МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА ХИМИИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
По неорганической химии
«Комплексные соединения и их использование
в медицине»
Выполнил: студент 1 курса
естественно-географического
факультета отд. химия/экология Шапошников Леонид
Проверил: кандидат технических
наук, доцент кафедры химии Кочергина Наталья
Ивановна
ВОРОНЕЖ – 2013
Содержание
Введение……………………………………………………………………..3
1. История открытия комплексных соединений…………………………..4
2. Основные понятия
и терминология…………………………….……….6
2.1 Номенклатура комплексных соединений……………………………...8
2.2 Изомерия комплексных соединений…………………………………...9
3. Химическая связь в комплексных соединениях
и особенности их строения……………………………………………………………………..12
3.1 Тип гибридизации атомных орбиталей
комплексообразователя и структура внутренней
сферы комплексного соединения………………..12
4. Химические свойства комплексных соединений……………………...14
4.1 Образование комплексных соединений……………………………...
14
4.2 Диссоциация в растворах……………………………………………...15
4.3 Трансформация или разрушение комплексных
соединений………..17
4.4 Кислотно-основные свойства комплексных
соединений…………...18
5. Использование комплексных соединений
в медицине……………….20
Заключение…………………………………………………………………24
Список литературы………………………………………………………...25
Приложение №1……………………………………………………………26
Введение
Обширную группу химических
соединений составляют комплексы, в
молекулах которых всегда можно
выделить центральный атом или ион,
вокруг которого сгруппированы другие
ионы или молекулярные группы.
Комплексы имеют исключительно
большое значение в живой и
неживой природе. Гемоглобин, благодаря
которому осуществляется перенос кислорода
из легких к клеткам ткани, является
комплексом железа, а хлорофилл, ответственный
за фотосинтез в растениях, – комплексом магния.
Значительную часть природных минералов,
в том числе многие силикаты и полиметаллические
руды, также составляют комплексы. Химические
методы извлечения металлов из руд связаны
с образованием легкорастворимых, легкоплавких
и высоколетучих комплексов. Современная
химическая промышленность широко использует
комплексы как катализаторы.
С использованием комплексов
связана возможность получения
многообразных лаков и красок,
прочных электрохимических покрытий,
фотоматериалов, надежных средств переработки и консервирование
пищи.
Огромное значение имеют
комплексные соединения в аналитической
химии. Они используются как в
качественном, так и в количественном
анализах. Такое разнообразие применений
заключается в особенностях строения, структуре химических связей.
При изучении литературы
я перед собой ставил следующие
цели:
- иметь представление
о следующих понятиях и величинах:
комплексообразователь, лиганд, координационное
число, дентатность лиганда, внутренняя
и внешняя сферы комплексного соединения, хелатные и полиядерные
комплексные соединения;
- знать особенности
химической связи во внутренней
сфере комплексных соединений; условия
образования, разрушения и трансформации
комплексных соединений; особенности
строения и функции в организме миоглобина, гемоглобина, метгемоглобина,
цитохромов, ионофоров;
- понимать сущность
металлолигандного гомеостаза и
возможностей его нарушения и
восстановления; комплексонометрии
и ее применения в санитарно-клиническом
анализе.
1. История открытия комплексных соединений
Основателем координационной
теории комплексных соединений является
швейцарский химик Альфред Вернер (1866—1919). Координационная
теория Вернера 1893 года была первой попыткой
объяснить структуру комплексных соединений.
Эта теория была предложена до открытия электрона Томсоном в 1896 году, и до разработки электронной
теории валентности. Вернер не имел в своём
распоряжении никаких инструментальных
методов исследований, а все его исследования
были сделаны интерпретацией простых химических реакций.
Представления о возможности существования
«дополнительных валентностей», зародившиеся
при изучении четвертичных аминов. Вернер применяет и к «комплексным соединениям».
В статье «К теории сродства и валентности»,
опубликованной в 1891 г., Вернер определяет
сродство как «силу, исходящую из центра атома и равномерно распространяющуюся во
всех направлениях, геометрическое выражение
которой, таким образом, представляет
собой не определённое число основных
направлений, а сферическую поверхность».
