Chemia ogólna i nieorganiczna

Wiązania chemiczne,

związki kompleksowe

Zakład Chemii Medycznej

Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2

Wiązania chemiczne

wiązanie atomowe, czyli kowalencyjne, powstaje w wyniku uwspólnienia dwóch elektronów o spinie przeciwnym, po jednym od każdego atomu

wiązanie jonowe powstaje w wyniku przyciągania elektrostatycznego odmiennych ładunków

siły Van der Waalsa - mają one głównie charakter elektrostatyczny

wiązanie wodorowe

wiązanie koordynacyjne https://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_bonding

https://www.mpg.de/10386007/van-der-waals-quantum-mechanical

od

dzia

ływ

an

ia

mię

dzycząstc

zko

we

Nowe spojrzenie na strukturę DNA

głównym stabilizatorem podwójnej helisy DNA nie są wiązania wodorowe, lecz „ułożone w stos”

zasady azotowe, którym spoistość zapewnia obecność wody i hydrofobowa kohezja ("wnętrze" helisy

DNA pozostaje suche - cząsteczki wody nie zakłócają procesu łączenia się zasad azotowych w pary za

pomocą wiązań wodorowych)

https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/DNA-held-together.aspx

rola wiązań wodorowych sprowadza się do zabezpieczania komplementarności obu nici DNA

proces replikacji, czy naprawy DNA wymaga rozdziału obu nici

podwójnej helisy – dzieje się to, gdy białko katalityczne tworzy

środowisko hydrofobowe wokół cząsteczki DNA

- ten rodzaj białka ma kluczowe znaczenie w naprawie DNA -

zrozumienie mechanizmów jego działania może dostarczyć cennych

informacji, umożliwiających skuteczniejszą walkę z wieloma

chorobami, m.in. rakiem

3

Wiązanie koordynacyjne

tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu –donoru

akceptor uzupełnia ostatnią powłokę elektronową do konfiguracji najbliższego gazu szlachetnego

donor uzyskuje ładunek dodatni, akceptor uzyskuje ładunek ujemny

donorami elektronów są atomy lub jony z przynajmniejjedną wolną parą elektronów, np. azot, tlen siarka, jonchlorkowy

akceptorami zazwyczaj są jony wodoru oraz atomy mające lukę oktetową.

4

Związki kompleksowe

sfera

zewnętrzna wewnętrzna

K4 [Fe-(CN)6]

jon centralny ligandy

wiązanie koordynacyjne

Związki kompleksowe

Jon centralny:

sfera

zewnętrzna wewnętrzna

K4 [Fe(CN)6]

jon centralny ligandy

najczęściej kationy metali takich jak żelazo, kobalt, nikiel, mangan oraz platynowce, miedziowce i cynkowce

niemetale – [SO4]2-, [PO4]3-,[BH4]-, [SiF6]2-

Ligandy:

koordynowane z atomem centralnym podstawniki: atomy, grupy atomów lub jony ujemne

otaczają one atomy centralne i dostarczają przynajmniej jedną wolną parę elektronów

ligandy są połączone z jonem centralnym za pomocą wiązania koordynacyjnego

w ligandach dawcami elektronów najczęściej są atomy azotu, tlenu, siarki i węgla

6

Jon kompleksowy może być kationem - [Cu(NH3)4 ]2+

anionem – [Fe(CN)6]4-

cząsteczką obojętną – Ni(CO)4

Jeżeli część związku kompleksowego złożonego z jonu

centralnego i ligandu jest obdarzona ładunkiem, to sferę

zewnętrzną tworzą proste jony o przeciwnym znaku.

sfera

zewnętrzna wewnętrzna

jon centralny ligandy

7

K4 [Fe(CN)6]

