствор не превосходит нескольких кДж/моль, что
меньше, чем большинство перечисленных выше разновидностей межмолекулярных взаимо¬
действий. Следовательно, даже при наличии слабых воздействий может осуществляться
легкий переход системы из одного состояния в другое, что должно принципиально сказы¬
ваться на скорости и характере тех или ины^х метаболических процессов.
ЧАСТЬ VllМЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ...прибавленные к углеродистым соедине¬
ниям минеральные вещества понижают
температуру реагирования и вообще
облегчают химические реакции... и тем
содействуют превращению простейших
питательных веществ в сложные состав¬
ные части... организма.Д. И. МенделеевВ живых организмах обнаружено свыше 60 элементов Периодической системы. Большая
часть из них относится к металлам и в клетках встречается в виде разнообразных комплек¬
сных соединений с биолигандами. Установлено, что даже те металлы, содержание которых
невелико (так называемые микроэлементы), не являются случайными примесями, а выпол¬
няют определенную биологическую роль.Известно множество патологических нарушений, связанных с недостаточностью в клетке
железа, меди, цинка, марганца, молибдена, кобальта, не говоря уже о более распространен¬
ных в живых тканях катионах кальция, магния, натрия и калия (последние четыре элемен¬
та составляют около 99% от общего содержания биометаллов).Исследования биологических процессов, в которых участвуют ионы различных метал¬
лов, представляют сравнительно новую, быстро развивающуюся область науки, называемую
бионеорганической химией.Находясь на стыке двух наук — биохимии и неорганической химии, бионеорганическая
химия использует методы исследования, заимствованные, с одной стороны, из арсенала эн-
зимологии, а с другой, — из химии координационных соединений. Другими словами, био-
неорганическую химию можно определить как приложение принципов координационной
химии металлов к биологическим проблемам.В живых организмах большинство катионов металлов связано с белками, и именно в изу¬
чении металлзависимых ферментов (комплекс металл-белок) в последнее время достигнут
наибольший прогресс.
Глава 40.
s-METAJIJIbl40.1. Общие сведенияХимия s-элементов определяется их стремлением принять электронную конфигура¬
цию инертного газа с образованием ионов М+ и М2+. Вследствие этого она является в ос¬
новном «ионной» химией. Исключение составляют лишь бериллий и литий, небольшой
радиус ионов которых (табл. 40.1) делает их слабо поляризующимися, поэтому связи ли¬
тия, и особенно бериллия, имеют ковалентный характер. Сами эти металлы не представ¬
ляют особого биологического интереса, отметим лишь, что литий во многих отношениях
сходен с магнием (диагональное сходство). Соли лития применяются при терапии мани¬
акальной депрессии. Механизм действия солей лития неизвестен, но способность катио¬
на лития легко проникать через все мембраны позволяет предполагать конкуренцию меж¬
ду Li+ и Mg2+ за центры связывания Mg2+.Величины ионных радиусов и зарядов играют большую роль, т.к. именно они определяют
поведение катионов I и II групп в растворах — теплоту гидратации, радиус гидратированного
иона и число молекул воды, входящих в гидратную оболочку (число гидратации). По-види-
мому, этим и объясняется тот факт, что основными биометаллами являются натрий и маг¬
ний, калий и кальций, в то время, как литий, бериллий, стронций ^барий — токсичны. Ра¬
диусы двух последних (1,10 и 1,29 А) превосходят радиусы катионов магния и кальция.Благодаря устойчивости электронной структуры и низкой плотности положительного
заряда на поверхности катионов Na+ и К+ их свободные атомные орбитали внешнего уров¬
ня не могут эффективно взаимодействовать с неподеленными парами электронов ближай¬
ших молекул воды, из-за чего они удерживаются в гидратной оболочке катиона только элек¬
тростатически. Поэтому катионы натрия и калия не подвергаются гидролизу в водной среде
и практически не проявляют склонность к комплексообразованию.Концентрации неорганических ионов внутри и вне клетки находятся в динамическом
равновесии. От внешней среды клетка отделена мембраной, через которую в одном направ¬
лении проходят питательные вещества, а в другом — продукты жизнедеятельности. Изби¬
рательность мембраны очень велика и распределение ионов внутри и снаружи клетки невоз¬
можно сводить только к диффузии. Так, внутри клетки содержится большое количество К+,
ГЛ. 40]s-МЕТАЛЛЫ
Сведения о гидратированных ионах некоторых s-элементов659Таблица 40.1ИонИонный
радиус, ААН°гидратации,
к Д ж/мольРадиус
гидратированного
иона,АЧисло гидратации
(среднее)Li*0,60-5193,4025,3Na+0,95-4062,7616,6Г1,33-3222,3210,5Be2*0,31-25124,0813,5Mg2*0,65-19363,4612,0Са2*0,98-15953,0910,0но относительно мало Na+, концентрации Mg2+n фосфат-иона внутри выше, чем снаружи.
Для ионов Na+, Са2+ и Сосуществует обратное соотношение (см. рис. 2.19, гл. 2).Чтобы поддерживать необходимую для осуществления многих биохимических процес¬
сов повышенную концентрацию К+ внутри клетки, необходимо постоянно транспортировать
его из внеклеточной жидкости во внутриклеточную, т.е. против градиента концентрации.
Однако такой процесс должен сопровождаться понижением энтропии (AS < 0), термодина¬
мически не выгоден (AG > 0) и не может идти самопроизвольно. Объяснение состоит в том,
что активный транспорт ионов сопряжен с гидролизом АТФ и суммарное изменение свобод¬
ной энергии оказывается меньше нуля. Стационарное состояние достигается при равенстве
потоков ионов К+ внутрь клетки (активный транспорт) и из клетки за счет диффузии. Об¬
ратное явление наблюдается при транспорте ионов Na+.Существование калиево-натриевого градиента концентраций имеет важные физиологи¬
ческие последствия. Разница концентраций приводит к возникновению мембранного потен¬
циала, величина которого около 80 мВ. Благодаря ему нервные волокна способны пере¬
давать импульсы, а мышцы — сокращаться. Нарушение ионного баланса может иметь
трагические последствия. Так, например, увеличение концентрации К+ в межклеточном
пространстве в два раза ведет к сбою сердечного ритма и смерти, хотя это количество К+ ниже
нормального содержания внутри клетки.Катионы натрия являются основными однозарядными катионами плазмы крови, лимфы
спинномозговой жидкости. Их роль состоит в поддержании определенного осмотического
давления, удержании воды тканями (15 г NaCl задерживают в организме до двух литров жид¬
кости) и в регуляции водного обмена. Совместно с анионами НС03", НРО2', Н2Р04 и аниона¬
ми органических кислот катионы натрия способствуют кислотно-основному равновесию в
органах. Вместе с ионами калия, кальция, магния и хлора ионы натрия участвуют в процессе
передачи нервных импульсов и поддерживают нормальную возбудимость мышечных клеток.Высокая внутриклеточная концентрация ионов К+ прежде всего обеспечивает осмотическое
давление внутри клетки, активацию ферментативных систем для синтеза белка на рибосомах и
окисление углеводов (гликолиз). В эритроцитах ионы К+ участвуют в работе гемоглобиновой
и оксигемоглобиновой буферных систем, а также активируют фермент карбоангидразу, катали¬
зирующую процессы гидратации и дегидратации оксида углерода(1У).Ионы Na+ и К+ активируют аденозинтрифосфатазу (АТФ-аза) клеточных мембран, обес¬
печивающую энергией калий-натриевый насос. Активация других ферментов за счет ионов
Na+ и К+ в основном заключается в поддержании фермента в функционально активном со-
660МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIстоянии. Эти ионы оказывают существенное влияние на деятельность центральной нервной
системы (ЦНС). Так, избыток ионов Na+ в клетках коры головного мозга вызывает депрес¬
сию, т.е. угнетение деятельности ЦНС. Избыток катионов К+ в этих клетках, наоборот, воз¬
буждает ЦНС, вызывая маниакальное состояние.В гидратной оболочке катиона магния молекулы воды удерживаются значительно силь¬
нее, чем в гидратной оболочке катиона кальция. Это указывает на большую способность ка¬
тиона магния образовывать ковалентные связи по сравнению с катионом кальция. В связи с
этим катионы магния, в отличие от катионов кальция, провляют способность к гидролизу:Mg2+ + Н20 *=* Mg(OH)+ + Н+Основная масса катионов магния, находящегося вне костей, сосредоточена внутри кле¬
ток. Ионы магния играют важную роль в поддержании осмотического давления внутри кле¬
ток. Основная масса магния в крови содержится в ионизованной форме, т.е. в виде акваиона
(55-60%), приблизительно 30% связано с белками, а 10-15% входит в состав комплексных сое¬
динений с фосфолипидами и нуклеотидами. Катионы магния за счет комплексообразования
являются одним из основных активаторов ферментативных процессов.Катионы кальция преимущественно сосредоточены в межклеточных жидкостях. Концен¬
трация кальция в основном контролируется двумя гормонами: кальцитонином и паратиро-
идным гормоном, а также витамином Д. Основным минеральным компонентом костной
ткани является гидроксофосфат кальция Са5(Р04)30Н (гидроксоапатит). Костная ткань
обеспечивает поддержание концентрации ионов Са+2 в биологических жидкостях на опре¬
деленном уровне, поэтому ее можно рассматривать как кальциевый буфер организма. Каль-
цитонин ингибирует высвобождение ионов кальция, а паратироидный гормон способству¬
ет их извлечению из костей. Совместное действие гормонов сохраняет и поддерживает
структуру костей. Накопление кальция в нетипичных участках приводит к образованию
камней, полиартриту, остеохондрозу, катарактам и артериальным нарушениям.Ионы кальция участвуют в передаче нервного импульса, сокращении мышц, регуляции
сердечного ритма, а также в процессе свертывания крови, активируя превращение протром¬
бина в тромбин и ускоряя превращение фибриногена в фибрин, что способствует агрегации
тромбоцитов. Катионы кальция понижают возбудимость ЦНС, поэтому уменьшение их со¬
держания в организме проявляется в судорогах. Ионы кальция влияют на кислотно-основ¬
ной баланс организма, действие эндокринных желез, а также обладают противовоспалитель¬
ным и антиаллергическим действием. Они являются биологическими антагонистами ионов
натрия, калия и магния.40.2. Комплексы катионов s-металловУдивительна способность некоторых биолигандов селективно связывать Na+ или К+,
Mg2+ или Са2+. Многие из них «различают» катионы непосредственно по их размерам, пре¬
доставляя «дырку» или полость определенного размера, подходящую для одного катиона в
большей степени, чем для другого. Для одинаковых по радиусам катионов I и II групп при¬
чиной селективного связывания в комплекс является различие в зарядах, обусловливающих
поляризацию и гидратацию. Лиганды с гидрофобной внешней частью высоко селективны
по отношению к однозарядным катионам, и наоборот, отрицательно заряженные лиганды го¬
раздо более избирательно связывают двухзарядные катионы.В последние годы большой интерес привлекли к себе некоторые группы макроцикличес-
ких лигандов, способность которых к селективному связыванию катионов очень велика. Это
ГЛ. 40]s-МЕТАЛЛЫ661циклические эфиры, криптанды и некоторые природные ионофоры (вещества, которые
обладают свойством селективно связывать ионы металлов и осуществлять их перенос через
мембраны), чаще всего антибиотики нескольких типов структур и их синтетические аналоги.ГЛ
.о о.ооОС да\ /дибензо-12-краун-4ОО.О ОО,о.18-краун-6 дицикл огексил-18-краун-6Циклические эфиры, или краун-эфиры (crown — корона по английски), содержат от 3
до 12 атомов кислорода и образуют стабильные комплексы с рядом катионов, обычно в со¬
отношении 1:1.Эти циклические эфирные комплексы имеют две стороны — гидрофильную внутреннюю
и гидрофобную наружную, что позволяет им растворяться в неводных растворителях.Константы нестойкости комплексов с участием краун-эфиров значительно изменяются
от катиона к катиону, что определяется относительными размерами катиона и полости кра-
ун-эфира. Для катионов щелочных металлов существует простая зависимость между ион¬
ным радиусом и числом атомов кислорода в краун-эфире, а именно: Li+ (4), Na+ (5), К+ (6) и
Cs+(8).На рис. 40.1 представлено пространствен¬
ное строение комплексов катиона натрия с
краун-эфиром 15-краун-5 и калия с краун-
эфиром 18-краун-6.Следует различать селективность краун-
эфира по катиону и прочность связывания с
ним. Так, например, наиболее селективным
по отношению к Na+ по сравнению с другими
катионами является дициклогексил-16-кра-
ун-5, в то же время другие краун-5-эфиры
связывают Na+ более прочно.Во время комплексообразования проис¬
ходит постепенное замещение гидратной оболочки катиона кислородными атомами краун-
эфира, которому предшествуют конформационные изменения в лиганде. Хелатный эффект
(замена двух частиц семью) способствует образованию устойчивого комплекса:аРис. 40.1. Комплексы катион натрия — 15-краун-5 (а),
катион калия — 18-краун-6 (б).Н'н.Р IVH р-° о."Н
,0-Нн<\г>г л
°0°С®^°V>Очевидно, что взаимодействия лиганд-катион будут чувствительны к природе раствори¬
теля. Гидрофобность наружной стороны краун-эфира позволяет его комплексам растворять-
662МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIс я в гидрофобных растворителях. Так, например, КМпО^ может быть растворен в бензоле
при добавлении подходящего краун-эфира, что используется при количественном окисле¬
нии ряда органических соединений.Некоторые из больших краун-эфиров могут связывать сразу
по два катиона.Криптанды — это макробициклические лиганды, которые
связывают катионы еще более специфично, чем краун-эфиры. В
название криптанда входит обозначение числа атомов кислоро-
) yv уч q / да в каждой из трех цепей, связывающих головные мостиковыеО атомы азота. Размер полости криптанда задается по трем направ-2 2 3-криптанд лениям, а не в плоскости, как это было в случае краун-эфира. Этообусловливает тот факт, что комплекс К+ с 2,2,3-криптандом в Ю'1
раз стабильнее комплекса К+ с ионофорным антибиотиком валиномицином ив 105 раз — с
аналогичным краун-эфиром. При добавлении 2,2,3-криптанда КМп04 растворяется в бен¬
золе, а сульфат бария в воде (вплоть до 50 г/л).Ионофорные антибиотики встречаются в природе и оказывают существенное влияние
на проницаемость мембран для катионов. Ионофоры делятся на два класса. Один представ¬
ляет каналообразующие ионофоры, которые способны раздвигать мембрану, образуя канал
для прохода катиона. Второй — ионофоры-переносчики, которые образуют комплекс с ка¬
тионом, проникающим затем через мембрану. В качестве примера макроциклических анти¬
биотиков можно привести нонактин и мопактип (рис. 40.2).нонактин (R = Н)
монактин (R = СН3)Рис. 40.2. Нонактин и монактин.Наиболее прочно с молекулой нонактина связывается К+. Лиганд закручивается вокруг
катиона, координируясь восемью кислородными атомами (четыре карбонильных группы и
четыре атома кислорода фурановых циклов).В безводных условиях нонактин связывает К+, Na+H Cs+примерно одинаково, в водных
растворах устойчивость комплексов соответственно равна для К+: Na+: Cs+=2 104: 210 :400.Еще один пример макроциклического антибиотика, обладающего свойствами ионофо-
ра — молекула полипептида валиномицина (рис. 40.3).Координация катиона калия с ним осуществляется за счет шести сложноэфирных групп,
обращенных, как это и изображено, внутрь цикла.Внутриклеточное и внеклеточное пространство разделено клеточной мембраной, липид¬
ная структура которой обеспечивает гидрофобный барьер на пути прямого проникновения
гидратированных катионов щелочных и щелочноземельных металлов. Это — причина поддер-
ГЛ. 40]s-МЕТАЛЛЫ663к*4— К+Рис. 40.3. Вшшномицип.жания постоянного мембранного потенциала. Ионофоры, перенося катионы калия через мем¬
брану, как это показано на рис. 40.4 на примере валиномицина, уменьшают мембранный по¬
тенциал и тем самым осуществляют разобщение жизненно необходимых процессов клеточ¬
ного дыхания. В результате валиномицин и обладает свойствами антибиотика.Постоянство концентраций ионов щелочных и
щелочноземельных металлов внутри и вне клетки
обусловлено специальным механизмом транспор¬
та через мембрану. Перенос катионов осуществля¬
ется двумя способами:1) активным транспортом против градиента кон¬
центраций, за счет энергии гидролиза АТФ;2) диффузией по градиенту концентраций, ко¬
торая зависит от наличия ионофоров.Гидролиз АТФ происходит в присутствии фер¬
мента — аденозинтрифосфатазы, которому для вы¬
полнения своей функции необходимы катионы К+,Na+ и Mg2+. Этот же фермент выполняет и транс¬
портные функции при переносе катионов через мембрану. Он имеет димерную структуру,
состоящую из двух пар больших и маленьких полипептидных цепей. Конформационные из¬
менения, происходящие в ферменте, приводят к тому, что катионы принимаются по одну
сторону мембраны, а освобождаются — по другую, а именно: Na+ выводится из клетки, а К+
транспортируется внутрь. Таким образом, одновременно с гидролизом АТФ идет перемеще¬
ние катионов.В настоящее время практически для всех металлов Периодической системы известны
прочные гидрофобные комплексы, которые обладают способностью просачиваться сквозь
мембрану. В их числе имеется множество молекул, осуществляющих транспорт катионов
щелочных и щелочноземельных металлов в нужном направлении через клеточную мембра¬
ну. Среди них — полипептиды и полисахариды самого различного строения. Типичным при¬валиношцинРис. 40.4. Транспорт катиона калия через
биомембрану с участием валиномицина.
664МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIмером такой молекулы может служить монензин (рис. 40.5), осуществляющий транспорт ка¬
тионов натрия. Хотя монензин не имеет циклического строения, однако расположение пяти
атомов кислорода обеспечивает его успешную функцию избирательного связывания именно
катиона натрия.бРис. 40.5. Два способа миграции ионов через мембрану: а) с помощью ионофора, б) через иоиофорный канал.Другой способ переноса ионов сквозь мембрану — существование специальных ионофор¬
ных каналов, которые пронизывают клеточную мембрану. Катионы калия и натрия, сбли¬
зившись со стенкой клетки, попадают в полость ионофорного канала и далее перемещают¬
ся по ионофорной «трубке», как по рельсам.Существуют специфические ионофорные каналы, предназначенные для избирательно¬
го переноса катионов натрия, калия, кальция, магния и т.д.40.3. ХлорофиллОсобого внимания заслуживают катионы магния. Они играют исключительную роль
в поддержании жизни на Земле. Катионы магния входят в состав биокомплекса хлорофил¬
ла, который является звеном между энергией Солнца и жизнью на Земле. Молекула хло¬
рофилла играет ключевую роль в процессе фотосинтеза, который является самой масштаб¬
ной химической реакцией на Земле. Хотя утилизируется не более 1% световой энергии,
падающей на лист растения, продукция органического вещества фотосинтеза (1011 тонн в
год) в сотни раз превосходит продукцию всего нефтехимического производства, а запаса¬
емая в результате энергия во столько же раз превышает энергию сжигаемого человече¬
ством топлива.Молекула хлорофилла напоминает гем с той разницей, что заместители в кольце не¬
сколько различаютсяг причем в числе этих заместителей — радикал фитил, остаток высо¬
комолекулярного спирта стероидного ряда фитола. Другое отличие состоит в том, что в со¬
став хлорофилла входит еще одно конденсированное циклопентановое кольцо.Хлорофилл представляет собой лишь часть сложной биохимической машины по преоб¬
разованию солнечной энергии в процесс фотосинтеза.Его роль вкратце можно свести к тому, что его молекула размещается между молеку¬
лами — донорами и акцепторами электронов. Свет возбуждает хлорофилл, переводя его
электроны на более высокие энергетические уровни. Один из возбужденных электронов
хлорофилла передается молекуле-акцептору электрона, а хлорофилл синхронно возвра-
ГЛ. 40]s-МЕТАЛЛЫ665>-щает себе электрон от молеку-
лы-донора электрона. Такие
процессы происходят очень
быстро: за секунду их проис¬
ходит около 1500.Между донором и акцеп- О.тором электронов тем самым
возникает поток электронов — фитил—О
круговой ток, который, со¬
вершая свой путь, выполняет
работу, часть которой расхо¬
дуется на биосинтез АТФ и
коферментов.Итак, катионы щелочных
и щелочноземельных метал¬
лов выполняют ряд важных биохимических функций. В полной мере оценить роль ка¬
тионов щелочных и щелочноземельных металлов в процессах жизнедеятельности орга¬
низма не представляется возможным.
Глава 41.^/-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ41.1. Общие сведенияКак известно, ферменты, благодаря их особой трехмерной структуре, могут работать как
высокоспецифические катализаторы с огромным каталитическим эффектом. Они увеличи¬
вают константы скорости биопроцессов по сравнению с модельными более чем в 1012 раз.
Обычно фермент — это комплекс иона металла с белком.Ионы металлов в ферментах выполняют ряд каталитических и структурных функций. О
структурной роли ионов металлов в биологических системах свидетельствует существова¬
ние ферментов, в которых ионы металла непосредственно не участвуют в каталитическом
акте, но являются необходимыми для выполнения этими ферментами их функции. Таким
образом, ионы металлов в ферментах можно разделить на два класса — «химические» и «струк¬
турные» металлы.«Химические» металлы принимают непосредственное участие в реакции, как, например,
ион железа в цитохромах или гемоглобине. «Структурные» металлы стабилизируют про¬
странственную форму фермента, необходимую для выполнения его функции, как, например,
кальций в термолизине (см. табл. 41.1).Другая классификация металлоферментов основана на прочности связи между ионом
металла и макромолекулой белка. Все системы металл-белок можно условно разделить на
две группы:— металлопротеины, в которых ион металла настолько прочно связан с молекулой бел¬
ка, что его можно рассматривать как составную часть белковой структуры. Извлечь такой
ион металла можно лишь сильным химическим воздействием, причем тогда металлопроте¬
ины теряют свою активность. Потеря активности происходит также при замене исходного
металла на другой; <— белки, активируемые металлами. В эту группу входят те соединения, в которых ион
металла связан с белком обратимо. Связь металл-белок в таких системах гораздо слабее, чем
в системах первого типа, однако именно она определяет механизм реакций, идущих с их
участием.
ГЛ. 41] d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 667Таблица 41.1Ионы металлов в металлофермептахМеталлБелокИсточникФункцииFeГемэритринГемоглобинМиоглобинКлетки крови
морских червей
Эритроциты
млекопитающих
Мышцы
млекопитающихЗапасание и (или)
перенос кислородаЦитохромТкани животных
и растенийПеренос электрона при дыхании
митохондрийКатал азаПечень,эритроцитыДиспропорционирование Н202
до Н20 и 02МоНитрогеназаAzotobacterФиксация азотаMo, FeКсантин-оксидазаМолокоМетаболизм пуриновых оснований
в мочевую кислотуFe, СиЦитохром-
оксид азаТканиживотныхПеренос электрона при
восстановлении кислородаСиГемоцианинКровь моллюсковПеренос кислородаКарбокси-пептидазаПоджелудочнаяжелезаГидролиз белковZnАлкоголь-дегидрогеназаПеченьМетаболизм и
окисление спиртовИнсулин(3-Клетки
поджелудочной железыМетаболизм глюкозыКарбоангидразаКрасные кровяные
тельцаДегидратация бикарбонат-иона,
гидратация С02ТермолизинВ. thermopro-teolyticusZn — гидролиз белков,
Са — термостойкостьZn, Саа-АмилазаСлюнаZn — связь в димерной
макромолекуле фермента,
Са — гидролиз углеводовМпПируват-карбоксилазаПеченьОбразование
пировиноградой кислотыСоМетионин-синтетазаМикроорганизмыБиосинтез метионина,
перенос метильной группыВ табл. 41.1 приведены некоторые биометаллы, выполняющие важные биохимические
функции. Видно, что в природе с белками связано относительно небольшое число металлов.
Если с приведенными в таблице рассматривать также ферменты, активируемые металлами,
то к этому списку элементов следует добавить лишь калий, натрий и магний.
668МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIПринято считать, что ионы металлов в металлопротеинах несут двойную функцию. Пер¬
вая из них — матричный (или ориентационный) эффект, вторая — концентрирование био¬
субстрата на участке протекания реакции.Биологическая роль иона металла характеризуется высокой специфичностью, однако в
зависимости от типа белка один и тот же ион осуществляет разные функции. Из этого можно
сделать естественный вывод о том, что биологическая специфичность функции металла
имеет, по-видимому, стереохимическую природу, т.е. пространственное строение фермента
(третичная структура) определяет его активность.Кроме белков к биолигандам следует также отнести молекулы воды, кислорода, азота,
порфирина, коррина и нуклеиновых кислот, цианид- и фторид-ионы.Взяв за основу атом металла, имеющийся в соединении, коротко рассмотрим строение и
функции некоторых биокомплексов.41.2. Железосодержащие комплексыПредставители этого класса биокомплексов ответственны за транспорт и хранение кис¬
лорода (гемоглобин и миоглобин), электронный перенос в цитохромах, катализ окисления
кислородом и пероксидом водорода (оксидазы и пероксидазы), катализ разложения перок¬
сида водорода (каталазы). Широкий спектр функций, который могут выполнять железосо¬
держащие комплексы, еще раз подчеркивает, насколько влияние белка может разнообразить
свойства явно близких по строению соединений.Интересно, что во всех указанных ферментах атом железа в степени окисления +2 нахо¬
дится в центре почти плоской порфириновой системы, образуя гем. Порфирины — высо¬
косопряженные молекулы, содержащие четыре пиррольных кольца и удовлетворяющие
условию ароматичности (см. правило Хюккеля, разд. 20.1.6). Все восемь внешних атомов
углерода пиррольных колец являются замещенными. Заместители в порфириновом коль¬
це оказывают большое влияние на свойства порфириновой системы.В молекуле порфирина два протона, связанные с атомами азота, могут быть легко заме¬
нены на атом металла. Еще две связи двух оставшихся атомов азота с атомом железа обра¬
зуются по донорно-акцепторному механизму. Пример гема с типичным набором заместите¬
лей приведен на рис. 41.1.Рис. 41.1. Гем: а — формула, б — шаростержиевая модель.
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ669Гемопротеины образуют октаэдрические комп¬
лексы (координационное число 6). В них пятое по¬
ложение в координационной сфере занято атомом
азота аминокислоты гистидина из полипептидной
цепи (глобина). Шестое положение в гемоглобине и
миоглобине занято молекулой воды или иным про¬
стым нейтральным биолигандом. Гем, полипептид-
ная цепь и шестой лиганд образуют так называемую
субъединицу. Субъединица гемоглобина, коорди¬
нированная с молекулой кислорода как с шестым
линандом, представлена на рис. 41.2. Важные физи¬
ологические и химические свойства гемопротеинов
связаны с быстрым и обратимым присоединением
соответствующих лигандов по шестому координаци¬
онному месту.41.2.1. Гемоглобин и миоглобинГемоглобин — это белок с молекулярной массой 64 450. Он состоит из двух идентичных
пар субъединиц, расположенных приблизительно в форме тетраэдра. Миоглобин является
более простой молекулой с молекулярной массой 17 500, напоминающей мономерную еди¬
ницу гемоглобина.Гемоглобин выполняет две биологические функции:1. Он связывает молекулы кислорода своими атомами железа и переносит из легких к
мышцам, где кислород передается молекулам миоглобина.2. Далее с помощью концевых аминогрупп связывает несколько метаболических моле¬
кул углекислого газа и переносит их в легкие.Интересно сравнить сродство к кислороду гемоглобина (ННЬ) и миоглобина (Mb). Для
миоглобина имеется простое равновесие:Mb + 02 <=> МЬ02.Константа равновесия имеет вид:к [MbOJ
[Mb][OJ ■Введем величину/— степень насыщения (доля молекул Mb, связанных с 02):[МЬ02]J К [02] •[MbOJИз константы равновесия следует, что [Mb] = и, поэтому,К[02]Рис. 41.2. Субъединица гемоглобина,
координированного с молекулой кислорода.[02] _ /до,]
7 [OJ4 1+ВД
670МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIТак как активная концентрация газообразного кислорода равна его равновесному пар¬
циальному давлению (р), тоКр
1 + Кр'Это — уравнение гиперболы, которое превосходно описывает связывание кислорода
миоглобином (рис. 41.3).Гемоглобин с его четырьмя субъединицами ведет себя значительно сложнее, что прибли¬
зительно можно описать уравнением Хилла:/=:Крппарциальное давление
в мышцах в легких
Насыщение, % Т Г100 Г1 + К-рпгде п называется константой Хилла, и в нормальных физиологических условиях (зависит
от pH) составляет примерно 2.8.Кривая насыщения кислородом гемоглобина имеет S-образную форму, а тот факт, что
константа Хилла больше единицы, с химической точки зрения означает следующее: присо¬
единение первой молекулы кислорода к одному из четырех гемов увеличивает константу
связывания для следующей молекулы кислорода, что, в свою очередь, приводит к повыше¬
нию константы для следующей и т.д. Это явление называется кооперативным эффектом
и обусловлено, очевидно, конформационными изменениями гемоглобина при последова¬
тельном присоединении молекул кислорода.Анализ кривых насыщения, представленных
на рис. 41.3, показывает, что если при высоких
давлениях кислорода гемоглобин связывает его
так же хорошо, как и миоглобин, то при низких
давлениях сродство гемоглобина к кислороду
существенно меньше. Поэтому гемоглобин пе¬
редает кислород миоглобину в мышцах. Более
того, метаболическая С02 в мышечной ткани
уменьшает величину pH, что еще больше увели¬
чивает способность гемоглобина отдавать кис¬
лород (эффект Бора, зависимость от pH, пра¬
вая кривая на рис. 41.3).Механизм кооперативного связывания кислорода и эффекта Бора сложен и до конца не
установлен.Следует указать на важную роль белковой части молекулы. Достаточно сказать, что гем,
содержащий Fe(II) и не связанный с полипептидной цепью, не способен обратимо связы¬
ваться с кислородом и вместо этого окисляется до Ре(Ш)-содержащего комплекса, который
уже не взаимодействует с кислородом. Некоторые вещества, например, нитриты, нитросо¬
единения, способствуют переходу Fe(II) —> Fe(III) в гемоглобине, который при этом теря¬
ет способность к переносу кислорода (метгемоглобин).Помимо воды и кислорода, шестое координационное место в гемоглобине и миоглоби-
не могут занимать и другие лиганды, например, молекула СО (карбокси-формы), цианид-
ион. Высокая токсичность оксида углерода(И) обусловлена тем, что он связан с атомом
железа гемоглобина прочнее, чем молекула кислорода. Это объясняется повышением сте¬
пени двоесвязанности между железом и лигандом за счет дативной связи (порфириновый
цикл показан схематично в виде четырех атомов азота):Mbу/мнъ//рН=7.6/Уннь.✓рН=6.840100160Парциальное давление кислорода, мм рт. ст.Рис. 41.3. Кривые зависимости связывания кисло¬
рода для миоглобипа (Mb) и гемоглобина (ННЬ).
