/
Author: Эйхгорн Г.
Tags: неорганическая химия материальные основы жизни биохимия молекулярная биология биофизика
Year: 1978
Text
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
БИОХИМИЯ
INORGANIC BIOCHEMISTRY
VOLUME 1
Edited by
GUNTHER L. EICHHORN
National Institutes of Health, Gerontology
Research Center, Baltimore City Hospitals,
Baltimore, USA
ELSEVIER SCIENTIFIC PUBLISHING COMPANY
AMSTERDAM — OXFORD — NEW YORK
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
БИОХИМИЯ
РЕДАКТОР
Г. ЭЙХГОРН
1
ПЕРЕВОД с английского
под редакцией
доктора хим. наук
М. Е. ВОЛЬПИНА
и акад. АН УССР
К. Б. ЯЦИМИРСКОГО
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» • МОСКВА 1978
УДК 546+577.1
Первый и пока единственный в мире фундаментальный труд в
области неорганической биохимии — одной из самых молодых отрас-
лей науки. Она охватывает такие вопросы, как исследование роли
металлов в биологических системах на молекулярном уровне, моде-
лирование биологических процессов, химическая бионика.
В т. 1 кратко обсуждены основные положения химии коорди-
национных соединений, устойчивость комплексов и методы опреде-
ления их структуры. Рассмотрены комплексы металлов с белками,
их роль в жизненно важных процессах и отдельные представители
класса металлопротеинов. Дан обзор металлофермеитов, их струк-
тур и механизмов, посредством которых ионы металлов участвуют
в ферментативной активности.
Книга предназначена как для исследователей, непосредственно
работающих в области бионеорганической химии, так и для пред-
ставителей смежных областей — химиков-органиков, физико-хими-
ков, биохимиков, медиков.
РедСГ^ия литературы по химии
© 1973, 1975 by Elsevier Scientific
Publishing Company, Amsterdam
20504-090
H 78—90-78 © Перевод на русский язык, «Мир», 1978
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой
самую полную и исчерпывающую из всех существующих в настоя-
щее время монографий, посвященных проблемам неорганической
биохимии.
Вопросы, находящиеся на стыке двух областей науки — неор-
ганической химии и биологии, в последние годы привлекают все
больше внимания исследователей, работающих и в том, и в дру-
гом направлениях научных поисков. Не случайно в последнее вре-
мя появилось много книг, брошюр и статей, посвященных бионеор-
ганической химии, т. е. по сути тем же проблемам, но названным
несколько иначе. Повышенный интерес к этим вопросам вызван
не только развитием биологии, биохимии, неорганической химии,
но и необходимостью решения многих прикладных задач из об-
ласти медицины, сельского хозяйства, охраны окружающей среды
и т. д. Многие из поднятых в книге вопросов не могли быть реше-
ны раньше из-за отсутствия необходимых точных методов иссле-
дования и современной аппаратуры.
Отдельные главы книги, написанные разными авторами, неод-
нородны по содержанию. Первые главы в обоих томах посвяще-
ны по сути дела проблемам «чистой» координационной химии,
в других разделах изложены вопросы, относящиеся главным об-
разом к чисто биохимическим проблемам.
Для решения задач неорганической биохимии необходимо зна-
ние электронного строения природных комплексов, включающих
биометаллы (от одного до нескольких атомов) и соответствующее
окружение (ближайшие и более удаленные атомы). В книге рас-
смотрена электронная структура природных комплексов, содержа-
щих в своем составе железо (гл. 3). К сожалению, этого не сде-
лано по отношению к биокомплексам других жизненно важных
металлов.
Большое внимание в книге уделено вопросам окислительно-
восстановительных реакций, причем в двух главах (гл. 19 и 20)
рассматриваются общие вопросы протекания этих реакций в хи-
мии координационных соединений и при катализе ионами метал-
6 Предисловие редакторов перевода
лов. Специальная глава (гл. 23) посвящена сопоставлению хими-
ческой и биологической фиксации азота. Интересен материал
(гл. 14), касающийся функции металлов в металлоферментах.
Здесь дан обстоятельный критический анализ современных мето-
дов выяснения роли ионов металлов в ферментативных реакциях.
Отдельные очень важные классы бионеорганических соедине-
ний рассмотрены в книге достаточно подробно. К таким соедине-
ниям можно отнести сидерохромы, различные ионофоры, ферри-
тин, трансферрины, церулоплазмин, гемэритрин, гемоцианин, кар-
боксипептидазы и карбоангидразу, киназы, оксидазы, ферредокси-
ны, гемоглобин и миоглобин, цитохромы Ъ и с, цитохромоксидазы,
пероксидазы и каталазы, хлорофилл, корриноиды, комплексы ме-
таллов с витамином Вб, флавином, нуклеозидами, нуклеотидами,
полинуклеотидами и нуклеиновыми кислотами. Насколько нам
известно, такое детальное рассмотрение строения и функций пе-
речисленных соединений до сих пор нигде не проводилось.
Книга написана весьма квалифицированными авторами. Груп-
пировка материала производилась главным образом на основании
принципов, широко используемых собственно в биохимии.
Книга, которая представляется нам весьма полной и интерес-
ной, несомненно должна заинтересовать широкие круги специали-
стов в области молекулярной биологии, биохимиков и химиков-
неоргаников и особенно тех, кто занимается проблемами бионеор-
ганической химии и координационной химии применительно к
биологической химии.
М. Вольпин
К- Яцимирский
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА
АМЕРИКАНСКОГО ИЗДАНИЯ
Название «неорганическая биохимия» до недавнего времени
казалось большинству, да многим кажется и теперь, парадоксаль-
ным, так как биохимия звучит как «органическая химия». Синтез
мочевины Вёлером в 1828 г. показал, что органическая химия не
обязательно должна быть биохимией, но еще целое столетие после
этого биохимические явления продолжали ассоциироваться пре-
имущественно с органической химией. В последние годы четкое
разграничение между классическими химическими дисциплинами,
так же как и между научными дисциплинами вообще, было нару-
шено. В ходе этого процесса стала очевидной полезность погра-
ничных областей между классическими разделами химии.
Общность интересов неорганической химии и биохимии была,
конечно, уже давно очевидна отдельным исследователям. Ученым,
занимающимся науками о жизни, приходилось сталкиваться в
своих исследованиях с проблемами неорганической химии и ре-
шать их. Химики-неорганики также иногда понимали, что их ра-
бота имеет отношение к биологическим процессам, и руководство-
вались этим в развитии своих исследований. Однако только
в 1950 г. были установлены контакты между химиками-неоргани-
ками и биохимиками благодаря созыву конференции по вопросам,
представляющим взаимный интерес, а в последние несколько лет
такие конференции стали обычными.
Широкое распространение недавно возникшего интереса к не-
органической биохимии делает эту монографию сейчас даже более
своевременной, чем это было тогда, когда издатели впервые пред-
ложили написать такую книгу. То, что предполагалось вначале
как монография одного или двух авторов, разрослось в двухтом-
ное издание, включающее 34 главы, написанные 45 авторами.
Большое число работ в этой области, опубликованных в печати,
позволяет дать исчерпывающее изложение вопроса.
Хотя материалы некоторых симпозиумов, посвященных этим
вопросам, были опубликованы, а также появилось несколько об-
зоров, необходимость исчерпывающей монографии по неорганиче-
ской биохимии стала очевидной; в связи с этим следовало опре-
8
Предисловие редактора американского издания
делить и ограничить круг вопросов, которые должна охватывать
такая монография. Очевидно, что наличие в биологических веще-
ствах таких элементов, как сера, азот или фосфор, не оправдыва-
ет их обсуждения здесь даже в том случае, когда химия этих
веществ, определяемая этими элементами, имеет «неорганиче-
скую» сущность, так как это привело бы к совпадению неорга-
нической биохимии с биохимией вообще. Термин «неорганическая
биохимия», по-ъидимому, должен ассоциироваться с идеей участия
ионов металлов в биологических процессах. Поэтому мы приняли
произвольное, но, надеюсь, оправданное и полезное определение
неорганической биохимии как приложения принципов координа-
ционной химии металлов к биологическим проблемам. Для того
чтобы еще больше ограничить круг рассматриваемых вопросов,
мы здесь не будем касаться применения координационных соеди-
нений в качестве лекарственных препаратов и пищевых продуктов,
за исключением краткого упоминания об этом во введении.
После определения круга рассматриваемых проблем 'встает
вопрос о том, как их скомпоновать. По-видимому, возможны раз-
личные схемы изложения. Одна из них — взять за основу атом
металла, имеющийся в соединении, т. е. все соединения меди
должны быть рассмотрены вместе, так же как соединения желе-
за, цинка и т. д. Такое рассмотрение представляло бы несомнен-
ную ценность. Однако мы предпочли в этой монографии взять за
основу структуру лигандов, полагая, что таким образом можно
добиться большей связности изложения. Материал по главам рас-
положен таким образом, чтобы обеспечить логическое развитие,
основанное на структурном сходстве.
Многие биологические координационные соединения пред-
ставляют собой макромолекулы. Мы предполагали уделить вни-
мание главным образом химии металла, но для ее понимания ча-
сто существенно рассмотреть, как влияет металлическая компо-’’
нента на конформацию макромолекулы, и поэтому значительное
внимание было уделено также «органической» части молекулы.
В то же время, поскольку основу этой книги составляет коорди-
национная химия, были включены некоторые существенно «неор-
ганические» главы. Таким путем могли быть установлены отноше-
ния между биологическими координационными соединениями и
«модельными» неорганическими комплексами. Во многих главах
биологические вещества и модельные соединения рассматривают-
ся вместе, но основное внимание уделяется биологическим веще-
ствам.
Часть I имеет своей целью дать биохимику достаточное пред-
ставление об основах неорганической химии и избавить его от
необходимости обращаться к учебникам или литературе по неор-
ганической химии для того, чтобы понять многие (но, конечно, не
все) неорганические явления, встречающиеся в последующих раз-
Предисловие редактора американского издания
9
делах этой монографии или в его собственных исследованиях.
Даны многие «ключи» для объяснения неорганических биохими-
ческих явлений. Гл. 1 представляет собой введение в химию коор-
динационных соединений и не ограничивается только ионами ме-
таллов, которые в настоящее время известны как «биологиче-
ские», так как структура и стереохимия могут быть лучше поняты
путем ссылок на наилучшие примеры независимо от того, какие
ионы металлов использованы для этой цели. Так, даже комплек-
сы платины могут иметь биологическое значение (см. «Введе-
ние»). В гл. 2 развиваются концепции, касающиеся структуры и
устойчивости, наиболее ярко представленные на примере сравне-
ния устойчивости различных биологических комплексов. Гл. 3
иллюстрирует полезность исследований, основанных на рассмот-
рении электронной конфигурации для выяснения строения неко-
торых веществ, описанных в последующих главах этой книги.
Многие биологические координационные соединения являют-
ся белками; они обсуждены в частях II—VI. Часть II начинается
с систематического рассмотрения (гл. 4) данных о комплексах
металлов с мономерами белков — аминокислотами и простыми
олигопептидами. Затем следует обзор некоторых встречающихся
в природе олигопептидов, которые в организмах обычно связыва-
ются с железом (гл. 5) и со щелочными металлами (гл. 6). Неко-
торые из этих веществ — олигопептиды, а другие — нет, но коор-
динационные свойства этих пептидных и непептидных соединений
во многом сходны. В гл. 7 рассматривается взаимодействие ионов
металлов с белками, для того чтобы продемонстрировать типы
координационных центров макромолекул, с которыми могут свя-
зываться ионы металлов.
В части III обсуждены некоторые биологические металлопро-
теины, принимающие участие в хранении и транспорте железа
(гл. 8 и 9) и меди (гл. 10), а также некоторые связывающие
кислород металлопротеины, обнаруженные в низших организмах
(гл. 11 и 12).
В части IV рассмотрены структуры металлоферментов и ме-
ханизмы, посредством которых ионы металлов принимают участие
в ферментативной активности, в частности, в разрыве связей.
В гл. 13 обсуждаются способы, которыми ионы металлов вызыва-
ют химические изменения в лигандах без помощи белков. В гл. 14
дан обзор металлоферментов, не рассматривающихся отдельно
в последующих главах. В гл. 15 и 16 некоторые металлоферменты
рассмотрены более подробно, частично из-за более обширной ин-
формации об этих металлоферментах. доступной в настоящее вре-
мя; другие ферменты рассмотрены отдельно в гл. 17 и 18 вследст-
вие относительной легкости классификации этих групп ферментов.
Те ферменты, которые принимают участие главным образом в ре-
акциях окисления — восстановления, а также ферменты, содержа-
10
П редисловие редактора американского издания
щие порфирины или другие простетические группы, рассмотрены
в т. 2 (гл. 19—34).
Ферментативные реакции окисления — восстановления специ-
ально рассматриваются в части V, которая начинается с обсужде-
ния (гл. 19) реакций окисления — восстановления координацион-
ных соединений, включающего изложение теории и ее применение
к биологическим системам. Гл. 20 содержит классификацию реак-
ций оксигенирования с помощью металлов в присутствии и в от-
сутствие ферментов. В гл. 21 обсуждены различные типы медьсо-
держащих оксидаз. Белки типа ферредоксина участвуют в пере-
носе электрона, они охарактеризованы в гл. 22, за которой следу-
ет гл. 23, посгященная фиксации азота и ферментам нитрогеназы.
В рассмотренных до сих пор белках ионы металлов были при-
соединены к боковым цепям аминокислот белков. В части VI мы
начинаем рассмотрение белков, в которых ионы металлов присо-
единены не непосредственно к белкам, а к «простетическим труп-
пам» или «коферментам». Наиболее распространенной простети-
ческой группой является порфирин; за обсуждением порфиринов
в гл. 24 следуют гл. 25—28, посвященные железопорфириновым
соединениям, гемопротеинам, и гл. 29, в которой обсуждается маг-
ниевое производное порфирина, хлорофилл. На основании струк-
турного сходства с порфиринами коррины, а также коферменты
и витамин В12 рассматриваются в гл. 30.
Часть VII посвящена комплексам металлов с другими просте-
тическими группами. Нельзя сказать с определенностью, что ком-
плексы металлов с витамином Вб (гл. 31) имеют биологическое
значение, но они представляют собой прекрасные модели фермен-
тативных процессов, катализируемых витамином Be- Комплексы
металлов с флавинами и флавопротеинами рассмотрены в гл. 32.
Часть VIII о взаимодействии ионов металлов с нуклеиновыми
кислотами начинается с гл. 33, в которой рассмотрены комплексы
металлов с нуклеозидами и нуклеотидами; они обладают некото-
рым сходством с металлофлавиновыми комплексами. Наконец,
в гл. 34 обсуждаются комплексы металлов с полинуклеотидами
и нуклеиновыми кислотами, а также их биологическое значение.
Хотя такой порядок изложения имеет ряд преимуществ, мож-
но было бы предложить и другую последовательность, также об-
ладающую достоинствами. Так, можно оспаривать целесообраз-
ность включения цитохромов при рассмотрении реакций окисле-
ния — восстановления до обсуждения порфиринов. Однако кажет-
ся предпочтительным обсудить порфирины перед цитохромами;
действительно, часть VI в основном касается реакций окисле-
ния — восстановления, и поэтому логически она следует за ча-
стью V. Могло бы быть оправданно помещение части VIII перед
частью IV, так как комплексы нуклеотидов, обсужденные лишь
в гл. 33, важны для изложения материала в гл. 18. Однако тогда
Предисловие редактора американского издания 11
гл. 34 была бы не на месте. Очевидно, не существует полностью
удовлетворительной последовательности, и поэтому некоторые
вопросы пришлось повторять в различных местах. Мы избегали
повторения во всех случаях, когда 'при этом не страдала ясность
изложения. Для того чтобы достигнуть этого, а также и для дру-
гих целей, поддерживались постоянные контакты между автора-
ми, а также между авторами и редактором.
Сотрудничество авторов (некоторые из них сделали ценные
указания и к тем частям, которые были написаны не ими) оказа-
лось очень полезным. Я получил ценные советы от очень многих
из них. Я обязан моим коллегам Натану А. Бергеру, Джеймсу
Дж. Бутсову, Патриции Кларк, Джейн Гейм, Джозефу Пита, Кар-
мен Ричардсон, Джозефу Рифкинду, Йонгу А. Шину и Эдварду
Тариену за их помощь во время подготовки и редактирования
этой книги.
Я благодарю Национальный институт здоровья, субсидировав-
ший написание этой книги.
Я очень обязан моему секретарю Жаклин Блейк за ее дели-
катную помощь на всех этапах издания этой книги. И наконец,
я должен поблагодарить мою жену и детей за их терпение во
время осуществления этого проекта, которое заняло значительно
больше времени, чем мы предполагали.
Г. Эйхгорн
ВВЕДЕНИЕ
Термин «бионеорганическая химия» впервые появился как на-
звание ряда недавно состоявшихся симпозиумов, а также как за-
главие нового научного журнала. Название настоящей моногра-
фии было задумано еще до появления «изомеров связи» (см.
гл. 1, разд. 5.1.1,б). Можно было бы последовать уже установив-
шейся тенденции, но вместо этого было решено сохранить пред-
полагавшееся ранее название этой книги. Одна из причин такого
решения заключалась в том, что существование двух названий
иллюстрирует различные ударения, которые биохимики и химики-
неорганики могут делать на различных составных частях этого
названия. Первые смотрят на неорганическую химию как на сред-
ство объяснения химического поведения комплексов металлов с
биологическими молекулами. Вторые рассматривают биохимию
как область, в которой могут найти подходящее применение их
открытия. Окончательный результат этих двух подходов, конечно,
один и тот же, аналогично тому как названия «изомеров связи»
имеют одно и то же значение. Однако исходная точка ученого
важна для определения того, что именно он должен узнать для
достижения своей цели, и поэтому для того, что он откроет на
этом пути.
Главное различие между химиками-неорганиками и биохими-
ками заключается в том, что первые обычно имеют дело с малы-
ми молекулами, которые иногда можно рассматривать как «моде-
ли» более сложных систем, которыми занимаются вторые. Фунда-
ментальный вопрос, с которым постоянно сталкиваются неоргани-
ческие биохимики, состоит в том, имеет ли смысл изучать модели,
если в наличии имеются «природные» вещества.
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо реалисти-
чески оценить методы, с помощью которых были выяснены био-
логические механизмы. Живая клетка так сложна, что ее функ-
ционирование можно понять только путем изолирования ее от-
дельных частей, причем всегда неизбежен риск, что изолированная
часть функционирует иначе, чем в клетке. Поэтому изолирован-
ные компоненты представляют «модели» этих компонентов в
14
Введение
клетке. Например, цитохром с in vitro в действительности пред-
ставляет модель цитохрома с в клетке. Но весьма вероятно, что
многие характеристики изолированного цитохрома с одинаковы с
характеристиками клеточного цитохрома с. Действительно, после
того как были выделены и изучены все другие молекулы, с кото-
рыми связан цитохром с в клетке, стало понятно поведение ци-
тохрома с в клетке.
Таким же образом неорганическое соединение, например про-
стой порфириновый комплекс, который может принимать участие
в переносе электрона и, возможно, с тем же окислительным по-
тенциалом, что и изолированный цитохром с, может служить мо-
делью цитохрома с, в то в.ремя как механизм переноса электрона
цитохромом с еще не понятен. Изучение простого порфиринового
комплекса может помочь пониманию изолированного цитохрома с,
а исследование изолированного цитохрома с в свою очередь мо-
жет помочь пониманию клеточного цитохрома с. Имея в виду та-
кую перспективу, можно полагать, что модели могут быть полез-
ны на всех уровнях. Конечно, при исследовании моделей необхо-
димо помнить об ограничении, которое представляет аксиому: мо-
дель системы не является самой системой. Химики-неорганики,
так же как и биохимики, могут внести положительный вклад,
если будут помнить об этом ограничении, и отрицательный вклад,
если они о нем забудут.
Хотя в данной работе основное внимание уделяется биологи-
ческим системам, в ней рассматриваются также многие модели,
иногда в отдельных главах, а иногда параллельно с природными
веществами, для конкуренции с которыми они предназначены.
Часто делаются корреляции, надеюсь — имея в виду приведенное
выше ограничение. Если существование неорганической биохимии
имеет какой-либо смысл, то такие корреляции должны приводить
к плодотворным результатам.
Тогда — в чем заключается важность этих результатов? В чем
состоит основная цель неорганической биохимии?
На эти вопросы можно ответить, рассмотрев пограничную об-
ласть этой части биологической науки. Существуют две цели
изучения биологической науки. Первая, как во всех открытиях, —
изучить явление, потому, что оно существует, понять, как устроены
вещи. Второе — добиться понимания нормальных и аномальных
процессов, происходящих в клетке, которое в конечном итоге
должно привести к победе над болезнью. Эти цели неорганиче-
ская биохимия разделяет с другими биологическими науками*.
Любознательность ученого и его желание быть причастным к дан-
* Неорганическая биохимия может иметь и другие прикладные аспекты,
в частности решение вопросов, связанных с сельскохозяйственным производством
и охраной от загрязнений окружающей среды. — Прим. ред.
Введение
15
ному вопросу в истории часто заставляют его руководствоваться
этими обеими целями.
В этой монографии не сделано никаких попыток дать перечень
применений неорганической биохимии в медицине, частично из-за
того, что мы считали такие попытки выходящими за рамки данной
книги. Ранее были опубликованы обзоры, касающиеся фармако-
логических и пищевых аспектов координационной химии [1, 2].
Тем не менее во введении мы хотим привести некоторые примеры,
иллюстрирующие практическое следствие изучения неорганиче-
ской биохимии.
Наиболее наглядное и широко распространенное использова-
ние комплексообразующих агентов в медицине — это выведение
нежелательных ионов металлов из организма. Такие лиганды, как
этилендиаминтетрауксусная кислота, пеницилламин и т. п., ис-
пользуются при лечении заболеваний, связанных с избыточным
содержанием железа или меди (гл. 10), а также при борьбе с ток-
сичным влиянием проникших в организм ионов металлов [3—5].
Недавно было обнаружено, что применение пеницилламина
может привести к резкому понижению остроты восприятия вкуса
[6—8]. Однако этого не наблюдается при лечении болезни Виль-
сона, при которой происходит накопление ионов Си(II) в организ-
ме (гл. 10). Была выдвинута гипотеза, что понижение остроты
восприятия вкуса обусловлено связыванием ионов меди в ком-
плекс и, следовательно, ионы меди каким-то образом принимают
участие в продуцировании вкусовых ощущений. Отсутствие пони-
жения остроты восприятия вкуса при болезни Вильсона обуслов-
лено столь высоким содержанием Си2+, что применение пени-
цилламина не может превысить влияние Си2+. Если эта гипотеза
правильна, то применение Си (II) должно восстановить остроту
восприятия вкуса, потерянную в результате действия комплексо-
образующих агентов. Эксперименты показали, что ионы меди дей-
ствительно восстанавливают восприятие вкуса; более того, ионы
Zn(II) и Ni(II) действуют аналогичным образом и восстанавли-
вают чувство вкуса, потерянное вследствие лечения пенициллами-
ном или из-за болезни. Таким образом, ионы металлов, по-види-
мому, имеют отношение к продуцированию чувства вкуса [4].
Недавно было обнаружено, что некоторые комплексы платины
обладают потенциальной антиканцерогенной активностью [9].
Активными являются комплексы 4«c-[Ptn(NH3)2C12], [PtnenC12],
4«c-[Ptn(NH3)2Cl4] и [PtIvenCl4]*. 'С другой стороны.
[Ptn(NH3)4]Cl2 и транс- [PtIV(NH3)2Cl4] неактивны. Активность
в ингибировании развития опухоли коррелировалась с ингибиро-
ванием репликации ДНК [Ю] (гл. 34). Нет необходимости гово-
еп — этилендиамин.
16
Введение
рить, что эти биологические явления представляют несомненный
интерес для химиков-неоргаников.
Следует ожидать, что такие открытия, как применение ионов
металлов для восстановления восприятия вкуса или применение
комплексов металлов для рассасывания опухоли, должны стиму-
лировать развитие неорганической 'биохимии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Chaberek S., Martell А. Е., Organic Sequestering Agents, Wiley, New York, 1959,
p. 416.
2. Schulman A., Dwyer F. P., in F. P. Dwyer, D. P. Mellor (eds.), Chelating
Agents and Metal Chelates, Academic Press, New York, 1964, p. 383.
3. Seven M. J., Johnson L. A. (eds.), Metal Binding in Medicine, Lippincott, Phi-
ladelphia, 1960.
4. Johnson L. A., Seven M. J. (eds.). Federation Proc., № 3, 20 (1961).
5. Gross F. (ed.), Iron Metabolism, Springer Verlag, Berlin, 1964.
6. Henkin R. I., Keiser H. R., Jaffe I. A., Sternlieb I., Scheinberg J. A., Lancet,
1967, 1268.
7. Henkin R. J., Bradley D. F., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 62, 30 (1969).
8. Henkin R. I., Graziadei P. P. G., Bradley D. F., Ann. Internal Med., 71, 791
(1969).
9. Rosenberg B., van Camp L., Trosko J. E., Mansour V. H., Nature, 222, 385
(1969).
10. Harder H. C., Rosenberg B., Int. J. Cancer, 6, 207 (1970). Earlier references
can be found in this paper.
ЧАСТЬ I
КООРДИНАЦИОННАЯ ХИМИЯ*
ГЛАВА 1
СТРУКТУРА И СТЕРЕОХИМИЯ
КООРДИНАЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Д. А. Букингем
Buckingham D. A., Research School of Chemistry, Australian
National University, Canberra, Australia
J, ВВЕДЕНИЕ
Знание структуры и стереохимии важно для всех отраслей хи-
мии, так как позволяет лучше понять свойства химических со-
единений в основном состоянии, а в некоторых случаях — ив воз-
бужденном состоянии. В неорганической координационной химии
такая информация имела огромное значение для развития теорий
координационной связи, т. е. связи между донорным атомом пли
донорными атомами лиганда и атомом металла. Однако знание
структуры само по себе недостаточно для определения химической
связи, и в настоящее время эта область координационной химии
находится на ранней стадии развития. Более результативным бы-
ло применение структурных исследований к реагентам, продуктам
и переходным состояниям химических реакций. В этой области
химической динамики структурные исследования сочетали с кв-
иетическими для того, чтобы понять механизмы химических ре-
акций, которых так много предложила неорганическая координа-
ционная химия. Такой подход особенно желателен по отношению
к предмету, рассматриваемому в этой книге, поскольку ионы ме-
таллов необходимы для многих биологических процессов, но ме-
ханизм их участия -в большинстве случаев неизвестен. В данной
* Сокращения, использованные в этой главе: еп — этилендиамин; рп — 1,2-
диамннопропан; dien — диэтилентрнамин; trien — триэтилентетрамнн; tetraen —
тетраэтиленпентамнн; асас — ацетилацетон; salen — салнцплальэтиленднамин;
dpm — дипнвалоилметан; Gly — глицин; Gly-Gly •— глицнлглицин; ру — пиридин;
dipy — дипнридил; terpy — терпириднл; diars — диарсин; ЭДТА — этнлендиамнн-
тетрауксусная кислота; СН3-еп — метилэтнлендиамин; tren — N(CH2CH2NH2)3;
urea — мочевина; ПДТА — пропилендиамннтетрауксусная кислота; ОЭДТА —
№-(2-оксиэтил)этилендиамин-Ь1,К,№-триуксусиая кислота; асат — ацетамид;
glyam — глицннамнд; sal — салицилальдегид; bzp — бензоилпируват: sarc — сар-
козннат; bdam — бутандиамин; tn — триметиленднамнн; ох — оксалат; sar — сар-
козин; ditn — днтриметилендиамин.
2—2451
18
Глава 1
главе будут кратко рассмотрены некоторые классические понятия,
развитые в неорганической 'координационной химии для описания
и обсуждения стереохимии неорганических комплексов, для того,
чтобы эти принципы были ясны при чтении последующих глав.
Во вступительной главе невозможно рассмотреть детально все
аспекты стереохимии неорганических комплексов, подробное их
изложение можно найти в учебниках [1—7, 53—55]. Поэтому мы
намерены дать не полный обзор, а лишь иллюстрации к тем
общим понятиям, которые, как мы полагаем, должны быть наи-
более полезны читателю этой книги: координационное число и
геометрия, тип лиганда, факторы, влияющие на стереохимию ком-
плексов, и различные типы изомерии координационных соедине-
ний. Стереохимические аспекты координационных соединений,
подобно другим областям неорганической химии, в настоящее вре-
мя интенсивно развиваются, в частности, в том, что касается оп-
ределения структуры, конформационного анализа, изучения тер-
модинамики и кинетики взаимопревращения структур. Здесь не
будет дано строгого обсуждения этих вопросов, за более подрой
ной информацией читатель отсылается к работам [2, 8—17].
Атомы или группы атомов, окружающие центральный атом
металла, называются лигандами, а атомы, яепосоедственно при-
соединенные к металлу, называются донорными стомами. Донор-
ные атомы обычно менее электроотрицательны, чем металл*, в ре-
зультате чего преобладающими чертами их взаимодействия
являются электростатическое притяжение и некоторое перераспре-
деление заряда к металлу (ковалентность). Лиганды — это обыч-
но нейтральные или отрицательно заряженные молекулы. Ком-
плексные соединения характеризуются сохранением их индиви-
дуальности в растворе, хотя возможна также заметная
диссоциация. Пространственное расположение лигандов вокруг
центрального иона называется конфигурацией комплекса, некото-
рые более детализированные аспекты стереохимии лиганда (без-
относительно к иону металла) обычно обсуждаются в терминах
конформаций лиганда. Общее число донорных атомов, присоеди-
ненных к центральному атому металла, называется координацион-
ным числом**. В это число включаются все донорные атомы, на-
ходящиеся от металла на расстоянии химической связи, хотя не-
которые из этих атомов могут располагаться дальше от металла,
чем другие, а некоторые из них .могут координироваться более чем
с одним атомом металла, как в кристаллах и полимерных коорди-
национных соединениях. Если известна стереохимия, то координа-
* Ошибка автора: донорные атомы (кислород, азот и др.) обычно более
электроотрицательны, чем атомы металлов. — Прим. ред.
** Это, конечно, слишком упрощенное определение, не затрагивающее, на-
пример, обширный класс л-комплексов. Следуя автору, пришлось бы приписать
атому хрома в Сг(СеН6)2 координационное число 12, — Прим.tped.
Структура и стереохимия координационных соединений
19
ционное число атома металла определяется однозначно, но стерео-
химия определяется не только координационным числом. Оба
свойства зависят от природы связи металл—лиганд, но обсужде-
ние этого более фундаментального свойства выходит за пределы
данной главы [18—22]. Структура комплексного соединения оп-
ределяется однозначно, если известны координационное число цен-
трального атома металла, стереохимия и конформации присоеди-
ненных к нему лигандов. В настоящее время такая детальная
информация ограничена твердым состоянием (методы дифрак-
ции), о структуре лигандов в растворе известно мало.
Возможно, наиболее важным понятием, связанным с коорди-
национными соединениями и контролирующим их, является льюи-
совская кислотность иона металла. Это понятие будет рассмотре-
но в гл. 2, а здесь достаточно сказать, что комплексы непереход-
ных металлов (Na+, К+, Са2+, Mg2+, Ва2+, А13+) удерживаются
вместе с электростатическими силами* и их стереохимия опреде-
ляется почти исключительно размером лиганда и зарядом на ионе
металла. Устойчивости комплексных ионов изменяются парал-
лельно с основностью протонов лигандов, и эффективная роль
иона металла подобна таковой протона. Стереохимия комплексов
переходных металлов 'более сложна, и в настоящее время не су-
ществует удовлетворительной эмпирической или теоретической
модели для детального описания всех аспектов их структуры или
даже стереохимии. Для многих из этих металлов ионная модель
усложняется тем, что их электронные облака не имеют сфериче-
ской формы (эффекты кристаллического поля), а также, что под-
разумевается в их названии, очень значительным отступлением от
ионного характера, связанным с переходом от ионной к ковалент-
ной связи. Для таких комплексов важна как нейтрализация за-
рядов, так и кислотность по Льюису, и для описания химической
связи в этих комплексах были развиты теория поля лигандов п
метод молекулярных орбиталей [2, 5].
2. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО И СТЕРЕОХИМИЯ
Начало развития структурной координационной химии относит-
ся к концу XVIII в. и связано с исследованиями двух замечатель-
ных химиков — датчанина С. М. Йоргенсена и швейцарца Альфре-
да Вернера. До этого времени было известно, что два или более
неорганических соединения могут соединяться в стехиометриче-
ских отношениях, образуя «комплексные соединения», но их обыч-
но писали как двойные соли, например ZnCl2-2CsCl, 2KCl-MgCl2,
A12(SO4)s K2SO4-24H2O, Fe(CN)2-4KCN, A1F3-3KF, CoC12-2KC1,
• В комплексах непереходных металлов (особенно А1’+, Ве*+ и др.) боль-
шую роль играет также ковалентная связь. — Прим. ред.
2*
20
Глава 1
хотя сегодня мы знаем, что формула некоторых из них должна
быть написана иначе, например КгСоС14, K?HgF4, K.2Fe(CN)fi*.
Вернер и Йоргенсен синтезировали сотни координационных
соединений, главным образом соединений Co(III), Pt(IV) и Pt(Il)
с аминами, а также изучили их превращения, степени ионизации
и наличие изомеров. В результате интенсивною со |?рничегтва
между этими двумя замечательными экспериментаторами были
быстро сформулированы структурные основы современной коор-
динационной химии. Вернер в 1893 г. правильно объяснил свои
результаты на основе понятий о первичной и вторичной валент-
ности. Первичная валентность рассматривалась, в сущности, как
нормальная электровалентность иона металла [например, 4 для
Pt(IV), 2 для Pt(II) и 3 для Со(Ш)] и определяла общее число
отрицательных зарядов, которые должны быть привнесены при-
сутствующими анионами, в то время как вторичная валентность
обусловливала пространственное расположение связей вокруг
иона металла с образованием октаэдрической ['Co(III), Pt(IV)]
или квадратно-плоскостной [Pt(II)] геометрии. Вторичная валент-
ность теперь называется координационным числом.
Вернером были развиты следующие два наиболее важных
принципа: во-первых, каждому иону металла может быть припи-
сано только одно координационное число, которое удовлетворяет-
ся присоединенными лигандами, и, во-вторых, эти координацион-
ные места имеют определенное стереохимическое расположение
в пространстве. Эти две идеи имели исключительное значение для
развития стереохимических аспектов координационной химии. Так,
praseo- и що/ео-формы CoCl3-4NH3 были правильно отнесены к
транс- и tyuc-изомерам [Co(NH3)4C12]C1 (группы внутри квадрат-
ных скобок образуют октаэдрическую координационную сферу,
а остающийся атом хлора удерживается электростатически-
ми силами и может быть легко оттитрован, например
[Co(NH3)4C12]+C1_). На основе координационной теории Вернера
удалось классифицировать все известные в то время данные о
комплексах металлов, а в последующие годы предположение Вер-
нера многократно подтверждалось рентгеноструктурными иссле-
дованиями. Однако в настоящее время известно, что их строгое
применение возможно не во всех случаях.
Вернером также были введены понятия хелатообразования
(или образование кольца) и оптической изомерии. Так, он обна-
ружил, что две функциональные аминные группы этилендиамина
* Часто невозможно отличить двойную соль и координационное соединение
по их поведению в водном растворе. Например, рентгеноструктурные данные
убедительно показывают, что в К2С0СЦ четыре иоиа С1_ расположены вокруг
иона Со(П) по вершинам тетраэдра, но в воде этот комплекс быстро диссо-
циирует с образованием розового раствора ноиа [Со(Н2О)6]2+, так что его пове-
дение в растворе сходно с поведением двойной соли.
Структура и стереохимия координационных соединений 21
могут замещать две молекулы NH3 в [Pt(NH3)4]C12 с образова-
нием [Pt(en)2]C12, при этом образуется пятичленное гетероцик-
лическое 'КОЛЬЦО.
H3N\ /NHj
H3N^ ^NH3
+ 2en
H2 H2
H2C"\ zN"CH2
Pt
H2C^N N CH2
H2 H2
4NH3
Подобным образом 'было принято, что соединение
[Со(еп)2(С2О4)]С1, которое образуется >при взаимодействии
[Со(еп)2С12]С1 с Na2C2O4, содержит хелатированный оксалатный
анион, замещающий два атома хлора, находившиеся в цис-поло-
жении.
С2О
Вернер также установил, что для комплексов с тетраэдриче-
ской и октаэдрической стереохимией возможна оптическая изо-
мерия, отличающаяся от геометрической. Так, цис-изомер
[Со(еп)2С12]С1 не имеет ни плоскости, ни центра симметрии и
должен существовать в виде пары соединений, имеющих строение
несовместимых друг с другом зеркальных изображений — право-
и левовращающего. Это положение Вернер доказал, разделив в.
I
(+)s89-A-[Co(en)2Cl2J*
(—)s89‘A"[Co(en)2Cl2]*
22
Глава 1
1911 г. с помощью d-бромкамфорсульфоната в качестве аниона
оптические изомеры иона [Co(en)2NH3Cl]2+, а годом позже — так-
же ионов [Со(еп)2С12]+, [Co(en)2(N02)2]+ и [Со(еп)3]3+.
Для того чтобы ответить на замечание Йоргенсена, что опти-
ческая активность этих комплексных ионов может быть обуслов-
лена асимметрией окружения углеродных атомов, Вернер синте-
зировал и разделил на оптические изомеры чисто неорганический
комплексный ион(III)—для того времени значительный подвиг.
1
Точка зрения Вернера на координационное число и стереохи-
мию составляет основу современной координационной химии [1],
и для того, чтобы обсудить даже наиболее тонкие детали струк-
туры комплексов металлов, необходимы лишь немногие дополни-
тельные понятия. Большое число известных в настоящее время
комплексов и их разнообразие потребовали некоторых незначи-
тельных изменений положений Вернера; наиболее существенное
из них то, что для некоторых ионов металлов существуют более
чем одно координационное число и стереохимия. Так, для Си(II)
возможны координационные числа 4, 5 и 6, а актиниды, такие,
как U, могут иметь координационные числа от 5 до 20. Кроме то-
го, стереохимия определяется не только лигандом и ионом метал-
ла. Так, существует несколько комплексов Ni(II) с координацион-
ным числом 4, которые могут иметь тетраэдрическую или квад-
ратно-плоскостную структуру в зависимости от температуры и
(или) природы растворителя. Известно, что некоторые комплексы
Ni(II), Zn(II) и Со(И) могут иметь, в зависимости от экспери-
ментальных условий, тетраэдрическую, квадратно-плоскостную
или октаэдрическую геометрию.
Со времени Вернера было накоплено большое количество
структурных данных с целью определения координационных чи-
сел и более тонких деталей стереохимии. Не вызывающие сомне-
ний прямые данные о структуре в твердом состоянии получают
главным образом методом дифракции рентгеновских лучей, и эта
область координационной химии за последние десять лет получи-
ла огромное развитие; в литературе по неорганической химии
публикуется от 20 до 30 рентгеноструктурных исследований каж-
Структура и стереохимия координационных ^единений
23
дый месяц, и это число быстро растет. Точность этих исследова-
ний также находится на высоком уровне. Для точного определе-
ния структуры координационного соединения в растворе в настоя-
щее время не существует какого-либо прямого метода, однако'
такие методы, как ЯМР (в частности, на ядрах *Н, 19F, 31Р, 13С)
и ЭПР (парамагнитные комплексы), часто дают надежные ре-
зультаты, а такие непрямые методы, как электронные спектры, ди-
польные моменты, магнитные моменты и измерение молекулярной
массы, интенсивно используются для предсказания структуры. Ни-
же мы приведем краткое общее обсуждение координационных
чисел и стереохимии координационных соединений. Возможно,
что одной из наиболее отличительных черт современной координа-
ционной химии является то, что численное превосходство структур
с координационными числами 4 и 6 серьезно поколеблено и что
«необычные» координационные числа (5, 7, 8) становятся все бо-
лее обычными.
2.1. Координационное число 2
Координационное число 2 не очень распространено, и оно
обычно характерно только для комплексов Cu(I), Ag(I), Au (I)
и Hg(II). Из двух возможных конфигураций — линейной (D^h)
и угловой (С2г1) — найдена только линейная форма, как полагают,
из-за того, что она обеспечивает минимум лиганд-лигандного от-
талкивания. В качестве типичных примеров можно привести
[CuCl2]_, [AuC12]_ и [Hg(CN)2]. Из примеров, представляющих
больший биохимический интерес, можно указать на [Ag(NHs)2]+,
Ag(Gly), Ag(Gly)-0,5Н2О и Ag(GIy-Gly) (гл. 4, формулы III, IV
и XI). В последних структурах Ag(I) прочно связывается с ами-
но- и карбоксильной группами глицина, но очень слабо с карбо-
нильным кислородом глицилглицина. По-видимому, и с другими
аминокислотами и пептидами Ag(I), Cu(I) и Au(I) будут свя-
зываться подобным образом.
Иногда необычные лиганды координируются с образованием
необычных конфигураций, например:
(CH3)3Sk zSi(CHs)s
/N—Со—ЬГ
(CHsJsSi/j »>Si(CH3)3
но это происходит довольно редко. Однако такие случаи показы-
вают, что ионы металлов даже в обычных состояниях окисления
могут иметь необычные координационные свойства.
2.2. Координационное число 3
Это координационное число встречается очень редко, за ис-
ключением молекул, содержащих относительно электроотрица-
тельные центральные атомы, например BF3, NO3 (плоский тре-
24
Глава 1
угольник); NH3, СЮз (тригональная пирамида). Так, KatCuCh]
и CssljHgCls] содержат бесконечные цепи тетраэдров МС14, в то
время как галогениды МС13 (М=Сг, Fe, Мп, V) кристаллизуются
в решетках, содержащих ионы металлов в октаэдрическом окру-
жении. Комплекс Cs[CuCl3] состоит из бесконечных цепей —С1—
—CuCh—Cl—CuCl2—Cl— с 4-кратной координацией иона метал-
ла, а АиС13 — димер, содержащий две плоские частицы АиСЦ со-
единенные общей гранью. Наиболее простые комплексы металлов
состава МХ2 или МХ3 в растворе либо легко диссоциируют, либо
образуют частицы МХ2(Н2О)4 или МХ3(Н2О)3, либо существуют
в виде полиэдров координационных чисел 4 или 6. Трис-(гексаме-
тилдисилиламинато) железо (III) (V) и анион Hgl3 в
(CH3)3S(HgI3) (VI) представляют примеры соединений, имеющих
•симметрию, близкую к плоскому равностороннему треуголь-
нику (D3h). Плоская 7-геометрия (C2v) обнаружена в катпоне
<CH3)3Se+ (VII).
[(CH3)3Si]2N\ zN[Si(CHs)sj2
Ре
N[Si(CHs)s]2
V
\ /Г
Hg
I
I
VI
CH3—Se—CH3
I
сн3
VII
2.3. Координационное число 4
2.3.1. Тетраэдр
Эту геометрическую конфигурацию имеют многие комплексы.
Юна обычна для координационных соединений непереходных эле-
ментов, для которых их устойчивость может быть частично объяс-
нена использованием ковалентных хр3-гибридных орбиталей
металла, а частично тем фактом, что при тетраэдрическом располо-
жении лигандов возникают наименьшие стерические и электро-
статические напряжения по сравнению со всеми другими способа-
ми расположения лигандов, возможными при координационном
числе 4. Так, Na(I) в жидком аммиаке существует в виде
[Na(NH3)4]+, а исследования методом рассеяния рентгеновских
лучей показывают, что первичное координационное число К(1)
в водном растворе равно четырем; комплексы В(Ш), Ве(П),
.Zn(II), Cd(II) и Hg(II) состава МХ4 (X = F, Cl, CN) имеют тет-
Структура и стереохимия коарс рационных соединений
25
раэдрическое строение, так же как многие комплексы Be(II) и
Hg(H) с бидентатными лигандами.
СН2ОН
Н2с- s S—СИ
I X I
нс—S S—сн2
О-С^СбН5
\ / \\
нс. Be СН
V 'У
СН2ОН
W
Тетраэдрическое строение бис-(бензоилпирувато)бериллия(П)
(IX) было установлено путем его разделения на оптические фор-
мы. Для тетраэдрических 'комплексов в принципе возможны толь-
ко оптические и невозможны геометрические изомеры. Однако
лабильность лигандных групп в противоположность инертности
связей углерода препятствует разделению на оптические изомеры
любого тетраэдрического комплекса, содержащего четыре различ-
ные монодентатные группы.
Тетраэдрические комплексы ионов переходных металлов обыч-
но устойчивы только при некоторых определенных условиях. Осо-
бое исключение представляют ионы [FeCl4]2~, [СоХ4]2~ (Х = С1, Вг,
I, NCS) и некоторые ионы [СоХ3(Н2О)]_; эти частицы сохраняют
в водном растворе тетраэдрическую геометрию, хотя можно было
бы ожидать их акватации с образованием октаэдрических ионов.
Причина их устойчивости неизвестна*. Тетраэдрические анионы,
такие, как [CuX4]2-, [NiX4]2-, [VX4]~ и [MnX4]2- (Х = С1, Br, 1),
стабилизируются в слабо координирующихся растворителях,
а также в твердом состоянии объемистыми катионами, например
[ (С6Н5)з(СНз)Р]+, [(СбНб^эр и [(C4H9)4N]+. Ни один из них
не сохраняет этой геометрии в координирующихся растворителях,
таких, как вода или спирты. Большинство тетраэдрических ком-
плексов— анионы или нейтральные молекулы, [МХ4]2-, [MLX3]~
или [ML2X2], где М — Со, Ni пли Fe, L — нейтральный лиганд
(Н2О, пиридин, POR3, AsOR3, PR3, AsR3, NR3), a X — анион, обыч-
но галогенид. Известны лишь очень немногие тетраэдрические
катионные комплексы, но Со(Н2О)4+ содержится в малых количе-
ствах в водном растворе в равновесии с Со(Н2О)б+, а тетраэдри-
ческий [Co(NH3)4]2+ найден в [Со(МН3)4] (ReO4)2. Иногда би-
дентатные лиганды могут образовывать с Со(11). а иногда и
с Ni(II) тетраэдрические комплексы под влиянием объемистых
заместителей, например бис- (N-изопропилсалицилальдимина-
* В случае комплексов типа [СоХ4]2- большую роль может играть стабили-
зация полем лигандов центрального иона с конфигурацией d7.— Прим. ред.
26
Глава 1
то) кобальт (I I) (X) и бис-(дипивалоилметанато)никель(П) (XI),
но обычно, если нет стерических препятствий, происходит полиме-
ризация с образованием октаэдрического окружения металла, как,
например, в [№(асас)2]з и [Со(М-СН3-5а1еп)2]2.
(СН3)3СЧ ZC(CH3)3
с—о о-с
/Г \ / 'х\
НС' Ni ;сн
\ч_ / V/
с—с о-с
(CH3)3CZ ЧС(СН3)3
XI
Кажется, что для тех комплексов, для которых существует
равновесие между квадратно-плоскостной и тетраэдрической гео-
метрией, как, например, для бис-(Ы-алкиламинотропониминато)-
никеля (II) (XII) и бис- (N-алкилсалицилальдиминато) никеля (II),
отталкивание между группами R при квадратно-плоскостном рас-
положении благоприятствует тетраэдрической структуре, но эта
причина не универсальна, и электронные эффекты также долж-
ны играть важную роль.
2.3.2. Плоский квадрат
Эта форма координации характерна для некоторых опреде-
ленных состояний окисления, но в других случаях она мало рас-
пространена. Обычно эту структуру имеют комплексы Pt (II),
Pd(II), Ag(II), Au(III), Rh(I), Ir(I), она встречается также в
комплексах Ni(II) и Си(II), в других случаях она практически
не наблюдается. Для квадратно-плоскостных структур возможна
геометрическая и невозможна оптическая изомерия. Замечатель-
ное исключение из этого правила представляет соединение XIII,
которое Миле и Квибелл в 1935 г. разделили на оптические изо-
Структура и стереохимия координационных соединений
27
меры и таким образом установили, что оно имеет квадратно-пло-
скостное, а не тетраэдрическое строение.
"С,НБХ
zC—h2n.
2+
н
С6н5.
-С—h2n
Pt.
nh2—сн2
сн3
XIII
nh2—с
СН3_
н
В этой молекуле асимметрия свойственна не атому металла
или лиганду самому по себе, а расположению хелатных колец.
Квадратно-плоскостная координация в комплексах Pt(II) и Pd(II)
была известна со времен Вернера и широко распространена, на-
пример бис-(глицинато)платина(II) (XIV) и (хлороглицин-Ё-ме-
тионинато)платина(П) (гл. 4, структура XXXIX). Известны также
XIV
многие комплексы Ni(II) и Си(II), имеющие почти плоское
строение. Обычно это нейтральные или анионные частицы, напри-
мер (тетраглицинато) металлаты натрия (XV) (M = Cu2+, Ni2+) и
(1-аминоциклопентанокарбоксилато)медь(П) (XV).
сг н2
hk.
С \ /
Си
Н2С—/
/ \ N
Н2С. .С Н2
схн2
Н2
н2
с—сн2
/ \
с ХСН2
О^С-^Н2
О
XV XVI
Примеры квадратно-плоскостных структур, представляющих
интерес для биохимии, ассоциируются, конечно, в первую очередь
28
Глава 1
с ядрами фталоцианина и порфирина [24]. Все металлофтало-
цианиновые красители (XVII) [M(II)=Be, Мп, Fe, Со, Ni, Си,
Pt] изоструктурны с исходным протонированным основанием
(пространственная группа P2j/a), а хлорофилл [Mg(II)], вита-
мин Bj2 [октаэдрический Сю(III)] и гемоглобин [Fe(II) 5-кратно
координированный] представляют важные примеры использова-
ния замещенных порфириновых ядер (XVIII).
XVII
Рентгеноструктурным методом было изучено большое число
разнообразных металлопорфиринов [Cu(II), Zn(II), Fe(III),
VO(IV), Ni(II), Rh(III), Co(III), Au(III), Sn(IV)]. Строение ком-
плексов металлов этого типа будет обсуждено в последующих
главах, а здесь достаточно лишь отметить, что плоское кольцо
тетрапиррольного ядра вынуждает металл координироваться в
квадратно-плоскостном или почти квадратно-плоскостном окруже-
нии.
2.4. Координационное число 5
Хотя исторически комплексы с координационным числом 5
имели относительно меньшее значение, в настоящее время они
известны намного лучше, главным образом в результате рентге-
ноструктурных исследований. Некоторые из них образуются без
явного сжатия лигандов, например Fe(CO)5, [MnCU]3-,
[Ni2Cls]4—, но образование большинства комплексов с координа-
ционным числом 5 вынуждено пространственным строением ли-
гандов, например {Со[ (CH3)6-tren] Вг}+ [ (СбН5)3Р]3КиС12,
TiBr3[N(CH3)3]2. Обычно такие частицы можно рассматривать
Структура и стереохимия координационных соединений
29
ОН2
n2|
н2с^\| он2
Си
ХО
о' \ /
с—с.
н2
XIX хх
как образованные из частиц с более высоким или более низким
координационным числом путем отщепления (XIX) или добавле-
ния (XX) лиганда. Для координационного числа 5 возможны два
довольно правильных геометрических расположения лигандов во
внутренней координационной сфере: тригональная бипирамида
(D3tl) (XXI) и квадратная пирамида (XXII). Обычно гео-
метрию тригональной бипирамиды имеют комплексы металлов в
низких валентных состояниях [Мп(—I), Fe(0), Со(1)] с лиган-
XXV, Fe(CO)s
ХХП, MnCls2“
дами, образующими л-связи (СО, CNR, CN), в то время как квад-
ратно-пирамидальное расположение лигандов характерно для
комплексов металлов правой стороны переходного ряда в состоя-
ниях окисления, имеющих более важное биологическое значение,
например Ni(II), Co(II), Zn(II), Cu(II). Комплексы меди обычно
содержат намного более длинную (более слабую) связь, направ-
ленную к вершине пирамиды.
Наконец, важно указать, что геометрии тригональной бипира-
миды и квадратной пирамиды действительно не сильно отличают-
ся одна от другой, и необходимы лишь незначительные измене-
ния углов для перехода одной в другую.
2.5. Координационное число 6
Это, несомненно, наиболее обычное координационное число,
встречающееся в комплексах металлов. Ионы всех металлов, за
исключением щелочных металлов Li+, К+ и, возможно, Na+ (коор-
30 Глг .а 1
динационное число 4), очень больших лантанидов (координацион-
ное число 9) л ионов группы урана (>10) в водных растворах
координируют шесть молекул воды. Как правило, при координа-
ционном числе 6 комплексы имеют октаэдрическую конфигурацию
(XXIII), но в ряде случаев с особыми лигандами обнаруживаются
и другие возможные правильные конфигурации, такие, как триго-
нальная призма (XXIV).
Октаэдр имеет высокую симметрию {Ок). Некоторые металлы
образуют комплексы с неискаженной или очень мало искаженной
октаэдрической симметрией. Так, комплексы Zn(II) и высокоспи-
новые комплексы Мп(П), а также комплексы Сг(Ш) и Со(Ш)
имеют симметрию, очень близкую к Ок. Комплексы ряда других
ионов металлов, например Си(II), Ni(II) и Со(II), также имеют
октаэдрическую геометрию со многими лигандами, включая во-
ду, но в некоторых случаях она сильно искажена. Обычно наблю-
даются два типа искажений — тригональное (XXV) и тетраго-
нальное (XXVI). В тригонально искаженной молекуле октаэдр
растянут или сжат вдоль одной из его осей 3-го порядка
XXV XXVI
(Ок—>-^зй) ; тетрагональное искажение происходит в результате
аналогичного растяжения или сжатия вдоль оси 4-го порядка
(Ок--->-^4л)-
Очевидно, что в пределе тетрагонально искаженная молеку-
ла полностью теряет два лиганда, находящихся в тракс-положе-
Структура и стереохимия координационных соединений
31
нии, и приобретает координационное число 4 и геометрию пло-
ского квадрата. Октаэдрические комплексы могут проявлять как
геометрическую, так и оптическую изомерию, этот вопрос обсуж-
дается в разд. 5.
2.6. Координационное число 7
Металлы первого переходного ряда редко имеют координаци-
онные числа больше шести, но некоторые примеры известны, на-
пример [(РеЭДТАЩаО)]- (XXVII) (пентагональная бипирами-
да) и [МпЭДТА(Н2О)]2_ (XXVIII) (гранецентрированная триго-
нальная призма). Более высокие координационные числа обычно
имеют металлы второго и третьего переходных рядов, а также
лантаниды и актиниды.
XXV11
Для координационного числа 7 известны три геометрические
расположения: пентагональная бипирамида (D5h) (XXVII), одно-
шапочная тригональная призма (C2v) (XXVIII) и тригональная
призма с тетрагональным основанием (Cs) (XXIX).
XXIX
32
Глава 1
2.7. Координационное число 8
Возможны разнообразные геометрии, но наиболее симметрич-
ное кубическое (О/,) расположение неизвестно ни для одной дис-
кретной молекулы МХ8 (такое расположение имеет место в крис-
таллической решетке CsCl). Это объясняют взаимным отталкива-
нием лигандов, в результате которого образуются более
благоприятные искаженные структуры. Из нескольких наблюдав-
шихся конфигураций наиболее обычны квадратная антипризма
(Du) (XXX) и додекаэдр (D2d) (XXXI). Они получаются в ре-
зультате соответствующих искажений куба.
XXX
Интересные случаи представляют [Со(NO3)4]2-и [Zr(C2O4)4]4-,
в которых наличие четырех- и пятичленных нитратного и оксалат-
ного хелатных циклов соответственно приводит к образованию
додекаэдрической конфигурации, в то время как [Th(acac)4] и
[Zr(acac)4], содержащие большие шестичленные хелатные коль-
ца, имеют структуру антипризмы.
2.8. Координационное число 9
При координационном числе 9 возможно несколько геометри-
ческих форм, и они наблюдались в некоторых случаях. Наиболее
распространена гранецентрированная тригональная призма (D3h)
(XXXII), которую можно получить из тригональной призмы путем
добавления трех атомов лигандов с наружной стороны над цент-
рами трех вертикальных граней.
XXXII
Структура и стереохимия координационных соединений
33
2.9. Координационные числа больше 9
Они встречаются только у ионов металлов большого размера
[например, Cs(I), La(III), U(III), Ce(III)], которые образуют
более слабые координационные связи, чем элементы первого пе-
реходного ряда (рис. 1.1). Во .многих случаях точное определение
координационного числа затруднительно и требует рентгенострук-
турных данных. Образующиеся координационные многогранники
часто неправильны.
Рис. 1.1. Структура аниона [La ЭДТА(Н2О)э]— (а) [49], содержащего 9-кратно
координированный La(III), и комплекса [LaОЭДТА(Н2О)4] (б), [48], содер-
жащего 10-кратио координированный La (III).
34
Глава 1
3. КООРДИНАЦИОННЫЕ ЧИСЛА И СТЕРЕОХИМИЯ
КОМПЛЕКСОВ ОБЫЧНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В табл. 1.1—1.10 приведены состояния окисления, координа-
ционные числа и геометрия комплексов наиболее распространен-
ных переходных металлов. Те, которые встречаются наиболее
часто, набраны курсивом. В примечаниях к таблицам обсуждает-
ся их распространенность и химическое поведение.
3.1. Титан (табл. 1.1)
~2В —0.1 В
Ti2+ ---► Ti3+ --> TiO2* (кислый раствор)
В водных растворах Ti2+ не существует; наиболее устойчивое
и обычное состояние окисления Ti(IV), а исключительная поля-
ризующая способность малого иона Ti(IV) приводит к значитель-
ной ковалентности образуемых им связей, вследствие чего Ti4+ не
Таблица 1.1
Состояние окисления Зб(-Электронная конфигурация Координацион- ное число Геометрия Примеры
Ti(-I) 6 Октаэдр [Tidipy3]-
Ti(0) 6 Tidipy3
Ti(II) 6 TiCl2
Ti(III) 6 [TiFe]3-[Ti(H2O)e]3+, [Ti(urea)e]3+
Ti(IV) 4 Тетраэдр TiCl4( л-С5Н5)2Т iCl 2
5 Искаженная K2T12O5
тригональная бипирамида
Квадратная TiO(acac)2
пирамида
6 Октаэдр TiO2, [TiFe]2-, Ti(acac)2Cl2, [Ti(OC2H5)4|4
8 Додекаэдр TiCl4(diars)2
существует. Соединения Ti(IV) легко гидролизуются в водном
растворе, образуя частицы со связями Ti—О; многие из них име-
ют октаэдрическую координацию. Титан предпочтительно коорди-
нируется через донорные атомы кислорода, образуя полимерные
октаэдрические структуры.
Структура и стереохимия координационных соединений 35
3.2. Ванадий (табл. 1.2)
0,255В —0,337В —1,00В
V2+ ----> V3+---------► VO2+ ----► [V(OH)4]+ (кислый раствор)
V(IV) и V(V) — наиболее обычные состояния окисления. Коор-
динируются предпочтительно с донорными атомами кислорода и
поляризующимися лигандами. Дискретные ионы V4+ и V5+ неиз-
вестны. Ион ванадила [VO(H2O)b]2+ и различные полимерные
частицы, содержащие пятивалентный ванадий — [УОз(ОН)]2-,
Таблица 1.2
Состояние окисления З^-Электронная конфигура- ция Координа- ционное число Геометрия Примеры
V(-I) 6 Октаэдр [V(CO)e]-, [V(CN)5NO]b-
V(0) d5(?) 6 » V(dipy)3, V(CO)e
V(I) d4 6 » [V(dipy)3]+, [V(CO)4(arene)]+
V(II) d3 6 [V(H2O)e]2+, [V(CN)e]4-
V(III) d2 4 Тетраэдр [VC14]-
5 Тригональная бипирамида mpaHc-{VCl3[S(CH3)2]i)
6 Октаэдр [V(NH3)e)3+, [V(C2O4)3]3-
V(/V) d* 4 Тетраэдр VC14
5 Т етрагональная пирамида VO(acac)2 [VO(SCN)4]2-
Тригональная бипирамида VOC12[N(CHs)3]2
6 Октаэдр УО2(рутил), VO(acac)2py
8 Додекаэдр [VCl4(diars)2]
V(V) d® 4 Тетраэдр VOC13, [VO4]3~ (ванадаты)]
5 Тригональная бипирамида VF6, полимерные ванадаты
6 Октаэдр VO6, октаэдрический в кислых ванадатах
[V2O6(OH)]3-, [VO2(OH)2]-—получаются из мономерного тет-
раэдрического иона ванадата VOi~, который существует только
в сильно щелочных растворах (рН>12), при pH ниже ~7 осаж-
дается V2Os. Все частицы V(V), по-видимому, представляют
5-кратно координированные производные иона перванадата
3
36
Глава 1
(VO*) и содержат гидроксильные мостики. Комплексы V(IV)
обычно содержат ванадил (VO2+) и имеют конфигурацию квад-
ратной или тетрагональной пирамиды, например [VO(acac)2]
(XXXIII).
гн о /СНз
СНз^с—о ° о—с
нс: /V\ >?сн
/С—О О-С^
СН1 снз
XXXIII
Это определяет основные черты стереохимии комплексов с хе-
латирующими лигандами, координирующимися через атомы кис-
лорода: [VO(C2O4)2]2-, [VO(C2O4) (Н2О)2]. Иногда более слабые
донорные группы могут координироваться в шестом положении с
образованием искаженных октаэдрических структур, например
[VO (асас)2ру], [VO (асас)2 (imid) ].
3.3. Хром (табл. 1.3)
0,41В
Сг2+ ---> Сг®+ (кислый раствор)
1,1В 0.I3B
Сг(ОН)2----► Сг(ОН)3----> СгО|- (щелочной раствор)
Полагают, что в водных растворах существуют только Сг(П)
и Сг(Ш); Cr(IV) и Cr(V) легко диспропорционируют на Сг(1П)
Таблица 1.3
Состояние окисления Sd-Электронная конфигурация Координа- ционное число Геометрия Примеры
Сг(0) d5s4(?) 6 Октаэдр Сг(СО)е, Cr(dipy)3
Сг(1) d5 6 » [Cr(CN)5NO]3-, [Cr(dipy)3]+
Сг(11) d4 6 Октаэдр (искажен- ный) CrCl2, CrS, [Cr(NCS)e]4-, [Cr(en)3]2+
Сг(ПГ) d3 6 Октаэдр [Cr(H2O)e]3+ [Cr(NH3)eJ3+ Cr(acac)3, [Cr(CN)e]3-
Cr(lV) d2 4 Тетраэдр Ba2CrO4
6 Октаэдр K2CrFe
Cr(V) d1 4 Тетраэдр ICrOJ3-
6 Октаэдр [CrOCl5l2-
Cr(VI) d° 4 Тетраэдр [CrO4]2-, CrO2Cl2. CrO3
Структура и стереохимия координационные соединений 37
и Cr(VI). В последнем состоянии окисления хром является силь-
ным окислителем и существует только в виде оксочастиц — СгО3,
CrOV, СгОгР2 и т. п.
Соединения Cr(II) —сильные и быстродействующие восстано-
вители, и в водных растворах они могут существовать только в
отсутствие кислорода. Для них характерно октаэдрическое строе-
ние*, например [CrfNCSJe]4-, [CrfCN)^2-. Однако можно легко
синтезировать очень устойчивый димерный ацетат хрома(II)
[Сг(ОСОСН3)2]2.
Комплексы Сг(Ш) представляют наиболее устойчивое и наи-
более важное состояние окисления, преимущественно они имеют
геометрию правильного октаэдра. Известны многие сотни ком-
плексов Сг(П1), главным образом с лигандами, координирующи-
мися через атомы О и N. Среди металлов первого переходного
ряда Сг(Ш) наряду с Со(III) образует кинетически наиболее
инертные комплексы.
3.4. Марганец (табл. 1.4)
—1,51В ЯЛ п2+ т. —0.95В ЯЛ «3+ —2,26В —0,564В
МПТ " * МП МПС/2 * AiiiC/д (кислый рдсгвор)
—0,1В 0.2В
Мп(ОН)2 >- Mn(OH)3 - >- МпО2 (щелочной раствор)
Таблица 1.4
Состояние З^-Электронная Координацией-
окисления конфигурация ное число Г еометрия
Мп(П) ? 4 (или 6) Квадрат [Mn(phtalocyanine)]2-
Мп(—I) ? 5 Тригональная [Мп(СО)Б]-
бипирамида
4 (или 6) Квадрат [Mn(phtalocyanine)]-
Мп(0) d’s1 6 Октаэдр Мп2(СО)10
Мп(1) d« 6 » [Mn(CN)e]5-, [Mn(CNR)„]+
Mn(CO)BCl
Мп(1Г) d6 4 Тетраэдр [MnClJ2-
4 Квадрат [Mn(H2O)4]SO4 • H2O
6 Октаэдр [MnfHaO).]2*
[Mn(SCN)e]«-
? {Mn[(CH3)Bdien]X2}
7 Структура [МпЭДТА(Н2О)]2-
[NbFy]2-
Мп(Ш) d4 6 Октаэдр Mn(acac)s, [Mn(C2O4)ds-
Mn(IV) d3 6 » MnO2, [MnClel3-
Mn(VII) d» 4 Тетраэдр [MnO4]-, MnO3F
Искаженное. — Прим. ред.
38
Глава 1
Химия водных растворов ограничивается исключительно хими-
ей Мп(II)*. Из-за большого размера иона Мп2+ по сравнению с
двухвалентными ионами последующих металлов (от Fe^ до Си2+)
и отсутствия стабилизации кристаллическим полем (высокоспино-
вая конфигурация d5) он образует очень слабые комплексы, кото-
рые легко диссоциируют в воде до [Мп(НгО)6]2+. Однако ком-
плексы с хелатирующими лигандами, такими, как этилендиамин,
оксалат и ЭДТА, могут быть выделены из водного раствора.
Соединения Мп(II) обычно имеют октаэдрическое строение,
например [Mn(NH3)6]2+, [Mn(en)3]2+, [Мп(СгО4)3]4-. Было пока-
зано, что некоторые соединения имеют более низкую симметрию
при координационном числеМп(II), равном 7 ([МпЭДТА(Н2О)]2-)
или 5 ([MnCls]3-), в то время как в Мп(асас)2 в результате об-
разования тримера достигается октаэдрическая координация. Из-
вестны некоторые тетраэдрические комплексы, например
[Мп(РН3РО)2Вг2] и (R4M)2[MnX4] (M = N, Р, As, а Х=галоген),
но они быстро диссоциируют в воде. Из комплексов Мп(III), по-
жалуй, наиболее известен октаэдрический ацетат Мп(С2,Н3О2) -
• 2Н2О, все они легко восстанавливаются в воде до Мп(II) и мож-
но ожидать, что при отсутствии влияния лигандов должны иметь
геометрию искаженного октаэдра.
3.5. Железо (табл. 1.5 )
—0,771В
Fe2+ -----► Fe3+ (кислый раствор)
0.56B
Fe(OH)2 --► Fe(OH)3 (щелочной раствор)
Комплексы Fe(II) и Fe(III) устойчивы в водном растворе и
при отсутствии влияния лигандов имеют октаэдрическое строение.
Fe(II) и Fe(III) связываются предпочтительно с лигандами, коор-
динирующимися через атомы кислорода и серы, по сравнению с
лигандами, координирующимися через атомы азота, особенно
Fe(III), для которого неизвестны простые аминаты (аммиакат из-
вестен). Однако координирующиеся через атомы азота хелатирую-
щие лиганды (en, phen и т. п.) образуют с Fe(II) очень устойчи-
вые комплексы, которые легко окисляются до Fe(III). Fe3+ в вод-
ных растворах при рН>3 полимеризуется, и [Fe(H2O)e]3+ суще-
ствует только в сильной кислоте, однако [Fe(H2O)6]2+ обладает
намного менее кислыми свойствами.
* В последнее время появилось значительное число работ, посвященных хи-
мии комплексов Мп (III) в водных растворах. — Прим. ред.
Структура и стереохимия координационных соединений
Таблица 1.5
Состояние окисления З^-Электронная конфигурация Координа- ционное число Геометрия Примеры
Fe(—II) ? 4 Тетраэдр [Fe(CO)4]2~, Fe(CO)2(NO)2
Fe(0) <Р(?) 5 Тригональная бипирамида Fe(CO)B, Fe(PF3)B
6 Октаэдр [Fe(CO)eH]+
Fe(/Z) de 4 Тетраэдр [FeFJ2-
5 Тригональная бипирамида Fe[(CH3)Bdien]X2
6 Октаэдр [Fe(H2O)e]2+, [Fe(CN)e]4~
& 4 Тетраэдр [FeClJ-, Fe3O4
6 Октаэдр Fe2O3, Fe(acac)3, [Fe(C2O4)3j3-
7 Пентагональ- ная бипира- мида [РеЭДТА(Н2О)1 -
Fe(IV) d* 6 Октаэдр [Fe(diars)2Cl2]2+
3.6. Кобальт (табл. 1.6)
—1‘,82В’
Со2+ ----*• Со3+ (кислый раствор)
—1.14В
Со(ОН)2 --->- Со(ОН)3 (щелочной раствор)
Наиболее обычные состояния окисления — Со(П) и Со(Ш),
хотя недавно было предположено, что синтетические «кобалок-
симные» комплексы Со(1) имеют некоторое биохимическое зна-
чение в связи с витамином Bj2 [25]. [Со(Н2О)б]3+ устойчив толь-
ко в сильных кислотах, и химия Со(III) ограничивается его ком-
плексными соединениями, которые все, за небольшим исключени-
ем, имеют октаэдрическое строение (d6, низкоспиновые).
Стереохимия комплексов Со(П) исключительно разнообразна;
наиболее распространены тетраэдрические, квадратно-плоскост-
ные и октаэдрические структуры, но встречаются также комплек-
сы, имеющие геометрию тригональной бипирамиды или квадрат-
ной пирамиды.
Ион Со2+ — единственный имеющий значение ион с конфигу-
рацией d7 во всей серии переходных элементов. Для него наибо-
лее обычна геометрия тетраэдра, иногда — в равновесии с окта-
эдрической формой. Эта способность кобальта представляет инте-
рес и интенсивно изучалась в последние годы, благодаря чему
были исследованы комплексы Со(II) с большим числом разнооб-
40
Глава 1
Таблица 1.6
Состояние окисления М-Электронная конфигурация Координа- ционное число Геометрия Примеры
Со(—I) ? 4 Тетраэдр [Со(СО)4]~
Со(0) ? 4 » [Co(CN>4]4-
Со(1) da 4 > [Co(CN)3CO]2-
5 Тетрагональная пирамида (RsCS2)2CoNO
Тригональная бипирамида [Co(NCR)s]*
6 Октаэдр [Co(dipy)3]+
Со(П) <р 4 Тетраэдр [CoClJ2-
Квадрат {Co[(CH3)2-edt]}(C104>2
5 Тригональная бипирамида [Co(CHs-salen)2]2
6 Октаэдр [Co(H2O)e]s+, [Co(CN)e]‘-
Со(П1) d* » [Co(en)3F+ [Co(CN)ep-, [CoFe]3-
Рис. 1.2. Структура катиона P2-[Co(trien)Gly-GlyOC2H5]3+ [28]
Структура и стереохимия координационных соединений
41
разных лигандов в различных растворителях. Ясно, что геометрия
образующегося комплекса сильно зависит от стерических требо-
ваний, налагаемых на донорные атомы лигандными группами.
Тетраэдрическое строение имеют преимущественно комплексы с
монодентатными анионными лигандами (например, С1~, Br-, I-,
SCN-, N3, ОН-), как в [СоХ4]2~ или [CoL2X2] (L=PR3), а также
иногда с объемистыми бидентатными анионами (N-алкилсалицил-
аланинат, крупные р-дикетонат-анионы). Со(II) образует плоские
комплексы с диметилглиоксимом, аминооксалатом, о-аминофено-
лят-анионами и этилендитиолатом.
Инертность комплексов Со(1П) по отношению к реакциям за-
мещения лигандов использовалась во многих исследованиях,
в том числе и при исследовании механизма гидролиза эфиров ами-
нокислот и пептидов [27]. В последнем случае было показано, что
активная частица должна включать координацию N-концевого
остатка аминокислоты через атом азота аминогруппы и через
атом кислорода карбонильной группы (рис. 1.2).
3.7. Никель (табл. 1.7)
Из комплексов никеля наиболее важны, несомненно, комплек-
сы Ni(II), a Ni2+ — единственный простой ион, который находят в
водном растворе. Встречаются октаэдрическая, тетраэдрическая и
квадратно-плоскостная конфигурации, при этом комплексы с элек-
тронейтральными лигандами (Н2О, NH3, еп) имеют преимущест-
венно октаэдрическое строение, а комплексы с монодентатными
анионами и смешанно-лигандные комплексы с анионами и ней-
тральными монодентатными лигандами (галогениды и лиганды,
координирующиеся через атомы Р и As) образуют тетраэдриче-
ские структуры. Последние иногда существуют в равновесии
с частицами, имеющими квадратно-плоскостную структуру; в по-
следние годы эти равновесия интенсивно исследовались (L=ал-
кил, арилфосфины, алкилзамещенные салицилальдимины и ами-
нотроп олонимины) .
NiL2 < NiL2
(тетраэдр) (плоский
квадрат)
По-видимому, более открытую тетраэдрическую структуру пре-
имущественно имеют комплексы с более объемистыми лиганда-
ми — алкилзамещенным салицилальдимином и аминотропоними-
ном, в то время как менее объемистые заместители благоприятст-
вуют образованию комплексов с геометрией плоского квадрата.
