Upload
others
View
17
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Chemia ogólna i nieorganiczna
Wiązania chemiczne,
związki kompleksowe
Zakład Chemii Medycznej
Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego
2
Wiązania chemiczne
wiązanie atomowe, czyli kowalencyjne, powstaje w wyniku uwspólnienia dwóch elektronów o spinie przeciwnym, po jednym od każdego atomu
wiązanie jonowe powstaje w wyniku przyciągania elektrostatycznego odmiennych ładunków
siły Van der Waalsa - mają one głównie charakter elektrostatyczny
wiązanie wodorowe
wiązanie koordynacyjne https://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_bonding
https://www.mpg.de/10386007/van-der-waals-quantum-mechanical
od
dzia
ływ
an
ia
mię
dzycząstc
zko
we
Nowe spojrzenie na strukturę DNA
głównym stabilizatorem podwójnej helisy DNA nie są wiązania wodorowe, lecz „ułożone w stos”
zasady azotowe, którym spoistość zapewnia obecność wody i hydrofobowa kohezja ("wnętrze" helisy
DNA pozostaje suche - cząsteczki wody nie zakłócają procesu łączenia się zasad azotowych w pary za
pomocą wiązań wodorowych)
https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/DNA-held-together.aspx
rola wiązań wodorowych sprowadza się do zabezpieczania komplementarności obu nici DNA
proces replikacji, czy naprawy DNA wymaga rozdziału obu nici
podwójnej helisy – dzieje się to, gdy białko katalityczne tworzy
środowisko hydrofobowe wokół cząsteczki DNA
- ten rodzaj białka ma kluczowe znaczenie w naprawie DNA -
zrozumienie mechanizmów jego działania może dostarczyć cennych
informacji, umożliwiających skuteczniejszą walkę z wieloma
chorobami, m.in. rakiem
3
Wiązanie koordynacyjne
tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu –donoru
akceptor uzupełnia ostatnią powłokę elektronową do konfiguracji najbliższego gazu szlachetnego
donor uzyskuje ładunek dodatni, akceptor uzyskuje ładunek ujemny
donorami elektronów są atomy lub jony z przynajmniejjedną wolną parą elektronów, np. azot, tlen siarka, jonchlorkowy
akceptorami zazwyczaj są jony wodoru oraz atomy mające lukę oktetową.
4
Związki kompleksowe
sfera
zewnętrzna wewnętrzna
K4 [Fe-(CN)6]
jon centralny ligandy
wiązanie koordynacyjne
Związki kompleksowe
Jon centralny:
sfera
zewnętrzna wewnętrzna
K4 [Fe(CN)6]
jon centralny ligandy
najczęściej kationy metali takich jak żelazo, kobalt, nikiel, mangan oraz platynowce, miedziowce i cynkowce
niemetale – [SO4]2-, [PO4]3-,[BH4]-, [SiF6]2-
Ligandy:
koordynowane z atomem centralnym podstawniki: atomy, grupy atomów lub jony ujemne
otaczają one atomy centralne i dostarczają przynajmniej jedną wolną parę elektronów
ligandy są połączone z jonem centralnym za pomocą wiązania koordynacyjnego
w ligandach dawcami elektronów najczęściej są atomy azotu, tlenu, siarki i węgla
6
Jon kompleksowy może być kationem - [Cu(NH3)4 ]2+
anionem – [Fe(CN)6]4-
cząsteczką obojętną – Ni(CO)4
Jeżeli część związku kompleksowego złożonego z jonu
centralnego i ligandu jest obdarzona ładunkiem, to sferę
zewnętrzną tworzą proste jony o przeciwnym znaku.