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ671N NHHb + 02<d>HHb02(Vt)оксигемоглобинHHb + СО <=> ННЬСО (V2)карбоксигемоглобинТак как К™2 ~ 35001С£°, aV2- 250 V1t то вдыхание воздуха, содержащего угарный газ, при¬
водит к его накоплению в крови. Так, при содержании последнего в количестве 0,07% поло¬
вина имеющегося гемоглобина переходит в карбокси-форму ([ННЬ02] крови = [ННЬСО]
крови). Другими словами, равновесиетерапии при отравлении угарным газом: вдыхание чистого кислорода (смещение равнове¬
сия влево) и внутривенные инъекции сахарата двухвалентного железа* (конкурентное свя¬
зывание молекул СО).41.2.2. ЦитохромыЦитохромами называются гемсодержащие белки, принцип действия которых состоит в
переносе электронов в результате обратимого изменения степени окисления атома железа
в геме. Цитохромы — широко распространенная группа внутриклеточных окислительно¬
восстановительных катализаторов. Все клетки содержат по крайней мере три близких по
строению белка, названных цитохромами а, Ь, и с.Наиболее изучены цитохромы с, у которых гем связан с белком через боковую цепь пор¬
фирита. Все цитохромы с млекопитающих содержат одну группу гема и полипептидную
цепь. Гем является железным комплексом порфирина, а пятое и шестое координационные
места заняты гистидиновым и метиониновым остатками полипептидной цепи (порфирино-
вый цикл показан схематично в виде четырех атомов азота):Прочная связь катиона железа с серой метионина предотвращает связывание кислоро¬
да гемом. Цитохром с из сердца лошади с молекулярной массой около 12 400 содержит в
белковой цепи 104 аминокислотных остатка. Пептидная цепь цитохрома с так «обмотана»
вокруг гема, что образуется гемовая полость (карман). Гем окружен гидрофобными боковы¬
ми цепями, в то время как полярные боковые цепи находятся снаружи молекулы. Особен-ННЬ02 + СО <=> ННЬСО + 02
г/. [ННЬСО][Р2]бело** Соль глюкаровой кислоты.
672МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIностью строения цитохрома с является наличие «двух каналов», которые ведут с поверхно¬
сти молекулы внутрь, к гемогруппе и пространственно приспособлены для входа и выхода
электронов.Перенос электрона цитохромом с сопровождается изменением степени окисления
железа:белок-Fe2* + |02 - е <=± белок-Ее3+ + ?022
и далее ^022 + 2Н+ —» Н20.Интересно, что при переходах железа между состояниями Fe(II) и Fe(III) не наблюда¬
ется каких-либо конформационных изменений в биокомплексе, что исключает изменение
характеристик связи металл-лиганд в ходе реакции.Было замечено, что при отравлениях цианидами венозная кровь приобретает алый цвет,
т.е. цвет артериальной крови, насыщенной кислородом. Значит, под влиянием цианид-иона
организм теряет способность усваивать кислород. Механизм токсического действия в дан¬
ном случае объясняется образованием прочного комплекса иона CN' с Fe3+ в окисленной
форме цитохрома. Модификация фермента делает его неактивным, становится невозмож¬
ным перенос электрона на кислород, нарушается процесс клеточного дыхания, и быстро
формируется патологическое состояние тканевой гипоксии.Интересно, что одним из методов антидотной терапии является применение метгемог-
лобинобразователей (нитритов, нитросоединений). Последние переводят часть гемоглобина
крови в метгемоглобин, который конкурирует с цитохромом за цианид-ион.N0;HHb(Fe2+) > MtHHb(Fe3+)белок(Ре3+)СЫ + MtHHb(Fe3+) <=> MtHHb(Fe3+)CN + белок(Ре3+)
ингибированный активныйцитохром цитохромТаким образом, искусственно создавая кровяную гипоксию, борются с тканевой гипок¬
сией. Это уникальный случай, когда ядовитые нитриты выступают как противоядие.В последние годы интенсивно изучается группа так называемых цитохромов Р-450. Это
железогемсодержащие белки с молекулярной массой 45 000-55 ООО, выделенные из печени
человека и животных. Кроме того, они входят в состав клеток многих бактерий, дрожжей,
грибов и некоторых высших растений. Специфической особенностью этой группы фермен¬
тов является активация молекулярного кислорода и включение одного из его атомов в орга¬
нические соединения. Это чрезвычайно важный процесс, который определяет не только
биосинтез и метаболизм гормонов, но и инактивирует чужеродные химические агенты (ксе¬
нобиотики).41.2.3. Каталаза и пероксидазаПероксид водорода и супероксид-анион-радикал 02 • — химически активные и токсич¬
ные вещества, которые могут образовыватьсяпри окислении многих органических соедине¬
ний в водной среде in vivo. Образование атмосферы, содержащей кислород, и развитие орга¬
низмов с аэробным типом обмена потребовало возникновения ферментов, которые могли бы
возможно эффективнее удалять пероксид водорода и 02 *.
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ673Возможны два пути удаления пероксида водорода, а именно: реакции диспропорциони-
рования 2Н202 —»2Н20 + 02 и восстановления Н202 + red —> 2Н20, причем восстановителем
может быть чисто органическое соединение, иодид-ионы и пр.Существует несколько типов ферментов, которые преимущественно катализируют или
диспропорционирование (каталазы), или восстановление (пероксидазы). Они широко рас¬
пространены в животных и растительных микроорганизмах. Точная физиологическая роль
их не установлена, и кроме удаления пероксида водорода, они выполняют, по-видимому, и
какую-то другую, дополнительную функцию.Пероксидаза представлена одной субъединицей с молекулярной массой около 40 ООО.
Кроме белка и гем-группы с атомом Fe(III) в состав пероксидазы входит также углевод,
который, вероятно, представляет собой уроновую кислоту.Шестое координационное место могут занимать различные лиганды: Н20, CN" и т.д. По-
видимому, обмен лигандов в этом шестом положении имеет существенное значение для фун¬
кционирования пероксидазы.Каталаза имеет молекулярную массу около 240 ООО и сформирована из четырех одина¬
ковых субъединиц, каждая из которых содержит один гем с железом(Ш) в качестве цент¬
рального атома.Пятым лигандом является аминокислотный остаток полипептидной цепи, а шестым —
вода.41.2.4. Негемовые железосодержащие белкиГемэритрин был обнаружен в эритроцитах некоторых червей, он выполняет роль запа¬
сания кислорода. С этой его ролью согласуется небольшой кооперативный эффект связы¬
вания кислорода (константа Хилла равна 1,2-1,4). Гемэритрин имеет молекулярную массу
около 107 ООО и состоит из восьми одинаковых полипептидных цепей, каждая из которых
содержит два атома железа.Обратимое связывание молекулярного кислорода гемэритрином является его физиоло¬
гической функцией, а главное отличие этого соединения от гемоглобина заключается в сте¬
хиометрии реакции. Для того чтобы связать одну молекулу кислорода в гемэритрине, тре¬
буются два атома железа, а гемоглобину достаточно одного.Первичная структура гемэритрина известна. Полипептидная цепь состоит из 113 амино¬
кислот и может быть связана с атомами Fe остатками тирозина, метионина, глутаминовой
или аспарагиновой кислот. Различные состояния гемэритрина представлены в таблице 41.2.При длительном хранении оксигемэритрин медленно переходит в метгемэритрин, коор¬
динирующий самые разнообразные лиганды и теряющий способность связывать кислород.Таблица 41.2Различные состояния гемэритринаКомплексЛигандСтепень окисления железаОксигемэритрино2+3МетгемэритринSCN", СГ, Г, Н20+3ГемэритринН20+2
674МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIНакопление и транспорт железа. В организме взрослого человека около 65% всего
железа содержится в гемоглобине и миоглобине, большая часть оставшегося запасается в
специальных белках (ферритине и гемосидерине), и только очень небольшая часть находит¬
ся в различных ферментах и системах транспорта.Ферритин и гемосидерин — белки, служащие для запасания железа. Гемосидерин явля¬
ется малоизученным и, возможно, представляет собой продукт распада ферритина. После¬
дний состоит из двадцати четырех полипептидных цепей, образующих пустотелую сфери¬
ческую оболочку с внешним диаметром -125 А и диаметром полости -70 А. Во внутренней
полости находится мицеллярное ядро из неорганического комплексного оксогидроксофос-
фата железа(Ш) состава (Fe0-0H)8(Fe0-0P03H2). Содержание железа в мицелле -57% (до
4 500 атомов железа), если ферритин полностью насыщен. Белковую оболочку пронизыва¬
ют шесть каналов, служащих для приема и отдачи железа. Прием железа происходит при
каталитическом окислении Fe(II) —> Fe(III), а высвобождение — при восстановлении доТрансферрины — класс железосвязывающих молекул, в который входят лактоферрин
(из молока), кональбумин или овотрансферрин (из яичного белка) и сывороточный транс-
феррин. Это транспортные белки, переносящие ионы железа(Ш) из обломков гемоглоби¬
на клеток селезенки и печени в костный мозг, где на его специальных участках вновь син¬
тезируется гемоглобин.Весь сывороточный трансферрин человека, единовременно связывая лишь приблизи¬
тельно 4 мг железа, ежедневно переносит в костный мозг около 40 мг железа. Больные с ге¬
нетическими нарушениями синтеза трансферрина страдают одновременно железодефицит¬
ной анемией и интоксикацией от избытка железа.Трансферрин — белок с молекулярной массой 80 000, состоит из одной полипептидной
цепи, свернутой так, что она образует два участка, каждый из которых способен связать один
ион Fe(III).Высокая устойчивость комплекса железа с трансферрином делает его отличным перенос¬
чиком, но зато возникает проблема высвобождения железа из комплекса. Механизм этого
процесса не установлен.Большинство микроорганизмов имеют весьма эффективные транспортные системы для
принятия железа в нужных количествах. Железо вне организма существует в виде нераство¬
римых при физиологических величинах pH соединений Fe(III).В ответ на нехватку железа в клетке организм синтезирует и выделяет специальные ли¬
ганды, высокоспецифичные для Fe(III). Это сидерофоры или железонесущие лиганды. Все
они используют для связывания железа донорные атомы кислорода и дают октаэдрический
комплекс. Сидерофоры разделяются на две группы: гидроксаматные и фенолятные, в зави¬
симости от того, содержат ли они в своем составе фрагменты гидроксамовой кислоты (а) или
пирокатехина (б).Fe(II).Rагидроксамовыекислоты6производныепирокатехина
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ675У большинства природных гидроксамовых кислот на одну молекулу приходится три кис¬
лотных группировки, которые дают с Fe(III) нейтральные комплексы. Феррихромы пред¬
ставляют собой циклические гексапептиды, у которых три гидроксоматные группы распо¬
ложены в трех боковых цепях пептида, а в ферриоксаминах пептидная цепь может иметь
либо линейную, либо циклическую структуру. Пирокатехиновые сидерофоры обычно нахо¬
дят в бактериях, а гидроксаматные — в более высокоорганизованных организмах.Отдача железа сидерофором происходит вследствие его восстановления до Fe(II) физи¬
ологическими восстановителями, причем молекула лиганда либо расщепляется, либо оста¬
ется неповрежденной и может быть использована вновь.41.2.5. Железо-серосодержащие белкиСуществуют железосодержащие белки, которые не содержат порфирина. В них атомы
железа связаны обычно с атомами серы полипептидной цепи.К этому классу относятся такие белки, в которых железо не связано с порфириновым
кольцом и в состав которых входят два типа серосодержащих комплексообразующих групп:
тиольная группа аминокислоты цистеина (-SH) и так называемая «лабильная сера», при¬
рода которой не установлена.Количество обнаруженных железо-серусодержащих белков стремительно растет, а инте¬
рес исследователей к ним определяется большим разнообразием выполняемых биологичес¬
ких функций. Они участвуют в окислительно-восстановительных процессах во всех извест¬
ных нам формах жизни, осуществляют перенос электрона при фотосинтезе, фиксации азота,
метаболических превращениях. Железо-серосодержащие белки обозначают n-Fe-S белками
(где п — количество атомов железа в составе белка). Лабильную серу обозначают звездочкой.Рубредоксины. Эти вещества участвуют в большом числе биологических окислительно¬
восстановительных реакций, в особенности в анаэробных бактериях, относятся к 1-Fe-S
типу. Их физиологическая функция до конца не ясна, однако известно, что они служат пе¬
реносчиками электронов. Белки l-Fe-S-типа содержат от 51 до 60 аминокислотных остат¬
ков, что соответствует молекулярной массе около 6000-7000. Типичным считается белок,
выделенный из бактерии Clostridium pasturianium.остатки
двух аминокислотРис. 41.4. Рубредоксин.
676МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIВо всех этих белках имеется четыре остатка
цистеина, которые и связывают атомы железа, об¬
разуя тетраэдрический комплекс (рис. 41.4). При
подкислении из каждого моля белка можно из¬
влечь один моль железа, причем сера не выделя¬
ется, что свидетельствует об отсутствии лабиль¬
ной серы.Ферредоксины относится к белкам типа п-
Fe-S* (п = 2, 4, 8) и обеспечивает передачу элек¬
тронов между окислительной и восстановитель¬
ной цепочками метаболизма в ряде анаэробных и
фотосинтезирующих бактерий. Его биохимичес¬
кие функции многообразны, среди них участие в
фиксации азота, окислении уксусного альдегида до ацетата, формиата до углекислого газа,
восстановлении протонов до водорода, гидроксиламина до аммиака и пр.Структурной особенностью большинства Fe-S белков является своеобразная группи¬
ровка атомов серы и железа в виде «клетки», связанной с цистеиновыми остатками поли¬
пептидной цепи (рис. 41.5). Некоторые примеры железо-серосодержащих белков приве¬
дены в таблице 41.3.Таблица 41.3Характеристики некоторых железо-серосодержащих белковТипбелкаНазваниеПроисхож¬дениеМФункции1-Fe-SРубредоксинАнаэробныебактерии6 380Не известны, но может заменять
ферредоксины2-Fe-SФерредоксинхлоропластовРастения10 650Перенос электронов
при фотосинтезеАдренодоксинКоранадпочечников13 090Перенос электронов при
гидроксилировании стероидовФерредоксинМикрококки6 200Восстановитель при фиксации азота,
окислитель при расщеплении
фосфатов8-Fe-SКсантин-
оксид азаМолоко250 000Окисление ксантина и других
пуринов, а также альдегидов
кислородомАльдегид-
оксид азаПечень280 000Окисление ароматических и
алифатических альдегидов41.3. Цинксодержащие комплексыИзвестно свыше шестидесяти цинксодержащих биологически активных веществ, среди
которых наиболее изученными являются широко распространенные в живых организмах
ферменты карбоангидраза и карбоксипептидаза.Карбоангидраза — металлофермент с молекулярной массой 30 ООО, содержащий один
ион Zn2+ на молекулу. Он широко распространен в растениях, животных и бактериях, а фи¬
зиологическая роль его заключается в быстрой гидратации метаболической С02, образую¬Рис. 41.5. «Клетка» в структуре Fe-S белков.