Związki kompleksowe –liczba koordynacyjna LK

8

Liczbę przyłączonych par elektronowych, która najczęściej odpowiada liczbie

podstawników przypadających na jon centralny nazywamy

liczbą koordynacyjną

Liczba koordynacyjna

9

Wartość liczby koordynacyjnej zależy od:

stosunków przestrzennych

możliwości jonu centralnego do przyjęcia par elektronowych na wolne wewnętrzne podpowłoki d (p)

Liczba koordynacyjna przyjmuje najczęściej wartości 2, 4

lub 6

Reguła Lamberta - liczba koordynacyjna bardziej zależy od okresu niż grupy; często dla okresu:

drugiego LK = 4

trzeciego i czwartego LK = 6

piątego i szóstego LK = 8

Liczba koordynacyjna

Liczba koordynacyjna 2 spotykana jest w przypadku

kompleksów jednowartościowych jonów: Cu+, Ag+ - [Ag(NH3)2]+

Au+ - [Au(CN)2]-

Hg+

kompleksy te mają strukturę liniową.

Liczba koordynacyjna 3: nie jest często spotykana związki mają kształt płaski [HgJ3]-

lub kształt piramidy trygonalnej [SnCl3]

10

Liczba koordynacyjna 4

spotykana w przypadku:

kompleksów metali przejściowych,

zawierających dużą liczbę elektronów d.

najczęstsza liczba koordynacyjna, (dla kompleksów kationów metali grup głównych)

związki o tej liczbie kompleksowej mogą wykazywać strukturę:

tetraedryczną [BF4]-, [AlH4]- [AlCl4]-

płaską kwadratową [Ni(CN)4]2-, [Pt(H2O)4]2+

charakterystyczna dla kationów zawierających 8 elektronów d (Ni2+, Pt2+, Rh+, Pd2+, Ir+)

11

Liczba koordynacyjna 5

Kompleksy o liczbie koordynacyjnej 5 mogą mieć kształt bipiramidy trygonalnej lub piramidy tetragonalnej.

12

12

Liczba koordynacyjna 6, 7, 8

kompleksy o liczbie koordynacyjnej 6: najczęstsze kompleksy metali przejściowych.

mają kształt regularnego ośmiościanu (kompleksy oktaedryczne).

odchylenia od idealnego ośmiościanu wynikają: ze struktury elektronowej atomu centralnego

(efekt Jahna-Tellera) z oddziaływania kompleksu z jego otoczeniem.

liczby koordynacyjne 7, 8 i 9 spotykane są w przypadku, gdy atomy centralne

mają duże rozmiary, np. Mo(VI) lub W(VI). budowa przestrzenna jest skomplikowana, np.

bipiramida pentagonalna lub pryzmat trygonalny

Efekt Jahna-Tellera:

Każdy nieliniowy układ, w którym występuje degeneracja orbitali,

wykazuje sposób oscylacji obniżający zarówno symetrię jak i

energię układu.

Dowolny kompleks oktaedryczny mający zdegenerowane orbitale

będzie się odkształcał tak, aby obniżyć swoją symetrię i energię.

Związki kompleksowe – nomenklatura(1)

liczbę ligandów określamy za pomocą przedrostków greckich chlorek heksaakwachromu(III) [Cr(H2O)6]Cl3

nazwy ligandów anionowych mają końcówkę -o, np. tiosiarczan –tiosiarczano

heksacyjanożelazian(III) potasu K3[Fe(CN)6]

rodniki węglowodorowe mają ogólnie przyjęte skróty Me-metyl, Et–etyl, Ph–fenyl

bromek tri(etylenodiamino)platyny(IV) [Pt(NH2CH2CH2NH2)3]Br4

NH2CH2CH2NH2 - En [PtEn3]Br4

tetrafenyloboran(III) potasu K[B(Ph)4]

2 di-

3 tri-

4 tetra-

5 penta-

6 heksa-

7 hepta-

14

Związki kompleksowe – nomenklatura(2)

15

stopień utlenienia atomu centralnego zaznacza się cyfrą rzymską, w nawiasie, na końcu nazwy,

np. siarczan tetraaminamiedzi(II)

