Координаційні сполуки в хімії навколишнього середовища

Явище життя на молекулярному рівні за своєю головною суттю являє собою складну сукупність десятків тисяч хімічних реакцій, серед яких більшість відбувається за участю комплексних сполук. В організмах тварин і рослин комплексні сполуки виконують різноманітні функції: накопичення і переміщення різних речовин та енергії, обмін і блокування функціональних груп, участь в окислювально-відновних реакціях, утворення і розщеплення хімічних зв’язків тощо.

5.1. Комплексні сполуки у житті тварин та людей. До числа найбільш важливих природних хелатуючих агентів відносяться похідні порфину. Комплекси, які одержують за участю похідних порфіну, мають назву порфірини. Різні порфірини відрізняються один від одного типом комплексоутворювача і групами замісників, що приєднані до атомів вуглецю на периферії ліганду. Один із найважливіших порфіринів – гем гемоглобіну (Hb), який є комплексом гему та білку і входить до складу крові людини і тварин. Особливість гемоглобіну полягає в тому, що атом заліза в ньому знаходиться у центрі площини координованих навколо нього чотирьох атомів азоту. При взаємодії молекули кисню з атомом заліза утворюється слабка координаційна сполука – оксигемоглобін (НbО₂), яка є носієм кисню в живому організмі. У легенях гемоглобін захоплює кисень, а в тканинах вивільняє його і вивільнений кисень приймає участь у хімічних процесах окислення, що відбуваються в клітинах. Одночасно за участю гемоглобіну відбувається також транспорт вуглекислого газу із тканин в легені, а потім у навколишнє середовище:

Hb + O₂ Û Hb O₂;

CO₂ + H₂O Û H₂CO₃ Û HCO₃^- + H⁺;

Hb O₂ + H⁺ ÛH Hb ⁺ + O₂;

H Hb ⁺ + HCO₃^- Û Hb + H₂O + CO₂.

Оксид вуглецю СО (ІІ) також здатний зв’язуватися атомом заліза в молекулі гемоглобіну в комплекс, що має назву карбоксигемоглобін. Здатність СО зв’язуватися з гемоглобіном крові людини приблизно у 200 разів вища, ніж у О₂. Наприклад, людина, що вдихає на протязі декількох годин повітря із вмістом всього 0,1% СО, поглинає таку його кількість, яка здатна перетворити до 60% гемоглобіну на карбоксигемоглобін. У цьому полягає отруйна дія СО для тварин і людини. Хімізм цього процесу можна уявляти як схильність атомів заліза до утворення карбонільних комплексів типу:

Fе(СО)₅, [Fе₃(СО)₁₁].

Вже самі по собі карбоніли заліза дуже токсичні. Групи СО у карбонілі заліза можуть заміщуватись на інші ліганди (аміни, ізонітрили, ненасичені органічні сполуки), наприклад:

Fe(CO)₅ + CH₂ = CHCH = CH₂ → [Fe(-C₄H₆)(CO)₃] + 2CO.

Звідси можна передбачати, що із двох конкуруючих реакцій:

Hb + O₂ → Hb O₂ та Hb + CO → Hb CO

переважатиме остання, тобто буде блокуватися процес перенесення кисню гемоглобіном крові.

Ряд газів (метан та ін.) також здатні вступати в реакцію з гемоглобіном, утворюючи так званий метгемоглобін, що є причиною важких отруєнь організму.

5.2. Комплексні сполуки у житті рослин. Живі організми потребують енергії для свого існування, росту і відтворення. Первинним джерелом цієї енергії є Сонце. Однак в процесі розвитку життя на Землі і появи нових різноманітних організмів у багатьох з них розвинулась здатність одержувати енергію непрямим шляхом в результаті її засвоєння із

Інших організмів. Наприклад, людина позбавлена здатності прямого використання сонячної енергії. Замість цього вона використовує рослинні і тваринні матеріали, як джерела вже накопиченої енергії.