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ677щейся в тканях, дегидратации Н2С03 в легких, а также переносе и накоплении Н+ и НС03
в органах секреции.а) Н20 + С02 <=> Н2С03 <=> Н+ + Нt03
6)0H- + C02<=iHC03-Реакция связывания двуокиси углерода может быть записана с водой (а) или с гидро-
ксил-ионом (б) в качестве активных частиц. Окончательно этот вопрос пока не решен, но
имеются вполне убедительные данные в пользу второго (б) механизма.Известны две формы этого фермента — карбоангидраза В (КАВ) и карбоангидраза С
(КАС) человека, различающиеся по аминокислотному составу и активности. Карбоангид¬
раза С существенно более эффективна, и число оборотов этого фермента при гидратации
С02 составляет 6-105 сек-1, что позволяет считать эту реакцию самым быстрым из всех из¬
вестных ферментативных процессов.Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что тет¬
раэдрический ион Zn2+ находится примерно в центре скрученной
молекулы. Три координационных места заняты атомами азота
гистидиновых остатков полипептидной цепи, а четвертым лиган¬
дом является гидроксильная группа.Механизм обратимой гидратации С02до конца не ясен, а
предложенные гипотезы обладают определенными недостатка¬
ми (один из вариантов показан выше).Карбоксипептидаза (молекулярная масса 34 300) представ¬
ляет собой фермент, содержащий 307 аминокислот в единствен¬
ной полипептидной цепи, которая прочно связывает один ион Zn2+. Два координационных
места у атома цинка заняты гистидиновыми атомами азота, третье — кислородом карбок¬
сильной группы глутаминовой кислоты в белковой молекуле, а четвертым лигандом явля¬
ется молекула воды.Этот фермент поджелудочной железы млекопитающих катализирует гидролиз пептид¬
ной связи на карбоксильном конце белковой цепи.Цинксодержащим металлоферментом участвующим в гидролизе пептидов является
термолизин, выделенный из В. thermoproteolyticus. Он, как и карбоксипептидаза, имеет мо¬
лекулярную массу 34 600 и содержит один ион Zn2+, лигандами у которого являются оста¬
ток аминокислоты глутамина, два остатка гистидина и молекула воды. Интересно, что эти
бактерии могут функционировать короткое время при высокой температуре, что обуслов¬
лено присутствием в комплексе четырех ионов кальция, предотвращающие раскручивание,
а, следовательно, денатурацию макромолекулы белка.К цинксодержащим биокомплексам относятся также фруктозо-1,6-дифосфатаза, р-лак-
тамаза, геморрагический токсин из яда гремучей змеи и др. (см. табл. 41.1).41.4. Медьсодержащие белкиМедь входит в качестве необходимого элемента в различные ферменты, участвующие в
биологических процессах от переноса электронов до окисления различных субстратов. Фи¬
зиологические функции некоторых из них до сих пор неизвестны.Некоторые представители медьсодержащих белков представлены в таблице 41.4.Получены данные, свидетельствующие о влиянии содержания меди в.Организме на раз¬
витие нормальных вкусовых ощущений, на рост костных и соединительных тканей.о=с=о
678 МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ [Ч. VIIТаблица 41.4Медьсодержащие белкиБелокМЧисло молей Си
на моль белкаФункцияПластоцианин10 5001Перенос электроновЛакказа60 000-120 0004Восстановление кислорода до водыГалактозооксидаза68 0001Окисление галактозыЦитохром-с-оксидаза100 0002 + 2FeПеренос электроновСупероксиддисмутаза32 0002 + 2ZnДиспропорционирование 02 *Гемоцианин (моллюски
и членистоногие)25 000-35 0002Перенос электроновФизиологические последствия дефицита меди проявляются только у животных; для
человека такие случаи не известны, так как в пище человека медь содержится в большом
избытке.Несмотря на поступления большого количества меди в организм человека с пищей, кон¬
центрация этого металла в тканях здорового человека поддерживается строго постоянной.
Следовательно, в организме должны существовать какие-то системы, препятствующие не¬
прерывному накоплению меди в тканях путем ее адсорбции или стимуляции ее выведения
при физиологических условиях. Механизм этого процесса пока не известен. Однако извес¬
тно, что поступление катиона меди в ткани осуществляется с участием медного комплекса
с трипептидом глицил-гистидил-лизином, являющимся универсальным фактором клеточ¬
ного роста, который по-видимому, образуется в плазме.Широкий спектр физиологического действия медьсодержащих ферментов можно про¬
демонстрировать на примере супероксиддисмутазы и гемоцианина.Супероксиддисмутаза — фермент, выполняющий важную защитную функцию, а имен¬
но, катализирующий диспропорционирование токсичного супероксид-анион радикала на
кислород и пероксид водорода:202 * + 2Н+ —» Н202 + 02.Образовавшийся при этом пероксид водорода разлагается затем ферментом каталазой.
Таким образом, эти два фермента защищают клетки от токсичных побочных продуктов кис¬
лородного дыхания.Супероксиддисмутаза выделена в очищенной форме из широкого круга микроорганиз¬
мов, растений и животных, причем она содержит медь и цинк. В некоторых случаях она
может содержать железо и цинк или марганец и цинк.Наиболее изученной является супероксиддисмутаза из эритро¬
цитов быка. Она имеет молекулярную массу 31 400 и состоит из
двух одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит 151
—Си—N N—Ziix аминокислотный остаток, один атом меди и один — цинка. Геомет-
| 4\ ' рия окружения меди — искаженная плоскоквадратная с четырьмя
гистидиновыми лигандами. Ион цинка находится в тетраэдричес¬
ком окружении с тремя азотными донорами гистидина и одним
кислородным донором — аспарагином. Интересно, что одно гистидиновое звено является
общим для обоих металлов лигандом.
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ679Ион Zn2+ выполняет роль по организации и стабилизации активного центра в ферментах,
поэтому супероксид-анион-радикал, по-видимому, взаимодействует с катионом меди, пре¬
терпевая следующие превращения (Е — фермент):E[Cu(II)] + 02--> E[Cu(I)] + 02
E[Cu(I)] + 02 * + 2Н+—> E[Cu(II)] + Н202Гемоцианин (что в переводе с греческого означает «синяя кровь») — медьсодержащий
белок, выполняющий функцию транспорта кислорода у моллюсков и членистоногих. В за¬
висимости от источника молекулярная масса гемоцианина составляет от 25 ООО до 37 ООО, а
содержание меди 0,25% и 0,17%, соответственно.Было установлено, что активные центры гемоцианина, связывающие кислород, содержат
по два эквивалентных и независимых друг от друга атома меди. В гемоцианине медь нахо¬
дится в степени окисления +1, а в оксигенированной форме переходит в Cu(II).Для гемоцианинов так же, как и для гемоглобинов, характерен кооперативный эф¬
фект связывания кислорода, причем величина п в уравнении Хилла достигает значений
3,5-4,0.41.5. КорриноидыБиологическая активность кобальта в большей степени ограничивается его ролью в дей¬
ствии коферментов ряда витамина В12. Структура этого витамина включает частично сопря¬
женное корриновое кольцо, структурно родственное порфириновому, за исключением того,
что содержит на одну метановую (=СН-) группу меньше.Корриновый лиганд, как и порфириновый, поставляет атому Со
четыре донорных атома азота, при этом отщепляется протон от группы
NH. Координационное число равно шести. Со в плоскоквадратном кор-
риновом комплексе присоединяет еще два аксиальных лиганда, образуя
октаэдрическую структуру. Пятым лигандом является атом азота нук¬
леотидного фрагмента в боковой цепи корриновой системы (кобалами-
ны), а природа шестого может быть различной.Если лигандом выступает цианид-ион, то мы имеем цианоокобала-
мин или витамин В12 (рис. 41.6, X = CN"). Отметим, что цианид-ион вхо- корриндит в состав выделяющегося из организма комплекса, и его нет ни в
одной из активных форм витамина. В биологических системах роль шестого лиганда прак¬
тически всегда играет молекула воды (X = Н20).Был выделен также 5’-дезоксиаденозилкобаламин, в котором кобальт связан с атомом уг¬
лерода С-5' аденозильной группы. Это был первый пример устойчивого природного метал¬
лоорганического соединения со связью кобальт-углерод.Витамин В12 и его аналоги действуют в сочетании с большим числом ферментов и уча¬
ствуют в переносе метильной группы между биомолекулами с участием молекулы метиони¬
на (см. разд. 23.3), перегруппировках углеродного скелета биомолекул и в различных реак¬
циях восстановления.Перенос метильной группы с участием микроорганизмов вызывает неблагоприятные
экологические последствия. Это связано с переходом относительно безопасной элементар¬
ной ртути в чрезвычайно токсичный и растворимый катион HgCH3+, что приводит к рассе¬
янию ртути в окружающей среде.
680МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIРис. 41.6. Витамин В12: а — формула (X = CN), б — шаростержневая модель.41.6. Молибденсодержащие ферменты. Фиксация азотаНаиболее важной биохимической функцией, которую выполняет молибден, является
использование неорганического азота для биосинтеза белков, нуклеиновых кислот и других
азотсодержащих веществ клетки.Живые организмы сильно различаются по своей способности к таким синтезам. Выс¬
шие животные не способны к биосинтезу ряда аминокислот (это незаменимые аминокис¬
лоты) и должны получать их извне. Кроме того, они не могут использовать наиболее ши¬
роко распространенные формы природного неорганического азота, а именно — нитраты,
содержащиеся в почве, и атмосферный азот. Такими возможностями, однако, обладают
растения и микроорганизмы. Биологическая ассимиляция нитрата в аммиак происходит
в две основные стадии: 1) восстановление нитрат-иона до нитрита; 2) восстановление нит¬
рит-иона до аммиака.Первая стадия катализируется молибденсодержащим ферментом нитратредуктазой. Ам¬
миак может образовываться как из нитрит-иона, так и из атмосферного азота, а процессы эти
требуют другого молибденсодержащего фермента — нитрогеназы. Этот фермент содержится
в некоторых почвенных бактериях, живущих в клубеньках корней ряда овощных культур.Растения ежегодно связывают около 101() тонн азота. Уже по одной этой причине молиб¬
ден следует считать одним из важнейших биологически активных металлов.В восстановительной ассимиляции нитрат-иона (см. разд. 24.6) участвует фермент —
нитратредуктаза, которая представляет собой многомерный белок с молекулярной мас¬
сой 230 ООО, состоящий из цитохрома, связанного с молибденом и с органической молеку¬
лой флавина (ФАД, см. разд. 34.3).Роль ФАД в биохимических окислительно-восстановительных системах сводится к двум
основным аспектам: активации С-Н-связей и распариванию электронов. Двухэлектронный
перенос при восстановлении нитрат-иона в нитрит связан с переходами ФАД(2Н) <=> ФАД
и молибдена(У) в молибден(У1). Тонкие детали механизма этого процесса пока не известны.
ГЛ. 41]d-МЕТАЛЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ681Нитрогеназа — фермент, ответственный за фиксацию азота (образование аммиака)
бактериями и сине-зелеными водорослями. Процесс происходит в водной среде при атмос¬
ферном давлении и обычных температурах. В противоположность этому промышленный
синтез аммиака (процесс Габера-Боша) основан на применении высоких температур и дав¬
лений.Способность микроорганизмов восстанавливать в мягких условиях свободный азот, кото¬
рый по традиции рассматривается как в высшей степени инертное вещество, объясняет повы¬
шенный интерес химиков к нитрогеназным ферментам. Интерес этот основывается не толь¬
ко на желании понять механизм важнейшего биохимического процесса, но и на стремлении
создать синтетический катализатор по типу нитрогеназы для получения соединений азота.Азотфиксирующие бактерии подразделяются на симбиотические и асимбиотические, т.е.
свободнообитающие.Симбиотические бактерии могут связывать азот только после того, как они поселятся в
корнях некоторых видов овощных культур. Эти бактерии снабжают растения азотом в об¬
мен на потребляемые углеводы.Асимбиотические бактерии связывают азот непосредственно из почвы. Количество та¬
кого азота существенно меньше, чем связываемого симбиотическими бактериями. Все бак¬
терии могут фиксировать азот только при полном отсутствии кислорода.Нитрогеназа из Azotobacter была первым ферментом, для которого было показано суще¬
ственное значение молибдена. Для связывания азота необходимы также железо и магний.
Нитрогеназа состоит из двух белков, а именно, Мо-Бе-белка с молекулярным весом 270 ООО—
300 ООО, содержащего молибден, железо, цистеин и лабильную серу в соотношении 1:20:20 :
15, а также Fe-белка с массой 40 000.Активный центр молибденсодержащего белка име¬
ет структуру «клетки» (рис. 41.7), устроенную анало¬
гично «клетке» ферредоксина (см. рис. 41.5).Каждый белок по отдельности не проявляет нитро-
геназной активности. Восстановление азота до амми¬
ака происходит только в случае сопряжения этой ре¬
акции с гидролизом аденозинтрифосфата (АТФ) в
аденозиндифосфат (АДФ), для протекания которой,
в свою очередь, необходим ион Mg2+.По современным представлениям, фиксация азота
может быть выражена с помощью приведенной ниже схе¬
мы 41.1, в которой Fe-белок и Mo-Fe-белок обозначены
как (Fe) и (Mo-Fe), а Ф — неорганический фосфат.Из этой схемы видно, как нитрогеназа [(MoFe) +(Fe)] возвращается неизменной и может вновь включаться в каталитический цикл, который
требует для участия комплекса катиона магния с АТФ (см. рис. 31.3).Все реакции, катализируемые нитрогеназой, имеют восстановительный характер. Сле¬
довательно, для проявления ферментам каталитической активности необходим физиологи¬
ческий источник электронов, а также соответствующий переносчик, который бы взаимодей¬
ствовал с нитрогеназой, но не являлся ее частью. К таким природным агентам относятся
электротранспортные железо-серосодержащие белки — ферредоксины, а физиологическим
источником электронов является пируват-анион пировиноградной кислоты.Нитрогеназные реакции в стандартных условиях являются термодинамически выгодны¬
ми (AG < 0), однако для их протекания необходима энергия в специфической форме АТФ.Рис. 41.7.«Клетка» молекулы нитрогеназы.
682МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VII(Fe) -i*. (Fe)~(MoFe)изменение конфигурации Mg АТФMgATO(Fe)-N2и потенциалапереносэлектронаI(Fe) MgAДФ 0(MoFe)"(N2)(Fe)"MgATO(MoFe)(N2)гидролиз АТФповторениецикла(Fe)+ MgAДФ + Ф + (MoFe) + 2NH3Схема 41.1. Каталитическое действие питрогепазы.Зависимое от восстановителя потребление АТФ нитрогеназой является фундаменталь¬
ным процессом для всех реакций нитрогеназы, однако его механизм относится к числу наи¬
менее понятных вопросов биологической фиксации азота.В животных организмах роль молибдена заключается в его присутствии в составе фер¬
ментов, которые катализируют некоторые окислительно-восстановительные реакции. Это
ксантиноксидаза, ксантиндегидрогеназа, альдегидоксидаза. Так, ксантиноксидаза катали¬
зирует процесс окисления ксантина кислородом в мочевую кислоту. Этот процесс выража¬
ется следующей схемой:Полагают, что в ходе реакции образуется связь атома молибдена с атомами азота и кис¬
лорода молекулы ксантина.Рассмотренные примеры лишь частично иллюстрируют роль катионов переходных био¬
элементов в виде комплексов — металлопротеинов в биохимических трансформациях, из ко¬
торых, однако, видна их уникальная роль в качестве координаторов сложнейших процессов —
от транспорта кислорода и углекислого газа до разнообразнейших метаболических реакций.ксантин ксантиноксидазаR-H + E-Mo(VI+) +Н20Н30+... R-E-Mo(IV+)
фермент-субстратный
комплекс2Н+ + HO-R + E-Mo(VI+)мочеваякислота
Глава 42.КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ В МЕДИЦИНЕКонцентрации ионов металлов в живых организмах являются величинами постоянны¬
ми (гомеостаз), колеблются в очень узких пределах и сложным образом контролируются, как
это было частично прослежено на примере железа (см. разд. 41.2), определенными белками
и гормонами.Расстройства, связанные с нарушением ионного баланса, могут проявляться как в резуль¬
тате повышенного, так и пониженного по сравнению с нормой содержания ионов металлов.
