Комплексні сполуки
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Термін «комплексні» означає «складні». На відміну від простих з’єднань більшість комплексів побудовано не безпосередньо з атомів, а з готових молекул, які можуть існувати і самостійно. Комплексне з’єднання складається з центрального атома металу і приєднаних до нього молекул або іонів лігандів (від латинського Лігаро – зв’язувати). Вони розташовуються навколо центрального атома по строго визначеній для кожного з’єднання схемі; це явище називається координацією. Зазвичай ліганди займають місця у вершинах якої-небудь геометричної фігури.
Наприклад, чотири ліганда можуть розташовуватися по вершинах уявного квадрата або тетраедра. Іноді силует ліганда нагадує краба – такі сполуки називають клешнеподібними. Будову інших сполук можна порівняти зі спрутом, який простягнув до жертви свої щупальця. Кожне «щупальце» закінчується атомом, приєднаним до металу. Подібним лігандам дали назву комплексонів. Вони відрізняються високою стійкістю. Взагалі, чим більше зв’язків між лігандом і металевим серцем комплексу, тим більш міцне з’єднання.
Дослідників вже давно цікавила природа сил, які утримують ліганди близько атомів металу. Будова комплексних сполук суперечила традиційним уявленням про валентності атомів; вона здавалася спочатку винятком, справжнім дивом хімічного світу. Деякі вчені навіть визначили цей клас речовин як «сполуки, які не підкоряються звичайним правилам валентності». Справді, валентність металу в деяких комплексах мала б виражатися двозначним числом! Ще й зараз для науки тут не все ясно: загадка утворення ряду комплексних сполук залишається нерозкритою.
Проте у ряді випадків на питання про сили комплексоутворення вже можна дати абсолютно певну відповідь. Іноді це сили звичайного електростатичного притягання між центральним іоном металу, зарядженим позитивно, і лігандами, які несуть негативний заряд або мають диполь (два протилежні заряди, розташовані на певній відстані). Так побудовані комплексні фториди, деякі кисневі сполуки.
Крім того, часто між центром комплексу і його «оточенням» існує ковалентний зв’язок – коли атоми віддають по електрону на «загальне користування». У результаті утворюється електронна пара; вона взаємодіє з обома атомами і з’єднує їх. Кількість «колективних» електронів, «обслуговуючих» весь комплекс, може бути і значно більшою. Тоді вони утворюють електронну хмару, яке охоплює весь комплекс, не даючи йому розпастися на складові частини.
Комплексне з’єднання – дуже складна «співдружність», в ньому кожен з «союзників» зазнає впливу свого сусіда. При заміні лігандів будова центрального атома металу змінюється. Одні електронні орбіти його стискаються і стають енергетично невигідними, інші розширюються і стають більш вигідними. Електрони ліганда можуть перейти на орбіти атома металу, а електрони металу – на орбіти лігандів. Одним словом, всі складові частини комплексу перебудовуються, пристосовуючись до спільного існування.
Ці невидимі події електронного світу відразу ж стають зримими і відчутними, так як вони змінюють властивості комплексних сполук. Скажімо, роблять їх розчинними в одних рідинах і нерозчинними в інших, надають їм нове забарвлення, нові електричні та магнітні властивості. Таким чином, комбінуючи атоми металів з різними атомами, іонами, молекулами, здатними виступати в ролі лігандів, можна отримувати незвичайні і іноді дуже цінні речовини. І число таких комбінацій може бути як завгодно великим.
Розглянемо тепер деякі приклади практичного використання комплексних сполук. Кожному, хто займався фотографією, відомо, що зображення на плівці і на фотопапері обов’язково потрібно фіксувати. Малорозчинне бромисте срібло при цьому розчиняється в тіосульфаті натрію, утворюючи складне з’єднання – тіосульфатний комплекс. Зображення стає чітким і стійким».
Багато неприємностей доставляє нам «жорстка вода» через утворення накипу – осаду нерозчинних сполук кальцію, магнію і заліза. Тим часом цієї неприємності можна уникнути, якщо зв’язати іони металів в комплекси. Лігандами для таких комплексів можуть служити, наприклад, поліфосфати, а також згадувані раніше спрутоподібні комплексони.
Особливу увагу дослідників привертає зараз проблема використання комплексних сполук в біології та медицині. Для нормальної життєдіяльності організмів необхідні іони. Але лише деякі з них, потрапивши в організм, досягають пунктів свого призначення: на всьому шляху просування їм загрожує небезпека зустріти іони-осаджувачі з протилежними зарядами. Якщо це відбудеться, іон металу виявляється втраченим для організму.