sfera
zewnętrzna wewnętrzna
jon centralny ligandy
7
K4 [Fe(CN)6]
Związki kompleksowe –liczba koordynacyjna LK
8
Liczbę przyłączonych par elektronowych, która najczęściej odpowiada liczbie
podstawników przypadających na jon centralny nazywamy
liczbą koordynacyjną
Liczba koordynacyjna
9
Wartość liczby koordynacyjnej zależy od:
stosunków przestrzennych
możliwości jonu centralnego do przyjęcia par elektronowych na wolne wewnętrzne podpowłoki d (p)
Liczba koordynacyjna przyjmuje najczęściej wartości 2, 4
lub 6
Reguła Lamberta - liczba koordynacyjna bardziej zależy od okresu niż grupy; często dla okresu:
drugiego LK = 4
trzeciego i czwartego LK = 6
piątego i szóstego LK = 8
Liczba koordynacyjna
Liczba koordynacyjna 2 spotykana jest w przypadku
kompleksów jednowartościowych jonów: Cu+, Ag+ - [Ag(NH3)2]+
Au+ - [Au(CN)2]-
Hg+
kompleksy te mają strukturę liniową.
Liczba koordynacyjna 3: nie jest często spotykana związki mają kształt płaski [HgJ3]-
lub kształt piramidy trygonalnej [SnCl3]
10
Liczba koordynacyjna 4
spotykana w przypadku:
kompleksów metali przejściowych,
zawierających dużą liczbę elektronów d.
najczęstsza liczba koordynacyjna, (dla kompleksów kationów metali grup głównych)
związki o tej liczbie kompleksowej mogą wykazywać strukturę:
tetraedryczną [BF4]-, [AlH4]- [AlCl4]-
płaską kwadratową [Ni(CN)4]2-, [Pt(H2O)4]2+
charakterystyczna dla kationów zawierających 8 elektronów d (Ni2+, Pt2+, Rh+, Pd2+, Ir+)
11
Liczba koordynacyjna 5
Kompleksy o liczbie koordynacyjnej 5 mogą mieć kształt bipiramidy trygonalnej lub piramidy tetragonalnej.
12
12
Liczba koordynacyjna 6, 7, 8
kompleksy o liczbie koordynacyjnej 6: najczęstsze kompleksy metali przejściowych.
mają kształt regularnego ośmiościanu (kompleksy oktaedryczne).
odchylenia od idealnego ośmiościanu wynikają: ze struktury elektronowej atomu centralnego
(efekt Jahna-Tellera) z oddziaływania kompleksu z jego otoczeniem.
liczby koordynacyjne 7, 8 i 9 spotykane są w przypadku, gdy atomy centralne
mają duże rozmiary, np. Mo(VI) lub W(VI). budowa przestrzenna jest skomplikowana, np.
bipiramida pentagonalna lub pryzmat trygonalny
Efekt Jahna-Tellera:
Każdy nieliniowy układ, w którym występuje degeneracja orbitali,
wykazuje sposób oscylacji obniżający zarówno symetrię jak i
energię układu.
Dowolny kompleks oktaedryczny mający zdegenerowane orbitale
będzie się odkształcał tak, aby obniżyć swoją symetrię i energię.