Поэтому качественное и количественное исследование жидкостей и тканей организма на
содержание ионов металлов является важным диагностическим тестом.Долгое время при болезненных состояниях изучался только баланс щелочных и щелоч¬
ноземельных металлов внутри и на поверхности клетки. Оказалось, однако, что большое
число болезней связано с изменением концентраций микроэлементов.Такие элементы, как железо, медь, цинк, кобальт, марганец и другие, необходимы для
ферментных систем, но их повышенная концентрация оказывает токсическое действие. Так,
например, заболевание мозга у детей (синдром Менкеса) связано с дефицитом меди, так как
в мозговой ткани не хватает цитохромоксидазы. Напротив, при болезни Вильсона содержа¬
ние меди во многих тканях увеличено в сотни раз по сравнению с нормой.Поэтому в медицине существует проблема поиска эффективных хелатирующих агентов
для использования в лекарственных целях.42.1. Комплексы как лекарственные средстваТоксический эффект некоторых комплексов используется для создания противораковых
и противомикробных препаратов. К примеру, издавна известно бактерицидное действие
серебра, которое объясняется тем, что ничтожных концентраций иона серебра, которые по¬
являются в воде при ее помещении в серебряную посуду, достаточно для угнетения актив¬
ности тиолсодержащих ферментов микроорганизмов.К 2500 году до н. э. восходит история применения в медицине золота, которое исполь¬
зовали в Китае для лечения проказы. В настоящее время соединения золота употребляют
в основном для лечения ревматоидного артрита. Среди них имеются неорганические со-
684МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIСН2ОНоAu-SCHCOONaО S—АиСН2СООНАи —NОНмиокризинсолганолтетрасукцин-имидозолото(Ш)Рис. 42.1. Лекарственные производные золота.единения, например, хризолан Na3[Au(S203)2], а также ряд органических производных
(рис. 42.1).Механизм действия золота при лечении артрита детально не установлен. Предполагают,
что эти соединения ингибируют гидролитические ферменты, разрушающие суставы.Найдены активные соединения золота против бактериальных инфекций, в частности,
туберкулеза, обнаружено и их противоопухолевое действие.Среди соединений платины наибольшее значение имеет дихлородиамминплатина(П)
[Pt(NH3)2Cl2]. Цис-изомер этого плоскоквадратного комплекса (цис-ЦДД) обладает проти¬
воопухолевой активностью. Установлено, что цис-ДДП связывается в опухолевой клетке с
молекулой ДНК и ингибирует ее синтез (репликацию).Известны лекарственные средства и среди комплексов других металлов (например, со¬
единения цинка уже давно применяются в дерматологии как противомикробные средства).42.2. Хелатирующие лиганды в медицинеУвеличение уровня промышленного производства и связанное с ним загрязнение окру¬
жающей среды привело к резкому росту числа отравлений соединениями мышьяка, кадмия,
ртути, свинца, стронция, бериллия, таллия и др. В настоящее время сложилось специальное
направление в медицине, связанное с использованием хелатирующих лигандов для регуля¬
ции металло-лигандного баланса, именуемое хелатотерапией.Для того, чтобы выполнять функцию противоядий (антидотов) при отравлении тя¬
желыми металлами, хелатирующие лиганды должны отвечать ряду требований. Во-пер¬
вых, они не должны быть токсичными. Во-вторых, они не должны подвергаться раз¬
ложению или какому-либо изменению в биологической среде. Так как их антидотное
действие"зависит от прочности образующегося комплекса, то, зная сравнительную устой¬
чивость комплексов, можно установить степень химического сродства отдельных кати¬
онов к тем или иным хелатирующим лигандам, а значит, предвидеть возможность из¬
бирательного связывания. Необходимо учитывать, что эффективность хелатирующих
агентов в отношении токсичных металлов зависит не только от стабильности образуемо¬
го ими комплекса, но и от прочности связи извлекаемого металла с биолигандами ор¬
ганизма.Для поддержания металло-лигандного баланса и выведения из организма ионов токсич¬
ных металлов среди хелатирующих лигандов все шире начинают использоваться комплек-
соны — полиаминополикарбоновые кислоты.Приведем наиболее распространенных представителей комплексонов, применяемых в
медицине:
ГЛ. 42]КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ В МЕДИЦИНЕ685сн2-соонсн2-соонэтилендиаминтетрауксусная кислотаНООС-СН2ЧНООС-СН/СН2-СООН
СН I
2 ^n-ch2-ch2-n-ch2-ch2-n'ГЦ / 4сн2-соонсн2-соондиэтилентриаминопентауксусная кислотаНООС-СН2Чноос-сн/ноос-сн2 сн2-соонI I^N-CH2-CH2-N-CH2-CH2-N-CH2-CH2-Nnсн2-соонсн2-соонтриэтилентетрааминогексауксусная кислотаСреди комплексонов наибольшее распространение в качестве антидотов получили раз¬
личные соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), среди которых наиболее дос¬
тупной является динатриевая соль, известная, как трилон Б.Его применение показано, к примеру, в лечении гиперкальциемии, декальцинации кос¬
тей, при отравлении соединениями кальция. При этом трилон Б, связывая ионы кальция,
превращается в тетацин-калъций.В организме комлексоны участвуют во многих сложных реакциях, вступая во взаимодей¬
ствие с неорганическими биологическими соединениями. Так как в крови и в других биосре¬
дах концентрация кальция достаточно велика, этот катион конкурирует с любыми из выво¬
димых металлов за место в комплексе.При этом положение равновесия комплексообразования в организме зависит от соотно¬
шения констант устойчивости комплексов металла, выводимого из организма, и кальция
(тетацин-кальция). Это становится очевидным из анализа следующего химического урав¬
нения, которое должно иметь место в биосредах:трилон Бтетацин-кальций(СаЭДТА) + М2+ = (МЭДТА) + Са2+.
В этом случае константа равновесия Ки имеет вид:к _ [МЭДТА] [Са2+] _ Km»»9 [СаЭДТА]-[М2+] KHecmJ-нест■нест
686МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIто есть равна отношению констант нестойкости комплексов вытесняемого металла и кальция.
Эту константу (Кв) называют константой вытеснения, а по величине ее отрицательного лога¬
рифма (рКв) судят о степени комплексообразования данного катиона с трилоном Б (табл. 42.1).
Чем рКв больше, тем сильнее вытесняет катион металла катион кальция из тетацина.Таблица 42.1Константы вытеснения для тетацинаКатионСа2"Sr2+Мп2+Fe2+Со2+Zn2+Cd2tPb2+Cu2+рК.11,92,93,75,65,65,97,77,8Из данных таблицы следует, что выведение из организма марганца и железа не будет осу¬
ществляться кобальтовой солью ЭДТА. В соответствии с приведенным рядом прочности хе-
латов тетацин обменивает ион кальция на ионы свинца, кобальта, кадмия. Отсюда следует
ожидать, к примеру, что тетацин должен быть эффективным антидотом при отравлении свин¬
цом и кадмием, так как катионы этих металлов вытесняют из комплексона ион кальция, об¬
разующий менее прочный комплекс с ЭДТА. Он, таким образом, выглядит достаточно уни¬
версальным. Это в полной мере оказалось справедливым по отношению к иону свинца.Со времени первого лечебного использования тетацин-кальция в 1952 г. этот препарат
нашел широкое применение в клинике профессиональных заболеваний при отравлении
свинцом, кобальтом, ванадием и продолжает оставаться незаменимым антидотом свинца.
Очень эффективно применение тетацина посредством аэроингаляции, когда антидот быстро
всасывается и долго циркулирует в крови. При этом отмечалось усиление выведения свин¬
ца почками.Для ресорбции, распределения и выведения металлов имеют значение не только физи¬
ко-химические свойства вводимых с лечебной целью комплексонов, но и и свойства эндо¬
генных биокомплексонов, с которыми встречается металл в организме в процессах введения,
циркуляции и выведения из организма. Разнообразие процессов всасывания, распределения
металлов в организме, взаимодействия с биокомпонентами крови и тканей делают пробле¬
му применения комплексонов в медицине весьма сложной. И действительно при отравле¬
ниях кадмием, медью, ртутью из-за образования токсичных комплексов тетацин использо¬
вать не рекомендуется. Следовательно, знания лишь одной величины константы вытеснения
далеко недостаточно для прогнозирования применения того или иного комплексона в кли¬
нической практике.К тому же, как выяснилось, взаимодействие тетацина с катионом свинца не сводится к
простому обмену ионами. В реакции тетацина с катионом свинца на самом деле образуется
комплекс СаРЬЭДТА, который хорошо растворим в воде и легко удаляется из организма
через почки:
ГЛ. 421КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ В МЕДИЦИНЕ687Помимо тетацина и трилона Б практическое значение в качестве противоядий имеют и
некоторые другие соли этилендиаминтетрауксусной кислоты.Перспективен еще один препарат — производное диэтилентриаминопентауксусной
кислоты — СаЫа3ДТПА (пентацин). Его особенно успешно применяют при отравлениях
соединениями железа, кадмия и свинца, а также для удаления радионуклидов (технеция,
плутония, урана и др.). Триэтилентетрааминогексауксусная кислота используется при от¬
равлениях плутонием.О^ .ONavСН\NaO ОСН,Na0^°.сн,n^ch2— СН2 N— СН2 CH2-N/снГ^^_. YKСа-*^пентацинДанные последних лет свидетельствуют о высокой эффективности при лечении отравле¬
ниями медью, ртутью, свинцом, болезни Вильсона (психического заболевания, вызываемого
нарушением баланса катиона меди в нервных тканях) еще одного комплексообразующего
вещества — пеницъи1ломинау который представляет собою аминокислоту диметилцистеин.Защитное действие пеницилламина обуславливается наличием трех групп (тиольной, амин-
ной и карбоксильной). Оказалось, что он особенно хорошо проявляет себя при хронических
формах отравлений тяжелыми металлами, когда необходим длительный прием препарата.Обращает внимание структурное сходство реакций хелатирующих лигандов с реакция¬
ми связывания яда молекулами дитиолов, например, БАЛ: в обоих случаях образуется зам¬
кнутая структура хелатного типа. Вот почему хотя бы частично оправдано причисление
БАЛ, унитиола и других дитиолов к комплексообразующим антидотам. В отличие от соеди¬
нения яд-ЭДТА соединение яд-дитиол мало или почти нерастворимо в воде, что уменьша¬
ет скорость его выведения из организма.пеницилламин криптандрЕще одна перспективная для медицины группа хелатирующих агентов принадлежит к
семейству криптандов, с которыми катионы металлов координируются таким образом, что
ион оказывается «спрятанным» в циклической полости лиганда; Изображенный выше пред¬
ставитель криптандов высоко селективен по отношению к катиону стронция.
688МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIСпецифичным для катиона железа является дефероксамин, применяемый для удаления
железа при некоторых железоизбыточных состояниях. Это вещество содержит структурные
фрагменты, которые присутствуют в некоторых железосодержащих белках, именуемых си-
дерофорами (см. разд. 41.2).О.У-(СН2):NOH
(СН2)5
NHОCOO“NH4+ coo~nh4+о он о но ^ X л2 NH-(CH2)5-N и—СН3(СН2)2-он-N—(CH2)5NH2одефероксамин'COCtnh;оналюминонДля связывания токсичного катиона бериллия применяется алюминон, получивший та¬
кое название из-за способности координироваться с катионом алюминия. Его эффектив¬
ность по отношению к бериллию — проявление диагонального сходства пары бериллий-
алюминий.Высокой степенью комплексообразования отличается также фитин — сложный органи¬
ческий препарат, представляющий собой смесь кальциевых и магниевых солей инозитфос-
форных кислот. Его получают из конопляных жмыхов. Фитин полностью защищает жи¬
вотных, отравленных смертельными дозами свинца. При этом он в отличие от солей ЭДТА
выводит яд преимущественно через желудочно-кишечный тракт, а не через почки. Фитин —
совершенно безвредный лечебный препарат, он может быть использован и при отравлении
ионами других металлов. Имеется еще ряд перспективных полидентатных лигандов, среди
которых присутствуют и вещества растительного происхождения.Типичные примеры использования хелатотерапии, вызванные избытком того или ино¬
го катиона, даны в табл. 42.2.Более подробное представление об использовании хелатотерапии можно получить из
схемы 42.1, в которой приведены перечень важнейших применяемых хелатирующих лиган¬
дов и металлы,-с которыми они по преимуществу координируются.Иногда длительное поступление в организм малых количеств ядовитых металлов при¬
водит к их накоплению в различных внутренних органах и тканях, вследствие чего их кон¬
центрация в крови и моче существенно не повышена. Введение же полидентатных лигандов
увеличивает выведение яда с мочой и тем самым указывает на его присутствие в организме.
В таких случаях хелатирующие реагенты можно использовать в целях диагностики. Ины¬
ми словами, процесс комплексообразования приводит к нарушению установившегося рав¬
новесия между ионизированным металлом плазмы и металлом, содержащимся, например,
в жировых тканях, а также в эритроцитах, печени, костной ткани и т.д.Например, тетацин используется при диагностике хронических свинцовых отравле¬
ний. Диагностическим показателем здесь служит выведение металла с мочой в результа¬
те однократной инъекции препарата. Надо, однако, отметить, что при этом возможно и
усиление интоксикации, по-видимому, из-за увеличения обратного всасывания связанного
ГЛ. 42]КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ В МЕДИЦИНЕХелатирующие лиганды в медицине689Таблица 42.2БолезньИзбыточный
ион металлаПрименяемыйлигандГемохроматоз, гемосидероз,FeДефероксамин,интоксикация железомпеницилламинКатаракта, атеросклерозСаТри л он Б, пеницилламинБолезнь ВильсонаСиСмесь пеницилламин +тетацинБолезнь «итаи-итаи-био»CdКриптанд, тетацин, БАЛБолезнь МиниматаHgТетацин, пеницилламинИнтоксикация плутониемPuПентацинСвинцовая интоксикацияPbБАЛ, тетацинБериллоз, бериллиевый рахитBeАлюминонСхема. 42.1. Хелатирующие реагенты в хелатотерапии./
690МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIс тетацином свинца из пищеварительного тракта, куда он переходит из плазмы через стен¬
ку кишечника.Еще один, на первый взгляд, неожиданный пример использования хелатотерапии — за¬
щита от газовой гангрены. Оказалось, что введение раствора тетацина вызывает в данном
случае связывание ионов цинка и кобальта, выполняющих функцию активаторов действия
фермента лецитиназы, который и является токсином газовой гангрены. Поэтому, связывая
эти ионы, удается резко снизить действие токсина.Молекулы комплексонов практически не подвергаются расщеплению или какому-либо
изменению в биологической среде, что является их важной фармакологической особенностью.Комплексоны нерастворимы в липидах и хорошо растворимы в воде, поэтому они не
проникают или очень плохо проникают через клеточные мембраны, а следовательно:— не выводятся кишечником,— всасывание комплексообразователей происходит хорошо только при их инъекции (лишь
пеницилламин принимают внутрь),— в организме комплексоны циркулируют по преимуществу во внеклеточном пространстве,— выведение из организма осуществляется главным образом через почки.Этот процесс происходит быстро. Так, уже через полтора часа после внутрибрюшинной
инъекции в организме остается 15% введенной дозы тетацина, через 6 часов — 3%, а через
двое суток только полпроцента.Комплексоны мало токсичны. Их токсическое действие наиболее существенным образом
проявляется в повреждении слизистой оболочки тонкой кишки и почечных канальцев. При
быстрой инфузии или при введении больших количеств полиаминополикарбоновых кислот
вследствие уменьшения кальция в крови возможно нарушение возбудимости мышц и свер¬
тываемости крови.Так как комплексоны связывают и ускоряют выведение из организма многих металлов,
то по отношению к ним не остаются безучастными и биоэлементы, находящиеся в свобод¬
ном состоянии (Na, К, Са и др.) или входящие в состав жизненно важных металлопротеинов.
Вот почему введение в организм комплексонов не может не повлиять на течение обменных
процессов и на действие ряда чужеродных веществ, поскольку их биотрансформация опре¬
деляется функцией ферментов, молекулы которых включают тот или иной металл. Так, при
обследовании 71 человека, соприкасавшегося во время работы со свинцом или ртутью и
получающего тетацин с лечебной и диагностической целью, было установлено, что при дли¬
тельном применении этот препарат резко увеличивает выведение из организма меди и мар¬
ганца через почки. Эти данные привели к выводу о необходимости дополнительного введе¬
ния названных жизненно важных микроэлементов с целью восполнения их потерь. С другой
стороны, эксперименты свидетельствуют, что комплексоны активируют такие металлопро-
теидные ферменты, как цитохромоксидаза, каталаза и др. Это связывается со способностью
комплексонов изменять валентность атомов железа и других микроэлементов.Поскольку соли ЭДТА и других полиаминополикарбоновых кислот не разлагаются
в организме, характеризуются большой терапевтической широтой и быстро выводятся
почками, их иногда рекомендуют применять и для предупреждения некоторых професси¬
ональных отравлений (например, свинцовых, марганцевых, ртутных). В производственных
условиях это возможно посредством вдыхания аэрозолей или приема внутрь таблеток,
содержащих антидот. Однако с учетом вероятности развития побочных явлений (нару‘-
шение функции почек, связывание кальция сыворотки крови и многих микроэлементов,
изменение активности некоторых ферментов и др.) к этому следует относиться отри¬
цательно.