Найважливішим способом перетворення сонячної енергії у форми, придатні для використання живими організмами, є фотосинтез. В ході фотосинтезу в листках рослин, оксид вуглецю (ІV) і вода перетворюється на вуглевод глюкозу і цей процес супроводжується виділенням кисню:

6CO₂ + 6H₂O ^48hv C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Необхідна для цього енергія надходить з видимої частини сонячного спектру. Фотони енергії поглинаються фотосинтезатором – хлорофілом, який містять зелені листки рослин. Хлорофіл являє собою координаційну сполуку типу металпорфіринів – принциповий аналог гему крові. Він містить іон Мg²⁺ у складі порфіринового циклу. Зелений колір хлорофілу обумовлений тим, що він здатний поглинати червоне і синє випромінювання і відбиває зелене світло. Таким чином, фотосинтез рослин – це природний механізм перетворення сонячної енергії в енергію фосфатних зв’язків макроергічних молекул (АТФ та ін.) за участю комплексних сполук, від якого залежить підтримання життя всіх біологічних систем в земних умовах.

Дуже важливе значення для життєдіяльності рослин мають складні природні сполуки з властивостями лігандів, які одночасно є акумуляторами енергії. Приклад таких сполук – гумус грунту, як продукт біохімічного перетворення органічних решток за участю мікроорганізмів, вологи та кисню атмосфери. У сухому стані – це неплавкий аморфний темно-бурий порошкоподібний продукт, із якого можна виділити гумінові та фульвокислоти – високомолекулярні конденсовані ароматичні сполуки. Гумінові кислоти входять до складу органічної маси торфу (25 – 50%), землистого та блискучого бурого вугілля (відповідно 45 – 60 та 5 – 15%), окисленого кам’яного вугілля (до 60%). Гумінові кислоти з металами утворюють комплексні сполуки за рахунок великої кількості донорних атомів азоту, сірки, кисню.

Необхідність пошуку різноманітних шляхів вирішення енергетичних проблем, в тому числі і в рослинництві, першочергове завдання сучасності. Адже відомо, що інтенсифікація промислового виробництва добрив, як джерела живлення та енергії для рослин, все більше буде залежати від дефіциту енергоносіїв. Згідно зроблених оцінок розвіданих світових запасів, вугілля повинно вистачити на декілька сотень років, запасів нафти – приблизно на 70 років, а природного газу – приблизно на 50 років. В цьому відношенні постійно відновлюваним джерелом енергії є органічна речовина рослин та тварин, із якої можна одержувати концентровані добрива – гумати. Оскільки процес гуміфікації органічних решток в природі займає багато часу, то приоритетними стають керовані процеси переробки органічних решток методами їх біоконверсії з використанням метало-комплексних каталізаторів та ферментів.

Ще більший інтерес являють комплексонати металів-мікроелементів для рослин закритого грунту, що характеризуються такими особливостями: формування великої надземної маси, слабкий розвиток кореневої системи, подовжений період вегетації, що потребує підвищеного використання елементів живлення. В цьому випадку заміна неорганічних солей мікроелементів їх комплексонатами не лише забезпечує більшу біологічну активність, а й попереджує перехід іонів металів у нерозчинні форми при взаємодії з фосфорними добривами та карбонатами. Тому поряд з безпосереднім використанням комплексонатів металів у якості мікродобрив, доцільно підвищувати рухомість нерозчинних сполук мікроелементів грунту додаванням до нього штучних та природних комплексонатів, наприклад ЕДТА, ДТПА та гумінові препарати.

Не менше значення при цьому має використання мінеральних добрив з добавками активних сполук мікроелементів. При збагаченні фосфорних, азотних та калійних добрив неорганічними солями металів-мікроелементів лише частково вдається зберігати їх розчинність, рухомість та доступність для рослин. Властивість комплексонів утворювати з біометалами розчинні у воді і високостійкі у фосфатних, сульфатних, карбонатних та хлоридних розчинах сполуки, є передумовою їх використання у якості модифікаторів мінеральних добрив (внесення в грунт механічних сумішей добрив і комплексонів, обпудрювання гранул добрив комплексонами, введення комплексонів до складу добрив тощо).

Особливо це актуально для рідких комплексних добрив (РКД) з мікроелементами, висока активність яких широковідома. Недоліком РКД, основними компонентами яких є NH₄⁺, H₂PO₄^-, HPO₄^2-, K⁺, Cl^-, CO(NH₂)₂, є їх нестійкість при зберіганні, що зумовлена осадженням із розчину фосфатів металів. Щоб запобігти цьому і підвищити біологічну активність металів-мікроелементів до складу РКД вводять комплексони. У цьому відношенні перспективним є використання не індивідуальних комплексонів, а реакційних та маточних розчинів їх виробництва або гуматів, а замість дефіцитних металів – мікроелементи з промислових відходів.

Дата добавления: 2014-11-16