Związki kompleksowe – nomenklatura(1)
liczbę ligandów określamy za pomocą przedrostków greckich chlorek heksaakwachromu(III) [Cr(H2O)6]Cl3
nazwy ligandów anionowych mają końcówkę -o, np. tiosiarczan –tiosiarczano
heksacyjanożelazian(III) potasu K3[Fe(CN)6]
rodniki węglowodorowe mają ogólnie przyjęte skróty Me-metyl, Et–etyl, Ph–fenyl
bromek tri(etylenodiamino)platyny(IV) [Pt(NH2CH2CH2NH2)3]Br4
NH2CH2CH2NH2 - En [PtEn3]Br4
tetrafenyloboran(III) potasu K[B(Ph)4]
2 di-
3 tri-
4 tetra-
5 penta-
6 heksa-
7 hepta-
14
Związki kompleksowe – nomenklatura(2)
15
stopień utlenienia atomu centralnego zaznacza się cyfrą rzymską, w nawiasie, na końcu nazwy,
np. siarczan tetraaminamiedzi(II)
[Cu(NH3)4]SO4
kompleksy o ładunku ujemnym (aniony kompleksowe) mają do nazwy anionu centralnego dodaną końcówkę –annp. tetrachloromiedzian(II) potasu
K2[CuCl4]
w kompleksach kationowych i zawierających obojętne cząstki podajemy niezmienioną nazwę pierwiastkanp. chlorek tetraakwadichlorochromu(III)
[Cr(H2O)4Cl2]Cl
Synteza związków kompleksowych
16
reakcje przyłączania (addycji)
reakcje podstawiania (substytucji)
reakcje dysocjacji (eliminacji)
reakcje mogą zachodzić ze zmianą stopnia utlenienia
16
Synteza związków kompleksowych
jony:
2[Co(NH3)6]Cl3 + 14 H2O
reakcje dysocjacji (eliminacji) – maleje liczba koordynacyjna metalu
reakcje mogą zachodzić ze zmianą stopnia utlenienia
2[Co(H2O)6]Cl2 + 2NH4Cl + 10NH3 + H2O2
reakcje przyłączania (addycji) – wzrasta liczba koordynacyjna metalu0 4
Ni + 4CO → Ni(CO)4 tetrakarbonylonikiel(0)
reakcje podstawiania (substytucji) – nie zmienia się liczbakoordynacyjna metalu
4
[Cu(NH3)4]2+ + 4H2Otetraaminamiedzi(II)
4
[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3
tetraaquamiedzi(II)
2+ 3+
chlorek heksaaquakobaltu chlorek heksaaminakobaltu
17
Reaktywność związków kompleksowych
Klasyfikacja kompleksów oparta na szybkości reakcji podstawienia, w których kompleksy te uczestniczą.
Kompleksy kinetycznie labilne – czas półtrwania ≤ 1 minuta
roztwór siarczanu miedzi(II) w wodzie +wodny roztwór amoniaku
natychmiastowa zmiana barwy z bladoniebieskiej na ciemnoniebieską
utworzenie aminakompleksu (amoniak zastępuje część cząsteczek wody skoordynowanych z jonem miedzi(II)).
Miedź(II) tworzy kompleksy kinetycznie labilne
http
://fphoto
.photo
shelte
r.com
/image/I0
000U
TLdg1obN
FQ
Reaktywność związków kompleksowych
Klasyfikacja kompleksów oparta na szybkości reakcji podstawienia, w których kompleksy te uczestniczą.
Kompleksy kinetycznie inertne – czas półtrwania > 1 minuta, trudno wymieniają ligandy
zastąpienie cząsteczek wody skoordynowanych z jonem chromu(III) przez inne ligandy – kilka, kilkadziesiąt godzin
Chrom(III) tworzy kompleksy kinetycznie inertne
18
Izomeria związków kompleksowych
19
Rozróżniamy dwa rodzaje izomerii związków kompleksowych:
izomerię strukturalną ten sam sumaryczny skład chemiczny
odmienny skład jonów kompleksowych
stereoizomerię atom centralny otoczony jest we wszystkich izomerach
takimi samymi ligandami,
ligandy są położone względem siebie w różny sposób.
Izomeria strukturalna
Izomeria jonowa:
siarczan pentaaminabromokobaltu(III) - ciemnofioletowy
[Co(NH3)5Br]SO4
ligand samodzielny jon
bromek pentaaminasiarczanokobaltu – czerwony.
[Co(NH3)5SO4]Br
Różnice w reaktywności chemicznej. Pierwszy tworzy osadz roztworem chlorku baru, drugi z azotanem srebra.
[Co(NH3)5Br]SO4 + BaCl2 → [Co(NH3)5Br]Cl2 + BaSO4
[Co(NH3)5SO4]Br + AgNO3 → [Co(NH3)5SO4]NO3 + AgBr
21
24
Izomeria strukturalna
Izomeria hydratacyjna
Jednym z ligandów (samodzielnym jonem) jest cząsteczka wody.