Комплексы со смешанными лигандами этого типа могут иметь в
растворе как тетраэдрическую, так и квадратно-плоскостную кон-
фигурацию; иногда эти два типа геометрии встречаются вместе
в кристалле.
42
Глава 1
Таблица 1.7
Состояние окисления 3d-Электронная конфигурация Координа- ционное число Геометрия Примеры
Ni(0) 1ЧЙЗС dI0(?) 4 Тетраэдр Ni(CO)4, [Ni(CN)4]4-
Ni(II) d8 4 Квадрат {NiBr2[P(C2H5)3]2} t [Ni(CN)4]2-
4 Тетраэдр
5 Квадратная пирамида [Ni(CN)6]s-
Тригональная бипирамида Ni[5-Cl-salen ЬЦСгН*)^, {Ni[P(C3H7(CH3)2As)3]CN}+
То же Ni(CN)2[P(CeH6)(CH3)2]3
6 Октаэдр [Ni(H2O)e]2+, [Ni(SCN)e]4- [Ni(dipy)3]2+
Ni(III) d1 5 Тригональная бипирамида N iBr3[P(C6H5) (Ch3)2]2
6 Октаэдр [Ni(diars)2Cl2]+
Ni(IV) __ d* 6 [Ni(diars)iCl2]2+
Октаэдрическая форма комплекса также может находиться в
равновесии с квадратно-плоскостной, особенно при добавлении
лигандов, которые являются хорошими донорами электронов (А=
=Н2О, пиридины).
NiL2 + 2А < > NiL2A2
желтый голубой
(плоский (октаэдр)
квадрат)
где L=лиганды типа салицилальдимина, алкил- и арилзамещен-
ные этилендиамины, диалкилтиомочевины. Переход к октаэдриче-
ской симметрии может быть также осуществлен путем полимери-
зации, как в тримере [Ni(acac)2]3, или путем димеризации с об-
разованием частиц с 5-кратной координацией иона металла
(салицилальдиминатные комплексы при R=H, ОН). Таким об-
разом, стереохимия комплексов Ni(II) исключительно изменчива
и, возможно, это наиболее трудно предсказываемая область струк-
турных исследований химии переходных элементов.
3.8. Медь (табл. 1.8)
—0,153В
Си+-------> Си2+ (кислый^ раствор)
Наиболее важные геометрические формы — тетраэдр для Cu(I)
и сильно искаженный октаэдр для Си(II). Относительная устой-
Структура и стереохимия координационных соединений
43
Таблица 1.8
Состояние окисления 3d- Электронка я конфигурация Координа- ционное число Геометрия Примеры
Си(Г) dle 2 Линейная [Cu(NH3)2]+, Cu2O
4 Тетраэдр [Cu(CN)J3-, Cui
Си(1Г) 4 Тетраэдр (искажен- ный) Cs[CuCl4], Cu(N-C3H7salen)2
5 Тригональная бипирамида [Cu(dipy)2l]+
Квадратная пирамида [Cu(DMGH)2]2
4 Плоский квад- рат CuO, [Cu(py)4]2+
6 Октаэдр (иска- женный) [СиЭДТАр-, [Cu(H2O)„]2+
чивость комплексов Cu(I) и Cu(II) сильно зависит от природы
лигандов, и равновесие 2 Си(1)ч±Си(0)+Си(П) может быть сме-
щено в любом направлении в зависимости от условий. В водных
растворах Си+ неустойчива, но ее можно стабилизировать с по-
мощью мягких поляризующихся лигандов (CN_, I-, R2S) или пу-
тем образования очень малорастворимых комплексов — CuCN,
CuCl*.
В водных растворах изучена и описана главным образом хи-
мия соединений Си (II). Существует большое разнообразие кон-
фигураций — от плоского квадрата до октаэдра; их все можно
рассматривать как октаэдры с различной степенью удлинения
двух связей, находящихся в транс-положении (искажение вслед-
ствие эффекта Яна—Теллера); комплексы с четко выраженной
октаэдрической симметрией Oh, как и следовало ожидать, не об-
наружены.
Комплексы Си(II) в кристаллическом состоянии иногда, а пеп-
тидные комплексы обычно имеют геометрию квадратной пирами-
ды (координационное число 5) (гл. 4). По-видимому, в кристал-
лическом состоянии Си(II) может образовывать большое разно-
образие структур, соответствующих координационным числам 4,
5 и 6, точная геометрия которых определяется конформациями
лигандов и требованиями решетки; в растворе, по-видимому, пре-
обладает конфигурация искаженного октаэдра.
* CuCN и CuCl можно рассматривать и как простые соли меди(1).—
Прим. ред.
44
Глава 1
3.9. Цинк (табл. 1.9)
Известны только гидратированный ион Zn2+ и комплексы Zn (II).
Так как Zn2+ имеет полностью заполненную Зй-оболочку (d10),
то эффекты кристаллического поля отсутствуют. Таким образом,
стереохимия комплекса определяется только электростатическими
или ковалентными силами связывания и размерами лиганда. Бо-
лее всего распространена тетраэдрическая структура, за нею сле-
дует октаэдрическая и известно несколько примеров комплексов,
имеющих геометрию тригональной бипирамиды и квадратной пи-
рамиды.
Таблица 1.9
Координационное число Геометрия Примеры
4 Тетраэдр [Zn(CN)4p-, [Zn(NH3)4]2+
5 Искаженная тригональ- ная бипирамида или квадратная пирамида [Zn(acac)2H2O] [Zn(terpy)Cl2]
6 Октаэдр [Zn(H2O)ep+, [Zn(NH3)ep+
3.10. Молибден и вольфрам (табл. 1.10)
~о,ов
Мо3+ -----► МоО2,
0,15В
W3+ ------>- WO2 (кислый раствор)
Химические свойства Мо и W очень сходны, но значительно
отличаются от свойств Сг; для них важны состояние окисления
IV, V и VI, в то время как состояние окисления II практически
неизвестно. Для обоих элементов характерно большое разнообра-
зие геометрических конфигураций комплексов, причем имеется
много примеров комплексов с координационными числами больше
шести; например, [Мо(СЫ)8]4-, [Mo(CN)8]3- (искаженный тре-
угольный додекаэдр); полимерные окислы, сульфиды. Дискретный
[МоО4]2- существует в сильнощелочных растворах, а при подкис-
лении образуются разнообразные изополимолибдаты или изополи-
вольфраматы. Для этих соединений характерны октаэдрическая
координация металла с атомами кислорода и различные типы об-
щих углов или ребер. Относительно редки комплексы в состоянии
окисления III, а для Мо и W в состояниях окисления IV, V и
VI известны главным образом анионные комплексы.
Структура и стереохимия координационных соединений
45
Таблица 1.10
Состояние окисления 3 (/-Электронная конфигурация Координа- ционное число Геометрия Примеры
Мо(0) W(0) d3 6 Октаэдр Мо(СО)8, Mo(diphos)3
Мо(1) W(I) ds — «Сэндвичевая» связь [(СвНв)2Мо]+ [л-С5Н6Мо(СО)3]2
Мо(П) W(II) d4 4 Тетраэдр (?) Мо(ОСОСН3)2
Мо(Ш) d3 6 Октаэдр [Mo(SCN)6]3~, [WC1„]3-
W(III) 8 Додекаэдр [Mo(CN)7(H20)]‘-
Mo(IV) d3 6 Октаэдр [Mo(SCN)eJ3-
W(IV) 8 Додекаэдр [Mo(CN)8]4-
Mo(V) №(V) d1 5 Тригональная бипирамида MoClB
6 Октаэдр [WFe]-, [MoOFBp-
8 Додекаэдр [Mo(CN)8]3-, [W(CN)8J3-
Mo(Vl) d° 4 Тетраэдр [MoO4]2~, [WOJ2-
W(VI) 6 Октаэдр WC18, MoFe, MoO8, WOe (в поликислотах)
4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО
И СТЕРЕОХИМИЮ
4.1. Эффекты ионов металлов
Ионы металлов на основании их способности к образованию
химических связей можно разделить на два довольно отчетливых
класса: 1) ионы щелочных (Li+, Na+, К+, Rb+, Cs+) и щелочно-
земельных* (Be24-, Mg2+, Са2+, Sr2+, Ва2+) металлов, 2) ионы пе-
реходных металлов, особенно металлов первого переходного ряда
(Ti2+, V2+, VO24", Сг2+, Cr3+, Mn2+, Fe24”, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+,
Zn24-).
4.1.1. Ионы щелочных и щелочноземельных металлов
Эти металлы характеризуются высокой электроположитель-
ностью и, за исключением Ве2+, который в виде дискретных ионов
неизвестен ни в кристаллическом состоянии, ни в растворе**, су-
* Бериллий вряд ли даже условно можно отнести к щелочноземельным ме-
таллам.— Прим. ред.
** Mg2+, а также в некоторой степени Li+ вследствие их малых размеров
проявляют сильные поляризующие свойства, и связи в их соединениях имеют
частично ковалентный характер.
46
Глава 1
ществуют в их кристаллических соединениях как отдельные ионы
(ионные решетки), а в растворе — как дискретные гидратирован-
ные ионы М+ или М2+. Составные части комплекса удерживаются
вместе почти исключительно электростатическим взаимодействием
между противоположно заряженными ионами или ион-диполями,
а так как ионы имеют электронную конфигурацию инертного га-
I
е
о
СР
Li Na+ К+ Rb+ Cs
5
Ве2+ Mgz+ Са2+ Sr2+ Baz+
Усиление ионного характера
за, то они сферически симметричны с точки зрения возможности
образования ими химических связей. Максимальные координаци-
онные числа (N) часто можно вычислить, предположив плотную
упаковку лигандов на поверхности иона металла и используя сле-
дующее выражение:
„____2л ( d\*( 1
(3)1/2 \ г ) —rz/8d?r
где d — расстояние металл—лиганд, г — вандерваальсов радиус
лиганда. Предполагается, что присоединенные лиганды имеют
правильную стереохимию, которая определяется только энергией
межлигандного отталкивания, т. е. что не существует стерических
требований самих ионов металлов, и в этом заключается их глав-
ное отличие от переходных металлов. Это означает, что меньшие
по размеру катионы (Li+, Na+, К+ и Ве2+), по-видимому, сущест-
вуют в водном растворе как тетраэдрические ионы М(Н2О)4,
в случае К+ это было подтверждено методом рассеяния рентгенов-
ских лучей. Однако, так как эти ионы очень малы, они имеют на
своей поверхности высокую плотность заряда, и приобретает зна-
чение вторичная сольватация. Так, щелочные металлы Li+, Na+,
К+ имеют большие эффективные радиусы гидратации (табл. 1.11).
При этом для Li aq он больше, чем для Csaq.
Найденное для Cstq число гидратации около 10, вероятно, це-
ликом относится к первой гидратной оболочке, вторичная гидра-
тация не имеет значения. Небольшие высокозаряженные ионы
щелочноземельных металлов приобретают в водном растворе вы-
Структура и стереохимия координационных соединений
47
Таблица 1.11
Ион КристэллохимнческиЙ Радиус гидратации Ион Кристаллохимический
радиус3, А (оцененный), А радиус, А
Li+ 0,60 3,40 Ве2+ 0,34
Na+ 0,95 2,76 Mg2+ 0,65
К+ 1,33 2,32 Са2+ 0,94
Rb+ 1,48 2,28 Sr2+ 1,1
Cs+ 1,69 2,28 Ва2+ 1,3
а3десь даны крнсталлохнмические радиусы по Л. Полингу; существует также часто при-
меняемая система кристаллохимнческих радиусов по Б. Голыпмидту. — Прим. ред.
сокое координационное число за счет прямого контакта катион —
анион. Так, Mg2+, хотя и имеет меньший ионный радиус, чем Na+,
существует в водном растворе в виде [Mg(H2O)e]2+. Однако сла-
боэлектроположительный ион Ве2+, существующий в виде тетра-
эдрического [Ве(Н2О)4]2+, проявляет большую кислотность по
сравнению с другими акватированными двухвалентными и однова-
лентными ионами, и молекулы воды в нем прочно связаны; так,
например, [Ве(Н2О)4]С12 не теряет воду над Р2О5.
Для кристаллического состояния имеют большое значение упа-
ковочные эффекты. Состояние с наиболее низкой энергией соот-
ветствует балансу между максимальным координационным чис-
лом, вычисленным по приведенному выше уравнению, и упаковоч-
ными силами, возникающими в результате упаковки в кристалл
повторяющихся структурных единиц. Для щелочных металлов в
ионных кристаллах это приводит к кубической 8-кратной коорди-
нации, если отношение радиусов аниона и катиона (г~/г+) мень-
ше 1,37 (структура CsCl), октаэдрической 6-кратной координации,
если т-]т+ меньше 2,44 (структура NaCl), и тетраэдрической
4-кратной координации, если г~/г+ меньше 4,4 (структура ZnS).
Твердые соединения ионного типа с иной стехиометрией, напри-
мер М2Х, имеют иные структуры решеток.
Химия водных растворов этих металлов почти исключительно
относится к ионам Мщ или М aq - Известно существование в вод-
ных растворах нескольких простых комплексов, содержащих дру-
гие лиганды (интересное исключение см. в гл. 6), а металлоор-
ганические соединения Na и К являются, по существу, ионными
и сильно гидролизуются водой. Только органические производные
Li+ и Mg2+ (чрезвычайно полезные как источник R+ в препаратив-
ной органической химии) имеют ковалентный характер и раство-
ряются в углеводородах и других неполярных растворителях. Бы-
ло показано, что реактив Гриньяра RMgX содержит тетраэдриче-
48
Глава 1
ски координированный Mg в кристаллах C6H5MgBr-2(C2H5)2O;
подобное строение имеет Na(acac)2 (XXXIV). Таким образом, 'во-
дородные связи с координированными молекулами воды и размер
СН3ч ZCH3
с=о р-с
/ \ / Л
Н2С Na 'СН
\ У X _,7
Jc=o О-Сх
СН3Х СНз
XXXIV
гидратированного ‘катиона — важные черты в ‘биологической функ-
ции Naaq И К ад.
Из щелочноземельных металлов только Ве2+ и в некоторой сте-
пени Mg2+ функционируют как достаточно сильные акцепторы
электронов, образуя довольно слабые ковалентные комплексы.
Благодаря малым размерам иона Ве2+ и отсутствию стереохими-
ческих требований, обусловленных электронным строением, пред-
почтительное координационное число равно 4 с тетраэдрическим
расположением лигандов, например BeFf- и Ве(асас)2 (XXXV).
СНз /СНз
с-о о-с
//' \ / “''X
НС Be ,'СН
X'-.- / \ У/
с-о о-с
СНз
СН3
XXXV
Однако если важна стереохимия лиганда, как, например, в пор-
фириновых ядрах, то образуются другие структуры, например
структура плоского квадрата в Mg(II)-хлорофилле (гл. 29,
рис. 29.1). Известен также октаэдрический комплекс
[Mg(NH3)6]Cl2, но он легко гидролизуется в воде. Из ионов дру-
гих щелочноземельных металлов только Са24- проявляет тенден-
цию к образованию комплексных соединений, координируя пред-
почтительно карбоксилатные лиганды. Так, октаэдрический ион
[СаЭДТА]2- имеет практическое значение (как «умягчитель» во-
ды), а связывание Са2+ и Mg2+ фосфатными группами АТФ и
АДФ играет важную роль в процессе переноса энергии в биоло-
гических системах*.
* В последнее время большое значение в химии, биологии и даже в промыш-
ленности приобретает распространение комплексов этих металлов с макроцикличе-
скими лигандами (см. также гл. 6). — Прим. ред.
Структура и стереохимия координационных соединений
49
4.1.2. Ионы переходных металлов
Координационные числа переходных металлов определяются
в основном их размерами и эффективными зарядами ядер, воз-
действующими на лиганды, а также свойствами самого лиганда.
Совокупность этих факторов обусловливает 'большие энергии
(50—500 ккал/моль) связей М—L и их постепенное повышение
Тетраэдр Свободный Октаэдр Тетрагональ- Плоский
ион ноя или квадрат
металла квадратная
пирамида
Рис. 1.3. Расщепление d-уровнен иона металла в кристаллических полях высокой
симметрии.
при переходе от более легких металлов (Ti2+) к более тяжелым
металлам (Zn2+). Неполное экранирование заряда ядра d-элек-
трона'ми приводит к более высокому эффективному заряду в слу-
чае нормальных расстояний связей и к меньшим ионным радиу-
сам; оба эти фактора приводят к понижению координационных
чисел в ряду Ti—Zn и к повышению ковалентного характера и
прочности координационной связи.
Однако стереохимия, а во многих случаях и координационные
числа часто отличаются от предсказанных только на основании
отношений размеров, зарядов и поляризационных свойств катиона
и аниона просто из-за того, что расположение электронов вокруг
иона металла больше не является сферически симметричным. Ион
металла не имеет конфигурации инертного газа, так как происхо-
дит заполнение d-оболочек (3d для Sc—Zn, 4d для Y—Cd, 5d для
Hf—Hg) и 4f- и 5^-оболочек для лантанидов и актинидов соответ-
ственно. Большое значение для стереохимии комплексов переход-
4—2451
50
Глава 1
Таблица 1.12
Энергии стабилизации кристаллическим полем для комплексов
d-переходных элементов (в единицах Dq*)
Октаэдр Тетраэдр Плоский квадрат
0) <u OJ
2 <и Примеры S 2 ? я Q) 3-g J я 3 = = « з Я Л _ x 2 CD X
X « A- = 8. OJ H 5 о ? & Oj О О СХ CL x о ? °-
о s* С X t x ax
Яз SB c 5 о л = S eg OJ E a rt el
d° Ca=+, Sc3* 0 0 0 0 0 0
d> Ti3+, LJ4+ 4 4 2,67 2,67 5,14 5,14
d2 •J'i2+j y3+ 8 8 5,34 5,34 10,28 10,28
d3 V2*, Cr3+ 12 12 3,56 8,01 14,56 14,56
d* Cr2+, Mn3+ 6 16 1,78 10,68 12,28 19,70
d5 Mn2+, Fe3+, Ru2+, Os2* 0 20 0 8,90 0 24,84
d« Fe2+, Co3*, Rh3+, It3* 4 24 2,67 7,12 5,14 29,12
d7 Co2*, Ni3*, Rh2+ 8 18 5,34 5,34 10,24 26,84
d8 Ni2+, Pd2+, Pt2+, Au3* 12 12 3,56 3,56 14,56 24,56
d9 Cu=+, Ag2+ 6 6 1,78 1,78 12,28 12,28
d10 Cu+, Zn2+, Hg2+, Ag* 0 0 0 0 0 0
а Dq (для тетраэдра) = "g- Dq (для октаэдра).
ных элементов имеет также тот факт, что d-электроны простира-
ются в область, находящуюся снаружи замкнутых оболочек бла-
городных газов, и поэтому от числа и расположения имеющихся
d-электронов очень сильно зависит их влияние на лиганды, а сле-
довательно, и на стереохимию основного состояния комплексов.
Мы не будем здесь обсуждать теоретические аспекты химиче-
ской связи в химии переходных элементов [18—22], но от нее
в значительной мере зависит стереохимия комплексов. Коротко
говоря, электростатическое поле лигандов расщепляет пять вы-
рожденных d-орбиталей газообразного иона металла на различ-
ные наборы уровней энергии (рис. 1.3). При заполнении этих ор-
биталей кристаллического поля вначале заполняются наиболее
низколежащие орбитали с соблюдением принципа Паули; при
этом в общем обычно получается выигрыш энергии. Он имеет
название энергии стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП).
Некоторые характерные величины ЭСКП для различных конфи-
Структура и стереохимия координационных соединении
51
гураций приведены в табл. 1.12*. Учитывая энергии соответствую-
щих орбиталей лигандов и допуская, что орбитали металла и ли-
гандов могут взаимодействовать при условии близости их энергий
и соответствия по симметрии, можно сделать поправку на пере-
распределение электронов между металлом и лигандами, т. е. на
ковалентное связывание. Величина ЭСКП, имеющая порядок
10—50 ккал/моль, невелика по сравнению с общей энергией связи,
имеющей порядок 300—3000 ккал/моль, но стереохимия комплек-
сов во многих случаях определяется такими эффектами.
Наиболее важные стереохимические следствия теории крис-
таллического поля приведены в табл. 1.13.
Таблица 1.13
Стереохимические предсказания теории кристаллического поля [30]
Число иесвязыва- клцих d-электроиов Число неспаренных электронов Координационное число 4 Координационное число 6
Э; 0, 5, 10 4 или 9 3 или 8 2 или 7 1 или 6 кктроны не 0 или 5 1 2 3 4 '.парены (слабое поле — вь Тетраэдр Плоский квадрат Искаженный тетраэдр Тетраэдр Почти правильный тетра- эдр СОКИН спин) Октаэдр Тетрагонально искажен- ный октаэдр Октаэдр Почти правильный окта- эдр То же
Электроны спарены (сильное поле — низкий спин)
1 илн 2 3 1 Почти правильный тетра- —
4 0 эдр Тетраэдр Почти правильный окта-
5 1 Искаженный тетраэдр эдр То же
6 0 То же Октаэдр
7 1 Плоский квадрат Тетрагонально искажен-
8 0 То же ный октаэдр То же
Стереохимические следствия возмущений кристаллическим по-
лем полезно рассматривать совместно с другими свойствами
ионов переходных металлов.
* Случай слабого поля соответствует строгому соблюдению принципа
Паули**, случай сильного поля имеет место, когда разность энергий между на-
борами орбиталей (А) больше, чем энергия спаривания спинов. Вследствие этого
вначале полностью заполняется набор нижележащих орбиталей.
** Принцип Паули — один из основных законов природы, и поэтому, естествен-
но, он всегда соблюдается. — Прим. ред.
4*
52
Глава 1
а) Устойчивость состояний (степеней) окисления*. Для эле-
ментов первой половины первого переходного ряда, от Sc до Мп,
существуют все максимальные степени окисления: Sc(III),
Ti(IV)**, V(V), Cr(VI) и Мп(VII) (курсивом отмечены наиболее
устойчивые и распространенные). Однако из-за неполного экра-
нирования ядер d-электронами низшие состояния окисления по,-
степенно становятся более распространенными. Так, Cr(VI) и
Мп (VII) существуют только в виде окислов и оксо-анионов,
Сг(П1)—единственное состояние окисления, имеющее значение
в .водном растворе; Мп(II) и Мп(III) примерно одинаково важны,
Fe(II) несколько более распространен, чем Fe(III), а Со(II) —
более, чем Со(III) (который распространен только в комплексах,
где он находится в ниэкослиновом состоянии); единственное важ-
ное состояние окисления никеля—Ni(II), для меди распростра-
нены как Си(II), так и Cu(I), но двухвалентное состояние имеет
большее значение; цинк встречается только в виде Zn(II), имею-
щего конфигурацию d10.
б) Особенности комплекса, зависящие от природы иона метал-
ла. В общем комплексы металлов, находящиеся в начале ряда,
имеют ионный характер (Sc2+, Ti2+, V2+), в то время как комплек-
сы металлов, стоящих в конце ряда (Cu2+, Ni2+), более ковалент-
ны, особенно комплексы с поляризующимися лигандами (О, S) ***.
Такое изменение характера связи происходит вследствие повыше-
ния эффективного заряда ядра при переходе вдоль ряда. Однако
более ковалентная связь не обязательно означает повышенную ус-
тойчивость. Во втором и третьем переходных рядах элементов сте-
пень ковалентности также заметно повышается по аналогичной
причине, но здесь обычно она вызывает также повышение кине-
тической устойчивости.
Стереохимические выводы теории кристаллического поля мож-
но суммировать следующим образом.
1. Легкие переходные металлы предпочитают более высокие
координационные числа, а более тяжелые—'более низкие коор-
динационные числа. Так, комплексы ионов d°—d6 имеют преиму-
щественно октаэдрическую координацию, в то время как ионы
d7 [Co(II), Rh(II)], d8[Ni(II), Pd(II), Pt(II)] и d9[Cu(II),
Au (III)] предпочитают квадратно-плоскостные структуры. Это
особенно очевидно для второго и третьего рядов переходных эле-
ментов, где спаривание электронов редко имеет место (низкоспи-
новые комплексы).
* В русской терминологии термины «степень окисления» и «состояние
окисления» равнозначны. — Прим. ред.
** В оригинале Мп(IV), по-видимому, опечатка. — Прим. ред.
*** Большинство лигандов с донорными атомами кислорода поляризуется
слабо. — Прим. ред.
Структура и стереохимия координационных соединений
53
2. Высокие координационные числа обычно ассоциируются с
катионными комплексами ([Co(NH3)6]2+), а низкие — с анионны-
ми комплексами ([СоСЦ]2-). Так, комплексные фториды или
окислы в виде изолированных октаэдрических анионов в твердом
состоянии не образуются.
3. Более высокие координационные числа иногда ассоциируют-
ся с более высокими состояниями окисления, например [СиС12]“,
[CuCl4]2- [CuF6]3-, [FeCl4]2-, [FeCl6]3-
4. Координационное число иногда уменьшается с увеличением'
поляризующей силы атома металла, например [Ag(CN)2]~ (по-
тенциал ионизации 9,22 эВ) и [Cu(CN)4]3- (потенциал иониза-
ции 7,72 эВ).
5. На основе энергии стабилизации кристаллическим полем
(табл. 1.12) стереохимические требования иона металла при дан-
ном координационном числе могут быть предсказаны с хорошей
вероятностью. Так, действительно, квадратно-плоскостные ком-
плексы наиболее часто находят для ионов с конфигурациями
d& (Ni, Pd, Pt) и d9 (Cu2+) и в меньшей степени —с d7 [ионы
Au(III)*].
6. Энергия стабилизации кристаллическим полем для структу-
ры квадратной пирамиды (координационное число 5) имеет про-
межуточное значение между величинами ЭСКП для правильного
октаэдра и квадратно-плоскостной структуры. Так, для систем
d7[Co(II), Ni(III)] эта структура предпочтительна, например
[Ck^CNJs]3-, [Co(triars)I2], {Ni[ (C2H5)3P]2Br3}.
7. Системы, не имеющие ЭСКП (d°, d5, d10), легко образуют
тетраэдрические комплексы — Fe(III), Zn(II), Al (III), Cd (II),
Mn(VII).
8. Ион Co(II) (d7) в меньшей степени предпочитает октаэдри-
ческую координацию тетраэдрической, чем ионы с любой другой
^-конфигурацией.
9. Теория предсказывает, что искажения правильной октаэд-
рической геометрии можно ожидать в следующих случаях: высо-
коспиновые комплексы Сг(П) и Мп (III) (d4), низкоспиновые ком-
плексы Ni(III) и Со(II) (d7), комплексы Си (II) (d9), для кото-
рых искажение происходит за счет удлинения октаэдра вдоль од-
ной оси — тетрагональное искажение, например СгС12 (4С1~ на
2,39 А, 2С1- на 2,90 А).
10. Для хелатных структур с координационным числом 4 пред-
сказания теории кристаллического поля, кажется, сохраняют силу.
Так, для комплексов типа XXXVI имеет место следующая после-
довательность структур [31]: Cr(II) (d4)—плоскостная; Cu(II)
(d9) — плоскостная во всех комплексах за исключением систем со
стерическими затруднениями; Ni(II) (d3)—в большинстве случа-
Здесь ошибка: конфигурация Au(III) — d8. — Прим. ред.
54 Глава 1
•ев плоскостная, но для некоторых систем (О, NCH3; S, NCH3) име-
-ет место равновесие между плоскостной и тетраэдрической структу-
R'\
С-x Y-C
\ / 'Л
нс. м ;сн
\<_ / \ _-7
C-Y Х-С
r/ xr,
X, Y = O,S,NR
R = алкил, арил
XXXVI
,рами; Co(II)(d7)— в большинстве случаев тетраэдрическая, но
встречаются системы с равновесием между плоскостной и тетра-
эдрической структурами, а также чисто плоскостные (N, S);
F'e(II) (d6)—тетраэдрическая; Zn(II) (d10)—тетраэдрическая.
4.2. Свойства лиганда
Предполагается, что в определении стереохимии значительная
роль принадлежит лиганду, являющемуся партнером в образова-
нии координационной связи. Координационное число иона метал-
.ла .по отношению к монодентатным лигандам определяется глав-
ным образом размером лиганда и числом потенциальных донор-
ных атомов. Детальная стереохимия для данного координационно-
го числа в большинстве случаев зависит от требований иона
металла (эффекты кристаллического поля) и в изменяющейся сте-
пени от стереохимии лиганда, хелатообразующих свойств и при-
роды донорных атомов, принимающих участие в образовании
связи.
4.2.1. Донорные атомы
Для предсказания характеристик комплексов полезны понятия
о «жестких» и «мягких» кислотах и основаниях. Здесь термин
«кислота» относится к иону металла в его формальном состоянии
окисления (кислота Льюиса), а «основание» — к донорным ато-
мам лиганда. К «жестким» относятся трудно поляризующиеся
кислоты и основания, к «мягким» — более легко поддающиеся ис-
кажению. Следствие жесткости и мягкости ионов металлов и ли-
гандов рассматривается в гл. 2, табл. 2.2 и 2.3. Как там показано,
для жестких металлов, относящихся к классу (а), тенденция к
преимущественному взаимодействию с лигандами соответствует
ряду
F>Cl>Br
О )' S (> Se)
N > Р (> As)
Структура и стереохимия координационных соединений
55
в то время как для мягких металлов, принадлежащих
к классу б, порядок устойчивости образуемых ими комплексов
изменяется в следующей последовательности: S~C>I>Br>
>C1>N>O>F. Как правило, координационное число умень-
шается с увеличением поляризуемости лиганда, например
[FeF6]3-, [FeBr4]~; для зависимости координационного числа от
поляризуемости металла наблюдается такая же тенденция, на-
пример [МпС1б]4-, [ZnCl4]2-.
Было показано, что от изменения размера донорного атома
редко непосредственно зависит (если вообще зависит) изменение
координационного числа. Так, более вероятно, что высокие коор-
динационные числа, наблюдающиеся в комплексах с ионами F-
и Н- в IF5, [TaF8]3~, [ReH9]2- и т. п., в большей мере обусловле-
ны слабой поляризуемостью лиганда и .высоким состоянием окис-
ления акцептора [I(V), Ta(V), Re(VII)], чем малыми размерами
донорного атома. Однако ясно и то, что объемистые донорные ато-
мы или группы атомов будут препятствовать осуществлению не-
нормально высоких координационных чисел.
Имеют важное значение стереохимические требования донор-
ного атома. Это ясно 'видно на примере нескольких хелатов, обра-
зованных атомами N, S и О, в которых отчетливо проявляется
предпочтение атомов серы к координации по вершинам пирамиды,
в то время как требования N и О не столь отчетливы (угол связи
в H2S равен 92°, в Н2О — 105°, NH3 — 107°). Если У=Ы, то можно
наблюдать все три геометрические структуры (XXXVII—XXXIX),
но только две, если Y=S (XXXVII и XXXVIII).
XXXVII
Подобным образом с шестидентатным лигандом
возможна как изогнутая (XL), так и линейная (XLI) хелатная
связь, если Y='O, но только изогнутая (XL), если Y=S.
56
Глава /
4.2.2. Размер лиганда
Размер лиганда может быть очень важен для определения ко-
ординационного числа, а в некоторых случаях и стереохимии. При
прочих равных условиях объемистые лиганды предпочитают низ-
кие .координационные числа, например:
[Со(асас)2]4
(октаэдрическая
координация
ацетил ацетона)
{Co[N(CH2CH2NH2)3]Br2) и
(октаэдр)
и Co(dpm)2
(тетраэдрическая
координация
дипивалоилметана)
[Co(N[CH2CH2N(CH3)2]3)Br]Br
(тригональная бипирамида)
Стереохимия комплексов с шиффовыми основаниями изменяется
XLII
в зависимости от природы заместителя R: если R = H, то комплекс
имеет геометрию плоского квадрата, а при R = бутил — тетраэдра,
предположительно вследствие того, что стереохимия тетраэдра
более открытая. Кажется также, что увеличение размера кольца
в четырехдентатном лиганде МН2(СН2)ЖЫН(CH2)1/NH(CH2)a:NH2
от у (или х) =2 до 3 стабилизирует в его комплексах состава
[Со(амин)С1г]+ структуру XLIV по сравнению со структурой
XLIII, возможно, вследствие того, что при шестичленном кольце
возникают меньшие .напряжения валентных углов у пирамидаль-
ных центров атомов вторичного азота.
Структура и стереохимия координационных соединений
57
XL1I1
Необычная геометрия тригональной призмы (XLV), найденная
в трис-(цис-1,2-дифенилэтилен-1,2-дитиолате)Ке(У1), образуется,
по-видимому, вследствие стерического отталкивания между двумя
большими фенильными кольцами, которое дестабилизирует более
обычную октаэдрическую структуру. Известны также многие дру-
гие примеры влияния размера лиганда .на координационное число
и (или) стереохимию.
XLV
4.2.3. Стереохимия лиганда
Полидентатные лиганды иногда образуют геометрию, относи-
тельно не чувствительную к иону металла. В действительности
путем подбора подходящего лиганда можно получить почти лю-
бую геометрию [32, 33]. В качестве примера высокого координа-
ционного числа, вызванного требованиями лиганда, можно при-
вести 8-кратную координацию, найденную в [Со(Ь1Оз)4]2-, в кото-
ром угол между донорными атомами лиганда составляет всего
53° (XLVI). В качестве другого примера можно привести недавно
изученный лиганд 1,8-нафтиридин (XLVII), в комплексах с кото-
рым ионы двухвалентных металлов Мп, Fe, Ni, Си, Zn, Pd и Cd
имеют координационные числа 8, обусловленные, вероятно, огра-
ниченным углом связи лиганд—^металл—лиганд.
58
Глава 1
XLVI
XLVH
Комплексы лиганда N(CH2CH2NH2)3 (tren) с ионами метал-
лов, обычно предпочитающих геометрию плоского квадрата или
тетраэдра, имеют геометрию тригональной бипирамиды вследст-
вие тригональной природы третичного атома азота. Такую струк-
туру имеют, например, Cu(II) и Zn(II) в [M(tren)X]+ (Х=С1, Вг,
NCS) (XLVIII). Существует много примеров этого типа, в том
числе и четырехдентатных лигандов, содержащих кроме атома N
третичные атомы Р и As.
С подходящим образом сконструированным лигандом на-
блюдалась также необычная геометрия тригональной приз-
мы; было показано, например, что такую структуру имеет
[Zn(py3tach)](C104)2 (XLIX):
В результате ненасыщенности по лиганду может образоваться
комплекс с квадратно-плоскостной конфигурацией, как, например,
в [Co(salen)] (L), и многие подобные циклические соединения с
четырехдентатными лигандами этого типа, в которых имеет место
Структура и стереохимия координационных соединений
59
координация иминного атома N (LI, CXXXIV—CXXXVI) или на-
сыщенного N (LII).
LI1
LUI
Однако иногда координационные требования иона металла мо-
гут .привести к деформации таких лигандов, как было недавно
показано рентгеноструктурным исследованием [Co(salen) (асас)] •
•Н2О (LIII) [34]. Однако все известные до сих пор структуры,
содержащие 2,2',2"-терпиридил, линейны, так как вследствие
хр2-гибридизации на атоме углерода донорные атомы N остаются
в основном копланарными, например в [Zn(terpy)Cl2] (триго-
нальная бипирамида). Такая же ситуация имеет место и в дру-
гих ненасыщенных группировках типа LIV—LVI, а аминокислоты
образуют почти плоские пятичленные хелатные кольца (LVI); так,
в хелатированном глицинатном анионе центральный атом угле-
рода смещен не более чем на 6° от плоскости.
60
Глава 1
В качестве другого примера можно привести хелатное соединение
кобальта с тридентатным глицилглицинатным анионом [Co(Gly-
Glyh]- (гл. 4, структура XX). Из-за направленного характера
валентности карбонильного кислорода практически невозможно
более чем бидентатное хелатирование к одному и тому же атому
металла коротких пептидов, координированных амидной группой,
в том случае, когда в координации принимает участие атом кис-
лорода амидогруппы (LVII), так как амидная группа должна
LVII
оставаться в основном плоской; более чем одно хелатное кольцо
может образоваться только в том случае, когда в координации уча-
ствует депротонированный атом азота амидной группы. Подобная
ситуация должна наблюдаться и в более длинных пептидах, так
что, по-видимому, атом кислорода карбонильной группы не участ-
вует в координации, если образуется более чем одно хелатное
кольцо с одним и тем же центральным атомом металла.
Из этих примеров видно, что двухвалентные ионы переходных
металлов легко приобретают разнообразные координационные
числа и конфигурации с подходящими лигандами. Возможно, наи-
более поразительный результат новейших кристаллографических
исследований заключается в том, что при 4- и 6-кратной коорди-
нации редко достигается правильная геометрия, а искажение или
необычная стереохимия представляют в действительности обыч-
ное явление. Очевидно, это также в значительной степени имеет
место при связывании металлов с белками и в активных центрах
ферментных систем.
4.2.4. Хелатные кольца
Образование хелатных колец увеличивает стабильность комп-
лекса (гл. 2) и стабилизирует высокие координационные числа.
Это можно было бы предположить, исходя из внутримолекулярной
природы процесса замыкания кольца с /С1Ж2, а в некоторых слу-
чаях также из ограничения, связанного с малым расстоянием
Структура и стереохимия координационных соединений
61
между донорными атомами «пасти» хелатирующего лиганда на
металле.
Комплексы [Zn(en)3]2+ (октаэдр) и [Zn(terpy)Cl2] (тригональная
бипирамида) представляют примеры высоких координационных
чисел по сравнению с обычной тетраэдрической стереохимией при
4-кратной координации, например [ZnfNHs)^24-. Примерами вы-
соких «необычных» координационных чисел могут служить
[Co(NO3)4]2- (XLVI) и [Zr(С2О4)4]4~ (LVIII) (додекаэдр, коор-
динационное число 8) и комплексы Мп (II) и Fe(III) с шестиден-
татным лигандом этилендиаминтетраацетатом [МпЭДТА(Н2О)]2~
и [РеЭДТА(Н2О)]_ (координационное число 7) (XXVII и
XXVIII). Подобным образом в комплексе La (III) с ЭДТА, имею-
щем состав [ЕаОЭДТА(Н2О)4], осуществляется 10-кратная коор-
динация иона лантана (рис. 1.1,6).
их
Другое следствие хелатирования лигандов состоит в вынуж-
денной координации атомов, являющихся в других случаях сла-
быми донорами. Например, атом третичного азота в монодентат-
ных лигандах, как правило, не координируется к Со (III), но об-
наружена его координация в ионе [Co(tren) (Н2О)2]3+ (LIX).
Подобным образом атом эфирного кислорода в шестидентатном
лиганде
принуждается к координации расположением донорных атомов со-
седних хелатных колец (LX). Для простых координационных со-
62
Глава 1
единений известно много других подобных примеров, и можно
полагать, что та же тенденция будет иметь место при связывании
металлов координационными центрами белков, где фиксированная
геометрия потенциальных донорных атомов может быть достаточ-
ной для вынужденной координации.
5. СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ
Стереоизомерия неорганических комплексов возникает в ре-
зультате различного пространственного расположения лигандов
или лигандных групп вокруг центрального иона металла. Все
комплексы, имеющие одинаковый химический состав и превра-
щающиеся друг в друга путем перестановки лигандов, называют-
ся конфигурационными изомерами. Было найдено полезным выде-
лить в пределах этого определения те изомеры, которые отличают-
ся только углами поворота вокруг связанных пар атомов в том
же лиганде, и назвать их конформационными изомерами.
цис траве
конфигурационные
изомеры
Н
конформационные
изомеры
Таким образом, конформационные изомеры, естественно, воз-
никают из конфигурационных эффектов, и иногда трудно прове-
сти четкую грань между этими двумя классами. Однако в данном
обзоре конформационные изомеры будут рассмотрены отдельно,
так как они не требуют перестановки донорных атомов, окружаю-
щих атом металла, а их взаимные превращения обычно происхо-
дят быстро и в основном, по-видимому, независимо от свойств ме-
талла.
Структура и стереохимия координационных соединений
63
5.1. Конфигурационные изомеры
Возможны два .класса конфигурационных изомеров — диасте-
реомеры и оптические изомеры. Диастереомеры имеют различные
физические и химические свойства и, по крайней мере теоретиче-
ски, могут быть разделены путем фракционированной кристалли-
зации или хроматографии или обнаружены в смеси физическими
методами (например, спектроскопия в ультрафиолетовой или ви-
димой области, ЯМР на ’Н, 19F, 13С, рентгеноэлектронная спектро-
скопия, электронно-эмиссионная спектроскопия). Они представля-
ют различные геометрические формы одной и той же молекулы
и могут существовать в виде нескольких изомеров. Оптические
изомеры отличаются только тем, что они являются несовмещае-
мыми зеркальными изображениями одной и той же молекулы; их
предельное число равно двум. Обычно их называют энантиомера-
ми или энантиомерными формами, а иногда катоптромерами.
5.1.1. Диастереомеры
а) Геометрические изомеры. Геометрическая изомерия являет-
ся следствием различного пространственного распределения донор-
ных атомов или хелатных колец вокруг центрального атома ме-
талла. Ее часто обнаруживают в квадратно-плоскостных или ок-
таэдрических комплексах, но она возможна и для других типов
комплексов. Классические примеры представляют квадратно-
плоскостные комплексы Pt (II), Pd(II) (LXI и LXII) и октаэдри-
LXI. транс(D2h)
LXII, цис (C2il)
LXffl, транс (D4h)
NH3
LX1V, цис (C2v)
ческие комплексы Сг(Ш) и Co(III) (LXIII и LXIV). Эти метал-
лы, так же как Ru(II), Rh(III), Cu(II), Ni(II), имеют много гео-
64
Глава 1
метрических изомеров различной степени сложности. Эти изомеры
обычно можно различить путем изучения их спектров (см. выше)
и разделить химическими методами. В качестве других примеров
можно привести цис- и транс-формы бис-(аланината) меди (II)
(LXV и LXVI) и дихлородитиоуреата никеля(II) (LXVII и
LXVIII), а также [Pt(NH3)pyClBr], который был разделен на три
возможные формы (LXIX—LXXI).
LXXI
Комплекс [PtClfSCzHs) (Р(СзН7)з]2 представляет пример ком-
плекса, содержащего соединенные мостиком атомы металла, для
него были охарактеризованы две симметричные формы (LXXII и
LXXIII). Примером октаэдрического комплекса, содержащего хе-
латные кольца, является граневое (LXXV) и реберное (LXXVI)
расположения донорных атомов в триглицинате кобальта(III).
СаН6 С2Н6
I I
Cl\ /С1 Cl\ /Р(С3Н-)3
zPtf JV ЛЧ zpt\
(CjHjJgP g/ Р(С3Н7)3 (CsHj)3P gZ Cl
I I
c2H& C2HB
LXXII LXXIII
Структура и стереохимия координационных соединений
65
Обе изомерные формы этого комплекса, так же как и соответст-
вующие изомеры аланината, были изолированы в твердом со-
стоянии.
l.XXV I.XXVL
Другой класс геометрических изомеров возникает в результа-
те различного расположения хелатных колец, образуемых поли-
дентатным лигандом вокруг иона металла. Известны многие при-
меры этого типа. Из последних примеров можно указать на ион
LXXX (аа-изомеру
66
Глава 1
[Co(trien) (Gly)]2+, для которого было получено три различных
расположения (LXXVII—LXXIX), и на ион [Co(tetraen)Cl]2+,
для которого возможны четыре геометрические формы (LXXX—
LXXXIII) в зависимости от стереохимии вокруг трех центральных
донорных атомов азота. 'Подобным образом «зеленой» и «корич-
невой» формам комплекса Со(III), содержащего шестидентатный
лиганд
были приписаны формулы LXXXIV и LXXXV соответственно; при
увеличении гибкости этого лиганда путем насыщения или увели-
чения хелатных колец становятся возможными еще две кон-
фигурации— LXXXVI и LXXXVII. Такие изомеры обычно легко
LXXXIV LXXXV LXXXVI LXXXVII
разделяются фракционированной кристаллизацией или ионооб-
менной хроматографией, но определение их строения часто оказы-
вается более трудной задачей; с помощью рентгеноструктурного
анализа не удается получить определенного отнесения.
Несколько иной тип изомерии получается в результате замеще-
ния в лиганде. Так, [Pt(L -рп)2]2+ существует как в цис-
(LXXXVIII), так и в транс-формах (LXXXIX), а граневая (ХС) и
реберная (XCI) формы Л-[Со( L-pnJg]^ были идентифицированы
после хроматографического разделения. Другие примеры этого
Структура и стереохимия координационных соединений
67
типа представляют различные хелаты несимметрично замещенно-
го ацетил ацетона, например [Co(tfa)3] (1Га = трифторацетилаце-
LXXX1X
XCI
тон). Такие комплексы, содержащие несимметричные хелаты, ока-
зались полезными при изучении механизма инверсии на асиммет-
ричных атомах металла.
Следующий класс изомеров, весьма сходных с описанными в
предыдущем параграфе, — это соединения, в которых ориентация
протона может привести к конфигурационным эффектам. Так, ион
[Co(dien) (en)Cl]2- может существовать в двух выделенных в ин-
дивидуальном состоянии геометрических формах (ХСП и ХСШ),
a p2-['Co(trien) (Gly)]2+ на катионообменной смоле дауэкс был
разделен на две формы — XCIV и XCV.
ХСП
хеш
Более сложный пример представляет изомерия [Co(tetraen)Cl]2+,
для которого возможно четыре расположения (XCVI—XCIX), за-
5
68
Глава 1
висящие от конфигурации вокруг двух атомов .вторичного азота,
соединяющих хелатные кольца, расположенные в той же плоскости.
В последних соединениях возникает также асимметрия на атоме
азота, но это явление будет обсуждено более детально в
разд. 5.1.2, б. В качестве других примеров изомерии этого типа
приведем комплексы с насыщенными соединениями, содержащи-
ми донорные атомы Р и As и образующими мостиковые хелатные
кольца в одной и той же координационной плоскости.
Для приведенных выше примеров при наличии атома N в ще-
лочных растворах, где происходит быстрый обмен протона NH,
легко достигается равновесие, но в кислых растворах изомеры
устойчивы, и во многих случаях их легко разделить и отличить
(с помощью спектроскопии в видимой области или ПМР-спектро-
скопии).
. ХСУИ
ХСУШ
XCIX
б) Структурные изомеры. Сюда относятся изомеры, которые
образуются в результате изомерии связей, 'возникающей при на-
личии альтернативных способов координации одного и того же
лиганда, и изомерии лигандов, которые сами отличаются по струк-
туре.
Существует много случаев изомерии связей для монодентат-
ных лигандов, содержащих два различных донорных атома (ам-
фифилы). Так, М—ONO (нитрито) и М—NOO (нитро), М—SCN
(тиоцианато) и М—NCS (изотиоцианате), М—OCN (цианато) и
М—NCO (изоцианато), М—CN (циано) иМ—NC (изоциано) пред-
ставляют классические примеры из химии Со (III). Подобным обра-
Структура и стереохимия координационных соединений
69
зом ион [Co(NH3)5(Gly)]2+ существует в виде двух форм: со
связью через атом азота (С) и через атом кислорода (CI). Ацет-
амид в [Со(МНз)5(асат)]3+ также может присоединяться через
атом О (СП) и через атом N (СШ); в этом случае различная
координация требует перестановки 'протона.
[(NH3)5Co—NH2CH2CO2]2+
G
СН3
2+
(NH3)5Co—ОС—nh2
СП
[(NH3)6Co—OCCH2NH2]2+
II
О
GI
Г сн3 у*
I
L (NH3)6Co—NH=C—ОН
CHI
В качестве примеров бидентатных лигандов можно указать на
изомеры хелатированного амида глицина, координированного по
атому азота или кислорода, который найден в [Co(en)2(glyam)]3+
(CIV в CV) (для последнего рКа енольного протона равен (при-
мерно 0,4), а также на своеобразный комплекс CVI, в котором
предполагают наличие двух хелатных колец различного размера
в одном и том же лиганде.
CIV
? /снз
Н3СС—C=N HN=C
О I zNi/ Jp-COCH3
_C=NH XO-N
H3C<
CVI
Лигандные изомеры также довольно многочисленны, так как
они просто образуются из совершенно различных лигандов, име-
ющих одинаковый химический состав. Классическими примерами
являются комплексы с 1,2-диаминопропаном (рп) и триэтиленди-
амином (tn), как в комплексах [Pt(tn)2]2+ (CVII) и [Pt(pn)2]2+
70
Глава 1
(CVIII) соответственно, и с
М—CNCH3 (метилизоцианид).
М—NCCH3 (метилцианид) и
CVIII
CVII
5.1.2. Оптические изомеры
Оптические изомеры возникают в том случае, когда молекула
и ее зеркальное изображение несовместимы друг с другом. Гово-
рят, что такая молекула диссимметрична, и диссимметрия возни-
кает во всех случаях, когда молекула не имеет ни центра симмет-
рии, ни плоскости симметрии, ни зеркально-поворотной оси сим-
метрии*. Таким образом, оптически активные формы всегда имеют
асимметричную структуру, но они могут иметь некоторые элемен-
ты симметрии, главным образом поворотные оси второго, третьего
или четвертого порядка.
Оптические эффекты в координационных соединениях по их
происхождению удобно классифицировать на три группы: а) воз-
никающие из геометрического расположения лигандных групп
вокруг металла (конфигурационные эффекты), б) обусловленные
асимметрией лиганда или его донорных атомов, существовавшей
или возникшей вследствие координации (вицинальные эффекты),
и в) происходящие из конформационных свойств координирован-
ного лиганда. Так как оптическая активность, возникающая из
конформационных эффектов, является следствием различных уг-
лов поворота вокруг связанных пар атомов, то она будет рассмот-
рена в разд. 5.2.
а) Конфигурационные энантиомеры. Впервые их существова-
ние наглядно показал Вернер с целью защиты своей теории коор-
динации. Так, он доказал октаэдрическую геометрию [Со(еп)3]3+
и цас-[Со(еп)2С12]+ путем их разделения на энантиомерные фор-
мы (CIX, СХ) и (CXI, СХП) соответственно, но ионы
[Co(en) (NH3)4]3+ (CXIII) и транс-[Со(еп)2С12]+ (CXIV), имеющие
плоскость симметрии, неспособны разделяться.
Со времен Вернера были разделены многие комплексы, в част-
ности комплексы Со(Ш) и Сг(Ш), а их абсолютная конфигура-
* Так как центр симметрии (i) эквивалентен зеркальио-поворотиой оси вто-
рого порядка а плоскость симметрии (о) можно рассматривать как элемент
симметрии Si, то можно дать следующее более краткое определение диссимметрии:
«если молекула не имеет зеркально-поворотных осей Sn с п^1».
Структура и стереохимия координационных соединений
71
CIX (Д)
СХ11 (Л)
ция была установлена рентгеноструктурным анализом [35, 51].
Изучение таких оптически активных комплексов существенно спо-
собствует лучшему пониманию двух главных областей координа-
ционной химии: а) стереохимия и механизм процессов замещения
и рацемизации и б) отнесение электронных полос поглощения пу-
тем исследования ДОВ (дисперсии оптического вращения) и КД
(кругового дихроизма) и усовершенствование нашего понимания
электронного строения комплексов. Обсуждение этих тем выхо-
дит за рамки данной главы, и читатель отсылается к другим
источникам [2, 36, 37].
Обычную процедуру разделения [10, 38] можно применить к
кинетически инертным комплексам, .стабильным или подвергаю-
щимся в водных растворах медленной рацемизации. Это относится
ко всем комплексам Со(Ш), Сг(Ш), Rh(III)) Ir(III), Os(II) и
Pt (IV) и в некоторых случаях к октаэдрическим комплексам
Fe(II), Ni(II) и Со(П). Для катионных и анионных комплексов
это обычно означает образование диастереомерных солей с оп-
тически активным органическим или неорганическим анионом или
катионом, но нейтральные комплексы разделить труднее; как пра-
вило, для этой цели используют методы хроматографии или зон-
ного плавления. Для кинетически лабильных октаэдрических или
тетраэдрических комплексов Fe(II), Fe(III), Ni(II), Co(II),
Mn(II), Cu(Il), Zn(II) и др. энантиомерные формы могут быть
выделены только в случае их исключительной стабильности.
Обычно их исследование проводят в асимметричном окружении,
таком, как активный спирт (бутанол-2), или в водном растворе,
72
Глава 1
содержащем добавленную асимметричную соль (аммоний-сТл-
бромкамфорсульфонат, натрийантимонил-4/-тартрат, цинхонин,
стрихнин и т. п.). Такие эффекты «конфигурационной активности»
возникают вследствие различий в активности энантиомерных
форм в асимметричном окружении.
Ни один из тетраэдрических комплексов типа M(ABCD), мо-
делирующих классическую химию углерода, не был разделен на
оптические изомеры, так как, во-первых, их трудно синтезировать,
а во-вторых, они, по-видимому, слишком лабильны для того, что-
бы их можно было изучать обычными методами. Были разделены
некоторые тетраэдрические комплексы типа М(А—гВ)2, например
[B(sal)2]+ (CXV) и [Be(bzp)2] (IX), но обычно эти комплексы
легко диссоциируют, и их также нельзя исследовать обычными
методами.
CXV
При квадратно-плоскостной координации оптические изомеры
обычно отсутствуют, но соединение XIII представляет необычный
пример, в котором имеет место скорее квадратно-плоскостная ко-
ординация, чем тетраэдрическая. При тетраэдрической координа-
ции комплекс имел бы плоскость симметрии.
Несомненно, наиболее интенсивно исследовались октаэдриче-
ские комплексы Со(III) или Сг(Ш) и Rh(III), содержащие хела-
тированные лиганды. Так, были разделены не только такие дис-
симметричные комплексы, как [Со(еп)з]3+, [Сг(еп)3]3+, [Со(ох)3]3-
и [Co(Gly)3], но и значительно менее симметричные молекулы.
CXVI
CXVII
CXV111
Структура и стереохимия координационных соединений
73
Например, из трех возможных геометрических форм [Co(dien)2]3+
(CXVI—CXVIII) форма CXVI, имеющая симметрию С2л, не дис-
симметрична, а формы CXVII и CXVIII ^симметрией С2 были раз-
делены на энантиомерные формы.
Интересный случай представляет изомер CXVIII, так как здесь
единственным элементом хиральности является отношение между
двумя находящимися в гране-положении связями N—Н вокруг
СХ1Х
ехх
CXXI
атома вторичного азота. Подобным образом были разделены две
диссимметричные формы [Co(trien))Cl2]+—CXIX и СХХ, но
транс-изомер неактивен относительно металлического центра.
Для [Co(tetraen)Cl]+ возможны четыре структурные формы
(LXXX—LXXXIII), но LXXXIII имеет ось второго порядка и по-
этому неактивна. Изомеры LXXX и LXXXI 'были разделены и их
конформации подтверждены рентгеноструктурным методом. Сим-
метричные плоские тридентатные лиганды, такие, как терпиридил,
образуют неактивные октаэдрические комплексы (СХХП), но
несимметричные тридентатные лиганды, такие, как глицилглицин,
образуют оптически активные комплексы типа аниона
[Co(Gly-Gly)2]- (СХХШ).
Были разделены некоторые .комплексы с шестидентатными ли-
гандами, из которых наиболее известны комплексы ЭДТА
(CXXIV), пропилендиаминтетрауксусной кислоты (ПДТА), а так-
74
Глава 1
же комплексы Со(III) с шиффовыми основаниями (LXXXIV и
LXXXV), синтезированные Двайером и Лайонсом [39].
CXX1V
б) Вицинальные эффекты. Этот тип диссимметрии обусловлен
лигандом, который либо сам по себе асимметричен, либо приобре-
тает при координации асимметричные донорные атомы. Существу-
ет большое число асимметричных лигандов; в качестве обычных
примеров можно указать на 1,2-диаминопропан (pn) (CXXV),
транс- 1,2-диаминоциклогексан (chan), аминокислоты (кроме гли-
цина), пропилендиаминтетрауксусная кислота (ПДТА) и асиммет-
ричные пептиды (CXXVI).
CXXV CXXVI
Очевидно, что если асимметричен лиганд, то асимметричен и
комплекс. Это приводит к асимметричным вкладам в d-электрон-
NH3 _ а*
H5N-—9==C-CH-NH2
/J^c° ; сн3
H3N--1: -~NH3
NH3
NH3 2*
1
H3N --- --•O^C
с^СНз
H3N——j NhT ’’H
NH3
CXXVII
CXXVIII
Структура и стереохимия координационных соединений
75
ные переходы металла. Ниже приведены два таких примера
(CXXVII и CXXVIII), содержащие монодентатный и бидентатный
аланин соответственно. Вклад асимметрического атома углерода
в круговой дихроизм, ассоциированный с ионом металла, сходен в
этих двух комплексах. Однако в некоторых случаях наличие двух
асимметричных лигандов может привести к внутренней компенса-
ции и поэтому к образованию неактивного комплекса. Так, ком-
плексы CXXIX и СХХХ неактивны, так как транс-изомер (CXXIX)
имеет центр симметрии, а СХХХ — плоскость симметрии. В таких
комплексах мутаротация асимметричных центров, соседних с ко-
сххх
ординированным карбонилом или карбонильными функциями,
сильно облегчается при координации, что может быть объяснено
повышенной кислотностью протона. Так, хелатированный аланин
в комплексе CXXXI подвергается быстрой мутаротации при pH 12,
в то время как ь-аланинглицин в СХХХП подвергается мутаро-
тации три pH 10.
CXXXI
схххп
схххш
76
Глава 1
Вицинальные эффекты, возникающие на донорных атомах при
координации, интенсивно исследовались лишь в последнее время,
хотя сам эффект был известен давно. Например, хелатированный
саркозин в ионе [Co(NHs)4(sar)]2+ (СХХХШ) асимметричен бла-
годаря четырехковалентному атому азота, и этот ион был разде-
лен на оптические энантиомеры.
Подобным образом на оптические изомеры была разделена
транс-форма комплекса (±.)-[14]-dieneNi(II) (CXXXIV), содер-
жащего четырехдентатное основание Шиффа, хотя он имеет в ос-
CXYXIV (rnponc-[Hl-diene) CXXXV (мезп-транс-[1^]- diene)
новном плоскую структуру. В .мезо-изомере (CXXXV), содержа-
щем вторичные протоны NH на противоположных сторонах от
плоскости координации, происходит внутренняя компенсация, и
поэтому он неактивен. Известна кристаллическая структура обоих
комплексов [40]. Подобным образом цис-[14]-diene (CXXXVI)
может быть и в активной и в .мезо-формах благодаря протонам
NH. Многие другие комплексы были разделены на энантиомерные
CXXXVI1
CXXXVIII
CXXXIX
CXL
Структура и стереохимия координационных соединений
77
формы, в том числе транс-[Со(trien)Cl2]+ (CXXXVIII), транс-
[Со(СН3-еп)2С12] + (CXXXIX), [Pt(CH3-en)2]2+ (CXXXVII),
[Ni(cyclam)]2+ (CXL).
Инертность N-центров по отношению к рацемизации резко от-
личается от быстрой инверсии в органических аминах или заме-
щенных ионах аммония, а изомеры комплексов оптически устой-
чивы в кислых растворах. Кажется, что рацемизация протекает
только в том случае, когда протоны N—Н удалены, и, более того;
что скорость рацемизации в 102—106 раз меньше, чем скорость об-
мена атомов водорода в комплексах Pt (II), Pt(IV) и Со (III) [26].
Это было объяснено большим фактором сохранения для основных
аминов с конъюгированными связями. В комплексах этого типа
как обмен водорода, так и инверсия азота подчиняются закону
СКОРОСТИ Анабл = А[ОН_].
.При координации посредством атомов Р, S и As также воз-
никает асимметрия. Как и можно было ожидать, здесь сохране-
ние конфигурации более выражено, чем в случае асим-
метричного атома азота. Так, соль Pt (IV) (CXLI) была
разделена еще в 1930 г. [41], а недавно мышьяковистое основание
As(CH3) (C2Hs) (СбН3) было разделено через комплекс Pt (II)
(CXLII) [42]. Подобный комплекс Pt(II) был использован для
разделения Р(СН3) (CeHs) (С4Н9) [43].
Cl
...--;NH2
:\s'—
Xch2ch2nh3+ci
CXLI
Cl...
/ ^Pt
CH3
3 As.....
/ \
C2HS CiHs
CXLII
Очевидно, что благодаря этим эффектам картина изомериза-
ции в инертных комплексах более сложна. Например, в то время
78
Глава 1
как ион a-[Co(trien)Gly]2+ имеет стереоспецифически направлен-
ный атом N вЛ- и Л-энантиомерах(СХЫП), ион Pi-[Co(trien)Gly]2+
cxliv (0,-д-шг)
существует в виде двух диастереомерных форм (имеющих одина-
ковую устойчивость) для каждой из Л- и Л-конфигураций вокруг
иона металла (CXLIV, CXLV). Подобное положение найдено и
для третьего геометрического изомера, p-[Co(trien) (Gly) ]а+ (с от-
ношением устойчивостей 9:1 в этом случае), так что для этого
комплекса реализуется десять возможных конфигурационных
изомеров. В щелочном растворе, где происходит быстрый обмен
протонов, внутренние диастереомерные пары легко подвергаются
взаимопревращению. Подобным образом ион CXLVI имеет
плоскость симметрии, если пренебречь асимметрическим атомом
азота и конформациями хелатного кольца, но этот ион также
Структура и стереохимия координационных соединений
79
можно разделить на зеркальные изомеры, что показывает важ-
ность изомерии этого типа.
Подобные рассмотрения часто указывают на существование
стереоспецифических эффектов. Это можно показать на примере
соединения CXLIII; конфигурация донорных атомов азота и фос-
фора, соединенных пятичленными хелатными кольцами в различ-
ных координационных плоскостях, зависит от ориентации колец.
Менее очевидный, но такой же специфический эффект проявляет-
ся для иона A-[Co(trien) (sarc)]2+ (CXLVII), в котором аминокис-
лотная часть имеет исключительно S-конфигурацию. Альтернатив-
ная R-конфигурация (CXLVIII) не найдена в этом ионе (она су-
ществует в Л-комплексе), так как несвязывающее взаимодействие
между метильной группой и направленным к вершине хелатным
кольцом дестабилизирует ее; вычисленная энергия равна
3,3 ккал/моль [12].
CXLVIII (A-02-RRR)
5.2. Конформационная изомерия
5.2.1. Общие положения
Конформационные изомеры возникают из несовместимости в
пространстве атомов или групп атомов в молекулах, имеющих
одинаковый химический состав и конфигурацию, но различные
углы поворота относительно связанных пар атомов. Уже давно
были известны примеры замещенных дифенилов с классичиским
затрудненным вращением в 2,2'-диамино-6,б'-диметилдифениле
(CXLIX). Оптически активные формы комплекса Си (II) с аддук-
том основания Шиффа с салицилальдегидом (CL) были синтези-
рованы путем использования оптических форм диамина. Вследст-
вие того что бензольные кольца размещены непараллельно, атом
Си (II) приобретает тетраэдрическую координацию. Однако обыч-
но энергия активации взаимного превращения конформационных
изомеров мала, так как она обусловлена только изгибающими
движениями, а скорость таких процессов поэтому велика. Так,
в кристаллическом состоянии существуют конформации как
80
Глава 1
6 (CLI), так и % (CLII) зеркальных антиподов хелатированного
этилендиамина, но в растворах в комплексах Со(Ш), Pt(II),
Ph (III) и Pt (IV) происходит быстрое взаимопревращение, и две
конформации до настоящего времени не были идентифицированы.
СП
5.2.2. Конформационная изомерия в хелатах
а) Пятичленные кольца. Несомненно, что большинство хелат-
ных колец являются пяти- или шестичленными. Многие из них,
образованные такими лигандами, как оксалат, аминокислоты, пеп-
тиды, четырехдентатные лиганды типа корринов, — плоские или
почти плоские, и для них отсутствуют многие конформационные
свойства. При квадратно-плоскостном или октаэдрическом типе
координации такие лиганды, как этилендиамин, содержащий че-
тыре тетраэдрических скелетных атома, приводят к образованию
хелатных колец с выраженными конформационными свойствами,
и это явление наблюдается для 'большинства систем с хелатными
кольцами, содержащими тетраэдрические атомы углерода. Такие
кольцевые системы отличаются от аналогичных карбоциклических
систем тем, что они имеют углы связей у металла, близкие к 90°.
Вследствие этого остающаяся молекула должна перекоситься, что-
бы воспрепятствовать нецелесообразному искажению тетраэдри-
ческих центров. Возникает несколько структур в зависимости от
Структура и стереохимия координационных соединений 81
точных углов металл—лиганды, длин связей, а также от размера
и типа участвующего донорного атома. Для этилендиамина обыч-
но находят структуры CLI и CLII, в которых два атома углерода
находятся на одинаковых расстояниях от плоскости М—N—N, но
на противоположных сторонах. В такой конформации полукресла
все атомы водорода более или менее смещены, и атомы водорода
при углероде являются почти полностью «аксиальными» или «эк-
ваториальными» в том смысле, как эти термины используются
для циклогексана; атомы .водорода, находящиеся при азоте, в кон-
формационном отношении отличаются в меньшей степени. Это
расположение найдено во всех структурах М—еп, исследованных
до сих пор кристаллографическим методом, а другие возможные
конформации, содержащие оба атома углерода на одной и той же
стороне плоскости М—N—N («заслоненная» форма) (СЫН), до
настоящего времени не идентифицированы [52].
Можно было бы ожидать стабилизации этой структуры по ме-
ре уменьшения длины связи М—N (~1,75 А) при условии, что
угол N—М—N будет оставаться неизменным. Для донорных ато-
мов большего размера, таких, как Р или As, можно ожидать
больших длин связей М—донор и преимущественного образования
конформации полукресла. Если в качестве донорного атома вы-
ступает атом S, то должна быть выраженная склонность к обра-
зованию меньших, чем тетраэдрические (~92°), углов М—S—С
и менее плоской конформации, что может быть измерено как уве-
личение диэдрального угла вокруг С—С связи. Подобного, но
меньшего эффекта следует ожидать, если донором является
атом О. Изгибание хелатных колец наблюдается также в структу-
рах, содержащих полидентатные пятичленные хелатные кольца,
таких, как диэтилентриамин (dien) (CXVI—CXVIII), триэтилен-
тетрамин (trien) и тетраэтиленпентамин (tetraen) (LXXX—
LXXXIII). В этих структурах конформации соседних хелатных
колец, находящихся в одной и той же координационной плоскости,
определяются конфигурацией вокруг общего асимметричного цент-
ра — атома азота, но направленные к вершине хелатные кольца
могут существовать в б- и ^-формах. Определенная недавно
структура кристаллического 02-[Со(trien) (Gly)] I2 подтвердила
6—2451
82
Глава 1
наличие в триэтилентетраминовом хелате конформаций ббЛ
(CLIV) и W, (CLV).
CLIV
CLV
Однако обычно устойчивость одной конформации превышает
устойчивость остальных в достаточной степени, чтобы исключи-
тельно (>99%) существовать в равновесных условиях. Подобным
образом очевидное отсутствие формы мезо- [Со (trien)X2]+ (CLVII)
может быть объяснено тем, что центральное кольцо имеет вынуж-
денную конформацию заслоненного «конверта»*. Подобные рас-
суждения применимы и к другим кольцевым системам, содержа-
щим донорные атомы N, О и S.
CLVI (предпочтительная
конформация)
Для тетраэдрических структур пятичленные хелатные кольца
этилендиаминного типа должны быть напряжены, так как угол
N—М—N увеличивается от 90 до 109°. Хотя хелатное кольцо бу-
дет предпочитать оставаться изогнутым, можно ожидать, что оно
будет расширяться и приобретать более плоское строение. При
структуре тригональной бипирамиды замыкание хелатных циклов
от экваториальной плоскости к вершине предпочтительно по срав-
* Дополнение, сделанное в корректуре. Недавно была получена мезо-форма
[Ni(trien)] (С1О4)2, в которой центральное хелатное кольцо имело заслоненную
конфигурацию [52].
Структура и стереохимия координационных соединений 83
нению с хелатированием в пределах экваториальной плоскости,
как в случае образования пяти-, так и шестичленных хелатных
колец.
Замещение атомов водорода у атомов углерода в этих пяти-
членных кольцах метильными группами может происходить либо
в «аксиальном», либо в «экваториальном» положении. Для R-1,2-
диаминопропана это дает б (CLIX) и X (CLVIII) конформации
соответственно.
6
С1ЛХ
В результате изучения кристаллических структур и теоретиче-
ского рассмотрения было установлено, что Х-конформация по
сравнению с б-конформацией стабилизирована на 2 ккал/моль.
Это, по-видимому, является следствием значительного 'взаимодей-
ствия между аксиальной метильной группой и аксиальной группой
X на металле. Для 5-1,2-диаминопропана подобным образом стаби-
лизируется б-конформация по сравнению с Х-конформацией. Как в
А-, так и в Д-формах [Co(R-(—)-рп3]3+ хелатные кольца приобре-
тают Х-конформацию. Более объемистые заместители будут усили-
вать этот эффект так же, как и симметричные дизаместители, такие,
как R,R-2,3-AnaMHHo6yTaH (CLX), и кажется, что здесь лиганд дол-
жен быть стереоспецифичен по отношению к иону Д-[Со(—)-2,3-
bdamjs]34' [45]. Однако если заместители находятся при одном и
CLX )-Ьл]
СНз
CLXI (RjS-мезо-Ьп)
том же атоме углерода, то всегда один из них будет аксиальным,
а один экваториальным или возникнет некоторый компромисс меж-
6*
84
Глава 1
ду ними. То же относится и к Д1езо-2,3-диаминобутану (CLXI), но
об этих системах известно мало.
Замещение на донорных атомах приводит к подобным резуль-
татам. В М-метил-1,2-диаминоэтане (СН3-еп) различие между ак-
сиальной (CLXIII) и экваториальной (CLXII) метильной группа-
ми выражено в меньшей степени (~20°), но заместитель теперь
находится ближе к аксиальной группе X, присоединенной к метал-
лу, и вследствие этого несвязывающие взаимодействия должны
быть больше.
CLXII
Как и предполагалось, трсяс,трсяс-Р,Р-[Со(СН3-еп)2С12]СЮ4
в кристаллическом состоянии (рис. 1.4) содержит метильную груп-
пу в экваториальном положении и б-конформацию кольца. [Рас-
Рис. 1.4. Структура катиона транс,транс-Я,В,- [Со (СНз-еп)2С12]+ [50].
чет силы поля предсказывает незначительное различие энергии
этой и аксиальной конформаций (— 1 кал/моль).] Симметричное
распределение на обоих атомах N приводит, по-видимому, к даль-
Структура и стереохимия координационных соединений
85
нейшей стабилизации 6-кольца, и в спектре ПМР иона транс-
[Со(СН3-еп)2С12]+ наблюдается хорошо разрешенный сигнал
АА'ВВ', которого следовало ожидать для замороженной конфор-
мации в растворе. Поэтому ясно, что замещение донорного атома
или атома лиганда в пятичленных хелатах приводит к преимуще-
ственной, а во многих случаях и к исключительной стереохимии
кольца.
б) Шестичленные кольца. Большинство шестичленных хелатов
проявляют выраженные конформационные свойства. Можно при-
вести такие примеры, как 1,3-диамино.пропан (триметилендиамин),
малонат-ион, р-аланин и 1,3-диарсенопропан или 1,3-дифосфино-
пропан с замещенными атомами As или Р. Хелатные системы
аналогичны циклогексану, и возможны конформации кресла
(CLXIV), ванны (CLXV, CLXVI) и скошенной ванны (CLXVII).
Структурный анализ A-[Co(tn)]Br-H2O [46] указывает, что
в противоположность Со—ей кольцам угол N—Со—N больше 90°
(92—96°) и это, по-видимому, оказывает влияние на угол
Со—N—С, который увеличивается до 117,4°. Угол С—С—С (112°)
ближе к тетраэдрическому. Все три кольца приобретают конфор-
CLX1V
CLXV1
CLXV1I
мации «искаженного кресла», и подобные конформации найдены
в [Co(tn)2CO3]ClO4. Тем не менее обнаружено, что малонат-ион
в [Со(еп) (mal)2]_ имеет конформацию уплощенной ванны. Ка-
жется, что предельная форма ванны для хелатов триметиленди-
аминового типа маловероятна, так как имеет место большое не-
связывающее взаимодействие между одним атомом Н централь-
ной метиленовой группы и аксиальным заместителем на металле
(CLXV), а также между атомами Н на N и С, а также на С и С
(CLXVI). Хотя для детального анализа этих систем еще мало
86
Глава 1
рентгеноструктурных данных, можно предположить, что вследст-
вие увеличенного размера кольца будут встречаться промежуточ-
ные конформации. Это предположение подтверждается структурой
одного из изомеров [Со(еп) (ditn)Cl]2+, в котором одно шести-
членное кольцо имеет конформацию кресла, а другое — искажен-
ной ванны (рис. 1.5) [47], По-видимому, важными факторами-
в таких кольцевых системах являются упаковочные эффекты ~
Рис. 1.5. Структура катиона [Co(en) (ditn)Cl]2+ [47].
катион-анионные взаимодействия, и во многих случаях конфор-
мации в кристаллическом состоянии отличаются от тех, которые
сохраняются в растворе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Химия координационных соединений, под ред. Дж. Бейлара, ИЛ, М.,
1960.
2. Басоло Ф., Пирсон Р., Механизмы неорганических реакций, «Мир», М.,
1971.