Два года спустя в статье «О строении неорганических
соединений» Вернер выдвинул координационную
теорию, согласно которой в неорганических
молекулярных соединениях центральное ядро составляют комплексообразующие атомы.
Вокруг этих центральных атомов расположено
в форме простого геометрического полиэдра определённое число других атомов или молекул. Число атомов, сгруппированных
вокруг центрального ядра, Вернер назвал
координационным числом. Он считал, что
при координационной связи существует
общая пара электронов, которую одна молекула
или атом отдает другой. Поскольку Вернер
предположил существование соединений,
которые никто никогда не наблюдал и не
синтезировал, его теория вызвала недоверие
со стороны многих известных химиков,
считавших, что она без всякой необходимости
усложняет представление о химической
структуре и связях. Поэтому в течение
следующих двух десятилетий Вернер и его
сотрудники создавали новые координационные
соединения, существование которых предсказывалось
его теорией. В числе созданных ими соединений
были молекулы, обнаруживающие оптическую активность, то есть способность
отклонять поляризованный свет, но не
содержащие атомов углерода, которые, как полагали, были
необходимы для оптической активности
молекул.
В 1911 г. осуществление Вернером синтеза
более чем 40 оптически активных молекул,
не содержащих атомов углерода, убедило
химическое сообщество в справедливости
его теории.
В 1913 г. Вернеру была присуждена Нобелевская премия по химии «в знак
признания его работ о природе связей
атомов в молекулах, которые позволяли
по-новому взглянуть на результаты ранее
проведённых исследований и открывали
новые возможности для научно-исследовательской
работы, особенно в области неорганической химии». По словам Теодора
Нордстрема, который представлял его от
имени Шведской королевской академии
наук, работа Вернера «дала импульс развитию
неорганической химии», стимулировав
возрождение интереса к этой области после
того, как она какое-то время пребывала
в забвении.
2. Основные понятия и терминология
Многие процессы жизнедеятельности протекают
с участием комплексных соединений. В
живых организмах присутствуют комплексные
соединения биогенных металлов с белками,
витаминами и другими веществами, играющими
роль ферментов или выполняющими специфические
функции в обмене веществ. Характерной
особенностью комплексных соединений
является наличие в них химической связи,
возникшей по донорно-акцепторному механизму.
Поэтому сущность реакции комплексообразования
заключается во взаимодействии двух противоположностей:
акцептора электронной пары и донора электронной
пары. Комплексные соединения ( лат. complexus — сочетание, обхват)
или координационные соединения (лат. co — «вместе» и ordinatio — «упорядочение») — химическое вещество, в состав которого
входят комплексные частицы. В настоящее
время строгого определения понятия «комплексная
частица» нет. Обычно используется следующее
определение. Комплексная частица —
сложная частица, способная к самостоятельному
существованию в кристалле или растворе, образованная из других, более
простых частиц, также способных к самостоятельному
существованию. Иногда комплексными частицами
называют сложные химические частицы,
все или часть связей в которых образованы
по донорно-акцепторному механизму Теория
комплексных соединений (координационная
теория) была предложена в 1893 г. А. Вернером.
Комплексные соединения состоят из комплексообразователя
и лигандов, образующих внутреннюю сферу,
и внешней сферы, состоящей из ионов, которые
компенсируют заряд внутренней сферы. Комплексообразователь
(центральный атом) - атом или ион, который
является акцептором электронных пар,
предоставляя свободные атомные орбитали,
и занимает центральное положение в комплексном
соединении.
Роль комплексообразователя в основном
выполняют атомы или ионы d- и f-металлов,
так как они имеют много свободных атомных
орбиталей на валентном уровне и достаточно
большой положительный заряд ядра, за
счет которого способны притягивать электронные
пары доноров.
Число свободных атомных орбиталей, предоставляемых
комплексообразователем, определяет его
координационное число. Координационное число (КЧ) —
число связей, образуемых центральным
атомом с лигандами. Для комплексных соединений
с монодентантными лигандами КЧ равно
числу лигандов, а в случае полидентантных
лигандов — числу таких лигандов, умноженному
на дентатность.