[Cr(H2O)6]Cl3fioletowy chlorek heksaakwachromu(III)
[Cr(H2O)5Cl]Cl2xH2Oniebieskozielony chlorekpentaakwachlorochromu(III)
[Cr(H2O)4Cl2]ClxH2O
zielony chlorek tetraakwadichlorochromu(III)
22
Izomeria strukturalna
Izomeria koordynacyjna - strefa wewnętrzna
i zewnętrzna związku koordynacyjnego są
kompleksami.
heksacyjanochromian(III) heksaaminakobaltu(III)
[Co(NH3)6]3+[Cr(CN)6]3-
heksacyjanokobaltan(III) heksaaminachromu(III)
[Cr(NH3)6]3+[Co(CN)6]3-
Izomeria strukturalna
Izomeria wiązaniowa – ligand może łączyć się z atomem
centralnym za pośrednictwem dwóch różnych atomów.
Ligand NO2- może łączyć się z atomem centralnym za
pośrednictwem:
atomu azotu
jon pentaamina(nitrito-N)kobaltu(III)
[Co(NH3)5NO2]2+
atomu tlenu
jon pentaamina(nitrito-O)kobaltu(III)
[Co(NH3)5ONO]2+
24
O
[~Co-N ]
O
[~Co-O-N-O]
Stereoizomeria
Ligandy rozmieszczone są wokół atomu centralnego w różny
sposób. Liczba koordynacyjna 4Izomeria optyczna:
izomery skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego:
o ten sam kąt
o przeciwnym znaku
izomery nie mają
płaszczyzny symetrii
środka symetrii
Izomeria geometryczna (cis-trans):
izomery mają
płaszczyzny symetrii (przynajmniej jedną)
środek symetrii
nie wykazują czynności optycznej
25
Równowagi w roztworach
tworzenie się kompleksów w roztworze jest wymianą ligandów H2O na inne ligandy, np. NH3
wprowadzone do roztworu.
[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ + 4H2Ojon tetraaquamiedzi(II) jon tetraaminamiedzi(II)
reakcja wymiany nie zachodzi równoczasowo dla wszystkich ligandów, a odbywa się stopniowo.
ustala się przy tym szereg równowag zależnych od stężenia wprowadzonego ligandu.
26
Równowagi w roztworach
Tworzenie się kompleksu aminaniklu(II) przez stopniową eliminację cząsteczek wody z akwakompleksu
1. [Ni(H2O)6]2+ + NH3 ↔ [Ni(H2O)5NH3 ]2+ + H2O
2. [Ni(H2O)5NH3 ]2+ + NH3 ↔ [Ni(H2O)4(NH3)2]2+ + H2O
3. [Ni(H2O)4(NH3)2 ]2+ + NH3 ↔ [Ni(H2O)3(NH3)3]2+ + H2O
…
6. [Ni(H2O)(NH3)5]2+ + NH3 ↔ [Ni(NH3)6]2+ + H2O
Stałe trwałości (przyjmując stężenie wody za stałe):
{[Ni(H2O)5NH3 ]2+}
K1 =
{[Ni(H2O)6]2+} {NH3}
Skumulowana stała trwałości : = K1 x K2
x K3 x … x Kn
{[Ni(NH3)6]2+}
=
{[Ni(H2O)6]2+} {NH3}6
27
Równowagi w roztworach
Skumulowana stała trwałości
{[Ni(NH3)6]2+}
=
{[Ni(H2O)6]2+} {NH3}6
= K1 x K2
x K3 x … x Kn
Wartość ta świadczy o trwałości związku kompleksowego: jeżeli dwa związki,
o tym samym jonie centralnym mają różne skumulowane stałe trwałości, to
związek o większej wartości jest trwalszy od drugiego.