3. Charberek S., Martell А. Е., Sequestering Agents, Wiley — Interscience, New
York, 1959.
4. Dwyer F. P., Mellor D. P. (eds.), Chelating Agents and Metal Chelates, Aca-
demic Press, New York, 1964.
5. Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Современная неорганическая химия, «Мир», М.,
1969.
6. Современная химия координационных соединений, под ред. Дж. Льюиса и
Р. Уилкинса, ИЛ, М., 1963.
Структура и стереохимия координационных соединений 87
7. Martell А. Е., Calvin М., Chemistry of Metal Chelates, Prentice-Hall, New York,
1952.
8. Saito Y„ Pure Appl. Chem., 17, 21 (1968).
9. Freeman H. C., Adv. Protein Chem., 22, 337 (1967).
10. Sargeson A. M., Chapter 5 in ref. [4].
11. Sargeson A. M., in R. L. Carlin (ed.), Transition Metal Chemistry, Vol. 3,
Marcel Dekker, New York, 1966, p. 303.
12. Buckingham D. A., Sargeson A. M., in Eliel, Allinger (eds.), Topics in Ste-
reochemistry, Vol. 6, 1971, p. 219.
13. Edwards J. O., Inorganic Reaction Mechanisms, Benjamin, New York, 1964.
14. Basolo F„ Survey Progr. Chem., 2, 1 (1964).
15. Hunt J. P., Metal Ions in Aqueous Solution, Benjamin, New York, 1963.
16. Eigen M., Wilkins R. G., in «Mechanisms of Inorganic Reactions», Adv. in
Chem. Series, № 49, Am. Chem. Soc., Washington, D. C., p. 55.
17. Cartmell E., Fowles G. W. A., Valency and Molecular Structure, 2nd edn., But-
terworths, London, 1961.
18. Craig D. P., Nyholm R. S., Chapter 2 in ref. [4].
19. Gray H. B., J. Chem. Educ., 41, 2 (1964).
20. Dunn T. M., McClure D. S., Pearson R. G., Some Aspects of Crystal Field
Theory, Harper and Row, New York, 1965.
21. Грей Г., Электроны и химическая связь, «Мир», М., 1967.
22. Liehr A. D., J. Chem. Educ., 39, 135 (1962).
23. Bradley D. C., Hursthouse M. В., Rodesiler Р. F., Chem. Commun., 1969,
14.
24. Fleischer E. B., Accounts Chem. Res., 3, 105 (1970).
25. Schrauzer G. N., Accounts Chem. Res., 1, 97 (1968).
26. Buckingham D. A., Marzilli L. G„ Sargeson A. M., J. Am. Chem. Soc., 91,
5227 (1969).
27a . Buckingham D. A., Foster D. M., Sargeson A. M., J. Am. Chem. Soc., 90, 6032
(1968).
276. Buckingham D. A., Foster D. M., Sargeson A. M., J. Am. Chem. Soc., 92, 5571
(1970).
28. Buckingham D. A., Marzilli P. A., Maxwell I. E., Sargeson A. M., Fehlmann M.,
Freeman H. C„ Chem. Commun., 1968, 488.
29. Wells A. F., in «Structural Inorganic Chemistry», 3rd edn., Clarendon Press,
Oxford, 1962, p. 71.
30. Nyholm R. S., Proc. Chem. Soc., 1961, 273.
31. Gerlach D. H., Holm R. H. Inorg. Chem., 9, 588 (1970).
32. Lions F., Rec. Chem. Progr., 22, 69 (1961).
33. Lions F., Rev. Pure Appl. Chem. (Aust.), 19, 177 (1969).
34. Calliganis M., Nardin G., Randaccio L., Chem. Commun., 1969, 1248.
35. Saito Y., Pure Appl. Chem., 17, 21 (1968).
36. Gillard R. D., Progr. Inorg. Chem., 7, 215 (1966).
37. Gillard R. D., Mitchell P. R., Structure and Bonding, 7, 46 (1970).
38. Wilkins R. G., Williams M. J. G., Chapter 3 in ref. [6].
39. Dwyer F. P., Lions F., J. Am. Chem. Soc., 69, 2917 (1947); J. Am. Chem.
Soc., 72, 1546 (1950).
40. Bailey M. F„ Maxwell I. E., Chem. Commun., 1966, 908.
41. Mann F. G., J. Chem. Soc., 1930, 1745.
42. Bosnich B., Wild S. B., J. Am. Chem. Soc., 92, 459 (1970).
43. Chan J. H., Chem. Commun., 1968, 895.
44. Maxwell I. E., Thesis, Australian National University, 1969.
45. Woldbye F., Studier over Optisk Activet, Polyteknisk Forlog, Kobenhavn, 1969,
p. 176 et seq.
46. Nomura T., Marumo F., Saito Y., Bull. Chem. Soc. Japan, 42, 1016 (1969).
88 Глава 1
47. Ireland Р. R., House D. A., Robinson W. T., Inorg. Chim. Acta, 4, 137 (1970).
48. Lind M. D., Lee B., Hoard I. L., J. Am, Chem. Soc., 87, 1611 (1965).
49. Hoard I. L„ Lee B., Lind M. D., J. Am. Chem. Soc., 87, 1612 (1965).
50. Buckingham D. A., Chandler G., Marzilli L. G., Sargeson A. M, Chem. Com-
mon., 1969, 539.
51. Kennard O., Watson D. G. (eds.), Molecular Structures and Dimensions, In-
ternational Union of Crystallography, Vol. 2, 1970 and Vol. 3, 1971.
52. McPherson A., Rossmann M. G., Margerum D. W., James M. R., J. Coord.
Chem., 1, 39 (1971).
53. Гринберг А. А., Введение в химию комплексных соединений, «Химия»,
М. — Л., 1966.
54. Желиговская Н. Н., Черняев И. И., Химия комплексных соединений, «Выс-
шая школа», М., 1966.
55. Берсукер И. Б., Электронное строение и свойства координационных соедине-
ний, «Химия», Л., 1976.
ГЛАВА 2
УСТОЙЧИВОСТЬ
КООРДИНАЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Р. Дж. Ангеличи
Angelici R. J., Department of Chemistry, Iowa State
University, Ames, Iowa 50010, USA
1. ВВЕДЕНИЕ
Хотя слово устойчивость использовалось для описания различ-
ных свойств соединений, в данной главе оно применяется к кон-
станте равновесия реакции взаимодействия иона металла (Мто+)*
и лиганда (Ln~) с образованием комплекса
Мт+ + 1Д- —> ML(OT-n)+ (1)
Константа равновесия реакции (1) называется константой устой-
чивости (или иногда константой образования). Обычно для Мт+
zn= + l, +2 или +3. Так как гл. 6 специально посвящена комплек-
сам ионов щелочных металлов, здесь будут рассматриваться глав-
ным образом ионы переходных металлов (например, Fe2+, Fe34-,
Ni24', Cu2+, Zn2+ и т. д.) и в 'меньшей степени ионы лантанидов
(например, Се34-, Sm3+, Gd3+, Но3+, Tm3+, Lu3+ и т. д.). Как пра-
вило, лиганды имеют заряды 0, —1 или —2. Будет рассматри-
ваться только ограниченное число типов лигандов, в частности,
такие, как NiH3, Cl~, Br~, I-, РО4- , РгОГ, аминокислоты, малые
пептиды, нуклеотиды и порфирины. Комплексные соединения с
двумя ионами металла, которые соединены мостиком, состоящим
из одного или более лигандов, здесь также обсуждаться не будут,
хотя такие комплексы известны.
Цель данной главы — указать некоторые основные факторы,
влияющие на константы устойчивости, и дать читателю достаточ-
ное число ссылок на литературу, чтобы помочь ему ознакомиться
с обширной литературой в этой области. Мы не пытались дать
здесь исчерпывающее изложение предмета. Если не указано осо-
бо, использованные в данной главе константы устойчивости отно-
сятся к измерениям, проведенным при 25 °C.
Так как подавляющее большинство исследований реакции (1)
было проведено в водных растворах, то важно указать, что Мт+
* Автор использует обозначения М+т и L~". В отечественной и зарубежной
литературе значительно чаще заряженные ионы записывают как М™+ и L"~.—
Прим. ред.
90
Глава 2
существует в растворе как акво-комплекс. Ионы элементов пер-
вого переходного ряда существуют в растворе в виде [Мп (Н2О)б]2+>
[Fe(H2O)6]2+, [Со(Н2О)6]2+, [Ni(H2O)6]2+ и [Zn(H2O)6]2+. Ак-
тированные формы ионов лантанидов, ino-видимому, представляют
частицы с 9- или 10-кратной координацией иона металла, такие,
как [Ьа(Н2О)9]3+, [Рг(Н2О)9]3+, [Ег(Н2О)9]3+ или [Yb(Н2О)9]3+.'
Таким образом, реакции типа (1) более полно можно написать
как реакции замещения
М(Н2О)™+ + L«- М(НаО)ж_1(Ь)<«-«)+ + Н2О (2)
Если L — бидентатный или тридентатный лиганд, то из коорди-
национной сферы комплекса вытесняются две или три молекулы
Н2О.
Термодинамическую константу равновесия К° реакции (1)
{ML<m-n>+} [ML>-n>+] YML(m-n)+
= {Mm+} {Ln-} = -[Mm+] [Ln-] ’yLn-
можно выразить через активности частиц {ML<’n-’9+}, {М”1} и
{Ln-}. Заметим, что активность воды принимается постоянной и
включается в величину №, так как в разбавленных растворах ак-
тивность воды остается примерно постоянной независимо от поло-
жения равновесия (2). Так как активность частицы 'можно пред-
ставить как произведение ее концентрации на коэффициент актив-
ности, например {Mm+} = [Мт+] у мт+, то уравнение (3) можно
записать, используя концентрации и коэффициенты активностей,
так, как показано с правой стороны уравнения (3). Эксперимен-
тально обычно измеряют концентрации участвующих частиц. Тер-
модинамические константы устойчивости этих реакций можно
определить либо в том случае, когда известны коэффициенты ак-
тивностей, либо путем измерения констант равновесия при не-
скольких значениях ионной силы м последующей экстраполяции
к нулевой ионной силе, при которой коэффициенты активностей
принимаются равными единице. Эти методики либо невыполнимы,
либо очень трудоемки, либо и то и другое вместе, поэтому на
практике лишь относительно немногие исследователи пытались
оценить термодинамические константы устойчивости, и вместо это-
го в уравнениях равновесий просто используются концентрации.
Таким образом, подавляющее большинство опубликованных в
литературе констант устойчивости — это стехиометрические кон-
станты К (иногда их называют концентрационными константами
устойчивости)
[MLl"1-")-*-]
К = [Mm+] [L"-] (4)
в которых отношение коэффициентов активностей [в уравне-
нии (3)] включено в константу К- Единственное важное условие
Устойчивость координационных соединений
91
для определения К состоит в том, чтобы коэффициенты активно-
сти частиц 'были постоянными независимо от состояния равнове-
сия изучаемой реакции. Для поддержания постоянной ионной си-
лы добавляют нереатирующую ионную соль до высокой концент-
рации. Это позволяет поддерживать постоянство коэффициентов
активности частиц, реагирующих в соответствии с уравнением (1).
Желательно, конечно, чтобы эта соль сама не реагировала с час-
тицами, принимающими участие в реакции. Обычно для этой цели
используют LiC104, NaC104 или KNO3. Хлориды наименее удачны,
так как известна тенденция этого аниона координироваться с
ионами металлов в умеренно концентрированных водных раство-
рах. В связи с этим следует упомянуть, что основная компонента
.практически всех буферов также образует комплексы с ионами
металлов различной степени устойчивости.
Хотя постоянная ионная сила позволяет определить надежную
константу устойчивости, эта константа действительна только при
той ионной силе, при которой она была измерена.
Примером константы устойчивости, сильно зависящей от ион-
ной силы, может служить константа, полученная [7] для реакции
хелатообразования Си (II) с двухзарядным фталат-анионом
к
Cu2++ CeH4(CO2)!- [CeH4(CO2)2]Cu (5)
Как и следовало ожидать, стехиометрическая константа устойчи-
вости понижается с повышением концентрации фонового электро-
лита Na2SO4 (табл. 2.1). Зависимость IgK от (р)1/2 представляет
прямую линию в соответствии с предельным законом Дебая—
Хюккеля. Величины К, полученные с другими электролитами, та-
кими, как NaC104, NaNO3 или NaCl, почти идентичны тем, кото-
рые наблюдались при использовании Na2SO4. Так как лишь немно-
Таблица 2.1
Зависимость К для реакции (5)
от ионной силы (р)
Ц 10-з к
0,03 1,84
0,06 1,41
0,12 1,04
0,25 0,80
гие лиганды имеют отрицательный заряд более —2, то большинство
констант устойчивости [8] обладает менее выраженной зави-
симостью от ионной силы по сравнению с замеченной для реак-
92
Глава 2
ции (5). По сравнению с другими эффектами, рассматриваемыми
в настоящей главе, 'влияние ионной силы на константы устойчи-
вости в общем мало.
Так как ионы металлов обычно имеют четыре или более коор-
динационных мест, они часто координируют более чем один ли-
ганд. Последовательная координация лигандов ионом металла
происходит ступенчато, и ступенчатые константы устойчивости мо-
гут быть написаны и определены экспериментально для каждого
из равновесий. Для иона металла, имеющего четыре координаци-
онные места, такого, как Си2+, возможны следующие равновесия:
[ML*]
М2+ + L- ML*; К1 =
ML+ + L ч—ML2; К2 = [ML+] [L~]
МЦ -f- L МЦ"; К3 = [Ml2] [L“]
[ML2-!
МЦ" + L МЦ-; Kt = [ML-j fL-j
Для выражения этих последовательных равновесий использу-
ются также общие константы устойчивости р; они представляют
произведение ступенчатых констант устойчивости, т. е. Pi = Ki, р2=
= KiK2, Рз = Ki К2Кз и р4=К1К27<зК4.
Можно ожидать, что по статистическим [9], стерическим и
электростатическим причинам последовательное присоединение
отрицательно заряженных лигандов к М2+ должно становиться все
менее и менее благоприятным. Действительно, это в общем случае
верно, как, например, для равновесия с участием Си2+ и моноден-
татного лиганда ацетата: lg/Ci (1,67) >lgK2(0,98) >lg/C3(0,42) >
>lg/<4(—0,19). На рис. 2.1 показаны дополнительные примеры
этой тенденции: независимо от природы донорного атома Ki>K2
для реакции взаимодействия различных бидентатных лигандов
с Zn2+.
Различные аспекты устойчивости комплексов были рассмотре-
ны ранее. Обзоры общих экспериментальных методов даны не-
сколькими авторами [8-12]. Опубликованы также более специ-
альные обсуждения определения констант устойчивости методами
калориметрии [13], рН-потенциометрии [14, 15], полярографии
[16], ионного обмена [17—20], жидкостной экстракции [19] и рас-
творимости [21]. Очень полезную сводку констант устойчивости,
опубликованных в литературе до 1968 г., собрали Силлен и Мар-
телл [22], имеется также менее полная сводка Яцимирского и Ва-
сильева [23]. Большинство из опубликованных данных об устой-
чивостях относятся к ионам металлов, которые быстро (в преде-
Устойчивость координационных соединений
93
л ах секунд) реагируют с лигандами [24]. Значительно меньше
известно о равновесиях с участием инертных ионов металлов,
которые менее удобны для исследования. Анализ и обзор тенден-
ций в изменении констант устойчивости проводился многими ав-
торами [5, 8, 9, 23, 25—29]. Зигель и Мак-Кормик [29а] недавно
Рис. 2.1. Величины констант устойчивости
IgKi и IgKs комплексов Zn2+ с некоторыми
бидентатными лигандами при 25 °C [22, 23].
опубликовали краткое, но имеющее отношение к предмету данной
книги описание равновесий взаимодействия ионов металлов с ли-
гандами, имеющими биологическое значение. Энтальпии и энтро-
пии комплексообразования были недавно суммированы и обсуж-
дены в нескольких обзорах {8, 25, 30, 31].
2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
КОМПЛЕКСОВ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ
2.1. Природа иона металла
2.1.1. Заряд и размер иона металла
Наиболее простое из возможных приближений для понимания
взаимодействия 'между ионом металла и лигандами заключается
в предположении, что связь металл—лиганд чисто ионная или
электростатическая. Так, например, координация иона фтора F-
94
Глава 2
ионом 'металла должна зависеть от зарядов на взаимодействую-
щих ионах и расстояния (г) между их ядрами. Предполагается,
что ионы представляют жесткие сферы
г
с зарядами, локализованными на их ядрах. Вычисленная электро-
статическая энергия такой связи равна £ = e2ZMm+ZF-/r, где е —
заряд электрона, a Z мт+ и Z F— — полные заряды на ионах.
Рис. 2.2. Увеличение величины IgK с увеличе-
нием заряда на ионе металла [22].
Из этого выражения следует, что высокий заряд на Мт+ и ма-
лое межъядерное расстояние (т. е. малый радиус Мт+) должны
благоприятствовать образованию устойчивого комплекса. Конеч-
но, эта простая модель игнорирует энтропию и эффекты сольва-
тации, а также какое-либо ковалентное взаимодействие*. Для
комплексов, образованных сильно электроположительными иона-
ми металлов, такими, как Li+, Mg2+, La3+ и т. д„ и сильно элек-
троотрицательными лигандами, например F" и О2~, ковалентное
взаимодействие мало и преобладающий вклад в энергию связи
дает электростатическое притяжение иона металла и лиганда.
* Эта модель игнорирует даже отталкивание электронных оболочек иоиов,
учитываемое в самых простых формулах. — Прим. ред.
Устойчивость координационных соединений
95
Ионы металлов и лиганды этого типа называются жесткими [или
принадлежащими к классу (а) ] кислотами и основаниями соот-
ветственно. Эта система классификации более детально обсужда-
ется в разд. 2.1.2.
Если рассматриваются только жесткие ионы металлов и ли-
ганды, то в общем верно, что наиболее устойчивые комплексы об-
разуют ионы металлов, имеющие наиболее высокие заряды, при
условии близости их ионных радиусов. Из рис. 2.2 видно, что IgA
для равновесия M’1,++Ln_^ML(m-n>+ увеличивается с увеличени-
ем заряда на ионе 'металла в следующем порядке: Li+(0,68 А) <
<Mg2+(0,65 A)<Fe3+(0,53 А), в скобках приведены ионные ра-
диусы. Следует также отметить, что соответствующее повышение
К с увеличением заряда на лиганде_отсутствует. Поведение ли-
ганда усложняется тем, что ион SO1- может быть как моноден-
татным, так и бидентатным, в то время как Р2О7 > по-видимому,
бидентатен.
Величины К повышаются также при уменьшении размера иона
металла. Так, например, при комплексообразовании ионов щелоч-
ноземельных металлов [22] с пирофосфатным ионом РгО*- вели-
чина К уменьшается при переходе в группе сверху вниз:
Радиус, А igK
Mg2+ 0,65 7,2
Са2+ 0,94 6,8
Sr2+ 1,10 5,4
Ва2+ 1,29 4.6
Эта тенденция иллюстрируется (рис. 2.3) также ионами лантани-
дов (Ln3+), ионные радиусы которых равномерно уменьшаются от
1,06 А для наиболее легкого элемента La3+ до 0,85 А для наиболее
тяжелого элемента Lu3+. На рис. 2.3 приведены кривые, относящие-
ся к константам устойчивости комплексов с анионом гликолевой
кислоты, который координируется бидентатно через атомы кисло-
рода карбоксильной и спиртовой групп, и комплексов с ацетат-
ным ионом. Простая электростатическая модель предсказывает
равномерное повышение IgA от La3+ до Lu3+. Точнее, зависимость
IgA от 1/г должна представлять прямую линию. Однако в дейст-
вительности такая зависимость не является прямой, и даже каче-
ственно отсутствует равномерное повышение IgA- Действительно,
лантаниды ведут себя так, как если бы они состояли из двух
отличающихся друг от друга групп: La3+—Eu3+ и Gd3+—Lu3+. Та-
кое изменение свойств при переходе к Gd3+ объясняли [5] различ-
ными причинами, такими, как энергия стабилизации кристалличе-
ским полем или стерические факторы, но полностью удовлетвори-
тельного объяснения не найдено. Такой же тип зависимости, как
для гликолята, обычно наблюдается для равновесий с участием
96
Глава 2
ионов лантанидов для большого числа других лигандов [5, 32].
Поведение ацетатпроизводных (рис. 2.3) во второй половине серии
лантанидов необычно.
Как наглядно показывает ряд лантанидов, относительно малые
изменения ионных радиусов не всегда приводят к повышению ве-
личин К даже в тех случаях, когда рассмотрение ограничивают
только жесткими ионами металлов и донорными атомами. Все же
Рис. 2.3. Величины lg/С гликолятных (□) и ацетатных (О) комплексов ионов
лантанидов (+3) (20°C, 0,1 М iNaClOj) [5].
значительное уменьшение радиусов, по-видимому, приводит обыч-
но к образованию более устойчивых комплексов. Влияние повы-
шения положительного заряда на ионе металла яснее: для жест-
ких ионов 'металлов и донорных атомов лигандов устойчивость
комплекса повышается при увеличении положительного заряда на
ионе металла.
2.1.2. Жесткая и мягкая природа ионов металлов
и донорных атомов лигандов
Были предприняты многочисленные попытки корреляции кон-
стант устойчивости со свойствами ионов металлов и лигандов. Как
было указано в разд. 2.1.1, ограниченная корреляция с зарядом и
размером иона металла наблюдается. Однако при рассмотрении
Устойчивость координационных соединений
97
широкого диапазона ионов металлов и лигандов становится ясно,
что существует очень мало корреляций. Более того, имеется мно-
го примеров обращения тенденции. Например, константы устойчи-
вости галогенидных комплексов Fe3+ понижаются в ряду F~>
>С1~>Вг_>1~. В противоположность этому Hg2+ образует более
устойчивые комплексы с 'более тяжелыми галогенидами, и К по-
нижаются следующим образом: I->Br->Cl~>F- Из этого
и многих других примеров Шварценбах [33], а затем Арланд,
Чатт и Дэвис [34] пришли к заключению, что по отношению к
ионам галогенидов некоторые 'металлы ведут себя подобно Fe3+,
а другие — подобно Hg2+. Первые были отнесены к классу (а),
а вторые — к классу (б) ионов металлов или кислот. Сравнивая
константы устойчивости комплексов других лигандов с различ-
ными ионами металлов, можно дать более полную характеристи-
ку двух классов ионов металлов. В табл. 2.2 приведены последо-
вательности констант устойчивости, которые обычно наблюдают-
ся для ионов металлов классов (а) и (б) с различными донорны-
ми атомами лигандов. Для классификации ионов металлов были
также важны термодинамические параметры [31] этих реакций.
В табл. 2.3 приведены ионы металлов, принадлежность кото-
рых к этим классам была установлена экспериментально [35].
Следует указать, что существуют металлы, подчиняющиеся неко-
торым тенденциям класса (а) и некоторым тенденциям класса (б)
ионов металлов; они располагаются в пограничной области этой
классификации. Можно заметить, что многие из ионов металлов,
находящихся в пограничной области, — это двухзарядные (+2)
ионы переходных металлов.
Таблица 2.2
Определение жестких [класс (а)] и мягких [класс (б)]
ионов металлов (в соответствии с порядком изменения
устойчивости комплексов с различными донорными
атомами лигандов)
Изменение устойчивости комплексов жестких, или класса (а), ионов металлов Изменение устойчивости комплексов мягких, или класса (б), ионов металлов
F>Cl>Br>I F<Cl<Br<I
О> S>Se>Te O<S~Se~Te
N»P>As>Sb N«CP>As>Sb
При рассмотрении ионов металлов класса (а) обнаруживает-
ся, что их свойства во многом сходны. Они имеют малые радиусы
и высокие положительные заряды, но обычно не имеют неподелен-
ных электронных пар в их валентной оболочке (а многие из них
7—2451
98
Глава 2
Таблица 2.3
Классификация ионов металлов
Жесткие, или класс (а)
Пограничная область
Мягкие, или класс (б)
Н+, Li+, Na+, к+
Be2*, Mg2*, Ca2+, Sr2*
Mn2+, Al3*, Sc3*, Ga3*
In3+, La3*, Gd3*, Lu3*
Cr3*, Co3*, Fe3+, Si4*
Ti4+, Sn4+, WO4*, VO2+
Fe2+, Co2*, Ni2*
Cu2+, Zn2+, Pb2+
Sn2+, Sb3+, Bi3*
Cu+, Ag+, Au+, T1+
Hg2+, Hg2+, Pd2+, Pt2*
Pt4*, Tl3*
обладают электронной конфигурацией благородного газа). Вслед-
ствие малых размеров и высоких положительных зарядов их
поляризуемость низка; по этой причине они были названы [35]
«жесткими». Наиболее прочные комплексы эти ионы металлов
образуют с очень электроотрицательными атомами, такими, как О,
N и F (табл. 2.2). Связь в этих комплексах преимущественно ион-
ная.
Ионы металлов класса (б) значительно больше; они имеют бо-
лее низкие положительные заряды и неспаренные валентные р-
или d-электроны. Благодаря этим свойствам ионы металлов клас-
са (б) в большей степени поляризуемы, вследствие этого они бы-
ли названы «мягкими». Наиболее устойчивые комплексы эти ионы
металлов образуют с донорными атомами лигандов (Р, S и I),
имеющими низкие электроотрицательности и высокую поляризуе-
мость. Связи в этих комплексах содержат значительный ковалент-
ный вклад.
Как было указано выше, жесткие ионы металлов образуют
наиболее прочные комплексы с донорными атомами (N, О и F),
которые обладают высокими электроотрицательностями, низкой
поляризуемостью, малыми радиусами и трудно окисляются. Бла-
годаря этим свойствам они были обозначены как жесткое основа-
ние Льюиса или жесткие донорные атомы. С другой стороны, те
атомы лигандов (Р, S и I), которые образуют наиболее устойчи-
вые комплексы с .мягкими ионами металлов, имеют большие раз-
меры, низкие электроотрицательности, высокие поляризуемости и
относительно легко окисляются; они были названы мягкими ли-
гандами. Наиболее типичные жесткие, мягкие и промежуточные
лиганды приведены [35] в табл. 2.4.
В терминах нашей новой номенклатуры тенденции табл. 2.2
можно суммировать следующим образом [40]: жесткие ионы ме-
таллов предпочитают координировать жесткие лиганды, а мягкие
Устойчивость координационных соединений
99
Таблица 2.4
Классификация лигандов
Жесткие, или класс (а) Промежуточные Мягкие, или класс (б)
Н2О, ОН-, F-, С1- СН3СО2“, РОГ. SO|- coj-, сюг, no; ROH, R2O, NH3 rnh2, n2h4 c6h5nh2, c6h5n n;, Br-, no; so2-, n2 R2S, RS, I- SCN-, S2O|- R3P, (RO)3P, R3As CN-, RNC, CO H-, R-, C2H4
ионы металлов предпочитают координировать мягкие лиганды.
Хотя были 'предприняты многочисленные попытки [35—-38] теоре-
тического обоснования этого правила, его следует рассматривать
как эмпирическое. Путем полуэмпирической обработки [39] с ис-
пользованием ионных радиусов, зарядов, потенциалов ионизации
и электроотрицательностей ионов металлов был получен количе-
ственный параметр мягкости иона металла. Наряду с другими
параметрами иона металла и лиганда он коррелируется с доволь-
но большим числом констант устойчивости комплексов металла.
В коррелировании свойств мягкости и жесткости было довольно
успешным и более теоретическое приближение [40] *.
Это правило полезно для качественного описания взаимодейст-
вий в биологических системах. Пирсон [41] указал, что биоло-
гические комплексы состоят преимущественно из жестких ионов
металлов и лигандов. Преобладающие донорные атомы лиган-
дов — кислород и азот, .а жесткие ионы щелочных и щелочнозе-
мельных металлов присутствуют в изобилии. Конечно, имеются
также относительно мягкие ионы металлов (например, Си2+)**
и лиганды (например, лиганды с донорными атомами серы), но
они относительно неподвижны и концентрация их низка. Пирсон
также заметил, что соединения, представляющие яды для живых
организмов, часто относятся к классу мягких, например такие ли-
ганды, как СО, CN- и H2S, и такие ионы металлов, как Hg2+. Ес-
ли эти мягкие ядовитые частицы присутствуют в относительно
высоких концентрациях, то они взаимодействуют с мягкими иона-
ми металлов и лигандами, препятствуя таким образом выполне-
нию их функций. Хотя несомненно, что эти обобщения не могут
быть применены ко всем аспектам рассмотрения живых организ-
* См. также Яцимирский К. Б., Ж- анал. хим., 6, 211 (1951); ЖФХ, 25, 221
(1951); Теор. эксп. хим., 6, 462 (1970). — Прим. ред.
** И в особенности Cu+ Cd2+, а также токсичные ионы Hg2+ и РЬ2+.—
Прим. ред.
7*
100
Глава 2
мов, они представляют еще одну исходную точку для исследова-
ния этих исключительно сложных систем.
Принцип жесткости и мягкости можно применить к координа-
ции ионов переходных металлов к нуклеотидди- и нуклеотидтри-
фосфатам [42]. Жесткие ионы металлов, такие, как щелочнозе-
мельные и Мп2+, координируются главным образом через атомы
кислорода фосфатных групп, в то время как более мягкий иои
Си2+ координируется как к мягкому атому азота ароматического
пуринового или пиримидинового основания, так и к_ фосфатной
группе. Подобным образом лиганд СНзСНгЭСНгСОг координи-
руется к относительно жестким ионам металлов Мп2+ и Zn2+ только
через атом кислорода, в то время как ион Си2+ образует хелат,
координируясь как через атом кислорода, так и через мягкий атом
серы [43].
Наше рассмотрение предполагает, что молекулы воды занима-
ют .координационные места, не занятые другими лигандами. Как
было указано [35], природа лигандов, присоединенных к иону
металла, влияет на его жесткость и мягкость. По-видимому, жест-
кие лиганды делают лиганд еще более жестким, а мягкие — более
мягким по отношению к дополнительным лигандам. Так, напри-
мер, ионы металлов, связанные с серусодержащими лигандами
или относительно мягкими порфириновыми кольцами, будут про-
являть большую тенденцию к образованию комплексов с допол-
нительными мягкими лигандами по сравнению с гидратированным
ионом металла ['М(Н2О)6]2+, связанным с молекулами воды, ко-
торые относятся к жестким лигандам. Именно влиянием лигандов
можно объяснить тот факт, что железо в геме столь прочно коор-
динирует такие мягкие лиганды, как СО и СЫ~, даже в присутст-
вии большого количества жесткого лиганда воды. Этим можно
объяснить такое высокое сродство Fe2+ (и, по-видимому, даже
Fe3+) к сере в негеминовых железо-серусодержащих белках
[44, 45].
2.1.3. Последовательность Ирвинга—Уильямса устойчивостей
комплексов ионов металлов первого переходного ряда
Как было отмечено в предыдущем разделе, ионы металлов пер-
вого переходного ряда по их жесткости и мягкости занимают про-
межуточное положение. По этой причине часто трудно предска-
зать устойчивости их комплексов. Однако в течение многих лет
было известно [46—48], что константы устойчивости двухзаряд-
ных ионов этих элементов с данным лигандом изменяются в соот-
ветствии с последовательностью Mn2+<cFe2+<Co2+<Ni2+<Cu2+>
>Zn2+. Эта последовательность часто называется порядком устой-
чивостей Ирвинга—Уильямса. Для нескольких лигандов она по-
казана на рис. 2.4. Эта последовательность, как можно видеть из
Устойчивость координационных соединений
101
рис. 2.5, сохраняется не только для Ki, но и для К2, а также в
большинстве случаев и для К3. Аномально низкое значение Кз для
Си2+ объясняют тем, что этот ион проявляет 'слабую тенденцию ,к
Рис. 2.4. Величины lg/С комплексов иоиов металлов первого переходного ряда
(М2+) с некоторыми бидентатными лигандами при 25 °C [22].
координации более четырех донорных атомов. Хотя, по-видимому,
последовательность Ирвинга—Уильямса справедлива для К2, Кз
и т. д. и в других системах, для подтверждения этого отсутствует
достаточное количество надежных данных.
Для лигандов, содержащих донорные аминогруппы, порядок
устойчивостей Ирвинга—Уильямса определяется главным обра-
102
Глава 2
зом энтальпиями (АД) реакций. Так, величины АН для этиленди-
амина и глицина отрицательны и ожидавшаяся последователь-
ность устойчивостей наблюдается (рис. 2.6). В противоположность
этому реакции лигандов с донорными карбоксильными труппами
Рис. 2.5. Величины IgXi, lgK2 и lg/C3 комплексов ионов металлов первого пере-
ходного ряда (М2+) с этилендиамином (NH2CH2CH2NH2) при 30 °C [22].
слегка эндотермичны, и энтропия (AS) вносит существенный вклад
в общий порядок Ирвинга—Уильямса для констант устойчивости.
Так как последовательность Ирвинга—-Уильямса определяет,
по крайней мере во многих случаях, АН взаимодействия между
ионом металла и лигандом, то попытки объяснения наблюдаемых
устойчивостей -были направлены на рассмотрение энергий связей
металл—лиганд. Хотя при использовании электростатической мо-
дели (разд. 2.1.1) для объяснения наблюдаемой шоследователь-
ности использовались изменения ионных радиусов ионов металлов,
эти изменения в действительности слишком малы для соответст-
вующего объяснения больших изменений величин К. Другое при-
ближение [51] включало корреляцию констант устойчивости с по-
тенциалами ионизации ионов -металлов.
Недавние успехи теорий кристаллического поля и поля лиган-
дов в объяснении термодинамики и кинетики реакций [24] комп-
лексов переходных металлов стимулировали использование этих
Устойчивость координационных соединений
103
теорий для объяснения порядка устойчивости комплексов Ирвин-
га—Уильямса [52]. Вычисленные энергии стабилизации кристал-
лическим полем вместе с энергиями электростатической связи ка-
чественно объясняют последовательность Ирвинга—Уильямса для
Рис. 2.6. Величины АД реакций где Ь=этилендиамин (•), глици-
нат (О) или малоиат (□), при 25°C [49, 50].
высокоспиновых комплексов ионов этих металлов. Хотя ковалент-
ное взаимодействие, энергии сольватации и энтропии в этих вы-
числениях не были учтены, возможность качественного согласия
не является неожиданной*.
Последовательность Ирвинга—'Уильямса справедлива для ог-
ромного большинства лигандов, однако существуют некоторые ис-
ключения. Во-первых, когда лиганд имеет донорные атомы, кото-
* Для оценки величины констант устойчивости комплексов, образованных
ионами близких размеров (г=0,8—1,0 А), можно использовать предложенную
нами линейную корреляцию логарифмов констант устойчивости (см. Яцимир-
ский К. Б., Введение в биоиеорганическую химию, «Наукова думка», Киев, 1976,
стр. 35). — Прим. ред.
104
Глава 2
рые могут все координироваться в октаэдрическом комплексе (на-
пример, Ni2-*-), ио не .все в квадратно-плоскостном ком-
плексе (Си2+). Так, например, К\ комплекса Си2+ с шести-
дентатным лигандом ЭДТА [этилендиаминтетраацетат
(^O2CCH2)2NCH2CH2N (СН2СОа )s] только немного больше, чем
для Ni2+. Медь неспособна прочно координировать все шесть до-
норных атомов. .Во-вторых, когда лиганды, характеризующиеся
высокой силой поля, изменяют состояние иона металла от высоко-
спинового к низкоспиновому. Это в основном имеет место для
комплексов Fe2+ с такими лигандами [53], как о-фенантролин,
2,2'-дипиридил и цианид. При этом образуются необычно устой-
чивые комплексы. Подобные изменения в порядке устойчиво-
стей наблюдаются для двух лигандов, представляющих интерес
для биохимии, — имидазола и гистамина. Тенденцию к образова-
нию исключительно устойчивых комплексов с Fe2+, кажется, наи-
более обычно проявляют лиганды, содержащие донорные атомы
ароматического гетероциклического азота.
2.2. Природа лиганда
2.2.1. Основность лиганда
Как было отмечено в разд. 2.1.1, электростатическая модель
химических связей в комплексах ионов металлов имеет ограничен-
ное применение для объяснения последовательности констант
устойчивости с различными ионами металлов и почти непримени-
ма для объяснения последовательностей изменения устойчивости
в зависимости от природы лиганда. Это не является неожиданным,
так как сольватация, энтропия и ковалентное взаимодействие
имеют большое значение. Поэтому были изучены корреляции дру-
гих свойств лиганда с константами устойчивости. Одной из наи-
более успешных была корреляция с основностью (рКа) лиганда
'[54]. При этом исходили из того, что и Н+, и ионы металла
Мт+ взаимодействуют как кислоты Льюиса с лигандами, пред-
ставляющими основания Льюиса. В качестве меры основности
лиганда (L~) по отношению к протону принят рКо (т. е. —1g Ка)
для реакции HL^H+-j-L" в водном растворе; чем выше рКа, тем
более сильным основанием является данный лиганд (L~) по от-
ношению к Н+ и, предположительно, также к М’п+. Действитель-
но, часто наблюдается линейная корреляция между рКа и лога-
рифмом константы К реакции комплексообразования.
На рис. 2.7 показано несколько таких корреляций ,[50], в
которых кислотами Льюиса являются [Cu(dipy)]2+, Cu2+,
[Zn(dipy)]2+ и Zn2+. Лиганды — монодентатные карбоксилатные
анионы RCO-. Как указано на рисунке, некоторые из этих ли-
Устойчивость координационных соединений
105
гандов — производные аниона ароматической бензойной кислоты,
в то время как другие (II, V и VII) к ним не относятся. Из ри-
сунка видно, что в случае Си2+ константы устойчивости хорошо
коррелируются с величинами рКа как ароматических, так и не-
ароматических карбоксилатов. С другой стороны, только арома-
тические бензоаты включены в корреляции с Zn2+ и [Zn(dipy)]2+
и только неароматические карбоксилаты — в корреляцию с
Рис. 2.7. Зависимость IgK для реакций M2++RCO7 =₽tRCO;iM+ от рКо RCOOH
[где Re=n-NO2C6H" (I); _ Н- (II); м-С1С6Н7 (III); C6H“(IV); СЩ (V);
п-СНзСеНГ (VI); СН3СНГ (VII)] в водно-диоксановом (50:50) растворителе
при 25 °C [55].
[Cu(dipy) ]2+. Это было сделано потому, что в случае ароматиче-
ских и неароматических карбоксилатов прямые имеют несколько
различные наклоны и обе группы карбоксилатов невозможно рас-
положить на одной и той же прямой. Для таких корреляций рК„
с 1g К в общем верно [56], что чем ближе структуры лигандов
в сериях, тем лучше корреляции. Для лигандов, имеющих одина-
ковые донорные атомы, но совершенно различное строение, как,
например, NH3, анилин, пиридин и имидазол, корреляции настоль-
ко неудовлетворительны, что не имеют никакой ценности для
предсказания неизвестных констант устойчивости из величин рКа.
Для лигандов, имеющих различные донорные атомы, таких,
как RNH2, RCO”, RS-, корреляция с рКа протонированного лиган-
да также отсутствует. С точки зрения приведенного в разд. 2.1.2
106
Плава 2
обсуждения, касавшегося сопоставления жесткости и мягкости
ионов металлов и донорных атомов лигандов, какой-либо корре-
ляции 1g К с рКа для различных донорных атомов и нельзя было
ожидать. Для того чтобы учегть колебания в жестком и мягком
характере ионов металлов и лигандов, в качестве эталона были
использованы и другие кислоты, кроме Н+. Так, в качестве меры
донорных свойств лигандов (L-) использовали константы устой-
чивости (1g К) их комплексов (ML) с ионом металла, выбранным
в качестве стандарта. Эти величины 1g К коррелировали [57, 58]
с константами устойчивости комплексов M'L, используя другой ион
металла (Мх) с сериями лигандов (L~) с различными донорными
свойствами. Такие зависимости, как показано на рис. 2.7, подчи-
няются уравнению
lgK = apKo + & (6)
Наклон а прямых для всех ионов металлов на рис. 2.7 примерно
равен 0,5. Хотя положительный наклон указывает, что более ос-
новные лиганды образуют более устойчивые комплексы, наличие
Н+ в водных растворах означает, что более основные лиганды
будут более сильно связываться с Н+.
Итак, в растворе существуют два равновесия:
Н+-J-L~ <=>: HL, 1/Ка (7)
Mm+ -J- L- ML/"1-1)-*-, К (8)
После вычитания уравнения (7) из уравнения (8) получаем урав-
нение (9), соответствующее равновесию, доминирующему в рас-
творе при низких pH, где концентрация L~ очень мала.
HL + Mm+ ML('"-1)+ + H+, КаК (9)
Таким образом, константа равновесия для реакции (9) равна
Ка/С При использовании величин_Ла и К из рис. 2.7 для реакции
Си2+ со слабым основанием НСО и сильным основанием СН3СО2
получаем следующие величины конста_нт равновесия для реакции
(9): (10-4-75) (102-8) = 10-1-95 для НСО2 и (IQ-601) (103-36) = IO-2-65
для СН3СО2. Таким образом, константы равновесия реакции
комплексообразования .[уравнение (9)] действительно меньше для
более основных лигандов, т. е. формиат будет связан в комплекс
с Си2+ в большей степени, чем ацетат. Необходимо помнить, что
количество комплекса, действительно присутствующего в водном
растворе, будет зависеть не только от константы устойчивости
комплекса, но также от рКа лиганда.
В случае сильноосновных лигандов иногда необходимо путем
добавления ОН- сделать раствор относительно щелочным для то-
го, чтобы обеспечить достаточную концентрацию непротонирован-
ного лиганда для комплексообразования с ионом металла. Иногда
необходимая концентрация ОН- превосходит произведение раство-
Устойчивость координационных соединений
107
римости гидроксида металла М(ОН)2 и он осаждается из раство-
ра, что исключает возможность образования комплекса. Это имеет
место в реакциях Ni2+ и Zn2+ с 1,1,7,7-тетраэтилдиэтилентриами-
ном; этот лиганд — очень сильное основание, но не очень сильный
лиганд. При тех значениях pH, при которых присутствует доста-
точное количество непротонированного триамина, пригодного для
координации с ионом металла, концентрация ОН- достаточно вы-
сока для осаждения гидроксида металла М(ОН)2. Осаждение
гидроксидов препятствует комплексообразованию этих ионов ме-
таллов с указанным лигандом в водном растворе. С другой сто-
роны, Си2+ образует с этим лигандом достаточно устойчивый
комплекс, чтобы его можно было исследовать [59]. Растворимо-
сти гидроксидов металлов приведены в работе {60].
Для серий лигандов, подчиняющихся уравнению (6), если
а<1, количество действительно присутствующего в растворе комп-
лекса иона металла с лигандом меньше для более основных ли-
гандов; если а=1, количество комплекса не изменяется с повыше-
нием рКа лиганда; если а>\, то при повышении рЛа лиганда
также увеличивается количество комплекса иона металла в рас-
творе.
Хотя представляло бы интерес узнать, какие свойства ионов
металлов и лигандов определяют величины а, в настоящее время
для этого недостаточно данных. Некоторые авторы {61, 62] пы-
тались объяснить те величины, которые известны, но, по-видимо-
му, не пришли к общим выводам. Величины а, кажется, лежат в
пределах [62] от 0,5 (как на рис. 2.7) до 1,5, многие близки
к 1,0. Как найдено для Си2+ и Zn2+, показанных на рис. 2.7, ве-
личины а для ионов металлов первого переходного ряда очень
близки, но больше, чем для Mg2+ или Са2+.
Такие графические зависимости 1g К от рКа были особенно
ценны для установления координации дополнительных групп ли-
ганда. Например, лиганды — производные ацетата (НОСН2СО2 и
CH3CH2SCH2CO2)— образуют с Си2+ более устойчивые комплек-
сы, чем можно ожидать, исходя из их величин рКа [43]. Это
указывает на то, что атом кислорода гидроксильной группы и
атом серы в этих двух лигандах координируются к иону металла,
образуя комплексы необычно высокой устойчивости. Подобным
образом было показано, что атом серы CH3CH2SCH2CO7 не ко-
ординируется к Мп2+ или Zn2+.
Получены корреляции констант устойчивости комплексов раз-
личных ионов металлов с производными иминодиуксусной кисло-
ты RN(CH2CO2)2 с рКа диссоциации Н+ от атома азота лиганда
[32, 63]. Для того чтобы установить зависимость между 1g К и
рЛа, использовали некоординирующиеся группы R, такие, как СН3,
(СН3)3С и С6Н5. Затем константы устойчивости комплексов с ли-
гандами, содержавшими потенциальные донорные атомы, были
108
Глава 2
сопоставлены с полученной зависимостью 1g Д’ от рДа. Были ис-
пользованы следующие группы R: НОСН2СН2—, СН3ОСН2СН2—,
HSCH2CH2—, -SCH2CH2— NH2CH2CH2—, -о2ссн2—
NH2(O)CCH2—, N=CCH2— и (CH3)3N+CH2CH2—. В зависимости
от природы иона металла и донорного атома в группе R некото-
рые константы устойчивости были намного больше, чем можно
было ожидать на основании значений рДо лиганда. Было предпо-
ложено, что это следствие наличия некоторого взаимодействия
между донорными атомами групп R и ионами металлов. Было
найдено, что группы R, содержащие мягкие донорные атомы (на-
пример, атом серы), координируются мягкими атомами металлов
(например, Си2+), а жесткие донорные атомы (например, О) —
жесткими ионами металлов (например, Mg2+) (разд. 2.1.2). В ре-
зультате подобного рассмотрения [64] констант устойчивости
комплексов C2HsO2CCH2N(CH2CO2)2 с различными ионами ме-
таллов был сделан вывод об отсутствии взаимодействия между
ионом металла и эфирной группой. Эти данные были использованы
для интерпретации механизма гидролиза эфиров, катализируемого
ионами металлов.
2.2.2. Хелатный эффект
Образование хелата. Экспериментально установлено, что комп-
лексы хелатообразующих лигандов более устойчивы, чем комплек-
сы аналогичных монодентатных лигандов. Например, константа
комплексообразования Ni2+ с этилендиамином (ей) больше, чем
константа комплексообразования с двумя молекулами NH3
Ni2+ + еп [Ni(en)]2+, 1gК = 7,5 (10)
NJ2+ + 2NH3 :<—> [Ni(NH3)2]2+, 1g К = 5,0 (11)
Комбинируя эти уравнения, получаем
[Ni(NH3)2]2++en [Ni(en)]8++2NH3, 1gЯ = 2,5 (12)
ДЯ°=—1,9 ккал/моль, Д5°=+6,2 кал-моль-1-град-1.* Этиленди-
амин и NH3 можно сравнивать, так как величины их рКо (9,6 для
H2NCH2CH2NH3 и 10,0 для NHJ) очень близки, и различие кон-
стант устойчивости нельзя объяснить их различной основностью
(разд. 2.2.1). Это повышение устойчивости хелатов по сравнению
с устойчивостью комплексов с аналогичными монодентатными ли-
гандами известно как хелатный эффект [65].
Ясно, что в случае реакции, включающей замещение двух ли-
гандов NH3 этилендиамином [уравнение (12)], как отрицательное
значение ЛН°, так и положительное значение Д5° дают вклад в
* Данные для ЛН° и Д5° автор приводит без ссылки на первоисточник. —
Прим. ред.
Устойчивость координационных соединений
109
увеличение устойчивости хелатного комплекса. Образование 3 мо-
лей продукта по сравнению с 2 молями вступающих в реакцию
веществ должно давать положительную поступательную энтропию,
которая дает вклад в общую положительную величину Д5°. Та-
ким образом, хелатный эффект, по крайней мере частично, явля-
ется следствием благоприятного изменения энтропии реакции.
Следует, однако, заметить, что величина Д£° зависит от стандарт-
ного состояния, использованного для ее оценки. Если использу-
ются мольные доли вместо обычных одномоляльных стандартных
состояний, то вычисленные энтропии для такой реакции, как (12),
будут ниже, фактически — очень близки к нулю. Таким образом,
использование этого стандартного состояния приводит к умень-
шению эффекта поступательной энтропии, возникающего из обра-
зования 3 молей продукта из 2 молей реагирующих веществ. Бо-
лее того, зависимость Д5° от выбора стандартного состояния де-
лает трудной количественную интерпретацию величин Д5°.
Следует также отметить, что величина ДЯ, соответствующая
уравнению (12) (отрицательная), благоприятствует хелатообра-
зованию. Это обычно объясняют отталкиванием между двумя до-
норными атомами, когда они приближаются друг к другу при
образовании комплекса. Взаимное отталкивание двух групп NH2
этилендиамина имеет место уже в свободном лиганде до комплек-
сообразования, и при образовании комплекса возникает только
небольшое дополнительное отталкивание. С другой стороны, меж-
ду молекулами NH3 в растворе отталкивания нет, но они начина-
ют отталкивать друг друга при комплексообразовании. Это пре-
имущественно электростатическое отталкивание групп NH3 в
комплексе делает ДЯ° менее благоприятным. Независимо от того,
как объясняют изменение ДЯ° при комплексообразовании, оно
так же, как и Д5°, вносит существенный вклад в хелатный эф-
фект [66].
Размер хелатного кольца. В общем устойчивость хелатного
комплекса уменьшается [66] при увеличении размера хелатного
кольца от пятичленного к шести- и семичленному. Поэтому в ряду
комплексов дикарбоновых кислот с ионом металла наиболее
устойчивый комплекс образует оксалатный анион:
Данные, приведенные на рис. 2.8, иллюстрируют понижение
устойчивости пяти-, шести- и семичленных хелатных комплексов
ионов металлов первого переходного ряда с анионами щавелевой,
малоновой и янтарной кислот. Данные об устойчивости ряда
других пяти- и шестичленных хелатных комплексов приведены
в табл. 2.5.
110
Глава 2
В соответствии с данными этой таблицы можно отметить не-
сколько тенденций*. Во-первых, 1g Л для пятичленных колец на
1,1—1,5 единиц больше, чем для шестичленных. Во-вторых, раз-
личие величин 1g К. обусловлено как изменением ДЯ, так и Д5.
Рис. 2.8. Зависимость (при 25 °C) от размера хелатного кольца, образуемого
бидентатпым лигандом: оксалат (Ох2-), малоиат (Ма122-) и сукцинат (Sue2-) [8].
В-третьих, реакции становятся более экзотермичными в следую-
щем ряду лигандов: дикарбоксилат<аминоацидат<диамин. Ве-
личина АН, связанная с координацией Ni2+—карбоксилат, близка
к нулю или слегка положительна, в то время как координация
аминогруппы дает отрицательную величину АН. Таким образом,
ДЯ реакции более сильно стабилизирует комплексы с лигандами,
содержащими донорные аминогруппы, по сравнению с лигандами,
содержащими карбоксильные группы. В-четвертых, устойчивость
карбоксилатных комплексов определяется главным образом боль-
шими положительными энтропиями. Они заметно уменьшаются
при переходе от дикарбоксилатных лигандов к диаминам. Высо-
кие положительные значения Д5 для реакций карбоксилатов, по-
видимому, частично являются следствием отщепления сольвати-
рующих молекул воды от высокозарядных ионов Ni2+ и Ох2- (или
* Общая тенденция к увеличению прочности пяти- и шестичлениых циклов
была отмечена еще Л. А. Чугаевым и известна в отечественной литературе под
названием «правила циклов Чугаева». — Прим. ред.
Устойчивость координационных соединений
111
Таблица 2.5
Устойчивость пяти- и шестичленных хелатных комплексов*
при 25 °C [8, 50]
Ni2+ + Ln" NiL<2-n>+
Ni2+ + L«- IgK AAf, ккал/моль AS, кал моль—i • град—1
Ni2+ + Ox2- 5,2 0,15 24,2
Ni2+ + Mal2- 4,1 1,88 25,0
Ni2+-]-Gly- 6,2 —4,14 14,4
Ni2+ + p-Ala- 4,7 —3,81 10,2
Ni2+ + en 7,7 —9,05 4,0
Ni2+ -|- pn 6,3 — —
а Сокращения: оксалат (Ох*-); малонат (Mai2-); глицинат (Gly~); ₽-аланинат (Р-А1а—);
этилендиамин (еп); 1,3-пропилендиамии (рп).
Таблица 2.6
Устойчивость комплексов полидеитатных лигандов*
с Ni2+ при 25 °C
Ni2+ L«- <—> NiL<2-n>+
Ni2+ + l"“ IgK АН, ккал/моль AS, кал • моль—1 • град—1
Ni2+ + Gly- 6,2 —4,14 14,4
Ni2+ + IMDA2- 8,0 —5,05 20,0
Ni2+-]-NTA3- 11,3 —2,53 44,0
Ni2+ -|- en 7,7 —9,05 4,0
Ni2+ + dien 10,5 —11,85 8,5
Ni2+ + trien 13,7 —14,00 16,0
а Сокращенные обозначения лигандов см. в подписи к рис. 2.9.
Mai2-) при образовании нейтрального комплекса NiOx. В случае
моноаминоацидатов имеет место нейтрализация меньших зарядов.
Число хелатных колец. Если принять во внимание хорошо уста-
новленный хелатный эффект для бидентатных лигандов, то не
является неожиданным тот факт, что лиганд с большим числом
хелатных колец будет давать еще более устойчивые комплексы.
При этом предполагается, что геометрия лиганда и иона металла
разрешают координацию всех донорных атомов. Из рис. 2.9 вид-
112
Глава 2
но, что 1g Л для ряда аминокарбоксилатных лигандов повышается
по мере увеличения числа хелатных колец и донорных атомов:
GIy“<IMDA2-<NTA3-. Подобным образом для аминных лигандов
константы устойчивости повышаются в ряду en<dien< trien.
Рис. 2.9. Увеличение IgA (при 25 °C) с увеличением числа хелатных колец, образуе-
мых полидентатным лигандом: NH2CH2CO2 (Gly-), NH(CH2CO2) (1MDA2-),
N(GH2CO2")3 (NTA3-), NH2CH2CH2NHCH2CH2NHCH2CiH2NH2 (trien) [8].
В табл. 2.6 приведены значения АН и AS для комплексов этих
лигандов с Ni2+.
По мере увеличения числа донорных атомов в лиганде повыша-
ется AS комплексообразования. Этого следовало ожидать, так как
при этом увеличивается число молекул воды, которые лиганд вы-
Устойчивость координационных соединений
113
тесняет из координационной сферы Ni2+. В дополнение к стаби-
лизации комплекса энтропией с увеличением числа донорных
групп в амине величина АН становится более отрицательной.
В противоположность этому АН для аминокарбоксилатных комп-
лексов изменяется лишь слегка и немонотонно, что, возможно,
происходит вследствие отмеченной ранее тенденции карбоксилат-
ных лигандов давать близкие к нулю или положительные энталь-
пии координации. Эти два ряда лигандов также подтверждают
сделанное ранее наблюдение, что донорные атомы азота в аминах
дают намного большие вклады в АН комплексообразования, чем
карбоксильные донорные группы; с другой стороны, высокие по-
ложительные величины AS координации аминокарбоксилатных
лигандов обусловлены главным образом карбоксильными груп-
пами. Как будет отмечено ниже, эти тенденции особенно важны
для комплексообразования ионов металлов с аминокислотами.
2.2.3. Макроциклический эффект*
В то время как хелатный эффект известен уже в течение де-
сятилетий, устойчивость комплексов, содержащих макроцикличе-
ские лиганды типа порфиринов, была в сущности неизвестна.
Основная проблема при определении их констант устойчивости —
очень медленная скорость взаимодействия ионов металлов и мак-
роциклических лигандов.
Недавно Каббинесс и Марджерум [67] определили константу
образования комплекса Си2+ с нециклическим тетраминным ли-
гандом (2,3,2-tet, I) и аналогичным макроциклическим тетрамин-
ным лигандом (teta, II).
Н2
Н2С<
Н\ I
Н2С---N
н Н2 СН3
НЭС»>С<С^С—СН3
Н2С---N
Н2С---N
Н2
GH2
N---СН2
Н2С—-N
N---СН2
СН3—С.
.с.сн3
N^—СН2
СН3Н2 Н
I
2,3,2-tet
tet а
* В последнее время появилась обширная литература об устойчивости раз-
личных комплексов с макроциклическими лигандами. Gm., например, Lehn J. М.,
Structure and Bonding, 16, 3 (1973) и другие статьи в этом сборнике. — Прим,
ред.
8—2451
114
Глава 2
Из-за медленной скорости реакции с teta определение кон-
станты устойчивости было проведено при 50, 75, 100 и 130 °C.
Для сравнения с другими данными путем экстраполяции были
получены константы устойчивости при 25 °C. Эти константы для
2,3,2-tet и trien (триэтилентетрамин) даны в табл. 2.7.
Таблице 2.7
Величины 1g К комплексов Си2+
с тетраминиыми лигандами
при 25 °C [47]
Комплекс igK
Cu2+ -|- tet а 28
Cu2+ +2,3,2-tet 23,9
Cu2+ -|- trien 20,1
Константа устойчивости (1g К) [Cu(teta)]2+ на 4,1 логарифми-
ческой единицы больше, чем константа нециклического
[Си (2,3,2-tet) ]2+. Добавление мостика —СН2СН2СН2—, соединяю-
щего концевые группы —NH2 2,3,2-tet с образованием teta, повы-
шает устойчивость комплекса в большей степени, чем этого можно
было ожидать только из хелатного эффекта. Хотя о происхожде-
нии этой повышенной устойчивости известно мало, ее называют
макроциклическим эффектом. Почти с определенностью можно
сказать, что в высокую устойчивость [Cu(teta)]2+ по сравнению
с нециклическим лигандом, кроме благоприятного связывания в
комплекс с металлом, вносят вклад конфигурация и сольватация
свободного лиганда.
Из данных, приведенных в табл. 2.7, представляет также ин-
терес различие в константах устойчивости .[Си (2,3,2-tet) ]2+ и
[Си (trien) ]2+. Было указано [68], что геометрия лиганда пре-
пятствует образованию ненапряженной квадратно-плоскостной
координации trien к Cu(II). В отличие от trien, который имеет
группу —СН2СН2—, связывающую в лиганде два атома вторич-
ного азота, лиганд 2,3,2-tet имеет группу —СН2СН2СН2—, кото-
рая, по-видимому, уменьшает напряжение при координации с
Си2+. Это подтверждается существенным повышением 1g К для
2,3,2-tet по сравнению с trien.
Макроциклический эффект имеет особое значение для метал-
лопорфиринов. Хотя существует очень мало данных о константах
устойчивости этого типа комплексов, для взаимодействия Zn2+ с
дианионной формой диметилового эфира мезопорфирина была
оценена [69] величина lg/C=29. Такие высокие величины наблю-
Устойчивость координационных соединений
115
дались только для комплексов с макроциклическими лигандами.
Устойчивости металлопорфиринов более детально обсуждены в
разд. 3.4.
2.2.4. Смешанные (или тройные) комплексы
Как отмечено в разд. 1, при увеличении числа лигандов в
комплексе ступенчатые константы устойчивости, как правило, по-
нижаются (исключения, см. рис. 2.7). Таким образом, для реак-
ций комплексообразования
М + А^МА, К$А (13)
МА-J-A МАа, (14)
К ма больше, чем (верхний индекс у константы означает
реагент, нижний — продукт реакции). Именно такая тенденция
вытекает из рассмотрения статистических, стерических и электро-
статических факторов.
Если, кроме одного лиганда А, ввести также второй лиганд
В, то число возможных равновесий существенно увеличивается.
Кроме равновесий, включающих простое образование бинарных
комплексов, таких, как МА, МА2, МВ и МВ2, протекает также ре-
акция замещения
МА + В^=*МВ + А (15)
Этот тип реакции должен быть важен в тех случаях, когда один
или оба лиганда (А и В) занимают все или почти все координа-
ционные места иона металла, как, например, когда А=
= NH2CH2CO2, а В=ЭДТА4-. В данном случае шестидентатность
ЭДТА4- должна исключать одновременную координацию глици-
ната. Поэтому смешанный или тройной комплекс, содержащий
два или более различных лигандов, образовываться не будет. Кон-
станты равновесия реакций типа (15) просто равны отношениям
констант устойчивости МВ и МА. Факторы, от которых зависят
эти реакции, уже были обсуждены.
Теперь возвратимся к проблеме смешанных комплексов.
(В описании этих комплексов будут использоваться взаимозаме-
няемые термины: «смешанный» или «тройной».) Образование
смешанного комплекса возможно в том случае, когда А и В имеют
сравнительно мало донорных атомов, вследствие чего оба лиганда
могут координироваться к иону металла одновременно. Если
1 моль М реагирует с 1 молем А и 1 молем В, то возможное
равновесие имеет следующий вид:
MA + B^=tMAB, А$ав
(16)
116
Глава 2
Если известны А™дВ , и то можно рассчитать другую
смешанную константу, 1
f^MA izM
МВ+А^МЛВ, 4^в=~7м МЛ (17>
лмв
Константы равновесия таких реакций, как (16) и (17), изучены
сравнительно мало, но важность тройных комплексов для биохи-
мических систем представляет сильный стимул для интенсивных
исследований в этой области. В недавно опубликованном исчер-
пывающем обзоре, касающемся смешанных комплексов [70], сум-
мировано большинство опубликованных к настоящему времени
данных.
Особый интерес представляет решение вопроса о том, как влия-
ет координированный лиганд А [уравнение (16)] на тенденцию
к координации лиганда В; например, как изменяется в за-
висимости от природы А? В табл. 2.8 приведены некоторые полу-
ченные в последнее время данные о смешанных комплексах эти-
лендиамина, гистамина и аниона серина. Следует отметить не-
сколько тенденций.
Таблица 2.8
Константы устойчивости смешанных комплексов8 (при 37 °C
и ц=0,15 (KNO3) [71—73])
IgA
МА + В Co2+ Ni2+ Cu2* Zn2+
I М2+ + еп 5,30 6,98 10,18 5,53
[Меп]2+ -}• еп 4,28 5,81 8,77 4,75
[Mhm]2+ + еп 4,42 5,78 8,15 5,34
[MSer]+ + еп 4,84 6,57 9,31 5,39
II M2+4-hm 4,89 6,60 9,28 5,03
[Меп]2+ + hm 4,01 5,40 7,86 4,84
[Mhm]2+ + hm 3,54 4,84 6,30 4,78
[MSer]+ -|- hm 4,41 5,77 8,71 5,20
III M2+ + Ser~ 4,20 5,21 7,57 4,47
[Men]2+ -|- Ser- 3,74 4,80 6,70 4,33
[Mhm]2+ + Ser- 3,72 4,38 6,94 4,64
[MSer]+ -|- Ser- 3,36 4,38 6,45 3,84
еп=этилендиамин; Ьт=гистамин, Бег-=анион серила.
Устойчивость координационных соединений 117
Во-первых, подобно первым константам устойчивости (А^а)
все смешанные константы устойчивости изменяются в зависимости
от иона металла в соответствии с последовательностью Ирвинга—
Уильямса (разд. 2.1.3), т. е. Co2+<Ni2+<Cu2+>Zn2+. Этот поря-
док имеет место в любом ряду таблицы. Кажется, эта тенденция
выдерживается почти для всех констант устойчивости как двой-
ных, так и тройных (смешанных) комплексов.
Во-вторых, за исключением двух случаев—[Ni(en)]2+ и
[Cu(en)]2++en — константы устойчивости бинарных комплексов
(^мв2) меньше> чем константы устойчивости любого из смешан-
ных комплексов (К$дВ ) Например, в реакциях еп (в табл. 2.8
константа устойчивости [Со(еп)]2++еп (Лмв2) меньше, чем кон-
станта устойчивости для реакции [Co(hm)]2+ или [Co(Ser)]+ с
еп (К^щ). Поэтому кажется, что присоединение другого лиганда
В к комплексу МВ, который уже содержит лиганд В, происходит
труднее, чем присоединение В к комплексу МА, который содержит
другой лиганд А. Таким образом, эта группа данных (табл. 2.8)
наглядно показывает необычную устойчивость тройных комплек-
сов по сравнению с двойными. Хотя не совсем ясно, почему так
должно быть, это отношение наблюдается и для других систем,
и ниже оно будет обсуждено более детально.
В-третьих, константы устойчивости (ТСдщ) комплексов ионов
металлов (М2+) с различными лигандами (В) уменьшаются в
ряду лигандов en>hm>Ser~. Более того, тот же самый порядок
сохраняется в общем для присоединения В к комплексу МА. От-
сюда следует, что присутствие А не изменяет порядка комплексо-
образующей способности лигандов В. Эту тенденцию невозможно
объяснить многими факторами, определяющими комплексообра-
зующую способность лигандов. (В тех случаях, когда константы
образования бинарных комплексов Лмв2 необычайно низки, име-
ют место небольшие отклонения от этой тенденции.)
В-четвертых, для тех реакций, где В=еп, константы устойчи-
вости КмдВ в зависимости от МА понижаются в следующем по-
рядке: M2+>[MSer]+>[Men]2+>'[Mhm]2+. Исключения из этой
последовательности опять наблюдаются для низких констант
устойчивости бинарных комплексов (KJJf2). Почему выдержива-
ется указанная выше последовательность, также неясно. На осно-
вании простых электростатических соображений можно ожидать,
что [MSer]+ должен образовывать менее устойчивые смешанные
комплексы, чем любой из двухзарядных комплексов, однако даже
эта зависимость не наблюдается.
В другом исследовании [75] были определены константы устой-
чивости комплексообразования глицинатного аниона с рядом
комплексов Ni2+ (табл. 2.9). Здесь также, кажется, константы
118
Глава 2
не коррелируются с зарядом на комплексе. Джекобс и Мардже-
рум [75] использовали семь параметров для эмпирического описа-
ния изменения К в этих и подобных равновесиях и среди них чис-
ло связанных атомов азота, число связанных карбоксильных групп
в исходном комплексе Ni2+, заряды на комплексах и на Gly-. Все
эти три фактора дают важный вклад в величины констант.
Таблица 2.9
Координация глицинатного аниона
комплексами никеляа (при 25 °C, р.=0,5 (NaCl) [75])
Комплекс + Gly— *Cb
Ni2+ 4- Gly" 5,77
[Nidien]2+ + Gly" 5,13
[Ni(NTA)]- + Gly- 4,89
[NiGly]+ + Gly" 4,80
а Сокращения: GIy~=NH2CH2CO ; dien=NH(CH2CH2NH)2;
NTA=N(CH2CO2)3.
Распространение этого подхода могло бы быть полезным для вы-
яснения факторов, определяющих константы устойчивости смешан-
ных комплексов.
Хотя мы говорили об образовании смешанных комплексов как
о реакциях, не зависящих от других равновесий в растворе, сме-
шанные комплексы находятся, конечно, в равновесии с соответ-
ствующими бинарными комплексами. Это равновесие можно на-
писать следующим образом:
[МАВР
МАз+МВз^гМАВ, К = [МАзНМВзГ <18>
Для смешанных комплексов этилендиамина, гистамина и аниона
серина, приведенных в табл. 2.8, можно вычислить величины без-
размерных констант смешивания К. Они приведены в табл. 2.10.
Возможно, наибольший интерес представляет то, что все ве-
личины положительны, т. е. что все равновесия благоприятствуют
образованию смешанных комплексов. Необычная устойчивость
смешанных комплексов была уже замечена ранее и является, ка-
жется, общим правилом, хотя есть и исключения [70].
Несомненно, одна из причин смещения равновесия (18) впра-
во заключается в статистическом преимуществе образования МАВ
перед образованием МА2 или МВ2 (в отношении 2:1). Для урав-
нения (18) это приводит к выводу, что 1g К будет равен 0,60
Устойчивость координационных соединений
119
Таблица 2.10
Константы смешивания К для реакции (18)а
Комплекс IgK
Со2+ Ni2+ Си2+ Zn2+
(М(еп) (hm)]2+ 0,61 0,53 1,53 0,65
[M(en) (Ser)]+ 0,94 1,18 0,77 1,13
[M(hm) (Ser)]-»- 1,23 0,95 2,94 1,22
а Те же условия, сокращения и ссылки, как в табл. 2.8.
( = lg 4), если константы смешивания обусловлены только стати-
стикой. Таким образом, величины 1g К. в табл. 2.10, близкие к 0,6,
можно рассматривать как чисто статистические. Подобным обра-
зом были вычислены константы смешивания для более сложных
смешанных комплексов [76]. Однако, как правило, эти константы
отличаются от статистических величин.
Из-за малочисленности данных о константах устойчивости
смешанных комплексов и зависимости этих констант от ионной
силы раствора и других условий [70] эта область устойчивости
комплексов в настоящее время остается еще мало понятной.
2.2.5. Оптически активные лиганды
и стереоселективность
К обсуждению смешанных комплексов имеет близкое отноше-
ние рассмотрение смешанных комплексов с двумя лигандами, ко-
торые отличаются конфигурацией вокруг асимметрического атома
углерода. Например, можно сравнить константы равновесия сле-
дующих реакций, в которых участвуют оптически активные ами-
ноацидаты (т. е. анионы аминокислот), характеризующиеся раз-
личной хиральностью:
Cu(l-A)+ + l-A“ <—> Си(ь-А)а (19)
Cu(l-A)+-f-d-A“ < > Cu(l-A) (d-A) (20)
Экспериментально обнаружено [77], что константы устойчивости
реакций (19) и (20) одинаковы в случае аланина, фенилаланина,
валина и пролина. Для аспарагинатов меди(П) были опублико-
ваны [78] данные, в соответствии с которыми константа равнове-
сия реакции (19) больше (lg/C=6,45), чем константа равновесия
реакции (20) (1g К=5,85). Однако более позднее [78а] исследо-
вание аспарагинатов Си(II), Ni(II) и Со(II) показало, что кон-
станты равновесия реакций (19) и (20) одинаковы. Идентичные
120
Глава 2
константы устойчивости были также найдены для реакций опти-
ческих изомеров глутаминовой и аспарагиновой кислот и глутами-
на с Cu(II), Ni(II) и Со(П).
В противоположность этому определенная методом протонно-
го магнитного резонанса константа равновесия реакции [786]
взаимодействия Со(II) и о,ь-гистидина
Co(D-His)a + Co(L-His)a < -Ь 2Co(D-His) (L-His) (21)
равна lgK = l,l. Эта стереоселективность, благоприятствующая
образованию смешанного изомера, Со (o-His) (ь-His), позже была
подтверждена потенциометрическим методом [78в]. Наблюдалась
также подобная стереоселективность, благоприятствующая обра-
зованию Ni(ь-His) (D-His). Из раствора, содержащего Со(Н) и
d.l-гистидин, были выделены кристаллы Co(b-His)(D -His).
Рентгеноструктурным методом была установлена как структура
Со( D-His) (L-His) [79], так и структура Со( L-His)2 [80]. В обе-
их структурах гистидиновый лиганд тридентатен, но из-за разли-
чия в конфигурациях оптически активных лигандов возникают
существенные различия в относительных положениях молекул
гистидина в координационной сфере. Интересно, что из растворов,
содержащих Ni2+ и d,l-гистидин (гл. 4, разд. 4.6.2), могут быть
выделены только Ni(b-His)2 и Ni(o-His)2, но не Ni(o-His)( L-His)
[811-
Были также определены константы устойчивости комплексов
оптически активных аминоацидатов с п-валин-Н-моноацетатом
Cu(II), Cu(L-ValMA) [82]. Величины констант равновесия реак-
ции (22) даны в табл. 2.11.
О
с—О---------ОН2
(СНзИСН^ / : \
Н -----Q
Cu(L-ValMA) +l- или d-A" Cu(L-ValMA) (А)" (22)
Преимущественная координация L-аминоацидатов по сравне-
нию с D-энантиомерами должна быть, по-видимому, объяснена
геометрией комплексов Cu(b-ValMA) (А)-. Об их структуре из-
вестно мало, но величины констант устойчивостей указывают, что
аминоацидаты взаимодействуют как бидентатные лиганды. Хотя
можно предложить структуры, в которых координация l-A- по
стерическим соображениям должна быть предпочтительной по
сравнению с координацией d-А-, независимые данные для под-
тверждения таких структур отсутствуют. Было также показано
Устойчивость координационных соединений
121
Таблица 2.11
Константы устойчивости комплексов Cu(L-ValMA)
с оптически активными амииоацидатами в соответствии
с уравнением (22) при 25 °C [82]
А- IgK
L-A- D-A-
Leu- 5,74 4,93
PhAla- 5,52 4,92
Ala- 5,29 4,74
Ser- 5,55 5,03
[82], что Cu(L-ValMA) стереоселективно координирует эфиры
оптически активных кислот (по-видимому, только через атом N).
Вследствие этого Cu(b-ValMA) стереоселективно катализирует
гидролиз эфиров D- и ь-аминокислот.
Подавляющее большинство работ [83, 84] по стереоселектив-
ности комплексов ионов металлов относится к изучению комплек-
сов Со(Ш). Однако из-за инертности комплексов Со(Ш) лишь
немногие исследования были проведены в равновесных условиях,
и поэтому невозможно решить, являются многие примеры стерео-
селективности в химии Со(III) следствием кинетических или тер-
модинамических эффектов. Очевидно, предстоит еще много сде-
лать для изучения стереоселективности комплексов ионов метал-
лов, особенно лабильных ионов металлов.
3. НЕКОТОРЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ЛИГАНДЫ
3.1. Аминокислоты
Хотя константы устойчивости комплексов глицина с ионами
металлов были обсуждены выше в данной главе, представляет
интерес рассмотреть константы устойчивости других аминокислот.
В обзоре Гарди и Уилкокса [60] собраны данные ранних иссле-
дований в этой области.
