Бионеорганическая химия (стр. 2 из 6)

Комплексы с полидентатными и макроциклическими лигандами

Основной особенностью биолигандов является их принадлежность к числу полидентатных и (очень часто) макроциклических лигандов.

Как известно, особая устойчивость комплексных соединений, образованных ионами металла с полидентатными лигандами, объясняется образованием одной молекулой (или ионом) лиганда с данным центральным ионом (катионом металла) одного или нескольких хелатных циклов. Согласно правилу Чугаева, наиболее устойчивыми являются пятичленные хелатные циклы (для систем без кратных связей) и шестичленные циклы (для систем с сопряженными двойными связями). Напомним, что энергетическая выгодность замыкания хелатных циклов (хелатный эффект) определяется как энтропийным, так и эн-тальпийным факторами. Рассмотрим в качестве примера комплексообразование Ni²⁺ с аммиаком и этилендиамином еп:

В обоих комплексах ион Ni²⁺ координирует два атома азота. Большая величина K_уст в случае этилендиаминового комплекса, несомненно, связана с хелатным эффектом: в комплексе [Niеn]²⁺ имеется пятичленный хелатный цикл, тогда как у комплекса [Ni (NH₃)2]²⁺ - «открытое» строение:

Координационно насыщенные аммиакаты Ni²+ имеют состав [Ni(NH₃)4]²⁺ или [Ni(NH₃)6]²⁺.

Установлено, что разница в величинах констант устойчивости этих двух комплексов (AlgKуст = 2,5) определяется энтальпийным (∆H= - 1,9 ккал/моль) и энтропийным вкладом (∆S = 6,2 кал/град*моль). Разницу в величинах энтальпии образования этих соединений объясняют тем, что в случае [Nien]²⁺ двум атомам азота, входящим в координационную сферу Ni²⁺, не нужно преодолевать взаимного отталкиваия (в отличие от комплекса [Ni (NH₃)2]²⁺). Атомы азота этилендиамина уже включены в состав одной молекулы («сближены» друг с другом). Кроме того, при образовании [Niеn]²⁺ меньше энергии требуется для дегидратации лиганда, чем в случае [Ni (NH₃)2]²⁺: молекулы аммиака меньше по размеру, чем еп, они сильнее гидратируются.

Разница в величинах энтропийных факторов при образовании хелатного и «открытого» комплексов обусловлена увеличением числа частиц при протекании реакции тогда как при синтезе в водном

растворе диаммиаката никеля (II) в результате комплексообразования число частиц не меняется:

что связано с бидентатностью еп и монодентатностью NH₃.

Как указывает Яцимирский, кроме хелатного эффекта в природных металлокомплексах, образованных биолигандами, часто осуществляется макроциклический эффект. В качестве примера рассматриваются термодинамические характеристики комплексов меди с лигандами L` и L" одинаковой дентатности и сходной природы, но только в L" цепь замкнута в макроцикл:

Как видно из приведенных данных, тетрадентатный лиганд L", представляющий собой макроцикл, при прочих равных условиях образует с Cu²⁺ комплекс, в 10⁴ раз более устойчивый, чем такой же тетрадентатный лиганд L`,имеющий незамкнутое цепочечное строение. Природа макроциклического эффекта в полной мере еще не раскрыта, однако можно полагать, что вхождение центрального иона металла в готовую «полость» макроциклического лиганда приносит существенную энергетическую выгоду по сравнению с ситуацией, когда такой готовой полости нет и ее нужно создавать в процессе комплексообра-зования.

Одним из простейших среди природных макроциклических лигандов является энниатин - 18-членный гексадентатный лиганд, включающий кислотные остатки N-метил-валина и о-гидроксивалериата:

Энниатин и подобные ему макроциклические лиганды выполняют в живых организмах роль «ионофоров»: они включают в свою полость те или иные ионы металлов и в таком закомплексованном виде переносят их через биомембраны, регулируя, таким образом, содержание ионов металлов во внеклеточном пространстве и внутри клеток.

В последнее время выполнены важные работы по моделированию природных систем с металлокомплексами, образованными макроциклическими лигандами. В качестве «модельных» лигандов использовались так называемые «короны» (или краун-эфиры) и «криптаты».