[Cu(NH3)4]SO4

kompleksy o ładunku ujemnym (aniony kompleksowe) mają do nazwy anionu centralnego dodaną końcówkę –annp. tetrachloromiedzian(II) potasu

K2[CuCl4]

w kompleksach kationowych i zawierających obojętne cząstki podajemy niezmienioną nazwę pierwiastkanp. chlorek tetraakwadichlorochromu(III)

[Cr(H2O)4Cl2]Cl

Synteza związków kompleksowych

16

reakcje przyłączania (addycji)

reakcje podstawiania (substytucji)

reakcje dysocjacji (eliminacji)

reakcje mogą zachodzić ze zmianą stopnia utlenienia

16

Synteza związków kompleksowych

jony:

2[Co(NH3)6]Cl3 + 14 H2O

reakcje dysocjacji (eliminacji) – maleje liczba koordynacyjna metalu

reakcje mogą zachodzić ze zmianą stopnia utlenienia

2[Co(H2O)6]Cl2 + 2NH4Cl + 10NH3 + H2O2

reakcje przyłączania (addycji) – wzrasta liczba koordynacyjna metalu0 4

Ni + 4CO → Ni(CO)4 tetrakarbonylonikiel(0)

reakcje podstawiania (substytucji) – nie zmienia się liczbakoordynacyjna metalu

4

[Cu(NH3)4]2+ + 4H2Otetraaminamiedzi(II)

4

[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3

tetraaquamiedzi(II)

2+ 3+

chlorek heksaaquakobaltu chlorek heksaaminakobaltu

17

Reaktywność związków kompleksowych

Klasyfikacja kompleksów oparta na szybkości reakcji podstawienia, w których kompleksy te uczestniczą.

Kompleksy kinetycznie labilne – czas półtrwania ≤ 1 minuta

roztwór siarczanu miedzi(II) w wodzie +wodny roztwór amoniaku

natychmiastowa zmiana barwy z bladoniebieskiej na ciemnoniebieską

utworzenie aminakompleksu (amoniak zastępuje część cząsteczek wody skoordynowanych z jonem miedzi(II)).

Miedź(II) tworzy kompleksy kinetycznie labilne

http

://fphoto

.photo

shelte

r.com

/image/I0

000U

TLdg1obN

FQ

Reaktywność związków kompleksowych

Klasyfikacja kompleksów oparta na szybkości reakcji podstawienia, w których kompleksy te uczestniczą.

Kompleksy kinetycznie inertne – czas półtrwania > 1 minuta, trudno wymieniają ligandy

zastąpienie cząsteczek wody skoordynowanych z jonem chromu(III) przez inne ligandy – kilka, kilkadziesiąt godzin

Chrom(III) tworzy kompleksy kinetycznie inertne

18

Izomeria związków kompleksowych

19

Rozróżniamy dwa rodzaje izomerii związków kompleksowych:

izomerię strukturalną ten sam sumaryczny skład chemiczny

odmienny skład jonów kompleksowych

stereoizomerię atom centralny otoczony jest we wszystkich izomerach

takimi samymi ligandami,

ligandy są położone względem siebie w różny sposób.

Izomeria strukturalna

Izomeria jonowa:

siarczan pentaaminabromokobaltu(III) - ciemnofioletowy

[Co(NH3)5Br]SO4

ligand samodzielny jon

bromek pentaaminasiarczanokobaltu – czerwony.

[Co(NH3)5SO4]Br

Różnice w reaktywności chemicznej. Pierwszy tworzy osadz roztworem chlorku baru, drugi z azotanem srebra.

[Co(NH3)5Br]SO4 + BaCl2 → [Co(NH3)5Br]Cl2 + BaSO4

[Co(NH3)5SO4]Br + AgNO3 → [Co(NH3)5SO4]NO3 + AgBr

21

24

Izomeria strukturalna

Izomeria hydratacyjna

Jednym z ligandów (samodzielnym jonem) jest cząsteczka wody.