Хотя нормальный способ координации аминокислоты состоит
в координации через амино- и карбоксильную группы, Чайлдс и
Перрин [85] сообщили константу устойчивости для координации
цвиттер-иона глицина к Си2+ только через карбоксильную группу.
Cu2+ + -O2CCH2NHs <—> Cu(O2CCH2NHj), 1g К = 1,53
Величина IgA 1,53 меньше, чем 1,84 для реакции Си2+ с СН3СО7;
можно полагать, что более низкая константа устойчивости объяс-
122
Глава 2
няется более низкой основностью (разд. 2.2.1) цвиттер-иона гли-
цина. Несомненно, это очень малые константы по сравнению с
теми, которые обсуждались выше. Действительно, другие иссле-
дователи [86, 87] не нашли никаких доказательств комплексооб-
разования ионов металлов с цвиттер-ионом аминокислоты.
Анионы аминокислот образуют устойчивые комплексы со мно-
гими ионами металлов, в частности с ионами переходных элемен-
тов. В большинстве случаев аминоацидаты взаимодействуют как
бидентатные лиганды, координируясь через амино- и карбоксиль-
ную группы. Такие аминокислоты, как глицин, аланин, валин, про-
лин, лейцин, саркозин, тирозин [88], серин [87], треонин [87],
лизин [89, 90], аргинин [22, 89, 91], триптофан, аспарагин и ме-
тионин, по отношению к Ni2+, Cu2+ и Zn2+ ведут себя как биден-
татные лиганды. Сходство констант устойчивости их комплексов
с Zn2+, Fe2+ и Fe3+ (табл. 2.12) указывает, что они все координи-
руются только через амино- и карбоксильную группы. Необычно
низкие константы устойчивости комплексов с метионином и арги-
Таблица 2.12
Константы устойчивости аминоацидатов Zn2+, Fe2+ и Fe3+
М^+Ч-А-ч^МА!”*-1)*
Аминокислота группы —NH2 IgK
Zn2+f22] Fe2+ [92] Fe3+ [93]
Аргинин 9,21 4,2 3,2 8,7
Метионин 9,13 4,4 3,2 9,1
Треонин 8,86 — 3,3 8,6
Аспарагин 8,79 — 3,4 8,6
Триптофан 9,43 — 3,4 9,0
Серин 9,12 — 3,4 9,2
Валин 9,59 5,0 3,4 9,6
Лейцин 9,62 4,9 3,4 9,9
Аланин 9,79 5,1 3,5 10,4
Саркозин 10,02 — 3,5 9,7
Глицин 9,76 5,0 3,8 10,0
Пролин 10,52 — 4,1 10,0
Глутаминовая кислота 9,54 5,4 3,5 12,1
Аспарагиновая кислота 9,56 5,8 4,3 11.4
Г истидин 9,20 6,6 5,9 4,7
Цистеин 10,78 9,9 6,2 —
Устойчивость координационных соединений
123
нином (содержащих протонированную гуанидиновую группу), по-
видимому, связаны с низкой основностью группы —NH2 в этих
аминокислотах.
Следует заметить, что метионин может координироваться к
мягким ионам металлов, например Pd(II) и Hg(II), через атом
серы. Перрин [92, 93] коррелировал константы устойчивости
комплексов Fe2+ и Fe3+ с аминокислотами (приведенные в
табл. 2.12) с величинами рКа их групп —NH2 (разд. 2.2.1). Эти
данные подчиняются уравнению (6) при а=0,4 для Fe2+ и а=1,8
для Fe3+. Это большое различие в наклоне а указывает, что ве-
личины 1g К комплексов Fe3+ являются значительно более чувст-
вительной функцией р/Са, чем величины 1g К комплексов Fe2+. На
основе отклонения зависимости 1g К — р/Са от линейной Перрин
предположил, что двухзарядный анион аспарагиновой кислоты в
его комплексах с Fe2+ и Fe3+ проявляет существенную тридентат-
ность. Из данных табл. 2.12, по-видимому, следует, что это отно-
сится также к комплексам с Zn2+. Другие данные [94, 95] ука-
зывают, что аспарагиновая кислота ведет себя как тридентатный
лиганд по отношению к Си2+ и Ni2+; рентгеноструктурные иссле-
дования [96] комплексов аспарагиновой кислоты с Со2+, Ni2+ и
Zn2+ ясно указывают, что в твердом состоянии она присоединена
как тридентатный лиганд. Рентгеноструктурные исследования
[96] показали также, что в противоположность этому глутамино-
вая кислота координируется через одну группу —NH2 и через
одну —СО2-группу к одному иону металла, в то время как дру-
гая группа —СО2 присоединяется к другому иону металла
(разд. 4.2, тип г). В растворе (на основании данных, полученных
в работах [94, 95]) вторая группа —СО остается несвязанной.
Как показывают константы устойчивости (табл. 2.12), глутами-
новая кислота ведет себя преимущественно как бидентатный ли-
ганд, за исключением комплексов с Fe3+.
Как следует из приведенных в табл. 2.12 констант устойчиво-
сти, две последние аминокислоты — гистидин и цистеин — коорди-
нируются иначе, чем другие аминокислоты. Сходство констант
устойчивости комплексов с цистеином и анионом меркаптоэтил-
амина NH2CH2CH2S- (например, lgK=9,9 для комплексов Zn2+)
позволяет утверждать, что ионы металлов первого переходного
ряда координируют цистеин через группы —NH2 и —S-, а карб-
оксильная группа —СО2 остается некоординированной.
На основании структурного исследования получены более опре-
деленные доказательства того, что такой способ координации
цистеина осуществляется в его комплексах с Со3+ [97]. Спектраль-
ные исследования [98] комплексов Fe3+ с цистеином показывают,
что при некоторых условиях карбоксильная группа, по-видимому,
также принимает участие в координации. Родственный лиганд,
пеницилламин _SC(CH3)2CH(NH2)CO2, подобно цистеину, коор-
124
Глава 2
динируется к Ni2+ и Zn2+ через группы —NH2 и —S~. Величины
1g К его комплексов очень близки к 1g К комплексов цистеина.
Пеницилламин и цистеин принадлежат к немногим лигандам
[99], для которых вторая ступенчатая константа устойчивости
(К2) больше, чем первая (Ki).
Таблица 2-13
Величины AG, А// и AS для реакции М2++А-я^МА+ при 25 °C
(А- — аминоацидат)
Амино- кислота Cu2+ Ni2+
AG, ккал/моль ан, ккал/моль AS, кал - моль—1 -град—1 AG, ккал/моль АН, ккал/моль AS, кал - моль—1 «град—1
Глицина —11,71 —6,76 16,6 —8,43 —4,14 14,4
Серин6 —10,71 —5,51 17,5 —7,43 —3,76 12,3
Треонин6 —10,83 —5,56 17,7 —7,45 —3,81 12,2
Тирозинв —10,80 —5,42 18.1
а Данные взяты из работы [50].
6 Данные взяты из работы [87].
в Данные взяты из работы [88].
Координация гистидина ионами переходных металлов пред-
ставляет несколько более сложную систему, которая рассматри-
вается в гл. 4. В этой главе обсуждаются комплексы Си2+ с ней-
тральным протонированным гистидином, а также другие, содер-
жащие в качестве лиганда анион гистидина.
Были определены энтальпии и энтропии реакций комплексо-
образования различных аминокислот. Некоторые из этих данных
приведены в табл. 2.13. Они указывают на сходство величин AG,
АЯ и АЗ для всех приведенных аминокислот. Как было отмечено
в разд. 2.2.2, энтальпии этих реакций отрицательны и определя-
ются главным образом координацией атома азота аминогруппы.
Приведенные в табл. 2.13 величины А// примерно равны
5,8 ккал/моль для комплексов Си2+ и 3,9 ккал/моль для комплек-
сов Ni2+. Если доминирующий вклад в эти величины дает коор-
динация группы —NH2, то они должны быть близки к Чъ&Н
для реакций образования комплексов с этилендиамином. Это
действительно имеет место, так как ЧъкН равна 6,5 ккал/моль
для [Cu(en)]2+ и 4,5 ккал/моль для [Ni(en)]2+ [8]. Подобным
образом было отмечено (разд. 2.2.2), что положительные значения
АЗ этих реакций определяются в основном координацией карбок-
сильных групп аминоацидатов. Действительно, энтропии образова-
ния СиА+ (17,5 э. е.) и NiA+ (12,9 э. е.) близки к ‘/sAS реакции
Устойчивость координационных соединений
125
образования оксалатных комплексов состава 1:1: Си (Ох) —
14,1 э. е. и Ni(Ox) —12,1 э. е.
Были проведены подобные корреляции термодинамических ха-
рактеристик образования бис-(аминоацидатных) комплексов
{100], М2+4-2А_^МА2. Кроме того, было найдено, что ЛЯ
(21,3 ккал/моль) образования комплекса Cu(His)2, в котором
предполагается координация как аминного, так и имидазольного
атомов азота, приближенно может быть представлена как сумма
Д.Н для Си(Gly)2, равной 12,8 ккал/моль, и ‘ЛАЯ для Cu(2,2'-Dip)2
(Dip=дипиридил), равной 8,3 ккал/моль. Это приближение оправ-
дывается также для аналогичных комплексов Ni2+ и Zn2+. И, на-
конец, было замечено, что энтальпия реакций взаимодействия
различных ионов металлов с аминоацидатами в общем следует
ряду Ирвинга—Уильямса (разд. 2.1.3).
3.2. Пептиды
Простые ди-, три- и тетрапептиды образуют комплексы с иона-
ми переходных металлов. Одна из наиболее изученных систем —
это Си2+ с глицилглицином. В результате интенсивных исследова-
ний было показано, что моноанион Gly-Gly- образует с Си2+ комп-
лекс состава 1 :1 при pH ниже примерно 4. Этот комплекс спосо-
бен диссоциировать с отщеплением протона (рАа=4,38). Эти два
равновесия приведены ниже:
Си2+ + Gly-Gly- <=* [Cu(Gly-Gly)]+, IgK = 5,42
[Cu(Gly-Gly)]+ Cu(Gly-Gly—H) -J-H+, 1gKa = — 4,38
Эти комплексы Си(II), их устойчивости и строение обсуждены
полностью в гл. 4 (см. также табл. 4.1—4.4). Изучены константы
устойчивости аналогичных глицинпептидных комплексов Со(II)
.[101], Ni(II) [102—104] и Pd(II) [90]. Легкость ионизации пеп-
тидного протона увеличивается в ряду Со(П) <Ni(II) <Cu(II) <
<Pd(II). Исследование [105] взаимодействия Zn2+ с синтетиче-
ским модельным пептидом, Ь1,Ь1'-диглицилэтилендиамином, пока-
зало, что Zn(II) не облегчает диссоциацию протона.
Были сделаны попытки определить места присоединения ионов
металлов к большим белкам путем сравнения констант устойчи-
вости комплексов модельных лигандов с теми же ионами метал-
лов. Пожалуй, наиболее характерный пример представляет ме-
таллофермент карбоксипептидаза А (КПА), который в естествен-
ном состоянии содержит ион Zn2+ и около 300 аминокислотных
остатков. Определены константы устойчивости комплексов Zn2+
и некоторых других ионов металлов с апоКПА (фермент, с кото-
рого удален ион металла) и сравнены с соответствующими кон-
стантами устойчивости комплексов модельных лигандов. На осно-
вании константы устойчивости, а также спектральных и других
126
Глава 2
химических данных [106] был сделан вывод, что Zn2+ координи-
руется к одной —NH2- и одной —S~-rpynne. Из-за большого числа
возможных мест координации и вероятности того, что различные
ионы металлов могут координироваться к различным местам
[107], было признано, что определенные таким путем константы
устойчивости могут быть ошибочными. Из полученных недавно
усовершенствованных рентгеноструктурных данных для КПА
[Ю8] стало ясно, что это опасение обоснованно. В действитель-
ности Zn2+ координируется к двум имидазольным группам гисти-
диновых остатков и карбоксильной группе остатка глутаминовой
кислоты. В то же время на основании исследования равновесий
в системах, содержащих ионы металлов и глицинпептиды, можно
было предположить, как указано выше, что ион металла присоеди-
няется к концевой —ЙН2-группе белка. Это также не наблю-
далось.
Трудности, связанные со сравнением констант устойчивости
комплексов с белками и модельными соединениями, были нагляд-
но показаны также при исследовании миоглобина кашалота [109,
ПО] и альбумина бычьей сыворотки [111, 112]. Отсутствие дан-
ных о константах устойчивости комплексов ионов металлов с ма-
лыми пептидами, содержащими координирующие боковые цепи
(т. е. гистидин, лизин или остатки глутаминовой кислоты), очень
задерживает понимание более сложных взаимодействий ионов ме-
таллов с белками.
3.3. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты
Нуклеотиды состоят из трех структурных единиц — пуринового
или пиримидинового основания, рибозы и моно-, ди- или трифос-
фатной группы. Структура нуклеотида аденозинтрифосфата (АТФ)
с обозначением каждой из этих единиц приведена ниже.
Хотя известно, что нуклеотиды образуют довольно устойчивые
комплексы с ионами металлов, места координации однозначно
Устойчивость координационных соединений
127
трудно установить, несмотря на большие успехи, которые недавно
были достигнуты в этом направлении. На основании слабых коор-
динационных свойств сахаров как лигандов по отношению к ионам
переходных, а также щелочных и щелочноземельных металлов
можно предположить, что рибозная часть нуклеотидов в общем
не будет сильным координационным центром. А так как известно,
что нуклеозиды (пуриновое или пиримидиновое основание, свя-
занное с остатком рибозы) по отношению к ионам металлов обла-
дают слабой координирующей способностью [42], то, следователь-
но, фосфатная группа должна быть наиболее сильным, местом
координации при связывании ионов металлов нуклеотидами. Де-
тально места координации обсуждены в гл. 33.
Наиболее широко был исследован аденозинтрифосфат (АТФ)
[ИЗ]; он содержит четыре способных к ионизации атома водоро-
да на фосфатной части молекулы.
Как четырехзарядный анион (АТФ4-), так и монопротониро-
ванная форма (АТФН3-) образуют в растворе комплексы с иона-
ми металлов. Константы устойчивости комплексов АТФ4- и
АТФН3- в зависимости от иона металла увеличиваются в следую-
щем ряду [114]: Ва(И) <Sr(II) <Mg(II) <Co(II) <Mn(II) <
<Zn(II) <Ni(II) <Cu(II). Эта зависимость представляет обычный
ряд Ирвинга—Уильямса, за исключением Со(Н) и Мп(П). Ре-
зультаты исследований с помощью многочисленных эксперимен-
тальных методов [42] показывают, что ионы металлов (за исклю-
чением Си2+) координируются с трифосфатной частью АТФ. Этот
вывод подтверждается константами устойчивости комплексов ана-
логичных нуклеотидов, содержащих различные пуриновые и пи-
римидиновые основания; эти константы мало зависят от природы
основания, содержащегося в молекуле. Более того, константы
устойчивости повышаются при увеличении числа фосфатных
групп. Так, величины IgA для комплексов Си(II) с аденозинмо-
нофосфатом (АМФ2-), аденозиндифосфатом (АДФ3-) и АТФ4-
увеличиваются в последовательности АМФ2- (3,2) <АДФ3- (5,9) <
<АТФ4- (6,1). Значения IgA для комплексов с АДФ3- и АТФ4-
аналогичны величинам IgA для комплексов с монопротонирован-
ными полифосфатами [115]: НР2О3- (5,4) <НР3О4^ (5,7).
Хотя тенденция в изменении констант устойчивости следует
известному ряду, различия в величинах IgA очень малы; напри-
мер. для комплексов с АТФ4- они равны: Mg(II) 4,2; Со(П) 4,7;
Мп(П) 4,8; Zn(II) 4,8; Ni(II) 5,0; Cu(II) 6,1. Сходство констант
устойчивости было объяснено [113, 114] тем, что фосфатные груп-
пы не координируются непосредственно к иону металла, а обра-
зуется гидратированная ионная пара, устойчивость которой за-
висит только от заряда на ионе металла. Несколько более высокая
устойчивость комплекса Си(II), а также спектральные данные
указывают, что Си(II) присоединяется и к адениновому кольцу
128
Глава 2
и к фосфатной цепи. Все другие ионы металлов связываются, ка-
жется, только с фосфатной цепью. Модельный лиганд, 2-пиридил-
метилфосфат, содержащий пиридиновую и фосфатную группы, по-
добным образом координируется ионами металлов только через
фосфатную группу, за исключением Си(II), к которой он присо-
единяется также через атом пиридинового азота [И6].
Взаимодействие ионов металлов с полинуклеотидами или нук-
леиновыми кислотами, такими, как РНК и ДНК, имеет в основном
тот же характер, что и с нуклеотидами [42, 117], как будет об-
суждено в гл. 34.
3.4. Порфирины
Порфирины [118] —это тетрапиррольные макроциклические
соединения, которые при координации с ионами металлов теряют
два протона. Тетрадентатный двухзарядный анионный лиганд Р2-
образует с ионами металлов комплексы [П9] , имеющие в основ-
ном плоское строение [120], но вследствие некоторой гибкости
они могут быть несколько искажены.
метоллопорфирин
В литературе опубликована только одна константа устойчиво-
сти металлопорфирина [69], а именно для реакции взаимодейст-
вия Zn(II) с диметиловым эфиром мезопорфирина (Р2~) с обра-
зованием ZnP. Величина 1g К приблизительно равна 29 — цифра,
которая достигается только макроциклическими лигандами
(разд. 2.2.3). Малочисленность данных для равновесий этих реак-
ций несомненно связана с исключительной медленностью их про-
текания, поскольку иногда необходимы месяцы для достижения
равновесия при комнатной температуре.
Из-за отсутствия данных о константах устойчивости металло-
порфиринов для установления качественного ряда устойчивостей
был использован [121] ряд других методов, таких, как реакции
замещения иона металла, реакции, включающие вытеснение иона
металла кислотой, и спектроскопические исследования. Этот ряд
имеет следующий вид: Ag(I)2<K2<Ba(II) <Na2<Li2<Sn(II) <
<Cd(II)<Mg(II)<Zn(II)<Cu(II)<Ag(II) < Co(II) < Ni(II)<
<Pd(II) <Pt(II). Предположили [121], что необычно низкая
Устойчивость координационных соединений 129
устойчивость комплекса Ва(П) обусловлена большим размером
этого иона, что препятствует его вхождению в плоское кольцо.
По какой причине устойчивости комплексов элементов первого
переходного ряда не следуют порядку Ирвинга—Уильямса
(разд. 2.1.3), неясно.
Квадратно-плоскостные металлопорфирины, так же как и род-
ственные им комплексы фталоцианинов [122], могут присоединять
один или два монодентатных лиганда, образуя комплексы с 5- и
6-кратной координацией иона металла. При исследовании равно-
весия а,₽,у,6-тетрафенилпорфириновых комплексов Zn(II), Cd (II)
и Hg(II) [123, 124] с замещенными пиридинами было установле-
но, что к иону металла присоединяется одна молекула пиридина.
Однако аналогичные комплексы Cu(II) и Ni(II) [125], кажется,
проявляют лишь незначительную склонность к присоединению пи-
ридина. Величины 1gК для Zn(II) и Cd(II) близки, но для Hg(II)
ниже; для реакции с пиридином они равны 3,78 (Zn), 3,51 (Cd)
и 1,21 (Hg). Для всех трех ионов металлов величины 1g К увели-
чиваются по мере повышения основности пиридина, и зависимость
1g К от рК линейна (разд. 2.2.1). К сожалению, подобная корре-
ляция не наблюдается [126] для бис-пиридинатных комплексов
нескольких различных железо (II) порфиринов.
Введение электронодонорных или электроноакцепторных групп
в порфириновое кольцо также изменяет тенденцию металлопор-
фиринов к присоединению лигандов. В общем [П8] электроно-
донорные группы уменьшают координацию аминов, в то время
как электроноакцепторные группы повышают координацию. Осо-
бенно наглядно это было показано [127] для ряда комплексов
Ni(II) е диметиловыми эфирами замещенных дейтеропорфири-
нов IX. Эти порфирины реагируют с 2 молями пиперидина в соот-
ветствии с уравнением NiP-p2L^NiPL2. Величины 1g Д' лежат в
пределах от —2,0 для 2,4-диэтилзамещенного металлопорфирина
до 0,15 для комплекса 2,4-диформилзамещенного порфирина. Ос-
новность (рЛа) диэтилпорфирина (5,8) намного больше, чем ос-
новность диформильного производного (2,8). Таким образом, чем
больше основность порфирина, тем меньше устойчивость комплек-
са NiPL2. Обратная линейная корреляция между 1g К и рКа пор-
фирина действительно имеет место.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tapscott R. Е., Belford R. L., Paul I. С., Coord. Chem. Rev., 4, 323 (1969).
2. Fitzwater D. R., Rundle R. E„ Z. Kris , 112, 362 (1959).
3. Hunt E. B„ Rundle R. E, Stosick A. J., Acta Cryst., 7, 106 (1954).
4. Powell J. E., Rowlands D. L. G., Inorg. Chem., Б, 819 (1966).
5. Moeller T., Martin D. F., Thompson L. C., Ferrus R., Feistel G. R., Ran-
dall W. J., Chem. Rev., 65, 1 (1965).
6. Hinchey R. J., Cobble J. W., Inorg. Chem., 9, 917 (1970).
-2451
130
Глава 2
7. Graddon D. P., J. Inorg. Nucl. Chem., 5, 219 (1958).
8. Nancollas G. H., Interactions in Electrolyte Solutions, Elsevier Publishing Co.,
Amsterdam, 1966.
9. Jones M. M., Elementary Coordination Chemistry, Prentice-Hall, Englewood
Cliffs, N. J., 1964, p. 333.
10. Fronaeus S., in «Technique of Inorganic Chemistry», Vol. I, Interscience Pub-
lishers, New York, 1963, p. 1.
11. Poccwtu Ф., Россотти X., Определение констант устойчивости и других кон-
стант равновесия в растворах, «Мир», М., 1965.
12. Lingane Р. Л, Hugus Z. Z., Jr., Inorg. Chem, 9, 757 (1970).
12a. Бек M., Химия равновесий реакций комплексообразования, «Мир», М.,
1973.
13. Eatough D. J., Anal. Chem., 42, 635 (1970).
14. Goldberg D. E„ J. Chem. Educ., 39, 328 (1962).
15. Angelici R. J., Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry, W. B. Saun-
ders Co., Philadelphia, 1969, p. 105.
16. Crow D. R., Westwood J. V„ Quart. Rev., 19, 57 (1965).
17. Schubert J., Methods of Biochemical Analysis, 3, 247 (1956).
18. Marcus Y., Ion Exchange, 1, 101 (1966).
19. Marcus Y., Kertes A. S., Ion Exchange and Solvent Extraction, John Wiley
and Sons, Inc., New York, 1969.
20. Helfferich F., Ion Exchange, McGraw-Hill, New York, 1962, p. 221.
21. Johansson L., Coord. Chem. Rev., 3, 293 (1968).
22. Sillen L. G., Martell A. E., Stability Constants of Metal-Ion Complexes, Spe-
cial Publication Nos. 17 and 25, The Chemical Society, London, 1964 and
1971.
23. Яцимирский К. Б., Васильев В. П., Константы нестойкости комплексных
соединений, Изд. АН СССР, М., 1959.
24. Басоло Ф., Пирсон Р., Механизмы неорганических реакций, «Мир», М.,
1971.
25. Россотти Ф., в «Современная химия координационных соединений» под ред.
Дж. Льюиса и Р. Уилкинсона, ИЛ, М., 1963.
26. Schwarzenbach G., Adv. Inorg. Chem. Radiochem., 3, 257 (1961).
27. Chaberek S., Martell A. E., Sequestering Agents, Wiley-Interscience, New
York, 1959.
28. Mellor D. P. in F. P. Dwyer, D. P. Mellor (eds.), Chelating Agents and Me-
tal Chelates, Academic Press, New York, 1965, p. 1.
29. Phillips C. S. G., Williams R. J. P., Inorganic Chemistry, Vol. II, Oxford Uni-
versity Press, New York, 1966, pp. 267—283, 517—549.
29a. Sigel H., McCormick D. B., Accounts Chem. Res., 3, 201 (1970).
30. Beech G„ Quart. Rev., 23, 410 (1969).
31. Ahrland S„ Structure and Bonding, 5, 118 (1968).
.32. Thompson L. G., Shafer B. L., Edgar J. A., Mannila K. D., Advances in Che-
mistry Series, No. 71, American Chemical Society, Washington, D. C., 1967,
169.
33. Schwarzenbach G„ Experentia Suppl., 5, 162 (1956).
34. Ahrland S., Chatt J., Davies N. R., Quart. Rev., 12, 265 (1958).
35. Pearson R. G., J. Chem. Educ., 45, 581, 643 (1968).
16. Williams R. J. P., Hale J. D., Structure and Bonding, 1, 249 (1966).
17. Ahrland S., Structure and Bonding, 1, 207 (1966).
38. Evans R. S., Huheey J. E., J. Inorg. Nucl. Chem., 32, 777 (1970).
39. Misono M., Ochiai E„ Saito Y„ Yoneda Y., J. Inorg. Nucl. Chem., 29, 2685
(1967).
40. Klopman G., J. Am. Chem. Soc., 90, 223 (1968).
41. Pearson R. G„ Science, 151, 172 (1966).
42. Weser U., Structure and. Bonding, 5, 41 (1968).
43. Sigel H., Griesser R., Prijs B., McCormick D. B., Joiner M. G„ Arch. Biochem.
Устойчивость координационных соединений
131
Biophys., 130, 514 (1969); Sigel Н., McCormick D. В., Griesser R., Prijs В.,
Wright L. D., Biochemistry, 8, 2687 (1969).
44. Kimura T„ Structure and Bonding, 5, 1 (1968).
45. Spiro T. G., Saltman P„ Structure and Bonding, 6, 116 (1969).
46. Mellor D. P„ Maley L., Nature, 159, 370 (1947); 161, 436 (1948)
47. Irving H„ Williams R. J. P„ Nature, 162, 746 (1948); J. Chem. Soc., 1953,
3192.
48. Calvin M., Melchior N. C., J. Am. Chem. Soc., 70, 3270 (1948).
49. Ref. [8], p. 183.
50. Boyd S., Brannan J. R., Dunsmore H. S„ Nancollas G. H., J. Chem. Eng.
Data, 12, 601 (1967).
51. Irving H., Williams R. I. P., J. Chem. Soc., 1953, 3192.
52. Ref. [24], p. 77.
53. Ref. [29], p. 269.
54. Martell A. E., Calvin M„ Chemistry of the Metal Chelate Compounds, Pren-
tice-Hall, Englewood Cliffs, N. J., 1952, p. 151.
55. Griesser R., Prijs B„ Sigel H., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 4, 443 (1968); Gries-
ser R., Prijs B., Sigel H., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 5, 951 (1969).
56. Ref. [9], p. 339.
57. Irving H., Rossotti H., Acta Chem. Scand., 10, 72 (1956).
58. Irving H„ da Silva I. I. R. F., J. Chem. Soc., 1963, 945.
59. Margerum D. W., Powell B. L., Luthy J. A., Inorg. Chem., 7, 800 (1968).
60. Gurd F. R. N., Wilsox P. E., Adv. Protein Chem., 11, 311 (1956).
61. Ref. [25], p. 56.
62. Jones I. G., Poole J. B„ Tomkinson J. C., Williams R. J. P., J. Chem. Soc.,
1958, 2001.
63. Schwarzenbach G., Anderegg G., Schneider W., Senn H., Helv. Chim. Acta,
38, 1147 (1955).
64. Angelici R. J., Leach В. E., J. Am. Chem. Soc., 90, 2499 (1968).
65. Martell A. E., in «Advances in Chemistry Series», No. 62, American Chemical
Society, Washington, D. C., 1967, p. 272.
66. Ref. [25], p. 57.
67. Cabblness D. K., Margerum D. W„ J. Am. Chem. Soc., 91, 6540 (1969).
68. Sacconi L., Paoletti P., Ciampolini M., J. Chem. Soc., 1961, 5115; Paoletti P.,
Ciampolini M„ Sacconi L., J. Chem. Soc., 1963, 3589.
69. Dempsey B., Lowe M. B., Phillips I. N., in J. E. Falk, R. Lemberg, R. K. Mor-
ton (ed.), Haematin Enzymes, Pergamon Press, London, 1961, p. 29.
70. Marcus Y., Eliezer I., Coord. Chem. Rev., 4, 273 (1969).
71. Perrin D. D., Sayce I. G., Sharma V. S., J. Chem. Soc. (A), 1967, 1755.
72. Perrin D. D., Sharma V. S„ J. Chem. Soc. (A), 1968, 446.
73. Perrin D. D., Sharma V. S„ J. Chem. Soc. (A), 1969, 2060.
74. Griesser R., Sigel H., Inorg. Chem., 9, 1238 (1970).
75. Jackobs N. E., Margerum D. W., Inorg. Chem., 6, 2038 (1967).
76. Sharma V. S., Schubert I., J. Chem. Educ., 46, 506 (1969).
77. Gillard R. D., Irving H. M., Parkins R. M., Payne N. C„ Pettit L. D., J. Chem.
Soc. (A), 1966, 1159; Gillard R. D„ Irving H. M„ Pettit L. D„ J. Chem. Soc.
(A), 1968. 673; Simeon V., Weber O. A., Croat. Chem. Acta, 38, 161 (1966).
78. Bennett W. E., J. Am. Chem. Soc., 81, 246 (1959).
78a. Ritsma J. IL, Wiegers G. A., Jellinek F„ Rec. Trav. Chim., 84, 1577 (1965).
786. MacDonald С. C., Phillips W. D„ J. Am. Chem. Soc., 85, 3736 (1963).
78b. Ritsma I. H„ Van de Grampel I. C., Jellinek F., Rec. Trav. Chim., 88, 411
(1969).
79. Candlin R.. Harding M. M„ J. Chem. Soc. (A), 1970, 384.
80. Harding Al. M., Long H. A., J. Chem. Soc. (A), 1968, 2554.
81. Fraser K. A., Harding M. M„ J. Chem. Soc. (A), 1967, 415.
82. Leach В. E„ Angelici R. I., J. Am. Chem. Soc., 91, 6296 (1969).
83. Dunlop J. H., Gillard R. D., Adv. Inorg. Chem. Radiochem., 9, 185 (1966).
132
Глава 2
84. Sargeson А. М, in F. Р. Dwyer, D. P. Mellor (eds.), Chelating Agents and
Metal Chelates, Academic Press, New York, 1964, p. 183.
85. Childs C. W„ Perrin D. D., J. Chem. Soc. (A), 1969, 1039.
86. Pearlmutter A. F„ Stuehr J., J. Am. Chem. Soc., 90, 858 (1968).
87. Letter J. E., Jr., Bauman J. E., Jr., J. Am. Chem. Soc., 92, 437 (1970).
88. Letter J. E., Jr., Bauman J. E., Jr., J. Am. Chem. Soc., 92, 443 (1970).
89. Greenstein J. P., Winitz M„ Chemistry of the Amino Acids, Vol. 1, John Wi-
ley and Sons, New York, 1961, p. 618.
90. Wilson E. W., Jr., Martin R. B., Inorg. Chem., 9, 528 (1970).
91. Clarke E. R., Martell A. E., J. Inorg. Nucl. Chem., 32, 911 (1970).
91a. Stephenson N. C„ McConnell J. F„ Warren R., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 3,
553 (1967); Natusch D. F. S., Porter L. J., Chem. Comm., 1970, 596.
92. Perrin D. D„ J. Chem. Soc., 1959, 290.
93. Perrin D. D„ J. Chem. Soc., 1958, 3125.
94. Wellman К. M., Mecca T. G., Mungall W„ Hare C. R., J. Am. Chem. Soc., 90,
805 (1968).
95. Ho F. F. L., Erickson L. E., Watkins S. R., Reilley C. N„ Inorg. Chem., 9, 1139
(1970).
96. Freeman H. C., Adv. Protein Chem., 22, 258 (1967).
97. Kothari V. M., Busch D. H., Inorg. Chem., 8, 2276 (1969).
98. Tomita A., Hirai H., Makishima S., Inorg. Chem., 7, 760 (1968).
99. Perrin D. D., Sayce I. G., J. Chem. Soc. (A), 1968, 53.
100. Stack W. F., Skinner H. A., Trans. Faraday Soc., 63, 1136 (1967).
101. Michailidis M. S., Martin R. B., J. Am. Chem. Soc., 91, 4683 (1969).
102. Sarkar B., Wigfield Y„ J. Biol. Chem., 242, 5572 (1967).
103. Martin R. B., Chamberlin M„ Edsall J. T., J. Am. Chem. Soc., 82, 495
(1960).
104. Kim M. K., Martell A. E., J. Am. Chem. Soc., 89, 5138 (1967).
105. Bai K. S., Martell A. E„ J. Am. Chem. Soc., 91, 4412 (1969).
106. Vallee B. L., Williams R. J. P., Coleman J. E., Nature, 190, 633 (1961).
107. Dennard A. E., Williams R. J. P., Transition Metal Chem., 1966, 115.
108. Lipscomb W. N„ Accounts Chem. Res., 3, 81 (1970).
109. Gurd F. R. N„ Bryce G. F„ in Peisach J., P. Aisen, W. E. Blumberg (eds.).
The Biochemistry of Copper, Academic Press, New York, 1966, p. 115.
110. Gurd F. R. N., Falk K., Malmstrom B. G., Vanngard T., J. Biol. Chem., 242,
5724 (1967).
111. Bradsnaw R. A., Shearer W. T., Gurd F. R. N., J. Biol. Chem., 242, 5451
(1967); 243, 3817 (1968).
112. Sarkar B., Wigfield Y„ Can. J. Biochem., 46, 601 (1968).
113. Phillips R. S. J., Chem. Rev., 66, 501 (1966).
114. Khan M. M. T., Martell A. E., J. Am. Chem. Soc., 88, 668 (1966).
115. Watters J. I., Matsumoto S., Inorg. Chem., 5, 361 (1966).
116. Murakami Y„ Takagi M., J. Phys. Chem., 72, 116 (1968).
117. Eichhorn G. L., in «Advances in Chemistry Series», No. 62, American Chemi-
cal Society, Washington, D. C., 1967, p. 378.
118. Falk J. E., Porphyrins and Metalloporphyrins, Elsevier Publishing Co., Am-
sterdam, 1964.
119. Braterman P. S., Davies R. C., Williams R. J. P., Adv. Chem. Phys., 7, 359
(1964).
120. Fleischer E. B., Accounts Chem. Res., 3, 105 (1970).
121 Phillips J. N., Rev. Pure Appl. Chem.. 10, 35 (1960).
122 Lever А. В. P„ Adv Inorg. Chem. Radiochem., 7, 27 (1965).
123. Kirksey С. H., Hambright P., Storm С. B., Inorg. Chem., 8, 2141 (1969).
124. Kirksey С. H., Hambright P., Inorg. Chem., 9, 958 (1970).
125. Miller J. R., Dorough G. D„ J. Am. Chem. Soc., 74, 3977 (1952).
126. Falk J. E., Phillips J. N., Magnusson E. A., Nature, 212, 1531 (1966); Co-
le S. J., Curthoys G. C., Magnuson E. A., J. Am. Chem. Soc., 92, 2991 (1970).
127. McLees B. D., Caughey W. S., Biochemistry, 7, 642 (1968).
ГЛАВА 3
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ
КОМПЛЕКСОВ ЖЕЛЕЗА
Г. Б. Грэй, Г. Дж. Шугар
Gray Harry В., Arthur Amos Noyes Laboratory of Chemical
Physics, California Institute of Technology, Pasadena,
Calif. 91109, USA
Schugar Harvey Department of Chemistry, Rutgers
University, New Brunswick, N. J. 08903, USA
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования электронного строения ионов переходных метал-
лов в молекулах, представляющих биологический интерес, в те-
чение последних нескольких лет проводились весьма интенсивно.
Хотя для исследования таких систем в принципе применимы
все спектроскопические и магнитные методы, известные химикам-
неорганикам [1—3], получение надежных экспериментальных
данных, касающихся ионов металлов, из-за сильного разбавления
часто представляет трудную задачу. Однако при благоприятных
условиях удается выяснить особенности геометрического и элек-
тронного строения, обусловленные координацией к металлу.
Для того чтобы сохранить разумные размеры этой главы, мы
решили обсудить здесь выбранную группу модельных соединений
и родственных им белков, содержащих в качестве центрального
металла железо (Fe2+ или Fe®+). Этот выбор обусловлен широким
распространением комплексов железа в биологии. Основное вни-
мание будет уделено моделям железосодержащих белков, исполь-
зующим в качестве лигандов соединения с донорными атомами
азота и кислорода.
2. ТЕОРИЯ ПОЛЯ ЛИГАНДОВ ДЛЯ ОКТАЭДРИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ
Вначале мы рассмотрим электронное строение Fe2+ и Fe3+ в
октаэдрических комплексах. Для обсуждения электронных и маг-
нитных спектров этих и других ионов переходных металлов наи-
более полезной моделью несомненно является теория поля лиган-
дов [1]. Коротко говоря, валентные d-орбитали металла, находя-
щегося в молекуле в октаэдрическом окружении, расщепляются
на два подуровня. Подуровень, более высокий по энергии, назы-
вается eg и включает две d-орбитали (d^-^ и dz2), которые при-
нимают сильное участие во взаимодействии с лигандами по о-типу.
134
Глава 3
Три d-орбитали в подуровне t2g (dxy, dxz, d^) из-за их простран-
ственной ориентации могут принимать участие только в невзаимо-
действии с лигандами и вследствие этого имеют более низкую
энергию, чем е£-орбитали. Расщепление на уровни eg и t2g (рис. 3.1)
называется расщеплением в октаэдрическом поле лигандов и по
общему соглашению обозначается 10Лд или ДСкт-
Рис. 3.1. Расщепление d-орбиталей в октаэдрическом комплексе в соответствии
с теорией поля лигандов.
2.1. Комплексы Fe2+
Для построения конфигурации октаэдрических комплексов ме-
таллов в основном состоянии необходимо поместить соответству-
ющее число d-электронов на t2g- и ее-орбитали. Существуют два
различных случая, которые можно проиллюстрировать на комп-
лексах Fe2+: если 10Dq относительно мало, как в [Fe(H2O)6]2+,
то шесть валентных d-электронов распространяются на подуровни
t2g и еЁ с образованием максимальной спиновой мультиплетности
в соответствии с правилом Гунда. В том случае, когда КЮд боль-
ше, чем энергия спаривания электронов на ^-орбиталях, как в
[Fe(CN)6]4-, все шесть электронов будут оставаться на подуровне
t2g. Для описания этого различия в спиновой мультиплетности
основного состояния [Fe(H2O)6]2+ называют высокоспиновым
комплексом, a [Fe(CN)6]4-— низкоспиновым. На рис. 3.2 изобра-
жены конфигурации [Fe(H2O)6]2+ и [Fe(CN)6]4- в основном со-
стоянии в соответствии с теорией поля лигандов.
Полосы поглощения в близкой инфракрасной (ИК), видимой
и ультрафиолетовой (УФ) областях возникают в результате элек-
Электронное строение комплексов железа
135
тронных переходов между t2g- и eg-подуровнями октаэдрических
комплексов. Например, электрон может быть перенесен с t2g- на
«^-подуровень в [Fe(H2O)6]2+, при этом образуется конфигурация
возбужденного состояния (t2g)3(eg)3. В стандартном обозначении
электронного состояния* этот переход описывается следующим
образом:
B^2g (^zg)4(eg)2-► 6Eg (t2g)3 (eg)3
Спектр поглощения [Fe(H2O)6]2+ типичен для высокоспиновых
октаэдрических комплексов конфигурации d6-, широкая полоса по-
-ф®--°9
—@ФФ—Ч
—@@@—t2s
высокоспиновое основное низкоспиновое основное
состояние (tzgj^feg)2 состояние (tz^)e
5Ъ3 'А'д
Рис. 3.2. Электронное строение основного состояния [Fe(HjO)e]2+ и [Fe(CN)6]4—
в соответствии с теорией поля лигандов.
глощения, расположенная в близкой ИК-области примерно при
10 000 см-1, отнесена к переходу 5T2g—*-3Eg [1]. Эта полоса обыч-
но несколько расщеплена, вероятно, вследствие того, что возбуж-
денное 5£я-состояние имеет несколько искаженную октаэдрическую
* В обозначениях BT2g и 6Eg индекс с левой стороны вверху относится к
спиновой мультиплетности основного состояния, которая равна 2S+1. Для четы-
рех неспаренных электронов S=2 и 25+1=5. Т2в (или Eg) относится к симметрии
многоэлектронной пространственной волновой функции. Рассмотрение этих обо-
значений дано в нескольких книгах [1].
136
Глава 3
симметрию. Искажение основного состояния также может иметь
некоторое значение, особенно в случае неизбежно менее симмет-
ричных комплексов типа {Fe(II)L4X2].
Низкоспиновый комплекс [Ре(СН)6]^" имеет синглетное основ-
ное состояние (S=0; 2S-H = 1) Переход в поле лиган-
дов t2g—дает два возбужденных синглетных состояния, 'Лд
и которые вследствие различного межэлектронного отталки-
вания в этих состояниях имеют различную энергию. Энергию
межэлектронного отталкивания обычно выражают при помощи
параметров Рака —В и С [1]. Вычисленное расстояние между
состояниями 1Tie и 1T2g равно 16 В. Электронный спектр погло-
щения [Fe(CN)6]4- состоит из двух разрешенных по спину полос
поля лигандов при 31 000 и 37000 см-1, которые были отнесены к
переходам Mig—^Tlg и —*-lT2g соответственно [4].
2.2. Комплексы Ее3*
При этом же наборе лигандов расщепление в октаэдрическом
поле лигандов для Fe3+ больше, чем для Fe2+, поэтому также
больше и тенденция к образованию низкоспиновой структуры ос-
Рнс. 3.3. Уровни электронной энергии
для высокоспнновой конфигурации
d5 иона металла в поле октаэдриче-
ской симметрии [отношение парамет-
ров Рака (С/В) принято равным
3,00].
новного состояния. Тем не менее мономерные октаэдрические
комплексы типа [Fe(III)O6] всегда имеют высокоспиновые ос-
новные состояния.
Электронное строение комплексов железа
137
Высокоспиновое основное состояние конфигурации 3d5—
Mlg(f2g)3(eg)2. Наиболее низкие электронные возбужденные со-
стояния в порядке повышения энергии — 47'lg, 4?2g и вырожденная
пара (4£g, 4Alg). Схема этих и других важных уровней энергии
для октаэдрического комплекса ®Alg показана иа рис. 3.3.
Рис. 3.4. Электронные спектры поглощения.
а—[Ре(Н2О)б]3+в железоаммиачных квасцах Fe^SOJa-(NH4)2SO4-24H2O; б — тетраэдрический
[Fe(III)O4l в полевом шпате ортоклазе.
Как видно из рис. 3.3, все переходы поля лигандов в комплек-
се ®Alg запрещены по спину, и таким образом можно ожидать
появления только слабых полос. Спектр поля лигандов
[Fe(H2O)6]3+ изображен верхней кривой рис. 3.4 [5]. Три полосы
с наиболее низкими энергиями отнесены к переходам ®Atg—>4Tlg,
Mlg—>4T2g и ®Alg—4Alg) соответственно. Как и следует
ожидать для переходов, запрещенных по спину, молярные коэффи-
циенты поглощения этих полос очень низки. Результаты анализа
спектра обобщены в табл. 3.1.
В связи с этим важно указать на различие в спектре поля
лигандов октаэдрической [Fe(III)O6] и тетраэдрической
[Fe(III)O4] систем. Данные для последней системы были полу-
чены в результате исследования образца полевого шпата орто-
клаза (KAlSi3O8) с небольшим содержанием Fe3+, находящегося
в тетраэдрических ячейках А13+ [5]. Спектр поглощения поля ли-
гандов этого образца состоял из трех полос — при 444, 418 и
377 нм, как показано на кривой б на рис. 3.4. Теория поля ли-
138
Глава 3
гандов для тетраэдрического [Fe(III)O4| приводит к изображен-
ной на рис. 3.5 схеме уровней энергии. Теория предсказывает [6],
что в тетраэдрическом комплексе первые две полосы поля лиган-
дов должны иметь значительно более высокие энергии, чем в кота-
эдрическом.
Мы отнесли три полосы, проявляющиеся в спектре поглоще-
ния [Fe(III)O4], к переходам на возбужденные состояния 47’ь
Рис. 3.5. Уровни электронной энер-
гии для высокоспиновой конфигу-
рации d5 иона металла в поле те-
траэдрической симметрии (С/В
принято равным 7,83).
4Г2 и (4£, Mi) соответственно. Эти отнесения обобщены в
табл. 3.2. Анализ этого спектра дает значение 10£)9тетр=7350 см“>
и величину 540 см-1 для В. Как и предполагалось [1], найдено,
что величина lOZty меньше для [Fe(III)О4], чем для [Fe(III)O6].
Понятен также тот факт, что молярные коэффициенты поглоще-
ния полос поля лигандов для не имеющего центра симметрии
[Fe(III)O4] примерно в 10 раз больше, чем для соответствующих
полос, наблюдающихся в случае модели [Fe(III)O6],
Комплексы Fe(III) с лигандами, координированными через до-
норные атомы N, а также с CN- имеют низкоспиновое основное
состояние. Так, на основании исследования магнитных свойств
[Fe(cn)3]3+ (еп=этилендиамин) и [Fe(CN)e]3- было установлено,
что основное состояние обоих этих соединений 27’2g(f2g)5. Из наи-
более низкой возбужденной конфигурации поля лигандов
(4g)4(eg)’ возникает ряд дублетных (по спину) состояний, и
вследствие этого спектры [Fe(en)3]3+ и i[Fe(CN)e]3- усложнены.
Электронное строение комплексов железа
139
Таблица 3.1
Данные об электронных спектрах [Fe(H2O)6]s+
в Fe2(SO4)s-(NH4)2SO4-24 Н2О [б]
Ml-»- • V, СМ—1а е
«л 12 600 0,05
*ТХ 18200 0,01
24200
СА, <£) 24 600 1,3
25 400
‘Л 27 700 1
а Спектр удовлетворительно интерпретируется при использо-
вании следующих параметров: 10 ДАОКТ= 13 700 см-1; С/В=3,13;
В=945 см—1.
* Индексы в Т. , Т и т. д. автор, по-видимому, опу-
® ^Б 4 g
стил для простоты изображения термов. — Прим. ред.
Таблица 3.2
Данные об электронном спектре [Fe(III)O4]
в полевом шпате ортоклазе [5]
Mi —► V, см—1 е Вычислено* 3
«л 22500 0,73 22150
23 900 0,76 24550
(%. *Е) 26500 4,1 26550
*ТЛ 29200 0,1 28 940
а Для 10В<7тетр=7350, В=540, С=4230 см-1.
Последний комплекс поглощает свет также за счет переноса за-
ряда nCN—>Fe3+, характеризующегося низкой энергией. Тем не
менее были предложены отнесения ряда переходов поля лигандов
в [Fe(en)3]^ [7] и [Fe(CN)6]*- [8].
3. СПЕКТРЫ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА
Как было упомянуто выше, анализ спектров поля лигандов для
комплексов Fe3+ часто усложняется присутствием интенсивной
низкоэнергетической полосы переноса заряда лиганд—>Fe3+. По-
140
Глава 3
лагают, что происхождение этих полос связано с окислительными
свойствами Fe34-. Наоборот, для Fe2+ из-за его восстановительных
свойств можно ожидать низкоэнергетического перехода Fe2+—>
—>лиганд. Классический пример поглощения за счет переноса
заряда лиганд—►Fe3+ представляет кроваво-красный цвет высоко-
спинового комплекса [FeNCS]2+ (по-видимому, [Fe(H2O)5NCS]2+).
Полагают, что при этом происходит электронный переход с выс-
шего заполненного л-уровня NCS- на уровень /2g иона Fe34-
(nNCS—^2g) [9].
Систематическое исследование переноса заряда лиганд—>-Fe3+
было проведено в случае низкоспиновых систем [Fe(III) (CNJsX]3-
>[10]. Исходный комплекс [Fe(CN)e]3- имеет полосу около
24 000 см-1, которую можно отнести к переходу переноса заряда
oCN—>/2g [8]. При замещении CN~ на Из или NCSe- появляется
дополнительное поглощение за счет переноса заряда в области
16 000—19 000 см-1, которое было отнесено к переходу переноса
заряда лХ—>Z2g [10]. Найден следующий порядок энергии воз-
буждения переноса заряда X—>/2g: NCSe^<N3<:NCS_<CN_.
4. ДИМЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Fe3+
4.1. Оксомостиковые димеры
Для водных растворов комплексов Fe3+ характерна реакция
полимеризации путем образования димерных оксо- и дигидроксо-
мостиковых структур. Был выделен и охарактеризован ряд мо-
дельных димеров, а также выяснены их спектральные и магнит-
ные свойства [11].
Наиболее полно изученная оксомостиковая система — комп-
лекс [(РеОЭДТА)2О]2_ [ОЭДТА—№-(2-оксиэтил)этилендиамин-
Н.П.П'-триуксусная кислота] [11], содержащий примерно линей-
ный (~165°) мостик Fe(III)—О—Fe(III). На рис. 3.6 сопостав-
лены магнитные моменты этилендиаммониевой (епН|+) соли этого
димерного аниона и типичного высокоспинового мономерного
комплекса [Fe(pic)2(H2O)Cl] (pic=пиколинат) в интервале тем-
ператур 10—300 К- Уменьшение рэ$ф при понижении температуры
было истолковано как антиферромагнитное поведение, возникаю-
щее из спин-спинового взаимодействия двух ионов Fe3+ со спином
S = 5/2 [И]. Результаты могут быть интерпретированы на основе
обычной модели спин-спинового взаимодействия, которая описы-
вается гамильтонианом =—2AS]S2 (J— константа пропорцио-
нальности и при обработке экспериментальных данных рассмат-
ривается как параметр). При значении /=—86 см-1 получено
прекрасное согласование с экспериментальной кривой (рис. 3.6).
В результате нескольких подобных исследований [11] стало
ясно, что для примерно линейной частицы Fe(III)—О—Fe(III)z
Электронное строение комплексов железа
141
Рис. 3.6. Зависимость магнитных моментов от температуры для модельных моно-
мерного и оксомостикового димерного комплексов Fe3+.
Рис. 3.7. Электронный спектр поглощения [Fe ОЭДТА)2О]2—.
характерна величина J, находящаяся в пределах — 95±10 см-1.
Для оксомостиковых димеров иона Fe(III) (и других ионов пере-
ходных металлов) характерно сильное поглощение в ИК-области
спектра при ~850 см-1, обусловленное антисимметричными коле-
баниями Fe—О—Fe [И, 12].
142
Глава 3
Электронный спектр [ (РеОЭДТА)2О]2- был изучен детально
[11]. Он имеет вид, типичный для октаэдрического высокоспино-
вого комплекса Fe3+. Этот спектр показан на рис. 3.7.
Первый результат, который следует отметить,-—это тот факт,
что интенсивности полос поля лигандов намного больше (ХЮ2),
чем в случае аналогичного мономера. Это повышение интенсив-
ности не представляет исключительного явления для систем со
спаренным спином и наблюдалось для многих солей Mn2+ (MnF2
[13] и KMnF3 [14]). Возможно, более интересный факт представ-
ляет появление ряда интенсивных полос в УФ-области между
25000 и 42 000 см-1. Эти полосы трудно отнести к индивидуаль-
ным центрам Fe3+, и поэтому их появление было истолковано как
одновременное возбуждение пары электронов (ОПЭ) [11]. Два
антиферромагнитно спаренных иона Fe34 в поле лигандов одно-
временно возбуждаются одним фотоном, так что энергия перехода
с хорошим приближением представляет сумму двух одноцентро-
вых энергий. Детальное отнесение электронного спектра
[(РеОЭДТА)2О]2~ дано в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Данные об электронном спектре
]епН2 [(РеОЭДТА)2О] [ -6Н2О [11]
Полоса '’макс- см^ Отнесение
а 11 200 «А —‘Л
ь 18 200 м,—‘Г2
с 21 000 «А —
d 24 400 6 А -— 1тй
е 29 200 (а 4-6) =29400
f 32 500 (а 4- с) = 32 200
g 36 800 (64-6) = зб 400
h 42 600 (6 4-d) = 42 600
4.2. Дигидроксомостиковые димеры
Дигидроксомостиковые димеры иона железа(III) также свя-
заны с химией этого иона в водных растворах. Они отражают
реакции гидролиза и полимеризации (или оляции), характерные
—н2о
[Fe(H20)5(OH)]2+
для «кислых» ионов металлов, например:
[Fe(HgO)ep+ Н+4-[Fe(H2O)6OH]2+
/0Н\
(HzO)4Fe Fe(H2O)4
\он/
акводимер
Электронное строение комплексов железа
143
Соли акводимера никогда не были выделены в кристалличе-
ском состоянии, но вывод о его существовании был сделан на
основе анализа данных титрования [15], появления полосы в
УФ-области при ~335 нм [16] и уменьшения парамагнетизма
[17]. Однако магнитные свойства акводимера не были объяснены
[18, 19].
Единственный хорошо обоснованный случай образования ди-
гидроксомостика Fe3+ — это желто-зеленое кристаллическое веще-
/0Н\
ство, по-видимому имеющее строение [(pic)2Fe<f yFe(pic)2]
\он/
[20] . Этот комплекс имеет пик УФ-поглощения при 342 нм и
проявляет слабые антиферромагнитные свойства (7=—8 см-1).
Был получен также ряд димерных комплексов Fe3+, содержащих
диалкоксимостики и проявляющих подобные свойства [21].
5. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ
ХЕЛАТОВ ЖЕЛЕЗА И РОДСТВЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ,
ПРЕДСТАВЛЯЮЩИХ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС
5.1. Димеры железопорфирина
Известно [22], что парамагнетизм гемина в щелочном раство-
ре (т. е. гидроксида гемина или продуктов его полимеризации)
восстанавливается. Возможно, с этим наблюдением связаны дан-
ные полярографических исследований [23] и исследований окис-
лительно-восстановительных потенциалов [24], которые указыва-
ют на то, что в щелочных растворах существует димерный геми-
новый продукт неопределенного строения. После того как были
получены рентгеноструктурные данные о строении [(phtcMn)2O]
(ршс=фталоцианат) [25], было предположено [18], что указан-
ные выше результаты магнитных измерений могли быть обуслов-
лены оксомостиковыми димерами железопорфирина. В связи с
результатами электрохимических исследований представляет ин-
терес тот факт, что с помощью метода быстрого установления
равновесия наблюдалось двухэлектронное восстановление
.[(РеОЭДТА)2О]2- (или [ (РеЭДТА)гО]4-), находящегося в ла-
бильном равновесии с аналогичным высокоспиновым мономером
[РеОЭДТА(ОН)]- (или .[РеЭДТА(ОН)]2-) [26].
Оксомостиковый железопорфирин был впервые синтезирован и
охарактеризован Когей и сотр. [27], которые установили строение
соединения [(диметиловый эфир дейтеропорфирина)Ре(Ш)]2О
на основе поглощения в ИК-области при 840 см-1 и данных по
определению молекулярной массы. Позже были опубликованы
данные [28], согласующиеся с этой формулой. Синтезирован так-
144
Глава 3
же [(тетрафенилпорфин) Fe(III)]2O и его строение установлено
рентгеноструктурным методом [29]. В противоположность родст-
венному высокоспиновому мономерному комплексу этот димер
антиферромагнитен. Определенный для димера угол Fe—О—Fe
168° и расстояние Fe—О 1,76 А близки к соответствующим вели-
чинам 165° и 1,79 А, найденным [30] для [(РеОЭДТА)2О]2-.
В УФ- и видимой области спектра порфириновых димеров до-
минируют интенсивные полосы, которые обычно рассматривают
как возникающие исключительно за счет интралигандного воз-
буждения или возбуждения переноса заряда. Трудно было наде-
яться установить местонахождение нормально слабых переходов
поля лигандов, локализованных на ионе железа. Однако, как об-
суждалось ранее, в [(РеОЭДТА)2О]2- и подобных соединениях
наблюдалось усиление полос поля лигандов примерно в 100 раз.
Возможно, что такое же или даже большее усиление может иметь
место в оксомостиковых железопорфириновых димерах. Кроме то-
го, можно ожидать, что такие димеры могут иметь в УФ-области
довольно интенсивные полосы, возникающие из переходов, связан-
ных с ОПЭ. По этим причинам мы полагаем, что необходимо по-
вторное исследование электронных спектров димерных железо-
порфиринов, причем особое внимание должно быть обращено на
характерные спектральные особенности структурных единиц Fe2O.
5.2. Гидроксиды железо(1И)гемопротеинов
Магнитные свойства гидроксидов железо(III)гемопротеинов и
железо(III)порфиринов сходны в том отношении, что обе группы
соединений обладают пониженным парамагнетизмом. Магнитные
свойства гидроксидов железо(III)гемопротеинов были детально
рассмотрены в важной статье Георга, Битлестоуна и Гриффитса
[31]. Они объяснили наблюденное магнитное поведение как тер-
мическое равновесие между высоко- и низкоспиновыми состояния-
ми Fe3+. Сущность этого объяснения заключается в том, что ОН-
вызывает большее расщепление поля лигандов, чем Н2О, так как
известно, что аквомономеры имеют высокоспиновое состояние.
Это любопытно с точки зрения того факта, что в простых неор-
ганических гидроксо- и акво-комплексах обычно наблюдается
обратный порядок расщепления поля лигандов (Н2О>ОН-) [1].
По стерическим соображениям образование оксомостиковых
железо(III) гемопротеиновых димеров в щелочном растворе не ка-
жется возможным. Структурные исследования показывают, что в
кристаллических метгемоглобине и метмиоглобине [32] частицы
железо(III)порфирина окружены белком. Следует, однако, заме-
тить, что в железо (III) гемоглобине обмен гемовой группы в рас-
творе происходит довольно быстро. Скорость обмена, который мо-
жет обусловливать диссоциацию железо (III) порфиринового бло-
Электронное строение комплексов железа
145
ка, увеличивается на 52% при повышении pH от 6,4 до 7,7 [33].
Таким образом, не кажется невозможным то, что при pH 10 бе-
лок может диссоциировать с отщеплением железо(III)порфирина
и последний может димеризоваться (величина рК для желе-
зо (III) гемопротеина находится в пределах 8,2—11,3 [31]). Об-
суждалась также возможность оксомостиковых структур в цито-
хром-с-оксидазе [34].
Полученный в работе [28] спектр соединения [(диметиловый
эфир дейтеропорфирина)Ре(Ш)]2О в видимой области проявляет
сильное сходство со спектрами железо(III)гемоглобина, желе-
зо (III) миоглобина и гидроксида железо(III)пероксидазы [31].
Учитывая этот факт и приведенное выше обсуждение, мы прихо-
дим к выводу, что необходимо дальнейшее выяснение связи между
магнитными свойствами и строением гидроксидов железо(III) ге-
мопротеинов в растворах.
5.3. Гемэритрин и проблема связывания кислорода
Прекрасный пример определения структуры металлопротеина
в основном с помощью спектроскопических и магнитных исследо-
ваний представляет система кислород-транспортного гемэритрина.
Клотц и сотр. (гл. 11) [35] провели обширное исследование белка
из сипункулид Golfingia gouldii. Этот белок имеет .молекулярную
массу около 108000 и состоит из восьми соединенных субъединиц,
каждая из которых содержит два атома железа, способных обра-
тимо присоединять одну молекулу кислорода. Магнитные измере-
ния [35] показали, что деоксигенированная форма белка содер-
жит высокоспиновое Fe(II). Электронный спектр поглощения этой
формы относительно понятен до 300 нм; в УФ-области появляется
пик около 280 нм, характерный для тирозина.
При окислении до мет[Ре(Ш)]-протеина появляется пик по-
глощения в видимой области. Каждая субъединица метпротеина
связывает такие лиганды, как CI-, Вг~ и N з, в комплекс 1:2с
Fe(III); положение пика в видимой области спектров поглощения
этих производных слегка различно [36]. Электронный спектр по-
глощения метхлорогемэритрина показан на рис. 3.8. Полосы при
668 и 500 нм могут быть отнесены к полосам поля лигандов в
^-комплексе Fe(III). Их умеренные интенсивности [36, 37] со-
гласуются с моделью, в которой два иона Fe(III) име-
ют спаренные спины в оксомостиковом димере типа
[Cl—Fe(III)—О—Fe(III)].
Полосы при 384 и 331 нм в метхлоропроизводном также мож-
но отнести к электронным переходам, включающим один или оба
иона Fe(III). Положения и интенсивности этих полос можно по-
нять, если отнести их к переходам, соответствующим одновремен-
ному возбуждению пары электронов в оксомостиковом димере.
10—2451
146
Глава 3
Возможно также их альтернативное отнесение к переходам пере-
носа заряда лиганд—>Fe(III). При длинах волн ниже 331 нм
поглощение тирозина увеличивается, и дополнительные пики, обус-
ловленные Fe(III), по-видимому, маскируются.
Электронный спектр поглощения оксигемэритрина показан на
рис. 3.9 [37]. Этот спектр проявляет близкое сходство со спектром
А, нм
метхлорогемэритрина, за исключением намного большей интен-
сивности полосы около 500 нм. Этот спектр можно рассматривать
как достаточное доказательство правильности предположения,
которое впервые высказал Клотц [38], что в окси-форме оба ато-
ма железа окислены до Fe(III), а Ог восстановлен до Боль-
шую интенсивность поглощения при 501 нм легко понять в этой
модели, так как подобную полосу поглощения наблюдали в комп-
лексе, образующемся при взаимодействии [Ре(Ш)ЭДТА]_ и Н2О2
в щелочном растворе [39]. Эта полоса предположительно может
быть отнесена к переходу переноса заряда —>Fe(III) или
НОО~—>Fe(III).
Электронное строение комплексов железа
147
Полосы при 370 и 317 нм в оксигемэритрине сходны с поло-
сами при 384 и 331 нм в метхлоропроизводном, и, по-видимому,
возможно их аналогичное отнесение.
Спектральные данные для метхлоро- и оксипротеинов показы-
вают, что в образовании структуры координационного центра
принимают участие димерные блоки Fe(III). Проведенные недав-
но исследования метакво- и оксигемэритринов с использованием
А, нм
магнетометрической установки с ультрачувствительным датчиком
(сверхпроводящее квантовомеханическое устройство) в основном
установили природу этих димерных блоков [40]. Данные о маг-
нитных моментах в интервале 2—200 К для окси-формы (рис. 3.10)
убедительно устанавливают антиферромагнитное поведение. Более
того, эти данные интерпретируются при допущении спаривания
спинов высокоспиновой (S=5/2) пары Fe(III) с 1=—77 см-1. Ве-
личина настолько близка к соответствующей величине для димера
[(РеОЭДТА^О]2-, что наличие оксомостиковой структуры Fe(III)
в гемэритрине кажется весьма вероятным. Данные о магнитных
моментах, приведенные на рис. 3.11, показывают, что метакво-
форма также находится в спин-спаренном антиферромагнитном
10*
148
Глава 3
состоянии. Величина J=—135 см-1 может означать, что блоки
Fe(III)—О—Fe(III) в этом случае имеют структуру, более близ-
кую к линейной.
Спектроскопические и магнитные данные почти не оставляют
сомнения в том, что связывание Ог гемэритрином происходит по
Температура, К
Рис. 3.10. Магнитные моменты оксигемэритрииа в интервале температур 2—
200 К-
Рис. 3.11. Магнитные моменты метаквогемэритрина в интервале температур
2—200 К.
механизму окислительного присоединения. Два электрона, необ-
ходимые для восстановления О2, предоставляются двумя ионами
Fe(II), которые находятся в соответствии с магнитными и спект-
ральными данными в продукте окислительного присоединения
[О2-—Fe(III)—О—Fe(III)] в виде антиферромагнитно спаренных
ионов Fe(III). Двухэлектронное восстановительное отщепление
О2 от этого блока завершает обратимый процесс.
Электронное строение комплексов железа
149-
Модель окислительного присоединения для обратимого связы-
вания Ог металлопротеинами была предложена также для гемо-
цианина [6]. Гемоцианин — это медьсодержащий белок, который
присоединяет одну молекулу О2 на каждые два атома меди
(гл. 12). Деокси-Cu(I)-форма заметно не поглощает в видимой
области. При оксигенировании белок приобретает голубую окрас-
ку, а его спектр в видимой области имеет большое число полос,
расположенных при 700 (е75), 570 (е500), 440 (е 65) и 347 нм
(е 8900) [41]. Наличие полос около 570 нм почти не оставляет
сомнений в том, что оксигемоцианин содержит Си (II). Повышен-
ная интенсивность полос поля лигандов указывает на наличие в.
нем димерного комплекса Си(II) [6]. Таким образом, спектраль-
ные данные для оксигемоцианина полностью согласуются с мо-
делью связывания О2 по механизму окислительного присоедине-
ния типа гемэритрина. Для распространения этих представлений
на оксигемоглобин необходимо предположить структуру семикрат-
но координированного Fe(IV). Обсуждение этой структуры и дру-
гих моделей связывания молекулярного кислорода в гемоглобине
приведено в других работах [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lever А. В. Р., Inorganic Electronic Spectroscopy, Elsevier, New York, 1968;
Sutton D., Electronic Spectra of Transition Metal Compounds, McGraw-Hill,.
New York, 1968; Schlafer H. L., Gliemann G., Basic Principles of Ligand Field
Theory, Wiley-Interscience, New York, 1969.
2. Earnshaw A., Introduction to Magnetochemistry, Academic Press, New York,.
1968; Figgis B. N., Lewis J., in H. B. Jonassen, A. Weissberger (eds.), Techni-
ques of Inorganic Chemistry, Vol. 4, Interscience, New York, 1965, pp. 137—
248.
3. Wertheim G. K„ Mossbauer Effect: Principles and Applications, Academic Press,.
New York, 1964; Herber R. H., in F. A. Cotton (ed.), Progress in Inorganic
Chemistry, Vol. 8, Interscience, New York, 1967, pp. 1—41 and references the-
rein.
4. Gray H. B„ Beach N. A., J. Am. Chem. Soc., 85, 2922 (1963).
5. Rossman G. R., Ph. D. Thesis, California Institute of Technology, 1971.
6. Gray H. B„ Adv. Chem. Ser., 100, 365 (1971).
7. Renovitch G. A., Baker W. A., Jr., J. Am. Chem. Soc., 90, 3585 (1968).
8. Alexander I. I., Gray H. B„ J. Am. Chem. Soc., 90, 4260 (1968).
9. Jorgensen С. K., Absorption Spectra and Chemical Bonding, Addison-Wesley,
Reading, Mass., 1962.
10. Gutterman D. F., Ph. D. Thesis, Columbia University, 1969.
11. Schugar H. I., Rossman G. R., Barraclough C. G., Gray H. B., J. Am. Chem.
Soc., 94, 2683 (1972) and references therein.
12. Wing R. M., Callahan К. P., Inorg. Chem., 8, 871 (1969).
13. Lohr L. L., McClure D. S., J. Chem. Phys., 49, 3516 (1968).
14. Ferguson I., Guggenheim H. I., Tanabe Y., J. Phys. Soc. Japan, 21, 692'
(1966).
15. Hedstrom В. O. A., Arkiv. Kemi, 6, 1 (1953).
16. Milburn R. M„ Vosburgh W. C., J. Am. Chem. Soc., 77, 1352 (1955).
17. Mulay L. N., Seiwood P. W., J. Am. Chem. Soc., 77, 2693 (1955).
150
Глава 3
18. Schugar Н. J., Walling C., Jones R. B„ Gray H. B., J. Am. Chem. Soc., 89, 3712
(1967).
19. Mathe J., Bakk-Mathe E., Revue Roumaine de Chemie, 11, 225 (1966).
20. Schugar H. J., Rossman G. R., Gray H. B., J. Am. Chem. Soc., 91, 4564 (1969).
21. Wu G.-H., Rossman G. R., Gray H. B., Hammond G. S., Schugar H. J., J. Am.
Chem. Soc., 11, 990 (1972).
22. Rawlinson W. A., Scutt P. B., Aust. J. Sci. Res., A5, 173 (1952).
23. Jordan J., Bednarski T. M„ J. Am. Chem. Soc., 86, 5690 (1964).
24. Shack J.. Clark W. №.. J. Biol. Chem., 171, 143 (1947).
25. Vogt L. H., Jr., Zalkin A., Templeton D. H., Inorg. Chem., 6, 1725 (1967).
26. Schugar H. J., Hubbard A. T., Anson F. C., Gray H. B., J. Am. Chem. Soc., 91,
71 (1969).
27. Sadasivan N., Eberspaecher H. 1., Fuchsman W. H., Caughey W. S„ Bioche-
mistry, 8, 534 (1969).
28. Cohen I. A., J. Am. Chem. Soc., 91, 1980 (1969).
29. Fleischer E. B., Srivastava T. S., J. Am. Chem. Soc., 91, 2403 (1969).
30. Lippard S. J., Schugar H. J., Walling C., Inorg. Chem., 6, 1825 (1967).
31. George P., Beetlestone J., Griffith J. S., Rev. Mod. Phys., 36, 441 (1964).
32. Dickerson R. E., Geis I., The Structure and Action of Proteins, Harper and Row,
New York, 1969.
33. Bunn H. F., Jandl J. H., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 56, 974 (1966).
34. Caughey W. S„ Adv. Chem. Ser., 100, 248 (1971).
35. Okamura M. Y„ Klotz I. M., Johnson С. E., Winter M. R. C., Williams R. J. P.,
Biochemistry, 8, 1951 (1969); and references therein.
36. Garbett K, Darnall D. W., Klotz I. M., Williams R. J. P., Arch. Biochem. Bio-
phys., 103, 419 (1969).
37. Simon S., Grube B., Rossman G. R., Gray H. B., unpublished data.
38. Klotz I. M., Klotz T. A., Fiess H. A., Arch. Biochem. Biophys., 68, 284 (1957).
39. Walling C., Kurz M., Schugar H. J., Inorg. Chem., 9, 931 (1970).
40. Dawson J. W., Gray H. B., Hoenig H. E., Rossman G. R„ Schredder J. M.,
Wang R.-H., Biochemistry, 11, 461 (1972).
41. Van Holde К- E., Biochemistry, 6, 93 (1967).
ЧАСТЬ П
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ
С АМИНОКИСЛОТАМИ, ПЕПТИДАМИ
И РОДСТВЕННЫМИ ИМ ПРИРОДНЫМИ
ХЕЛА ТИРУЮЩИМИ АГЕНТАМИ
И БЕЛКАМИ
ГЛАВА 4
КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ
С АМИНОКИСЛОТАМИ И ПЕПТИДАМИ *
Ганс К. Фриман
Freeman Hans С., School of Chemistry, University of Sydney,
Sydney 2006, Australia
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами в течение
многих лет служили химикам, занимающимся изучением комп-
лексных соединений, и биохимикам благодатным материалом в их
исследованиях. Твердые производные Cu(II) и Pt(II) с аланином
были выделены Стрекером в 1850 г. [1], а еще раньше темно-
красное окрашивание, возникающее в присутствии солей Си(II)
и щелочи, было использовано Видеманом (1847 г.) для того, что-
бы охарактеризовать только что открытое соединение биурет [2].
Упариванием раствора Видеман получил кристаллический, но не-
чистый продукт; при этом он отметил, что необходимо использо-
вать избыток биурета для возникновения цветной реакции, если
в качестве щелочи использовался гидроксид аммония. Прошло
более ста лет, прежде чем структура этих кристаллов была уста-
новлена методом дифракции рентгеновских лучей, и почти столько
* Сокращения, используемые в этой главе: HL* или HL — аминокислота или
пептид в форме цвиттер-иона, например: HGly — глицин +Ь1НзСН2СОО_; HSar —
N-метилглицин, саркозин; НА1а — аланин; HAsp — аспарагиновая кислота;
HCys — цистеин; HGlu — глутаминовая кислота; HHis — гистидин; HMet—ме-
тионин; HNle — норлейцин; HSer — серин; НТуг — тирозин; H(Gly-Gly)—глицил-
глицин +NH3CH2CONHCH2COO_. LH — нейтральная форма аминокислоты или
пептида, например: GlyH — глицин NH2CH2COOH; Gly-GlyH — глицилглицин
NH2CH2CONHCH2COOH; BiuH2 — биурет NH2CONHCONH2; ImH — имидазол
C3N2H4. Символы M(II) и M2+ используются, чтобы показать, что металл нахо-
дится в степени окисления II, и для ионных частиц М2+ соответственно. К\, Кг,
Кз — ступенчатые константы образования комплексных частиц ML<"-1>+, ML£n—2>+t
ML(«—3)+, где свободный ион металла=Мп+. PPgr= [M.pHgL^”₽+‘7—r,+ ]/[Мп+]р"
•[H+]«[L_]r — общая константа устойчивости частиц MpHgL{.n₽+9—
1152
Глава 4
же времени ушло на то, чтобы современная координационная хи-
мия объяснила равновесие между ионами [Cu(Biu)2]2~ и
[Cu(NH3)4]2+ и причины красной окраски первого и голубой
второго.
После этих первых открытий взаимодействие металлов с ами-
нокислотами и пептидами стало привлекать внимание как явле-
ние, связанное с координацией, как модель реакций металлов с
• белками и как модель биологических систем, в которых свойства
белка модифицированы присоединенными к нему атомами метал-
лов. Первый обзор литературы по этому вопросу был сделан Гур-
дом и Уилкоксом в 1956 г. [3], а исчерпывающее описание ос-
новных химических свойств вплоть до 1957 г. дано Гринштейном
и Виницем [4]. Интересные примеры комплексов металлов с ами-
нокислотами и пептидами как лигандами встречаются повсемест-
но в книгах Мартелла и Калвина [5] и Накамото и МакКарти
«Спектроскопия и структура хелатных соединений металлов» [6].