ГЛ. 42]КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ В МЕДИЦИНЕ691Ведутся изыскания иных профилактических средств, которые бы при длительном по¬
вседневном применении (в том числе и непосредственно на производстве) не вызывали не¬
желательных сдвигов в состоянии организма и в то же время обладали выраженным за¬
щитным действием. Эти свойства выявлены у пектинов — полимерных веществ пищевого
происхождения, которые построены в виде цепей со звеньями следующего строения:В основе пектина лежит пектовая кислота, являющаяся полигалактоуроновой кислотой.
Остатки D-галактуроновой кислоты связаны а-1,4-гликозидными связями. Пектины полу¬
чают из яблок, свеклы, подсолнечника и других растений.Карбоксильные группы в структуре пектина способны присоединять катионы многих
металлов с образованием пектинатов. Кроме того, пектин — коллоидное вещество с выра¬
женными сорбционными свойствами. Эти физические особенности, по-видимому, в нема¬
лой степени определяют его защитное действие при интоксикациях. Особенно четко эффект
проявляется при проникновении в организм свинца, всасывание которого под влиянием
пектина резко тормозится. Каких-либо побочных явлений и осложнений длительный при¬
ем пектина не вызывает.Таким образом, в настоящее время можно говорить о несомненных успехах и широких
перспективах хелатотерапии в изыскании и применении лекарственных средств. Практичес¬
кое использование этих средств оказалось особенно результативным при профессиональных
хронических интоксикациях соединениями свинца, ртути и радиоактивных элементов.В последнее время перед хелатотерапией открылись новые широкие горизонты.Еще в 60-е годы стало очевидным, что комплексоны или их натриевые соли (тетацин,
трилон Б) могут применяться при всех видах патологий, связанных с Са-избыточными со¬
стояниями. Ведь ЭДТА и трилон Б циркулируют только в кровяном русле и связывают все
металлические ионы (кроме калия и натрия), которые в нем находятся. Между тем, имен¬
но ион кальция в первую очередь и присутствует в плазме. Следовательно, удаляя его из
организма, можно лечить такие заболевания, как артрозы, атеросклероз, почечно-каменную
болезнь.В дальнейшем выяснилось, что возможности ЭДТА-хелатотерапии значительно шире.
Ведь ЭДТА выводит из плазмы и все прочие биокатионы, присутствующие в ней в микро¬
количествах. Принято считать, что эти катионы выступают в качестве катализаторов не¬
благоприятных для здоровья свободно-радикальных процессов с участием активных форм
кислорода, а тем самым активизируют нежелательные процессы пероксидного окисления
липидов.Следовательно роль хелатотерапии оказывается значительно более широкой. И действи¬
тельно она препятствует отложению холестерина и восстанавливает его уровень в крови,
понижает кровяное давление, позволяет избежать ангиопластики, подавляет нежелательные
побочные эффекты некоторых сердечных препаратов, удаляет кальций из холестериновых
692МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ[Ч. VIIбляшек, растворяет тромбы и делает кровеносные сосуды эластичными, нормализирует
аритмию, препятствует старению, восстанавливает силу сердечной мышцы и улучшает
функции сердца, увеличивает внутриклеточное содержание калия, регулирует минераль¬
ный обмен, восстанавливает варикозные вены, растворяет катаракту, устраняет ретинопатию
и понижает потребность в инсулине у диабетиков, устраняет пигментацию кожи, применяется
в лечении остеоартритов и ревматоидных артритов, улучшает память, способствует устране¬
нию последствий инсульта, полезна при лечении болезни Альцгеймера, препятствует возник¬
новению рака, улучшает память и проявляет множество др. положительных эффектов.Но и этого мало. Отдельные специалисты даже предлагают ЭДТА-хелатотерапию в ка¬
честве дешевой и эффективной альтернативы коронарного шунтирования, покушаясь на
самые совершенные достижения современной хирургии.
Список литературыВайзман Ф. JI. Основы органической химии. — СПб: Химия, 1995. — 464 с.Глинка Я. Л. Общая химия. — Л.: Химия, 1990. — 704 с.Ершов Ю. А., Попков В. А., Берлянд А. С., Книжник А. 3. Общая химия. Биофизическая химия. Химия
биогенных элементов. — М.: Высшая школа, 2000. — 560 с.Коровин Я. В. Общая химия. — М.: Высшая школа, 1998. — 559 с.Марри Р., ГреннерД., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2 т.: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. —
Т.1.-384 с.; Т. 2.-415 с.Мушкамбаров Я. Я. Физическая и коллоидная химия. — М.: ГОЭТАР-МЕД, 2001. — 384 с.
Никольский А. Б., Суворов А. В. Химия. — СПб.: Химиздат, 2001. — 512 с.Пузаков С. А. Химия. — М.: Медицина, 1995. — 624 с.Слесарев В. И. Химия: СПб.: Химиздат, 2000. — 768 с.Тюкавкина Я А., Бауков Ю. И. Биоорганическая химия. — М.: Медицина, 1991. — 480 с.Фримантл М. Химия в действии: В 2 т.: Пер. с англ. — М.: Мир, 1991. — Т. 1. — 528 с.; Т. 2. — 620 с.
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ2,4,6-тринитротолуол 415
2,4-диаминоптеридин 598
2-амино-6-меркаптопурин 5985-фторурацил 5076-аминопурин 509
6-меркаптопурин 598
6-фосфат: D-глюкопиранозы 462а-спираль 540
Р-аланин 534Р-гидроксимасляная кислота 520
е-капролактам 537
у-глутатион 538D-глюкозо-б-фосфат 462
D-фруктозо-б-фосфат 466
КЫ-диметиланилин 402
N-метиламин 402Аабсорбат 614
абсорбент 614
абсорбция 614,616
автокатализ 119
агар-агар 480
агликон 459
агонисты 590
адамантан 297
адамсит 432
аденин 287,402,509,511
аденозии 426,512— -3\5’-циклофосфат 515— -5'-дифосфат 514— -5'-трифосфат 514
—-5'-фосфат 513
аденозиндифосфат 426,681
аденозинмонофосфат 427
аденозинтрифосфат 681
адреналин 410,606
адренодоксин 676
адсорбат 614
адсорбент 614
адсорбтив 614
адсорбция 614— избирательная 624— ионообменная 624— на границе 4 твердое тело - раствор 621 раздела твердое тело - газ 614 жидкость - жидкость 616 твердое тело - жидкость 616 газ - жидкость 616АДФ 426,681азидотимидин 602
азокрасители 414
азометин 441
азот 398азотнокислый висмутил 431
азулен 300
акридин 301
акрилонитрил 323,330
акролеин 435,445
активности 140
активный центр фермента 16
актиномицин Д 599
аланин 532
алдрин 359
алкадиены 344— сопряженные 298
алкалоид 16,346
алканы 288,343
алкены 297,344
алкилсульфонаты 394
алкилсульфохлориды 319
алкил-уретан 503
алкилфосфат 424
алкилфосфонат 424
алкилфосфонаты 428
алкины 301,345
алкогольдегидроненаза 667
аллен 326аллил хлористый 356
аллококаин 607
аллоксазин 557
аллолактоза 474
алмаз 279
альдегид 434— у-гидроксимасляный 439— гликолевый 448— глицериновый 377,443,451,521— левулиновый 368— изомасляный 435— кротоновый 446— масляный 435— пропиновый 435— уксусный 323
альдегидоксидаза 676
альдозы 450
альдоль 446альдольная конденсация 446
альдотриоза 452
алюминий 573
алюминон 688
алюмогидрид— лития 271амид-им идол ьная таутомерия 491
амидопирин 529
амиды 407,491
амилаза 477
амилоза 476
амилопектин 476аминирование восстановительное 534
аминоадамантан 402
аминокислота 530,441— кислотная 531— нейтральная 534— основная 531
аминокислотные буферные— растворы 162— системы 162
аминоэтанол 323
амины 401
амитриптилин 254
аммиак 74,400
АМФ 427амфипатические соединения 80
амфолит 148
амфотерные свойства 147
анабазин 346
анализ— газовый 220— качественный 210,216— катионов 217— количественный 211,219— нефелометрический 249— систематический 217— частный 211— элементный 211
аналитический сигнал 211
аналитическая концентрация 149
анальгин 529ангидрид— карбоновых кислот 489— малеиновый 338,489— сернистый 391— серный 393— уксусный 489— фталевый 489
ангидрит янтарный 489
андростан 296
анестезин 536
анизол 381анилин 402
аниониты 624
аномерный эффект 460
аномеры 456
антагонизм 90
антагонисты 590
антибиотики 16, 350, 594
антиметаболит 16,337,508, 593
антипирин 529
антифебрин 408антрацен 299антропогенные загрязнения 579апатит 420апофермент 555арбутин 460аргентометрия 237аргинин 416,532арены 299,345арибиноза 452армин 430ароматические соединения 299аспарагин 532аспирин 524атоксил 433атом 17— углерода асимметрический 306атомность гидроксикислот 520
АТФ 426,519,681
ауксохром 254
аутотроф 92
ацеталь 439ацетальдегид 435,446,449,527
ацетанилид 407
ацетил-D-глюкопиранозид 460
ацетилацетон 436,445
ацетиленид 331
ацетилкофермент А 427
ацетилхолин 292,388
ацетон 374,435,449,525
ацикловир 601
ацилирование 438,536
ацильные радикалы 482ББАЛ 387,689бальзам Шостаковского 382
барий 658— сульфат 571
багохромный сдвиг 254
белки 547— медьсодержащие 677
белковые буферные системы 162
бензальдегид 435бензамид 408
бензапирен 568
бензил хлористый 356
бензилпенициллин 594
бензин 320
бензоин 447
бензол 299
бензохинон 436
бензпирен 299
бензпирена 323
бериллий 572,658
билирубин 208
696биогенные элементы 83
биокомцентрирование 569биологическая роль неорганических фосфатов 423биологический сенсор 200биомагнификация 569бионовая кислота 473биотин 505биохимическое потребление кислорода 244
биурет 505бифенилы полихлорированные 359
бихроматометрия 185
борогидрид натрия 271
БПК 244британский антилюизит 387
брожение— аэробное 528— молочной кислоты 522— молочнокислое 528— спиртовое 528
бром 350
бромоводород 354
бромурал 505
бутадион 529
бутиролактон 525
буферная емкость 158
буферные растворы 155Ввалентное— взаимодействие 71— колебание 251— состояние 37
валентность 35, 40
валентный угол 43
валеролактон 525
валидол 490
валим 532
валииомицип 662
варфарии 605
веронал 507
вещества— поверхностно-активные 618— поверхностно-инактивпые 617
взаимодействие— гидрофобное 542— ион-ионное 542 ^— межиониое 139— электростатическое 77
винилацетат 330
висмут 431витамин 16
-А 343
-В1 508— Д2 590-В 12 286,679
-Н 505— К4 436
-К 460
-Р 460— РР 346,483,492влияние разбавления на pH буферных растворов 159
ВМС 646— растворы 648— колигативиые свойства 649— пространственное строение 648— устойчивости растворов 654
внеклеточная вода 126
внешнеорбитальный комплекс 65
внешняя сфера 58
внутренняя сфера 58
внутриклеточная вода 126
внутриорбигальный комплекс 65
впутрирядпые переходные элементы 34
внутрисосудистая вода 126вода 74,125,144,274
водно-электролитный баланс 141
водород 268— пероксид 369
водородная связь 74,80
водородный показатель 145
воспроизводимость 213
восстанавливающий дисахарид 470
восстановитель 172
восстановительный потенциал 176
восстановление 173время полупревращения 110
второй закон термодинамики 100
выпадение осадка 205
высокомолекулярные соединения 646
вычисление— pH растворов сильных кислот и оснований 148— pH растворов слабых кислот и оснований 150
ВЭЖХ 264вязкость 651— приведенная 652— относительная 652— удельная 652— характеристическая 652Ггалактоза 454
галактоцереброзид 496
галогенангидриды 353, 489
галогенирование 317
галогеноводороды 353
галогенопроизводные углеводородов 355
галогены 349гальванический элемент 174,186— концентрационный 187— химический 187,188— Якоби 174
ГАМК 608
697гексаметапол 408
гексаметилендиамин 410,538
гексахлоран 311,338,577
гексахлорбензол 577
гексахлормеламин 362
гексахлорофен 358,359
гекситы 463 '
гексоза 448
гель 654
гем 668гемоглобин 540,669гемоглобиновый буферный раствор 163гемолизом 137гемосидерин 674гемоцианин 667, 678гемэритрин 673геометрическая изомерия 67— и биологическая активность 608
гепарин 479гептахлор 359
гетарены 300
гетерогенный— катализ 119— процесс 203гетеролитические реакции ИЗ
гетерополисахариды 479
гетеротроф 92
гетероцепные 647
гибридизация 40
гидразин 411,443— сульфат 411
гидразон 443
гидратная изомерия 67
гидрид 270
гидрид-анион 270
гидрирование 322гидрокарбонатная (бикарбонатная) буферная система 160гидроксиапатит 423гидроксилизин 541гидроксильный показатель 145гидроксинитрил 440,452, 523гидроксипролин 532гидроксоапатит 207,660гидролиз нитрилов 491гидроперокиды 371гидропероксид требутила 371гидросульфаты 393гидросульфиды 386гидросульфиты 392гидрофильность 80гидрофобное взаимодействие 78гидрофобность 80гидрохинон 182Г379гипертоническая— гипергидратация 143— дегидратация 142гипертонический раствор 136
гипоксантин 509
гипотиазид 593
гипотоническая— гипергидратация 143— дегидратация 142
гипотонический раствор 136
гипсохромный сдвиг 254
гистамин 536гистидин 532главное квантовое число 19
глактозооксидаза 678
гликоген 477
гликоза 459
гликозид 459,468— -гликозиды 470— -гликозы 470
гликозил-4-О-глюкозы 470
гликолевый альдегид 523
глиоксаль 436
глицерин 373,381,495
глицин 532,545глобула 648
глутамин 532
глутатион 389
глюкоза 454— 1-фосфат 587
глюкозазон 464
глюкозамин 479
глюцид 463
гомеостаз 15,561
гомеостаза 138,143
гомогенный катализ 119
гемолитические реакции 113
гомоцепные 647гормон 16— стероидный 498
гравиметрия 213
грамицидин S 543
гранула 635
графит 279
гуанидин 504
гуанин 509,511
гуанозин 512гуанозинтрифосфат(ГТФ) 515
гутта 328ддавление осмотическое 632
двойной электрический слой 176
ДДТ 358дезаминирование 412, 535
дезокси-О-рибоза 511
дезокси—аденозин 512
—адепозин 512
698— гуанозин 512— рибоза 454— цитидин 512действие металлов на организм 571
декалин 340декарбоксилирование 345,487,536— аминокислот 406
декстран 477
декстрины 477
дендиол 465
дентатность 60
дефероксамин 688
дефолиант 358деформационное колебание 251
диагностика 688
диазосоединение 412
диализ 630
диалкил-карбонат 503
диастереомеры 309,452
дибензо-п-диоксины 578
дибензофураны 578
дивинил 326дигидроксиацетон 377,446,451— глицеринового альдегида 466
дигидроксибензол 373
дизельное топливо 320
дикетопиперазин 537
диметиламин 402
диметилгликосим 68
диметилглиоксаль 436
диметилглиоксим 443
диметилсульфоксид 391
диметилформамид 492
диметилфталат 490диоксан 381
диоксины 358
дипольный момен 46
дисахариды 469
дисмутация 447
диспергирование 628
дисперсионное взаимодействие 77
дисперсионные силы 80
дистом^р 309дисульфидные мостики 389