Хіміки знайшли дотепний вихід із цього становища; запропонували пов’язувати потрібні іони металу в комплексі. У вигляді з’єднання з лігандом іон легко досягає будь-якої точки організму; ліганд стає як би надійним кораблем, на якому іон металу, захищений від дії проти іонів, подорожує по організму. Таким способом можна, наприклад, боротися з поширеною хворобою рослин – хлорозом, викликуваним недоліком іонів заліза. Якщо в грунт внести сполуки, які можуть виконувати роль лігандів, то залізо, що завжди знаходиться в грунті, утворює з ними стійкі комплекси і в такому вигляді легко проникає в тканини рослин. Хлороз виліковується.
Людям здавна відома бактерицидна дія деяких іонів металів, наприклад, здатність срібла в малих концентраціях знезаражувати воду (До речі бактерицидні рецитикулятори та опромінювачі можна придбати на сайті https://medtehservis.com.ua/products/). Здавалося б, таким шляхом можна вирішити проблему лікування багатьох захворювань. Однак справа ускладнюється двома серйозними обставинами: по-перше, іони металів «на шляху» до вірусів і бактерій можуть зустріти протилежно заряджені іони і випасти в осад; по-друге, іони металів шкідливі не тільки для вірусів і бактерій, а й для самого організму, який вони повинні «охороняти». Якщо підібрати підходящий ліганд, можна одночасно розправитися з обома перешкодами. Який же ліганд потрібен для цієї ролі? Вимоги до нього досить великі: комплекси, утворені їм, повинні руйнуватися лише при зустрічі з білками бактерій або вірусів, щоб «вистрілити» по них смертоносним зарядом – іоном металу, але в той же час вони повинні залишитися незмінними при зустрічі з молекулами білків хворого організму . Іншими словами, комплекс повинен бути досить міцним, щоб бути нешкідливим для людини, і досить неміцним, щоб, розпадаючись, вбивати віруси і бактерії.
Тут багато що обіцяють експерименти з комплексами заліза і оксихиноліна, що мають сильну бактерицидну дію. Іон заліза може приєднувати кілька частинок оксихиноліна, однак вбивати мікроорганізми здатні лише комплекси з одною частинкою. Цієї частинки цілком достатньо, щоб благополучно «доставити» іон заліза до місця призначення – білку мікробної клітини, – і в той же час ця частинка легко відділяється, як тільки впорається зі своєю роллю «засобу зв’язку».
Ще один перспективний напрям використання досягнень хімії комплексних сполук – хімічна технологія.
Ми вже говорили, об’єднання з атомом або іоном металу істотно відбивається на властивостях ліганду. Його електронні орбіти перебудовуються, у багатьох місцях молекула стає рихлою, більш доступною для взаємодії з іншими частинками. Саме на цьому явищі ґрунтується цілий ряд хімічних реакцій, які проходять за участю металів-каталізаторів. Причому іони металів надають каталітичну дію навіть при невловимо малих концентраціях: вже 12 грама (0,000000000001!) деяких металів в одному мілілітрі заявляють про свою присутність значним прискоренням хімічної взаємодії. Деякі чисті речовини взагалі не реагують одна з іншою, і лише внесення невеликих доз солей металів викликає реакцію.
Комплекс органічних похідних алюмінію і трьоххлористого титану чудодійно впливає на газ етилен; вже при звичайній температурі і звичайному тиску комплекс змушує його полімеризуватися, перетворюватися на твердий, дуже цінний матеріал поліетилен.
Каталізатори – комплексні сполуки – цікавлять дослідників ще й тому, що деякі з них являють собою найпростіші, зручні для вивчення моделі складних біологічних каталізаторів-ферментів. До речі, зелений колір листя рослин пов’язаний з присутністю в них хлорофілу – комплексного з’єднання порфірину з магнієм, а кров зобов’язана своїм червоним кольором іншому комплексному з’єднанню – гемоглобіну.
Яскраве забарвлення відрізняє багато комплексних сполук. Пояснюється це явище зміною енергетичних рівнів в молекулах лігандів: коли вони зближуються, речовина з безбарвної стає пофарбованою, а забарвлення змінює свій колір. Як барвники комплексні сполуки задовольняють найвищі вимоги: вони яскраві, стійки до дії сонця, вологи, температурних коливань.
Хімія комплексних сполук була одним з найбільш маловивчених розділів сучасної хімії. Тепер становище змінюється: хіміки зрозуміли, що цей клас сполук дуже важливий для науки і практики. Вже один той факт, що для деяких елементів комплексних сполук відомо більше, ніж простих, говорить про їх місце в навколишньому світі.
Автор: К. Яцимирський.