В последующих обзорах особое внимание уделено таким вопро-
сам, как стереоселективность и реакционная способность [7],
спектроскопическое поведение меди в комплексах с пептидами и
белками [8], анализ кристаллической структуры [9] и роль мо-
дельных соединений для понимания активности ферментов [10].
Исчерпывающий обзор новейшей литературы вплоть до конца
1968 г. дан Гиллардом и Лаури [11] в первой периодической се-
рии специальных сообщений.
В данной главе на примере взаимодействия с небольшим чис-
лом ионов металлов рассматриваются основные группы атомов
в аминокислотах и пептидах, потенциально способные к связыва-
нию металла. Прежде чем обсуждать эти взаимодействия, отме-
тим, что связывание металла функциональными группами белка
может отличаться от связывания металла такими же группами в
малых пептидах двумя важными особенностями.
Во-первых, функциональные группы, которые связывают атомы
металлов в белках, могут быть сближены в третичной структуре
белка, а в цепи белка разделены несколькими аминокислотными
остатками. Такие функциональные группы действуют сравнитель-
но независимо одна от другой. Каждая подчиняется геометриче-
ским требованиям, налагаемым цепью белка, находящейся в не-
посредственной близости к ней, и вследствие контакта с другими
функциональными группами координируется к тому же атому
металла. Эти ограничения входят в число свойств, которые мы
хотели бы изучить, но их трудно воспроизвести в малых модельных
соединениях именно потому, что лиганды являются малыми моле-
кулами. Даже в самой простой аминокислоте, глицине, расстояние
между концевыми NH2- и СОО~-группами составляет всего не-
сколько ангстрем, а в самом простом пептиде, глицилглицине, кро-
ме этих двух концевых, есть еще пептидная СО—NH-группа. Вся-
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
153;
кий раз, когда полифункциональный лиганд действует полидентат-
но, одна молекула его замещает две или большее число молекул
воды или другого монодентатного лиганда из окружения иона
металла. Образующийся хелатный комплекс имеет дополнитель-
ную термодинамическую устойчивость вследствие того, что энтро-
пия (мера неупорядоченности) системы увеличилась*. «Хелатный
эффект» объясняет, почему существует лишь небольшое число
комплексов, в которых аминокислоты или пептиды действуют как
монодентатные или нехелатирующие лиганды. Следовательно,
рискованно переносить безоговорочно закономерности взаимодей-
ствия металлов с пептидами на взаимодействие металлов с бел-
ками, так как связь металла с донорным атомом, которая неустой-
чива, может стабилизироваться, если ее образование приводит к
замыканию пяти- или шестичленного кольца.
Во-вторых, все больше появляется доказательств того, что ак-
тивные центры ферментов, в том числе и металлоферментов, на-
ходятся в полостях или карманах белковой структуры, которые
выстланы главным образом неполярными боковыми цепями амино-
кислот и моделируют, таким образом, неводные растворы. Сле-
довательно, связывание металла таким активным центром или
вблизи него по сути осуществляется в неводных растворах, ди-
электрические проницаемости которых должны отличаться от ди-
электрических проницаемостей водных растворов электролитов, в
которых было исследовано большинство комплексов металлов с
пептидами. В то время как взаимодействие металлов с пептидами
в водных растворах может адекватно представлять условия на
поверхности раздела между белком и окружающей средой, оно1
не может быть хорошей моделью того, что происходит внутри бел-
ковой молекулы.
Значительная доля сведений о местах связывания аминокислот
получена анализом кристаллической структуры. Но это не значит,
что каждое взаимодействие, которое обнаружено в данной кон-
кретной структуре, сохраняется при растворении комплекса**.
По-видимому, некоторые межмолекулярные взаимодействия не со-
храняются, в противном случае не происходило бы растворения.
Нельзя также утверждать, что взаимодействие, которое не под-
тверждено анализом кристаллической структуры, не может иметь
место в растворе. Однако неточности, связанные с тем, что дан-
ным о кристаллической структуре придается слишком большое
значение, не больше, чем опасность, возникающая от попыток де-
лать выводы о структуре на основании данных, полученных с по-
* При образовании хелата происходит также дополнительное уменьшение
энтальпии (экзо-эффект), что существенно влияет на стабильность хелата (гл. 2,
разд. 2.2.2). — Прим. ред.
** Последние исследования американских ученых подтвердили это важное
предположение. — Прим. ред.
154
Глава 4
мощью приборов, которые не прямо измеряют структурные свой-
ства. По крайней мере можно быть уверенным, что любая комп-
лексная частица, существование которой подтверждено анализом
кристаллической структуры, была в растворе, из которого выпали
кристаллы. Эти частицы могли быть не единственными в растворе
и даже не преобладающими, но невероятно, чтобы новые комплек-
сы возникали как артефакт процесса кристаллизации. Наиболее
целесообразно использовать все увеличивающееся число структур-
ных данных для построения и проверки модели процессов или
свойств, обнаруженных другими методами.
1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ АМИНОКИСЛОТ
И ПЕПТИДОВ КАК МЕТАЛЛСВЯЗЫВАЮЩИЕ ЦЕНТРЫ
Участие данной функциональной группы в связывании металла
зависит от двух факторов, а именно: насколько успешно эта функ-
циональная группа конкурирует с другими соседними и насколько
успешно ионы металла конкурируют с протонами за потенциаль-
но донорные атомы. Часть ответа на первый вопрос можно полу-
чить из анализа констант диссоциации функциональных групп.
Чем ниже значение р/Са., тем больше способность донорного атома
к образованию связи металл—лиганд. В соответствии с этим
тенденция к связыванию металла будет изменяться в следую-
щем порядке: карбоксил > имидазол> аминогруппа (рКсоон —1.8.
pKimn2 — 6,5, pKNH3+ —9,0). Однако было бы рискованно исполь-
зовать один только этот критерий, так как порядок значений рК
может быть иным, чем порядок изменения энтальпии при комп-
лексообразовании, которая является мерой относительной термо-
динамической устойчивости связей металл—лиганд и протон—ли-
ганд. И наконец (как уже отмечалось), связи с низкой энталь-
пией образования могут тем не менее стабилизироваться благо-
приятными энтропийными факторами.
1.1. Концевые аминогруппы
Несмотря на высокие значения рКо, концевые аминогруппы —
наиболее обычные места связывания металла. Координации спо-
собствуют, во-первых, сильный электронодонорный (основный) ха-
рактер атомов азота аминогрупп, во-вторых, относительно силь-
ное влияние поля лигандов аминного атома азота в комплексах
переходных металлов и, в-третьих, тот факт, что атомы кислорода
карбоксильной или пептидной группы, способные образовывать
хелатное кольцо, никогда не бывают разделены более чем тремя
или четырьмя атомами. Единственное геометрическое требование
состоит в том, чтобы угол М—N(амино)—Са был почти тетра-
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
155
эдрическим (109+1° в а-аминокислотах, 110+0.4° в пептидах и
113±2° в р-аминокислотах).
Хелатообразование по концевым аминогруппам найдено в кри-
сталлических структурах всех комплексов, в которых аминокисло-
ты или пептиды действуют как бидентатные или еще более высо-
кодентатные лиганды. Типичными примерами являются Zn(Gly)2-
•Н2О (I) и Zn(Gly-Gly)2-H2O (II) [12, 13].
П
Для ряда комплексов переходных металлов с аминокислотами и
пептидами термодинамические функции реакций комплексообра-
зования M2+-f-L-^ML+ и ML++L_4±ML2 определены из темпера-
турных градиентов констант равновесия [14—16] и из калори-
метрических измерений [15, 17—19]. Наиболее значительные от-
рицательные вклады в энтальпию хелатообразования дает обра-
зование связей металл — атом азота аминогруппы [14, 15]. Изме-
нение энтальпии при связывании металла с карбоксильным
атомом кислорода фактически не благоприятствует реакции [15],
и хелатообразование всецело обусловлено увеличением энтропии в
результате освобождения акво-лигандов и взаимной нейтрализа-
ции зарядов металла и карбоксильной группы.
Координация через концевые аминогруппы без образования хе-
латных колец обнаруживается гораздо реже. Ag(I) —один из ме-
156
Глава 4
таллов, с которым комплексообразование происходит по такому
типу. Его электронная конфигурация d10 и геометрия координаци-
онного полиэдра является линейной или тетраэдрической. Замы-
кание пяти- или шестичленных хелатных колец с образованием
линейного комплекса невозможно, а тетраэдрического комплекса
затруднено, поэтому координация Ag(I) с полидентатными ли-
гандами приводит к образованию либо полиядерных комплексов,
либо таких комплексов, у которых не все функциональные группы
участвуют в связывании металла. Образование комплексов пер-
вого типа подтверждается кристаллической структурой комплекса
Ag(Gly), который состоит из бесконечной цепи звеньев
—Ag—NH2CH2COO—Ag—NH2CH2COO— (III) [20]. Этот комп-
лекс кристаллизуется также в форме [Ag(Gly)] -‘/гНгО, в котором
чередующиеся атомы серебра связаны с двумя атомами азота
аминогрупп и двумя атомами кислорода карбоксильных групп
соответственно (IV) [20]. В обеих структурах лиганды должны
быть бидентатными, так как на один атом серебра приходится
только одна молекула лиганда.
о—
О—Ag—NH2
CH2-C.
/
CH2-C.
/ о
- Ag-NH2
—Ag—ЫН2
сн2-с
/ X
о
О—Ag—О
' \
C-CH2
//
о
NH2—Ag—NH2—
H
H
О
III
IV
Известно, что связи Ag—OH2 очень слабые, так что молекулы
НгО не могут вытеснить амино- или карбоксильные группы, чтобы
таким образом выполнялось требование связывания атома Ag, по
крайней мере с двумя донорными атомами. В водных растворах
и твердых комплексах с соотношением металл — лиганд 1 :2 име-
ется больше донорных атомов, чем необходимо, поэтому образую-
щиеся связи должны иметь наибольшую энтальпию образования.
Величины энтальпии образования неизвестны, но для аминокислот
с боковой цепью, не содержащей функциональных групп, констан-
ты устойчивости, соответствующие образованию комплексов AgL
и [AgL2]_ (lg₽ioi = 3,5—4,0; lgPio2 = 6,5—7,5 [21—23]), аналогич-
ны константам устойчивости комплексов Ag — аммин и увеличи-
ваются в таком же порядке, как константы кислотной диссоциации
ATnhs аминокислотных лигандов. Отсюда заключили, что серебро
связывается только атомом азота аминогрупп [23, 24]. К анало-
гичным выводам пришли в результате исследования ИК-спектров
твердых комплексов Li[Ag(Nle)2]. В комплексе асимметричная
полоса поглощения карбоксильной группы остается неизменной по
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
157
сравнению с полосой поглощения свободного норлейцина (HNle),
что дает основание предположить, что карбоксильная группа сво-
бодна [25] (хотя аргументы такого типа можно подвергнуть кри-
тике, если отсутствуют наблюдения за частотами валентных коле-
баний связей металл — лиганд [26]).
Pt(II) — другой металл, к которому аминокислоты часто коор-
динируются только через атомы азота аминогруппы. Комплексы
[Pt(Gly)4]2- (V), [Pt(GIy)3]~ (VI), [Pt(GlyH)2Cl2] (VII) и
[Pt(GlyH)2(NH3)2]2+ (VIII) охарактеризованы либо только пре-
паративно [27—29], либо по величинам контактных сдвигов сиг-
налов протонов в спектрах ПМР [30]. Монодентатная координа-
ция в этих комплексах объясняется тем, что донорами являются
атомы азота, которые, находясь близко к концу спектрохимиче-
OOCCH2NH2 /Nh2ch2COO-
'OOCCH2NH2 xnh2ch2coo
V
[Pt(Gly)4p-
Ck >NH2CH2COOH
С1/ \nh2ch2cooh
VII
[Pt(GlyH)2Cl2]
H2C—NHa^ /NH2CH2COO~
O=C-----о/ \nh2ch2coo~
VI
[Pt(Gly)3]~
H3N. /NH2CH2COOH
\pt/
HsN-/ \nh2CH2COOH
VIII
[Pt(GlyH)2(NH3)2]2+
ского ряда (источники сильного поля), вызывают значительную
стабилизацию кристаллическим полем квадратно-плоскостных
комплексов Pt(II) [т. е. энтальпия связывания возрастает за счет
энергии стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) конфигу-
рации d8]. Этот эффект настолько выражен, что атомы азота ами-
ногрупп могут связывать Pt(II) даже тогда, когда карбоксильные
группы молекул лиганда протонированы, как в VII и VIII, в ре-
зультате чего порядок, выведенный на основании значений рКа,
становится обратным.
1.2. Концевые и находящиеся в боковых цепях
карбоксильные группы
Уже отмечена способность карбоксильных групп участвовать
в образовании хелатных колец. С металлами, имеющими подхо-
дящую «координационную геометрию», способность карбоксиль-
ных групп участвовать в хелатообразовании зависит от присут-
ствия второго донорного атома в подходящем месте для замыка-
ния пяти- или шестичленного кольца. Это условие выполняется в
а- и р-аминокислотах, так как они имеют концевую аминогруппу,
и этим объясняется хелатная структура большинства аминокис-
лотных комплексов. В пептидах, за исключением особых случаев
158
Глава 4
(разд. 4.7), концевая карбоксильная группа неблагоприятно рас-
положена по отношению ко второй координирующейся группе,
если только это не концевая СОО-группа гистидина. Следова-
тельно, взаимодействие металлов с атомами кислорода карбок-
сильных групп в пептидах должно протекать без хелатообразова-
ния или вовсе отсутствовать. Кроме того, при тех значениях pH,
при которых аминокислоты и пептиды находятся в форме цвиттер-
ионов +NH3CHR (CONHCHR)nCOO- (и при которых такая основ-
ная группа боковой цепи, как имидазол, протонирована), отри-
цательно заряженная карбоксильная группа является почти един-
ственной группой, которая может непосредственно связываться с
металлом. В этих условиях наиболее вероятно образование связи
металл — карбоксил для тех ионов металлов, на которые не влия-
ет ЭСКП. Ионы металлов, которые образуют прочные ковалент-
ные связи с сильными донорами электронов, а также те, которые
имеют большие значения ЭСКП в присутствии лигандов сильного
поля, могут успешно конкурировать с протонами за неподелен-
ную пару электронов атома азота концевой аминогруппы, как мы
видели это на примере комплексов Pt(II) (формулы VII и VIII).
Экспериментальным доказательством монодентатной координа-
ции через атомы кислорода карбоксильных групп служат кон-
тактные сдвиги в спектрах ПМР растворов гистидинового комп-
лекса Со(II) (растворы в D2O при низких значениях pD) [31],
а также частоты валентных колебаний карбоксильных групп в
ИК-спектрах комплексов 1 : 1 D.L-аланина и ь-гистидина с эле-
ментами первого переходного ряда [32]. Кроме того, взаимодейст-
вие металлов с атомами кислорода карбоксильных групп без хе-
латообразования было обнаружено для ряда комплексов, имеющих
кристаллическую структуру и выделенных при низких значениях
pH. Можно было бы подумать, что между положительно заряжен-
ными ионами металла и отрицательно заряженными карбоксиль-
ными атомами кислорода образуется простая связь, в которой
доли ковалентного и ионного вкладов зависят от электроотрица-
тельности металла. Однако такое предположение было бы слиш-
ком оптимистичным. На рис. 4.1 показаны пять типов взаимодей-
ствий металлов с атомами кислорода карбоксильной группы, ко-
торые можно обнаружить в кристаллической структуре комплек-
сов аминокислот и пептидов. При взаимодействии по типу а один
атом металла связывается с одним карбоксильным атомом кис-
лорода. При взаимодействии по типу б «свободный» карбоксиль-
ный атом кислорода связывается, но не так сильно со вторым ато-
мом металла. В форме в карбоксильная группа более или менее
одинаково связывает два атома металла, при этом она сама ста-
новится симметричным мостиком между ними. (Различия в ИК-
спектрах дают возможность дальше подразделить типы б и в в
соответствии с расположением относительно связей металл — кис-
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
159
лород на анти,анти, син,анти или син,син [33].) В формах гид
карбоксильная группа ведет себя как бидентатный лиганд, обра-
зуя несимметричное четырехчленное хелатное кольцо типа г или
симметричное кольцо типа д.
Тип а. Самый простой тип монодентатной координации через
карбоксильную группу был обнаружен только в одной структуре
М м
О 6Ч о р
чс- tc- /С- <2 .jc-
/ / м-о о
I I I
м м м
а б в г д
Рис. 4.1. Типы взаимодействий металл—карбоксильный кислород.
[Fe(HGly)SO4]-5Н2О [34]. Более точная формула этого комплек-
са [Fe(H2O)6] [Fe(HGly)2(H2O)4] (SO4)2. В октаэдрических ионах
[Fe(HGly)2(H2O)4]2+ молекулы глицина расположены в транс-
положении одна к другой и каждая связана с металлом только
одним карбоксильным атомом кислорода (IX).
I Г>онг iH?
/ о Fe - С> сн
Тип в*. Взаимодействие ионов Ag+ с аминокислотами и пепти-
дами при низких значениях pH приводит к образованию таких
комплексов, как Ag(HGly)NO3 (X) и Ag(HGly-Gly)NO3 (XI)
[20, 35]. Атомы серебра координируются приблизительно линейно
с спщспн-конфигурацией относительно карбоксильной группы.
Такой же тип взаимодействия металла с карбоксильным
кислородом, но с анти, анга-конфигурацией обнаружен в
[Nd(HGly)3(H2O)2]Cl3-H2O (XII) [36]. Большие атомы Nd(III)
имеют координационное число 8. Шесть координационных мест
заняты карбоксильными атомами кислорода, принадлежащими
шести различным молекулам глицина. Соседние атомы Nd(III)
в кристалле связаны тремя мостиковыми карбоксильными груп-
пами из трех молекул глицина, каждая из которых координиру-
ется по типу в.
Координация по типу б автором не рассматривается. — Прим. ред.
160
Глава 4
О—Ай— Q КНэ
сн2-с^ ,7С-СНз
NH3 О——°
О— Ag—О /NH~C\
♦nh3-ch2 сн2-с^ |с-сн2 ch2-nh3+
C-NH О—Ag—О
XI
Тип г. Несимметричные четырехчленные хелатные кольца со
связями металл — карбоксил встречаются в комплексах, в которых
либо невозможно, либо энергетически невыгодно образование хе-
лата с участием карбоксила и второй функциональной группы.
Именно такое взаимодействие обнаружено в кристаллической
структуре комплексов, в которых атомы Си (II) и Zn(II) связаны
с концевыми карбоксильными группами пептидов или находящи-
мися в боковых цепях карбоксильными группами остатков глут-
аминовой кислоты. Например, в (Zn(Gly-Gly-Gly)] (SO4)i/2-4Н2О
(XIII) ,[37] молекула пептида связывает один атом Zn концом,
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
161
содержащим аминогруппу, а другой — концом с карбоксильной
группой. Комплексы образуют бесконечные цепи. Каждый атом
Zn координирует одну молекулу пептида через концевую амино-
группу и первый пептидный атом кислорода, а другую — через
оба кислородных атома его карбоксильной группы. В комплексе
Zn(H-iGly)-2Н2О (XIV) [38] обнаружены три различных типа
взаимодействия Zn—О (карбоксильный): одна связь Zn—©(карб-
оксильный) находится в нормальном аминокислотном хелатном
кольце, вторая связь образуется со «свободным» кислородом карб-
хш
оксильной группы в соседнем хелатном кольце (тип в), а третья
и четвертая связи являются частью несимметричного хелатного
кольца с карбоксильной группой в боковой цепи третьего амино-
кислотного лиганда (тип г). В октаэдрических комплексах коор-
динация по такому типу приводит к искажению правильной гео-
метрии, так как менее прочно связанный карбоксильный кислород
неизбежно занимает «неправильное» координационное положение
по отношению к металлу. Замена двух монодентатных лигандов
одной карбоксильной группой, по-видимому, компенсирует пони-
женную энтальпию образования, обусловленную менее благопри-
ятной геометрией связывания.
Тип д. Четырехчленное хелатное кольцо с примерно равными
расстояниями металл — карбоксильный кислород встречается в
кристалле [Ca(HGly-Gly-Gly) (Н2О)2]С12-Н2О (XV) [39]. Один из
карбоксильных атомов кислорода находится в контакте со вторым
ионом кальция. Ион Са(П) имеет координационное число 7.
Кроме трех связей Са—О (карбоксильный), образуются две связи
11—2451
162
Глава 4
Са—О (пептидный) и две связи Са—ОН2. В этих взаимодействиях
участвуют четыре различные молекулы пептида и, наоборот, каж-
дая молекула пептида связывает четыре различных иона Са(П).
Хелатные кольца (типы а, б и в). Взаимодействия металл —
карбоксильный кислород, обнаруженные в хелатных кольцах,
представлены типами а, б и в на рис. 4.1. В хелатное кольцо
включен только один атом кислорода карбоксильной группы, вто-
рой карбоксильный кислород остается свободным и может обра-
зовывать водородные связи или связываться со вторым атомом
металла в соседнем комплексе (см., например, I). Взаимодействия
по типу бив часто встречаются в кристаллических структурах,
что дает основания предположить, что они также могут быть при-
чиной образования димерных и полимерных комплексов в рас-
творах.
Относительные порядки двух связей С—О в карбоксильной
группе можно получить из длин связей при условии, что они
определены с достаточной точностью. Значения длин связей обыч-
но лежат в интервале 1,25—1,30 и 1,22—1,27 А соответственно.
В пятичленном хелатном кольце угол М—О (карбоксильный)—С
всегда близок к 114°, а в шестичленном хелатном кольце обычно
составляет 123—126°. Нет никакого правила, в соответствии с ко-
торым атом металла должен находиться в плоскости карбоксиль-
ной группы; тем не менее отклонения редко бывают больше 0,5 А
в пятичленном кольце и 0,8 А в шестичленном кольце. В тех
случаях, когда есть вторая связь карбоксильный кислород — ме-
талл, ее направление относительно карбоксильной группы опреде-
ляется относительным положением соседнего комплекса. Для
угла М—О (карбоксильный)—С при втором атоме кислорода карб-
оксильной группы получены величины угла от 113 до 125° [9].
1.3. Пептидные группы
Хорошо известно, что пептидные группы в первом приближении
должны оставаться плоскими для того, чтобы сохранялся резонанс
между каноническими формами:
Пептидный кислород обладает слабыми основными свойствами.
Связывание металла с ним слабое, и если оно происходит, то
стабилизируется близостью хелатного кольца к соседней концевой
аминогруппе. Пептидный азот связывает металл только тогда,
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
163
когда процесс сопровождается диссоциацией пептидного протона
[40]. В противном случае связывание металла с пептидным азо-
том подразумевает образование четвертой связи с изменением
тригональной гибридизации sp2 в тетраэдрическую sp3 и потерю
резонанса пептидной группы. Еще до того, как было установлено
это правило, были предложены структурные формулы, показы-
вающие связывание металла атомами азота протонированных
пептидных групп. Однако в свете изложенного все эти формулы
должны быть пересмотрены.
1.4. Атомы кислорода пептидных групп
Строго говоря, имеются только два комплекса, в которых пу-
тем анализа кристаллической структуры доказано отсутствие хе-
латообразования при взаимодействии ионов металлов с пептидны-
ми атомами кислорода. Первый —2 (HCys-Gly)-Nal {или
Na (HCys-Gly) 21], в котором ион Na+ удален на 2,23 А от каждого
XV
из двух карбоксильных атомов кислорода [41]. Второй—
{Ca(HGly-Gly-Gly) (Н2О)2]С12-Н2О (XV), который мы уже опи-
сали при объяснении связывания металлов с атомами кислорода
карбоксильных групп (разд. 4.2, тип д). В этом комплексе имеют-
ся две связи Са—О (пептидный) на молекулу пептида [39]. Пеп-
тидный лиганд имеет необычную конформацию, и сообщенное для
этого комплекса значение угла N—Са—С' в центральном остатке
глицина (120°) гораздо больше, чем среднее значение в других
пептидах (111°).
Отсутствие данных о структуре ощущается менее остро для
комплексов, в которых лигандами являются не пептиды, а «пепти-
доподобные» соединения. Биурет ведет себя как монодентатный
И*
164
Глава 4
лиганд в комплексах Co(BiuH2)2Cl2 и Hg(BiuH2)2Cl2 [42]. В обе-
их структурах молекулы биурета образуют по одной связи ме-
талл — амидный кислород. Атомы металла соединены в беско-
нечные цепи металл—С12—металл мостиками из двух атомов
хлора, которые дополняют октаэдрическую координацию. Форм-
амидный комплекс Cd(HCONH2)2Cl2 имеет аналогичную структу-
ру [43]. В N-метилацетамидном комплексе Li(CH3CONHCH3)Cl
все амидные связи С = О обращены к ионам Li+, а все
амидные связи N—Н направлены к ионам С1~ [44].
В Na(CH3CONHCH3)2Br амидные атомы кислорода молекул ди-
ацетамида отстоят на 2,3 А от ионов Na+ [45].
Взаимодействие пептидных групп с ионами щелочных и ще-
лочноземельных металлов, по-видимому, имеет в значительной
степени ионный характер, но получены доказательства того, что
это взаимодействие сохраняется и в растворе. Химические сдвиги
протонов в спектрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ука-
зывают на то, что взаимодействие металл — амидный кислород
аналогично тому, которое описано для структур, существующих
в растворах N-метилацетамида и ионов Al3+, Th4,4-, Mg2+ и Li+;
в таком же порядке уменьшаются длины связей металл—-лиганд
[46, 47]. Не будучи специфическим свойством отдельных связей,
взаимодействия металл-—карбоксильный кислород и металл—
пептидный кислород доказываются также тем фактом, что раство-
римость аминокислот и пептидов в воде изменяется в присутствии
галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов [48]. На-
пример, [Ca(HGly-GIy-Gly) (Н2О)2]С12-Н2О (XV)—это только
один из ряда стехиометрических комплексов, которые образуют с
аминокислотами и пептидами хлориды, бромиды и иодиды Са(П),
Sr(II) и Ва(П). Для всех выделенных комплексов найдено, что
растворимость пептида в растворе соли больше, чем в чистой воде
[48]. Дополнительным доказательством взаимодействия кальция
с пептидом в растворе служит наблюдение обратного факта —
растворимость йодата кальция в воде возрастает в присутствии
глицилглицина и некоторых других пептидов и аминокислот [49].
Увеличение растворимости йодатов щелочноземельных металлов
было использовано для определения констант устойчивости ком-
плексов металлов с пептидами в растворе [50]. И термодинамиче-
ская, и кинетическая устойчивость этих комплексов невелика.
Еще недостаточно данных, которые подтверждали бы взаимо-
действие металлов с кислородными атомами пептидов с образо-
ванием хелатов. Из комплексов, структура которых уже обсужда-
лась, Zn(Gly-Gly)2-2H2O (II) [19] и Zn(Gly-Giy-Gly) (Sb4)i/2-
-4Н2О (XIII) [37] служат примерами комплексов с хелатными
кольцами, в которых донором помимо пептидного кислорода яв-
ляется аминный азот. Координация Cu(II) в Cu(Gly-Gly-Gly)Cl-
-11/2Н2О похожа на координацию Zn в XIII [51], и нет сомнений
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
165
в том, что такой способ хелатообразования -общий в тех слу-
чаях, когда концевая аминогруппа участвует в связывании с ме-
таллом; исключение составляют комплексы, в которых пептидные
атомы азота депротоннрованы (см. ниже). Аналогично этому пеп-
тидоподобный лиганд биурет ведет себя как бидентатный хела-
тирующий агент за счет обоих своих амидных атомов кислорода
в Zn(BiuH2)2Cl2 (XVI) [52], а также в аналогичных комплексах
с Ni(II), Мп(П) (данные ИК-спектров [53, 54]) и Cu(II) (дока-
зано путем структурного анализа [55]).
Ряд методов подтверждает существование в растворах метал-
лов с пептидами пятичленных хелатных колец, в которых донора-
ми являются атомы азота аминогрупп и пептидные атомы кисло-
рода. Например, в ПМР-спектре глицилглицина в D2O имеются
два сигнала протонов, обусловленных двумя неэквивалентными
группами —СН2—. При добавлении ионов Cd2+ к раствору один
сигнал сдвигается сильнее, чем другой. Более чувствительный
сигнал должен принадлежать СН2-группам, которые расположены
ближе к донорным атомам, т. е. СН2-группам, находящимся меж-
ду NH2- и пептидной группами. Оказалось также, что при добав-
лении к раствору малых концентраций ионов Си2+ этот сигнал
исчезает первым (вследствие селективного парамагнитного уши-
рения линии). Это доказывает, что первоначальные места хелато-
образования для Cd2+ и Си2+ одни и те же. До сих пор экспери-
мент лишь идентифицировал протоны, которым соответствуют
определенные частоты в спектрах ЯМР, при этом предполагалось,
что донорные группы известны. Распространяя эти подходы на
комплексы Cd(II) с аминокислотами и пептидами с боковыми
цепями, можно дать расшифровку, которая не зависит от этого
предположения. Таким способом были подтверждены места коор-
динации в глицилглицине [56]. В спектрах три- и тетрапептидов
при низких значениях pD сигналы, которые исчезают в присутст-
вии ионов Си2+, всегда принадлежат метиленовым протонам остат-
ка аминокислоты с концевой NH2-rpynnofi; это вновь приводит к
заключению, что хелатообразование осуществляется по атому азо-
та аминогруппы и первому пептидному кислородному атому [57].
Такое же заключение получено из исследования ИК-спектров
комплексов металлов с пептидами в D2O. Когда НЬ=глицилглицин,
частота пептидной группы С = О смещается от 1645 см-1 в свобод-
ном лиганде до 1625 см-1 в [CuL]+. Когда НЬ=ди- или тригли-
цилглипин, [CuL]+ содержит и свободные и координированные
пептидные атомы кислорода и в спектре наблюдаются обе ожи-
даемые частоты С = О [58—60].
И наконец, тщательное калориметрическое изучение системы
Си(II) — пептид по-новому осветило реакцию образования этих
хелатов [18]. Некоторые результаты этого исследования приведе-
ны в табл. 4.1. Константы равновесия являются функциями как
166
Глава 4
Таблица 4.t
Термодинамические функции3 некоторых реакций Си(П) с глицином
и пептидами глицина (25 °C, /=0,1 М) [18]
Реакция AG, ккал/моль AH, ккал/моль AS, к ал моль-1 - град—1
HGG* GG- + Н+ —8,09(1) + 11,03(1) +10,6(1) +1,5(4)
HGGG GGG" 4- Н+ —7,87(1) + 10,73(1) + 10,1(1) -2,1(4)
Cu2+ + G- [CuG]+ +8,62 —11,71(4) —6,76(4) + 16,6(3)
Cu2+ + GG" [CuGG]+ +5,56(1) —7,58(1) -6,1(2) +5,0(7)
Cu2+ + GGG- <—» [CuGGG]+ —5,04(1) —6,68(1) —6,3(2) +2(1)
[CuGG]+Ci+LjGG + H+ —4,06(1) +5,54(1) +6,9(2) +4,5(7)
[CuGGG]+;«=tCiiH_1GGG + H+ —5,06(1) +6,90(1) +7,5(2) +2,0(7)
CuH.jGGG [CuH_2GGG]--|-H+ —6,78(2) +9,25(2) +7,4(2) -6,2(8)
а HG = HGly—, HGG = HGJy-GJy“, HGGG = HGIy-Gly-GIy“-
Число в скобках — стандартное отклонение, вносящее поправку в последнюю значащую
цифру.
энтальпии, так и энтропии реакции (—RTInK=AG=AH—TAS).
Величина АН определяется главным образом образованием и раз-
рывом связей металл — лиганд* и в меньшей степени изменением
стерических факторов, таких, как напряжение в хелатном кольце.
Три комплекса [CuL]+ (L-=Gly-, Gly-Gly- и Gly-Gly-Gly-) име-
ют фактически одинаковые энтальпии образования, что указывает
на то, что со всеми тремя лигандами образуются однотипные
комплексы. Это согласуется со структурными данными, свиде-
тельствующими о том, что с аминокислотами и пептидами обра-
зуются пятичленные хелатные кольца. Из данных табл. 4.1 видно,
что понижение ступенчатых констант устойчивости от [Cu(GIy)]+
к [Cu(Gly-Gly-Gly)]+ целиком обусловлено энтропийным эф-
фектом.
1.5. Пептидные атомы азота
Процессы лабилизации пептидных протонов и образования
связей металл — пептидный азот вместо связей металл — пептид-
ный кислород характерны только для металлов, имеющих такие
ЭСКП, которые могут значительно увеличиваться при замещении
лиганда слабого поля •— кислорода лигандом сильного поля —
* Величина АН зависит также от изменения степени связывания молекул
воды исходными комплексами и продуктами их диссоциации. — Прим. ред.
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
167
азотом. В настоящее время известно, что это имеет место для ме-
таллов Co(III) (d6), Co(II) (d7), Ni(II), Pd(II), Pt(II) (все d8)
и Си(II) (d9). Влияние поля лигандов пептидного атома азота
само по себе проявляется неодинаково для разных ионов метал-
лов: путем стабилизации Со(1П) по сравнению с Со(П) в случае
кобальта, переходом от голубых парамагнитных октаэдрических
комплексов в желтые диамагнитные квадратно-плоскостные комп-
лексы в случае Ni(II), очень низкими значениями pH, при которых
Рис. 4.2. Титрование гидроксидом натрия тетрапептида аланилглнцилглицилгли-
цнна и его комплекса с Си (II) (-----------) (ионная сила=0,16, температура
25 °C) [61].
протоны пептида замещаются Pd(II) или Pt(II) (свидетельствуя
о жадности, с которой оба металла связывают азотсодержащие
доноры), и характерным изменением окраски от голубой через
фиолетовую к розовой («биуретовая реакция»), когда пептиды
титруют щелочами в присутствии Си(II).
Пептидные комплексы Си(II) и Ni(II) исследованы особенно
большим числом экспериментальных методов, так как они в одно
и то же время термодинамически относительно устойчивы и кине-
тически лабильны. В системах Cu(II)—пептид и Ni(II)—пептид
равновесия устанавливаются достаточно быстро [особенно в слу-
чае Си(II)], что позволяет для определения их термодинамиче-
ских параметров успешно применять метод потенциометрического
титрования и калориметрический метод. Кинетика реакции была
исследована методом остановленной струи и релаксационным ме-
тодом.
168
Глава 4
Результаты типичного потенциометрического изучения приве-
дены на рис. 4.2 для титрования тетрапептида без иона Си2+ и
в присутствии эквимолярной концентрации иона Си2+ [61]. При
pH 6 пептид находится в форме цвиттер-иона, и требуется только
1 экв ОН~, чтобы оттитровать протон из концевой \Н3-группы
в интервале pH 7—9. В присутствии Си2+ протон группы NH3
титруется при значительно более низких pH, так как ион Си2+
конкурирует с ионами Н+ за NH2-rpynny. Затем в интервале pH
от 5 до 10 титруются еще более трех протонов. Если частицы,
образуемые по реакции Cu2+ с L-, обозначить [CuL]+, последова-
тельная диссоциация трех протонов приведет к CuH_iL,
[CuH_2L]_, [CuH_3L]2-. Диссоциация с образованием CuH_iL не
имеет места, если остатком второй (считая от концевой NH2-rpyn-
пы пептида) аминокислоты является саркозил или пролил, т. е.
если первая пептидная группа не имеет диссоциирующих протонов.
Аналогично этому [CuH_2L]~ не образуется, если один такой
остаток занимает третье место в пептидной цепи. Это показывает,
что пептидные группы являются местами дополнительной диссо-
циации протонов. Депротонирование приводит к тому, что пептид-
ные атомы приобретают способность связывать металл без потери
пептидом резонансной энергии. (После того как депротонируются
все пептидные группы, способные связывать металл, дополнитель-
но еще могут лабилизоваться протоны координированных моле-
кул воды.)
Среди систем металл — пептид наиболее подробно методом по-
тенциометрического титрования была исследована система
Cu(II) — диглицилглицин [62]. Титрование проводили со стеклян-
ным электродом в 3 М растворе NaClO4 для пяти отношений
металл—лиганд при каждой из пяти общих концентраций металла
(включая нулевую). Полученные данные охватывают следующие
интервалы: 1,5<рН<11,0, общая концентрация металла от 1 до
100 мМ и общая концентрация лиганда от 2 до 250 мМ. Второй
набор данных был получен для серий растворов, в которых кон-
центрация лиганда варьировалась, а концентрация свободных
ионов водорода и общая концентрация металла сохранялись по-
стоянными. Концентрация свободных ионов металла измерялась
с помощью медь-амальгамного электрода. Полученные данные бы-
ли обработаны двумя методами — графическим и численным [62].
В результате этого исследования было обнаружено не менее
13 комплексных частиц, входящих в состав системы. Состав этих
комплексов и их константы образования приведены в табл. 4.2.
Константы образования могут быть использованы для расчета со-
става равновесной смеси, присутствующей в растворе при любых
заданных условиях. Такой расчет показал, что при низких кон-
центрациях (~10“3 М) существенно важны только моноядерные
частицы, причем главными являются три частицы: [CuL]+,
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
169
Таблица 4.2
Комплексы Cu(II) с диглицилглицином [CupH5Lr]<гр+«-г)+ и ло-
гарифмы их констант устойчивости (L_ = Gly-Gly-Gly-, 25 °C, 3 М NaC10<) [62]
Состав комплекса le$Pgr Состав комплекса Состав комплекса
[CuHL]2+ [CuL]+ CuH^L [CuH_2L]_ 10,13 5,66 —0,13 —6,86 [CuH2L2]2+ CuL2 [СиН_Л2]- [СиН_2Ц]2- 19,0 10,17 3,91 —4,81 [Cu2H2L2]*+ [Cu^UP* [Cu2L2]2+ CllgH—21-<2 [Cu2H_4L2[-~ 21,0 17,3 13,12 1,44 —13,4
CuH-^L и [CuH_2L]- (табл. 4.3). При более высоких концентра-
циях (2>1О-2 М) возрастает роль полиядерных частиц с отноше-
нием металл : лиганд 1:2. При титровании раствора 10-1 М при
любых значениях pH концентрация комплекса состава 1 : 1 никог-
да не превышает половину от общей концентрации Си(II)
(табл. 4.4).
Химические выводы ясны. При низких концентрациях ряд
[CuHL]2+ ч> [CuL]+ ч—>- CuH_xL ч > [CuH_2L]-
представляет большинство присутствующих частиц; при этом под-
разумевается, что по мере повышения pH комплексы последова-
тельно депротонируются. Имеются данные в пользу образования
при более высоких концентрациях металла и лиганда следующих
серий комплексов:
[CuH2L2]2+ <-=> CuL2 <—> [CuH-iU]- ч—> [CuH_2L2]2-
и
[Cu2HL2]3+ [Cu2L2]2+ «==> Cu2H_2L2 [Cu2H_4L2]2~
Для удобства комплексы расположены в такой же последова-
тельности, в какой обсуждались их структурные соотношения, но
при этом следует помнить, что все комплексы состава 1:1, 1:2
и 2 :2 находятся в равновесии друг с другом, а также со свобод-
ным лигандом и ионами металла и водорода.
К сожалению, такое детальное описание требует накопления
большого числа данных о равновесии, а наши сведения о других
системах металл — пептид часто основаны на гораздо более огра-
ниченном числе данных. Стало обычной практикой подгонять
константы устойчивости для постулированного ряда комплексных
частиц к небольшому числу кривых титрования или даже к одной
кривой титрования. Это допустимо только с оговоркой, что при
170
Глава 4
Таблица 4.3
Состав раствора Си(П)-дкглицилглицин (концентрация ~ 10~3 М) [62]
pH Приблизительное содержание Си(П)а (%), присутствующей в виде
свободный Си2+ LCuL]+ CuH-tL [СиН-2Ц-
5 72 20 3
6 16 24 47 9
7 — 2 28 60
8 — — 4 85
9 •— — — 90
а Второстепенные частицы: [CuHL]2+ при рН<6, CuL2 при pH 6—1, [СиН—iL2]— при
pH 7—9 н [СиН—sL2]2— при pH > 9.
Таблица 4.4
Основные частицы, присутствующие в растворе Си(11)-глицилглниина
(концентрация ~10-1 М) [62]
pH Приблизительное содержание Си (II) (%), присутствующей в виде
свободный Си2+ комплексы 1 : 1 комплексы 1 : 2я комплексы 2: 2
3 60 [CuHL]2+ (35) — —
4 15 [CuHL]2+ (30) — [Cu2HL2]3+ (20)
5 [CuL]+ (20) — [Cu2L2]2+ (50)
6 CuH_1L (20) CuL2 (20) Cu2H_2L2 (30)
7 [CuH_2L]- (30) СиН-тЦ (35) Cu2H_2L2 (15)
8 [CuH_2L]“ (45) CuH_iL2 (35) [Cu2H_4LJ2- (10)
9 [CuH_2L]- (50) [CuH_2L2]- (30) [Cu2H_4L2]2- (10)
’Второстепенные частицы: [CuHjLrJH- прн pH 4. Бблыная часть приведенных частиц
дает значительный вклад в равновесие также при значениях pH на 1 выше или ниже, чем
те, при которых онн являются доминирующими.
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
171
-обработке результатов не могли быть учтены все присутствующие
в данной системе частицы.
В табл. 4.1 включены некоторые термодинамические данные
для реакций депротонирования в системах Cu(II)—дипептиды и
Си(II) — трипептиды. Лабилизация пептидных протонов, по-види-
мому, в основном обусловлена энтальпийным эффектом. Депро-
тонирование ([CuL]+—>CuH-iL—>[CuH_2L]_)— процесс эндотер-
мический (Д77 положительна), но в значительно меньшей степени,
чем диссоциация протонов в незакомплексованном лиганде
(HL—*-L~). Энтальпии реакций диссоциации протонов из [CuL]+
и CuH-i'L примерно постоянны, и это приводит к поразительному
результату: более положительный энтропийный вклад сам по себе
приводит к тому, что легче удалить протон из [CuL]+, чем из
CuH_iL. Частичным объяснением этого различия является то, что
депротонирование [CuL]+ дает нейтральный комплекс, причем по-
ложительное изменение энтропии главным образом обусловлено
«хелатным эффектом»; потеря следующего протона приводит к
разделению заряженных ионов (Н+ и [CuH_2L]^), при этом мо-
лекулы воды входят в гидратную оболочку этих ионов и неупо-
рядоченность молекул воды в них понижается [18].
Большинство прямых доказательств того, что диссоциация пеп-
тидных протонов сопровождается образованием связей металл—
пептидный азот, получено из данных рентгеноструктурного анали-
за. Структура частиц [CuL]+, в которых металл хелатируется
только атомом азота аминогруппы и пептидным кислородом, уже
обсуждалась на примере [Cu(Gly-Gly-Gly)]Cl- 1!/2H2O (разд.4.4).
Аналогично этому анализом кристаллической структуры получе-
ны данные о строении комплексных частиц, в которых Си(II)
связана с депротонированным пептидным лигандом. Примерами
служат CuH-iL (XXI, XXII) [63, 64], [CuH_2L]- (в [Cu2H_4L2]2-,
XVII [65]), [CuH_3L]2- (XVIII) [66] и ,[CuH2L2]2- (XIX) [67].
Существует корреляция между структурой и окраской этих
частиц.
По мере того как число донорных пептидных атомов азота,
связанных с ионами Си(II), увеличивается, главный d—d-переход
Си(II) сдвигается в более коротковолновую область. Одновре-
менно постепенно понижаются суммы порядков связей для двух
аксиальных связей металл—лиганд до тех пор, пока в [CuH_^L]2~
аксиальные лиганды не отойдут настолько, что координационное
число меди станет 4 [9].
В то время как координированные пептидные атомы кислорода
геометрически не могут образовать более чем одно пяти- или шес-
тичленное хелатное кольцо, координация по депротонированному
пептидному атому азота создает идеальную конформацию лиган-
дов для сближения двух смежных хелатных колец, имеющих об-
щую связь металл — пептидный азот. Таким образом, в этом слу-
172
Глава 4
nh2
C^NH
n___7t,_n NH2
H2N~_c<*° °
CI
HN-C
Cl
h2n
XVI
xvn
[Cu( H _ jGly-Gly-Gly )] ?-
6 Na[Cu(H_2Gly-Gly-Gly)]- H2O
XVIH
[MlH-jGly Gly-Gly-Gly)]2-, M - Cu(II), Ni(II)
чае возможен термодинамический выигрыш в форме повышенного
хелатного эффекта, так как дополнительно еще одна монодентат-
ная молекула воды замещается пептидным лигандом. Донорными
атомами, которые в хелате чаще всего соседствуют с пептидным
азотом, являются атомы азота аминогруппы или пептидные атомы
азота на конце с NHa-группой, а также пептидный азот, пептидный
кислород, карбоксильный кислород, атом азота гистидина (имид-
азольный) или атом серы метионина (тиоэфирный) на конце с
COO-группой. В качестве примеров в дополнение к уже перечис-
ленным приведем комплексы XX, XXXVI и XXXIX.
H2C
«=? сн, с '°
I
---NH2--Си—nh2-
Н2С
CH
*1 9H*
с •
//\;
М = Ni(II), Со(Ш)
XIX
Ъимерный комплекс в CuQJ-ALa-L-H-jHlsJ^HaO
XXII
174
Глава 4
Участие пептидного атома азота в полидентатном хелатообра-
зовании определяется двумя геометрическими условиями. 1. До-
пускаются только небольшие искажения нормальной тригональной
конфигурации связей у атома азота. Этим условием объясняется
тот факт, что пептидный атом азота может быть окружен двумя
пятичленными хелатными кольцами или пяти- и шестичленным
кольцами, но не двумя шестичленными кольцами [63]. 2. Металл
и атомы пептидной группы должны быть почти копланарны. Вслед-
ствие этого, если пептидный атом азота и два соседних с ним до-
норных атома тридентатного или тетрадентатного пептида связа-
ны с одним и тем же атомом металла, они должны занимать ко-
планарное координационное положение (как в XVIII, XX и XXII).
Размеры пептидной группы слегка (но это существенно) изме-
няются при координации по атому азота пептидной группы [9].
При координации Cu(II) длина связи С = О изменяется от 1,24
до 1,26 А, а длина связи С—N от 1,325 до 1,30 А. Это свидетель-
ствует о том, что образование связи металл — пептидный азот
I I
уменьшает вклад резонансной структуры —N—С=О и увеличи-
I !
вает вклад структуры —(N+ —С—О-, т. е. сдвиг электронов к
металлу меньше, чем к протону, который в комплексе замещен
медью. Такое же заключение получено на основании понижения
частоты валентных колебаний группы С = О в ИК-спектре системы
Си(II)—пептид в D2O. По мере того как p.D повышается, частоты
свободной и координированной группы С = О (1645, 1625 см-1)
заменяются полосой 1600—1610 см-1 [58—60].
Изучение взаимодействия между пептидами и Ni(II) помогает
получить представление о связывании металла пептидными ато-
мами азота в комплексах Си(II)—пептид. Существование комп-
лекса Ni (II), в котором пептидные группы депротонированы, под-
тверждено препаративным [68], потенциометрическим [60, 69—
71], ИК-спектроскопическим [60] и кристаллографическим [72]
исследованиями; все они дают результаты, очень похожие на те,
что получены для системы Си(II)—пептиды. Анализ кристалли-
ческой структуры был выполнен для комплексных частиц
[NiH_3L]2- (XVIII) и [NiH_2L2]2- (XX) ,[72]. Термодинамическая
устойчивость комплексов Ni(II)—пептиды несколько ниже, чем
устойчивость соответствующих Си (II)-пептидных комплексов. На-
пример, константы образования некоторых комплексов Ni(II) с
HGly-Gly-Gly [в скобках даны значения констант устойчивости
комплексов Си (II), взятые из табл. 4.2] равны lg [hoi = 3,7 (5,7),
lg₽i-n = —5,1 (—0,1) и lg₽i-2i=—12,8 (—6,9). Так как различия
между ступенчатыми константами устойчивости отражают значе-
ния р/Со пептидных групп, из приведенных данных можно сделать
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
175
вывод, что пептидные протоны лабилизируются Ni(II) (рКа~8)
менее эффективно, чем Си(II) (рКо~6).
Однако комплексы пептидов с Ni (II) кинетически более устой-
чивы, чем аналогичные комплексы с Си(II). В ходе потенциомет-
рического титрования необходимо выдерживать раствор по мень-
шей мере 5 мин для того, чтобы в нем после добавления каждой
порции основания наступало равновесие [69]. Методом останов-
ленной струи была исследована кинетика обратной реакции, а
именно протонирование [МН_2Ь]~. Скорость этой реакции в 25—
50 раз меньше для [Ni(H_2Gly-Gly-Gly)]_, чем для
[Cu(H_2Bly-Gly-Gly)]~ [71, 73]. С обоими комплексами реак-
ция протекает гораздо медленнее, чем процесс, контролируемый
диффузией, и стадией, определяющей скорость, является пере-
группировка из состояния с координацией М-—N (пептидный) в
состояние с координацией М—О (пептидный).
При низких значениях pH растворы комплексов Ni(II) с пеп-
тидами имеют голубовато-зеленую окраску, что свидетельствует
о том, что комплексные частицы октаэдрические и парамагнитные.
Правильная октаэдрическая геометрия позволяет Ni(II) образо-
вывать с бидентатными пептидами комплексы с отношениями ме-
талл— пептид 1:1, 1 :2 и 1:3. С тридентатными или с еще более
длинными лигандами диссоциация двух или трех протонов по ме-
ре повышения pH приводит к образованию желтых квадратно-
плоскостных диамагнитных комплексов, в которых отношение
металл — лиганд 1 : 1. Неожиданным следствием приведенных кон-
стант устойчивости комплексов Ni(II) с глицилглицином является
тот факт, что второй пептидный протон диссоциирует легче, чем
первый протон (p/<a!! = ₽i-ii—Pi-2i = 7,7; рКО1 ='₽ioi—₽i-n=8,8).
Другими словами, частицы NiH_i>L (октаэдрические) термодина-
мически неустойчивы по сравнению как с [NiL]+ (октаэдрически-
ми), так и [NiH_2L]_ (квадратно-плоскостными). Депротонирова-
ние является так называемой кооперативной реакцией, и хотя
комплекс NiH-iL должен быть интермедиатом, его содержание
никогда не превышает 5% содержания Ni(II) .в растворе [71].
Кооперативная природа перехода от [NiL]+ к i[NiH_2L]~ обус-
ловлена изменением координации от октаэдрической к квадратно-
плоскостной, при этом изменение координационной геометрии
обусловлено усилением поля лигандов по мере того, как пептид-
ные атомы азота связываются с металлом. Комплексы Ni(II)
либо октаэдрические и парамагнитные, либо квадратно-плоскост-
ные и диамагнитные. Для них в отличие от Си(II) не наблюда-
ется постепенного изменения геометрии. ЭСКП квадратно-плос-
костного комплекса Ni(II), выраженная в единицах А(10Д7),
больше, чем эта величина для октаэдрического комплекса Ni(II).
Более сильному полю лигандов в квадратно-плоскостной конфи-
гурации способствует повышение ЭСКП. Координации с одним
176
Глава 4
пептидным донором недостаточно, чтобы вызвать изменение гео-
метрии, однако возможность образования квадратно-плоскостной
конфигурации с ее более высокой ЭСКП способствует диссоциа-
ции еще одного пептидного протона, с тем чтобы получились до-
норы с более сильным полем. Кроме того, в кв а др атно-плоскост-
ных комплексах Ni (II) с пептидами донорные атомы находятся на
0,2 А ближе к иону металла, чем в октаэдрических ,[72], так что
влияние поля лигандов еще больше усиливается. Энтропийный
эффект (освобождение аксиальных лигандов) действует в этом
же направлении.
Реакция между Ni(II) и глицилглицином, по-видимому, ано-
мальна. При pH —10 Ni(Gly-Gly)2( = NiL2) теряет два протона,
образуя голубовато-зеленый ион i[Ni(H_iGly-Gly)2]2~
( = [NiH_2L2]2-) [69]. Натриевая соль этого иона кристаллизуется
в двух гидратированных модификациях, кристаллическая структу-
ра которых показывает, что комплекс является бис-тридентатным
и октаэдрическим (XX). Но, когда HL — глицинамид, частицы
[NiH_2L2]2~ желтые и квадратно-плоскостные.
Pt и Pd в периодической системе расположены под Ni и также
имеют электронную конфигурацию d8. Подобно Ni(II), двухва-
лентные ионы этих металлов вызывают ионизацию пептидных ато-
мов водорода. Они образуют квадратно-плоскостные комплексы,
в которых местами связывания металла являются депротонирован-
ные пептидные атомы азота. По мере продвижения сверху вниз
в группе периодической системы стабилизация кристаллического
поля донорами более сильного поля увеличивается и, следова-
тельно, повышается эффективность ионов металлов в лабилизации
пептидных протонов. В присутствии Pd(II) пептидные протоны
титруются при pH 3,5 [74] по сравнению с pH 8—9 для Ni(II).
Когда в растворе происходит смешивание [PtCl4]2~ с пептидами,
депротонирование пептидных групп осуществляется даже при еще
более низких значениях pH. Это демонстрируется структурой
комплекса Pt (Gly-ь-Met) С1-Н2О, который кристаллизуется при
pH 2,5 (см. формулу XXXIX [75]). Положение атомов водорода
в этом комплексе установлено методом дифракции нейтронов, так
что нет сомнения в том, что пептидные группы депротонированы,
в то время как карбоксильная группа еще нейтральна. (Отсюда
не следует, что в связывании [PtCl4]2~ с белками всегда участ-
вуют депротонированные пептидные группы, так как пептидные
атомы азота в белках обычно менее доступны, чем в растворенных
молекулах пептидов.)
Недавно было опубликовано сообщение [76], что Со(П) так-
же промотирует диссоциацию пептидных протонов. Для реакции
требуется pH — 10 и отношение металл — лиганд 1 :2. Образуют-
ся октаэдрические комплексные частицы, в которых связующие
атомы включают два аминных и два пептидных атома азота —
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
177
четыре донора сильного поля. В поле сильного донора становится
предпочтительной более высокая степень окисления кобальта.
В соответствии с этим растворы, содержащие частицы
'[Con(H_iGly-Gly)2]2-, легко окисляются (через оксигенированное
промежуточное состояние, которое является обратимым носителем
молекулярного кислорода) в [Coni(H_iGly-Gly)2]~. Комплексные
частицы Сога нельзя прямо приготовить по реакции
[Coin(Gly-Gly)2] + с основанием, так как для комплексов Со(Ш)
особенно характерно затруднение разрыва связей металл —
лиганд.
Кинетическую устойчивость связей Со(Ш)—лиганд можно ис-
пользовать в экспериментах, которые невозможны с более ла-
бильными комплексами .Ni(II) и Си(II) с пептидами. Структура
иона i[Coni(H_iGly-Gly)2]~ в четырех различных солях такая же,
как структура [Ni (H_iGly-Gly)2]2- (XX) [77, 78]. Единственным
элементом симметрии для обоих комплексных ионов является ось
симметрии второго порядка, и они должны существовать в виде
энантиомеров. Это можно доказать для комплексов Со(Ш) [но
не для комплексов Ni(II)] разделением энантиомеров хромато-
графически на колонке с крахмалом [79]. При добавлении силь-
ной кислоты к раствору [Co(H_iGly-GIy)2]_ анион быстро и
обратимо протонируется, образуя [Co(GIy-Gly)2]+ [76, 77, 79].
Структурный анализ Co(Gly-Gly)2(ClO4) был использован для
доказательства того, что протонирование не затрагивает связи
металл — лиганд, а добавленные протоны присоединяются к пеп-
тидным атомам кислорода [78]. Протонированные катионы, в ко-
торых Со(III) еще связан с пептидными атомами азота, термо-
динамически не устойчивы и, по-видимому, медленно восстанав-
ливаются до Со(П) [77].
1.6. Имидазольные атомы азота
Боковые цепи, содержащие остатки гистидина, являются важ-
ными группами, связывающими металл как в природных металло-
протеинах, например карбоксипептидазах (гл. 15), миоглобине и
гемоглобине (гл. 25), так и в комплексах металла с белком, по-
лученных в лаборатории (гл. 7). При таких взаимодействиях ме-
таллов с белками функциональные группы, присоединенные к ме-
таллу, в большинстве случаев принадлежат аминокислотным
остаткам, которые не находятся по соседству друг с другом в бел-
ковой цепи. Следовательно, остатки гистидина являются типич-
ными группами, не образующими хелатов.
1.6.1. Взаимодействия металл—имидазол
без образования хелатов
Моделирование такого взаимодействия металлов с белками
более простыми системами затруднено из-за того, что гистидин и
гистидилпептиды очень склонны действовать как хелатирующие
12—2451
178
Глава 4
агенты. Единственным комплексом, в котором, как было показано,
имидазольная боковая цепь ведет себя не как хелат, является
Cu(p-Ala-L-H-iHis)-2Н2О («медный карнозин», XXI) [63]. Осо-
бенно интересно в этом комплексе то, что Cu(II) связывается
с атомом азота имидазольного кольца в положении 3 (как в ме-
тилмиоглобине кашалота [80]), в то время как в хелатах, образуе-
мых гистидином и гистидилпептидами, всегда участвует атом азо-
та в положении 1 имидазола. Еще не доказано, что структура,
обнаруженная в кристаллическом состоянии, сохраняется в раство-
ре, но такое предположение удовлетворительно объясняет данные
ранее выполненного потенциометрического титрования [63]. Су-
ществование димерных частиц было доказано по уширению линий
в спектрах ЭПР замороженных растворов комплекса независимо
от какой-либо структурной модели [81].
Одним из средств, которое было использовано для того, чтобы
нарушить склонность гистидина к хелатообразованию, было при-
готовление смешанно-лигандных комплексов, в которых содержа-
щие гистидин боковые цепи смоделированы молекулами имидазо-
ла. Существование смешанного комплекса такого типа в растворе
при pH от 5,8 до 7 впервые было доказано тем, что скорость
катализируемого имидазолом гидролиза n-нитрофенилацетата по-
нижается в присутствии Си(II) и глицилглицина [82]. Смешанные
комплексы имидазола и глицина, глицилглицина или диглицил-
глицина с Си(II), Ni(II) и Cd(II) были последовательно выде-
лены и охарактеризованы [64, 83, 84] и кристаллическая струк-
тура некоторых из них была определена [64]. Примером может
служить [Cu(H-iGly-Gly-Gly) (ImH) (Н2О)] -Н2О (XXII). Наконец,
имеется много спектроскопических и магнитных данных [85—87],
относящихся к комплексам, которые содержат только имидазол
и не содержат аминокислотных или пептидных лигандов. Четыре
комплекса такого типа, структура которых была определена, при-
ведены ниже: это [Cu(ImH)4]I2 (катионный) [88], [Zn(ImH)6]Cl2-
•4Н2О (катионный) [89], [Zn(ImH)2]Cl2 (молекулярный комп-
лекс, образованный водородными связями) [90] и [Zn(Im)2]oo
(полимерный) [91] (XXIII—XXVI).
Наиболее полезной информацией, полученной из структурного
исследования модельных соединений — смешанно-лигандных и
чисто имидазольных комплексов, а также хелатов с гистидином,—
было обнаружение гибкости имидазольной группы как лиганда.
Связь металл — имидазольный азот отклонена на 30° от плоско-
сти имидазола, как и в [Cd (ь-His) 2]-5Н2О [92], и угол
М—N (имидазольный)—С при донорном атоме лежит в интервале
121—131°. Анализом структуры [Cu(H-iGly-Gly) (ImH) (ОН2)] -
•1V2H2O и [Cu(H-iGly-Gly-Gly) (ImH) (ОН2)]-Н2О (XXII) [64]
получены доказательства, что стерически незатрудненные имид-
азольные кольца стремятся быть копланарными со связью
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
179
/ HC—NH
II CH
HC-NZ/
HN—CH
I w
HC^ /N
CH
// N
HCZ II
\ _^CH
HN
Hfi >Н
/N—CIV
HC' II
hVch
,CH
'N Лзн
\\ /
HC—NH
XXV
Zn(ImH)iC12
XXIV
[Zn(ImH)6p*
XXVI
[Zn(Im)2]
N
M—N (имидазольный) и тремя другими связями металл—лиганд
(и, следовательно, в случае Си перпендикулярными к единствен-
ной занятой dzz -орбитали). Два имидазольных кольца, занимаю-
щих смежные координационные положения в октаэдрическом или
квадратно-плоскостном комплексе, соприкасались бы одно с дру-
гим, если бы они были копланарны, поэтому кольца так повернуты
относительно связи М—N (имидазольный), чтобы между ними не
было контакта [64]. В целом вращение вокруг связи М—N (имид-
азольный), по-видимому, определяется не электронными фактора-
ми, а стерическими требованиями остатка гистидина, находяще-
гося в состоянии покоя, которые возникают за счет контактов
между имидазольными группами и соседними лигандами, а также
за счет связывания водородными связями свободного (пиррольно-
го) атома азота имидазола.
12’
180
Глава 4
Гибкость связей имидазол—металл может быть одной из при-
чин эффективности гистидиновых боковых цепей как центров свя-
зывания металла в белках. Другой причиной может быть тот
простой факт, что имидазольные группы являются достаточно хо-
рошими донорами электронов для того, чтобы образовать сильные
ковалентные связи. Калориметрические измерения показали, что
связи металл—N( имидазольный) дают только немного меньшие
вклады в изменение энтальпии в реакциях комплексообразования
[116, 157], чем связи металл—^(аминный). Изменения энтальпии,
связанные с комплексообразованием ионов М2+ в растворе с
образованием [M(ImH)4]2+, составляют —23,0, —18,4 и
—16,2 ккал/моль, когда M=Cu, Ni и Zn соответственно. Измене-
ния энтальпии на первой стадии комплексообразования тех же
ионов металлов с одной молекулой имидазола равны —7,6, —5,8
и —3,8 ккал/моль [158]. Наиболее важные вклады в энергию
связей металл — имидазольный азот дает a-связывание. Возможно
также л-связывание и влияние ЭСКП. Данные о d —р -связыва-
нии изменяются от комплекса к комплексу (см. ниже), а когда
ЭСКП вообще есть, она играет меньшую роль в стабилизации
связей с имидазольным азотом, чем с атомами азота амино- и
пептидных групп. Положение имидазольного азота в спектрохи-
мической серии, по-видимому, ближе к воде (т. е. ниже аминного
и пептидного атомов азота [9, 93]).
Удивительно, что не найдено никакой корреляции между дли-
нами связей металл — имидазол и вращением имидазольных колец
относительно связей металл — азот [64], но химические, магнит-
ные и спектроскопические свойства свидетельствуют о делокали-
зации л-электронов. Во-первых, в [Cu(IrnH)4]I2 (XXIII) металл
стабилизирован в степени окисления II, так что он не претерпе-
вает обычного восстановления в присутствии ионов I- (Си2++
+I-—►CU++V2I2). Несомненно, что исключительная стабильность
Си(II) в этом комплексе обусловлена взаимодействием с четырь-
мя имидазольными лигандами. Они лежат в плоскости, которая
перпендикулярна плоскости четырех связей Си—N, и эта ориен-
тация способствует перекрыванию dxy—рж-орбиталей. Заметная
делокализация неспаренного электрона от атома Си на имидазоль-
ные кольца проявляется как сверхтонкое расщепление сигнала
меди, а также как сверхтонкое расщепление, обусловленное ато-
мами азота, в спектре ЭПР комплекса при 80 К [88]. Во-вторых, ши-
рокая полоса в ультрафиолетовом спектре Со(СО3) (ImH)2(OH2)2
подобным же образом была приписана делокализации л-электро-
нов. Структура комплекса — искаженный октаэдр, и каждый
имидазольный лиганд расположен примерно в перпендикулярной
плоскости, образуемой им самим и тремя другими связями ме-
талл—донор [94]. В-третьих, в полимерном комплексе i[Co(Im)2]00
атомы Со(II) имеют тетраэдрическую координацию. Магнитный
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
181
момент аномально низкий, и это объясняется сверхобменным взаи-
модействием атомов Со(II), т. е. взаимодействием через подвиж-
ные л-электронные системы имидазольных лигандов, которые соеди-
няют атомы металла [86]. В-четвертых, комплекс [Cu(Im)2]oo
кристаллизуется в голубой, зеленой и коричневой полимерных мо-
дификациях [95]. (Известно, что голубая форма содержит четы-
рехкоординированные атомы Си (II), связанные в трехмерный по-
лимер бидентатными имидазольными лигандами [96].) В голубой
и зеленой модификациях имеются сильные взаимодействия между
атомами Си через имидазольные кольца, обнаруживаемые в каж-
дом случае по большой отрицательной константе Вейса (абсолют-
ная температура, при которой обратная магнитная восприимчи-
вость равна нулю) [95].
Третьим свойством имидазольных групп, объясняющим их по-
пулярность как центров связывания металла, является их способ-
ность к координации при физиологическом значении pH. В ряду
гистидилпептидов pKimHJ лежит между 5,5 и 7,2, т. е. на три еди-
ницы рК ниже, чем pKnhJ [97]. ЭСКП для иона переходного ме-
талла, связанного с имидазольным атомом азота, меньше, чем
ЭСКП для иона, связанного с атомом азота аминогруппы, но при
этом в случае имидазола ион металла не так жестко конкурирует
с протоном за электронную пару азота. В случае самого гистидина
равновесие между имидазолом и аминогруппами как донорами
создает интересную проблему в координационной химии.
1.6.2. Хелатообразование с гистидином
Частично протонированная форма лиганда НгН1з2+ представле-
на формулой XXVII. Константы кислотной диссоциации для ряда
H3His2+ ^=> H2His+ «=> HHis* «=> His~ <=> H^His2-
рЭВНЫ рКсоОН=1,8, рАимидазолий = 6,0, рКмнз =9,1 И рАимидазол =
= 14. Очень соблазнительно допустить, что последовательность, в
которой удаляются протоны при титровании, соответствует поряд-
ку, в котором потенциально донорные атомы используются для
связывания металла по мере повышения pH. Согласно этой после-
довательности, при комплексообразовании металлов с гистидином
должны быть такие стадии: (1) монодентатная координация по
карбоксильному кислороду при низких значениях pH; (2) связы-
вание металла имидазольным атомом азота, приводящее к обра-
зованию семичленного хелатного кольца; (3) связывание по атому
азота аминогруппы, делающее гистидин трехдентатным лигандом,
и, возможно, (4) диссоциация второго протона из имидазольной
группы.
182
Глава 4
XXVII
H3His2*
Опубликованные данные о кристаллической структуре комп-
лексов металлов с гистидином не проливают свет на порядок дис-
социации протонов и порядок реакций связывания металлов. За
одним исключением (см. ниже), все они относятся к области pH,
в которой гистидин ведет себя как трехдентатный хелатирующий
агент [стадия (3)]. Комплексы Со(П) [98, 99] и Ni(II) i[100] с
гистидином, как и ожидали, являются октаэдрическими (XXVIII).
Комплекс Zn(II) имеет тетраэдрическую структуру с сильными
связями Zn—N (аминный) и Zn—N (имидазольный); имеются еще
более слабые связи Zn—О (карбоксильный) в направлении от двух
граней тетраэдра (XXIX).
Кристаллические производные Zn(II) с d.l-гистидином имеют
структуру, состоящую из равного числа комплексов Zn(L-His)2 и
Zn( D-His)г- Однако частицы Zn( ь-His)2 в комплексах Zn(t-His)2-
-2Н2О и Zn (D-His) ( ь-His) -5Н2О имеют различные конфигурации
[101а]. Это явление уже обсуждалось ранее и было названо «сте-
реоселективность» [9]. Комплекс Cd(II) с гистидином ведет себя
подобно комплексу Zn(II), но имеет более правильную геометрию
[92].
Доказательства того, что последовательность реакций согласу-
ется с порядком значений рКо, во многих случаях были выведены
из ИК-спектров (хотя, к сожалению, наблюдения не были рас-
пространены на область, в которой можно измерять частоты свя-
зей металл — лиганд) [32]. При очень низких значениях pH
(pD=2,2—3 в растворе D2O) комплексообразование с Мп(П),
Fe(II), Со(П), Ni(II), Zn(II) и Cd(II) при отношениях 1 : 1 вызы-
вает в ИК-спектре одинаковые сдвиги полосы антисимметричного
колебания карбоксильной группы как а-аланина (1615 см-*’), так
и гистидина (1625 см-1). Это доказывает монодентатную коорди-
нацию по СОО--группе. При значениях pD выше 3 в спектрах
комплексов с гистидином появляется полоса, приписываемая ва-
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
183
ZnfL-HisJg в (a) Zn(L-His)z-2Hz0 и (d) Zn(D-His)(L"His)-5H20
лентным колебаниям имидазольного кольца (1490—1501 см-1).
Другая полоса, отнесенная к антисимметричным валентным коле-
баниям связи NCa—С (карбоксильный) (1110 см-1), при значениях
pD от 4 до 7 замещается новой полосой (1100 см-1), соответствую-
щей координации по азоту аминогруппы. [Для Си(II), Zn(II) и
Cd(II) выпадение осадка мешает наблюдению при значениях pD,
достаточно высоких для связывания металла по азоту амино-
группы.]
Литература изобилует константами образования [101—104]
и величинами энтальпии и энтропии [17, 105, 106] для комплексов
металлов с гистидином, но большинство этих данных и в этом
случае относятся только к образованию частиц [M(His)]+ и
M(His)2 [стадия (3)]. Система Со(П) — гистидин является одной
из немногих, которые были изучены в широкой области pH и при
помощи большого числа экспериментальных методов.
384 Глава 4
Интерес к этой системе отчасти возникает из-за способности
Con(His)2 образовывать оксигенированные производные, из кото-
рых можно снова получить молекулярный кислород [76, 107—
109], но эта проблема здесь обсуждаться не будет. Измерения
контактных сдвигов в ПМР-спектрах растворов Со(II) — гистидин
[31] показали, что монодентатная координация по карбоксильно-
му кислороду имеет место при рН<4, а октаэдрические комплек-
сы состава 1:1 и 1:2, в которых гистидин тридентатен, сущест-
вуют при 4<рН<11 и что тетраэдрический комплекс образуется
даже при более высоких значениях pH. Существование октаэдри-
ческого комплекса подтверждается анализом кристаллической
структуры обоих комплексов: Со( L-His)2-H2O (XXVIII) [98] и
Co(b-His) (D-His)-2Н2О [99], что находится в согласии с выво-
дами, сделанными на основании сдвигов в спектрах ПМР [31]
и данных потенциометрического титрования [НО] о том, что в
растворе эти частицы более устойчивы, чем оптически чистые.
Предложенная тетраэдрическая структура голубого комплекса,
существующего при высоких значениях pH, [Со( i.-H_1His)2]2“,
подтверждается как потенциометрическим титрованием, так и от-
несением полос поглощения в УФ- и видимой частях спектра
[111]. Эти частицы образуются после диссоциации второго («пир-
рольного») протона имидазольной группы. Гистидиновые лиганды
бидентатны; донорами являются азот аминогруппы и имидазоль-
ный азот, а тетраэдрическая конфигурация объясняется отталки-
ванием зарядов.
Методом ПМР-спектроскопии было исследовано образование
комплекса 1:2 Pt(II) с ь-гистидином. Химические сдвиги пока-
зали, что, как и ожидали для Pt(II), координация квадратно-
плоскостная и донорными атомами являются азот аминогруппы
и имидазольный азот во всей области pH: 1^рН^12. Большие
XXX
координация в [Pt(HHis)2]z*
XXXI
координация в [Pt(H_, Н18)2)‘
сдвиги в сильное поле для протонов Са : Н и С2 : Н при повыше-
нии pH отчетливо указывают на диссоциацию протонов как из
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
185
карбоксильной, так и из имидазольной групп. Таким образом,
гистидин образует хелаты с Pt(II), которым соответствуют фор-
мулы XXX и XXXI при низких и высоких значениях pH соответ-
ственно. Комплексы существуют в виде двух групп изомеров, и
для обоих групп был сделан полный анализ спектров. Химические
сдвиги протонов С2: Н дают возможность идентифицировать один
ряд изомеров как цис, а другой как транс. И, наконец, на осно-
вании спин-спиновых взаимодействий *Н—'Н и 195Pt—*Н можно,
дать отнесение конформаций хелатного кольца во всех частицах.
Для аналогичного комплекса Pd(II), Pd(L-His)2, длина волны
максимума УФ-поглощения и характер спектра кругового дихро-
изма (КД) (и то и другое по сравнению с аналогичными данными
для комплексов с другими аминокислотами) показывают, что
структура комплекса квадратно-плоскостная со связями
Pd—N(аминный) и Pd—N(имидазольный) [74].
Таким образом, Pd(II) и Pt(II) служат примерами, когда по-
рядок связывания металла не всегда такой, как порядок, в кото-
ром депротонируются потенциальные донорные атомы в отсутствие
ионов металла. Нет сомнения, что причину этого следует искать
в значительном увеличении ЭСКП при связывании Pd(II) и Pt(II)
с аминным и имидазольным атомами азота вместо карбоксильного
кислорода и имидазольного азота. Этот эффект может оказывать
влияние только на те ионы металлов, которые «чувствуют» стаби-
лизацию кристаллического поля, но есть и вторая причина того,
почему порядок значений рКа не всегда соблюдается при связы-
вании металлов. Стадия (2) в предложенной выше последова-
тельности приводит к обпазованию семичленного хелатного коль-
ца (XXXII), хотя известно, что энтропийный фактор не благопри-
семичленное хелатное кольцо 2+
в предложенной структуре [M(HHis)]
ятствует его образованию. Семичленные хелатные кольца редко
находят в других координационных соединениях, и (несмотря на
данные ИК-спектров [32]) еще предстоит объяснить, почему они
186
Глава 4
стабилизируются, когда гистидин и гистидилпептиды образуют
хелаты с металлами по атомам карбоксильного кислорода и имид-
азольного азота.