Значение координационного числа комплексообразователя
зависит от многих факторов, но обычно
оно равно удвоенному заряду иона комплексообразователя.
Наиболее характерными координационными
числами являются 2, 4 и 6.
В комплексных соединениях комплексообразователь
связан с лигандами. Лиганды - молекулы или
ионы, которые являются донорами электронных
пар и непосредственно связаны с комплексообразователем.
Обычно лигандами являются ионы или молекулы,
содержащие неподеленные (свободные) электронные
пары или достаточно подвижные π-электронные
пары. Внутренняя сфера комплексного соединения — центральный атом со связанными с ним
лигандами, то есть, собственно, комплексная
частица. Внешняя сфера комплексного соединения — остальные частицы, связанные с комплексной
частицей ионной или межмолекулярными связями, включая водородные.
По числу связей, образуемых лигандом
с комплексообразователем, лиганды делятся
на моно-, би- и полидентатные.
Монодентатные лиганды выступают донорами
только одной электронной пары. Такие
лиганды чаще всего бывают нейтральными
(молекулы Н2О, NH3, CO, NO и др.)
и заряженными (ионы CN−, F−, Cl−, OH−,
SCN−, S2O32− и др.).
К бидентатным лигандам относятся молекулы
или ионы, содержащие две функциональные
группы и способные выступать донорами
двух электронных пар. Примерами служат
лиганды: ион аминоуксусной кислоты H2N — CH2 — COO−, оксалатный ион −O — CO — CO — O−, карбонат-ион
СО32−, сульфат-ион SO42−.
Полидентатные лиганды служат донорами
нескольких электронных пар. Например,
комплексоны — органические лиганды, содержащие
в своём составе несколько групп −С≡N или −COOH(этилендиаминтетрауксусная кислота —
ЭДТА). Циклические комплексы, образуемые
некоторыми полидентатными лигандами,
относят к хелатным (гемоглобин и др.)
В соответствии со своей дентатностью
лиганд может образовывать соответствующее
число связей с комплексообразователем.
Лиганды координируются вокруг комплексообразователя,
образуя внутреннюю сферу комплексного
соединения.
Внутренняя сфера комплексного соединения
есть совокупность центрального атома
и лигандов.
Во внутренней сфере связь комплексообразователя
с лигандами имеет донорно-акцепторное
происхождение и является ковалентной.
При записи формулы комплексного соединения
его внутреннюю сферу выделяют квадратными
скобками, например [NН4]С1; К3[Fе(СN)6].
Заряд внутренней сферы комплексного
соединения равен алгебраической сумме
зарядов комплексообразователя и всех
лигандов.
По природе
комплекса различают:
1) Катионные комплексы образованы в результате координации
вокруг положительного иона нейтральных молекул (H2O, NH3 и др.).
[(Zn(NH3)4)]Cl2 — хлорид тетраамминцинка(II)
[Co(NH3)6]Cl2 — хлорид гексаамминкобальта(II)
2) Анионные комплексы: в роли комплексообразователя
выступает атом с положительной степенью окисления, а лигандами являются
простые или сложные анионы.
K2[BeF4] — тетрафторобериллат(II)
калия
Li[AlH4] — тетрагидридоалюминат(III) лития
K3[Fe(CN)6] — гексацианоферрат(III) калия
3) Нейтральные комплексы образуются при координации молекул
вокруг нейтрального атома, а также при
одновременной координации вокруг положительного иона — комплексообразователя
отрицательных ионов и молекул.
[Ni(CO)4] — тетракарбонилникель
[Pt(NH3)2Cl2] — дихлородиамминплатина(II)
По природе лиганда выделяют:
1) Аммиакаты — комплексы, в которых лигандами
служат молекулы аммиака, например: [Cu(NH3)4]SO4,
[Co(NH3)6]Cl3, [Pt(NH3)6]Cl4 и др.
