Эйхгорн Г. (ред.) Неорганическая биохимия. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

Активация малых молекул при координации с металлами

423

но тем не менее быть необходимым для проявления его активно-

сти. Таким образом, наряду с ферментами, у которых ион метал-

ла является составной частью активного центра, может наблю-

даться и рассмотренный выше тип активации, при котором ион

металла удален от активного центра.

2. ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ КООРДИНАЦИИ

В результате присоединения лиганда к положительно заряжен-

ному иону металла электронная плотность смещается в направ-

лении этого иона. Теория молекулярных орбиталей для комплек-

сов, в которых л-взаимодействие не играет существенной роли,

приводит, по существу, к такому же результату. С наибольшей

уверенностью этот вывод применим к комплексам жестких осно-

ваний с жесткими кислотами [1]. Если я-связывание становится

существенным, следует учесть, что эффект будет уменьшаться за

счет «обратного донирования» от металла к лиганду или увели-

чиваться при прямом я-донировании.

При взаимодействиях типа жесткое основание — жесткая кис-

лота (гл. 2) поляризация лиганда может вызвать следующие ха-

рактерные последствия:

1) увеличение кислотности атомов водорода при донорном

атоме;

2) облегчение атаки лиганда нуклеофилами и затруднение ата-

ки электрофилами;

3) «маскирование» некоторых реакций свободного лиганда,

зависящих от стерических или электронных взаимодействий, кото-

рые затрудняются или становятся невозможными при координа-

ции.

Помимо перечисленных выше эффектов при координации воз-

можно изменение окислительно-восстановительных свойств лиган-

да или в случае лигандов, способных к таутомерии, смещение

таутомерного равновесия в сторону таутомера, образующего бо-

лее устойчивые комплексы. Большинство этих общих следствий

было впервые четко сформулировано Меервейном в конце 20-х го-

дов [2].

Увеличение кислотности атомов водорода при донорном атоме

впервые наблюдал Вернер [3], который обнаружил, что кислотные

свойства координированных молекул воды или аммиака увеличи-

ваются в зависимости от природы центральных атомов в ряду

<Cr

-<Ru

<Pt

. Универсальность этого явления была

продемонстрирована на большом числе комплексов. Сравнение

свойств свободных и координированных молекул воды можно про-

вести на примере [Cu (H

O) 4]

- Константа равновесия, равная

1,07-10~

для реакции

[Cu(H

]

[Cu(H

(OH)]

424

Г лава

примерно в IO

раз превышает аналогичное значение для чистой

воды [4]. Подобное повышение кислотности обнаружено также

для органических лигандов, у которых атомы водорода соединены

с донорными атомами [5, 6].

Тот факт, что нуклеофильная атака координированной частицы

происходит легче, был использован в конце 40-х — начале 50-х

годов [7] для объяснения роли ионов металлов в некоторых фер-

ментативных реакциях и еще раньше был замечен Геллерманом

[8]. Реакции этого типа с участием воды наиболее многочислен-

ны. Сюда относятся реакции гидролиза простых частиц, таких,

как. S

Op [9], и конденсированных фосфатов, а также более

сложных соединений [10]—пептидов, производных аминокислот

и фосфорных эфиров. Ниже эти реакции будут рассмотрены бо-

лее подробно.

Маскирование реакций лигандов -— одно из первых свойств

комплексов, которое привлекло внимание исследователей. Тот

факт, что координированный органический лиганд менее чувстви-

телен к действию типичных окислителей, был замечен еще в 1857 г.

[11]. Имеется много примеров подобного маскирования, причем

в большинстве из них донорные атомы участвуют в окислительно-

восстановительных процессах. Есть данные по маскированию ко-

ординированного оксалата при действии на него брома [12], по

защите ЭДТА от действия перманганата [13] и ОЭДТА в реакции

с ванадатом [14]. Также давно замечено, что координированные

анионы не дают характерных для них реакций осаждения или

теряют присущие им основные свойства (например, NH

[Co(NH

)

]

+). Наконец, маскирование определенных реакций при

координации может играть существенную роль в биологии.

Для больших полидентатных доноров особенно важен еще один

эффект координации — фиксация донорных атомов в определен-

ных положениях друг относительно друга. Создание определенной

конформации лиганда при координации стимулирует реакции, тре-

бующие именно этой конформации, и затрудняет или делает невоз-

можным протекание других реакций.