[Cr(H2O)6]Cl3fioletowy chlorek heksaakwachromu(III)

[Cr(H2O)5Cl]Cl2xH2Oniebieskozielony chlorekpentaakwachlorochromu(III)

[Cr(H2O)4Cl2]ClxH2O

zielony chlorek tetraakwadichlorochromu(III)

22

Izomeria strukturalna

Izomeria koordynacyjna - strefa wewnętrzna

i zewnętrzna związku koordynacyjnego są

kompleksami.

heksacyjanochromian(III) heksaaminakobaltu(III)

[Co(NH3)6]3+[Cr(CN)6]3-

heksacyjanokobaltan(III) heksaaminachromu(III)

[Cr(NH3)6]3+[Co(CN)6]3-

Izomeria strukturalna

Izomeria wiązaniowa – ligand może łączyć się z atomem

centralnym za pośrednictwem dwóch różnych atomów.

Ligand NO2- może łączyć się z atomem centralnym za

pośrednictwem:

atomu azotu

jon pentaamina(nitrito-N)kobaltu(III)

[Co(NH3)5NO2]2+

atomu tlenu

jon pentaamina(nitrito-O)kobaltu(III)

[Co(NH3)5ONO]2+

24

O

[~Co-N ]

O

[~Co-O-N-O]

Stereoizomeria

Ligandy rozmieszczone są wokół atomu centralnego w różny

sposób. Liczba koordynacyjna 4Izomeria optyczna:

izomery skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego:

o ten sam kąt

o przeciwnym znaku

izomery nie mają

płaszczyzny symetrii

środka symetrii

Izomeria geometryczna (cis-trans):

izomery mają

płaszczyzny symetrii (przynajmniej jedną)

środek symetrii

nie wykazują czynności optycznej

25

Równowagi w roztworach

tworzenie się kompleksów w roztworze jest wymianą ligandów H2O na inne ligandy, np. NH3

wprowadzone do roztworu.

[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ + 4H2Ojon tetraaquamiedzi(II) jon tetraaminamiedzi(II)

reakcja wymiany nie zachodzi równoczasowo dla wszystkich ligandów, a odbywa się stopniowo.

ustala się przy tym szereg równowag zależnych od stężenia wprowadzonego ligandu.

26

Równowagi w roztworach

Tworzenie się kompleksu aminaniklu(II) przez stopniową eliminację cząsteczek wody z akwakompleksu

1. [Ni(H2O)6]2+ + NH3 ↔ [Ni(H2O)5NH3 ]2+ + H2O

2. [Ni(H2O)5NH3 ]2+ + NH3 ↔ [Ni(H2O)4(NH3)2]2+ + H2O

3. [Ni(H2O)4(NH3)2 ]2+ + NH3 ↔ [Ni(H2O)3(NH3)3]2+ + H2O

…

6. [Ni(H2O)(NH3)5]2+ + NH3 ↔ [Ni(NH3)6]2+ + H2O

Stałe trwałości (przyjmując stężenie wody za stałe):

{[Ni(H2O)5NH3 ]2+}

K1 =

{[Ni(H2O)6]2+} {NH3}

Skumulowana stała trwałości : = K1 x K2

x K3 x … x Kn

{[Ni(NH3)6]2+}

=

{[Ni(H2O)6]2+} {NH3}6

27

Równowagi w roztworach

Skumulowana stała trwałości

{[Ni(NH3)6]2+}

=

{[Ni(H2O)6]2+} {NH3}6

= K1 x K2

x K3 x … x Kn

Wartość ta świadczy o trwałości związku kompleksowego: jeżeli dwa związki,

o tym samym jonie centralnym mają różne skumulowane stałe trwałości, to

związek o większej wartości jest trwalszy od drugiego.