2) Аквакомплексы — комплексы, в которых лигандом выступает вода: [Co(H2O)6]Cl2, [Al(H2O)6]Cl3 и др.
3) Карбонилы — комплексные соединения,
в которых лигандами являются молекулы оксида углерода(II): [Fe(CO)5], [Ni(CO)4].
4) Ацидокомплексы — комплексы, в которых
лигандами являются кислотные остатки. К ним относятся комплексные
соли: K2[PtCl4], комплексные кислоты:
H2[CoCl4], H2[SiF6].
5) Гидроксокомплексы — комплексные соединения,
в которых в качестве лигандов выступают
гидроксид-ионы: Na2[Zn(OH)4], Na2[Sn(OH)6]
и др. В соответствии с зарядом внутренней
сферы комплексные соединения подразделяются
на анионные, катионные и нейтральные
комплексы. Заряд внутренней сферы компенсируется
ионами внешней сферы комплексного соединения.
Внешняя сфера комплексного соединения
— это положительно или отрицательно
заряженные ионы, нейтрализующие заряд
комплексного иона и связанные с ним ионной
связью. Суммарный заряд ионов внешней
сферы всегда равен по значению и противоположен
по знаку заряду внутренней сферы, чтобы
молекула комплексного соединения была
электронейтральна.
Более наглядно комплексное соединение
можно показать так:
2.1 Номенклатура комплексных соединений
В названии комплексного
соединения первым указывают отрицательно
заряженную часть — анион, затем положительную часть — катион.
Название комплексной части начинают
с указания состава внутренней сферы.
Во внутренней сфере прежде всего называют лиганды — анионы, прибавляя к их латинскому
названию окончание «о». Например: Cl− —
хлоро, CN− — циано, SCN− — тиоцианато,
NO3− — нитрато, SO32− —
сульфито, OH− — гидроксо и т. д. При
этом пользуются терминами: для координированного аммиака — аммин, для воды — аква, для оксида углерода(II) — карбонил.
Число монодентатных лигандов указывают греческими числительными:
1 — моно (часто не приводится), 2 — ди, 3 —
три, 4 — тетра, 5 — пента, 6 — гекса. Для полидентатных лигандов (например, этилендиамин,
оксалат) используют бис-, трис-, тетракис-
и т. д.
Затем называют комплексообразователь,
используя корень его латинского названия
и окончание -ат, после чего римскими цифрами
указывают (в скобках) степень окисления комплексообразователя.
После обозначения состава внутренней
сферы называют внешнюю сферу. В названии
нейтральных комплексных частиц комплексообразователь
указывается в именительном падеже, а
степень его не указывается, так как она
однозначно определяется, исходя из электронейтральности
комплекса. Примеры:
K3[Fe(CN)6] — гексацианоферрат(III) калия
(NH4)2[PtCl4(OH)2] — дигидроксотетрахлороплатинат(IV)
аммония
[Сr(H2O)3F3] — трифторотриаквахром
[Сo(NH3)3Cl(NO2)2] — динитритохлоротриамминкобальт
[Pt(NH3)4Cl2]Cl2 — хлорид
дихлоротетраамминплатины(IV)
[Li(H2O)4]NO3 — нитрат тетрааквалития
2.2 Изомерия комплексных соединений.
В статистическом аспекте стереохимии центральным оказывается явление изомерии координационных соединений. Свойство
изомерии химических соединений было известно ещё при разработке классической теории химического строения. Изомерия
молекул открыта в 1823 г. Ю.Либихом, который обнаружил, что серебряная
соль гремучей кислоты и изоцианат серебра имеют один и тот
же элементный состав, но разные физические
и химические свойства.
Под изомерией понимают
способность к разному взаимному расположению атомов и атомных фрагментов в соединениях одинакового
общего состава, диктующую отличия в химических
и физических свойствах соответствующих
соединений —изомеров. В случае координационных
соединений указанные различия могут
быть связаны как со спецификой расположения
лигандов во внутренней координационной сфере,
так и с распределением лигандов между
внутренней и внешними сферами.