[Ag(NH3)2]+ = 107,2
[Ag(CN)2]- = 1021 - bardziej trwały
Po dodaniu cyjanku do kompleksu amoniakalnego przekształci się on
w kompleks cyjankowy
[Ag(NH3)2]+ + 2CN- ↔ [Ag(CN)2]- + 2NH328
Równowagi w roztworach
Wartości kolejnych stałych trwałości obniżają się.
trudności steryczne (ligandy mają większe rozmiary niż podstawiane cząsteczki wody)
zmiana ładunku kompleksu, gdy ligand jest anionem (przyciąganie elektrostatyczne między dodatnim akwajonem a ujemnym ligandem maleje wraz z przyłączanymi ligandami)
zmniejszenie liczby możliwych miejsc przyłączania ligandów
29
Związki kompleksowe – w przyrodzie
29
Do najważniejszych z nich zaliczamy kompleks żelazo – porfirynowy. Jest on obecny w hemie hemoglobiny i mioglobiny
hemoglobina kompleks żelazo-porfirynowy
łańcuch
polipeptydowy
Budowa hemu
reszta histydyny
imidazolowy łańcuch boczny
histydyny
Wiązania koordynacyjne w
hemoglobinie:
4 wiązania łączące żelazo z
azotami pierścieni pirolowych
wiązanie żelazo – azot
pierścienia imidazolowego
histydyny łączące kompleks
żelazo-porfirynowy z
łańcuchami
wiązanie żelazo – cząsteczka
tlenu, gdy hemoglobina jest w
formie „oxy”
30
Związki kompleksowe – w przyrodzie
witamina B12
jon centralny – kobalt
chlorofil
jon centralny - magnez
32
Związki kompleksowe – w przyrodzie
białka transportujące metale
ceruloplazmina (miedź),
transferyna (żelazo).
33
Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)
[Tc(CNR)6]+
heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet(99mTc)
badanie: mięśnia sercowego
diagnostyka niektórych nowotworów gruczolaków przytarczyc
34
CH3
I
R = CH2-C-OCH3
I
CH3
CNR
I
Tc
ICNR
RNC
RNC
CNR
CNR
Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)
[Tc(CNR)6]+
heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet
(99mTc)
badanie:mięśnia sercowego (scyntygrafia)diagnostyka niektórych nowotworówgruczolaków przytarczyc
CH3
I
R= CH2-C-OCH3
I
CH3
CNR
I
Tc
ICNR
CNR
CNRRNC
RNC
Izotop, przepływając wraz z krwią przez tętnice wieńcowe, jest wychwytywany przez serce.Miejsca, w których znacznik nie zgromadził się, to miejscaupośledzonego przepływu krwi (perfuzji) i upośledzonej żywotności(obszary żywego, ale niekurczącego się mięśnia).
34
http://chorobawiencowa.mp.pl/badania/62362,scyntygrafia-serca
Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)[Tc(CNR) ]+
6
heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc)
badanie:mięśnia sercowego (scyntygrafia)diagnostyka niektórych nowotworówgruczolaków przytarczyc
CH3
I
R= CH2-C-OCH3
I
CH3
CNR
I
Tc
ICNR
CNR
CNRRNC
RNC
Pacjent z gruczolakiem przytarczyc.Po 10 minutach od podania sestamibi radionuklid jest obecnyzarówno w tarczycy, jak i w przytarczycachW ciągu 2 godzin, radionuklid jest wypłukiwany z tarczycy i pozostaje tylko w prawym gruczole przytarczycznym.Strzałka wskazuje gruczolak przytarczycy o masie 794 mg http://www.surgicalcore.org/popup/51725
35
Związki kompleksowe w medycynie
trietylofosfina
złoto –
jon centralny
auranofina[Au(PEt3)(ttag)]+
ttag = tetra-O-acetylotioglukozalek przeciwreumatycznyniszczący wirusy HIV deponowanew limfocytach T
tetraacetylotioglukoza
36
Związki kompleksowe w medycyniecis-platyna cis-diaminadichloroplatyna(II)
cis-[Pt(NH3)2Cl2](lek przeciwnowotworowy)
Cl
IH3N – Pt – Cl
I
NH3
Dla prawidłowego funkcjonowania konieczna jest obecność:
dwóch ligandów aktywnych chemicznie,będących względem siebie w położeniu cis (atomy chloru),
dwóch ligandów niereaktywnych, obojętnych elektrycznie(grupy aminowe).