[Ag(NH3)2]+ = 107,2

[Ag(CN)2]- = 1021 - bardziej trwały

Po dodaniu cyjanku do kompleksu amoniakalnego przekształci się on

w kompleks cyjankowy

[Ag(NH3)2]+ + 2CN- ↔ [Ag(CN)2]- + 2NH328

Równowagi w roztworach

Wartości kolejnych stałych trwałości obniżają się.

trudności steryczne (ligandy mają większe rozmiary niż podstawiane cząsteczki wody)

zmiana ładunku kompleksu, gdy ligand jest anionem (przyciąganie elektrostatyczne między dodatnim akwajonem a ujemnym ligandem maleje wraz z przyłączanymi ligandami)

zmniejszenie liczby możliwych miejsc przyłączania ligandów

29

Związki kompleksowe – w przyrodzie

29

Do najważniejszych z nich zaliczamy kompleks żelazo – porfirynowy. Jest on obecny w hemie hemoglobiny i mioglobiny

hemoglobina kompleks żelazo-porfirynowy

łańcuch

polipeptydowy

Budowa hemu

reszta histydyny

imidazolowy łańcuch boczny

histydyny

Wiązania koordynacyjne w

hemoglobinie:

4 wiązania łączące żelazo z

azotami pierścieni pirolowych

wiązanie żelazo – azot

pierścienia imidazolowego

histydyny łączące kompleks

żelazo-porfirynowy z

łańcuchami

wiązanie żelazo – cząsteczka

tlenu, gdy hemoglobina jest w

formie „oxy”

30

Związki kompleksowe – w przyrodzie

witamina B12

jon centralny – kobalt

chlorofil

jon centralny - magnez

32

Związki kompleksowe – w przyrodzie

białka transportujące metale

ceruloplazmina (miedź),

transferyna (żelazo).

33

Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)

[Tc(CNR)6]+

heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet(99mTc)

badanie: mięśnia sercowego

diagnostyka niektórych nowotworów gruczolaków przytarczyc

34

CH3

I

R = CH2-C-OCH3

I

CH3

CNR

I

Tc

ICNR

RNC

RNC

CNR

CNR

Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)

[Tc(CNR)6]+

heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet

(99mTc)

badanie:mięśnia sercowego (scyntygrafia)diagnostyka niektórych nowotworówgruczolaków przytarczyc

CH3

I

R= CH2-C-OCH3

I

CH3

CNR

I

Tc

ICNR

CNR

CNRRNC

RNC

Izotop, przepływając wraz z krwią przez tętnice wieńcowe, jest wychwytywany przez serce.Miejsca, w których znacznik nie zgromadził się, to miejscaupośledzonego przepływu krwi (perfuzji) i upośledzonej żywotności(obszary żywego, ale niekurczącego się mięśnia).

34

http://chorobawiencowa.mp.pl/badania/62362,scyntygrafia-serca

Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)[Tc(CNR) ]+

6

heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc)

badanie:mięśnia sercowego (scyntygrafia)diagnostyka niektórych nowotworówgruczolaków przytarczyc

CH3

I

R= CH2-C-OCH3

I

CH3

CNR

I

Tc

ICNR

CNR

CNRRNC

RNC

Pacjent z gruczolakiem przytarczyc.Po 10 minutach od podania sestamibi radionuklid jest obecnyzarówno w tarczycy, jak i w przytarczycachW ciągu 2 godzin, radionuklid jest wypłukiwany z tarczycy i pozostaje tylko w prawym gruczole przytarczycznym.Strzałka wskazuje gruczolak przytarczycy o masie 794 mg http://www.surgicalcore.org/popup/51725

35

Związki kompleksowe w medycynie

trietylofosfina

złoto –

jon centralny

auranofina[Au(PEt3)(ttag)]+

ttag = tetra-O-acetylotioglukozalek przeciwreumatycznyniszczący wirusy HIV deponowanew limfocytach T

tetraacetylotioglukoza

36

Związki kompleksowe w medycyniecis-platyna cis-diaminadichloroplatyna(II)

cis-[Pt(NH3)2Cl2](lek przeciwnowotworowy)

Cl

IH3N – Pt – Cl

I

NH3

Dla prawidłowego funkcjonowania konieczna jest obecność:

dwóch ligandów aktywnych chemicznie,będących względem siebie w położeniu cis (atomy chloru),

dwóch ligandów niereaktywnych, obojętnych elektrycznie(grupy aminowe).

