Post on 10-Aug-2020
Wiązania chemicznezwiązki 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
iam
ięd
zycząstc
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 wielomachorobami, m.in. rakiem
4
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 przynajmniej jedną wolną parą elektronów, np. azot, tlen, siarka, jon chlorkowy
akceptorami zazwyczaj są jony wodoru oraz atomy mające lukę oktetową.
5
Związki kompleksowe
sfera
zewnętrzna wewnętrzna
K4 [Fe-(CN)6]
jon centralny ligandy
wiązanie koordynacyjne
6
Związki kompleksowe
Jon centralny:
najczęściej kationy metali takich jak żelazo, kobalt, nikiel, mangan oraz platynowce, miedziowce i cynkowce
niemetale – [SO4]2-, [PO4]
3-,[BH4]-, [SiF6]
2-
sfera
zewnętrzna wewnętrzna
K4 [Fe(CN)6]
jon centralny ligandy
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
7
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
K4 [Fe(CN)6]
jon centralny ligandy
8
Związki kompleksowe -liczba koordynacyjna
Liczbę przyłączonych par elektronowych, która najczęściej odpowiada liczbie podstawników przypadających na jon centralny nazywamy
liczbą koordynacyjną
9
Liczba koordynacyjna
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.
14
Synteza związków kompleksowych
reakcje przyłączania (addycji) – wzrasta liczba koordynacyjna metalu
Ni + 4CO Ni(CO)4 tetrakarbonylonikiel(0)
reakcje podstawiania (substytucji) – nie zmienia się liczba koordynacyjna metalu
[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4H2O
reakcje dysocjacji (eliminacji) – maleje liczba koordynacyjna metalu
reakcje mogą zachodzić ze zmianą stopnia utlenienia
jony: tetraaquamiedzi(II) tetraaminamiedzi(II)
2[Co(H2O)6]Cl2 + 2NH4Cl + 10NH3 + H2O2
2[Co(NH3)6]Cl3 + 14 H2O
+2
+3
40
44
9
15
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 bladoniebieskiejna 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
16
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
17
Izomeria związków kompleksowych
Rozróżniamy dwa rodzaje izomerii związkówkompleksowych:
izomerię strukturalną
ten sam sumaryczny skład chemiczny
odmienny skład jonów kompleksowych
stereoizomerię
atom centralny otoczony jest we wszystkichizomerach takimi samymi ligandami,
ligandy są położone względem siebie w różnysposób.
18
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 tworzyosad z roztworem chlorku baru, drugi z azotanemsrebra.
[Co(NH3)5Br]SO4 + BaCl2 -> [Co(NH3)5Br]Cl2 + BaSO4
[Co(NH3)5SO4]Br + AgNO3 -> [Co(NH3)5SO4]NO3 + AgBr
19
Izomeria strukturalna
Izomeria wiązaniowa – ligand może łączyć się
z atomem centralnym za posrednictwemdwóch różnych atomów.
Ligand NO2- może łączyć się z atomem
centralnym za pośrednictwem atomu azotu
jon pentaamina(nitrito-N)kobalt(III)
[Co(NH3)5NO2]2+
za pośrednictwem atomu tlenu
pentaamina(nitrito-O)kobalt(III)
[Co(NH3)5ONO]2+
O
[~Co-N ]
O
[~Co-O-N-O]
20
Stereoizomeria
Ligandy rozmieszczone są wokół atomu centralnego w różnysposób
Liczba koordynacyjna 4
Izomeria 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
21
Związki kompleksowe – w przyrodzieDo najważniejszych z nich zaliczamy kompleks żelazo – porfirynowy. Jest on obecny w hemie hemoglobiny i mioglobiny
hemoglobina kompleks żelazo-porfirynowy
łańcuch
polipeptydowy
22
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”
23
Związki kompleksowe – w przyrodzie
• witamina B12 jon centralny
– kobalt
• chlorofil – jon centralny
magnez
24
Związki kompleksowe – w przyrodzie
białka transportujące metale
• ceruloplazmina (miedź),
• transferyna (żelazo).
25
Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)[Tc(CNR)6]
+
heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc)
badanie:
mięśnia sercowego (scyntygrafia)
diagnostyka niektórych nowotworów
gruczolaków przytarczyc
CH3
I
R= CH2-C-OCH3
I
CH3
CNR
I
Tc
ICNR
CNR
CNRRNC
RNC
26
Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)[Tc(CNR)6]
+
heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc)
badanie:
mięśnia sercowego (scyntygrafia)
diagnostyka niektórych nowotworów
gruczolaków 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 miejsca upośledzonego przepływu krwi (perfuzji) i upośledzonej żywotności (obszary żywego, ale niekurczącego się mięśnia).
http://chorobawiencowa.mp.pl/badania/62362,scyntygrafia-serca
27
Związki kompleksowe w medycynieMIBI (sestamibi, kardiolit)[Tc(CNR)6]
+
heksakis(2-metoksyizobutylizonitryl) technet (99mTc)
badanie:
mięśnia sercowego (scyntygrafia)
diagnostyka niektórych nowotworów
gruczolaków 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 obecny zarówno 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 mghttp://www.surgicalcore.org/popup/51725
28
Związki kompleksowe w medycynie
auranofina [Au(PEt3)(ttag)]+
ttag = tetra-O-acetylotioglukoza
lek przeciwreumatyczny
niszczący wirusy HIV deponowane w limfocytach T
trietylofosfina
złoto –
jon centralny
tetraacetylotioglukoza
29
Związki kompleksowe w medycyniecis-platyna cis-diaminadichloroplatyna(II)
cis-[Pt(NH3)2Cl2]
(lek przeciwnowotworowy)
Cl
IH3N – Pt – Cl
I
NH3
Stosowana w leczeniu:
• raka jądra
• raka płuca
• raka pęcherza moczowego
• raka jajnika
• raka szyjki i macicy
• nowotworów w obrębie
głowy i szyi
• czerniaka złośliwy
• mięsaków
• raka kory nadnerczy
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
http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8325/8325cisplatin.html
trans-platyna –stereoizomer cis-platynynie jest aktywny biologicznie!
30
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
31
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
32
Cieślak-Golonka M.Chemia koordynacyjna w zastosowaniach. PWN 2017
Cisplatyna, karboplatyna oraz
oksaliplatyna są powszechnie
stosowanymi lekami
przeciwnowotworowymi naskalę 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).
33
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
34
35
Związki kompleksowe - EDTAkwas etylenodiaminotetraoctowy