Reaktywne atomy chloru są wymieniane (substytucja nukleofilowa) na atomy azotu zasad guanylowych w łańcuchu DNA
37
http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8325/8325cisplatin.html
Stosowana w leczeniu:raka jądraraka płucaraka pęcherza moczowegoraka jajnikaraka szyjki i macicynowotworów w obrębie
głowy i szyiczerniaka złośliwymięsakówraka kory nadnerczy
trans-platyna –stereoizomer cis-platynynie jest aktywny biologicznie!
39
Związki kompleksowe w medycynie
Cl H2O Cl- H2O H+ OH
I I I
H3N – Pt – H2O H3N – Pt – H2O H3N – Pt – H2O
I I I
NH3 NH3 NH3
aktywne formy cis-platyny
+ DNA komórki nowotworowej
addukty cis-platyna-DNA
+2++
Cl
I
H3N – Pt – Cl
I
NH3
Cl
I
H3N – Pt – Cl
I
H3N
dyfuzja pasywna
przez błonę komórkową
H2O
Cl-
krew żylna
cytoplazma
cis-platyna
Cl
IH3N – Pt – Cl
I
NH3
trans-platyna –stereoizomer cis-platyny
nie jest aktywny biologicznie!
Związki kompleksowe w medycynie – trans platyna
40
transplatyna w mniejszym stopniu wiąże się z DNA, bowiem ulega inaktywacji przez związki zawierające grupy –SH
transplatyna powoduje większe odkształcenie heliksu DNA niż izomer cis- - jest łatwiej rozpoznawana i wycinana przez układy reperacyjne komórki
cisplatyna blokuje komórki w fazie G2 cyklu komórkowego i następnie indukuje apoptozę
Związki kompleksowe platyny(II) stosowane w leczeniu nowotworów złośliwych
41
Cieślak-Golonka M.Chemia koordynacyjna w zastosowaniach. PWN 2017
Cisplatyna, karboplatyna oraz
oksaliplatyna są powszechnie
stosowanymi lekami
przeciwnowotworowymi na
skalę światową,
Nedaplatyna, heptaplatyna i
lobaplatyna są stosowane
lokalnie w Japonii, Korei i
Chinach
Cisplatyna oraz pozostałe leki Pt(Il) stosowane w praktyce klinicznej
zalicza się do tzw. klasycznych związków platyny
cechy charakterystyczne:
związki platyny występują tylko na drugim stopniu utlenienia
w sferze koordynacyjnej jonu metalu znajdują się:
dwa labilne anionowe i
dwa inertne ligandy neutralne w konfiguracji cis
związek jest obojętny (nie ma ładunku).
42
Związki kompleksowe platyny(II) stosowane w leczeniu nowotworów złośliwych
Związki kompleksowe – chelaty
Ligandy zawierające więcej niż jedną parę elektronów,występujących w różnych atomach tej samej cząsteczkinazywamy ligandami chelatującymi
związki organiczne zawierające tlen, azot lub siarkę
ligandy mogą być cząsteczkami obojętnymi lub anionami
ligandy tworzą z kationem centralnym związki pierścieniowe
najtrwalsze są kompleksy pięcio- lub sześcioczłonowe
w chelatach mogą występować wiązania jonowe i kowalencyjne
związek chelatowy kationu metalu z ligandem organicznym ma
charakter związku organicznego
kompleksy chelatowe mogą być cząsteczkami obojętnymi,
anionami lub kationami
43
44
Związki kompleksowe - EDTAkwas etylenodiaminotetraoctowy