Последний эффект координации, на котором следует остано-

виться, сводится к активации малых молекул в реакциях с соот-

ветствующими реагентами. Этот эффект часто связан с нуклео-

фильной атакой и поэтому может стимулировать некоторые окис-

лительно-восстановительные реакции.

3. КАТАЛИЗ НУКЛЕОФИЛЬНОЙ АТАКИ

Основным следствием координации субстрата с положительно

заряженным ионом металла является катализ нуклеофильной ата-

ки. Причина его кроется в более благоприятных электростатиче-

Активация малых молекул при координации с металлами

423

ских взаимодействиях в комплексе. Согласно Лейдлеру [15], для

моделей, активированный комплекс которых состоит из двух сфе-

рических реагентов, можно оценить электростатический вклад

(в энтропийных единицах) в энергию активации следующим об-

разом:

AS^ =—IOZAZB (ДЛЯ воды как растворителя)

Если Z

— заряд атакующего реагента, ZB

— заряд лиганда, а

— заряд иона металла до координации, то

AS^

IRAIWA

=-IOZ

Д^

ОМПЛЕКСА

=-IOZ

(ZB

+ ZB

)

Тогда изменение энтропии в процессе комплексообразования

ДА S* = —IOZ

Можно записать альтернативное выражение для активированного

комплекса, состоящего из одной сферы, однако его использование

потребует знания радиусов активированного комплекса и реаген-

тов. Рассчитанное значение изменения энтропии активации зави-

сит от природы растворителя и заряда частиц, атакующих суб-

страт. Если растворителем является вода и атакующие частицы

несут положительный заряд, то при координации энтропия примет

более отрицательное значение и достижение переходного состоя-

ния будет затруднено. При атаке отрицательно заряженными час-

тицами эффект будет обратным.

Используя аналогичные модели, можно рассчитать отношение

констант скоростей реакций лиганда и комплекса. Для простой

двухсферной модели результат можно записать так:

. kc ZMZBE

kf ed

где k

— скорость реакции комплекса, kf — скорость реакции сво-

бодного лиганда, ZM — заряд комплекса металла без учета ли-

ганда, Zb — заряд атакующей частицы, е — диэлектрическая про-

ницаемость реакционной среды, d

в — расстояние между субст-

ратом и атакующей частицей в активированном комплексе (одина-

ковое для реакций комплекса и свободного лиганда), k — посто-

янная Больцмана и T — абсолютная температура. Аналогичное

уравнение можно вывести для ион-дипольных реакций.

Рассматривая такую модель, мы всегда ожидаем, что нуклео-

фильная атака ускоряется в результате координации с катионом,

и полагаем, что это ускорение тем сильнее, чем больше заряд ка-

тиона и чем ниже диэлектрическая проницаемость растворителя.

Большой недостаток этой модели состоит в том, что она не учиты-

вает жесткой или мягкой природы взаимодействующих частиц и

426

Г лава

поэтому неадекватно отражает специфику каталитических процес-

сов этого типа. Можно вывести более совершенное уравнение, од-

нако для этого нужно более детально описать переходное состоя-

ние.

Перечисляя типы таких реакций, следует назвать все примеры

катализа нуклеофильной атаки ионом металла, приведенные в

обзоре Бендера [10] и иллюстрирующие их широту и общность.

Тут и реакции гидролиза ангидридов кислот, эфиров и амидов

карбоновых кислот, фосфорных эфиров и оснований Шиффа, реак-

ции карбоксилирования и декарбоксилирования, переаминирова-

ния, гидратации, гидрирования, расщепления простых эфиров и

различные процессы, сходные с более тщательно исследованной

группой реакций, в которых протон катализирует атаку ряда дру-

гих нуклеофилов (кроме ОН

). Большое преимущество ионов ме-

талла перед протоном во многих реакциях этого типа заключает-

ся в том, что они могут эффективно катализировать процесс в рас-

творах со значительно большим рН. По этой причине такие ионы

металлов были названы «суперкислотами» [16]. Это название

справедливо особенно в тех случаях, когда ион металла образует

хелат, значительно более эффективный в катализе, нежели протон

[17]. Если же ион металла координирует лиганд только по одному

месту, то в этом случае его поляризующее действие и каталитиче-

ская активность обычно не выше, чем у протона; однако ион ме-

талла может проявить свойства «суперкислоты», действуя в обла-

сти рН, не доступной для протона.

4. НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЫЕ ГИДРОЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В качестве примера того, как координация способствует нук-

леофильной атаке лиганда, рассмотрим некоторые гидролитиче-

ские процессы, служащие «модельными» системами для ряда фер-

ментативных реакций. Эти хорошо изученные системы включают

каталитический гидролиз эфиров аминокислот, пептидных и фос-

фатных связей.

Во всех реакциях термодинамическая устойчивость образую-

щихся комплексов играет главную роль в проявлении катализа.

Если ион металла и молекула лиганда не образуют комплекса, то

экспериментально наблюдается только реакционная способность

свободного лиганда. В водном растворе ион металла конкурирует

с ионом водорода за координацию с лигандом. При увеличении

кислотности реакционной среды уменьшается концентрация не

только нуклеофильного агента — ионов гидроксила (молекулы

воды, хотя и в меньшей степени, также могут выступать в роли

нуклеофила), но и образующегося комплекса. С другой стороны,

Активация малых молекул при координации с металлами

427

при увеличении основности среды происходит гидролиз ионов

металла, приводящий к образованию нерастворимых, а следова-

тельно, и неактивных гидроокисей. Поэтому в большинстве слу-

чаев для проведения каталитического процесса используют огра-

ниченную область рН.

Сравнивая наблюдаемые скорости гидролиза и истинные ско-

рости гидролиза комплексов, содержащих различные лигандные

частицы, нужно учитывать состав раствора. Лиганд в каждом

комплексе подвергается щелочному гидролизу с характерной для

него скоростью, а наблюдаемая общая скорость складывается из

частных скоростей реакций всех присутствующих в реакционной

системе частиц:

"набл.

= у

своб.лиганда

KOMmieKca

комплекса

Теперь рассмотрим каталитическую активность комплексных

соединений в реакциях гидролиза лигандов различных классов.

4.1. Эфиры аминокислот

Впервые о катализе щелочного гидролиза эфиров аминокислот

ионами металлов сообщил Кролл в 1952 г. [18]. Впоследствии

многие исследователи изучали эти каталитические реакции и

полностью выяснили роль ионов металла в ускорении гидролиза

[19].

С точки зрения электростатических эффектов следует ожидать,

что координация эфира аминокислоты с положительно заряжен-

ным ионом металла или комплексом будет увеличивать скорость

щелочного гидролиза, так как эта реакция включает нуклеофиль-

ную атаку лиганда. В первом приближении скорость каталитиче-

ского процесса будет определяться главным образом электроста-

тическим зарядом реагирующего комплекса. Обычно это действи-

тельно так: большинство трехзарядных комплексов ускоряют

гидролиз в растворах с рН 3, двухзарядные комплексы — при

рН 5—7, а однозарядовые — в более щелочных растворах, при

рН>7 [17, 20, 21].

Для более точной оценки влияния ионов металла на гидролиз

эфира следует более детально разобраться в процессе взаимодей-

ствия лиганда и металла. В большинстве случаев эфир координи-

руется с металлом, используя в качестве донорного атома только

аминный азот. Карбонильная группа эфира, как и карбоксильная

группа соответствующей аминокислоты, обладает слабыми нук-

леофильными свойствами и не склонна к хелатообразованию. Од-

нако, если в качестве катализатора использовать более электро-

фильный ион металла или комплекс, между металлом и карбони-

лом наблюдается слабое взаимодействие, сопровождающееся

428

Г лава

поляризацией карбонильной связи. Эффект хелатообразования

изображен на приведенной ниже схеме:

R-CH-C

,O-R'

.O-R'

R-CH-C;

Об"

Заметим, что при образовании хелата карбонильная группа поля-

ризуется, причем ее углеродный атом становится более электро-

фильным. Теперь уже не только облегчается нуклеофильная ата-

ка комплекса, но и активированные центры лиганда становятся

местом атаки. В случае Cu(II), катализирующей гидролиз этил-

одиноковая конфигурация

противоположная конфигурация

Активация малых молекул при координации с металлами

429

глицината, увеличение скорости реакции почти в 200 раз больше,

чем допускают электростатические соображения [22]. Буш [20]

продемонстрировал аналогичный эффект для Co(III), катализи-

рующего гидролиз координированных эфиров аминокислот.