Reaktywne atomy chloru są wymieniane (substytucja nukleofilowa) na atomy azotu zasad guanylowych w łańcuchu DNA

37

http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8325/8325cisplatin.html

Stosowana w leczeniu:raka jądraraka płucaraka pęcherza moczowegoraka jajnikaraka szyjki i macicynowotworów w obrębie

głowy i szyiczerniaka złośliwymięsakówraka kory nadnerczy

trans-platyna –stereoizomer cis-platynynie jest aktywny biologicznie!

39

Związki kompleksowe w medycynie

Cl H2O Cl- H2O H+ OH

I I I

H3N – Pt – H2O H3N – Pt – H2O H3N – Pt – H2O

I I I

NH3 NH3 NH3

aktywne formy cis-platyny

+ DNA komórki nowotworowej

addukty cis-platyna-DNA

+2++

Cl

I

H3N – Pt – Cl

I

NH3

Cl

I

H3N – Pt – Cl

I

H3N

dyfuzja pasywna

przez błonę komórkową

H2O

Cl-

krew żylna

cytoplazma

cis-platyna

Cl

IH3N – Pt – Cl

I

NH3

trans-platyna –stereoizomer cis-platyny

nie jest aktywny biologicznie!

Związki kompleksowe w medycynie – trans platyna

40

transplatyna w mniejszym stopniu wiąże się z DNA, bowiem ulega inaktywacji przez związki zawierające grupy –SH

transplatyna powoduje większe odkształcenie heliksu DNA niż izomer cis- - jest łatwiej rozpoznawana i wycinana przez układy reperacyjne komórki

cisplatyna blokuje komórki w fazie G2 cyklu komórkowego i następnie indukuje apoptozę

Związki kompleksowe platyny(II) stosowane w leczeniu nowotworów złośliwych

41

Cieślak-Golonka M.Chemia koordynacyjna w zastosowaniach. PWN 2017

Cisplatyna, karboplatyna oraz

oksaliplatyna są powszechnie

stosowanymi lekami

przeciwnowotworowymi na

skalę światową,

Nedaplatyna, heptaplatyna i

lobaplatyna są stosowane

lokalnie w Japonii, Korei i

Chinach

Cisplatyna oraz pozostałe leki Pt(Il) stosowane w praktyce klinicznej

zalicza się do tzw. klasycznych związków platyny

cechy charakterystyczne:

związki platyny występują tylko na drugim stopniu utlenienia

w sferze koordynacyjnej jonu metalu znajdują się:

dwa labilne anionowe i

dwa inertne ligandy neutralne w konfiguracji cis

związek jest obojętny (nie ma ładunku).

42

Związki kompleksowe platyny(II) stosowane w leczeniu nowotworów złośliwych

Związki kompleksowe – chelaty

Ligandy zawierające więcej niż jedną parę elektronów,występujących w różnych atomach tej samej cząsteczkinazywamy ligandami chelatującymi

związki organiczne zawierające tlen, azot lub siarkę

ligandy mogą być cząsteczkami obojętnymi lub anionami

ligandy tworzą z kationem centralnym związki pierścieniowe

najtrwalsze są kompleksy pięcio- lub sześcioczłonowe

w chelatach mogą występować wiązania jonowe i kowalencyjne

związek chelatowy kationu metalu z ligandem organicznym ma

charakter związku organicznego

kompleksy chelatowe mogą być cząsteczkami obojętnymi,

anionami lub kationami

43

44

Związki kompleksowe - EDTAkwas etylenodiaminotetraoctowy