В случае взаимодействия Си(II) с гистидином существует
прямое и неразрешенное противоречие между данными ИК-спект-
ров для комплекса состава 1 : 1 в D2O [32] и анализом кристалли-
ческой структуры комплекса 1 :2. ИК-спектры показывают, что
за связыванием Си(II) с карбоксильным кислородом при очень
низких значениях pH следует при немного более высоких pH об-
разование семичленного хелатного кольца, в котором вторым до-
норным атомом является имидазольный азот. Исследования мето-
дами температурного скачка и остановленной струи реакции меж-
ду Си2+ и HHis* в интервале pH от 2,5 до 4,0 согласуются с
образованием комплексов [Cu(HHis)]+ и [Cu(HHis)2]2+; в этих
реакциях стадией, определяющей скорость, является замыкание
семичленных хелатных колец [О(карбоксильный), N(имидазоль-
ный)]. Авторы этих работ не могут воспроизвести наблюдаемую
кинетику, если их расчеты основываются на образовании пяти-
членных хелатных колец (по карбоксильному кислороду и амин-
ному азоту) [112]. По-видимому, кинетические расчеты не учи-
тывают существования других частиц, кроме [Cu(HHis)]2+ и
[Cu(HHis)2]2+. Новейшее и наиболее обширное исследование си-
стемы Си(II)—гистидин методом потенциометрического титрова-
ния показало, что в условиях, при которых измерялась скорость
некоторых реакций, частицы [Cu(HHis)]+ и [Cu(HHis) (His)] +
должны составлять до 7 и 24% соответственно от общего количе-
ства Си. В противоположность данным ИК-спектроскоиии и кине-
тическим данным анализ кристаллической структуры комплекса,
кристаллизующегося при pH 3,7, [Cu(b-HHis)2(H2O)2] (NO3)2,
показал, что молекулы гистидина координируются через атомы
азота аминогруппы и карбоксильного кислорода и что оба атома
в каждой имидазольной группе протонированы и не участвуют в
хелатообразовании (XXXIII) [113].
ск
.СН2 I
''С-
н
HC-NH
он2 сн2
°\J -'NH2"CH
NHj | --
он2
нсАсн
HN
Какой бы ни была
при низких значениях
хххш
структура комплексов Си(II) с гистидином
pH—[Cu(HHis)]2+ или [Cu(HHis)2]2+,—
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
187
имеются веские доказательства в пользу того, что при более вы-
соких значениях pH координация в частицах [Cu(His)]+ и
Си (His) 2 главным образом осуществляется по атомам азота ами-
ногруппы и имидазольного кольца. Участие атома азота амино-
группы в области pH от 5 до 11 подтверждается данными ИК-
спектров упомянутого выше типа [32], а прямым доказательством
связывания меди имидазольной группой является парамагнитное
уширение сигнала ЯМР протонов С2 : Н и С4: Н имидазольного
кольца. Константы образования [115], энтальпии образования [105,
116] и разложение с помощью Н2О2 комплексов Си (II) с гистиди-
ном очень похожи на те же величины для комплексов Cu(II) с
гистамином, образующихся в таких же условиях. (Гистамин не име-
ет карбоксильной группы, так что металл должен связываться с
атомами азота аминогруппы и имидазольного кольца.) Аналогичные
доказательства получены из спектров дисперсии оптического враще-
ния (ДОВ) комплекса Cu(His)2 при pH 8. Резких изменений в этих
спектрах не наблюдается при замене гистидина его метиловым
эфиром (это показывает, что вклад карбоксильной группы гисти-
дина в координацию незначителен), но они сильно отличаются от
спектров ДОВ комплекса с 1-метилгистидином, в котором невоз-
можна координация через азот имидазольного кольца [Н7]. Эти
заключения подтверждаются рентгеноструктурными данными.
В комплексе [Си ( ь-His) ( ь-Thr) (Н2О)] -Н2О, который преоблада-
ет в растворе, содержащем смесь лигандов при pH 6—8, гисти-
динатный лиганд образует сильные связи Си—N (аминный) и
Си—N (имидазольный) и более слабую связь Си—О (карбоксиль-
ный) в противоположном направлении (XXXIV) [118].
Однако недавно на основании исследования спектров ДОВ и КД
некоторых смешанно-лигандных комплексов [119] было сделано
предположение, что при pH 8,3 комплекс Cu(His)2 сам является
смешанным комплексом, в котором один гистидинатный остаток
является тридентатным, как в XXXIV, а другой образует хелат
по атому азота аминогруппы и карбоксильному кислороду, как
188
Глава 4
в ХХХШ. Ко времени написания этого обзора эти результаты
были подвергнуты сомнению [114, 117]. Ясно, что последнее слово
по поводу этой интересной проблемы еще не сказано.
За исключением комплекса Си (И) с карнозином [63, 120—
122], по поводу хелатов металлов с гистидилпептидами возникает
гораздо меньше противоречий и страстей по сравнению с гистиди-
ном. Мы отсылаем читателя к оригинальным работам [93, 97].
1.7. Гидроксильные атомы кислорода боковых цепей
Гидроксильные группы боковых цепей серина, треонина и ти-
розина, по-видимому, не являются местами связывания металла.
ПМР-исследование серина в присутствии ионов Cd2+ не показало
изменения химического сдвига сигнала протонов, обусловленного
связыванием Cd—ОН [56]. Энтальпия образования Cu(Ser)2 при
pH от 9,1 до 10,1 (от —12,6 до —13,4 ккал/моль) хорошо согласу-
ется со значениями А// для Cu(Gly)2 и Си(А1а)2 (от —12 до —13
и от —11 до —12 ккал/моль соответственно), в случае которых
можно не сомневаться в том, что нет взаимодействия с функцио-
нальными группами боковых цепей [106]. (При pH 12 ДЯ для
Си (Ser) 2 резко возрастает до —23 ккал/моль, возможно, вслед-
ствие образования полиядерных частиц с мостиковыми гидроксо-
группами [106].) Для других металлов первого переходного ряда
константы устойчивости комплексов с серином и треонином, с од-
ной стороны, и комплексов с а-аланином и ц-аминомасляной
кислотой—с другой, настолько похожи, что предполагается, что
им всем свойствен один и тот же тип хелатообразования [16].
Анализ кристаллической структуры Ni(b-Ser)2(OH2)2 [123],
Cu(b-Ser)2 [124] и Zn( L-Ser)2 [125] подтверждает, что коорди-
нация осуществляется только через атом азота аминогруппы и
карбоксильный кислород. В Zn( L-Ser)2 имеет место взаимодействие
XXXV
координация в Zn(L-Ser)2 ;
без образования хелата между боковой цепью серина в одном
комплексе и атомом Zn соседнего комплекса (XXXV), но приве-
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
189
денные термодинамические данные заставляют предположить, что
это взаимодействие не играет важной роли в растворе.
Уместно упомянуть здесь о неожиданном типе контакта между
атомами Си(П) и боковой цепью тирозина, обнаруженного струк-
турным анализом Cu(Gly-L-Leu- ь-Н_]Туг) -4Н2О- 1/2(С2Н5)2О
[126]. Координация Си пятью атомами лиганда в этом комплексе
XXXVI
Ъшиер Си (Gly-lrLeu-L-H-i Туг) '4 Н20 • 2(C2Hs)20
квардатно-пирамидальная (XXXVI). Фенольное кольцо располо-
жено примерно параллельно основанию пирамиды, а несколько
ароматических атомов углерода осуществляют связи с атомом Си,
которые значительно короче (3,2—3,3 А), чем рассчитанные по
сумме вандерваальсовых радиусов. Вторая структурная особен-
ность этого комплекса представляет особый интерес в связи с ре-
акцией депротонирования пептидных групп (разд. 4.5). Это комп-
лекс такого же типа, как (CuH_]L)2, но депротонированная пеп-
тидная группа лиганда находится по соседству с концом, содер-
жащим карбоксильную группу, а не аминогруппу. Трипептиды
образуют пятичленные хелатные кольца с двумя атомами Си, в
которых каждый атом Си связан с двумя молекулами лиганда;
этим объясняется их димерный состав.
1.8. Сульфгидрильные атомы серы*
Металлы, которые явно предпочитают серусодержащие доноры
(по сравнению с кислородсодержащими), занимают треугольник
* Обсуждение серусодержащих лигандов содержит полезные замечания
профессора Ливингстона.
90
Глава 4
в центре периодической таблицы и относятся к «классу (б)»
[127]. Они характеризуются способностью образовывать не только-
сильные о-связи с легко поляризуемыми лигандами, но также и
л-связи посредством обратного переноса электронов с Дя-орбита-
лей металла на dn- или рл-орбитали лиганда. Даны три объясне-
ния этой способности серусодержащих лигандов [128].
1. Электроотрицательность серы низкая (гораздо ниже, чем
брома, и примерно равна электроотрицательности углерода), а ее
поляризуемость высокая. Атом серы сильно поляризуется в поле
маленького иона металла с высокой плотностью заряда, даже
если ион металла имеет конфигурацию d10 i[Cu(I), Ag(I), Hg(II)].
2. Расчеты показали, что для ионов с конфигурацией d10 ни
поляризуемость, ни теплота образования простой ковалентной
связи не могут объяснить даже порядков устойчивости сравни-
ваемых связей металл—О и металл—S [128]. Поэтому пришли
к заключению о существовании dn—^п-связи металл—>-лиганд,
хотя следует признать, что в настоящее время еще нет прямых
доказательств этого.
3. Возможно, в случае связей с низкоспиновыми ионами с кон-
фигурацией d8 [Pd(II), Pt(II), Au(III)] такая дополнительная
стабилизация вызвана увеличением ЭСКП. Этот вопрос оконча-
тельно еще не решен, так как серусодержащие лиганды, по-види-
мому, должны находиться в различных местах спектрохимической
серии. Некоторые занимают место ближе к более низким значе-
ниям спектрохимического параметра вблизи иона Вг, другие, на-
пример тиоэфиры, занимают положения с промежуточными и вы-
сокими значениями спектрохимического параметра [129].
Хорошо известно особое сродство цистеинильных боковых це-
пей к Ag(I) и Hg(II); это свойство широко использовалось для
приготовления производных белков с тяжелыми атомами. Устой-
чивость [Ag(H_iCys)2]3- примерно такая же, как устойчивость
[Ag(CN)2]~. В растворах с низкими значениями pH доминируют
частицы [Ag(HCys)2]+ и комплексообразование в этой системе
заметно даже при pH 1,3 [130]. Однако связывание металлов
ионизированными тиоловыми группами боковых цепей цистеина
не ограничивается ионами металлов «класса (б)». Константы об-
разования цистеинатных комплексов Мп(П), Fe(II), Со(П),
Ni(II), Zn(II) и Pb(II) [131] значительно выше, чем константы
образования глицинатных [131—134] и гистидинатных [102, 104]
комплексов тех же металлов (табл. 4.5). Многие другие свойства
подтверждают, что повышенные устойчивости во всех случаях
сопровождаются связыванием металла с серой.
Например, в ИК-спектрах твердых образцов ряда цистеиновых
комплексов Zn(II), Cd(II), Hg(II) и Pb(II) отсутствует погло-
щение, обусловленное группой S—Н [108]. Два из этих комплек-
сов — Na2[Zn(H-iCys)2] -4Н2О и [Zn3(Cys)4] [ZnCl4],— очевидно,
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
191
Таблица 4.5
Логарифмы констант устойчивости некоторых комплексов ML+ и ML2
с глицином [132—134], гистидином [102, 104] и цистеином [131]
L tePioi lg₽102
Gly- His- Cys— Gly— His- Cys-
Мп(П) 3,2 3,2 5,8 5,5 6,1 10,3
Fe(H) 4,1 — 7,7 7,6 — 14,2
Со(П) 4,8 6,7 9,4 8,6 12,1 17,4
Ni(II) 5,7 8,4 10,8 10,6 15,1 23,5
Cu(II) 8,2 10,1 — 15,2 18,1 —
Zn(II) 5,0 6,3 10,3 9,2 11,7 20,0
Pb(II) 5,3 6,0 13,8 8,6 9,0 18,1
получены при высоких и низких значениях pH соответственно.
В спектре первого появление полосы НН2-группы указывает на
связывание металла с азотом аминогруппы, в то время как час-
тоты карбоксилатных групп (1588 и 1404 см-1) такие же, как для
свободной СОО~-группы. Анализ кристаллической структуры под-
тверждает, что геометрия координации является тетраэдрической
и что донорными атомами действительно являются азот амино-
группы и сера сульфгидрильной группы [136]. Существование и
структура полиядерного иона [Zn{Zn(Cys)2}2]2+ во втором комп-
лексе еще находятся под сомнением, но дублетная полоса (1510,
1600 см-1) и сильно асимметричная полоса валентных колебаний
карбоксилатной группы (1642 см-1) интерпретируются как доказа-
тельство того, что NHs-группы цистеина свободны, а СОО_-груп-
пы координированы. В соответствии с этим цистеин координирует-
ся к Zn(II) атомами азота и серы при высоких значениях pH и
атомами кислорода и серы при низких значениях pH [135]. При
отсутствии эффектов кристаллического поля такая координация
соответствует ожидаемой.
Качественное доказательство связывания металла с серой полу-
чают также из сравнения спектров в ультрафиолетовой и видимой
областях цистеинатных и других аминоацидатных комплексов.
Молярный коэффициент поглощения Pd(Cys)2 (в 1300 М^'-см-1
при ХМакс 337 нм) в 3 раза больше, чем молярные коэффициенты
поглощения соответствующих полос в УФ-спектрах комплексов
Pd(II), для которых известно, что аминокислоты координируются
через атомы азота аминогруппы и атомы кислорода карбоксиль-
ной группы [74]. Сравнение спектров комплексов Со (III) с цистеи-
192
Глава 4
ном NH2—СН2—СН2—SH и НООС—СН2—СН2—SH показало, что
в K3[Coin(H_iCys)3]-ЗН2О (зеленый, высокие pH) координация
осуществляется через атом азота аминогруппы и атом серы сульф-
гидрильной группы, а в Co(III) (Cys)3-3H2O (красный, низкие
pH) — через карбоксильный кислород и сульфгидрильную серу.
ИК-спектр зеленого комплекса подтверждает, что карбоксильные
группы в нем не координированы [138].
Комплексы Fe(III) с цистеином особенно важны, так как они
имеют отношение к изучению ферредоксина (гл. 22). Fe3+ (подоб-
но Си2+) катализирует окисление цистеина. Чрезвычайно лабиль-
ные комплексы с соотношениями металл—лиганд 1 : 1 (голубой),
1:2 (красный) и 1:3 (фиолетовая и зеленая формы, термически
равноценные) были выделены при —78 °C. Координация осущест-
вляется через кислород и серу в голубой, красной и фиолетовой
формах и через азот и серу в зеленой форме. Это доказывается
спектрами поглощения, ДОВ и КД, а также сравнением этих
спектров со спектрами аналогичных тиогликолятных комплексов
[139]. В родственном комплексе [Fen( L-Cys)2(CO)2] координация
осуществляется через атомы азота и серы. Тиоловая группа обла-
дает большим сродством к иону Ag+, чем к иону Fe2+, и ионы
Ag+ превращают комплекс в [Fe( L-CysAg)2(CO)2], в котором
Fe(II) связывается с цистеинатным лигандом теперь уже посред-
ством атомов азота аминогруппы и карбоксильного кислорода
[140].
Взаимодействие Си(II) с цистеином также осложняется вос-
становлением иона металла. Аминокислота окисляется до цисти-
на. Взаимодействие Cu(I) с меркаптидами широко исследовалось
титрованием в водно-ацетонитрильных растворах [141].
Упоминавшиеся до сих пор комплексы служили примерами
монодентатной координации только по атому серы и бидентатно-
го хелатообразования по N и S, N и О, О и S. Выводы о триден-
татном хелатообразовании со всеми функциональными группами
цистеина основаны на детальной интерпретации спектров ДОВ
растворов, содержащих ионы Со(II) и цистеинатные ионы [142].
Такая координация обнаружена также в кристаллической струк-
туре Na2[Moy (L-H_1Cys)2O4]-5H2O (XXXVII) [143]. Другими
XXX VII
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
193
интересными особенностями этой структуры являются мостики
Mov—О—Mov, двойные связи Моу=Оисвязи металл—металл
Mov—Mov (2,57 А). Атомы Mo(V) семикоординированы. .Перво-
начально этому комплексу была приписана формула Na2[Mo2O4( -l
H-i (Cys)2(H2O)2]-ЗН2О, а полоса 1590 см-1 в ИК-спектре была
отнесена к несимметричному колебанию некоординированной
СОО~-группы [144].
1.9. Тиоэфирные атомы серы
Предыдущее обсуждение поведения тиоловых (—S—) групп
также в значительной степени применимо к тиоэфирным группам
(—SR). Тиоэфирные атомы серы обладают меньшей поляризуе-
мостью и являются более слабыми донорами, чем сульфгидриль-
ные атомы серы, но они имеют меньше неспаренных электронов и,
следовательно, должны быть лучшими акцепторами dn-электронов
{128]. С боковой цепью метионина —CH2CH2SCH3 связывается
только небольшая группа ионов [«класса (б)»] с конфигурациями
d8 и d10: Pd(II), Pt(II), Ag(I), Cu(I) и Hg(II).
Связывание Pt(II) боковой цепью метионина было доказано
анализом кристаллической структуры нескольких производных
белков, a [PtnCl4]2- была предложена как специфическая метка
на наружные остатки метионина [145]. Кроме того, известны че-
тыре комплекса с метионином, анализ кристаллической структуры
которых подтверждает, что и Pd(II) и Pt(II) координированы
группами —SCH3 (как и было предсказано на основании их хи-
мических свойств [146] и ИК-спектров) [147]. Шестичленные хе-
латные кольца между атомами азота аминогрупп и серы тиоэфир-
ных групп встречаются в Pd(o,L-MetH)Cl2 [148], Pt(D,L-MetH)Cl2
и Pt( L-MetH)Cl2 [75] и между атомами пептидного азота и серы
тиоэфирных групп в [Pt(Gly-L-Met)Cl]-Н2О (XXXVIII и XXXIX)
XXXVIH
XXXIX
M(L-MetH)Cl2 в Pt(L-MetH)CT2,
Pt(4L-MetH)Cla и Pd(D,L-MetH)Cl2
13—2451
194
Глава 4
i[75]. Все четыре комплекса получены при низких значениях pH.
Эти комплексы являются примерами координации через амино-
группы (а в XXXIX—через пептидные), в то время когда карб-
оксильные группы лигандов еще протонированы (разд. 1.2). О ко-
ординации Pd (II) метионином через донорные атомы азота и серы
при более высоких значениях pH заключили на основании высо-
кого молярного коэффициента поглощения Pd(Met)2 в ультрафио-
летовой области (е 2220 при Хмакс 315 нм) [74].
В каждой из этих метионильных боковых цепей связывающие
металл донорные атомы серы занимают вершину тригональной
пирамиды, в углах основания которой находятся атомы углерода
метиленовой и метильной групп и атом Pt. Координация, таким
образом, создает новый хиральный (асимметрический) центр при
тиоэфирном атоме серы. Оба хиральных центра обнаружены в
кристаллической структуре хелатов Pt (II)—метионин: например,
в кристаллах Pt(b-MetH)Cl2 имеются два кристаллографически
независимых комплекса, в которых донорные атомы серы проти-
воположны в оптическом отношении <[75]. Это согласуется с на-
личием двух альтернативных мест связывания [PtCl4]2- остатка-
ми метионина в цитохроме с по одному с каждой стороны от ато-
ма серы [145].
Доказательством связывания Ag(I) через атомы серы являют-
ся высокие константы устойчивости иона [Ag(Met)2]- [149], а так-
же то, что положение полос валентных колебаний NH2-rpy.nn
Li[Ag(Met)2] и Li[Ag(Nle)2] отличается на 100 см-1 [25].
В [Ag(Met)2]_ в координации Ag(I) участвуют только атомы серы
метионина, что позволяет свободным амино- и карбоксильным
труппам образовывать хелат с атомами металлов «класса (а)».
Таким путем можно получить смешанно-металлические комплексы
с Сг(Ш), Fe(III), Co(II), Ni(II) и Cu(II) [25].
Образование комплекса Cu(I) с метионином можно продемон-
стрировать потенциометрическим титрованием смеси метионина и
Си1 (CH3CN) 4(0104) в водно-ацетонитрильном растворе. Известно,
что Cu(I) не координируется через .кислород, поэтому металл дол-
жен быть связан с метионином через атомы серы тиоэфирных
групп и, возможно, азота аминогрупп [141]. Важно также то, что
Си(II) не относится к металлам «класса (б)» и не взаимодейст-
вует с группами —SCH3. Анализ кристаллической структуры ком-
плекса Cu( D,L-Met)2 показал, что Cu(II) образует хелат с ме-
тионином обычным способом, т. е. посредством амино- и кар-
боксильной групп [150].
Еще недавно полагали, что Hg(II) в реакции с метионином
ведет себя только как металл «класса (а)» (см. ниже). Однако
при очень низких значениях pH добавление ионов Hg2+ к раство-
ру метионина вызывает в спектре ПМР большие сдвиги сигналов
наиболее близко расположенных к сере протонов в сторону ела-
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 195
бого поля. Эти сдвиги максимальны, когда отношение металл —
лиганд равно 1 :2, что свидетельствует о том, что главные обра-
зующиеся частицы имеют состав [Hg(H2Met)2]4+. Эти частицы
термодинамически устойчивы и кинетически лабильны [151].
Однако группы —SCH3 метионина в Hg(Met)2, а также в лю-
бом из комплексов M(Met)2 [М=Мп(П), Co(II), Ni(II), Cu(II),
Zn(II), Cd(II), Pb(II)] и M'(Met)3 [M'=A1(III), Cr(III), Bi(III),
Fe(III), Rh(III)] не связаны с атомом металла [25]. Данные
ИК-спектроскопии являются непрямыми (т. е. они доказывают
образование связей через атомы азота и кислорода, а не отсутст-
вие связи через атом серы), потому что полоса валентных коле-
баний связи С—S не наблюдалась в условиях описанного экспе-
римента. Доказательством того, что труппы S—СН3 в таких ком-
плексах, как Cr(Met)3, не участвуют в хелатообразовании,
является их 1способность связывать Ag(I), что приводит к обра-
зованию такого же типа смешанно-металлических комплексов,
как упомянутые ранее [25]. В случае Hg(Met)2 измерения сдви-
гов в спектрах ПМР растворов, содержащих Hg(II) и метионин,
при pH 9 подтверждают выводы, полученные из ИК-спектров
[151].
1.10. Мостиковые (дисульфидные) атомы серы
Мостики —S—S— цистина в одно и то же время являются
важным структурным звеном белков и очень реакционноспособ-
ным центром для связывания некоторых металлов. Ag(I) в вод-
ном растворе вызывает диспропорционирование, в результате ко-
торого образуются цистеин [стабилизированный в виде комплекса
с Ag(I)] и сульфиновая кислота [152]:
2RSSR + 2Н2О --> 3RS“ + RSO2H + ЗН+
Cu(I) связывается цистином, а Си(II) —нет. Комплекс может
содержать Си в неопределенной степени окисления. К равнове-
сию можно приблизиться с обеих сторон и в присутствии специ-
фических для Си(II) лигандов его можно сдвинуть дальше к ци-
стеину [141].
2Cu+ + RSSR
R
I
S
<- > Cu+|Cu+
S
I
R
R
-<—>- Cu2+///Cu2+ «=► 2Cu2++2RS“
Sz
I
R
Это объясняет, почему восстановление цистеином Си(II) в Си(1)
ингибируется в присутствии гистидина [специфического лиганда
13*
196
Глава 4
для Си(II)]. Фиолетово-черный комплекс стабилизируется в рас-
творе [153]. Его окраска, несомненно, обусловлена переносом за-
ряда, как показано центральными формулами в приведенном вы-
ше уравнении.
2. ЦЕННОСТЬ ИНФОРМАЦИИ, ПОЛУЧАЕМОЙ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ «МОДЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ»
Часто утверждается, что комплексы такого типа, как обсуж-
даемые в этой главе, представляют «биологический интерес».
Иногда это верно, так как некоторые комплексы встречаются в
биологических системах. Однако гораздо чаще фраза «биологиче-
ский интерес» выражает надежду, что систематическое изучение
многих комплексов поможет понять закономерности, в соответст-
вии с которыми осуществляется взаимодействие между ионами
металлов и 'встречающимися в природе лигандами. Многие встре-
чающиеся в природе лиганды — чрезвычайно сложные молекулы.
Исследовать систематически можно только комплексы с относи-
тельно простыми лигандами. Комплекс металла с пептидом может
иметь некоторые общие свойства с комплексом металла с белком.
Когда речь идет только об этих общих свойствах, простой ком-
плекс является «модельным соединением» для биологического
взаимодействия. Но мы должны помнить, что это модель, а не ко-
пия [154].
В качестве примера полезности и ограниченности модельных
соединений рассмотрим, в какой степени данные о кристалличе-
ской структуре простых комплексов Zn(II) помогли нам понять
один вопрос — геометрию центра, связывающего Zn(II) в кар-
боксипептидазе А. Этот пример выбран потому, что мы можем ис-
пользовать известные данные о кристаллической структуре белка
для контроля за правильностью наших предсказаний. Кроме того,
модельные структуры дают некоторые, но не все числовые данные,
которые одним только анализом структуры белка пока еще точно
получить нельзя.
Активный центр карбоксипептидазы (гл. 15) содержит aTOMZn.
Лигандами являются остатки His-69, His-196 и Glu-72, так что
известными донорными атомами являются два имидазольных ато-
ма азота и один или оба (карбоксильных атома кислорода из кар-
боксильных групп глутаминатной боковой цепи. В комплексах
Zn(II) с 'аминокислотами и пептидами координационное число
атома Zn почти всегда равно четырем (тетраэдрическая конфигу-
рация) , иногда — шести (октаэдрическая конфигурация) или име-
ет промежуточное значение (неправильная координация). Если
анализом структуры сложного белка [155, 156] показано, что ко-
ординация тетраэдрическая, молекула Н2О (или, возможно, га-
Таблица 4.6
Некоторые структурные параметры комплексов Zn(II)
А. Комплексы, описанные в данной главе
Комплекс Номер формулы Координа- ционное число Геометрия координации Донорные атомы
Z п(1т)2 Zn(ImH)2Cl2 Zn(L-His)a-2HaO Zn(D,L-His)a -5Н2О Zn(L-Ser)a Zn(Gly-Gly-Gly)(SO4)i/ • •4HaO Zn(L-H_1Glu)2HaO Zn(ImH), Cla-4H2O Zn(Gly-Gly)a-2HaO ZnfL-H-pAsp) -ЗН2О Zn(BiuH2) aCla XXVI XXV XXIX XXIX XXXV XIII XIV XXIV II XVI 4 4 4+2 | 4+2 J 5 6 6 6 6 6 6 Тетраэдр Тетраэдр плюс две сла- бые связи Искаженная квадратная пирамида Искаженный октаэдр Октаэдр 4 N (имидазоль- ный) 2 М(имидазоль- . ный), 2С1 2 N (аминогруп- пы) 2 N (имидазоль- ный) 2 ©(карбок- сильный) 2 N (аминогруп- пы) 3 □(карбок- сильный) 1 N (аминогруп- пы) 2 ©(карбоксиль- ный) 1 ©(пептид- ный), 2НгО 1 N (аминогруп- пы) 4 ©(карбок- сильный), 1Н2О (гб N (имидазоль- ный) 2 N (аминогруп- пы) 1 ©(карбоксиль- ный) 2 ©(пептид- ный), 1Н2О 1 N (аминогруп- пы) 3 ©(карбо- ксильный), 2Н2О 4 О (амидный), 2С1
Продолжение табл. 4-6
Б. Длины связей Zn(Il) —лиганд6
Связь Геометрия координации О1 Длина, А Число образцов
среднее значение интервал
Zn—N (имидазоль- ный) Тетраэдр 2,00 1,96—2,04 12
Октаэдр 2,20 2,15—2,26 6
Z—О (карбоксиль- ный) Искаженная 2,8 2,66—2,9 4
Квадратная пирамида 2,08 1,96—2,16 3
Октаэдр 2,09 2,03—2,20 9
Zn—О (пептидный) » 2,18 2,18—2,19 2
Zn—О (амидный) » 2,04 2,03—2,05 2
Zn—ОН2 2,14 2,07—2,19 6
В. Углы между связями лиганд — Zn — лиганд*
Угол Геометрия координации Угол, град Число образ- цов
среднее значе- ние интервал
N (имидазольный)—Zn—N (имида- зольный) Тетраэдр 109 105—117 13
Искаженная 115 112—117 2
Октаэдр 90 87—93 12
N (имидазольный)—Zn—О (карбо- ксильный) Искаженная — 77—164 2
О (карбоксильный) —Zn—О (карбо- ксильный) » — 81—139 2
Октаэдр 94 89—103 6
» — 876—149б 2
О (карбоксильный) —Zn—ОНг » 93 88—100 6
» — 776 1
аЦанные взяты из работы [9], за исключением значений для Zn(L-Ser)i [1251 я
Zn (Gly-Gly-Gly) (SOJ i/a-4HsO [37].
^Параметр относится к необычной связи, когда оба атома кислорода карбоксильной
группы взаимодействуют с одним и тем же атомом Zn.
вНе приводятся величины углов для случая, когда обе связи находятся в одном и том
же хелатном кольце.
Комплексы металлов с аминокислотами а пептидами
199
логенид-ион или другой ион) должна занимать четвертое коорди-
национное место. В процессе гидролиза молекула пептидного суб-
страта прикрепляется к атому Zn через атом кислорода той
пептидной группы, которая гидролизуется. Структуры модельных
соединений не позволяют предсказать, будет ли субстрат образо-
вывать дополнительную связь с .атомом Zn или он будет замещать
Рис. 4.3. Предсказанное окружение атома Zn (II), лигандами которого являются
две гистидильные и одна глутамильная боковые цепи и молекула Н2О.
один из имеющихся лигандов (например, молекулу воды). До-
вольно определенно только то, что, если связь Zn—О (пептидный)
не стабилизирована хелатообразованием, она должна стабилизи-
роваться с помощью других контактов между ферментом и моле-
кулами субстрата.
Для описания окружения атома Zn нам необходимы два типа
данных о структуре: длины связей Zn — лиганд и наиболее веро-
ятные значения углов между связями. Данные, которые можно
было отобрать из всех опубликованных данных структурных ана-
лизов соответствующих «модельных соединений», представлены в
табл. 4.6.
Данные табл. 4.6 приводят к следующим выводам: (а) связи
Zn—N (имидазольный) имеют длину 2,0 А, если предположить, что
координационная геометрия ближе к тетраэдрической, чем к окта-
200
Глава 4
эдрической; (б) длины связей Zn—О (карбоксильный), Zn—ОН2 и
(или) Zn—О (пептидный) равны 2,1—2,2 А. Мы должны учиты-
вать возможность того, что карбоксильная группа может коорди-
нировать Zn посредством обоих своих атомов кислорода. Если это
действительно имеет место, длина второй связи равна примерно
2,6 А, а угол между двумя связями Zn—О (карбоксильный) равен
примерно 60°; (в) единственные известные данные об углах
N (имидазольный)—Zn—О (карбоксильный) относятся к двум ком-
плексам Zn(II) с гистидином, в (которых связи Zn—О (карбоксиль-
ный) слабые и карбоксильные атомы кислорода занимают особые
координационные места (координационный полиэдр искажен).
В лучшем случае эти углы можно использовать как пределы (77
и 164°), (между которыми лежат углы в других комплексах;
(г) еще меньше данных имеется об углах между связями Zn—ОН2
и Zn—О (пептидный); (д) геометрия связывающих металлфунк-
циональных групп легче предсказуема, так как на примерах боль-
шого числа комплексов с разными металлами показано, что она
остается довольно постоянной. Таким 'образом, мы можем с уве-
ренностью сказать, что угол С—О—Zn при донорном атоме кар-
боксильного кислорода должен быть близок к 104° и что углы
С—N—Zn при донорных атомах имидазольного азота должны ле-
жать в интервале 121—131° и т. д.
Картина активного центра, которая, наконец, вырисовывается,
показана на рис. 4.3. Она такая, какую мы предсказали бы, если
бы наша информация об активном центре, как это часто случает-
ся, ограничивалась знанием только связывающих групп. Предска-
занную геометрию следует сопоставлять с детальной интерпрета-
цией структуры самого протеина (гл. 15).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Strecker А., Ann., 75, 27 (1850).
2. Wiedemann G„ J. Prakt. Chem., 42, 255 (1847); 43, 271 (1848).
3. Gurd F. R. N., Wilcox P. E., Adv. Protein Chem., 11, 311 (1956).
4. Гринипейн Дж., Виниц M„ Химия аминокислот и пептидов, «Мир», М., 1965,
гл. 6.
5. Martell А. Е„ Calvin М„ Chemistry of Metal Chelate Compounds, Prentice-
Hall, New York, 1962.
6. Nakamoto K., McCarthy P. J., Spectroscopy and Structure of Metal Chelate
Compounds, Wiley, New York, 1968.
7. Gillard R. D., Inorg. Chem. Acta. Rev., 1, 69 (1967).
8. Brill A. S., Martin R. B., Williams R. I. P„ in B. Pullman (ed.), Electronic
Aspects of Biochemistry, Academic Press, New York, 1964, p. 519.
9. Freeman H. C., Adv. Protein Chem., 22, 257 (1967).
10. Vallee B. L„ Williams R. J. P., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 59, 498
(1968).
11. Gillard R. D., Laurie S. FL, in «Amino Acids, Peptides and Proteins», Vol. 1,
The Chemical Society, London, 1969, p. 262.
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
201
12. Low В. W„ Hirshfeld F. L„ Richards F. М., J. Am. Chem. Soc., 81, 4412
(1959).
13. Sandmark C., Lindqvist I., personal communication, 1965, quoted in ref. [9].
14. Sharma V. S.. Mathur H. B., Indian J. Chem., 3, 475 (1965).
15. Boyd S., Brannan J. R„ Dunsmore H. S., Nancollas G. H., J. Chem. Eng. Da-
ta, 12, 12 (1967).
16. Raju E. V., Mathur H. B., J. Inorg. Nucl. Chem., 30, 2181 (1968).
17. Stack W. F., Skinner H. A., Trans. Faraday Soc., 63, 1136 (1967).
18. Brunetti A. P., Lim M. C., Nancollas G. H., J. Am. Chem. Soc., 90, 5120
(1968).
19. Letter J. E., Bauman J. E., J. Am. Chem. Soc., 92, 437 (1969); 92, 443
(1969).
20. Acland С. B., Freeman H. C., Chem. Commun., 1971, 1016.
21. Datta S. P., Grzybowski A. K., J. Chem. Soc., 1959, 1091.
22. Alner D. J., J. Chem. Soc., 1962, 3283.
23. Азизов Ю. M„ Мифтахова A. X., Торопова В. Ф., ЖНХ, 12, 661 (1967).
24. Rossotti F. J. C., in J. Lewis, R. G. Wilkins (eds.), Modern Coordination Che-
mistry, Interscience, New York, 1960, p. 57.
25. McAuliffe C. A., Quagliano J. V., Vallarino L. M., Inorg. Chem., 5, 1996
(1966).
26. Cotton F. A., in J. Lewis, R. G. Wilkins (eds.), Modern Coordination Che-
mistry, Interscience, New York, 1960, p. 387.
27. Гринберг А. А., Стеценко A. FL, Инкова E. FL, ДАН СССР, 136, 821
(1961).
28. Вольштейн Л. М., Володина И. О., ЖНХ, 5, 35 (1960).
29. Вольштейн Л. М„ Мотягина Г. Г., ЖНХ, 5, 1730 (1960.
30. Erickson L. Е., McDonald J. W., Howie J. К., Clow R. P., J. Am. Chem. Soc.,
90, 6371 (1968).
31. McDonald С. C., Phillips W. D„ J. Am. Chem. Soc., 85, 3736 (1963).
32. Carlson R. H., Brown T. L., Inorg. Chem., 5, 268 (1966).
33. Nakamoto K, Infra-Red Spectra of Inorganic and Coordination Compounds,
2nd edn., Wiley-Interscience, New York, 1970, p. 222.
34. Lindqvist L, Rosenstein R„ Acta Chem. Scand., 14, 1228 (1960).
35. Rao J. К- M„ Viswamitra M. A., Acta Cryst., B28, 1484 (1972).
36. Беляева К. Ф., Порай-Кошиц М. А., Малиновский Т. И., Асланов Л. А., Су-
ханова Л. С., Мартыненко Л. И., Ж. структ. хим., 10, 557 (1969).
37. Van der Helm D., Nicholas H. B., Abstracts, Am. Cryst. Assoc. Meeting,
Tucson, Paper F5, 1968; Acta Cryst, B26, 1858 (1970).
38. Gramaccioli C., Acta Cryst., 21, 600 (1966).
39. Van der Helm D., Willoughby T. V., Acta Cryst, B25, 2317 (1969).
40. Rabin B. R., Biochem. Soc. Symp., 15, 21 (1958).
41. Dyer H. B„ Acta Cryst., 4, 42 (1951).
42. Cavalca L., Nardelli M., Fava G„ Acta Cryst, 13, 594 (1960).
43. Mitschler A., Fischer J., Weiss R., Acta Cryst., 22, 236 (1967).
44. Haas D. L, Nature, 201, 64 (1964).
45. Roux J. F., Boeyens J. C. A., Acta Cryst., B25, 1700 (1969).
46. Hinton J. F., Amis E. S., Chem. Commun., 1967, 100.
47. Hinton I. F., Amis E. S„ Mettetal W., Spectrochim. Acta, A25, 119 (1969).
48. Pfeiffer P„ Organische Molekillverbindungen, Enke, Stuttgart, 1927, quoted
in ref. [4].
49. Davies C. W., Waind G. M., J. Chem. Soc., 1950, 301.
50. Monk С. B., Trans. Faraday Soc., 47, 285, 292, 297, 1233 (1951).
51. Freeman H. C., Robinson G., Schoone J. C., Acta Cryst., 17, 719 (1964).
52. Nardelli M., Fava G., Giraldi G., Acta Cryst., 16, 343 (1963).
53. Kedzia В. B., Armendarez P. X., Nakamoto K., J. Inorg. Nucl. Chem., 30, 849
(1968).
54. Nuttall R. H„ Melson G. A., J. Inorg. Nucl. Chem., 31, 2979 (1969).
202
Глава 4
55. Freeman Н. С., Smith I. Е. W. L„ Acta Cryst, 20, 153 (1966).
56. Li N. C„ Scruggs R. L., Becker E. D., J. Am. Chem. Soc., 84, 4650 (1962).
57. Kim M. K., Martell A. E„ J. Am. Chem. Soc., 91, 872 (1969).
58. Kim M. K., Martell A. E., Biochemistry, 3, 1169 (1964).
59. Kim M. K, Martell A. E„ J. Am. Chem. Soc., 88, 914 (1966).
60. Martell A. E., Kim M. K-, personal communication.
61. Hartzell C. R„ Gurd F. R. N., J. Biol. Chem., 244, 147 (1969).
62. Osterberg R., S joberg B., J. Biol. Chem., 243, 3038 (1968).
63. Freeman H. C„ Szymanski J. T., Acta Cryst., 22, 406 (1967).
64. Bell J. D., Freeman H. C., Wood A. M., Driver R„ Walker W. R., Chem. Com-
mun, 1969, 1441.
65. Freeman H. C., Schoone J. C., Sime J. G., Acta Cryst., 18, 381 (1965).
66. Freeman H. C., Taylor M. R„ Acta Cryst., 18, 939 (1965).
67. Sugihara A., Ashida T„ Sasada У., Kakudo M„ Acta Cryst., B24, 203
(1968).
68. Manyak A. R., Murphy С. B., Martell A. E„ Arch. Biochem. Biophys., 59, 373
(1955).
69. Martin R. B., Chamberlin M., Edsall J. T., J. Am. Chem. Soc., 82, 495
(1960).
70. Kim M. K, Martell A. E„ J. Am. Chem. Soc., 89, 5138 (1967).
71. Billo E. I., Margerum D. W., J. Am. Chem. Soc., 92, 6811 (1970).
72. Freeman H. C., Guss J. M., Sinclair R. L., Chem. Common., 1968, 485.
73. Pagenkopf G. K., Margerum D. W„ J. Am. Chem. Soc., 90, 501 (1968).
74. Wilson E. W„ Martin R. B., Inorg. Chem., 9, 528 (1970).
75. Freeman H. C„ Golomb M. L., Chem. Common., 1970, 1523.
76. Michailidis M. S., Martin R. B„ J. Am. Chem. Soc., 91, 4683 (1969).
77. Gillard R. D., McKenzie E. D., Mason R., Robertson G. B„ Nature, 209, 1347
(1966).
78. Barnet M. T., Freeman H. C., Buckingham D. A., Hsu I. N„ Van der Helm D.,
Chem. Common., 1970, 367.
79. Gillard R. D., Harrison P. M., McKenzie E. D„ J. Chem. Soc. (A), 1967,
618.
80. Banaszak L. J., Watson H. C., Kendrew J. C„ J. Mol. Biol., 12, 130 (1965).
81. Boas J. F., Pilbrow J. R„ Hartzell C. R., Smith T. D., J. Chem. Soc. (A), 1969,
572.
82. Koltun W. L., Fried M., Gurd F. R. N., J. Am. Chem. Soc., 82, 233 (1960).
83. Rao G. N.. Li N. C„ Can. J. Chem., 44, 1637 (1966).
84. Driver R.. Walker W. R„ Aust. J. Chem., 21, 671 (1968).
85. Edsall ]. T., Felsenjeld G., Goodman D. S., Gurd F. R. H., J. Am. Chem. Soc.,
76, 3054 (1954).
86. Eilbeck W. J., Holmes F„ Underhill A. E., J. Chem. Soc. (A), 1967, 757.
87. Goodgame D. L., Goodgame M., Hayward P. I., Rayner-Canham G. W„ Inorg.
Chem., 7, 2447 (1968).
88. Akhtar F., Goodgame D. M. L., Goodgame M., Rayner-Canham G. W.,
Skapski A. C., Chem. Common., 1968, 1389.
89. Sandmark C„ Acta Chem. Scand., 21, 993 (1967).
90. Lundberg В. K. S„ Acta Cryst, 21, 901 (1967).
91. Strandberg B„ Svensson B., Branden C. L, personal communication in ref.
[9].
92. Candlin R., Harding M. M., J. Chem. Soc. (A), 1967, 421.
93. Bryce G. F., Gurd F. R. N., J. Biol. Chem., 241, 122 (1966).
94. Baraniak E., Freeman H. C„ James J. M., J. Chem. Soc. (A), 1970, 2558.
95. Inoue M., Kishita M., Kubo M„ Bull. Chem. Soc. Japan, 39, 1352 (1966).
96. Jarvis J. A. J., Wells A. F„ Acta Cryst., 13, 1028 (I960); see also ref. [9],
p. 413.
97. Bryce G. F., Roeske R. W., Gurd F. R. N„ J. Biol. Chem., 240, 3837 (1965).
98. Harding M. M., Long H. A., J. Chem. Soc. (A), 1968, 2554.
Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами
203
99. Candlin R„ Harding М. М., J. Chem. Soc. (А), 1970, 384.
100. Fraser К. A., Harding М. М., J. Chem. Soc. (А), 1967, 415.
101. Valladas-Dubois S., Compt. rend., 237, 1408 (1953); Bull. Soc. Chim. France,
1954, 831; Compt. rend., 246, 2619 (1958).
101a. Harding M. M., Cole S. J., Acta Cryst., 16, 643 (1963); Kretsinger R. H.,
Bryan R. F., Cotton F. A., ibid., 651.
102. Perrin D. D., Sharma V. S., J. Chem. Soc. (A), 1967, 724.
103. Perkins D. J., Biochem. J., 55, 649 (1953).
104. Freeman H. C., Martin R. P., J. Biol. Chem., 244, 4823 (1969).
105. Raju E. V., Mathur H. B., J. Inorg. Nucl. Chem., 31, 425 (1969).
106. Thornton A. C. R„ Skinner H. A., Trans. Faraday Soc., 65, 2044 (1969).
107. Burk D„ Hearon J. Z., Caroline L., Schade A. L., J. Biol. Chem., 165, 723
(1946).
108. Earnshaw A., Larkworthy L. F., Nature, 192, 1068 (1961).
109. Sitnplicia Wilkins R. G., J. Am. Chem. Soc., 89, 6092 (1967).
110. Morris P. J., Martin B. R., J. Inorg. Nucl. Chem., 32, 2891 (1970).
111. Morris P. J., Martin R. B„ J. Am. Chem. Soc., 92, 1543 (1970).
112. Pearlmutter A. F., Stuehr J. E., J. Am. Chem. Soc., 90, 858 (1968).
113. Evertsson B„ Acta Cryst., B25, 30 (1969).
114. Sigel H., Griesser R., McCormick D. B., Arch. Biochem. Biophys., 134, 217
(1969).
115. Doran M. A., Chaberek S„ Martell A. E„ J. Am. Chem. Soc., 86, 2129 (1964).
116. Meyer I. L., Bauman J. E., J. Am Chem. Soc., 92, 4210 (1970).
117. Sigel H., McKenzie R. E., McCormick D. B„ Biochim. Biophys. Acta, 200, 411
(1970).
118. Freeman H. C., Guss J. M., Healy M. J., Martin R. P„ Nockolds С. E., Sar-
kar B., Chem. Commun., 1969, 225.
119. Wellman К. M., Wong В. K., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 64, 824 (1969).
120. Martin R. B., Edsall J. T„ J. Am. Chem. Soc., 82, 1107 (1960).
121. Lenz G. R., Martell A. E„ Biochemistry, 3, 745 (1964).
122. Kustin K-, Pasternack R. F., J. Am. Chem. Soc., 90, 2295 (1968).
123. Van der Helm D., Hossain M. B., Acta Cryst., B25, 457 (1969).
124. Van der Helm D., Franks W. A., Acta Cryst., B25, 451 (1969).
125. Van der Helm D., Nicholas A. F„ Fisher C. G., Acta Cryst., B26, 1172
(1970).
126. Van der Helm D., Franks W. A., J. Am. Chem. Soc., 90, 5627 (1968);
Franks W. A., Van der Helm D., Acta Cryst., B27, 1299 (1970).
127. Ahrland S., Chatt J., Davies N. R.. Quart. Rev., 12, 265 (1958).
128. Livingstone S. E., Quart. Rev., 19, 386 (1965).
129. Jorgensen С. K, J. Inorg. Nucl. Chem., 24, 1571 (1962); Inorg. Chim. Acta
Rev., 2, 65 (1968).
130. Valladas-Dubois S., Compt. rend., 231, 53 (1950).
131. Doornbos D. A., Pharm. Weekblad, 103, 1213 (1968).
132. Gergely A., Acta Chim. Acad. Sci. Hung., 59, 309 (1969).
133. Evans W. P., Monk С. B., Trans. Faraday Soc., 51, 1244 (1955).
134. Albert A., Biochem. J., 47, 531 (1950).
135. Shindo H„ Brown T. L., J. Am. Chem. Soc., 87, 1904 (1965).
136. Lum R. P. K, Eriks K-, Abstracts, Am. Cryst. Assoc . Ottawa, Paper D4,
1970.
137. Gorin G., Spessard J. E., Wessler G. A., Oliver I. P„ J. Am. Chem. Soc., 81,
3193 (1959).
138. McCormick B. J., Gorin G., Inorg. Chem., 2, 928 (1963).
139. Tomita A., Hirai H„ Makishima S., Inorg. Chem., 7, 760 (1968).
140. Tomita A., Hirai H., Makishima S., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 4, 715 (1968).
141. Hemmerich P. in J. Peisach, P. Aisen, W. E. Blumberg (eds.), The Bioche-
mistry of Copper, Academic Press, New York, 1966, p. 15.
204
Глава 4
142. Urry D. IF., Miles D., Caldwell D. J., Eyeing H., J. Phys. Chem., 69, 1603
(1965).
143. Knox J. R., Prout С. K.. Acta Cryst., B25, 1857 (1969).
144. Kay A., Mitchell P. С. H„ Nature, 219, 267 (1968).
145. Dickerson R. E„ Eisenberg D., Varnurn J., Kopka M. L„ J. Mol. Biol., 45, 77
(1969).
146. Вольштейн Л. M., Могилевкина M. Ф., ЖНХ, 8, 597 (1963).
147. McAuliffe C. A., J. Chem. Soc. (A), 1967, 641.
148. Stephenson N. C„ McConnell J. F., Warren R., Inorg. Nucl. Chem. Lett., 3,
553 (1967); Warren R. C„ McConnell J. F., Stephenson N. C., Acta Cryst.,
B26, 1402 (1970).
149. Lenz G. R„ Martell A. E„ Biochemistry, 3, 750 (1964).
150. Veidis M. V., Palenik G. J., Chem. Commun., 1969, 1277.
151. Naitusch D. F. S., Porter L. Chem. Commun., 1970, 596.
152. Ref. [4], p. 645.
153. Hallman P. S.. Proc. XII. I.C.C.C., 1970, 127.
154. Malmstrom B. G., Plenary Lecture, XII Int. Conf. Cordination Chem., Sydney,
1969, Butterworth, London, 1970.
155. Lipscomb W. N., Accounts Chem. Res., 3, 81 (1970).
156. Lipscomb W. N., Hartsuck I. A., Quiocho F. A., Reeke G. H., Proc. Natn.
Acad. Sci., 64, 28 (1969).
157. Holmes F., Williams D. R., J. Chem. Soc. (A), 1967, 1702.
158. Bauman J. E., Wang I. C„ Inorg. Chem., 3, 370 (1964); see also Williams,
J. Chem. Soc. (A), 1968, 2965.
ГЛАВА 5
ТРАНСПОРТ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА
МИКРОБАМИ (СИДЕРОХРОМЫ)
Дж. Б. Нейлендс
Neilands I. В., Biochemistry Department, University of
California, Berkeley, California, USA
1. ОБЩИЙ ОБЗОР
1.1. Введение
Из гл. 4 мы знаем, что 'функциональные группы пептидов могут
связывать ионы металлов. В данной главе мы обсудим структуры
некоторых специфических пептидов и других комплексообразую-
щих агентов, которые продуцируются микроорганизмами и, по-
видимому, специально предназначены для связывания железа.
В ходе эволюции переход от анаэробной к аэробной атмосфере*
потребовал мощных специальных агентов для очень малораство-
римого иона Fe(III) [Kso гидроксида железа(Ш) ПР^Ю-36].
Вследствие этого большинство аэробных и «случайно» аэроб-
ных микроорганизмов, по-видимому, способны накапливать и
транспортировать железо и механизмы этих процессов примерно
эквивалентны тем, которые показаны схематически на рис. 5.1.
В этой схеме можно выделить следующие основные черты: а) био-
синтез специфического лиганда для иона Fe(III) в ходе фермен-
тативных реакций; б) регуляция при помощи железа генетическо-
го аппарата, производящего описываемые здесь ферменты; в) диф-
фузия лиганда к мембране, поверхности клетки пли в среду, свя-
зывание иона Fe(III) и активный транспорт иона металла в виде
его комплексов в клетку; г) накопление комплекса Fe(III) в клет-
ке, последующее восстановление и доставка атома железа в тре-
буемое место биосинтетическим аппаратом клетки. В условиях
низких концентраций железа перепроизводство лиганда 'может
привести к образованию значительного количества не связанных
с металлом молекул лиганда, которые должны быть выведены из
клетки в среду.
* «Аэробная» и «анаэробная» атмосфера — термины неудачные: лучше было
бы «содержащая» и «не содержащая» кислорода атмосфера. — Прим. ред.
206
Глава 5
Внешняя
Внутренняя
железосодержащий фермент и йелок
ген-репрессор оператор- гена eeng еенв и т.й.
ныа ген
Рис. 5.1. Схема микробной железотраиспортирующей системы и ее оперой.
Информация, содержащаяся в генах, транскрипируется в молекулы матричной (информа-
ционной) РНК и передается от них для синтеза ферментных белков. Серии генов, таких, как
обозначенные буквами а, б и в, могут находиться под контролем операторного гена. При
ингибировании этого операторного гена геном-репрессором прекращается синтез всех белков,
которые соответствуют всем генам, контролируемым этим операторным геном.
1.2. Терминология
Содержащим железо метаболитам красно-коричневого цвета,
характеризующимся полосой поглощения при 420—440 нм, было
дано общее название «сидерохромы» [1]. Метаболиты, обладаю-
щие способностью промотировать рост, были названы «сидерами-
нами», а метаболиты с антибиотическими свойствами —«сидеро-
мицинами». Такая терминология не вполне удовлетворительна, так
как ряд соединений нельзя отнести ни к факторам роста, ни к ан-
тибиотикам. Более того, некоторые антибиотики этого класса в
зависимости от используемого организма могут служить и факто-
рами роста (табл. 5.2). К тому же феноляты железа(III) (класс
соединений с такой же биофункцией, как сидерохромы) также
имеют максимум поглощения вблизи 500 нм. >По этой причине, по-
видимому, желательно отказаться от названий «сидерамины» и
«сидеромицины» и оставить термин «оидерохромы» или «железо-
форы» для всех микробных железотранспортирующих факторов.
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
207
В настоящем обзоре будет .использоваться название «сидерохром»
{sidero — железо, chrome — цвет); работающие в этой области
должны будут разработать удовлетворительную номенклатуру.
1.3. Классификация
В данном обзоре основное внимание будет уделено химии мик--
робных железотранспортирующих соединений. Но, кроме тогог
будет приведено достаточно данных, полученных в результате
биологических исследований, чтобы показать, что в действительно-
сти главной ролью этих веществ является роль «капсул» или «обо-
лочек». Таким образом, область на рис. 5.1, обозначенная как «ак-
с =0
I
N-O-
✓
R1
Рис. 5.2. Фенолятные (внизу) и гидроксаматные (вверху) комплексы железа (III),
найденные в микробных железотранспортирующих соединениях.
тивная транспортная зона», слишком нехарактерна для настояще-
го обзора. Понятно, что особое внимание должно быть уделено
структуре соединений, так как какой бы ни была биологическая
функция, она всегда будет зависеть и определяться химическим
строением молекул.
В настоящее время мы различаем два главных типа сидеро-
хромов—феноляты и гидроксаматы. Оба лиганда представляют
собой слабые кислоты (р/Са — 9), и координационная сфера свя-
занного иона металла состоит только из атомов кислорода
(рис. 5.2). На этом рисунке показаны структуры комплексов со-
става 3:1, в которых заняты все шесть октаэдрически располо-
женных координационных мест иона Fe(III). Вещества, ближе
других связанные с метаболизмом железа, представлены энтеро-
бактином (I) [2] и феррихромом (Va) [3], относящимися соответ-
ственно к фенолятной и тидроксаматной сериям; их молекулы со-
держат по 6 атомов кислорода каждая. Кроме того, здесь будет
описан ряд соединений, которые, как полагают, также участвуют
в транспорте железа, но содержат меньше шести связующих ато-
мов в молекуле; но главное внимание будет уделено системам ти-
па энтеробактина и феррихрома.
208
Глава 5
Классификация на феноляты и тидроксаматы является одной
из наиболее четких, но, к сожалению, она 'несовместима с разно-
образием структур, представленных факторами микробного транс-
порта железа. Так, микобактерия синтезирует множество соедине-
ний, называемых 'микобактинами (XI) [4], которые содержат две
гидроксаматные связи (т. е. четыре атома кислорода), одну фено-
лятную группу и остаток замещенного оксазолина, причем шестым
металлсвязывающим атомом является атом азота оксазолина.
Следовательно, микобактины можно рассматривать как гибрид
чистых тригидроксаматной и трифенолятной систем. Кроме того,
и аэробактин (IX) [5] из Aerobacter aerogenes и деферришизоки-
нины (Ха) [5а] из Bacillus megaterium включают две гидроксамат-
ные группы и внутренний остаток лимонной кислоты, имеющий
свободную карбоксильную и гидроксильную группы, каждая из
которых может координироваться к связанному с гидроксаматом
иону Fe(III) (X). В общем можно сказать, что тидроксаматы
встречаются в грибах, дрожжах и бактериях. Трифенолят до сих
пор обнаруживали только в истинных бактериях.
1.4. Биосинтез
Прежде чем начать обсуждение структур соединений, транс-
портирующих железо, полезно рассмотреть некоторые факторы,
регулирующие их биосинтез, главный из которых — железо. Роль
железа в этом процессе впервые была описана Гарибальди и Ней-
лендсом около 15 лет назад. Они продемонстрировали накопление
большого количества свободного от металла лиганда при культи-
вировании головневых грибов Ustilago sphaerogena и других мик-
роорганизмов при низких концентрациях железа [6]. Полное ис-
ключение железа из среды, естественно, будет препятствовать
росту всего организма, и, очевидно, данные, приведенные на
рис. 5.3, следует соотносить с выходами клеток. Поэтому незна-
чительное стимулирование железом образования деферрисидеро-
хрома может объяснить высокие выходы клеток, или же можно
предположить участие железа в ферментативных биосинтетиче-
ских процессах. При концентрации соли железа примерно 10-5 М
обычно происходит усиленный рост клеток и не происходит выде-
ление транспортных лигандов. Тот факт, что регулирующее влия-
ние иона металла можно наблюдать уже при концентрации при-
мерно 10-7 М, заставляет предположить репрессивный механизм,
но более убедительное доказательство этому получают в резуль-
тате эксперимента, в котором железо добавляют к культуре, ак-
тивно синтезирующей гидроксамат, — синтез продолжается не-
сколько часов, на основании чего исключается предположение
о ферментативном ингибировании добавленным железом. Изменяя
содержание железа в питательной среде некоторых дрожжей и
грибов, создают возможность для образования гидроксамата в
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)209
количестве, составляющем несколько граммов на литр среды [7].
Столь высокие выходы никогда не наблюдают для фенолятов из
бактерий, даже когда уровень железа «оптимальный», хотя обра-
зование фенолята аналогичным образом подавляется железом. Это
отражает различия в оперонах и ферментах, которые управляют
синтезом гидрокса матов и фенолятов. .По аналогии с биосинтезом
малых пептидов, подобных грамицидину, мы допускаем, что фраг-
менты деферрисидерохрома собираются посредством некодиро-
ванного процесса.
Рис. 5.3. Общая зависимость, от-
ражающая подавление железом
производства деферрисидерохро-
мов, наблюдаемое в различных ви-
дах микробов.
1g (количество добавленного
железа, г-атом/л)
Гарибальди [7а] сделал интересное открытие, что флюорес-
цирующая псевдомонада, которая была выделена из испорченного
куриного мяса при 2 °C, при 28 °C разрушается с образованием
сидерохрома гидроксаматного типа. Для роста при более высоких
температурах требуется или больше железа, или следовые коли-
чества железотранспортирующих соединений.
Природа связывающих центров деферрисидерохрома показана
на рис. 5.4. Эта схема иллюстрирует тот факт, что биосинтезы фе-
нолята (энтеробактина) относительно хорошо прослеживаются
вплоть до ферментативного уровня [8]; железо не участвует в
этом биосинтезе. Таким образом, путь а на рис. 5.4 представляет
переход хоризмата в обычные ароматические соединения и за-
канчивается энтеробактином; единственной целью этого стимули-
рования, по-нидимому, является синтез сидерохрома (энтеробак-
тин, I). В случае гидроксаматного сидерохрома гидроксилирова-
ние атома азота может осуществляться либо до (путь б, рис. 5.4),
либо после (путь в, рис. 5.4) ацилирования. Первая реакция, бо-
лее выгодная термодинамически, осуществляется в случае ферри-
14—2451
210
Глава 5
хрома [9] и хадацидина [10], в то время как с аспергилловой
кислотой [11] (и, возможно, с .микобактином [4]) свободное гид-
роксиламинопроизводное может и не образовываться в качестве
промежуточного соединения.
С практической точки зрения сведения о способности железа
подавлять некоторые биосинтетические процессы оказались чрез-
вычайно важными для получения достаточных количеств железо-
транспортирующих соединений для биологических исследований.
Если такие соединения не удается обнаружить, то это может
означать, что: а) организм имеет альтернативный механизм для
< ароматический путь
—^2,3-Ъиоксибензоат -* -* энтеробактин
он о
। 11 ,
R—N-C—R
Рис. 5.4. Пути, посредством которых биосинтезируются атомы, связывающие
металл, в фенолятных (вверху) и гидроксаматных (внизу) деферрисидерохромах.
усвоения железа; б) соединения не выделяются; в) они произво-
дятся в количествах, меньших того предела, когда их можно обна-
ружить; г) организму требуются для синтеза особые концентра-
ции железа или д) природные или создаваемые искусственно ве-
щества в среде 'могут выполнять не только транспортную 'функ-
цию. Углеродные субстраты, которые могут окисляться только
через цикл трикарбоновых кислот (ТК.К), должны иметь макси-
мальную потребность в железе [12].
К сожалению, очень мало известно о метаболизме и распаде
сидерохромов. Почвенные микроорганизмы Pseudomonas Fc-1 спо-
собны расти на феррихромах как на единственном источнике уг-
лерода и азота. Первоначальная атака осуществляется пептидаза-
ми, которые расщепляют циклический пептид при карбоксильном
атоме углерода 6-М-ацил-6-Ь1-оксиорнитинтрипептида [13]. Желе-
зо можно заменить алюминием, но деметаллированные соединения
не расщепляются.
1.5. Биологическое действие
С точки зрения структуры феррихромные соединения (V) от-
носятся к наиболее интенсивно исследованным в биохимии. Пол-
ное кристаллографическое представление тщательно разработано
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)211
для феррихрома A (V6) [14]. Феррихром (Va) [15] был синте-
зирован и исследован методами протонного магнитного резонанса
[16], электронного парамагнитного резонанса и спектроскопии
Мессбауэра [17]. Из фенолятпроизводных только энтеробактин
(I) не был синтезирован химически. Теперь полезно рассмотреть,
насколько структура этих довольно полно изученных соединений
соответствует их биологической функции, иллюстрируемой рис. 5.1.
Первоначальное предположение о том, что феррихром (Va)
[18] и итоевая кислота (IV) [19] действуют как агенты, перено-
сящие железо, в значительной мере основывалось на том факте,
что комплексы железа(III) чрезвычайно стабильны (константа
образования ~ 1030), в то время как аналогичные комплексы же-
леза (II) сравнительно неустойчивы. Эти данные подтверждают
механизм, предполагающий освобождение железа в ходе реакции,
и в то же время исключают возможность переноса электрона в
процессе окисления—восстановления центрального иона металла.
Было установлено, что продукты, образовавшиеся при недостатке
железа, должны иметь в клетке определенные эволюционные пре-
имущества, и это также согласуется с тем, что оба соединения —
и феррихром (Va) и итоевая кислота (IV) —действуют как аген-
ты, переносящие железо. Доказательство другого типа основано
на том, что некоторые грибы и бактерии, живущие главным обра-
зом в почве и навозе, требуют для роста сидерохромы (табл. 5.2).
Впоследствии обнаружили, что синтетические хелатирующие аген-
ты в надлежащих концентрациях могут промотировать рост при-
родных сидерохромных ауксотрофов [20]. Как показал Эмери
[21], феррихром играет роль непосредственного переносчика же-
леза в U. sphaerogena— головневых грибах, которые, как извест-
но, славятся своей необычайно высокой способностью синтезиро-
вать сидерохромы. Для Bacillus megaterium, дикий тип которой
продуцирует шизокинины [22], можно получить мутанты, нужда-
ющиеся в сидерохромах [23]. Стабильный комплекс микобактина
с хромом(III) конкурнрующе подавляет активность фактора роста
микобактина в некоторых микобактериях [4]. Это означает, что
физиологически активной формой метаболита является комплекс
микобактина с металлом, по-видимому, комплекс железо(Ш)ми-
кобактин (XII). Наконец, роль природного гидроксамата желе-
за(Ш) как переносчика железа может быть сопоставлена с экспе-
риментами по выявлению его антагонизма токсичности родствен-
ных ему антибиотиков класса сидерохромов. Так, сидерохромы,
активные как факторы роста, 'блокируют проникновение таких ан-
тибиотиков в клетки Staphylococcus aureus [24]; по-видимому, ме-
ханизм этого процесса — конкуренция с транспортной системой
такого же типа. Иногда внутри клетки сидерохромный антибиотик
может оказаться токсичным для различных процессов [25] (в за-
висимости от его конкретной структуры), которые могут не иметь
14*
212
Глава 5
никакого отношения к метаболизму железа и которые соответст-
венно не обращаются аналогами сидерохромов.
Так как биологическая активность гидроксаматов и фенолятов
железа(III) может 'быть одинаковой — первые характерны для
грибов и дрожжевых частиц, а вторые функционируют (в соответ-
ствии с последними данными) только в истинных бактериях, —
по-видимому, вполне приемлемо для выяснения механизма их био-
логического действия использовать такие микроорганизмы как Ва-
рне. 5.5. Поглощение железа штам-
мом Bacillus subtilis dhb-4 при до-
бавлении 50 мкг/мл итоевой кислоты
(----------) и без нее (------------
[Pe/ers, Warren, Biochim. Biophys.
Acta, 165, 255 (1968)].
cillus sp. и особенно группу энтеробактерий типа Escherichia colt и
Salmonella typhimurium. Например, из Ustilago sp. невозможно
получить феррихромный ауксотроф; такие мутанты были бы же-
лательны, поскольку у дикого типа высока концентрация сидеро-
хрома. Таким образом, весомые доказательства активного транс-
порта сидерохромов, впервые полученные Петерсом и Уорреном
[26] в опытах с Bacillus subtilis, были вскоре подтверждены дру-
гими исследователями, использовавшими Е. coli [27] и S. typhimu-
rium [28].
Выделение из культуры В. subtilis первого фенолятного дефер-
рисидерохрома, итоевой кислоты [19] (название которой проис-
ходит от /гоп Transferring Ortho-phenol), охарактеризованной как
2,3-диоксибензоил глицин (IV), последовало после того, как из
других видов бактерий был выделен его сериновый аналог (III)
[29], бис-лизиновое производное (II) [30] и энтеробактин (I) [2].
Было показано, что, за исключением бис-лизинового соединения,
все другие фенолятные деферрисидерохромы транспортируют же-
лезо в организмах В. subtilis, Е. coli и S. typhimurium соответст-
венно.
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
213
Как показано на рис. 5.5, Петерс и Уоррен [26] установили,
что итоевая кислота стимулирует поглощение железа мутантны-
ми штаммами В. subtilis, частично блокированными в биосинтезе
этого деферрисидерохрома. Поглощение железа зависит как от тем-
пературы, так и от энергии и, по-видимому, повышено в клетках,
накапливающих железо. Аналогичные данные были получены Ван-
гом и Ньютоном [27], которые, работая с Е. colt, показали, что
для вхождения железа требуется активная транспортная система,
а также 2,3-диоксибензойная кислота или ее эквивалент; неизвест-
но, проводились ли такие исследования с энтеробактином.
8 час
Рис. 5.6. Иллюстрация феррихромного антагонизма альбомицина и метод отбора
мутантов Salmonella typhimurium, не активных в феррихромном транспорте.
Исследование биохимической генетики S. typhimurium убеди-
тельно продемонстрировало участие сидерохромов в переносе же-
леза. Этот организм образует серию мутантов, которые способны
расти в среде с минимальным содержанием цитрат-иона только
при добавлении солей железа, энтеробактина или других синтети-
ческих или природных связующих агентов [28]. По-видимому,
в среде с минимально низкой концентрацией этих веществ цитрат
связывает железо и делает его бесполезным для клетки. Энтеро-
бактин (I) при низкой концентрации облегчает усвоение S5Fe сус-
пензией клеток ауксотрофов S. typhimurium; при этом в .молярном
отношении он в 100 раз активнее, чем III. Мутанты делятся на
два класса: те, которые в процессе биосинтеза блокируют 2,3-ди-
оксибензойную кислоту, и те, которые не способны соединять эту
кислоту с серином. Эксперименты с трансдукцией при участии Фа-
га Р-22 дают основание предположить, что гены для биосинтеза
энтеробактина собраны в «железном опероне». S. typhimurium LT2
хорошо растет на сложной естественной среде и вообще чувстви-
телен к альбомицину (рис. 5.6). Высказывалось мнение, что штам-
мы, устойчивые к антибиотикам, не имеют сидерохромной транс-
214
Глава 5
портной системы; эта гипотеза подтверждена с помощью ферри-
хрома, меченного тритием (рис. 5.7) [31]. Таким образом, даже
если S. typhimurium не синтезирует тидроксаматы, он содержит
транспортную систему для группы широко распространенных в
природе сидерохромов. Поскольку некоторые энтеробактерии мо-
Рис. 5.7. Поглощение меченного три-
тием феррихрома клетками Salmo-
nella typhimurium (Pollack I. R„ Do-
ctoral Dissertation, University of Ca-
lifornia, Berkley, 1970).
гут создавать как фенолятные, так и гидроксаматные оидерохро-
мы [5], способность S. typhimurium продуцировать последние мог-
ла исчезнуть ,в ходе эволюции.
1.6. Назначение структуры сидерохромов
Определив функцию сидерохромов как переносчиков железа,
целесообразно рассмотреть в свете их признанной биологической
роли химическую структуру и свойства наиболее типичных соеди-
нений— фенолята железа(Ш) [железо(III)энтеробактин (1а)] и
гидроксамата железа(III) [феррихром (Va)].
Энтеробактин растворим в эфире, но его комплекс с желе-
зом (III) имеет отрицательный заряд, равный —3, и растворим
только в полярных растворителях. Феррихром умеренно раство-
рим в метаноле и нерастворим почти во всех неполярных средах.
Таким образом, растворимость в воде комплекса железа, по-ви-
димому, присуща всем этим системам. С другой стороны, мико-
бактины с ионом металла или без него растворимы только в ли-
пофильных средах, и именно этим можно объяснить тот факт, что
отличные от микобактина сидерохромы неактивны в ауксотрофных
микобактериях.
В феррихроме три гидроксаматных аниона соединяются с
ионом железа(III), образуя нейтральный комплекс; в энтеробак-
тине комплекс железа имеет суммарный заряд —3 (так же как в
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
215
феррихроме А, заряд обусловлен остатком дикарбоновой кислоты
в ацильном заместителе гидроксамовой кислоты). Все низшие фе-
ноляты, такие, как Реш(|итоевая кислота) з, также имеют большой
отрицательный заряд. Однако родоторулиевая кислота (VI)
[32] —деферрисидерохром, обычно обнаруживаемый в некоторых
дрожжах, в комплексе с железом состава 1 : 1 имеет общий поло-
жительный заряд, равный единице. Таким образом, функции си-
дерохромов, по-видимому, в значительной степени определяются
общим зарядом.
Как уже было отмечено, присутствие исключительно атомов
кислорода в качестве координирующих центров во всех деферри-
сидерохромах будет гарантировать высокое отношение устойчи-
востей Fe(III)/Fe(II). В земной коре железо, окисляясь кислоро-
дом, выделяемым в процессе фотосинтеза, находится главным об-
разом в состоянии окисления +3. И поэтому для эффективного
комплексообразования требуются лиганды, обладающие высоким
сродством именно к состоянию окисления +3. Исследование ком-
плексообразования некоторых ионов металлов с синтетическими
и природными гидроксамовыми кислотами показало, что наибо-
лее прочно с ними связывается ион Fe(III) [lg/G деферриоксами-
на В с Fe(III) равен 30,6] (табл. 5.1) [33]. Такие высокие кон-
станты связывания сопоставимы с константами лучших синтети-
ческих связывающих реагентов для железа(III), используемых в
неорганической аналитической химии. Железо в феррихроме на-
ходится в «ионном», высокоспиновом [34] состоянии и довольно
Таблица 5.1
Константы устойчивости железо(Ш)тригидроксамат-
ных сидерохромов®
Лиганд IgK Увеличение по сравнению с триацетилгид- роксаматом
Деферриферрихром 29,1 0,8
Деферриферрихризин 30,0 1,7
Деферриферриоксамин В 30,5 2,2
Деферриферриоксамин Di 30,8 2,5
Деферриферрихром А ~32,0 3,7
Деферриферриоксамин Е 32,4 4,1
aAnderegg G. et al., Helv. Chim. Acta, 46, 1409 (1963); Wetlands J. B.. Experentla Suppl.,
IX, 22 (1964).
216
Глава 5
быстро обменивается [35]. Комплекс с железом(III) образуется
быстро и устойчив при высоких значениях pH; его можно переве-
сти в гидроксид только действием разбавленной щелочи. Ферри-
хром А, в котором сконцентрированы три отрицательных заряда,
удерживает железо еще прочнее, чем феррихром, и гораздо более
устойчив к действию щелочи [36]. Меньше известно о свойствах
фенолятных сидерохромов железа; известно лишь, что в условиях,
при которых железо (III) гидроксаматы образуются быстро [37],
фенолятный комплекс образуется медленнее. Известно также, что
железо(III) феноляты, производные пирокатехинов, устойчивы и
используются в промышленном производстве чернил.
