浅谈配位反应在化学和生物中的应用

袁晓艳

(辽宁朝阳师范高等专科学校生化工程系 辽宁朝阳 122000)

配位化合物也称络合物,由于几乎所有的化学元素都能形成配合物,其数量庞大,性能独特,使配位化学在科学研究及生产实践中应用极为广泛,渗透到分析化学,有机化学,结构化学,催化化学和生物化学等各个领域中,发展成为化学学科中的一个独立分支。

1 配位化合物结构特点

在配位化合物中,中心原子和配位体之间是以 配位键相结合,其中配位体可以提供孤对电子或π电子,中心原子可以接受孤对电子或π电子,配合物是具有一定空间构型的复杂离子或分子。根据配位原子数目不同,配合物分为简单配合物,螯合物,多核配合物,羰合物,烯烃配合物,多酸型配合物,种类繁多,应用广泛。

2 配位化合物在化学方面

首先,可以进行离子的掩蔽,例如,在含有Fe3+和Co2+离子的溶液中,鉴定Co2+时,由于KSCN与Co2+作用生成艳蓝色溶液,可以确定Co2+的存在。但Fe3+和KSCN作用有血红色产生,妨碍了对Co2+的鉴定,因此,事先在溶液中加入NaF配位剂,F-与Fe3+作用生成无色稳定的[FeF6]3-离子,从而排除Fe3+对Co2+鉴定的干扰作用。

其次,可以进行离子的分离,在含有Zn2+和Al3+的溶液中加入过量氨水,Zn2+与过量的氨水作用生成沉淀后又溶解生成无色溶液,而Al3+与过量氨水作用,生成白色溶液,通过过滤后,达到二者分离的目的。

还有,用于离子的鉴定,例如,二价铜离子与 氨分子形成深蓝色的四氨合铜配离子而鉴定二价铜离子,二价镍离子与丁二肟在弱碱性介质中可形成鲜红色难溶二(丁二肟)合镍而鉴定二价镍离子。

在有机合成中,利用配位反应可以产生的催化作用,合成许多有机化合物,例如,利用 氯化铜和氯化钯 的稀盐酸溶液做催化剂,乙烯合成乙醛,首先二价钯离子和乙烯形成配合物,使乙烯双键被削弱而活化,然后,乙烯容易被氧化成乙醛。

在冶金工业方面,利用过渡元素与一氧化碳 形成金属羰基配合物的特点,可以制备高纯度金属,例如,将含有杂质的铁制成五羰基合铁,由于五羰基合铁容易挥发,受热易分解,从而制备高纯度铁粉。制造铁芯和催化用的高纯度铁粉正是运用了这一原理。在实际生产中,从矿石中提取贵金属是比较困难的,利用配位反应可以做到。例如,提取金的过程中,因为金难氧化,但在空气存在的条件下,金溶于氰化钠溶液中,金与氧气和氰化钠作用生成二氰合金配离子而溶解,然后用锌粉在溶液中将金置换出,从而提取到金。提取银也可以用此类方法。

在电镀工业方面,对镀层质量的要求是很高的,要致密,牢固,光亮,均匀,这就要求金属离子在阴极镀件上的还原速度不应该太快,因此控制镀件中有关金属离子的浓度时非常必要的。多年来,采用氰化钠使有关金属离子转变为氰合配离子,以降低镀液态中简单金属离子的浓度,在镀铜,银,金,锌,锡等工艺中都采用这种方法。由于氰化物剧毒,目前采用非氰配位剂,以保护环境。

3 配合物在生物和医药方面的应用

在生物方面,配位化合物中的螯合物在生物体中起着非常重要作用。例如,钒,铬,铁,锰,钴,镍,钼是生命必须的元素,这些金属元素与生物配体进行配位作用,从而产生生物学效应,例如,二价铁离子与卟啉类配体结合形成配合物是血红蛋白,在血红蛋白结构中,二价铁离子是中心原子,六个配位原子占据了八面体的六个顶点,四个氮原子作为配位原子来源于卟啉环,另二个配位原子,一个是配位水分子中的氧原子,还有一个是另一个分子的血红蛋白质肽链中的一个组氨酸氮原子。血液中的血红蛋白在肺部摄取氧气,而将水替代下了,当血液流动时,结合氧气的血红蛋白被输送到身体的各个部位,在需氧 的地方释放氧气,又将水交换上去,从而起到输送氧气作用。生物体中各种各样起特殊作用的酶都属于有机金属配合物,例如,植物进行光合作用所必须的叶绿素,是以二价镁离子为中心的复杂配离子,植物固氮酶是铁和钼的蛋白质 配合物。例如,在医学上,常利用配合反应除去进入人体中的某些有毒元素,例如,EDTA的钙盐是一种高效解毒剂,当人体发生铅中毒时,将Na2[Ca(EDTA)]溶于生理盐水或葡萄糖形成溶液,注射到体内,铅离子与Na2[Ca(EDTA)]作用,将铅离子络合起来,形成[PbEDTA]2-及剩余[CaEDTA]2-均可随尿排出体外,从而达到解铅毒的目的。

4 结语

总之,近些年来,我国的配位化学发展是突飞猛进的,在发展传统的配合物体系之外,还沿着深度,广度和应用方向发展。在新型大环、大分子配体配合物以及特异结构性能模型配合物方面,在主族元素和过渡元素金属有机化合物、簇合物及多核配合物方面,在具有光、电、热、磁等特性的新型配合物及其功能的微观机理方面,配合物的光电学和电化学,固体和界面配位化学、超分子配位化学和分子识别和组装等诸多方面进行探讨和研究.同时,配位化学和其他相关学科相互交叉和渗透,配位化学的原理和规律,将在分子水平上对未来复杂的分子层次以上聚集态体系的研究起着重要作用,其概念及方法也将超越传统学科的界限。配位化学和有机化学、分析化学、环境化学、材料化学、生物化学、等学科的结合已经取得很大进展。以后,加强一些薄弱领域的研究,例如,配位光化学、纳米配位化学、新型功能配合物、金属配合物、界面配位化学、配位超分子化合物等,这必将给配位化学带来新的发展前景。

[1]四川大学工科基础化学教育中心,近代化学基础.北京:高等教育出版社,2001.

[2]北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学,无机化学教研室编.高等教育出版社,2005.