Из-за асимметрии ia-углеродного атома всех аминокислот и их

производных (за исключением глицина) в структуре и реакциях

комплексов, образованных этими лигандами, может проявляться

стереоселективность. Стереоселективность этого типа была обна-

ружена только в тех случаях, когда лиганд первоначально имел,

кроме потенциально координируемой эфирной группы, по крайней

мере два донорных атома, как, например, у гистидина [23]. При

гидролизе эфиров гистидина в присутствии D- и l-изомеров гис-

тидинатоникеля(II) для непосредственного взаимодействия кар-

бонильных групп с ионом металла эфир гистидина и гистидинат

в никелевом комплексе должны иметь противоположные конфи-

гурации. Если они имеют одинаковую конфигурацию, то в этом

случае эфирная группа удалена от иона металла и их непосредст-

венного взаимодействия не происходит.

4.2. Пептидные связи

Полипептиды и амиды аминокислот также подвергаются ка-

талитическому гидролизу. Однако каталитические эффекты часто

выражены не так ярко, как в случае гидролиза эфиров. Широко

используются четырехвалентные металлы типа тория (IY) и це-

рия (III), а также ряд более тяжелых трехвалентных металлов

[24].

Было показано, что при гидролизе пептидных связей цис-гид-

роксиаквотриэтилентетраминкобальтом (III) избирательно отщеп-

ляются N-концевые аминокислоты [25]. Комплексы этого типа

координируют концевую аминогруппу и за счет индуктивного эф-

фекта помогают разорвать связь с остатком следующей аминокис-

лоты. Они широко используются при определении аминокислотной

последовательности пептидных фрагментов.

4.3. Фосфатные связи

Было также обнаружено каталитическое расщепление фосфор-

ных эфиров [26], ацилфосфатов [27] и полифосфатов [28]. Связи

в этих соединениях гидролизуются тоже не так легко, как в эфи-

рах аминокислот, но при использовании высокозаряженных

комплексов и (или) при повышенной температуре эти системы

гидролизуются довольно быстро. В гл. 17 такого рода реакции

будут рассмотрены детально.

430

Глава 13

5. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ

СВОЙСТВА ЛИГАНДОВ

При координации окислительно-восстановительные свойства

лигандов меняются незначительно, однако имеются данные о том,

что ион металла, обладающий окислительными или восстанови-

тельными свойствами, может изменить это общее положение. Изу-

чение поведения таких частиц, как галогенид-ионы, показало, что

координация делает их более устойчивыми по отношению к внеш-

ним окислителям; примером могут служить рекации окисления 1~

в [HgI

]

или Br

в [HgBr

]

. В значительной степени это яв-

ление можно отнести за счет уменьшения доступности электрон-

ных пар лиганда внешним реагентам. Если ион металла сам яв-

ляется окислителем, то координация будет способствовать окисле-

нию лиганда, что подтверждается на примере многоступенчатых

окислителей.

Так, при окислении ионами MnO

или СгО|~ скорость первой

стадии реакции часто меньше, чем последующих стадий, в кото-

рых участвуют ионы марганца и хрома в низших степенях окис-

ления, способные координировать окисляемый лиганд. Сам факт

координации, при котором происходит смещение электронной

плотности лиганда в сторону льюисовской кислоты должен уве-

личивать окислительную способность комплексных частиц. Хотя

эту гипотезу трудно проверить, но для Cu(II), Tl(III)

Fe(III) и

им подобных окислителей общепринят внутрисферный механизм

окисления и есть данные, подтверждающие это.

Особый интерес представляют системы, в которых лиганд свя-

зан с легко восстанавливающимся ионом металла. В большинстве

случаев восстановление металла в таких системах сопровождает-

ся превращением лиганда в реакционноспособный свободный ра-

дикал, который участвует в последующих реакциях и в образова-

нии конечных продуктов. Иногда при этом образуются важные

продукты, как, например, при окислении Cu(II) а-оксикетонов в

а-дикетоны:

R-C—C-R + 2Си

J- R—С—С—R + 2Cu+ + 2Н

I II пиридин II II

ОН О OO

Эта реакция может быть использована для превращения бензоина

в бензил [29] и фуроина в фурил [30]. Как было показано Брок-

маном [31], при синтезе нитрилов в присутствии кислорода про-

цессы окисления протекают глубже и за счет повторного окисле-

ния ионов Cu(I) становятся каталитическими. В общем виде реак-

ция выглядит так:

RCHO + NH

+ O

RCN + H

O + H

Активация малых молекул при координации с металлами 431

Cu (II)