Как показано на рис. 5.1, предполагается, что в условиях нор-
мального питания железом ([Fe]^10~7 М) транспортные лиган-
ды пассивно направляются к поверхности клетки, где они могут
захватывать железо из среды. Стенка клетки должна действовать
как матрица, ограничивающая диффузию таких молекул; некон-
тролируемое выделение в среду было бы расточительным для ор-
ганизмов, живущих в воде, но может быть полезно для питания
организмов, обитающих в почве. Однако при низкой концентра-
ции железа нарушение регуляторного контроля над биосинтезом
деферрнсидерохрома привело бы к его перепроизводству и, сле-
довательно, накоплению в среде. Это могло бы обусловить образо-
вание очень небольшого количества железа в окружении, доступ-
ном для клетки; возможно, это очень важно экологически для
роста смешанных популяций в почве.
Глубокие конформационные изменения лиганда, сопровождаю-
щие комплексообразование в водной среде, были исследованы в
ряду феррихромов с помощью метода ПМР [16]. Можно ожидать,
что аналогичное конформационное изменение будет наблюдаться
и в случае энтеробактина. Возможно, благодаря этому конформа-
ционному изменению поверхность клетки приобретает способность
селективно удалять деферрисидерохромы. Интересно отметить, что
для ионофоров одновалентных катионов щелочных металлов так-
же характерны конформационные различия между свободным и
комплексным состояниями ионофора [38].
К сожалению, мы еще слишком мало знаем о химии микроб-
ных мембран для предсказания детального механизма включения
сидерохромов в клетку. Однако основным процессом, посредством
которого сидерохромы попадают в клетку, является активный
транспорт [26, 27]. Устойчивость к антибиотическому сидерохрому
альбомицину была использована для отбора мутантов, неактив-
ных в транспорте сидерохромов, но это нельзя установить, если
мутантам недостает специфических связывающих белков [31].
Транспорт железа, подобно транспорту других важных питатель-
ных веществ, может быть очень сложным и многостадийным про-
цессом.
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
217
В случае гидроксаматных сидерохромов кажется очевидным,
что комплекс не может диффундировать назад через мембрану.
Так, феррихром .первоначально был выделен из клеток U. sphaero-
gena, и опыты с применением меченного радиоактивным изотопом
лиганда показали, что деферрисоединение не выходит из клетки
до тех пор, пока все железо не будет израсходовано за счет свя-
зывания в железосодержащие ферменты и белки [21]. И опять
следует учитывать конформационные различия между свободными
и комплексными частицами и (или) привлечь интактную энергию
метаболизма системы для объяснения причины сохранения хелат-
ного соединения. Высокий уровень содержания кобальта в среде
для роста организмов вызывает накопление сидерохромов в клет-
ках или мицелии грибов [40]. Механизм такого влияния кобальта
не ясен, но можно представить конкуренцию с Fe(II) за репрес-
сорные белки, предполагая при этом, что комплекс кобальт—белок
не способен присоединяться к операторному гену.
Флавопротеины из U. sphaerogena катализируют восстановле-
ние феррихромного железа под действием TPNH или DPNH*, при-
чем более предпочтителен первый [41]. Специфичность этой реак-
ции вызывает сомнения; в любом случае вряд ли клетке выгодно
освободить железо из сидерохрома раньше, чем потребуется ме-
талл. Такая реакция может и иметь место, если железо необходи-
мо сделать восприимчивым к гидроксилированию и осаждению.
Таким образом, гораздо убедительнее выглядит гипотеза, которая
позволяет мысленно представить прямую передачу железа акцеп-
тору, например порфириногену или порфириноген-апоферментному
комплексу. В культурах с низким содержанием железа при ста-
рении некоторые полифункциональные сидерохромы как фенолят-
ного, так и гидроксаматного типов подвергаются распаду, но еще
не установлено, действительно ли для освобождения железа тре-
буется такой «деструктивный» механизм. Высокая активность
сидерохромов должна означать, что молекулы-носители сохраня-
ются и посредством каталитического цикла вводят железо в
клетку.
Известно, что феррохелатаза связана с липидом и что ферри-
хром— эффективный донор железа для этого фермента [42]. Фер-
рихром проявляет универсальную активность по отношению ко
всем сидерохромным ауксотрофам (за исключением микобакте-
рий) , которую можно объяснить способностью этого особого
транспортного агента растворяться ib неводных растворителях ти-
па спиртов. >В случае Arthrobacter JC-9 сидерохромы могут быть
полностью заменены синтетическими липидорастворимыми связы-
* TPNH — трифосфопириднннуклеотид, восстановленная форма, DPNH —ди-
фосфопиридиннуклеотид, восстановленная форма — устаревшие названия. Теперь
первое соединение называют никотинамидадениндинуклеотид (НАДН), второе —
никотинамиддинуклеотидфосфат (НАДФН). — Прим, перев.
218
Глава 5
вающими агентами, которые нужно использовать в подходящих
концентрациях [20]. Все эти данные заставляют предположить,
что по крайней мере у Arthrobacter сидерохромы не являются спе-
цифическими «коферментами», участвующими во внутреннем ме-
таболизме железа в клетке, а просто служат для передачи иона
металла в то место, где он может быть превращен в физиологиче-
ски функциональное производное.
Следует упомянуть еще об одной проблеме, связанной с транс-
портом железа. Деферриферрихромы обычно готовят посредством
ферментации в условиях низкой концентрации железа и последую-
щей кристаллизацией с добавлением солей Fe(III) и Fe(II) (при
насыщении воздухом). Вследствие особого уникального располо-
жения связей от трех молекул гидроксамовых кислот шесть ато-
мов кислорода лиганда приобретают особенное специфическое
расположение вокруг иона металла [43]. В области длин волн,
соответствующих максимуму поглощения тригидроксамата желе-
за (III) (около 420—440 нм) [3], проявляется эффект Коттона,
а кристаллографический анализ феррихрома А показывает, что
абсолютная конфигурация окружения иона железа является кон-
фигурацией левостороннего пропеллера [14]. Интересно отметить,
что построение молекулы железо (III)энтеробактина с помощью
пространственных моделей показало, что для этого сидерохрома
возможна такая же абсолютная конфигурация [2].
1.7. Распространение
Возможно, что все аэробные и «случайно» аэробные мик-
робные клетки продуцируют сидерохромы или нуждаются ib них.
Рассмотрение очень большого числа дрожжей и дрожжеподобных
организмов показало, что родоторулиевая кислота (VI) является
общим деферрисидерохромом для всех этих частиц; кроме того,
обнаружено образование культурой Crytococcus melibiosus ново-
го аланинсодержащего феррихрома [компонент 'С (Уж)] [7].
В общем случае сидерохромы, являющиеся производными
б-М-ацил-Ь-б-Ы-оксиорнитина, обычно встречаются в грибковых
культурах ‘актиномицетов, базидиомицетов и несовершенных гри-
бов [13]. Один из актиномицетов, Streptomyces griseus, образует
антибиотики феррихромного типа [альбомицин, гризеин (Уи—Ул),
a Pseudomonas fluorescens выделяет циклический декапептид, фер-
рибактин [44], содержащий и о- и ь-формы б-М-оксиорнитина.
Следующий, более высокий гомолог этой аминокислоты, ь-е-Ы-ок-
силизин, найден в семействе деферрисидерохромов из микобакте-
рий [микобактины (XI)] [4] и в аэробактине (IX) [5] из Aerobac-
ter aerogenes. Сидерохромы ‘актиномицетов отличаются тем, что
содержат основания, которые можно рассматривать как продукты
декарбоксилирования а-амино-со-оксиаминокислот, а именно а-ами-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
219
Таблица 5.2
Сидерохромо-зависимые ауксотрофные микроорганизмы
Источник Активные факторы3 Литера- тура
А. Природный 82
Pilobolus kleinii Экстракт навоза, копроген, феррихром, ге- мин
Arthrobacter terregens Террегенс-фактор, гемин, копрогеи, ферри- хром, аспергилловая кислота, экстракты почвы и печени, синтетические хелатирую- щие агенты, микобактин 83
Arthrobacter JG-9 (A. fla- vescens ATCC 25091) Террегенс-фактор, ферриоксамин В, ферри- хром, аспергилловая кислота, копрогеи, гризеин, микобактин, гемин, высшие фуза- ринииы, родоторулиевая кислота, а цетил- гидроксамовая кислота и синтетические хелатирующие агенты 20, 84
Microbacterium lacticum ATCC 8181 Феррихром, копроген, террегенс-фактор, ге- мовые соединения, гликозил глицин 85
Mycobacterium johney Микобактины 4
Б. Индуцированный
Bacillus megaterium, ATCC 19213 (Sk-му- танты) Шизокиннны, ферриоксамин В, ферримицин, А, феррихром, микобактин, 2,3-диоксибен- зойная кислота, ацетилгидроксамовая кислота, природные и синтетические хела- тирующие агенты 23
Escherichia coli (Chr 2-му- 2,3-Диоксибензоилсерин, цитрат 27
тант)
Salmonella typhimurium LT2 (ЕпЬ-мутанты) Диоксибеизоилсерин, эптеробактин, ферри- хром, шизокинин, деферриферриоксамин Е, родоторулиевая кислота, аскорбат- ион и ЭДТА 28
® Деферрисидерохромы в большинстве случаев были бы так же активны, как комплексы с
железом, если бы не предпринимались меры для удаления загрязняющих количеств железа
нз среды. Большинство сидерохромных ауксотрофов обладают способностью расти в присут-
ствии высоких концентраций неорганического железа.
ночо-оксиамино'пента'н или а-амино-щ-оксиаминогексан; такие про-
дукты, называемые ферриоксаминами или ферримицинами (XV,
XVI), найдены во всех детально исследованных актиномицетах
[45].
Сидерохромы фенолятного типа также широко распространены
в микробах, особенно в истинных бактериях. Выделены и охарак-
теризованы следующие деферрисидерохромы: 2,3-диоксибензоил-
глицин [итоевая кислота (IV)] [19] из В. subtilis, 2,3-диоксибен-
зоилсерин (III) юз Е. colt [29] и A. aerogenes [46], бис-2,3-диокси-
бензоиллизин (II) [30] из Azotobacter vinelandii и энтеробактин
220
Глава 5
(I) [2] из 8. typhimurium. Специфический пирокатехин этих де-
феррисидерохромов, 2,3-диоксибензойную кислоту, можно обнару-
жить в актиномицетах, грибах и высших растениях [8].
Сидерохромиую активность можно обнаружить ib почве и на-
возе, откуда можно заключить, что такие соединения имеют общее
значение в метаболизме железа микробами. Степень их важности
определяется существованием обоих как .природных, так и инду-
цированных ауксотрофов для таких метаболитов (табл. 5.2). Ге-
мин активен для нативных иуксотрофов; нет сомнения, что такие
штаммы адаптировались к использованию нескольких природных
железосодержащих соединений. Тот факт, что сидерохромные ан-
тибиотики, такие, как альбомицин (Уз) и ферримицин (ХУд), обла-
дают «широким спектром» действия, свидетельствует о повсемест-
ном распространении транспортных механизмов для этих веществ
[47]. Возможно, Fe(II) достаточно растворимо в культурной сре-
де анаэробных частиц для того, чтобы отпала необходимость в си-
дерохромных носителях, но эта точка зрения нуждается в экспе-
риментальной проверке. Специфические транспортные системы
для ионов металлов, отличных от железа, могут и не требоваться,
поскольку такие ионы обычно гораздо более растворимы, чем же-
лезо, и, кроме того, они требуются в меньших количествах.
1.8. Заключение
В схеме, показанной на рис. 5.1, имеются некоторые детали,
которые напоминают 'метаболизм железа у млекопитающих, не-
смотря на то, что высшие организмы, ,по-видимому, не содержат
сидерохромов [48]. Так, у животных не существует никакого ме-
ханизма для выведения железа. Этот элемент всасывается через
стенки кишечника по мере необходимости. В этом много общего
у микробов и животных; однако, возможно, только животные име-
ют сложные устройства для запасания железа и накопления его
в ферритине, хотя этот белок, по-видимому, встречается и у неко-
торых Phycomyces sp. [49]. Сидерохромы должны присутствовать
в кишечнике высших животных, но значение этих веществ для ме-
таболизма железа в организме-хозяине пока неясно. Способность
получать железо, по-видимому, является ключом к пониманию
изменчивости и патогенности при микробном заражении [50].
С медицинской точки зрения представляет значительный инте-
рес роль пацифарина [51], сидерохрома фенолятной группы [52].
Не считая нескольких интересных работ, а именно по гемовым
требованиям некоторых нематод [53], пока нет ни одного система-
тического исследования сидерохромов всех животных. Ткани жи-
вотных обладают очень ограниченной способностью преобразовы-
вать ароматические соединения; следовательно, можно ожидать,
что их сидерохромы, если они существуют, будут относиться к гид-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)221
роксаматной группе. Предполагают, что некоторые животные .мем-
браны .содержат 'низкомолекулярные вещества, образующие хела-
ты с железом [54].
Мезилат деферриферриоксамина В выпускается компанией Ci-
ba Pharmaceutical под торговым названием «десферал» и находит
важное применение для удаления патологических отложений же-
леза, а также для нейтрализации случайно проглоченного железа
[55]. Оксимочевина, синтетическая гидроксамовая кислота, ис-
пользуется 1в химиотерапии рака; она контролирует синтез ДНК,
очевидно, за счет связывания железа в белок Вг риботидоредук-
тазного комплекса [56].
Гидроксамовые кислоты и (или) сидерохромы были найдены
в морских водорослях [57] и некоторых высших растениях [58],
но их роль в этих жизненных формах не установлена. Высшие
растения, произрастающие при низких концентрациях железа, вы-
деляют вещества, напоминающие деферрисидерохромы [59]. Син-
тетические хелатирующие агенты делают железо доступным для
растений без присоединения другого лиганда [60]; было бы инте-
ресно систематически исследовать растительный метаболизм из-
вестных микробных сидерохромов, обычно встречающихся в поч-
ве. Синтетические гидроксамовые кислоты применяются ib агро-
технике для того, чтобы сделать железо более доступным. Такие
вещества .могут, ингибируя уреазу, препятствовать .потере аммиа-
ка из почвы [61].
В заключение можно сказать, что сидерохромы играют актив-
ную роль в транспорте железа в микробах, которая в некоторых
отношениях параллельна роли мембраноактивных «ионофоров»
для катионов щелочных металлов [38]. Очевидно, небольшое
уменьшение диффузной подвижности, возникающее из-за увели-
чения молекулярной массы комплексного иона, более чем компен-
сируется преимуществом органической оболочки. Синтез последней
можно точно регулировать и, кроме того, специфические транс-
портные системы для комплекса могут быть локализованы в кле-
точной мембране. При низких .концентрациях железа происходит
увеличение внутренней плотности деферрисидерохромных молекул,
благодаря чему организм может выделить больше лиганда и за-
хватить больше ионов металла из среды. .При высоком дефиците
железа лиганд выделяется в среду в значительном количестве и
служит для растворения нерастворенных остатков железа. Этим
транспортная система защищает клетку от вторжения токсических
количеств неорганического железа и выбрасывает лиганд, не на-
грузив его специфическим ионом металла.
В последние годы появился ряд обзоров, касающихся различ-
ных аспектов химии сидерохромов. Читатель отсылается к стать-
ям, в которых рассматриваются в основном феррихромы [3, 13],
ферриоксамины [1], сидерохромные антибиотики [47] и микобак-
222
Глава 5
тины [4]. В данной главе особое внимание будет уделено фенолят-
ным сидерохромам, так как .сведения о них до сих пор не собраны
в литературе.
2,. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
2.1. Методы исследования
Методы идентификации сидерохромов довольно хорошо .разра-
ботаны в химии природных продуктов. Однако первоочередная за-
дача состоит в том, чтобы увеличить их выход; этого можно до-
биться, регулируя соответствующим образом концентрацию железа
в среде. Возможно, иногда необходимо, как в случае Rhodotorula
pilimanae, для (получения максимального выхода добавлять в сре-
ду больше углерода и азота [32]. Лучше всего выделить вещество
без железа, но если это не удастся, железо можно удалить из
комплекса с помощью различных методов [3].
Все известные фенолятные деферрисидерохромы растворимы в
органических растворителях при значении pH, которое примерно
на 2 единицы ниже значения рКо карбоксильной группы. Хотя эн-
теробактин (I) не имеет свободной кислотной группы, он может
присутствовать в среде в виде комплексов с ионами и перед экс-
тракцией должен быть отделен от них путем подкисления. Гидро-
литические фрагменты, полученные с 6 н. НС1, .а также 2,3-диокси-
бензойную кислоту и а-аминокислоту можно обнаружить по мето-
ду Арноу [62] и по реакции с нингидрином соответственно. Кроме
того, многоосновные фенолокислоты при ультрафиолетовом облу-
чении обнаруживают интенсивную и характеристичную флуорес-
ценцию [19].
Гидроксамовые сидерохромы более разнообразны по структуре,
но и у них прослеживаются некоторые общие свойства. Эти соеди-
нения обычно можно экстрагировать либо смесью хлороформ—фе-
нол (1:1 по весу), либо бензиловым спиртом [3]. Из этих орга-
нических растворителей активное начало можно вернуть в воду
добавлением больших количеств эфира. При гидролизе не содер-
жащих железа молекул под действием 6 н. НС1 из гидроксамат-
ной части образуются положительно заряженные частицы тетра-
золийгидроксиламина. Гидролиз с 6 н. HI превращает гидроксил-
аминогруппу в первичную аминогруппу [4]. Гидрлиз под действи-
ем НС1 в присутствии железа приводит к образованию артефактов
с отличными выходами. Перйодат является реагентом для изби-
рательного окисления связей в гидроксамовой кислоте, поскольку
при такой обработке и сложноэфирные, и амидные связи в моле-
куле остаются интактными [3].
Гидроксаматные сидерохромы являются всегда вторичными,
так как в них к атому азота (гидроксиламина присоединена ал-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)223
кильная группа [—CON (ОН) R]. Все гидроксаматы такого типа
гладко превращаются при обработке перйодатом в легко обна-
руживаемый димер quc-нитрозоалкана (амм при 267 нм ~ 10)
[3]. Можно предполагать, что карбоксилатные группы, образую-
щиеся после окисления перйодатом, присоединены к гидроксил-
аминогруппам по связям гидроксамовой кислоты в первоначаль-
ной молекуле. Изменения в спектре гидроксамата железа (III) при
изменении pH могут помочь детально установить структуру же-
лезосодержащего центра.
И диоксибензоильные кольца, и свободные гидроксиламино-
группы неустойчивы в щелочной области pH до соответствующих
им значений рКа-
2.2. Феноляты
2.2.1. Энтеробактин
энтеробактин (I)
железо (III) энтеробактин (1а)
Энтеробактин (I) был получен из культуры Salmonella typhi-
murium LT2 с низким содержанием железа, к которой были до-
бавлены ионы марганца [2]* в относительно высокой концентра-
ции. Соединение кристаллизуется из смеси этанол—вода, т. пл.
202—203 °C.
* Идентичное соединение, названное энтерохелином, было выделено из
бульона Escherichia coli и других кишечных бактерий Гибсоном с сотр. [62а].
S. typhimurium образует приблизительно только 6 мг на 10 л среды. Для получе-
ния большего количества этого соедииення можно использовать штамм 62-1
Гибсона Aerobacter aerogenes.
224
Глава 5
Энтеробактин практически нерастворим .в воде, но легко рас-
творяется в ацетоне, диоксане, диметилсульфоксиде или метаноле.
Его растворимость в воде увеличивается при значениях pH 7—8,
при которых гидроксильная группа в .положении 2 начинает иони-
зоваться. Эта группа нейтральна при электрофорезе на бумаге
при pH 5 и обнаруживает яркую голубую флуоресценцию в
ультрафиолетовом свете, характерную для 2,3-диоксибензоильных
колец. Гидролиз под действием 6 н. НС1 в качестве единственных
идентифицируемых фрагментов дает ь-серин и 2,3-диоксибензой-
ную кислоту; элементный анализ на С, Н и N позволяет предпо-
ложить, что структура энтеробактина представляет собой ангид-
рид, состоящий из этих двух фрагментов.
ИК- и ПМР-спектры энтеробактина напоминают спектры
2,3-диоксибензоилсерина. Сильное поглощение при 1760 см-1 мож-
но отнести к деформационным колебаниям сложноэфирной карбо-
нильной группы. ПМР-спектры при 220 МГц в дейтеродиметил-
сульфоксиде с тетраметилсиланом в качестве внутреннего стан-
дарта имеют следующие характеристики: 6 = 8,90, дублет (амид),
6 = 7,30, дублет (ароматические протоны), 6=6,96, дублет (арома-
тические протоны), 6=6,71, триплет (ароматические протоны),
6 = 4,91, сложная полоса (а-протоны), 6=4,64, сложная полоса
(метиленовые протоны) и 6=4,41, сложная полоса (метиленовые
протоны). В масс-спектре главный ион имеет т/е 223, что соот-
ветствует мономеру; метилирование энтеробактина диазометаном
дает ионы, Miacca которых соответствует димеру или более высоко-
молекулярному соединению. Седиментационное равновесие в воде
и D2O показало, что энтеробактин является тримером с .молеку-
лярной массой 669 и структурой, изображенной формулой I. Та-
ким образом, энтеробактин является циклическим триэфиром
u-серина, в котором все три аминогруппы ацилированы остатками
2,3-диоксибензойной кислоты.
Железо(Ш)энтеробактин (1а) проявляется при электрофорезе
на бумаге при pH 6,5 как трехвалентный анион; предполагается,
что его структура такая, как показано формулой Га. Три пирока-
техиновые группы расположены по одну сторону от плоскости
12-членного циклического полиэфира и образуют левосторонний
пропеллер вокруг иона Fe(III). Это абсолютно такое же распо-
ложение, как d-конфигурация, обнаруженная в феррихроме А
кристаллографически [14].
Мутанты S. typhimurium, не способные синтезировать ком-
плекс I, реагируют с ним при молярных концентрациях на два
порядка меньших, чем те, которые требуются, когда сидерохро-
мом является 2,3-диоксибензоилсерин. Последнее соединение, по-
видимому, может использоваться для транспорта железа, хотя ме-
нее эффективно у Salmonella и, возможно, в других видах. Одна-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)225
ко вполне вероятно, что энтеробактин является главным
активным сидерохромом в этих микроорганизмах*.
Энтеробактин проявляет пацифариновую активность в мыш-
цах [626]; очевидно, она идентична ингибированию колипина В,
которое обнаружено в кишечных бактериях [62в].
2.2.2. 2-№£-№-Ди(2,3-диоксибензоил)-1.-лизин (II)
Это соединение было получено в виде белого аморфного по-
рошка с выходом приблизительно 90 мг/л при росте Azotobacter
vinelandii О в среде с низким содержанием нитрата железа [30].
Оно отличается от соединения, полученного химически путем аци-
лирования обоих атомов азота ь-лизина 2,3-диоксибензойной кис-
лотой. Хотя комплекс с железом не был исследован, интересно
отметить, что точно такое же число атомов, а именно 5, разделяет
две ацилированные аминогруппы в энтеробактине. Это позволяет
предположить, что соединение II участвует в транспорте железа
у A. vinelandii.
2.2.3. 2,3-Диокси-^-бензоил-ь-серин (III)
III
* Мутации, влияющие на транспорт железа у Escherichia coli, сравнимы
с теми, которые имели место у Salmonella typhimurium с предполагаемым заме-
щением в хромосоме. Однако в отличие от Salmonella. Е. coli, по-видимому,
имеет индуцируемую систему для усвоения цитрата железа (III) [Сох G. В.,
Gibson F., Luke R. К., Newton N. A., O’Brien J. G., Rosenberg H., J. В act., 104,
219 (1970)].
15—2451
226
Глава 5
Брот с сотр. [29] установили, что при росте ауксотрофа .метио-
нин— витамин Bi2 Е. coli К12 на среде из солей глюкозы без до-
бавления железа с выходом 75 мг/л образуется соединение, выде-
ляемое в виде комплекса с Fe(III). Раствор этого соединения
обесцвечивается при pH 2 или в присутствии 0,1 М ЭДТА. Лиганд
был идентифицирован как 2,3-диокси-Ы-бензоилсерин (III); его
структура подтверждена О’Брайном с сотр. [46] посредством син-
теза d- и d,l-конфигураций. Полагают, что конфигурация при-
родного соединения должна быть ь, хотя синтетический продукт,
содержащий d-серин, по активности сопоставим с мутантным
штаммом Escherichia coli. Железо действует как мощный угнета-
ющий агент как для фермента, соединяющего 2,3-диоксибензойную
кислоту с ъ-серином в Е. coli [63], так и для всей ферментативной
системы, превращающей хоризмат в 2,3-диоксибензоат у A. aero-
genes [8]. Соединение III было получено из A. aerogenes [46] и
S. typhimurium [31, 50], так что можно было провести корреляцию
вирулентности S. typhimurium с его способностью извлекать же-
лезо из сыворотки человека [50].
2.2.4. 2,3-Диоксибензоилглицин (итоевая кислота) (IV)
с=о
I
H-N
I
н-с-н
I
о=с-он
итоевая кислота (IV)
Итоевая кислота (IV) —глицин, конъюгированный с 2,3-диок-
сибензойной кислотой, был первым описанным фенолятным сиде-
рохромом [19]. Он был выделен в количестве около 50 мг/л из
культуры Bacillus subtilis с низким содержанием железа. Химиче-
ски это соединение было синтезировано взаимодействием 2,3-диок-
сибензойной кислоты с эфиром глицина с последующим омылени-
ем. Было показано, что образование этого соединения полностью
подавлено у В. subtilis при концентрациях железа 3-10_6 г-атом/л
[64]; при этом железо(Ш)шизокинин более активен, чем неор-
ганическое железо [65]. Было обнаружено, что фенолокислоты
способствуют транспорту железа в В. subtilis [26]; это подтвер-
ждает предположение, согласно которому такие «мономерные»
сидерохромы, как IV, могут играть роль, эквивалентную роли эн-
теробактина.
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
227
2.3. Тидроксаматы
2.3.1. Семейство феррихрома
Феррихром (Va) R = R' = R" = Н; R'" = СН3—
Феррихром A (V6): R=R'=HOCH2—; R"=H;
у /СН3
R"' = '=/ (транс)
Vh2co2h
Феррихризин (Vb) : R = R' = НОСН2—; R" = Н; R” = СН3—
Феррикрокин (Vr): R=R”=H; R'=НОСН2—; R"'=CH3-a
Феррирубин (Уд): R=R'=HOCH2—;
у /СН3
R" = Н; R" = (транс)
'СН2СН2ОН
Ферриродин (Ve): R = R'=HOCH2—;
ЧСН2СН2ОН
(цис)
сн3
* Кристаллическая структура, установленная Залкинымссотр. [14] для фер-
рихрома А. Нумерация а-углеродных атомов дана Залкиным с сотр. [14]. Об-
суждение вопроса о конформации феррихромных соединений см.: Emery, Bio-
chemistry, 6, 3858 (1967); Llinas М., Klein М. Р., Neilands J. В., J. Mol. Biol., 52,.
399 (1970); Llinas M., Doctoral Dissertation, University of California. Berkeley,
1971.
228
Глава 5
Феррихром С (Уж): R = R’ = Н; R' = R"' = СН3—а
Краситель Сейка А (Уз): R = НОСН2—; R' = R'" = СН3—; R" = На
СН,
N-Z
Альбомнцин 62 (Уи): R = Ацил—N=/ 'N—SO2—О—СН2—;
R' = R" = НОСН2—; R'" = СН3—
СН,
1 //°
N—
Альбомицин е (Vk): R=H—N=^ —SO2—О—CH2—;
R'= R" =НОСН2—; R'"=CH3—
сн3
Альбомицин 6i (Ул): R = О=/ 'N—SO2—О—CH2—;
R' = R" = HOCH2—; R"' = CH3—
Гризеин: этот антибиотик может быть идентичен одному из компонентов альбо-
мицина.
Феррибактин: циклический декапептид, содержащий и в- и L-формы S-N-оксиор-
нитина.
Характерной структурной особенностью семейства феррихро-
ма является то, что все его члены — циклические гексапептиды,
содержащие трипептид из б-П-ацил-ь-б-И-оксиорнитина и трипеп-
тид, состоящий из маленьких нейтральных аминокислот. Послед-
ний может быть построен либо из одного глицина, серина или
аланина, либо из некоторой определенной комбинации этих ами-
нокислот. Так, феррихром (Va) содержит триглицин, в то время
как альбомицин (Уи—Ул) состоит из трисерина. Последователь-
ность серилсерилглицин является общей для феррихрома А (V6),
феррихризина (Ув), феррирубина (Уд) и ферриродина (Ve). Кра-
ситель Сейка А [86] и феррихром С [7] содержат аланин. Таким
образом, конформации альбомицинов могут быть отличными от
конформаций других феррихромов, так как только они из всего
ряда не содержат остатков глицина в положении R" в формуле V.
Соединения ряда феррихрома образуют устойчивые нейтраль-
ные комплексы с ионами металлов с координационным числом 6,
преимущественно с октаэдрической конфигурацией. Из всех био-
элементов ион Fe(III) образует наиболее прочные комплексы;
логарифмы констант устойчивости триацетилгидроксамата желе-
за, феррихрома и феррихрома А равны соответственно 28,3, 29,1 и
32 (табл. 5.1). Несмотря на прочное связывание, неорганическое
а Последовательность аминокислот определена методом ПМР (Llinas М.,
частное сообщение)
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)229
железо наполовину обменивается в феррихроме при нейтральных
значениях pH всего за несколько минут [35]. В ряду феррихрома
положение максимумов поглощения и миллимолярные коэффици-
енты поглощения зависят от таких факторов, как число связанных
ионов железа, pH и природа 'ацильного заместителя. Как прави-
ло, при нейтральных значениях pH амМ равно 3—4 в области
420—440 нм [3]. Гидроксаматные комплексы Fe(II) бесцветны и
относительно неустойчивы. Свойства железо(П1)гидроксаматов
несовместимы с окислительно-восстановительным механизмом для
железа, но, с другой стороны, идеально подходят для выполнения
биологической роли — транспорта металла.
Полная кристаллографическая структура феррихрома A (V6),
установленная Залкиным с сотр. [14], подтвердила формулу, ос-
нованную на разложении и синтезе феррихромов, и, кроме того,
позволила определить конформацию молекулы. Пептидные части-
цы примерно планарны, антипараллельны («кросс-0») углам с
двумя гидроксаматными остатками (и, следовательно, иону ме-
талла), расположенными на другом конце молекулы. В кристалле
определено положение только одной трансаннулярной водородной
связи, образуемой остатком орнитина [3]; вторая водородная
связь образуется между орнитином [2] и гидроксаматным кисло-
родом того же остатка. В растворе комплексы имеют четыре мед-
ленно обменивающихся атома водорода, которые с помощью
ПМР-исследования отнесены следующим образом: алюмихром—-
орнитин [1] («внутренний»), орнитин [2] (участвующий в обра-
зовании водородной связи), орнитин [3] (участвующий в образо-
вании водородной связи) и глицин [3] (связанный водородной
связью или «внутренний»). Пептиды, не содержащие железа, ни-
когда не образуют кристаллов и не имеют медленно обмениваю-
щихся протонов в водной среде; в диметилсульфоксиде для двух
протонов в деметаллированной молекуле обнаружена пониженная
температурная зависимость химического сдвига. Методом ПМР
было установлено, что эти протоны принадлежат глицину [3] и
орнитину [3]. Таким образом, в неводной среде не содержащая
металла пептидная частица, по-видимому, имеет конформацию,
соответствующую конформации циклогексапептида типа Швайце-
ра с двумя трансаннулярными водородными мостиками.
Было найдено, что поликристаллический феррихром А пара-
магнитен до по крайней мере 10 К, и для него были рассчитаны
значения g-фактора, собственные значения энергии и собственные
значения функции. Были измерены также параметры Мессбауэра
для феррихрома А [17] и синтетических железо (III) гидроксама-
тов [67]. В трех железо(III) гидроксаматных кольцах длины свя-
зей гидроксиламин—кислород составляют 1,97, 1,96 и 2,00 А;
в этих же трех кольцах длины связей с карбонильным кислородом
равны 2,02, 2,03 и 2,06 А соответственно [14]. Эти измерения по-
230
Глава 5
называют, что все три гидроксаматные группы могут подходить к
центральному иону металла и, следовательно, все они увеличива-
ют устойчивость комплекса (табл. 5.1).
Предполагают, что феррихромы образуются при окислении ор-
нитина по 6-атому азота с последующим ацилированием углерод-
ного фрагмента, связанного с 3,5-диокси-З-метилвалериановой кис-
лотой, что приводит к производному кофермента А. Феррихромы
обычно продуцируются аскомицетами, базидиомицетами и несо-
вершенными грибами; они представлены формулами V и были
выделены из культур Aspergillius, Penicillium, Neurospora, Usti-
lago и других головневых грибов [3]. Кроме того, одна дрожже-
вая Crypotococcus melibiosus 'форма феррихрома С (Уж) [7] и
альбомииины (Уи—Ул) продуцируются Actinomyces griseus.
Независимо от вида организма феррихром эффективно обра-
щает токсичность альбомицина и обычно активен как фактор
роста при понижении концентрации до нанограммов на милли-
литр. С другой стороны, феррихром А обычно лишен биологиче-
ской активности и поэтому может рассматриваться как специаль-
ный сидерохром, специфичный для первичных организмов.
2.3.2. Семейство родоторулиевой кислоты
м 1 О ОН Г Гн *-с-сн> И 1 к! 1 п 1 •* 1 н роЪопюрулиевая кислота (VI) %F«m + н о о VXT^-CCH, н железо (ЦТ) родоторулат (УШ) н НО о 0YN'si<?c-n-r । ц н J Гн » । «-н-ОЧЛо 0 °и н решрорддоторулиевые кислоты (VII) VII<4L, R - Н) f VII^(L, R - CH,) VIIB (D, R - CH3) VII e (L, R - CHjCHjCHj)
Циклический дипептид или дикетопиперазин б-М-ацетил-ь-(5)-
6-Ц-оксиорнитина, химически идентифицированный как N,N',3,6-
диоксопиперазин-2 (S) ,5(S) -ди (триметилен) - бис-ацетогидроксамо-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
231
вая кислота или родоторулиевая кислота (VI), был выделен из
лишенной железа культуры Rhodotorula pilimanae и родственных
ей дрожжей [32]. Это соединение было охарактеризовано 'восста-
новлением известного дикетопиперазина 6-М-ацетил-ь-орнитина,
а также с помощью ряда физических ‘методов, таких, как ИК-,
ЯМР- и масс-спектрометрия. Как и ожидали, в ИК-спектре соеди-
нения VI цпс-пептидные связи кольца проявляются по отсутствию
либо полос «амид II», либо полос валентных колебаний связей
NH в области выше 3250 см-1 и по отчетливым плоским деформа-
ционным колебаниям вблизи 1450 см-1. Предполагаемая структу-
ра соединения VI подтверждена сравнением характеристичных
сигналов кольцевых протонов в ПМР-спектре с аналогичными сиг-
налами модельного дикетопиперазина. Исследования дисперсии
оптического вращения в дальней УФ-области показали, что это
соединение должно иметь конфигурацию ь,ь.
Несмотря на то что нет никаких сомнений относительно струк-
туры родоторулиевой кислоты, химически она не была синтези-
рована. Однако был получен ряд ее ь- и о-аналогов, представлен-
ных общей формулой VII; все они имеют более короткие боковые
цепи, чем соединение VI [68]. Эти соединения называются «ретро-
родоторулиевыми кислотами», поскольку в них и относительное
положение дикетопиперазиновых колец, и ацильных заместителей
относительно звена гидроксамовой кислоты обратно их располо-
жению в VI.
Из спектра поглощения родоторулата железа (III) при низких
значениях pH можно заключить, что обе гидроксаматные группы
могут быть связаны с расположенным в центре ионом металла
(VIII). Растворы, содержащие % моля соли Fe(III) на 1 моль
соединения VI, ведут себя как полиядерные комплексы, молеку-
лярная масса которых составляет несколько тысяч. По-видимому,
родоторулиевая кислота претерпевает такой же путь биосинтети-
ческих превращений, как и феррихром.
Обзор 142 различных культур, представляющих 19 классов
дрожжей, показал, что гидроксамат образуют два неклассифици-
рованных штамма и 52 штамма из Aessosporon (3 из 3), Crypto-
coccus (1 из 43), Leucosporidium (3 из 11), Rhodosporidium (4 из
14), Rhodotorula (27 из 39), Sporidiobolus (2 из 2) и Sporobolomy-
ces (12 из 13). За исключением одного штамма Cryptococcus, ко-
торый образует феррихром С, большинство других дрожжей обра-
зует родоторулиевую кислоту в количествах, позволяющих выде-
лить ее в виде кристаллов [7].
В то время как родоторулиевая кислота является потенциаль-
ным фактором роста для Arthrobacter JG-9 (половинный рост при
3-10~9 М), она не может обращать токсичность альбомицина для
Е. coli или В. subtilis [32]. Дезоксиродоторулиевая кислота, ди-
кетопиперазин fi-N-ацетил- ь-орнитина, неактивна. Интересно, что
232
Глава 5
ее аналоги VII6 и VIIb (проявляют одинаковую активность с
Arthrobacter JG-9 и обеспечивают (половинный рост при 10-5 М;
ретрородоторулиевая кислота Vllr .всего на порядок менее актив-
на [68]. Эти эксперименты ясно показывают, что родоторулиевая
кислота не может служить в Arthrobacter sp. агентом для перено-
са ацильной группы и что ее биологическая активность должна
быть связана со способностью связывать железо.
Димерумовая кислота (Villa), дикетопиперазин транс-изомера
фузаринина, была получена в конце ферментативного периода из
культур Fusarium dimerum [68а]. В этом соединении уксусная
кислота в ацильной части феррирубина (Уж) замещена родото-
рулиевой кислотой. Однако, по-видимому, не это соединение яв-
ляется предшественником родоторулиевой кислоты [686].
Ьимерумовая кислота (Villa)
Копроген (VIII6) —один из первых выделенных агентов, пере-
носящих железо, продуцируемый Neurospora и другими грибковы-
ми частицами, недавно был охарактеризован как комплекс желе-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
233
за (III) с молекулой димерумовой 1кислоты, этерифицированной по
одной первичной гидроксильной группе остатком N-ацетилфузари-
нина [68в]; копроген В является его диацетильным аналогом
[68а].
2.3.3. Аэробактин
Aerobacter aerogenes 62-1, росший 20 ч на среде из минераль-
ных солей глюкозы без добавления железа, образует сырой аэро-
бактин (IX) с выходом 1 г/л [5]. Восстановительный гидролиз с
HI дает лизин, в то время как разложение с НС1 приводит к об-
разованию лимонной кислоты и двух остатков аминокислот, найден-
ных в микобактине, L-e-iN-оисилизине. Анализ спектров ПМР, элек-
трометрическое титрование, перйодатное окисление, ИК-спектр и
спектр комплекса Fe(III) при разных значениях pH подтвердили
структуру, представленную формулой IX. Это соединение, возмож-
но, играет роль в транспорте железа в A. aerogenes 62-1 —штам-
ме, который также образует 2,3-диоксибензоильное соединение.
СН3 СНз
1 ।
с=о с=о
। ।
NOH NOH
4 I
<СН2)« СООН (СН2)<
I I I
CH-NH-C0-CH2-C-CH2-C0-NH-CH
I I I
СООН ОН СООН
CHS СНз
I Ш '
С=О----------Fe*“---------О = С
I I
NO" О О '-ON
1 \ 1 I
(СН2)4 \ С = О (СН2)«
СН- NH- СО - СН2- С - СН2- СО - NH- СН
I I
СООН СООН
аэробактин (IX)
жепеза(Н!)йзроб^1:тин (X)
Другие штаммы Aerobacter sp. не продуцируют ни гидроксаматов,
ни фенолятов; этот факт подтверждает концепцию о многообразии
путей микробного транспорта железа. В любом случае рассмот-
рение молекулярной модели комплекса железа(III) с аэробакти-
ном показывает, что свободные карбоксильные и гидроксильные
группы остатка лимонной кислоты, а также две гидроксаматные
группы могут связываться с ионом Fe(III). Однако структура,
изображенная формулой X, нуждается в экспериментальном под-
тверждении.
Предполагают, что лиганд шизокинин (Ха) близок к аэробак-
тину, в котором центральный остаток лимонной кислоты симмет-
рично связан замещенными амидными связями с 2 молями 1-ами-
но-3-ацетилгидроксамидопропана [5а].
234
Глава 5
/с 'HN''CHz'CH^'CH2~' N—I
сн/ in.
НО-Ь-С02Н он
C^NH
II
О
Ъеферри шизокинин (Ха)
С-СНЭ
II
О
о
. II
^,N—с—СН3
сн2 2^сн2
2.3.4. Семейство микобактина
микобактин (XI)
железо (III) микобактин (XII}
Микобактин Ri Ra R3 r4 R= а ь с d е Г
А6 (ХНа) Fa (ФПб) 13Д 17,15,13,11,9Д СН3 Н Н СН3 сн3 сн3 Н Н трео L S () L
Н (ХПв) : 19.17Д СН3 СН3 сн3 Н R L S () L
М (ХПг) N6 (ХПд) Р (ХПе) 1 2 19,17,15 цисД’п Н Н СН3 СН3 сн3 н 18,17,16,15® 18,17, 16,15в с2н6 сн3 сн3 СН3 ( ) L L L R2 S S2 R L
R (ХПж) 19Д Н н с2н5 сн3 ( ) L L R S L
S (ХПз) 19,17,15,13 чысД Н н СН3 Н ( ) L S ( ) L
Т (ХПи) 20,19,18,17 | 20,19,18,17Д J Н н сн3 н ( ) R ( ) L
Общая структура комплексов железя(Ш) с микобактинами. Боковые цепи Ri
являются алкильными группами и имеют указанное число атомов углерода;
там, где известно, показаны двойные связи. Цифры указывают основные типы
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы) 235
боковых цепей; некоторые из них встречаются много раз в каждом микобактине.
Асимметрические центры обозначены буквами а — f. Пробелы показывают, что
конфигурация не определена. Обозначения: ( ) — отсутствие асимметрического
центра; а структура выведена для смеси с ХХв; ® предположительная структура;
в насыщенные алкильные группы, имеющие указанное число атомов углерода;
г относительная конфигурация при d и е — эритро, абсолютная конфигурация не
определена [Snow G. A., Bact. Rev., 34, 100 (1970)].
Микобактинам посвящен недавно появившийся обзор Сноу [4].
В 1911 г. Творт и Инграм показали, что Mycobacterium johnei, тре-
буемый как фактор роста, находится в экстрактах органическими
растворителями из других микобактерий. Тридцатью годами позд-
нее в связи с попытками создать специфический антиметаболит
для Mycobacterium tuberculosis вновь возродился интерес к этому
соединению, впоследствии названному микобактином. Было най-
дено, что, комбинируя надлежащим образом питание железом и
время роста, можно получить максимальные выходы микобакти-
нов, из которых наиболее полно изучен компонент Р (ХПе) из
Mycobacterium phlei. В отличие от других гидроксаматов микобак-
тины и их комплексы с железом растворимы в липидах и прони-
кают в клетки; лучший метод экстракции — вымачивание в эта-
ноле. Есть сообщения о .выходах, составляющих до 2% сухого ве-
са клеток в зависимости от природы организма.
Второй необычной особенностью микобактинов является их
микрогетерогенность, обусловленная наличием гомологов жирных
кислот в боковых цепях. Каждый индивидуальный микобактин
обозначается буквой, за которой следует число эквивалентных
атомов углерода в боковой цепи. Для нескольких микобактинов
были установлены длины боковых цепей, их относительное содер-
жание, присутствие или отсутствие ненасыщенных связей и т. д.,
но до сих пор полностью охарактеризован только компонент Р,
главная частица имеет здесь н-ч«с-октадецен-2-оильную боковую
цепь и обозначается микобактин Р 18-tfwc-A2 (ср. ХПе).
Выделены два основных класса микобактинов, примерами ко-
торых могут служить соединения типа М (ХПг) и Р (ХПе). Ми-
кобактины типа Р содержат в микобактиновой кислотной части
салициловую или 6-метилсалициловую кислоту, серин или треонин,
смесь жирных кислот с длинными цепями (обычно с двойной
связью рядом с карбоксильной группой, как в феррихроме А) и
L-e-N-оксилизин. Кобактиновая часть содержит 0-оксикислоту
(3-оксимасляную или З-окси-2-метилвалериановую) и вторую мо-
лекулу L-e-N-оксилизина. Вариации в ряду типа Р возникают в
результате замещения в бензольном или оксазолиновом кольце
или во фрагменте 0-оксикислоты, а также от присутствия различ-
ных оптических изомеров в последней частице [ср. микобактины S
(ХПз) и Т (ХПи)]. Микобактины типа М имеют только одну ко-
роткую боковую цепь К в XI, т. е. ацетил и пропионил в микобак-
тинах М (ХПг) и N (ХПд) соответственно. Конфигурация окси-
236
Глава 5
кислоты по-прежнему эритро:, однако ,в микобактинах М эта части-
ца имеет длинную алкильную боковую цепь.
Микобактины образуют нейтральные лилидорастворимые ком-
плексы с железом(III) такого типа, как показано для соединения
XII, которые превосходят по стабильности ферриоксамии В. Ос-
новное различие между тригидроксаматами железа(III) и ком-
плексами железа (III) с микобактинами состоит в том, что в по-
следних одна гидроксаматная группа замещается бидентатным
лигандом, содержащим фенольную гидроксильную группу и атом
азота в оксазолиновом кольце. Исследование молекулярных мо-
делей показывает, что гексадентатная структура, приведенная для
соединения XII, возможна, но точное расположение атомов вокруг
железа кристаллографически не установлено. Вероятно, осуще-
ствимы только некоторые из 16 изомерных расположений. Ком-
плексы микобактина Р с алюминием, галлием и хромом были вы-
делены в виде кристаллов; комплекс с алюминием достаточно
летуч для масс-спектрометрического изучения, с помощью которо-
го обнаруживают присутствие гомологов. Было найдено, что ком-
плекс с хромом, который диссоциирует очень медленно, противо-
действует эффекту микобактина, промотирующему рост М. johnei;
следовательно, физиологически важной формой микобактина яв-
ляется его комплекс с железом(III). Несмотря на очевидную
структурную аналогию между микобактином и тригидрокоамат-
ными сидерохромами, ни один из последних не обладает никакой,
даже самой незначительной активностью по отношению к зависи-
мым от микобактина штаммам. Эту специфичность можно объяс-
нить особыми структурными требованиями М. johnei и (или) уни-
кальной растворимостью микобактина и его комплекса с Fe(III).
Еще очень мало известно о биосинтезе микобактинов. Было ус-
тановлено, что все штаммы микобактерий, которые могут размно-
жаться в искусственной среде, продуцируют хелатирующие желе-
зо соединения, родственные лиганду XI. Доказано, что распреде-
ление микобактинов по различным штаммам полезно в таксономи-
ческом отношении.
2.3.5. Семейство фузаринина
Fusarium roseum АТСС 12822 и другие виды Fusarium, культи-
вируемые при низких концентрациях железа (<~10-7 М), про-
дуцируют ряд основных гидроксаматов, дающих .положительную
реакцию с нингидрином и названных фузарининами (XIII) [69J.
НО—
" О NH21 НО О
II I I II
—С—С-(СН2)3—N-C.
фуэарннии (XIII)
/СН2=СН2—О—
^СН3
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
237
Фузаринин (ХШа): п = 1
Фузаринин А (ХШб): п = 2
Фузаринин В (ХШв): п = 3
Фузаринин С (деферрифузиген) (ХШг):
п = 3, цикло
'/з Реш
о о
। и
О NH,
г II I . ..
Цикло 4-с - C-(CHz)3-N — С
н
^CHj-CHg-O^-
н
Н сн3
фузиген (XIV)
Накопление фузаринина, мономера (ХШа), достигает максималь-
ной концентрации ~ 1 мМ после 5 суток роста, и с этого момента
он 'быстро исчезает из среды. Всего 25—30 мг компонента А
(ХШб) и еще меньше компонента В (ХШв) можно выделить из
1 л среды. Было показано, что фузаринин С — циклическое соеди-
нение, идентичное деферрифузигену [70]. Все эти соединения со-
держат частицы ь-б-ЬЬоксиорнитина и цыс-5-окси-3-метилпентен-2-
овую кислоту, этерифицированную по типу «голова к хвосту». Та-
ким образом, его ацильная часть идентична ацильной части
ферриродина.
Фузаринины железа при подкислении ведут себя так, как это
и ожидают, т. е. спектр комплекса Fe(III) с ХШв довольно нечув-
ствителен к такой обработке. Фузиген, выделенный из Fusarium
cubense, проявляет примерно такую же активность по антагони-
стическому критерию по отношению к Staphylococcus aurens, как
копроген, т. е. его активность составляет примерно 1 % от актив-
ности ферриоксамина В [70]. Хотя фузаринин не может поддер-
живать рост Arthrobacter JG-9, фузаринины А, В и С проявляют
небольшую активность по отношению к этому организму.
2.3.6. Семейство ферриоксамина
Сидерохромы группы ферриоксамина содержат ацетатную,
сукцинатную и а-амино-о-оксиаминоалкильную части и разделя-
ются на два типа — линейные (XV) и циклические (XVI) [45].Не-
которые производные ферриоксаминов проявляют антибиотиче-
скую активность и обозначаются как ферримицины. Нет никакой
структурной связи между этими антибиотиками и альбомицином,
за исключением того, что в обоих случаях токсическим началом
является выделяющийся позднее сложный агент, действующий как
переносчик железа. Таким образом, если замещенный урацил от-
щепить от альбомицина, это соединение будет действовать как
фактор роста для сидерохромных ауксотрофов. Антагонистический
238
Глава 5
тест (рис. 5.6) был использован сотрудниками Свисса для того,
чтобы выделить длинный ряд ферриоксаминов, которые являются
одновременно и факторами роста и антибиотиками [45].
R
।
H-N CONH CONH
\ / \ / \
<СН2)В (СНг)2 (СНг)в (СНг)г (СНг)п .
\ / \ / \ I
N-C N-C N-C
линейные ферриоксамины (XV)
R п R'
Ферриоксамин В (XVa) Н 5 CHS—
Ферриоксамин Dr (XV6) СН3СО— 5 CHS—
Ферриоксамин G (XVb) н 5 HOjQCHs),—
Ферриоксамин Ar (XVr) н 4 НО2С(СН,)а—
Ферримицин At (ХУд) 5 CHS-
но
(СНг)5 (СНг)г (снг)в
\ / \
N-C N-C
/ \ I
(СН2)г (СНг)г, (СНг)2
циклические ферриоксамины
(XVI)
Ферриоксамин(XVIa): п = 5
Ферриоксамин D2 (XVI6): п — 4
Метаболит «С» — А-производное ферриоксамнна В, в котором концевая
аминогруппа окислена до СООН. Возможно, ферриоксамин В идентичен терре-
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
239
генс-фактору. Ферриоксамии А2 содержит один остаток уксусной кислоты, два
остатка малоновой кислоты, один остаток 1-амино-5-оксиа'минопентана и два ос-
татка 1-амино-4-оксиамннобутана. Компоненты С и F—основные феррнокса-
мины.
Ферриоксамины — относительно простые .молекулы, лиганды
которых лишены оптической активности. Ряд их был синтезирован
химическим путем. Константы комплексообразования для них ле-
жат в той же области, что и для феррихрома (табл. 5.1). Фер-
риоксамины были найдены во всех актиномицетах, которые были
исследованы на их присутствие.
2.4. Другие соединения
Некоторые из сидерохромов еще не изучены; наиболее извест-
ный из них, по-видимому, феррибактин [44] из Р. ftuorescens и
некоторые железосодержащие антибиотики. Несколько других
микробных продуктов, возможно, содержат одно или большее чис-
ло гидроксаматных звеньев, но неизвестно, имеют ли они отно-
шение к транспорту и метаболизму железа. Некоторые из них,
такие, как сукциноминин [71], даноминин [72] и ASK [73], яв-
ляются антибиотиками.
Антибиотики семейства аспергилловой кислоты исторически ин-
тересны как первые микробные метаболиты, содержащие связан-
ную гидроксамовую кислоту. Сама по себе аспергилловая кислота
(XVIIa) действует как фактор роста для Arthrobacter JG-9, но об-
разование некоторых членов ряда (XVII6, ХУПд) культурой As-
pergillus sclerotiorum не регулируется железом [68]. Одна молеку-
ла связанной гидроксамовой кислоты в этих соединениях образу-
ется в результате окисления предшествующего циклического
амида, флавакола, т. е. обратным путем, по сравнению с ферри-
хромом.
аспергилловые кислоты (XVII)
Аспергилловая кислота (XVIIa): R = Н, R' = R’ = СН3
Неоаспергилловая кислота (XVII6): R = R" = Н, R' = СН(СН3)2
Мутааспергилловая кислота (XVIIb) : R = ОН, R' = R" = СН3
Оксиаспергилловая кислота (XVIIr): R = ОН, R' = QHj, R* = СН3
Неоокснаспергилловая кислота (XVIIa) : R = OH, R" = СН(СН3)2, R"=H
Мицелианамид (XVIII) [74], дикетопиперазин с двумя гидро-
ксилированными атомами азота в кольце, образуется в немного
240
Глава 5
большем количестве при низких концентрациях железа; другими
словами, ничто не говорит о его связи с метаболизмом железа.
Третий тип соединения, подобного дикетопиперазину, пулчер-
риминовая кислота (XIX) [75], образуется внутри- и внеклеточно
в среде с высоким содержанием железа, в которой она присутст-
вует в виде очень мало растворимого железного комплекса пул-
черримина. Это соединение синтезируется Candida pulcherrlma и
родственными ему дрожжами. Оно не активно по отношению к си-
дерохромозависимым ®идам Arthrobacter и, следовательно, по-ви-
димому, не связано с метаболизмом железа [76]. 1В соединении
XIX кольцо окисляется дальше, чем в мицелианамиде, и хотя ему
можно приписать структуру с одной молекулой связанной гидро-
ксамовой кислоты, сопряженная форма XIX, возможно, является
доминирующей формой частиц. Оно получается биосинтетически
из ь-лейциндикетопиперазина.
пулчерриминовая кислота (XIX)
Противоопухолевый агент П-формил-П-оксимицин, или хадаци-
дин (XX), идентичен асимметрину, ингибитору роста растений,
имеющему грибковое происхождение. В Penicillium aurantio-viola-
сеит F-4070b хадацидин [10] возникает в результате окисления
глицина с последующим формилированием и опять, по-видимому,
железо не подавляет этот синтез [68].
О ОН
II I
н—С—N—СН2—СО2Н
хадацидин (XX)
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)241
Актинонин (XXI), первичная гидроксамовая кислота (Н вме-
сто R при атоме азота), завершает 'Перечень микробных продук-
тов, содержащих ацилированную гидроксиламиногруппу. Было
найдено, что О-бензилактинонин токсичен, так что значение гид-
роксамового звена для проявления антибиотической активности
находится под сомнением [77].
актинонин (XXI) '
Циклическая гидроксамовая кислота ХХП была выделена из
высших растений [58], но ее биологическая роль неизвестна. Од-
нако по биопробе с Arthrobacter JG-9 была обнаружена сидеро-
хромная активность в водных экстрактах из листьев томата, ла-
тука, цветной капусты, лука-порея и капусты и в экстрактах кор-
ней моркови [59]. Ферриоксамин В переходит в листья томата
при выращивании в питательном растворе [78].
I
ОН
2,4-д«окс«-7-метокси-1.4-бензоксазинон-3 (ХХП) (DIMBOA)
И наконец, два реагента, связывающих ионы Fe(II) и проду-
цируемые микроорганизмами, заслуживают внимания, хотя сейчас
эти соединения и нельзя связать с метаболизмом железа. Ферро-
вердин (XXIII), зеленый пигмент из мицелия Streptomyces sp.,
охарактеризован кристаллографически (ХШа) [79]. Каждый
атом железа связан с фенолятным кислородом и азотом нитрозо-
группы в питрозофенольном лиганде. Pseudomonas GH и Р. roseus
fluorescens образуют пиримин (XXIV [80, 81], представляющий
собой пиридиновое кольцо, замещенное в положении 2 у-кар-
боксильной ь-глутаминовой кислотой. При всех разумных значе-
ниях pH пиримин существует в иминной форме и в такой форме
16—2451
242
Глава 5
образует стабильный, дающий окраску с фуксином комплекс с
Fe(II) (XXV).
O-N
Ъеферроферровердин (XXIII)
ферровердип, кристаллическая
структура (XXUla) [79J
пироман (XXIV)
ферропиримин (XXV)
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Практически все аэробные и «случайно» аэробные микро-
организмы. которые были исследованы, будь-то бактерии, дрожжи
или грибы, имеют транспортную систему для железа или нужда-
ются в ней. Путь железа в микробном метаболизме в общих чер-
тах был описан на примере исследования мутантов Salmonella
typhimurium и других кишечных бактерий. Эта система содержит,
во-первых, специфический низкомолекулярный носитель для иона
Fe(III) (сидерохром) фенолятного типа (энтеробактин) или гид-
роксаматного типа (феррихром) и, во-вторых, связанный с клет-
кой активный транспортный механизм для введения специфиче-
ского сидерохрома.
Несмотря на то что механизм введения сидерохромов в клетку
детально не изучен, составлен каталог транспортных соединений,
который тотчас же обнаружил некоторые определенные общие
принципы. Биосинтез транспортных соединений сильно подавляет-
ся железом. Эти транспортные соединения обладают высокой спе-
цифичностью связывания Fe (111) /Fe (11) и встречаются и действу-
ют либо как одиночные частицы, либо .как димеры или тримеры,
связанные амидными или сложноэфирными связями, при этом
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)243
они претерпевают выраженные конформационные изменения при
комплексообразовании с Fe(III).
Таким образом, мы приходим к выводу о том, что сидерохро-
мы выполняют уникальную и необходимую функцию в регуляции
питания железом микробных клеток.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Keller-Schierlein W., Prelog V., Zahner И., Fortsch. Chem. Org. Natur., 22, 279
(1964).
2. Pollack J. R., Neilands J. C., Biochem. Biophys. Res. Commun., 38, 989
(1970).
3. Neilands J. B., Structure and Bonding, 1, 59 (1966).
4. Snow G. A., Bact. Rev., 34, 100 (1970).
5. Gibson F., Magrath D. I., Biochim. Biophys. Acta, 192, 175 (1969).
5a. Mullis К. B., Pollack J. R., Neilands I. B., Biochemistry, 10, 4894 (1971).
6. Garibaldi J. A., Neilands J. B., Nature, 177, 526 (1956).
7. Atkin C. L., Neilands J. B., Phaff H„ J. Bact., 103, 722 (1970).
7a. Garibaldi J. A., J. Bact., 105, 1036 (1971).
8. Gibson F., Pittard J., Bact. Rev., 32, 465 (1968).
9. Entergy T., Biochemistry, 5, 3694 (1966).
10. Emery T., in D. Gottlieb and P. D. Shaw, Antibiotics, Vol. 2, Springer, Berlin,
1967, p. 439.
11. MacDonald I. C., ibid., pp. 43—51.
12. Garibaldi J. A., personal communication.
13. Neilands J. B., Science, 156, 1443 (1967).
14. Zalkin A., Forrester J. D„ Templeton D. H., J. Am. Chem. Soc., 88, 1810
(1966).
15. Keller-Schierlein W., Maurer B., Helv. Chim. Acta, 52, 603 (1969).
16. Llinas Al., Klein M. P., Neilands J. B., J. Mol. Biol., 52, 399 (1970).
17. Wickman H. H., Klein M. P., Shirley D. A., J. Chem. Phys., 42, 2113 (1965).
18. Neilands J. B„ Bact. Rev., 21, 101 (1957).
19. Ito T., Neilands J. B., J. Am. Chem. Soc., 80, 4645 (1958).
20. Morrison N. E., Antoine A. D., Dewbrey E. E„ J. Bact., 89, 1630 (1965).
21. Emery T., Abstr. 158th Am. Chem. Soc. Meeting, New York, 1969, Sept. 8—12.
22. Byers B. R., Powell M. V., Lankford С. E., J. Bact., 93, 286 (1967).
23. Arceneaux I. L., Lankford С. E., Biochem. Biophys. Res. Commun., 24, 370
(1966).
24. Kniisel F., Schiess B., Zimmerman W., Arch. Mikrobiol., 68, 99 (1969).
25. Zimmerman W„ Knusel F., Arch. Mikrobiol., 68, 107 (1969).
26. Peters W. J., Warren R. A. J., Biochim. Biophys. Acta, 165, 225 (1968).
27. Wang С. C„ Newton A., J. Bact., 98, 1135, 1142 (1969).
28. Pollack I. R.. Ames B. N„ Neilands J. B„ J. Bact., 104, 635 (1970).
29. Brot N., Goodwin J., Fates H., Biochem. Biophys. Res. Commun., 25, 454
(1966).
30. Corbin I. L., Bulen W. A., Biochemistry, 8, 757 (1969).
31. Pollack J. R„ Ames B. N„ Neilands J. B., Abstr. Fed. Proc., 29, 3132 (1970).
32. Atkin C. L., Neilands I. B., Biochemistry, 7, 3734 (1968).
33. Anderegg G., L’Eplattenier F., Schwarzenbach G., Helv. Chim. Acta, 46, 1409
(1963).
34. Ehrenberg A.. Nature, 178, 379 (1956).
35. Lovenberg W., Buchanan В. B., Rabionwitz I. C., J. Biol. Chem., 238, 3899
(1963).
36. Emery T., Neilands J. B„ J. Am. Chem. Soc., 82, 3658 (1960).
16*
244
Глава 5
37. Neilands J. B„ in J. E. Falk, R. Lemberg, R. K. Morton (eds.), Haematin En-
zymes, Vol. 1, Pergamon Press, Oxford and New York, 1961, p. 194.
38. Shemyakin M. M„ Ovchinnikov Y. A., Ivanov V. T., Antonov V. K- et al.,
J. Membrane Biol., 1, 402 (1969).
39. Neilands J. B„ J. Am. Chem. Soc., 74, 4846 (1952).
40. Komai H., Neilands I. B„ Science, 153, 751 (1966).
41. Komai H., Doctoral Dissertation, University of California, Berkeley, 1968.
42. Jones О. T. G., personal communication.
43. Gillard R. D„ Mitchell P. R., Structure and Bonding, 7, 46 (1970).
44. Maurer B., Muller A., Keller-Schierlein IF., Zahner H., Arch. Mikrobiol., 60, 326
(1968).
45. Prelog V., Pure Appl. Chem., 6, 327 (1963).
46. O’Brien L. G., Cox G. B., Gibson F., Biochim. Biophys. Acta, 177, 321 (1969).
47. Niiesch J., Knilsel F., in D. Gottlieb, P. D. Shaw (eds.), Antibiotics, Vol. 1,
Springer, Berlin, 1967, p. 499.
48. Spiro T. G., Saltman P., Structure and Bonding, 6, 116 (1969).
49. Bergman K-, Burke P. V., Cerda-Olmedo E„ David C. N. et al., Bact. Rev., 33,
99 (1969).
50. Wilkins T. D., Lankford С. E., J. Infect. Dis., 121, 129 (1970).
51. Schneider H. A., Science, 158, 597 (1967).
52. Wawszkiewicz E. J., Schneider H. A., Abstr. Fed. Proc., 29, 3256 (1970).
53. Hieb E. F., Stokstad E. L. R., Rothstein M., Science, 168, 143 (1970).
54. Larkin E. C., Weintraub L. R., Crosby W. H., Am. J. Physiol., 218, 7 (1970).
55. Hedenberg L., Scand. J. Haemat. Suppl, 6, 86 pp. (1969); see also Clin. Phar-
macol. Then, 10 (4), 595 (1969).
56. Krakoff I. H., Brown N. C., Reichard P., Cancer Res., 28, 1559 (1968).
57. Zahner H„ Bachmann E., Hutter R„ Niiesch I., Path. Mikrobiol., 25, 708
(1962).
58. Tipton C. L., Klun J. A., Husted R. R„ Pierson M. D., Biochemistry, 6, 2866
(1967) (see also ref. [3]).
59. Page E. R„ Biochem. J., 100, 34P (1966).
60. Price C. A., A. Rev. Plant Physiol., 19, 239 (1968).
61. Pugh К. B., Waid J. S., Soil Biol. Chem. Biochem., 1, 195, 207 (1969).
62. Arnow L. E., J. Biol. Chem., 118, 531 (1937).
62a. O’Brien I. G„ Gibson F., Biochim. Biophys. Acta, 215, 393 (1970).
626. Wawszkiewicz E. J., Schneider H. A., Starcher B., Pollack I. R„ Neilands J. B.,
Proc. Natn. Acad. Sci. U. S„ 68, 2870 (1971).
62b. Guterman Sonia K-, Biophys. Res. Commun., 44, 1149 (1971).
63. Brot N„ Goodwin L, J. Biol. Chem., 243, 510 (1968).
64. Peters W. J., Warren R. A. J., J. Bact., 95, 360 (1968).
65. Downer D. N., Davis W. B„ Byers B. R., J. Bact., 101, 181 (1970).
66. Tadenuma N., Sato S., Agric. Biol. Chem., 31, 1482 (1967).
67. Epstein L. M., Straub D. R., Inorg. Chem., 8, 453 (1969).
68. Atkin C. L., Doctoral Dissertation, University of California, Berkeley,
1970.
68a. Diekmann H., Arch. Mikrobiol., 73, 65 (1970).
686. Akers H., Llinas M., Neilands J. B., Abstr., Am. Soc. Biol. Chem. Meeting, San
Francisco, 1971.
68b. Keller-Schierlein W., Diekmann H., Helv. Chim. Acta, 53, 2035 (1970).
69. Sayer J. M., Emery T. F., Biochemistry, 7, 184 (1968).
70. Diekmann H„ Zahner H., Eur. J. Biochem., 3, 213 (1967).
71. Haskell T. H., Bunge R. H., French J. C., Bartz Q. R„ J. Antibiot., 16, 67
(1963).
72. Tsukiura H., Okanishi M., Ohmori T., Koshiyama H., Miyaki T., Kitazima H..
Kawaguchi H., J. Antibiot., 17, 39 (1964).
73. Shimi L R., Imam G. M„ Haroun B. M„ J. Antibiot., 22, 106 (1969).
74. Bates R. B., Schauble J. H., Soucek M., Tetrahedron Lett., 1963, 1683.
Транспорт соединений железа микробами (сидерохромы)
245
75. MacDonald J. С., Biochem. J., 96, 533 (1965).
76. Burton М. О., Sowden F. I., Lochhead A. G., Can. J. Biochem. Physiol., 32, 400
(1954).
77. Attwood М. М., J. Gen. Microbiol., 55, 209 (1969).
78. Stutz E„ Experientia, 20, 430 (1964).
79. Candeloro S., Grdenic D., Taylor N„ Thompson B., Viswamitra M., Crowfoot-
Hodgkin D., Nature, 224, 589 (1969).
80. Shiman R., Neilands J. B., Biochemistry, 4, 2233 (1965).
81. Pouteau-Thouvenot M„ Choussy M., Gaudemer A., Barbier M„ Bull. Soc. Chim.
Biol., 52, 51 (1970).
82. Hesseltine C. W. et al., Mycologia, 45, 7 (1953).
83. Burton M. O., Lochhead A. G„ Can. J. Bot., 31, 145 (1953); Morrison N. E.„
Dewbrey E. E., J. Bact., 92, 1848 (1966).
84. Burnham B. F., Neilands I. B., J. Biol. Chem., 236, 554 (1961).
85. Hendlin D., Demain A. L., Nature, 184, 1894 (1959).
ГЛАВА 6
ИОНОФОРЫ— ХЕЛАТИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ
ДЛЯ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
В. К. Прессман
Pressman В. С., Department of Pharmacology, University
of Miami School of Medicine, Miami, Florida, USA
Ионофоры (т. e. переносчики ионов) — это соединения с такой
молекулярной структурой, которая обусловливает их способность
переносить небольшие ионы через липидные барьеры. Они вызы-
вают 'большой интерес из-за своей способности изменять прони-
цаемость для катионов как природных, так и искусственных мем-
бран. С одной стороны, они предоставляют возможность изменять
проницаемость и градиенты биологических мембран, нарушая тем
самым связанные с ними метаболические процессы. С другой сто-
роны, ионофоры — это аналоги компонентов природных мембран,
и с их помощью можно придавать искусственной мембране селек-
тивную проницаемость и электрические свойства типичных био-
логических мембран.
Известные ионофоры устойчивы как химически, так и метабо-
лически. Они либо имеют готовую макроциклическую структуру,
либо способны образовывать макроциклические кольца при помо-
щи водородных связей. Их молекулярные массы лежат в .преде-
лах от 200 до 2000. Они содержат большое число атомов кислоро-
да, регулярно распределенных в молекулярном остове. Замеча-
тельным свойством ионофоров является способность образовывать
липидорастворимые катионные комплексы, играющие важную
роль в транспорте ионов.
Ионофоры 'можно разделить на две группы. К первой относят-
ся нейтральные ионофоры, не содержащие способных к диссоциа-
ции протонов; образуемые ими катионные комплексы имеют об-
щий положительный заряд. Остов ионофоров второй группы по-
строен из цепи атомов углерода, соединенных ковалентными свя-
зями. Они содержат одну карбоксильную группу, которая посред-
ством водородной связи по типу «голова к хвосту» включена в
кольцевую структуру. Как будет показано ниже, наличие или от-
сутствие этой единственной карбоксильной группы оказывает
большое влияние на реакции, катализируемые ионофорами*.
* По-видимому, термин «катализ» здесь употреблен автором недостаточно
строго. — Прим. ред.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов
247
1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Валиномицин — первое соединение, признанное ионофором; он
был выделен [2] и охарактеризован [3] Брокманном. Впоследст-
вии его синтезировал и идентифицировал как циклический доде-
кадепсипептид Шемякин с сотр. [4], который изучил анти-
биотические характеристики валиномицина и нескольких его
синтетических аналогов [5, 6]. МакМюррей и Бегг [7] обнаружи-
ли, что валиномицин является мощным агентом, нарушающим
окислительное фосфорилирование в митохондриях; как установи-
ли Мор и Прессман [8], это свойство сильно зависит от присутст-
вия ионов К+ но не Na+. С .помощью ион-селективных электродов
было показано, что гвалиномицин в первую очередь влияет на
транспорт ионов К+ через митохондрии и его воздействие на про-
цесс фосфорилирования обусловлено тем, что он вызывает рас-
сеивание энергии за счет циклического перемещения ионов К+
[8, 9]. Детально описана серия наблюдений, с помощью которых
было установлено, что валиномицин обладает свойствами ионофо-
ра [10]; кроме того, опубликованы более общие обзоры по транс-
портным свойствам других ионофоров [11—13].
Первоначально на основании зависимости между структурой
и активностью неправильно полагали, что валиномицин взаимо-
действует с уже существующими высокоселективными транспорт-
ными рецепторами в митохондриях [8]. Однако опытным путем
было обнаружено, что валиномициновая группа ионофоров уве-
личивает катионную проницаемость искусственных липидных би-
молекулярных слоев; на основании этого пришли к заключению,
что транспортная активность и ион-селективность внутренне при-
сущи самим молекулам валиномицина [14, 15]. В результате де-
тального исследования установили, что валиномицин обладает
комплексообразующими свойствами по отношению к ионам щелоч-
ных металлов и транспортной активностью в обычном состоянии,
из чего в конечном счете заключили, что способность ионофоров
служить мобильными носителями ионов обусловлена их собствен-
ными свойствами [1, 16—19].
Способность нигерицина придавать растворимость в липидах
комплексам с солями щелочных металлов впервые была обнару-
жена Харнедом с сотр. [20]. Было найдено, что это соединение
вместе с родственным ему дианмицином ингибирует дыхание и
фосфорилирование в интактных, но не в поврежденных митохонд-
риях [21]. На основании способности нигерицина обращать инду-
цируемое валиномицином поглощение К+ митохондриями [22, 23]
Ларди с сотр. [16] заключили, что ионофоры нигерициновой груп-
пы блокируют механизм ионного транспорта в митохондриях. Од-
нако, исходя из его транспортных свойств в обычных системах
вода—масло и эритроцитах и его способности образовывать ком-
248
Глава 6
плексы с ионами щелочных металлов, Прессман и сотрудники при-
шли к выводу, что нигерицин и другие родственные ему карбок-
сильные ионофоры, так же как нейтральные ионофоры, действу-
ют как мобильные носители ионов. Различие в поведении
ионофоров разных групп объясняется наличием или отсутствием
остаточного заряда на катионном комплексе [1, 18].
Были сделаны попытки объяснить селективность комплексооб-
разования ионофоров типа валиномииина соответствием между
формой молекулы — изображением их известной формальной
структуры в виде плоского кольца — и радиусом входящего ка-
тиона [14, 24]. Для того чтобы объяснить одинаковые комплексо-
образующие свойства 'макроциклической молекулы валиномици-
на (36 атомов) и меньшей по размеру циклической молекулы эн-
ниатина (18 атомов), предположили, что связываемый ион может
приспосабливаться к кольцу ионофора, десольватируясь в различ-
ной степени [14]. Методом рентгеноструктурного анализа крис-
таллов [25, 26] была установлена структура К+-комплекса нонак-
тина (32 атома в кольце) и показано, что его кольцо неплоское,
а образует заметно изогнутую макроциклическую полость вокруг
несольватиров,а1нного катиона. Главная особенность образующих
комплексы молекул ионофоров — обволакивание ими несольвати-
рованного катиона >в комплексе — распространяется на все изве-
стные ионофоры.
2. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ИОНОФОРОВ
Ионофоры — это лиганды, способные образовывать ион-диполь-
ные комплексы с катионами посредством соответствующим обра-
зом повернутых атомов кислорода, равномерно встроенных в их
циклический молекулярный остов. Нейтральные ионофоры — ти-
пичные циклические ковалентные соединения, кольца которых
включают от 18 до 40 атомов. Кольца обычно содержат повторяю-
щиеся субъединицы с регулярным чередованием центров оптиче-
ской асимметрии. Валиномицин и энниатин — депсипептиды, коль-
ца которых .содержат чередующиеся амидные и сложноэфирные
группы. Повторяющиеся единицы ‘макротетралидных актинов [28]
соединены .между .собой исключительно сложноэфирными связя-
ми. Несколько соединений, .подобных по активности ионофорам,
содержат только пептидные связи, хотя, например, грамицидин не
является ковалентным циклическим соединением [29] и не обра-
зует высоколипофильных катионных комплексов. Синтетические
полиэфиры, «короны»* [30], еще более инертны и содержат в мо-
лекулярном остове только эфирные атомы кислорода.
* Некоторые авторы не переводят английское слово «crown» на русский язык
и называют соответствующие соединения «краун-эфирами». — Прим, ред.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 24&
Известные карбоксилсодержащие ионофоры представляют со-
бой формально линейные цепи, содержащие гетероциклические
кольца с карбоксильными группами с одного конца молекулы и
одной или двумя гидроксильными группами с другого конца.
В комплексах карбоксил депротонируется и образует кольцо по
типу «голова к хвосту» при помощи водородных связей с проти-
воположной гидроксильной группой. Из-за необходимости депро-
тонпрования комплексообразование с карбоксильными ионофора-
ми зависит от pH, причем более высокие значения pH благопри-
ятствуют процессу [1]. Такие комплексы являются электроней-
тральными цвиттер-ионами в противоположность «нейтральным»
ионофорным комплексам, которые в действительности образуют
не чувствительные к pH заряженные комплексы.
3. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ГРУППЫ ИОНОФОРОВ
3.1. Макротетралидные актины
Четыре гомологических макротетралидных актина, содержа-
щих 18-членные кольца (рис. 6.1,Л), продуцируются соответству-
ющими штаммами актиномицетов. Самый низший гомолог — но-
нактин— образован симметричным чередованием четырех d- и
l -энантиомеров нонактиновой кислоты (других диастереомеров не
было обнаружено), представляющей собой оксикарбоновую кисло-
ту, содержащую эфирный кислород в тетрагидрофурановом коль-
це примерно в середине ее цепи. В более высоких гомологах — мо-
нактине, динактине и тринактине — остатки нонактиновой кис-
лоты соответственно замещаются одним, двумя или тремя
остатками монометилированной нонактиновой кислоты — гомоно-
нактиновой кислотой [28]. Хотя при беспорядочной последова-
тельности нонактиновых и гомононактиновых остатков возможны
различные рацемические смеси, природные более высокие гомо-
логи нонактивна все оптически активны. Известны еще более вы-
сокие гомологи актинового ряда, содержащие диметилированную
нонактиновую кислоту (бпс-гомононактиновую кислоту); однако
имеется пока мало данных о конформациях и ионной селективно-
сти этих соединений [31].
Представление о сложной трехмерной структуре нонактина
было получено рентгеноструктурным анализом тиоционатной соли
К+-комплекса. В комплексе существуют ион-дипольные взаимо-
действия между катионом и четырьмя эфирными и четырьмя кар-
боксильными атомами кислорода, расположенными по вершинам
куба: расстояние от негидратированного иона К+ до кислорода
(от центра до центра) составляет 2,7—2,9 А. Положение тиоцио-
натных групп рентгенографически определяется не четко. Пола-
250
Г лава 6
Рис. 6.1. Структуры ионофоров и атомы в лигаидах, участвующие в образовании
связи с катионом.
~ макролидные актины; Б — энниатин В; В — валиномицин; Г — циклогексиловый эфир;
Д — моненснн; Е — нигернцин; ЛС —Х-537А (без штриха); 3 —Х-537А (со штрихом).
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов
251
гают, что они «ногда довольно свободно ориентированы внутри
кристаллической решетки .вокруг .сферического катионного ком-
плекса [26].
Строгое определение конформации этого комплекса, впервые
полученное для ионофора, позволило в значительной степени вы-
яснить молекулярное поведение этих комплексов. Для поддержа-
ния молекулярного остова в конформации, требуемой для ком-
плексообразования, необходимо точное пространственное распо-
ложение компонентов остатков. Эта конформация была образно
описана «...как напоминающая бороздку на теннисном мяче»
[25]. Тот факт, что катион в комплексе не сольватирован, свиде-
тельствует, что при образовании комплекса в полярной среде зна-
чительная доля свободной энергии затрачивается на десольвата-
цию катиона. Для того чтобы такой комплекс образовывался в
присутствии воды, т. е. в условиях, которые имеют место на по-
верхности биологической мембраны, эта свободная энергия долж-
на быть компенсирована ион-дипольным взаимодействием между
катионом в комплексе и атомами кислорода лиганда. Высокая сте-
пень ион-селективности объясняется различием свободных энергий
дегидратации и комплексообразования, которое в свою очередь
зависит от гибкости остова ионофора. Полное экранирование ка-
тиона (катион в «клетке») показывает, что для того, чтобы катион
мог войти внутрь полости, ионофор до комплексообразования дол-
жен чаще бывать в несколько иной, «открытой» конформации.
Кристаллографическое исследование показывает, что свободный
нонактин образует элементарные ячейки различного типа и его
конформация отличается от конформации в К+-комплексе [26];
однако детальные данные о строении свободного ионофора отсут-
ствуют.
Приведенные выше заключения основываются на допущении,
что в растворе ионофор сохраняет конформацию, подоб-
ную наблюдаемой в кристаллическом состоянии. Это допу-
щение можно проверить ЯМР-исследованием, с помощью ко-
торого обнаружены различные конформации комплексов К+,
Na+ и Cs+ и свободного ионофора [32, 33]. При описании валино-
мицина будет дан другой пример применения метода ЯМР для
изучения ионофоров. Ионная селективность макролидных актинов
(смешанные образцы из нонактина и .монактина), впервые обна-
руженная по зависимости стимуляции дыхания в митохондриях
от природы иона, изменяется в ряду K+>Rb+>Cs+>Na+>Li+
[9]. Такой же ряд селективности был получен на основании
АТФ-азной индукции, которая также зависит от связанного с
транспортом рассеяния энергии митохондриями [34, 35]. У более
высоких членов гомологического ряда ионофоров способность
индуцировать К+-зависимую АТФ-азу увеличивается, но отноше-
ние селективностей К+ : Na+ уменьшается. У более низких гомо-
252
Г лава 6
логов по электрометрическим изменениям .в объемной фазе полу-
чена такая же последовательность [36]; однако сообщалось [14],
что в липидных двуслойных мембранах наблюдается обратная
селективность по отношению к iK+ и Rb+ (т. е. Rb+>-iK+).
Из констант устойчивости в метаноле, полученных осмометри-
чески [12, 36], и в водном ацетоне, полученных методом ЯМР
[33], можно заключить, что К+ заметно предпочтительнее Na+;
однако в менее полярном сухом ацетоне константы устойчивости
комплексов с К+. Na+ и Cs+ все одного порядка (табл. 6.1). Та-
ким образом, в сухом ацетоне, в котором различие в свободных
энергиях десольватации ионов заметно не сказывается на равно-
весии комплексообразования, внутреннее сродство нонактина к
Na+, К+ и Cs+ примерно одинаково, что свидетельствует о зна-
чительной гибкости скелета ионофора, 'позволяющей ему приспо-
сабливаться к ионам с различными радиусами. В более полярных
растворителях получают такие же ряды селективности, как и в
многофазных системах, что подтверждает влияние сольватации
на ионную селективность. Для десольватации меньшего по разме-
ру иона Na+ требуется больше энергии, чем для десольватации
иона К+, в то же время еще больший по размеру Cs+, хотя и
требует для десольватации меньше энергии, чем К+, но при этом
заставляет полость ионофора сильнее открыться, делая тем самым
и катион и ионофор более доступными для сольватации. Система-
Таблица 6.1
Влияние растворителя на селективность макролидных актинов
Ионофор Растворитель Анион Относительная селективность Лите- ратура®
Na+ к+ Cs+
Нонактин Ацетон сю? 1 1 0,20 33
Ацетон — Н2О сю? 0,012 1 0,024 33
СН.ОН SCN- 0,025 1 — 44
С4Н9ОН — толуол SCN- 0,004 1 0,77 51
СН2С12 Пикрат 0,017 1 0,061 76
Монактин CHSOH SCN- 0,004 1 — 44
С4Н,ОН —толуол SCN- 0,010 1 0,42 51
СН2С12 Прикрат 0,009 1 0,029 76
Динактин C4HjOH — толуол SCN- 0,022 1 0,21 51
СН2С12 Прикрат 0,013 1 0,023 76
Тринактин С4Н2ОН — толуол SCN- 0,042 1 0,087 51
СН2С12 Прикрат 0,011 1 0,019 76
Методы, используемые при определении констант сродства:
метрия; 151] и [761 —- исследование распределения между двумя
133] — ЯМР; [44] — осмо-
фазами.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 253
тическое определение способности к комплексообразованию в рас-
творителях с умеренной полярностью показало уменьшение селек-
тивности К+ : Na+ у более .высоких гомологов макротетралидных
актинов (табл. 6.1) (ор. митохондриальный критерий в предыду-
щем разделе).
3.2. Энниатин
Энниатины относятся к группе циклических гексадепсипепти-
дов, содержащих кольца из 18 атомов; их получают из некоторых
штаммов Fusarium [37, 38]. Входящая в их состав D-оксиизовале-
риановая кислота чередуется с N-метил-ь-аминокислотой. В со-
став энниатинов А, .В и С входят аминокислоты изолейцин, .валин
и лейцин соответственно. Структура энниатина В показана на
рис. 6.1, Б. Еще одна разновидность энниатина — боварицин, в со-
став которого .входит аминокислота N-метилфенилаланин [39].
Так как энниатин содержит кольца небольшого размера, то
для его комплексов возможно лишь ограниченное число конфор-
маций. ’Пространственные модели показывают, что, когда карбо-
нильные группы направлены внутрь, наблюдается хорошее соот-
ветствие между ионом К+ и полостью, и такая структура для
комплекса с KI подтверждена рентгеноструктурным анализом
[40]. Шесть образующих связи атомов кислорода находятся на
расстоянии 2,6—2,8 А от К+ и подразделяются на две триады, од-
на из которых на 1,5 А выше, а вторая соответственно ниже сред-
ней плоскости кольца. «Верх и низ» этого дискообразного ком-
плекса более четко выражены, чем в комплексах макротетралид-
ных актинов или валиномицина, но не настолько, чтобы был
возможен тесный контакт между катионом и его противоионом.
Можно полагать, что анионы не дискретно расположены <в крис-
таллической решетке.
Конформация энниатинов в растворе изучена более детально
методами дисперсии оптического вращения, кругового дихроизма
и ядерного магнитного резонанса [41, 42]. Энниатин В постепенно
раскрывается, и его карбонильные группы выворачиваются нару-
жу по мере увеличения размеров катионов, входящих в ком-
плекс. В этом отношении он обладает меньшей селективностью,
чем более жесткая молекула валиномицина, хотя порядок селек-
тивности K+>Rb+>Cs+>Na+>Li+, определенный разными ме-
тодами, остается таким же, как и для других типичных нейтраль-
ных ионофоров [43, 44]*.
Одним из интересных представителей энниатинового ряда яв-
ляется синтетический энантиоморф энниатина В. Это соединение
* Здесь речь идет, по-видимому, только о природных ионофорах. — Прим,
ред.
254
Глава 6
обладает такой же активностью по отношению к бактериям и ми-
тохондриям, как природное соединение [43, 45]. Это свидетель-
ствует о том, что при взаимодействии этого ионофора с мембран-
ной системой селективный рецептор может не включаться. При-
родные рецепторы главным образом должны содержать оптически
активные белковые компоненты, которые, как можно ожидать, от-
личают компетентный триггер от его энантиоморфа.
3.3. Валиномицин
Брокманн [3] правильно определил, что валиномицин постро-
ен из остатков d- и ь-валина, ь-лактата и D-изовалерата; однако
он считал, что эта последовательность повторяется только дваж-
ды. Впоследствии Шемякин и сотрудники показали, что эта после-
довательность повторяется три раза с образованием додекадепси-
пептида [4] (рис. 6.1, В) и подтвердили это синтезом [5]. Они
синтезировали обширный ряд аналогов валиномицина и показали,
что даже небольшие изменения молекулы приводят к потере био-
логической активности, измеренной по интенсивности процессов,
происходящих в митохондриях, либо по их антибиотической ак-
тивности [5, 6, 9]. И увеличение, и уменьшение повторяющейся
последовательности из четырех остатков приводит к потере ак-
тивности, так же как и инверсия любого оптически активного
центра. Для того чтобы активность сохранилась, можно либо
только один оптически неактивный глицин заменить на валин, ли-
бо произвести инверсию всех оптически 'активных центров. Рас-
крытие цикла приводит к потере активности, если даже концевые
группы защищены формильной (свободный аминный конец) или
этаноламидной (свободный карбоксильный конец) группами.
Исследование химических сдвигов в спектре ЯМР показало,
что каждой катионной комплексной частице присуща своя уни-
кальная конформация валиномицина, причем наибольшие изме-
нения в спектре ЯМР наблюдаются в области поглощения коль-
цевого остова [42, 46—50]. На основании соотношения между
константами спин-спинового взаимодействия протонов амидных
групп с а-протонами валина и двугранным углом при амидной
связи получено представление о трехмерной конформации связан-
ного в комплекс валиномицина. Методом ИК-спектроскопии по-
казано, что карбонильные атомы кислорода сложноэфирных групп
связываются водородными связями с амидными протонами, пред-
ставляя свободным карбонильным кислородам амидных групп
возможность образовывать координационные связи с катионом.
Водородные связи создают упорядоченную вторичную структуру,
в которой валиномициновый остов делает петлю и образует «брас-
лет» высотой 4 А и диаметром 8 А [48]. Алкильные боковые цепи
направлены от граней «браслета», которые становятся асиммет-
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 255
ричными из-за того, что все остатки .молочной кислоты группиру-
ются с одного конца «браслета». В комплексной структуре амид-
ные карбонилы обращены внутрь «браслета», по три на каждой
грани, дополняя ячейку вокруг находящегося в ней катиона. В не-
закомплексованной форме карбонилы обращены наружу от грани
противоположно остаткам молочной кислоты, открывая таким об-
разом катиону путь внутрь ячейки. Часть водородных связей сво-
бодного валиномицина может разрываться, что приводит к по-
явлению некоторого количества молекул с еще более открытой
структурой [42, 45]. Это заключение было подтверждено после-
дующим ЯМ.Р-исследованием на спектрометре с еще более высо-
ким разрешением (220 МГц); зависящие от температуры химиче-
ские сдвиги амидных протонов в слабое поле и их медленный
обмен с D2O подтверждают образование водородных связей [49,
50]. Результаты дальнейшего исследования методом ЯМР валино-
мицина, а также макролидных актинов энниатина В и дицикло-
гексил-18-короны-6 приведены в диссертации Ханнеса [51].
По существу, такую же структуру ячейки получили независимо
рентгеноструктурнЫ|М анализом комплекса валиномицина с хло-
рауратом калия (KAuCh) [52]. Это снова подтвердило справедли-
вость положения о сохранении в растворе конформации, обнару-
женной в твердом состоянии. Положение аниона внутри решетки
четко установлено; следовательно, анион строго ориентирован от-
носительно комплекса ионофора (ср. нонактин). Основные
участвующие в связывании карбонильные атомы кислорода нахо-
дятся на расстоянии 2,7—2,8 А от катиона (от центра до центра),
в то время как карбонильные атомы кислорода, связанные водо-
родными связями, находятся иногда значительно дальше от ка-
тиона.
Метод ядерного магнитного резонанса дает также информацию
о динамике комплексообразования. Дублетный сигнал метильных
групп молочной кислоты валиномицина особенно отчетлив и иде-
ально подходит для измерения химических сдвигов и анализа
форм линий в процессе титрования катиона, на основании чего
можно получить данные о скорости обмена катион — ионофор.
В растворителе с низкой диэлектрической проницаемостью, CDC13,
скорость обмена лишь едва измерима; это указывает, по-видимо-
му, на отсутствие диссоциации комплекса внутри липидной мем-
браны, которая характеризуется низкой диэлектрической прони-
цаемостью. Повышение диэлектрической проницаемости посредст-
вом постепенного добавления CD3OD приводит к измеримому уве-
личению скорости обмена, что согласуется с легкой диссоциацией
комплекса на внешней стороне мембраны в областях с высокой
диэлектрической проницаемостью [46]. Так как внутримолеку-
лярные водородные связи придают жесткость ячейке валиноми-
цина, специально приспособленной для К+, ее трудно сжать до
256 Глава 6
размера Na+. Поэтому К+: ^^-избирательность валиномицина по
всем критериям является самой .большой среди всех известных
ионофоров [8— 15, 41 —44].
3.4. Грамицидин
Грамицидины — это линейные пентадекапептиды, продуцируе-
мые штаммом В. brevis [53]. Возможны структурные варианты:
в начале цепи — валин или изолейцин, а фенилаланин, тирозин
или триптофан на двенадцатом месте в цепи, состоящей из 15 ос-
татков [29]. Наблюдается также типичное для многих ионофоров
чередование d- и ь-конфигураций, концевые группы блокируются
Н О
I II
формильной (R—N—СН2О.Н) или этаноламидной (R—С—NH—
—СН2—СН2ОН) группами. Точная конформация молекулы не ус-
тановлена, хотя известна ее склонность к димеризации [29]. Хотя
грамицидин похож на описанные выше ионофоры по структуре и
влиянию на мембраны, он не образует легко обнаруживаемых
липидорастворимых комплексов и может и не выполнять функции
истинного подвижного «ионофороподобного» носителя. Осущест-
влен синтез грамицидинов [29].
Иногда возникает путаница между выше описанными грами-
цидинами «Дюбо» [53] и грамицидином S [54], который является
циклическим основным декапептидом, продуцируемым другим
штаммом В. brevis. Грамицидин S, который по структуре также
родствен тироцидину [55], нарушает окислительное фосфорилиро-
вание в митохондриях, так же как и другие ионофоры, хотя этот
эффект не зависит от ионов. В грамицидине S внутри молекулы
образуется большое число водородных связей, так что не происхо-
дит раскрытие цикла, необходимое для полилигандного комплек-
сообразования [50]. Грамицидин содержит также основные орни-
тиновые остатки, которые придают молекуле положительный за-
ряд, тем самым препятствуя комплексообразованию с катионом
вследствие электростатического отталкивания. Таким образом,
нарушающие обмен в митохондриях свойства этой молекулы, по-
видимому, обусловлены ее поверхностной активностью. Тироциди-
ны А, В и С, очищенные методом противоточного диализа, не толь-
ко не вызывают вхождения иона в митохондрии, а даже наруша-
ют этот процесс. Однако промышленный тироцидин не обладает
ионофорной активностью, главным образом из-за загрязнения гра-
мицидином, который одновременно продуцируется теми же самы-
ми организмами. Возможно, этим объясняются сообщения об ин-
дуцируемом тироцидином транспорте'через мембраны [56].
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов
257
3.5. Полициклические эфиры
Ионофоры этого ряда получены Педерсеном конденсацией
эпоксиэтилена с резорцином и его производными с последующим
кипячением со щелочью [30, 57, 58]. Наиболее доступный предста-
витель этого ряда, дибензо-18-корона-6, получается с высоким вы-
ходом при проведении конденсации в присутствии КОН; если вме-
сто едкого кали использовать NaOH, получают много побочных про-
дуктов. Ароматические короны (краун-эфиры) умеренно раствори-
мы как в водных, таки в органических растворителях и их эффектив-
ность как ионофоров увеличивается при гидрировании ненасыщен-
ных колец. При этом образуется ряд геометрических изомеров,
два из которых составляют основную часть неочищенной дипик-
логексил-18-короны-6 (рис. 6.1,Г). Полиэфиры типа корон наибо-
лее интересны тем, что у химика появляется возможность синте-
зировать различные полиэфиры, размер кольца у которых систе-
матически изменяется. Таким образом, ионную селективность
можно коррелировать с размером кольцевого отверстия (табл. 6.2).
Как и следовало ожидать, соединения с меньшими размерами
кольца (14- и 15-членные) предпочитают Na+, для К+ наиболее
подходящими являются 19-членные кольца, в то время как для
Cs+ — кольца с 21—24 атомами. Увеличение констант ассоциа-
ции с К+ (Кл) при переходе от 24- к 30-членным кольцам обус-
Таблица 6.2
Влияние размера кольцевого отверстия на ион-селективность полиэфира®
Полиэфир Размер кольцевого отверстия, о А для К* Относительное сродство
Na (D = 1,9A) К (D=2,66A) Cs (D=2,34A)
Дициклогексил-14-корона-4 1,5 1,30 7,6 1 0,16
Циклогексил-15-корона-5 2,2 2,18 1,3 1 0,16
Дициклогексил- 18-корона-6 3,2 6,01 0,016 1 0,040
(изомер А)
Дибензо- 18-корона-6 3,2 5,00 0,23 1 0,036
Д ибензо-21 -корона-7 4,3 4,30 0,012 1 0,80
Дибензо-24-корона-8 3,49 1 0,19
Дибензо-30-корона-10 4,60 0,002 1
18-Корона-6 3,2 6,10 0,021 1 0,033
21-Корона-7 4,3 4,41 1 4,0
24-Короиа-8 3,48 1 4,7
аКонстанты селективности определены в метаноле с помощью ион-селективных электро-
дов [59]. кольцевые отверстия измерены иа моделях Фишера—Хиршфельдера—Тейлора.
17—2451
258
Глава 6
ловлено главным образом тем, что последние скручиваются и им
легче принять более сферическую конформацию [59].
Дициклогексил-18-корона-6 достаточно растворима в воде для
того, чтобы комплексообразование можно было исследовать либо
с помощью ион-селективных электродов [59], либо калориметри-
чески [60]. При прочих равных условиях комплексообразование в
10 000 раз эффективнее в метаноле, чем в воде, по-видимому,
вследствие того, что ионофору трудно вытеснить воду из гидрат-
ной оболочки катиона [60]. Дициклогексил-18-корона-6 образует
комплексы состава 2:1 и 3 : 2 с Cs+ и Rb+ [58].
Проведен рентгеноструктурный анализ кристаллических ком-
плексов дибензо-18-1короны-6 с Rb+ и Na+, а также свободного
ионофора. Катионы находятся в одной плоскости с атомами кис-
лорода* (ср. с энниатином). Расстояния Rb—О и Na—О состав-
ляют 2,86—2,93 и 2,74—2,89 А соответственно. Открытая структура
этих ионофорных комплексов становится очевидной на основании
того, что анион SCN- находится на расстоянии вандерваальсова
радиуса от Rb (расстояние Rb—N 2,94 А), т. е. образует ионную
пару, в то время как расстояние Na—N заметно больше 3,32 А.
Конформация свободного ионофора в решетке менее симметрична,
чем конформация связанного в комплекс ионофора [61, 62].
Спектр протонного магнитного резонанса раствора, по крайней
мере при 60 МГц, недостаточно разрешен для того, чтобы на его
основании можно было провести простой конформационный ана-
лиз [51].
Криптанды** относятся к синтетическим полиэфирам, содержа-
щим азот, например N(—С—С—О—С—С—О—С—C)3N [63]. Это
довольно широкий набор комплексующих агентов, однако, по-
скольку их полярность слишком велика, чтобы они могли входить
в липиды, их нельзя полностью отождествлять с мембранными
ионофорами. Рентгеноструктурный анализ комплекса RbSCN с
упомянутым выше соединением показывает, что расстояние Rb—О
составляет 2,9 А и что атомы азота также находятся в контакте
со связанным в комплекс катионом (Rb—N 3,00 А) [64].
3.6. Другие соединения
Циклический декапептид антаманид, выделенный из гриба
Amanita phalloid.es [65], действует как антидот против сопутству-
ющего ему токсического олигопептида фаллоидина. Антаманид
образует липидорастворимые комплексы с катионами щелочных
металлов (причем предпочитает натрий калию) и промотирует
активный перенос К+ в митохондриях [11, 66]. Он весь состоит
* Это не совсем точно — катионы несколько отклонены от плоскости, в кото-
рой лежат атомы кислорода короны. — Прим. ред.
** Автор называет их «dentates». — Прим. ред.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 259
из остатков с ь-конфигурацпями; однако четыре пролиновых
остатка могут значительно искривить кольцо, оптимально фоку-
сируя карбонильные группы для участия в комплексообразовании,
и из-за этого отпадает потребность в d-конфигурации.
Аламетицин— другой полностью состоящий из ь-конфигура-
ций циклический полипептид, продуцируемый Trichoderma [67].
Семь .из 17 его остатков состоят из необычной аминокислоты —
ь -аминоизомасляной кислоты. Семнадцать остатков образуют
кольцо, а один остаток глутаминовой кислоты со свободной кар-
боксильной группой подвешен к кольцу [68]. Хотя по способности
стимулировать вхождение ионов в митохондрии аламетицин ведет
себя подобно типичным ионофорам и образует липидораствори-
мые катионные комплексы [18], он имеет отличительные электро-
метрические свойства. Аламетицин, как и другие антибиотики ти-
па валиномипина, индуцирует катионный ток в двухслойных ли-
пидных мембранах. Однако в том случае, когда потенциал превы-
шает критический пороговый уровень, начальное сопротивление
мембраны падает до более низкого значения; это явление анало-
гично поведению возбудимых мембран нервов и мускулов [69,
70]. Аналогичным образом ведет себя моназомипин, но в этом
случае сопротивление мембраны возрастает с повышением транс-
мембранного потенциала [69, 70]. Моназомицин также стимулиру-
ет транспорт ионов в митохондриях [16], однако он не солюби-
лизирует ионы щелочных металлов в толуоле [71] и поэтому его
нельзя классифицировать как истинный ионофор. Молекулярная
масса моназомицина 1050—1200, он содержит 20 атомов кислоро-.
да и один основной атом азота; его точная структура в настоящее
время не известна. Но, возможно, он относится к антибиотикам
полиенового ряда [72]. Антибиотик LL-491 (мол. масса 1500)
[72а] по активности похож на моназомицин, но по отношению к
митохондриям его активность составляет всего около 20% от ак-
тивности моназомицина [71].
Монамицины [73] — группа циклических октадекапептидов с
чередующимися d- и ь-конфигурациями в кольце. Несколько ами-
нокислот являются производными пиперидазина или хлорпипе-
ридазина [74]. Они образуют комплексы с К+ [75] и переносят
ионы через липидные двойные слои, следовательно, являются на-
стоящими ионофорами. Как и в случае аламетицина и моназоми-
цина, вольт-амперные характеристики проводимости липидных
двойных слоев не линейны и резко изменяются с изменением по-
тенциала [75].
3.7. Катионная селективность
Для оценки катионной селективности ионофоров типа валино-
мицина было использовано несколько критериев, например:
1) зависимость нарушения окислительного фосфорилирования в
17*
260
Глава 6_______________________________
митохондриях от катиона; 2) проводимость двойных липидных
слоев; 3) биионные потенциалы, возникающие в двойном липид-
ном слое при разделении различных катионных частиц; 4) спо-
собность образовывать липидорастворимые комплексы в двухфаз-
ных системах органический растворитель — вода; 5) прямое тит-
рование ионофора в одном растворителе, используя некоторые
Cs Rb К Na Li
Рис. 6.2. Селективность валиномицина, измерен-
ная различными методами [46].
Шкалы рис. 6.2 и 6.3 логарифмические, значение се-
лективности для наиболее предпочитаемого иона обозна-
чено значением 2, так что различие между двумя катио-
нами на 1 означает, что их селективности отличаются
в 10 раз. а — анализ дыхания; б — бииониый потенциал;
в — электропроводность; г — комплексообразование.
физические измерения в качестве .индикатора. Как ранее указыва-
лось, комплексообразование с грамицидином и моназомицино,м
трудно обнаружить, так как, например, критерий (4) для этих со-
единений применить нельзя. Критерий (4) можно оценить двумя
способами: прямым измерением миграции комплексообразующего
катиона в органическую фазу [1, 10, 18, 46] и косвенно — измере-
нием концентрации анионов, сопутствующих .катиону, например
SCN- [10] или пикрат-аниона [76]. Некоторые методы использо-
вались для титрования ионофоров с 'катионами .в однофазной си-
стеме с применением ион-селективных электродов [59], осмомет-
рии [44], электропроводности [41, 42, 51] и ЯМР [33, 42, 51].
Ионная селективность валиномицина, оцененная по нескольким
критериям, показана на рис. 6.2. Можно видеть, что все методы
обнаруживают очень сходную картину разделения ионов.
Нейтральные ионофоры, согласно всем критериям, обнаружи-
вают обычный ряд селективности: К+—Rb+>Cs+>Na+>Li+.
Степень избирательности весьма различна; биологическая оценка
по соответствующему отношению К+: Na+ изменяется от 10 000: 1
для валиномицина, 25 : 1 для актинов и энниатинов и близка к 1
для грамицидина [критерий (1)] [43]. Внутри каждого ряда ионо-
форов-аналогов наблюдаются заметные отклонения, которые за-
висят от природы растворителя.
Так как карбоксилсодержащие ионофоры обычно электрически
никак себя не проявляют, критерии (2) и (3) нельзя использовать
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 261
для их оценки. Они вызывают эндогенное выделение К+ в обмен
на Н+ в митохондриях, что можно использовать для измерения
их динамической способности переносить К+ через мембраны; од-
нако такого рода измерения нельзя просто .распространить на дру-
гие ионы. Вместо нарушения процессов в митохондриях, как это
делают ионофоры типа валиномицина, карбоксилсодержащие
Kjj для
комплексообразо-
Cs Rb К Na Li вопия с К+
Ионный мМ
Х-537А
(589)
Валиномицин
(1110)
Х-206
(841)
Миверицин
(736)
Моненсин
(670)
Диаммиццн
(956)
Рис. 6.3. Селективность различных ионофоров, изученная методом двухфазной
экстракции [18].
ионофоры ингибируют дыхание в митохондриях, очевидно, косвен-
ным образом препятствуя вхождению субстрата. Ингибирование
можно предотвратить, обеспечив высокий экстрамитохондриаль-
ный уровень К+ [23]. Равновесие комплексообразования с этими
ионофорами можно изучать методом двухфазной экстракции. Ре-
зультаты такого исследования (рис. 6.3) показывают, что, несмот-
ря на структурное сходство, карбоксилсодержищие ионофоры про-
являют гораздо более широкий диапазон селективностей по срав-
нению с родственными им ионофорами типа .валиномицина [10,
18, 46].
Ионофоры могут образовывать комплексы и с другими ионами
•подходящего диаметра и заряда, однако имеющиеся о них дан-
ные отрывочны. Согласно критерию митохондриального взаимо-
действия, NH4 связывается валиномицином и энниатином иесколь-
262
Глава 6
ко менее эффективно, чем Cs+, а актинами иногда более эффек-
тивно, чем К+ [76]. Возможно, это обусловлено наличием других
мостиковых атомов кислорода, образующих водородные связи с
NH4; такого взаимодействия с ионами металлов нет. О комплек-
сообразовании Т1+ [76] и Ag+ [59] с актинами и полиэфирами
также сообщалось, и это не удивительно с точки зрения близости
их атомных* радиусов и зарядов к зарядам и радиусам ионов ще-
лочных металлов.
4, КАРБОКСИЛАТНЫЕ ИОНОФОРЫ
Хотя нейтральные ионофоры подразделяются на несколько
различных групп, известные структуры карбоксильных ионофоров
близки по характеру. Ковалентные структуры моненсина, нигери-
цина, Х-537А и гризориксина характеризуются наличием цепей,
содержащих эфирные атомы кислорода в пяти- или шестичлен-
ных гетероциклических кольцах; в остове бывают и дополнитель-
ные атомы кислорода. Единственная карбоксильная группа с од-
ного конца цепи посредством водородной связи образует кольцо
с одной или двумя гидроксильными группами на противополож-
ном конце молекулы.
Первым карбоксильным ионофором, структура которого была
установлена, был моненсин (рис. 6.1,Д), выделенный из штамма
Streptomyces [77]. Рентгеноструктурный анализ его серебряной
соли показал, что шесть атомов кислорода связаны ион-диполь-
ным взаимодействием с катионом и находятся от него на расстоя-
ниях 2,40—2,68 А. Однако карбоксилатные атомы кислорода не
являются сильными лигандными группами, так как они находятся
от катиона на расстоянии 3,8 А. Кольцо, состоящее из 22 атомов,
вокруг катиона уложено нерегулярно, но с приблизительным со-
блюдением плоского расположения [78, 79]. Моненсин обладает
умеренной селективностью, предпочитая ионы Na+ ионам К+ в от-
ношении 10 : 1 [10, 18].
Серебряная соль нигерицина (рис. 6.1, Е) [20] содержит
24-членное кольцо. Два атома кислорода, соответствующие ион-
дипольным лигандным группам моненсина, заменены карбокси-
латным атомом кислорода, который теперь входит в координа-
ционную сферу катиона (Ag—О 2,25 А) и образует сильную ион-
ную связь. Четыре лиганда, образующих ион-дипольные связи
(Ag—О 2,45—2,69 А), и карбоксилатный кислород образуют пяти-
членную координационную ячейку иона серебра [80, 81]. Сродст-
во нигерицина к К+ в 400 раз сильнее, чем моненсина, хотя изве-
стно, что их структуры почти идентичны. Структура гризориксина
Точнее ионных радиусов. — Прим. ред.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 263
[82] идентична структуре нигерицина, за тем исключением, что он
не содержит гидроксильной группы в концевом кольце напротив
кольца, содержащего карбоксил. Атомы кислорода, образующие
связь с солью серебра, такие же, .как у нигерицина; однако из-за
отсутствия гидроксильной группы образуются не две, а одна во-
дородная связь по типу «голова к хвосту» [83]. О катионной се-
лективности этого ионофора еще не сообщалось. Расстояния
Ag—О составляют 2,4—2,7 (ион-дипольные) и 2,2 А (с карбокси-
латным кислородом).
Большее число атомов водорода, химически .похожих, но не
идентичных, делает спектры TIM.P карбоксилсодержащих ионофо-
ров более сложными для интерпретации, чем спектры нейтраль-
ных .ионофоров. Однако поле лигандов, образуемое цвиттер-ион-
ной структурой карбоксильных .ионофоров, можно исследовать
другим вариантом метода ЯМР. Вследствие того что ядро 23Na
обладает ядерным спином 3/2, оно «чувствует» асимметрию окру-
жающего его поля, реагируя на нее уширением ЯМР-линий. Та-
ким образом, большая асимметрия, наблюдаемая для комплексов
Na+ с нигерицином по сравнению с моненсином, согласуется с 'бо-
лее близким подходом отрицательно заряженного карбоксильного
атома кислорода к катиону [47], .как это следовало из кристалли-
ческой структуры его серебряной соли [79, 80].
Наиболее существенное отличие ионофора Х-537А (обозначе-
ния по Гоффману—Ла Рошу) [84] от других карбоксилатных
ионофоров состоит в том, что в нем имеется ароматическое коль-
цо, к которому присоединена концевая карбоксильная группа.
Кроме того, кольцо содержит фенольный гидроксил, благодаря
чему оно легко поддается химическим превращениям. Второй его
уникальной особенностью является наличие кетонной карбониль-
ной группы в области прямолинейного участка цепи антибиотика.
Так как, по-видимому, эта группа участвует в образовании ион-
дипольных связей, комплексообразующие свойства молекулы та-
ковы, что она очень чувствительна к реагентам, образующим ад-
дукты с кетонами.
Х-537А — до сих пор единственный карбоксильный ионофор,
избирательный по отношению к Cs+ [10, 18]. Его относительно
низкая степень селективности, примерно следующая липотропно-
му ряду, по-видимому, свидетельствует о ‘большей гибкости его
образующего комплекс кольца по сравнению с антибиотиками с
более выраженной селективностью.
Структура Х-537А 'была установлена рентгеноструктурным
анализом его бариевой соли [85]. Комплекс с двухвалентным ка-
тионом состоит из электронейтрального цвиттер-иона, содержаще-
го два аниона ионофора. Один «без штриха» (unprimed) анион
координируется к катиону атомами кислорода с образованием пя-
ти ион-дипольных связей (Ва—О 2,7—3,1 А) и шестой связи с за-
264
Глава 6
ряженной карбоксильной группой (Ва—О 2,8 А) (рис. 6.1, Ж).
Другой, «со штрихом» (primed) анион хотя и имеет почти такую
же конформацию, как молекула ионофора «без штриха», коорди-
нируется только через карбоксилатный анион (Ва—О 2,6 А) и
концевой гидроксил (Ва—О 2,8 А) (рис. 6.1, 3). Молекула ионо-
фора «со штрихом», кроме того, связана .водородной связью с од-
ной молекулой воды, (которая в свою очередь связана с барием
(Ва—О 2,7 А), так что координационное число катиона равно 9.
Мы можем также показать, что Х-537А в растворе образует
комплексы с Sr2+, Са2+, Mg2+, а также Ва2+ и ионами щелочных
металлов. Изотермы связывания с Ва2+ согласуются с таким со-
ставом комплекса: (ионофор)2Ва2+ [71]. Х-537А действует как
ионофор для двухвалентных ионов; мы подтвердили его способ-
ность переносить ,33Ва2+ и 90Sr2+ в объемную фазу, состоящую из
толуола и бутанола [71].
Имеются сведения и о структуре других моненсинов (моненси-
нов В и С), но и этих данных недостаточно, чтобы охарактеризо-
вать их селективность при комплексообразовании. Есть предва-
рительные данные, что дианмицин (селективный к Na+) также
имеет сходство с этим рядом [80], как, по-видимому, и Х-206 [84]
Молекулярные свойства ионофоров
Таблица 6.3
Ионофор Соль О Расстояния кислород—катион, А Селективность комплексообразования
ион-дипольные с карбоксилом
Ноиактин KSCN 2,7—2,9 [26] NH4>K>Rb>Cs>
Энниатин В KI 2,6—2,8 [40] >Na>Li [44] K>Rb>Cs>
Валиномицин КАиС13 2,7—2,8 [52] > Na> Li[51] K>Rb>Cs>
Дибензо- 18-ко- RbSCN 2,7—2,8 [62] >Na>Li [18] Ag>K>Na>NH4>
рона-6 Криптанд Моненсин RbSCN Ag* 2,9 [64] 2,4—2,7 [79] 3,8 > Cs > Li [59] Na>K>Rb>
Нигерицин Ag* 2,4—2,7 [80] 2,2 >Li>Cs[18] K>Rb>Na>
Х-537А Ba2* 2,7 [85] 2,8 >Cs>Li [18] Cs>Rb =
Гризориксин Ag* 2,4—2,7 [83] 2,2 = K>Na>Li [18]
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов
265
(селективный к К+). Дианмицин напоминает Х-537А тем, что его
спектр разделения щелочных ионов относительно широкий [10,
18]. Поэтому, может быть, важно то, что дианмицин также скло-
нен образовывать комплексы с двухвалентными катионами [71].
Расстояния кислород—катион, определяющие наличие связи .в
комплексах с этим ионофором, найденные рентгеноструктурным
методом, приведены в табл. 6.3.
5. ДИНАМИКА КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ
С ИОНОФОРАМИ
Хотя на основании простого подбора соответствующих молеку-
лярных моделей и можно сделать некоторые предположения о
причинах ионной селективности данного ионофора, равновесие
комплексообразования зависит также и от других факторов. Энер-
гии сольватации свободных ионов щелочных металлов сильно от-
личаются между собой. Когда комплексообразование происходит
в присутствии полярного растворителя, процесс десольватации
соответственно сам по себе будет сильно зависеть от природы ка-
тиона. Свободная энергия комплексообразования, следовательно,
определяется различием между процессами десольватации иона и
ассоциации иона с ионофором. Таким образом, наблюдаемая се-
лективность данного ионофора может меняться с изменением рас-
творителя. Ион-дипольное взаимодействие между ионофором и
ионом имеет много общего с сольватацией иона; в процессе ком-
плексообразования ионофор действительно сольватирует ион. Из-
менение энергии в процессе комплексообразования в свою очередь
можно разделить на два слагаемых: энтальпия, возникающая при
взаимодействии между ионом и ионофором, и энтропия, опреде-
ляемая изменением конформации ионофора от той, которая наи-
более предпочтительна в свободном состоянии, до той, которая
требуется в комплексе для наиболее выгодного расположения
соответствующих атомов кислорода возле катиона*.
Следующая последовательность стадий выведена для динамиче-
ского, катализируемого ионофором транспорта ионов через био-
логические мембраны и другие липидные барьеры. Мембрану
можно рассматривать как тонкий липидный слой, помещенный в
водную среду, причем несвязанный катион первоначально концен-
трируется в водной фазе, а гидрофобный ионофор — в липидной
фазе. Силы взаимного отталкивания внутри электроотрицательной
кислородной системы должны вынуждать несвязанный в комплекс
ионофор принять конформацию, отличную от его конформации в
* Общее изменение энтропии при образовании комплекса включает также
изменение энтропии при десольватации исходного сольватированного иона —
Прим. ред.
266
Глава 6
комплексе. Таким образом, свободный ионофор, по-видимому,
«чувствует» присутствие катиона еще до начала перегруппировки
в конформацию комплекса. Это означает, что в «интерфазе» об-
разуется слабый промежуточный комплекс ионофор—катион. За-
тем ионофор может изменять свою конформацию так, чтобы его
кислородная система вытеснила сольватную воду катиона. Про-
цесс заканчивается образованием стабильного липофильного ионо-
форного комплекса, который диффундирует через мембрану, после
Рис. 6.4. Последовательность стадий, происходящих в процессе транспорта, ин-
дуцируемого нейтральным ионофором.
Начиная сверху, ионофор I диффундирует через липидный барьер внутренней поверхности,
где он встречается с гидратирован ныйи катионом, М+-Н2О. В интерфазе образуется слабый
комплекс М+-Н2О-1. Затем I претерпевает конформационное превращение в I*, после чего он
вытесняет сольватную оболочку М.+, образуя лнпидорастворимый комплекс M+-I*. который
легко диффундирует через мембрану. В другой интерфазе комплекс атакуется растворителем,
при этом катион вновь гидратируется, а освободившийся I диффундирует назад в противо-
положную интерфазу и начинает новый транспортный каталитический цикл.
чего комплекс атакуется водой и происходит его диссоциация. Те-
перь ионофор снова свободен и может диффундировать в обрат-
ном направлении к другой стороне мембраны, чтобы участвовать
в новом каталитическом цикле транспорта катиона. Эта последо-
вательность реакций иллюстрируется рис. 6.4.
6. ТРАНСПОРТНЫЕ РАВНОВЕСИЯ,
катализируемые ионофорами*
Нейтральные ионофоры переносят ионы через липидные барье-
ры в форме заряженных частиц, затем незаряженный свободный
ионофор возвращается, чтобы закончить каталитический цикл. Та-
ким образом, такие ионофоры способны к общей транслокации
зарядов и выражение для равновесия, катализируемого этими
* Неточное выражение, так как равновесия не могут быть каталитическими,
катализируются отдельные этапы равновесия. — Прим. ред.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных, металлов 267
ионофорами, содержит электрическую составляющую; равновесие
достигается, когда электрохимическая активность транспортируе-
мого иона по обе стороны 'мембраны становится одинаковой. Рав-
новесие описывается уравнением Нернста для диффузионного по-
тенциала:
[М+]1 го п.- tM+Ji
А£_ nF ln [М+]2 ~59 MBlg [М+]2
(1)
где [M+]i и [М+]г — концентрации катионных частиц М+ на сто-
роне 1 и 2 соответственно.
Когда больше чем одна из присутствующих катионных частиц
может образовать комплекс с ионофором, применимо уравнение
Гольдмана
ДЕ = 59 мВ 1g
[M+h + Р mn
[М+]2 +Pmn [N+]2 + Pmo [O+]2.
(2)
Множители Pmn и Pmo представляют относительные проникающие
способности ионных частиц М+ и N+ и М+ и 0+ соответственно.
Эти факторы являются функцией концентрации ионофорного ком-
плекса [IM+] в интерфазе, которая при отсутствии большой насы-
щающей концентрации катиона связана с равновесием выраже-
нием
[I] [М+]
- [IM+]
(3)
Следовательно, биионный потенциал, возникающий вдоль мем-
браны или липидного барьера между растворами двух связываю-
щих ионы частиц, выражает относительное сродство этих проти-
вопоставляемых ионных частиц к ионофору и подвижности ком-
плексов при прохождении через мембрану. Второе назначение тех
же коэффициентов проницаемости — выражать относительные про-
водимости мембран для одинаковых .концентраций различных
ионов. Корреляции мембранных проводимостей и равновесий ком-
плексообразования для ряда щелочных ионов даны па рис. 6.2;
там же приведены соответствующие значения селективности, по-
лученные по митохондриальному критерию.
Для того чтобы облегчить миграцию катиона из водной среды
в липофильную фазу, содержащую ионофор, нужно дать возмож-
ность липидосовместимому аниону мигрировать вместе с катио-
ном. Это мешает созданию достаточного межфазового потенциала
[ср. уравнение (1)] для уравновешивания электрохимического по-
тенциала катиона в обеих фазах до того, как сможет осуществить-
ся измеримая миграция катиона. При .фиксированной концентра-
ции таких анионов, как SCN~, и при более высоких концентраци-
ях катиона миграция катиона в идеальном случае достигает
изотермы насыщения Ленгмюра, начиная с которой можно опре-
268
Глава 6
делять сродство ионофора к определенному катиону:
I_________!__ , _ 1 ,,,
[М1+]оРг - [М+]н2О + П1орг + [1]орг W
где [М1+]орг—концентрация катиона в органической фазе (при
отсутствии контроля за концентрацией ионофора), [М+]
Н2О
концентрация М+, добавленного к -воде, и [I] орг— концентрация
ионофора, добавленного в органическую фазу. Кажущаяся кон-
станта диссоциации Kd является функцией концентрации липидо-
совместимого аниона, при этом она заметно не изменяется при из-
менении pH (ср. ниже карбоксильные ионофоры).
Карбоксильные ионофоры могут входить -в липидные фазы ли-
бо как электронейтральные цвиттер-ионные комплексы, либо как
незаряженная недиссоциированная карбоновая кислота. При нейт-
ральных значениях pH только небольшое количество ионофора
проходит липидный барьер в виде заряженных частиц; следова-
тельно, этот класс ионофоров фактически не проявляет себя элек-
трически по отношению к мембранам. При более высоких значе-
ниях pH несвязанная в комплекс карбоксилатная форма этих
ионофоров, по-видимому, становится достаточно преобладающей,
чтобы проводить ток и вызывать электрометрически детектируе-
мые эффекты на мембранах. Хотя в выражении для трансмем-
бранного равновесия нет никакой электрической составляющей,
появляется преобладающий протонный градиент:
[H+h [М+]2 [N+h [О+]2
[Н+]2 - [М+]х ~ [N+]x - [O+]j
Идентичные градиенты в конечном счете достигаются для каж-
дого иона, способного к прохождению сквозь мембраны с ионо-
фором, независимо от его сродства к ионофору.
Однако в экспериментах по экстракции катионные частицы
конкурируют с протонами за ионофор:
I.H +М+ Г.М+ +Н+ (6)
Таким образом, при фиксированном значении pH можно полу-
чить идеальную изотерму насыщения Ленгмюра как функцию кон-
центрации катиона и его сродства. Так как общего переноса за-
ряда не происходит, не возникает никакого межфазного потен-
циала и на это равновесие не влияют присутствующие анионные
частицы. По мере того как pH влияет на кажущееся сродство
к катиону карбоксильного ионофора, на кажущуюся константу
диссоциации карбоксильной группы (рКа) влияют катионные час-
тицы и концентрации. Равновесия, описывающие взаимодействие
между карбоксильными ионофорами и двухвалентными катиона-
ми, иногда более сложные.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов
269
7. ПРИМЕНЕНИЕ ИОНОФОРОВ j
Несмотря на то что большинство ионофоров при выделении'
рассматривали как антибиотики, их терапевтическое применение
сводится лишь к случаям, когда необходимо нарушить процессы'
накопления энергии митохондриями высших организмов [8, 9]..-
Антибиотическая активность ионофоров, по-видимому, также обус-
ловлена тем, что они нарушают метаболизм энергии и ионный
метаболизм в микроорганизмах [86—88]. Хотя грамицидин систе-
матически токсичен, он находит ограниченное медицинское при-
менение как антибиотик местного назначения. Токсичность ионо-
форов по отношению к морской креветке Artemia salina использо-
валась как процедура отбора («скрининг») для их обнаружения
[89].
Некоторые карбоксильные антибиотики имеют ограниченную
способность 'проникать в кишечник птиц, а моненсин, как сообща-
лось, эффективен против кокков и кишечных паразитов птиц [90].
Валиномицин и актины были применены для получения ион-селек-
тивных электродов [см. уравнения (1) и (2)] [91—93]. Срок экс-
плуатации таких электродов ограничен, но благодаря экстремаль-
но высокой К+ Ыа+-селективности валиномицинового электрода
он может найти широкое применение для контроля за концентра-
цией К+ в присутствии высоких концентраций Na+, например в
крови «ли моче. Возможно с его помощью можно осуществлять
контроль за содержанием К+ в сыворотке во время лечения сер-
дечных кризов или диабетической комы.
Ионофоры широко применялись как средство, позволяющее
экспериментально нарушать биоэнергетику и ионный метаболизм
субклеточных органелл, например митохондрий, как изолирован-
ных [1, 7—11, 13, 16, 18, 21, 24, 34, 35, 46], так и in situ (асцитная
опухоль) [94—96], а также хлоропластов [97—100] и хромато-
форов [100—105]. Их также использовали для селективного уве-
личения проницаемости других биологических мембранных систем,
например эритроцитов [106—108] и цист [109].
Одним из наиболее поразительных свойств ионофоров являет-
ся их способность индуцировать постоянную селективную проводи-
мость в искусственных двойных липидных слоях, которая копиру-
ет проводимость природных мембран. Электрометрически эта по-
стоянная селективность параллельна селективности биологических
мембран. Липидные мембраны, обработанные некоторыми ионо-
форами, например аламетицином, используются для изучения мо-
лекулярной природы электровозбуждения, которое характерно
для мембран нервов и мышц [69, 70].
Так как все описанные свойства ионофоров обусловлены их
способностью действовать в качестве мобильных переносчиков
ионов, основное внимание было сосредоточено на изучении их как
270
Глава 6
модели системы связанных с мембраной носителей. В действитель-
ности, их специфичность к субстрату и числа оборотов (например,
валиномицин — 200 с-1, нигерицин — 500 с~* в мембране мито-
хондрий) достаточны для истинных ферментов, хотя способность
валиномицина сублимироваться без разложения необычна для
биологических катализаторов. Маленький размер ионофоров об-
легчает изучение молекулярной структуры и конформационных
превращений, ответственных за их свойства, разнообразными
сложными физическими методами. Такие же структурные особен-
ности (а именно катион, находящийся в полярной внутренней
части циклической молекулы с липофильной наружной оболочкой)
имеют мембранопроницаемые железосвязывающие агенты биоло-
гического происхождения (гл. 5). Поэтому проблема мембранного
транспорта в природе имеет к ним прямое отношение.
Следует ожидать, что природные связанные с мембранами но-
сители должны обладать дополнительными свойствами, помимо
тех, которыми обладают ионофоры. Они должны быть прикрепле-
ны внутри данной мембраны так, чтобы они находились в равно-
весии со всеми целлюлярными мембранными системами. Это мо-
жет сопровождаться тем, что ионофороподобная структура при-
крепляется к большой объемистой молекуле белка. Для
построения активной транспортной системы необходимо участие
природного носителя, способного реагировать с источником энер-
гии, таким, как АТФ. Можно думать, что для того, чтобы оказать
аллостерический эффект на конформацию активной ионофорной
части носителя, который в свою очередь обратимо изменяет срод-
ство транспортируемого субстрата, необходимы связывание и по-
следующий гидролиз АТФ. Таким образом, нужно перевести носи-
тель в конформацию с высоким сродством для того, чтобы связать
субстрат в области низкой электрохимической активности. По ме-
ре того как носитель переносит субстрат в область высокой хими-
ческой активности субстрата, сродство должно быть понижено
аллостерически, посредством связывания или гидролиза АТФ, что
приводит к освобождению субстрата. Такая система циклического
изменения сродства части субстрата за счет внутренней энергии
системы напоминает схему транспорта, предложенную Вилбранд-
том и Розенбергом [110].
Ионофоры стали применять и как средство для изменения
функции мембран, и как модель для понимания поведения мем-
бран. Мы можем надеяться, что в будущем из мембран будут вы-
делены природные эквиваленты ионофоров, что значительно по-
могло бы нашему проникновению в глубины их более простых
прототипов.
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 271
ДОПОЛНЕНИЯ, ВНЕСЕННЫЕ В КОРРЕКТУРУ
Недавно методом рентгеноструктурного анализа были установ-
лены структура и конформация еще двух карбоксильных ионо-
форов— Х-206 [111] и дианмицина [112].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pressman В. С., Harris Е. J., Jagger W. S., Hohnson J. Н., Proc. Natn. Acad.
Sci., U. S„ 58, 1949 (1967).
2. Brockmann H., Schmidt-Kastner G., Chem. Ber., 88, 57 (1955).
3. Brockmann H., Springorum M., Traxler G., Hofer I., Naturwiss., 50, 689
(1963).
4. Shemyakin M. M., Aldanova N. A., Vinogradova E. I., Feigina M. Yu., Tetra-
hedron Lett., 1963, 1921.
5. Shemyakin M. M., Vinogradova E. I., Feigina M. Yu., Aldanova N. A., Logi-
nova N. F., Ryabova N. F., Pavelenko I. D., Experientia, 21, 548 (1965).
6. Шемякин M. M., Виноградова E. И., Фейгина M. JO., Алданова H. А., Шве-
цов Л. Б., Фонина Л. А., Ж0Х, 36, 1391 (1966).
7. McMurray W., Begg R. W„ Arch. Biochem. Biophys., 84, 546 (1959).
8. Moore C., Pressman В. C., Biochem. Biophys. Res. Commun., 15, 562 (1964).
9. Pressman В. C., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 53, 1076 (1965).
10. Pressman В. C., in «Mitochondria, Structure and Function», 5th Meeting, Fed.
Europ. Biochem. Soc., Academic Press, New York, 1969, p. 315.
11. Pressman В. C., in E. Racker (ed.), Membranes of Mitochondria and Cho-
lorplasts, Reinhold Van Nostrand, New York, 1970, p. 213.
12. Simon W., Pioda L. A. R., Wipf H. K-, in T. Biicher, H. Sies (eds.), Inhibitors,
Tools in Cell Research, Springer-Verlag, New York, 1969, p. 356.
13. Pressman В. C., Antimicrobial Agents and Chemotherapy-1969, 1970, 28.
14. Mueller P., Rudin D. O., Biochem. Biophys. Res. Commun., 26, 398 (1967).
15. Лев А. А., Бучинский E. П., Цитология, 9, 102 (1967).
16. Lardy H. A., Graven S. N., Estrada-O. S., Federation Proc., 26, 1355 (1967).
17. Eisenman G., Federation Proc., 27, 1249 (1968).
18. Pressman В. C., Federation Proc., 27, 1283 (1968).
19. Wipf H. K., Pache W., Iordan P., Zahner H., Keller W„ Schierlein, Simon W.,
Biochem. Biophys. Res. Commun., 36, 387 (1969).
20. Harned R. L., Hidy P. H., Corum C. J., Jones K. L„ Antibiot. Chemother., 1,
594 (1951).
21. Lardy H. A., Johnson D., McMurray W. C., Arch. Biochem. Biochys., 18, 587
(1958).
22. Graven S. N., Estrada-0 S., Lardy H. A., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 53,
1076 (1965).
23. Graven S. N., Estrada-0 S., Lardy H. A., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 56,
654 (1965).
24. Chappell J. B„ Crofts A. R., Biochem. J., 95, 393 (1965).
25. Kilbourn В. T„ Dunitz J. D„ Pioda L. A. R., Simon W., J. Mol. Biol., 30, 559
(1967).
26. Dobler M., Dunitz J. D., Kilbourn В. T., Helv. Chim. Acta, 52, 2573 (1969).
27. Shemyakin M. M., Angew. Chem., 72, 342 (1960).
28. Beck J., Gerlach H„ Prelog V., Voser W., Helv. Chim. Acta, 45, 621 (1962).
29. Serger R., Witkop B., J. Am. Chem. Soc., 87, 2011 (1965).
30. Pederson C. J., J. Am. Chem. Soc., 89, 7017 (1967).
31. Keller-Schierlein W„ in T. Biicher, H. Sies (eds.), Inhibitors, Tools in Cell
Research, Springer-Verlag, New York, 1969, p. 365.
32. Prestegard J. H., Chan S. I., Biochemistry, 8, 3921 (1969).
33. Prestegard J. H„ Chan S. I., J. Am. Chem. Soc., 92, 4440 (1970).
'272
Глава 6
34. Graven S. N., Lardy H. A., Johnson D.. Rutter A., Biochemistry, 5 (1966).
35. Graven S. N., Lardy H. A., Rutter A., Biochemistry, 5, 1735 (1966).
36. Pioda L. A. R., Wachter H. A., Dohner R. E., Simon W., Helv. chim. Acta, 50,
1373 (1967).
37. Plattner P. A., Vogler K., Studer R. O., Quitt P., Reller-Schierlein W„ Helv.
Chim. Acta, 46, 927 (1963).
38. Quitt P„ Studer R. O., Vogler K., Helv. Chim. Acta, 46, 1715 (1963).
39. Hamill R. L„ Higgens С. E., Boaz H. E., Gorman M., Tetrahedron Lett., 1969,
4255.
40. Dobler M., Dunitz J. D., Krajewski J., J. Biol. Biol., 42, 603 (1969).
41. Shemyakin M. M., Ovchinnikov Yu. A., Ivanov V. T., Antonov V. K. et al.,
Biochem. Biophys. Res. Commim., 29, 834 (1967).
42. Shemyakin M. M., Ovchinnikov Yu. A., Ivanov V. T., Antonov V. K. et al.,
J. Memb. Biol., 1, 402 (1969).
43. Pressman В. C., Harris E. I., Abstracts of Seventh International Congress of
Biochemistry, Tokyo, August 1967, Vol. V, p. 900.
44. Pioda L. A. R., Dissertation, Eidenossischen Technische Hochschule, Zurich,
1969.
45. Shemyakin M. M., Ovchinnikov Yu. A., Ivanov V. T., Evstratov A. V., Nature,
213, 412 (1967).
46. Pressman В. C., Haynes D. H„ in D. C. Tosteson (ed.), The Molecular Basis
of Membrane Function, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1969,
p. 221.
47. Haynes D. H., Kowalsky A., Pressman В. C., J. Biol. Chem., 244, 502 (1969).
48. Ivanov V. T„ Laine I. A., Abdullaev N. D., Senyavina L. B. et al., Biochem.
Biophys. Res. Commun., 1969, 34.
49. Ohnishi M., Urry D. W„ Biochem. Biophys. Res. Commun., 36, 164 (1969).
50. Urry D. W., Ohnishi M., in D. W. Urry (ed.), Spectroscopic Approaches to
Biomolecular Conformation, American Medical Association, Chicago, III, 1970,
p. 263.
51. Haynes D. H., Dissertation Thesis, University of Pennsylvania, 1970.
52. Pinkerton M„ Steinrauf L. K-, Dawkins P., Biochem. Biophys. Res. Commun.,
35, 512 (1969).
53. Dubos R., Hotchkiss R., J. Exp. Med., 73, 629 (1941).
54. Stern A., Gibbons W., Craig L. C., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S., 61, 734
(1968).
55. Hotchkiss R„ Adv. Enzymol., 4, 153 (1944).
56. Goodall M. C., Biochim. Biophys. Acta, 203, 28 (1970).
57. Pederson С. J., Federation Proc., 27, 1305 (1968).
58. Pederson C. J., J. Am. Chem. Soc., 92, 389, 391 (1970).
59. Frensdorff H. K., J. Am. Chem. Soc., 93, 600 (1971).
60. Izaat R. M., Rytting J. H., Nelson D. P., Haymore B. L., Christensen J. J.,
Science, 164, 443 (1969).
61. Bright D„ Truter M. R., Nature, 225, 176 (1970).
62. Bright D., Truter M. R., J. Chem. Soc. (B), 1970, 1544.
63. Dietrich B., Lehn I. M., Sauvage J. P., Tetrahedron Lett., 34, 2889 (1969).
64. Metz B., Moras D., Weiss R., Chem. Commun., 1970, 217.
65. Wieland T., Luben G-, Ottenheyn H., Faesel J. et al., Angew. Chem., 80, 209
(1968).
66. Wieland T., Faulstich H„ Burgermeister W„ Otting W. et al., FEBS Letters,
9, 89 (1970).
67. Meyer С. E.. Reusser F., Experientia, 23, 85 (1967).
68. Payne J. W., Jakes R., Hartley B. S., Biochem. J., 117, 757 (1970).
69. Mueller P„ Rudin D. 0., Nature, 217, 713 (1968).
70. Mueller P., Rudin D. O., J. Theor. Biol., 18, 222 (1968).
71. Pressman В. C., unpublished observations.
72. Akasakim K, Karasawa K„ Watanabe M., Yonehara H., Umezawa H„ J. An-
tibiot. Ser. A, 16, 127 (1963).
Ионофоры — хелатирующие агенты для щелочных металлов 273
72а. Mitcher L. A., Shayand A. J., Bohonos N., Appl. Microbiol., 15, 1002 (1967).
73. Hassall C. H„ Magnus К. Е., Nature, 184, 1223 (1959).
74. Bevan К-, Davies J. S., et al., Experientia, 26, 122 (1970).
75. Goodall M. C., Nature, 225, 1258 (1970).
76. Eisenman G., Ciani S., Szabo G., J. Memb. Biol., 1, 294 (1969).
77. Haney M. E., Hoehn M. M„ Antimicrobial Agents and Chemotherapy-1967,
1968, 349.
78. Agtarap A., Chamberlin J. W., Pinkerton M., Steinrauf L. K-, J. Am. Chem.
Soc., 89, 5737 (1967).
79. Pinkerton M., Steinrauf L. K-, J. Mol. Biol., 1970, 49.
80. Steinrauf L. K, Pinkerton M„ Biochem. Biophys. Res. Commun., 33, 29
(1968).
81. Kubota T., Matsutani S. et al., Chem. Commun., 1968, 1541.
82. Gachon P., Kergomard .4.. Veschambre H„ Esteve C„ Staron T., J. Chem. Soc.
(D), 1970, 1421.
83. Alleaume A., Hickel D., J. Chem. Soc. (D), 1970, 1422.
84. Berger J., Rachlin A. I., Scott IE. E., Sternbach L. H., Goldberg M. W., J. Am.
Chem. Soc., 73, 5295 (1951).
85. Johnson S. M., Herrin J., Liu S. J., Paul I. C., J. Am. Chem. Soc., 92, 428
(1970).
86. Pressman В. C., in «Wirkungsmechanismen von Fungiziden und Antibiotika»
(Biologische Gesellschaft der D. D. R., Sektion Microbiologie), Academie Ver-
lag, Berlin, 1967, p. 3.
87. Harold F. M., Baarda J., Bacteriology, 94, 53 (1967).
88. Harold F. M„ Bact. Rev., 1969, 45.
89. Higgens С. E., Westhead J. E., Gorman M., Hamill R. L., Antimicrobial
Agents and Ghemostherapy-1968 (1969).
90. Shumard R. F., Callender M. E., Antimicrobial Agents and Chemotherapy-1967,
1968, 369.
91. Stafanac Z., Simon W., Microchem. J., 12, 125 (1967).
92. Pioda L. A. R., Simon W., Chimia (Switzerland), 23, 72 (1969).
93. Frant M. S., Ross J. W., Science, 167, 987 (1970).
94. Wenner С. E., Harris E. J., Pressman В. C., J. Biol. Chem., 242, 3454 (1967).
95. Gordon E. E.. Nordenbrand K., Ernster L„ Nature, 213, 82 (1967).
96. Gordon E. E., Bernstein J., Biochim. Biophys. Acta, 205, 464 (1970).
97. Packer L., Allen J. M., Starks M., Arch. Biochem. Biophys., 128, 142 (1968).
98. Shavit N., San Pietro A., Progress in Photosynthesis Research, 3, 1392 (1969).
99. Karlish S. J. D„ Avron M., FEBS Letters, 1, 21 (1968).
100. Karlisch S. J. D., Avron M., Eur. J. Biochem., 9, 291 (1969).
101. Shavit N., San Pietro A., Biochem. Biophys. Res. Commun., 28, 277 (1967).
102. Shavit N., Thore A., Keister D. L., San Pietro A., Proc. Natn. Acad. Sci. U. S.,
59, 917 (1968).
103. Jackson J. B., Crofts A. R., Von Stediggk L. V., Eur. J. Biochem., 6, 3499
(1968).
104. Junge W., Witt H. T. Z. Naturforsch., 23b, 244 (1968).
105. Nishimura M., Pressman В. C., Biochemistry, 8, 1360 (1969).
106. Chappell J. B., C'ofls .4. R., in J. M. Tager et aL, (eds.), Regulation of Meta-
bolic Processes in /Aotochondria, Biochim. Biophys. Acta Library, Amsterdam.
Vol. 7, 1966, p. 293
107. Harris E. J.. Pressman В. C., Nature, 216, 918 (1967).
108. Tosteson D. C., Andreoli T. E., Tieffenberg E., Cook P„ J. Gen. Physiol., 51,
373S (1968).
109. Wyssbrod H. R. Biochim. Biophys. Acta, 193, 361 (1969).
110. Willbrandt W., Rosenberg T„ Pharmacol. Rev., 13, 109 (1961).
111. Blount J. F„ Westley J. W„ Chem. Commun., 1971, 927.
112. Czerwinsky E. W„ Steinrauf L. K., Biochem. Biophys. Res. Commun., 45, 1284
(1971).
18—2451
ГЛАВА 7
КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ
С БЕЛКАМИ
Е. Бреслоу
Breslow Esther, Department of Biochemistry, Cornell
University Medical College, New York, USA
1. ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействия ионов металлов с белками, естественно, от-
личаются от взаимодействий ионов металлов с аминокислотами
и пептидами, поскольку в белках группы a-NH2 и a-СООН длин-
ных полипептидных цепей разделены ковалентными связями ряда
расположенных между ними остатков. Эти взаимодействия отли-
чаются также из-за влияния конформационного состояния пептид-
ной цепи, в результате которого потенциальное место присоеди-
нения может блокироваться, а удаленная боковая цепь может
оказаться в подходящем месте для образования хелатного кольца.
Примерами подходящего расположения боковой цепи лиганда,
делающего возможным образование прочного хелата со специфи-
ческим ионом металла, могут служить металлопротеины и метал-
лоферменты, в которых сильное взаимодействие между металлом
и белком играет решающую и специфическую биологическую
роль. Металлопротеины и металлоферменты будут рассмотрены
в последующих главах. В этой главе в основном будет обсуждено
поведение белков in vitro в присутствии ионов металлов, с кото-
рыми они не обязательно реагируют в природе. Биологическая
функция двойных и других описанных здесь комплексов металлов
с белками не известна, за исключением комплексов иона меди(II)
с альбумином и ионов цинка с инсулином, для которых было по-
стулировано участие в транспорте и хранении соответственно.
Интерес к изучению неспецифических взаимодействий метал-
лов с белками возник исторически в связи с использованием ионов
металлов для очистки белков на основании известных эффектов
ингибирования ионами металлов некоторых ферментов, а также
возможности того, что неспецифические комплексы ионов металлов
с белками послужат моделями металлопротеинов. Учитывая спе-
цифичность окружения иона металла в металлопротеинах [1],
в данной главе, посвященной исследованию неспецифических
взаимодействий ионов металлов с 'белками, будут главным обра-
Комплексы металлов с белками
275
зом обсуждены механизмы денатурации белков ионами металлов-
посредников и ингибирования ферментов, а также 'проблема ис-
пользования ионов металлов в качестве структурных зондов, с
помощью которых может быть определена доступность и реакцион-
ная способность потенциальных лигандных групп белка. Повы-
шенная реакционная способность потенциально способного к коор-
динации атома в белке по сравнению с его реакционной способ-
ностью в модельных системах заставляет предположить наличие
рядом с ним в молекуле белка второго донора электронов, кото-
рого нет в используемых моделях. И наоборот, относительно по-
ниженная реакционная способность потенциального места связы-
вания свидетельствует о стерических затруднениях и (или) кон-
формационных изменениях, сопутствующих связыванию. Для тех
белков, которые, будучи изолированными, находятся в состоянии
с самой низкой свободной энергией, все такие конформационные
изменения будут связаны с положительными вкладами в свобод-
ную энергию связывания, и поэтому будет наблюдаться более низ-
кая кажущаяся константа связывания, чем та, которая была бы
найдена в отсутствие конформационного изменения.
2. РАССМОТРЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ С БЕЛКАМИ
И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методы, используемые для изучения взаимодействия металлов
с белками, зависят от специфики системы и информации, которую
хотят получить. Однако главным образом задаются следующими
вопросами: сколько связывающих центров имеется для данного
иона металла, какова их сила и через какие атомы — остова или
боковых .цепей —происходит координация?
Число связывающих центров и их сродство можно определить
прямыми методами, такими, как равновесный диализ [2] или хро-
матографическая гель-фильтрация [3]. Во всех исследованиях
такого типа число связанных ионов металла определяется непо-
средственно анализом концентрации комплекса металла с белком
как функции равновесной концентрации свободного иона металла.
При изучении связывания с металлом особенно важны значения
pH как для получения достоверных данных, так и для их интер-
претации (разд. 3), и в зависимости от цели исследования значе-
ния pH могут поддерживаться постоянными или изменяться. По
возможности следует избегать большинства буферов из-за конку-
ренции между белком и буфером за металл, а также из-за воз-
можности образования тройного комплекса, включающего металл,
белок и буфер [4]. Со способами обработки первичных данных
с целью определения числа различных центров связывания и оцен-
ки их сродства можно ознакомиться в специальных руководствах
[5].
18’
276
Глава 7
Определить число имеющихся связывающих центров и оценить
их относительное сродство, кроме того, можно непрямыми мето-
дами исследования, в которых за связыванием наблюдают по из-
менению некоторого свойства системы при координации металла
с белком. Такие методы, из которых наиболее типичными являют-
ся потенциометрическое титрование (разд. 3) и различные спек-
троскопические методы, требуют знания некоторых количествен-
ных соотношений между (Величиной эффекта и степенью связыва-
ния. И преимущества этих методов и их ограничения зависят от
степени различия в свойствах комплексов, образующихся при ко-
ординации металла к различным центрам. Например, таким пу-
тем можно четко идентифицировать слабый связывающий центр,
который можно и не обнаружить с помощью прямого метода ис-
следования; для этого 1необходимО' лишь, чтобы свойства этого
центра были достаточно характерными.
К числу прямых методов, используемых для идентификации
атомов или боковых цепей, к которым присоединяются ионы ме-
таллов, относятся рентгеноструктурный анализ (см. исследование
миоглобина) и ядерный магнитный резонанс (см. изучение ион
металла — РНаза, разд. 4.6). Кроме того, для этой цели использу-
ются различные непрямые методы. К числу последних относятся:
исследование влияния модификации боковой цепи специфического
белка на связывание с ‘металлом, титриметрические определения
значений рКа. участвующих в координации лигандных групп
(разд. 3), и, по мере 1возможности, корреляция спектров комплек-
са иона металла с белками со спектрами подходящих модельных
систем. Хотя в случае металлопротеинов это последнее и риско-
ванно, оно оказалось особенно плодотворным для изучения неопе-
цифических комплексов ионов металлов с белками. Исследование
влияния модификации белка на связывание с металлом несомнен-
но играет полезную роль, однако при этом необходимо учитывать
возможность того, что модификация боковой цепи, которая ранее
не участвовала в связывании, может повлиять на него ib результа-
те изменения либо общего заряда на белке, либо его конфор-
мации.
3. pH И ДРУГИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ
НА СРОДСТВО ИОНА МЕТАЛЛА К ЛИГАНДУ
Потенциальными местами присоединения ионов металлов к
белку являются главным образом способные к ионизации боковые
цепи и группы —NH и —С=О остова пептидной цепи. В неко-
торых особых случаях нельзя не учитывать вклада в связывание
за счет координации металла с гетероатомами боковых цепей се-
рина, треонина, цистина и метионина (в цитохроме с одним из ато-
Комплексы металлов с белками
277
мов, связывающих железо, ио-видимому, является атом серы
метионина), хотя участие этих групп в образовании неспецифи-
ческих комплексов экспериментально еще не было продемонстри-
ровано. В рамках этой широкой проблемы вероятность того, что
данный ион металла 'будет -взаимодействовать с данным центром,
определяется, помимо конформации белка, еще рядом других
факторов. Главные из них—относительное внутреннее сродство
иона металла к различным способным к координации атомам и
pH. Роль первого фактора подробно обсуждена в работе [6]. Ис-
следование взаимодействия между ионом Н+ и ионами металлов
при связывании с белками имеет непосредственное отношение как
к -проблеме доступности для ионов металлов различных мест свя-
зывания при различных значениях pH, так и к интерпретации кри-
вых титрования комплексов металлов с белками. Поэтому имеет
смысл суммиров