дисульфиды 388
дитизон 68дифениламин 404 ^
дифенилхлорарсин 432
дифенилцианарсин 432
диффузия 631
дихлорамин Б 362диэтиламид метатолуиловой кислоты 492
диэтилстильбэстрол 498, 608
длина связи 43донорно-акцепторный механизм 38
дофамин 410дыхательный
-алкалоз 166— ацидоз 166Жжавелевая вода 361
железо 574— сахарат 671жидкость интермицеллярная 634
жир 4953закон— Бугера-Ламберта-Бэра 250— Вант-Гоффа 135— Генри 129— Гесса 97,103— Дальтона 129— действующих масс 122
для скорости 109— разведения Оствальда 150— Лапласа-Перрена 633— Рауля 131— Рэлея 634
закрытая система 93
заместители— второго рода 335— первого рода 335
замещение— нуклеофильное 356— электрофильное 331
зарин 429,606
застудневание 653
значение— медико-биологическое 527— пировиноградной кислоты 527
золь 627зоман 429Иидеальные растворы 129
идроксиламин 442
избирательная токсичность 592
известь хлорная 391
изобарический процесс 93
изобарно-изотермический процесс 93
изобарный потенциал 104
изолейцин 532
изолированная система 93
изомераза 559
изомерия— геометрическая 310— межклассовая 305— оптическая 306— положения 304— связывания 67
699— структурная 303— цепи 303
изомеры 303— биологические 308— конфигурационные 306— конформационные 306— оптические 378— транс- 310— фармакодинамические различия в действии 605— фармакокинетические различия в действии 604— цис- 310
изоосмия 136
изопрен 326
изопреноид 343
изопротереиол 609
изотерма— адсорбции 615— поверхностного натяжения 617
изотермический процесс 93
изотоническая— гипергидратация 143— дегидратация 142— коэффициент 135,139— раствор 136
изохорический процесс 93
изохорный потенциал 106
изоэдрин 359изоэлектрическая точка аминокислот 544
имидазол 300
имин 441имин-иминная таутомерия 442
инверсия сахарозы 474
инвертные мыла 406
ингибирование 108,119
индикатор 221, 223
индол 301индукционное взаимодействие 77инертные газы 34инозин 512инозит 311,381инсектициды 577инсулин 667иод 351— синий 355
иодоводород 354
иодометрия 362
ионизационная изомерия 67
ион-ионное взаимодействие 72
иониты 624ионная— связь 55— сила 140ионное произведение воды 144
ионно-молекулярное взаимодействие 77
ионометрия 194, 255
ионофоры 661,662ионы потенциалопределяющие 635
иприт— азотистый 358,410— сернистый 358,391
истинный раствор 128Ккадаверин 410
кадмий 569, 575
калий 658
калия— перхлорат 361— пиррол- 404— хлорат 361
кальциферол 590
кальция— гипохлорит 362— глицерофосфат 376
камптотецин 601
камфан 297
камфора 297,343,449
капрон 538
карбамид 504
карбамин 282,427
карбин 279
карбкатион 321,327
карбоангидраза 667,676
карбоксибиотин 506
карбоксигемоглобин 285,671
карбоксилат-ион 485
карбоксильная группа 481
карбоксипептидаза 677
карбонатапатит 423
карбонил 434
карбохолин 292
карбрксипепидаза 667
каротины 343каталаза 370,672
катализаторы 118
катализ 118
катенан 81
катехоламины 410
катион— алкилоксониевый 376— водорода 272— нитрония 332
катиониты 624
каучук 328,368
качественная реакция— для обнаружения солей марганц 393— на нитрат-ион 415качественное определение бромид-ионов 355
керосин 320
кеталь 439кетоенольная таутомерия 444
кетозы 450
700кетокислота 442,500
кетоны 434— ароматические 333
кетотриоза 452
кефалин 496кинетика ферментативная 549
кислород 363— синглетный 365,417— триплетный 364
кислота 145— 5'-адениловая 513— адениловая 512— аденозинтрифосфорная 426— адипиновая 437, 538— азотистая 412— азотная 414— алкилсерная 322,376— алкилфосфановая 424— алкилфосфорная 424— алкилфосфонистая 430— арахидоновая 499— арахиновая 494— барбитуровая 506— бензойная 337— виноградная 526— винная 525— галактоновая 466— гиалуроновая 479— глутаминовая 532— глюкаровая 468— глюконовая 466— глюкуроновая 468— гидроксамовая 411,674— гидроксивалериановая 525— гидроксикарбоновая 520— гидроксимасляная (ГОМК) 525,526,528— гликаровая 467— гликолевая 520,523— гликоновая 466— гликуроновая (уроновая) 468— глицеринфосфорная 376— глицинхолевая 497— дезоксиадениловая 512— дезоксигуаниловая 512— дезоксирибонуклеиновая (ДНК) 511— дезоксицитидиловая 512— дигидролипоевая 387— дигидрофолиевая 597— диалкилфосфинистая 430— диалкилфосфиновая 424,430
—дикарбоновые 437дихлоруксусная 486
диэтилентриаминопентауксусная 685
желчная 497
жирная 494кислородные галогенов 360— пировиноградная 523— сильного основания 229 сильного основания сильной кислотой 225,228— сульфабензойная 488— фталевая 482кислотно-основное состояние 165
кислотный буфер 155
классификация 520
клатрат 81
клетчатка 478
коагуляция 614,639— порог 640
коалесценция 614
коацервация 654
кобальт 574ковалентная связь 36,80
ковалентное связывание 71
ковалентный радиус 45
кокаин 311,607
коламин 323,391,410
коллаген 540
колларгол 630
колл игативные свойства 131
коллодий 449,478,630
коллоидная защита 642
коллоидные— растворы молекулярно-кинетические свойства 631 оптические свойства 633 поверхностно-активных веществ 643 электрокинетические свойства 636— частицы стабилизатор 635кольца Лизеганга 655
кольчато-цепная таутомерия 440
комплекс 58— железосодержащий 668— как лекарственные средства 683— металлов в медицине 683— цинксодержащие 676
комплексон 684
комплексонометрия 238
комплексообразователь 58
комплементарность 517
конденсация— бензоиновая 447— капиллярная 616— кротоновой 446— сложноэфирная 447
кондуктометрия 246
константа— вытеснения 686
—диссоциации 144 кислоты 146 основания 147— Михаэлиса 550
701— нестойкости 167— скорости реакции 109— Хилла 670 химического равновесия 121— устойчивости 239
конус Тиндаля 633
конформационная изомерияи биологическая активность 609
конформация 289,457,539— р-складчатая: полипептидов 540— ванны 294— гош 290— заслоненная 289— заторможенная 289— кресла 294— конверта 294— полипептида 544
конформер 289
концентрация— критическая мицеллообразования 644— нормальная 221
конъюгация 394,587
координационная— изомерия 67— теория 59— формула 58координационное число 56,58координация металло-лигандная 542кордицепин 512коррин 679корриноиды 679кортизон 498кофактор 16,555— ферментов 387
кофеин 510
кофермент 16,189, 387
-А 388,515,557— НАД+ 190,526— KoQ 190— Q 183
коэффициент— активности 140— диффузии 632— поверхностного натяжения 612,617— отравления 671— экстинкции 253
краун-эфиры 382
крахмал 476
креатин 504
креатинфосфат 504
крезол ы 381
крекинг 319кривые титрования 222
криоскопическая постоянная 133
криоскопия 138
криптанд 662,687кровяная соль— желтая 287— красная 287
ксантин 509,682
ксантиноксидаза 676,682
ксенобиотики 321,394,568,672
ксенобиотический профиль 569
ксилоза 452кумол 374
купрен 330
купферон 68Ллактид 525
лактоза 471
лактон 525
латекс 328
левомицетин 415
левулоза 454
лейцин 532
лектроосмос 636
лецитин 496
лиаза 559
лигаза 559
лиганд 58
лизин 532
ликопин 343
ликсоза 452ли митирующия стадия 112
лимонен 328,343
линдан 311лиотропные ряды Гофмейстера 640
лиофильность 80
лиофобность 80
липид 493— простые 495
липидный слой 291
липосома 645
липофильность 80
липофобность 80
литий 658
люизит 387,432
люминал 507Ммагний 658магнитное квантовое число 19
магнитный момент молекулы 65
макрометод 217
макроэлемент 85
макроэргическая связь 71,514
малондиальдегид 436
мальтоза 470
маннит 463
манноза 454
марганец 573
702масса молярная эквивалента 221
медь 570,575межклеточная жидкость 126
межтканевая (интерстициальная) вода 126
мезоформа 522
ментол 343,380
меркамин 390,411,515,557
меркаптаны 387
метаболизм 15,71,113— ксенобиотиков 584— органических 585
метаболиты 15,113
метаболическая— вода 125— связь 57
метаболический— алкалоз 166— ацидоз 166металлический электрод 177
металло-лигандный гомеостаз 169
металлопротеины 666
металлы 584— в живых системах 657— в металлоферментах 667— в окружающей среде 569— d- в биологических системах 666— s- 658— комплексы катионов 660— тяжелые 568
метанол 380
метгемоглобин 367
метгемэритрин 673
метил-Э-глюкопиранозид 460
метиламин 402
метилоранж 414
метилсалицилат 524
метилэтилкетон 435
метионин 391,532
метионинсинтетаза 667
метисазон 602метод— абсорбционно-спектральный 249— атомно-абсорбционный 249— валентных связей 36— Ван-Слайка 412— Габриэля 492— гибридный 213— гравиметрический 219— дробный 216— калибровочного графика 214— конденсационный образования коллоидных раств 629— люминесцентный 249— молекулярных орбиталей 48— Мора 237— нормировки 262— объемный— оптический 248— перманганатометрии 486— полярбграфический 247— Фаянса 238— физический 213— физико-химический 213— Фольгарда 237— химический 211— электрогравиметрический 220— электромиграционный 211— электрохимически
метотрексат 597
механизм действия— и вычисление pH 155— ферментов 551
микрогетерогенный катализ 119
микропримесные элементы 87
микроэлемент 85
микроэлементоз 85
миоглобин 540, 669
миокризин 684мицеллы 634
модель— Ньюмена 289— шаростержневая 44
молекула 35— изоэлектронная 52
молекулярная орбиталь 48
молекулярность реакции 111
молочный сахар 471
мольная— доля 129— энтальпия 96
моляльная концентрация 129
монактин 662монензин 664
мононуклеотид 511
моносахариды 450— восстановление 463монофосфаты глицеринового альдегида 466монохлорамин Б 362морфин 606морфолин 402мочевина 504мутаротация 455— глюкозы 456
мышьяк 431— органические производные 432
Ннабухание 653
найлон 538,647
натрий 658натрия тиосульфат 362
нафталин 299
нафтохинон 340,436
703невалентная связь 73
невалентное взаимодействие 73
невосстанавливающий дисахарид 470
незаменимые элементы 85
нейрин 403,410
нейромедиатор 410
несахароподобные 451
никель 570,574
никотин 346
никотинамид 492никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) 555никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+) 555нитратредуктаза 680нитраты 414нитрилы 302нитриты 412нитрификация 400нитробензол 332,407нитрование 318нитрогеназа 681нитроглицерин 376,416нитрозоамины 414нитрозобензол 407нитрозодиметиланилин 414нитрозоний-ион 414нитроклетчатка 415,478нитроэфиры 376новокаина 490номенклатура 520— рациональная 313— международная 313— органических соединений 313
нонактин 662норадреналин 410,606,609
норсульфазол 594
нуклеозид 511, 513
нуклеофилы 114нуклеофильное присоединение 114,438обменная емкость 625общий порядк реакции 109озазон 443,463озон 367,418озониды 368окисление 173,320,322— биологическое 281— моносахаридов 466— ферментативное: жирных кислот 500
окислитель 172окислительно-восстановительное
диспропорционирование 447
окислительно-восстановительные реакции— внутримолекулярные 173—диспропорционирования 173— межмолекулярные 173
окислительно-восстановительный потенциал 175
окисляемость воды 185окись этилена 295,323
окосоединения 434
оксазол 300оксигемоглобин 285,366,671
оксигемэритрин 673
оксид 372— азота 415— азота (I) 416— азота (II) 416,418— углерода (II) 284
токсичность 670— углерода (IV) 281— углерода(П):
оксимам 442
оксосинтез 437
октаметилсахароза 471,475
олигопептид 537
онкотическое давление 136
опсин 442оптическая— активность 306— изомерия 68— плотность 253
орбиталь 19орбитальное квантовое число 19
органические производные фосфора 424
органоген 83
орнитин 534, 543осмолярности (осмотической концентрации) 136
осмос 133,631осмотическая концентрациея 139
осмотическое давление 134
основание 147— нуклеиновое 511— Шиффа 441основность гидроксикислот 520
основный буфер 155
открытая система 93
отношение эвдесмическое 605ППАВ 618— анионоактивные 618— амфотерные 618— катионоактивные 618— неионогенные 618
папаверин 382
параллельные реакции 112
паральдегид 448
парамагнетизм 65
параформ 448
парацетамол 407пектин 691
пеницилламин 687
пентацин 687первый закон термодинамики 94
704перегруппировка 114— Арбузова 424— Гофмана 407
переходные элементы 34
периодическая система 24
периодический закон 24
перманганатометрия 184
пероксиацилнитраты 418
пероксид водорода 352
пероксидаза 370,672
пероксидное окисление липидов (ПОЛ) 371,
пероксиды 369— металлов 371
пероксокислоты 371,393,487
персульфаты 393
перэтерификация 388,489
пестицид 16,358ПИВ 617
пинены 581
пиперидин 346,402
пиразин 300
пиразол 300
пираноза 457
пирен 299
пиретроиды 318
пиридазин 300
пиридин 300,346,402
пиридоксаль 441,449
пиридоксамин 442
пириметамин 598
пиримидин 300
пиродоксаль 435
пирокатехин производные 674
пироксилин 478
пиррол 300,347,402
пирролизин 531
пируват 527пируваткарбоксилалаза 667пирувил хлорид 527плазмолиз 137Планка постулат 102пластоцианин 678поверхность скольжения 636повышение температуры кипения раствораподготовка образца 211полиакрилонитрил 325полиамиды 647полиамфолит 546поливинилацетат 325поливинилпирролидон 325, 492поливинилхлорид 325полидентатные лиганды 536полимеризация 324, 447— ацетилена 330
полимеры 647— лестничные 647— линейные 647— разветвленные 647— сетчатые 647
полинуклеотид 516
полипептид 537,538
полипропилен 325
полисахариды 450,451
полистерол 325
полиформальдегид 448
полиэтилен 325, 647
полная энергия 94
полнота осаждения ионов 206
полуацеталь 439полуацетальный гидроксил 439,459
полукеталь 439
полу микрометод 217
полусферическая модель 44
получение пировиноградной кислоты 526
поляризуемость 47
полярность 46
полярограмма 248понижение температуры замерзания раствора 131
порфин 301
порфирин 68
порядок— реакции 109— осаждения ионов 206— связи 50последовательные реакции 112
потенциал— диффузионный 185— мембранный 186— протекания 636— определение 638— оседания 636— электрокинетический 637— электротермодинамический 637
потенциометрия 192, 246
правило— Бертло 123— Вант-Гоффа 114— выравнивания полярностей 621— Дюкло-Траубе 618— Зайцева 345— Клечковского 23— Марковникова 321— обращенное Дюкло-Траубе 622— ориентации в электрофильном замещении 333— Пфейффера 606— Хунда 22— Хюккеля 300— Чугаева 69— Шилова 621— Шульце-Гарди 640— Эльтекова 329
правильность 213
705пралидоксим 443
предел обнаружения 213
препараты— противовирусные 601— сульфаниламидные 592
примесные элементы 87
принцип— Бертло-Томсона 98— исключения 22— ЛеШателье 123— минимума энергии 22— Паули 22— химиотерапии 591
присоединение альдолыюе 446
проба Марша 431
провитамин А 343проекционные формулы Фигнера 377
произведение растворимости 203
производные пирокатехина 674
пролекарство 416
пролип 532
проста гл ап дин 499
пространственная изомерия 67
простые реакции 112
протаргол 630проголитическое равновесие 148
профлавин 603
псевдокаин 311
псевдококаин 607
псевдоэфедрин 610
психозип 496
птеридии 301
пурин 301
путресцин 410Рравновесие— мембранное: Доннана 649— седимеитационное 633
радикалы— оксильные 371— свободные 317
радикальное присоединения 324
радиолиз воды 276радиус атома 24распределением Максвелла-Больцмана 115
раствор— ВМС 648— коллоидный: лиофобный 627— ненасыщенный 204— насыщенный 204— пересыщенный 204— стандартный 220, 223
растворение осадка 206
растворенное вещество 128
растворимость 204растворителем 128
растворы 125
-ВМС колигативные свойства 649расщепления жирных кислот 557
рафиноза 475
рацемат 307,439,522
рацемическая смесь 307
реагент 113
реактив— Толленса 467— Фелинга 467— Чугаева 443
реакция 109— азосочетания 413— биурстовая 505— «бурого кольца» 417— Вагнера 323— восстановления 114— Вюрца 344,358— гидролитическая метаболическая 558— декарбоксилирования 437— замещения 114— Зелинского-Стадникова 534— Зинина 406— изомеризации 561— Канниццаро-Тищенко 447— Коновалова 318— Кучерова 329,436— метаболическая 558— переноса групп 561— присоединения 326,338 4— окисления 114— отщепления 114,561— присоединения 114— с фенил гидразином 463— «серебряного зеркала» 486— ферментативная 548— цепная 113— Фриделя-Крафтса 333,345— Чичибабина 348— экзотермическая 95,105
редоксиметрия 184, 241
редокс-индикаторы 244
редокси-электрод 177
резистентность 595
резонанс 45
ремантадин 602
ретиналь 312,442
рецепторы 590рибоза 452,511
рибозазон 464
рибофлавин 557
родопсин 442
ротоксан 81
ртуть 569,576
706рубредоксины 675ряд напряжений металлов 178Ссалициламид 525
салицилат 524
салициловая кислота 75
салол 524
сальварсан 433самопроизвольный процесс 98
сарколизина 604
сахаратжелеза 671
сахарин 491
сахароза 473
сахароподобные 451
свинец 569,576
свободная энергия 174
свойства— аминокислот 535— карбоновых кислот 485— липидов 499— пировиноградной кислоты 527— полинуклеотидов физико-химические 518— химические гидроксикарбоновых кислот 524связь— ароматическая 299— водородное 542— макроэргическая 426— молекулярная 621— мономолекулярная 615— пептидная 539— сильных электролитов 623— физическая 614— эквивалентная 623
С-гидроксилирование 394
седиментация 632селен 396
селеноцистеин 531
сенсибилизатор 365,417
сера 384
серин 375,532
сероводород 386
сероуглерод 283
сидерофоры 674
сила— Киссома 76— отталкивания Борна 76— притяжения Дебая 76 Лондона 76силоксан 647силы Ван-дер-Ваальса 75
синергизм 90
синерезис 655
синтез— Габриэля 492— Гофмана 405— диеновый 327— летальный 380— Фишера-Килиани 452
синхронные 114
система 93— в положении равновесия 122— гидрокарбонатная буферная 282— дисперсная 626— коллоидная лиофильная 626 лиофобная 626— микрогетерогенная 611— стационарная 563
скипидар 343скорость химической реакции 108
скошенная конформация 290
сложные— реакции 112— эфиры 489
слой— адсорбционный 635— диффузный 635— мономолекулярный 611
согласованные реакции 114
соединения хлорорганические 568
солганол 684солевой эффект 207
солодовый сахар 471
соль— аммония 403— диазония 413— Мора 237
солюбилизация 643
сополимеризация 324
сополимеры 647
сопряженная— кислота 147— реакции 112
сопряженное основание 147
сорбит 380,463сорбция 614
состояние системы 93
спектроскопия— атомно-абсорбционная 255— атомно-эмиссионная 255— инфракрасная 250— ультрафиолетовая 253— эмиссионная 248
спектрофотометрия 255
спермацет 490спин 20спиновое квантовое число 20
спираль тройная коллагена 540
спирт 373
707— втор-бутиловый 374— изобутиловый 374— изопропиловый 373— н-бутиловый 374— поливиниловый 325— трет-бутиловый 373— цетиловый 380— хлорэтиловый 323— этиловый 373
способы получения— а-аминокислот 534— альдегидов 436— кетонов 436— коллоидных растворов 628
среда дисперсионная 626
сродство к электрону 30
стандарт первичный 220
стандартная— энтальпия образования 96 реакции 95 энтропия образования 103стандартное состояние 96
стандартный электродный потенциал 175
степень электролитической диссоциации 139
стеран 296
стереоизомерия 306— гидроксикарбоновых кислот 520
стереоизомеры 377
стереохимия 35— и механизм действия физиологически акт 603
стероид 497стрептоцид 336, 592
строение— полипептидов пространственное 539— коллоидных частиц 634
стронций 658
структура— атактическая 325— вторичная: полипептида 540— первичная: полипептида 539— третичная: полипептидов 542— четвертичная полипептидов 544
структурная изомерия 302
студень 655субстратом 113
сулема 571
сульфадимезин 594
сульфамиды 337
сульфаниламид 337
сульфаты 393
сульфиды 386
сульфиты 392
сульфобензол 333
сульфокислоты 394
сульфоксиды 391сульфолипид 496
сульфохлорирование 319
сульфоэфиры 394
супероксид— -анион-радикал 366— -дисмутаза 367
супероксиддисмутаза 678
супероксиды 367
сурьма 431
сфингозин 495
сфинголипид 496
сфингомиелин 496Ттабун 429
таксол 600
таллий 576
татрагидропиррол 402
таурин 497
таутомерия 286— имин-иминная 509— кето-енольная 506— лактим-лактамная 506,509— прототропная 286
таутомеры 439
текучесть 652
теллур 397тело ацетоновое 528
теобромин 510
теория— активированного комплекса 116— электростатического кристаллического поля 62
теофиллин 510тепловой эффект реакции 95
термодинамика 92термодинамическая вероятность системы 100термодинамический параметр 93термолизин 667,677терпены 343тестостерон 498тетацин-кальций 685тетрагидропиран 295,381,440тетрагидропиррол 295тетрагидрофуран 295,381,439тетралин 340тетрасукцин-имидозолото (III) 684тетратионат натрия 396тефлон 324тиазол 300тиамин 508тиксотропия 655тимидин 512тимин 507,511тиоацилирование 388тиолы 386тиомочевина 503, 504
708тиосгшртам 386
тиосульфат натрия 286,395
тиоТЭФ 597
тиофен 300,347
тиофос 429
тиоэфиры 386
типичные элементы 34
типы буферных растворов 155
тирозин 375, 532
титраит 220
гитриметрия 213,255
титрироваиие 220— гидролизующихся солей 232— кислотно-основное 222— комплексономстрическое 238— обратное 220— окислительно-восстановительное 241— осадительное 234— потенциометрическое 244— слабого основания сильной кислотой 231
токсический смог 392токсичность оксида углерода(П) 670толуол 299,356топливный элемент 188топотекан 601торсионное напряжение 294точка— изоэлектрическая 547— эквивалентности 221
транс-амипироваиие 441, 535
трансацилирование 489
транскрипция 518
трансляция 518
трансфераза 559
трансферрины 674
трегалоза 475треоза 452треонин 532трет-бутиламии 402третьим законом термодинамики 102триазип 300триалкилфосфиты 424триацетаты клетчатки 479триглицерид (триацилглицеринам): простой 495трилон Б 68,685триметиламип 402триметоприм 598тринитроглицерин 415триоксиметилен 448триптамип 411,536триптофан 532трифениламин 404тропины 609тротил 415тубазид 411тушители 365ТЭФ 408
Уубихинон 189,379
угарный газ 284
углеводороды 568— конденсированные ароматические 299— мосгиковые 296— нолиароматические 580
—спирановые 296
углеводы 450углерод 278удельная поверхность 612
ультрамикрометод 217
ультрамикроэлемент 85
ультрафильтрация 631
упитиол 387
уравнение— адсорбции Лепгмюра 616— буферного раствора 156— Больцмана 115— Галлера 649— Гендерсона-Гассельбаха 156— Гиббса 617— Клапейрона-Менделеева 93— Ленгмюра 619— Нернста 175— Никольского 196— реакции 95— Фрейндлиха 621— Хилла 670
урацил 507,511
уреид 505
уретан 504
уридин 512уридинтрифосфат (УТФ) 515уротропин 297,448условно изолированная система 563ФФАД 680
фаза 203— дисперсная 626
фазовая диаграмма 131
фазовый потенциал 192
фактор стерический 404
фармакодинамика 604
фармакокинетика 604
фенамин 410,605,610
фенантреп 299
феиацетин 407
фенилаланин 532фенилгидразин 443
фенилгидразон 443,527
фенилгидразон глицеринового альдегида 443
фенилгидроксиламин 407
709фенилсалицилат 524
фенол 381,445— полихлорированый 359
фенолы 373фермент 16,119,548— молибденсодержащий 680
ферредоксины 676
ферриоксамины 675
ферритин 674
феррихромы 675
фиксанал 220фиксация азота 399,680
фитин 688флавинаденинуклеотид (ФАД) 556флокуляция 643формалин 440формальдегид 435,440,448формальдимин 448формамид 492формил 435формула Больцмана 100
фосген 503
фосфакол 428
фосфатид 496
фосфатидилколамин 496
фосфатидилсерин 496
фосфатидилхолин 496
фосфатидилэтаноламин 496
фосфатная буферная система 161
фосфаты 420
фосфиды 420
фосфин 420,424
фосфоенолпируват 527
фосфолипид 495
фосфономицин 595
фосфор 419— кислородные соединения 421
фосфорилирование 425
фосфорилтиохолины 429
фосфорилхолин 293,429
фосфорит 420фосфорная кислота 150
фосфорорганические инсектициды 429
фотодинамическое действие 365
фотометрия эмиссионная пламенная 248
фотосинтез 385
фотохимический смог 418
фреон 369,568,583
фруктоза 446,454
фруктозо-— 1,6-дифосфат 466— -6-фосфат 466
фталимид 491
фтор 349фторапатит 208,423
фторафур 599фтористый водород 75
фторотан 360
фуллерен 279
функциями состояния 93
фуран 300,346,347,381
фураноза 456
фурфурол 435,449
фцетофенон 435Xхелатные 536
хелатный эффект 69,168
хелатотерапия 684
хемосорбция 614
химиотерапия 591— антибактериальная 592
химическая— идентификация 210, 216— кинетика 108— связь 35
химические свойства
—аренов 331—алкенов 321— алканов и циклоалканов 316— алкинов 329— гетаренов 346— карбонильных соединений 438— нафталина 339— сопряженных алкадиенов 326
химическое потребление кислорода 185,244
химия экологическая 568
химотрипсин 552хингидрон 182,379
хинолин 301
хинон 182,379
хитин 479
хлор 350— активный 361
хлорактивное соединение 362
хлораль 435,444хлоральдегидрат 438
хлорамин 362,411
хлорбензол 332
хлордан 359
хлорден 359
хлориды 352
хлористая кислота 146
хлористый сульфурил 393
хлористый тионил 392
хлорная— известь 362— кислота 146
хлорноватая кислота 146
хлорноватистая кислота 146
хлороводород 353
хлоропрен 326
710хлорорганические соединения 577хлорофилл 664хлорофос 429холестерин 296,495, 497холестерол 497холин 292,388,391,410ХПК 244хром 573хроматография 257— аффинная 258— биоспецифическая 258— высокоэффективная жидкостная 264— газо-жидкостная 257, 260— газовая адсорбционная 257— гель- 258— распределительная 257 жидкостная 257 колоночная 258 ионообменная 258 на бумаге 257 тонкослойная 257 тонкослойная 258хромофор 254ццеллобиоза 471
целлофан 630
целлулоид 449,478
целлюлоза 478
центр— адсорбционный 615— активный 551
цепные реакции 113
церамид 496
циангидрины 440
цианокобаламии 679
циклоалканы 294, 343— конденсированные 296
циклобутан 294
циклогексан 294
циклогексанон 435,442
циклооктатетраен 330
циклопентадиен 326
циклопентан 294
циклопентанон 437
циклопропан 294
цилиатин 429
цинерин 312цинк 570,575
цис-ДДП 684
цистамин 390
цистеин 389,532
цистин 389,532
цитарабин 599
цитидин 512цитидинтрифосфат(ЦТФ) 515цитозин 507,511
цитоксан 597
цитохром 189
цитохромамы
-а 671
-Ь 671
-с 671— Р-450 366,672
цитохромоксидаза 189
цитохром ы 671
цитруллин 416Ччастота характеристическая 251число Фарадея 174число— железное 642— золотое 642— октановое 320
чувствительность 213Шшаростержневая модель 44щщелочной резерв крови 161
Ээвтомер 309
эквивалент 221экзотермическая реакция 95,105
экотоксикант 568
экстракция 211
электрод— бактериальный 201— водородный 179— второго рода 177— газовый 200— индикаторный 193— ионоселективный 194— каломельный 180— первого рода 177— с жидкой мембраной 199— сравнения 193— стеклянный 193,197— сурьмяный 181— твердофазный 199— — ферментный 201
хингидронный 182 хлорсеребряный 181,193электродвижущая сила— гальванического элемента 174— окислительно-восстановительной реакции 177
электродиализ 631электродный потенциал 176
электрокардиография 192
711электронная конфигурацию атома 22
электроотрицатсльность 31
электростатическое взаимодействие 77
электрофилы 114электрофильное присоединение 114,321, 329
электрофорез 636— Тизелиуса 636
электроэнцефалография 192
элемент Даииэля-Якоби 186
эмбихин 410,596
эмульгаторы 628
эмульсия 628
энантиомеры 68,306,439
эндотермическая реакция 95
эндэргическая реакция 105
энергетическое сопряжение 565
энергия— активации 115— Гиббса 104— разрыва связи 43— связи 43— напряжения 294 свободная поверхностная 612 сопряжения 298 удельная свободная поверхностная 612энзим 16
энзима 548
энтальпия 95— ионизации 28— присоединения электрона 30
энтропия 99эпимеры 454
эритроза 452
этазол 594
этанол 380этерификация 376, 388
этилена окись 381этиленгликоль 373,381,523
этилепдиамином 409
этилен и мин 295,402
этил пируват 527
этилуретан 504
эфедрин 410,609
эфир малоновый 488
эфир— ацегоуксусиый 528— винилбутиловый 382— виниловый 330— гидропероксид диэтилового 382
—диэтиловый 381— краун- 661— малоновый 506— мирициловый пальмитиновой кислоты 490— поливинилбугиловый 325— простые 377,381— фенилгидразон ацетоуксусый 529— цетиловый пальмитиновой кислоты 490 этилвиниловый 381эффект— Бора 164,670— Гиббса-Доинана 651— гиперхромный 254— гипохромный 254— индуктивный 333— кислородный 367— кооперативный 670— радиопротекторный 411— мезомерпый 334— хелатный 661Яявления поверхностные 611
Зеленин К.Н., Алексеев В.В.
Химия для медиковУчебник для студентов медицинских вузовВерстка Н.Г. ФилософовИД №01520 от 14.04.00
Издательство «ЭЛБИ-СПб»195197 г. Санкт-Петербург, Лабораторный пр. 23, an@elbi.spb.su
Подписано в печать 09.01.2004. Формат 70x100 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.
Гарнитура Петербург. Объем 44,5 п.л. Тираж 1000. Заказ 205.