Примером простейших корон, являющихся двухмерными (плоскостными) лигандами, могут служить следующие:

Дициклогексил-14-корона-4 Бензо-18-корона-6

Номенклатура краун-эфиров, как видно из приведенных названий и формул, указывает на общее число атомов в макроцикле и число гетероатомов, формирующих полость короны и выполняющих функции доноров.

Экспериментально установлено, что устойчивость комплексных соединений ионов металлов с коронами определяется соотношением размеров иона металла и полости короны. Наибольшая прочность макроциклических комплексов достигается, когда полость плотно «обхватывает» ион металла. Если полость слишком велика или мала, устойчивость комплексов уменьшается.

Те же закономерности были установлены для систем, в которых комплексообразование ионов металлов осуществляется с помощью макроциклических лигандов - криптатов, представляющих собой трехмерные лиганды с полостью, обрамленной тремя углеродными цепями, включающими гетероатомы. Общая формула криптатов имеет вид:

Таким образом, криптаты можно рассматривать как бициклические кислород-донорные лиганды с концевыми атомами, роль которых выполняют третичные атомы азота.

Полагают, что криптаты могут обладать большой избирательностью (селективностью) по отношению к биометаллам, например, природный макроциклический лиганд валиномицин селективен к ионам К⁺. Ниже приведены значения lgК_уст комплексов криптатов и ионов щелочных металлов, образованных лигандами различной дентатности. Число донорных атомов в криптате влияет на размеры полости этого трехмерного макроциклического лиганда и, следовательно, на соотношение размеров комплексообразующего иона металла и полости, а значит и на устойчивость образующегося комплекса:

Интересно, что оптимальный лиганд для Li⁺ содержит в полости макроцикла пять донорных атомов. Увеличение числа донорных атомов и соответственно размеров полости приводит к уменьшению стабильности криптата лития. Для иона Na⁺ оптимальные размеры полости криптата отвечают 6-дентатному лиганду, для иона К⁺ - 7-дентатному. Для иона Rb+ устойчивость комплекса в оптимальных условиях ниже, чем для К⁺, и еще более она падает в случае иона цезия - самого большого по размерам среди ионов щелочных металлов. По-видимому, независимо от размеров полости для большого иона Cs⁺ прочность связи с лигандом мала из-за уменьшения энергии электростатического взаимодействия Cs⁺-лиганд.

Итак, исследование криптатов щелочных металлов показывает, что, регулируя состав и геометрию макроциклических лигандов, можно добиться их высокой селективности по отношению к ионам металлов, входящих в состав комплексов.

Состав и строение природных ионофоров, упрощенными моделями которых являются краун-эфиры и криптаты, сложны и многообразны.

Понятно поэтому, что в биосистемах может быть достигнута высокая селективность действия макроциклических лигандов, это и определяет их «узкую специализацию» в процессах метаболизма.

Биополимеры, на основе которых строится комплексообразование в биологических системах

Наиболее важными биополимерами, обеспечивающими процессы обмена веществ в животных и растительных организмах, в том числе процессы, протекающие с участием комплексных соединений металлов, являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты.

Среди полисахаридов наибольшее значение имеют крахмал, гликоген и целлюлоза. Основным звеном в построении полимерных цепей полисахаридов являются остатки D-глюкозы. Нециклическая D-глюкоза легко циклизуется, образуя две равновесные формы:

При полимеризации α - и β-формы D-глюкопиранозы соединяются в полимерную цепь через кислородные мостики:

Если полимеризуется α-форма, то цепь полимера оказывается разветвленной - получается крахмал и гликоген. При полимеризации β-формы образуется цепочечный неразветвленный полимер - целлюлоза, которая, как известно, обладает волокнистым строением.

Полисахариды, как видно из приведенных формул, имеют в своем составе кислородные атомы, способные проявлять донорные функции. Таким образом, полисахариды, в виде которых организм запасает углеводы (крахмал, гликоген) и которые используются для построения оболочек растительных клеток (целлюлоза), являются полимерными лигандами.