+ субстраты >• H

O + продукты

и включает следующие стадии:

комплекс Cu"

RCH

OH V RCHO+H

RCHO+NH

V RCH=NH+H

медленно

RCH=NH + комплекс CuH >- иминный радикал + H

+ комплекс Cui

иминный радикал+ O

RCsN + HO

- +H+ * H

Активной формой в этой реакции считают комплекс меди

[Cu(NH

)

(OCH

R)]

. В отсутствие кислорода этот комплекс

реагирует в стехиометрических количествах, как и следует ожи-

дать, если допустить промежуточное образование комплекса с ос-

нованием Шиффа.

Существует множество подобных автокаталитических процес-

сов, протекание которых зависит от легкости окисления субстра-

та комплексным ионом металла и возможности регенерации окис-

ленной формы последнего кислородом воздуха. Еще одним приме-

ром реакций этого типа является катализ ионами Cu(II) авто-

окисления аскорбиновой кислоты [32] (гл. 20).

Замечательным примером использования координации для

ускорения процессов окисления служит реакция окисления этиле-

на в ацетальдегид тетрахлорпалладатом [33]. Этот процесс ста-

новится каталитическим, если в реакционной среде имеются соли

Cu(II)

соляная кислота и кислород. Суммарное уравнение реак-

ции следующее:

+ PdClI- + ЗН

0 »- CH

CHO + Pd + ЗН

0+ + 4СГ

Вначале происходит координация и окисление олефина:

PdCll- + C

^—>- [PdCl

)]

+ СГ

[PdCl

)]" + H

O PdCl

O) (C

) + СГ

PdCl

O) (C

) +H

O =F=* [PdCl

(OH) (C

)]" + H

O+

[PdCl

(OH) (C

)F > CH

CHO + Pd

+ 2СГ

затем

+ 2CUC1

+ 2СГ >- PdClf- + 2CUCL

4CuCl + 4НС1 + O

>• 4CUCI

+ 2H

Реакции восстановления лигандов лучше всего изучены на при-

мере комплексов Pt(II) с ненасыщенными молекулами. В таких

комплексах олефиновые лиганды восстанавливаются значительно

432

Г лава

легче и быстрее, чем свободные лиганды [34]. Примеров восста-

новления других типов лигандов известно довольно мало.

Таким образом, окислительно-восстановительные свойства ли-

ганда изменяются при координации. Если ион металла сам не под-

вергается окислительно-восстановительным превращениям, то он

обычно препятствует окислению лиганда внешними реагентами.

6. МАСКИРОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ

ЛИГАНДОВ В КОМПЛЕКСАХ

Под маскированием реакционной способности лиганда понима-

ют затруднение или полную невозможность протекания характер-

ных для лиганда реакций в результате координации. Мы уже от-

мечали, что координация препятствует реакциям осаждения га-

логенид-ионов. Последствия координации в таких простых случа-

ях можно предсказать заранее, зная ее влияние на растворимость

продуктов. Для более сложных реакций предугадать эффект мас-

кирования значительно труднее.

Ниже приведены возможные причины появления эффекта мас-

кирования.

1. Образование координационной связи с использованием элек-

тронной пары, необходимой для реакции.

2. Приобретение лигандом в результате координации конфор-

мации, неблагоприятной для реакции.

3. Резкое изменение окислительно-восстановительного потен-

циала лиганда в результате координации, препятствующее само-

произвольному протеканию реакции.

4. Изменение заряда активного центра, затрудняющее ход ре-

акции.

5. Переход лиганда в результате координации в другую форму

(таутомерную или ионную), которая неспособна к реакции или

реагирует значительно труднее.

Маскирование может явиться следствием комбинации двух или

более таких факторов, однако для объяснения этого эффекта в

каждом конкретном случае обычно ищут частные причины, кото-

рыми легче оперировать.

Одним из наиболее ценных приложений маскирования являет-

ся защита карбоксильных и а-аминогрупп в реакциях аминокис-

лот. Образование хелата с Cu(II) позволяет весьма надежно за-

щитить эти группы от большинства характерных для них реакций.

При этом другие, незамаскированные функциональные группы

становятся активными центрами реакции. Затем медь можно от-

делить от аминокислоты в виде нерастворимого сульфида, дейст-

вуя сероводородом или сульфидом натрия. Общая схема реакций

этого типа такова: