一、概述

铁的原子序数为26，位于第一过渡系的中央，与其后的钴和镍构成铁系元素。三者有一定的相似性。由于镧系取缩，在周期表中位于铁以下的钌和锇与铁很少相似性。铁原子的电子排布为[Ar]3d₆4s₂。和其它过渡元素一样，（n—1）d电子可以参与成键，所以有不同氧化态。在地球表面，主要的稳定氧化数为+2和+3。后面将要讲到，在生物体内铁还可以以+4和+5氧化数存在，但必须与氧结合成铁氧基（—Fe（Ⅳ）O或—Fe（Ⅴ）O）。除此之外，-2、O、+1和＋6等氧化数都可能出现。其中，+1、-2和O氧化态常在羰基配合物中出现，而高氧化态除铁氧基外，也可以含氧酸根形式出现。不过，在水溶液中能稳定存在的只有Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）。

由于铁在地表中含量高，而且Fe₂O₃易被焦炭在并不很高的温度下还原成金属铁，所以从战国时代起我国就掌握了还原法炼铁的技术。它的特殊性质吸引了我们的祖先，因此在人类历史中，可以追溯在青铜器之后就进入了铁器时代，世界各古代文化系统基本如此。

表7—1铁离子的基本性质

铁的基本性质表现了活泼金属的性质。它溶于酸而置换酸中的氢，在温度高时甚至置换水中的氢。浓氧化性酸可以使铁钝化。铁的活泼性还表现在容易表面氧化上。特别是接触水蒸气和电解质时，很容易生“锈”。

金属铁或氧化铁溶于酸生成铁盐。非氧化性酸（如盐酸或稀硫酸）溶解金属铁时，形成亚铁盐，在空气中，亚铁盐或多或少地变成铁盐。所以，在亚铁盐溶液中，总是Fe（Ⅱ）与Fe（Ⅲ）共存的。

铁化合物中难溶于水者很多（氧化物、氢氧化物、硫化物、磷酸盐等等），与它们接触的水溶液中总要有Fe²⁺和Fe³⁺存在。它们的溶度积和溶液的pH和其它组分决定Fe²⁺和Fe³⁺以及其它Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）配合物的浓度。例如，从酸雨到胃液等都可以溶解有较多的铁。

在水溶液中，铁化合物的性质都是Fe²⁺或Fe³⁺的性质。Fe²⁺和Fe³⁺的基本性质见表7—1。

二、铁的溶液化学

铁化合物具有丰富多采的生物功能，所有这些功能都是以它们特有的水溶液化学为基础的。在第一过渡系中，唯独铁可以在生理条件下同时有两种稳定氧化态、有合适而且可调的氧化还原电位，以及它们的自旋态、立体构型和对配体的适应性。

（一）铁离子的水解、聚合、沉淀[1]

Fe³⁺只能在强酸性水溶液中以水合单核铁离子（[Fe（H₂O）₆]³⁺）形式存在。由于Fe³⁺的电荷/半径比大，对配位结合的水分子的极化使后者解离而发生所谓“水解”：

[Fe（H₂O）₆）]^3＋ [Fe（H₂O）₅OH]^2＋＋H^＋pK₁＝2.2

[Fe（H₂O）₅（OH）]^2＋ [Fe（H₂O）4OH]^＋＋H＋pK₂＝3.3

pH越高，水解就越完全。在pH＞2的水溶液中，就有显著量[Fe（H₂O）₅OH]^2＋存在。除单核水解产物外，它们还可以聚合成不同聚合度的多核配合物，如Fe₂（OH）₂⁴⁺。这些聚合物中，两铁核之间由OH^-桥接，称为羟桥配合物。在放置时，羟桥配合物中的OH^-可失去质子变成热力学上更稳定的氧桥配合物：

它们可以如此聚合下去，直到形成固态水合氧化铁。

从有关热力学常数（表7—2）可见，聚合物比单核配合物稳定，所以在放置时，含Fe⁺³的水溶液中的Fe³⁺总是趋于聚合。聚合度与溶液的pH有关，pH越高，聚合度越高。在pH=2以上，即有二核配合物存在。随pH增加，先是聚合度增高，而后形成含高聚物凝胶（如Fe₁₂（OH）₃₄²⁺），最后析出氢氧化铁沉淀。在可溶性高聚物与沉淀之间没有截然的界限。可溶性高聚物的表观分子量可达10⁵数量级，每个分子中有上千个铁原子，相互由OH^-或O^2-桥接。它和氢氧化铁凝胶没有根本区别。

如表7—2数据所指出的，表征“氢氧化铁”溶解平衡的溶度积与“氢氧化铁”的形式有关。通常所讨论的氢氧化铁指无定形氢氧化铁，它的pK_sp≌38，基本上不溶于水，但它既可溶于酸：

Fe（OH）_3（s）＋3H⁺ Fe^3＋＋3H₂O                     logK＝3.55

也可溶于碱：

Fe（OH）_3（s）＋OH^－ Fe（OH）₄^-                     logK＝－4.5

表7—2与Fe³⁺水解、聚合、沉淀有关的热力学参数

（25℃，I＝0）

因此，从强酸性溶液开始逐渐升高pH时，表观上可见颜色先变成茶色，丁德尔现象增强，溶胶形成；然后出现沉淀。继续调高pH到13～14以上，又可见到沉淀开始溶解。

由于上述过程，溶液中的Fe（Ⅲ）浓度与pH和溶液中共存的配体有关。在pH=7.4，Fe³⁺最高也不过10^-18mol/dm³。按这个计算，把一个成人体内贮存的4g铁简单地溶在细胞内、外液中，需要几十万升，显然这是不可想象的；其所以能把这么多铁维持溶解状态，则靠体液中存在的其它物质，包括能与Fe³⁺配位的大、小分子配体和某些亲水性多聚电解质。前者把Fe³⁺变成可溶性配合物，后者能结合在“氢氧化铁”微粒表面从而使后者增溶。所以，实质上尽管“溶”在液相里的铁总量多了，但游离的Fe³⁺并未能增加，而且比在水溶液中的游离Fe³⁺还少。

多年的实践表明，有配位能力的阴离子都能抑制水解沉淀反应进行。对一系列配体的比较研究说明，若以开始聚合和开始沉淀的pH高低为抑制能力高低的判据，则DTPA或EDTA等氨羧络合剂在配体/铁摩尔比高时，有较强的络合铁、抑制聚合沉淀的作用；而邻苯二酚二磺酸和柠檬酸等在摩尔比≤1/2时，仍有明显的抑制作用[2]。现在，通过分光光度法和磁化学方法研究了解，在“柠檬酸铁”溶液中，Fe³⁺仍然处于聚合态。电子显微镜观察也说明，在“柠檬酸铁”溶液中，铁以聚合成的微球形式存在，而柠檬酸的配位使这些微球聚沉极为缓慢[3]。

多元醇（如山梨醇）类多年来与柠檬酸合用使Fe（Ⅲ）留在溶液里，并认为多元醇有抑制Fe³⁺水解聚合的作用。实际上，若在一般pH下把多元醇与Fe（Ⅲ）溶液混合，所得溶液中Fe（Ⅲ）的聚合度以及存在状态与未加多元醇时相差不多，只有在极强碱性（pH=14）的多元醇或多糖溶液中混合Fe³⁺和多元醇，才能得到相应的配合物[4]。在一般pH下，在含柠檬酸及Fe（Ⅲ）的溶液中加入多元醇时，后者与柠檬酸表现协同作用。在不加多元醇的柠檬酸-Fe（Ⅲ）溶液中加碱把pH调高时，在中等酸度的酸性范围内出现沉淀，只有在pH继续增加时才又溶解。多元醇可以使这一沉淀区消失，保证在把pH调高时不会沉淀[5]。

在强碱性介质中，多糖和Fe（Ⅲ）离子配位结合，再把介质调回到pH=7左右都可以不生成沉淀，聚合度也低[4]。

羟肟酸类[6]、酰肼类（异烟酰肼[7]）都有抑制Fe³⁺水解聚合的作用。

上面的讨论都是热力学的，而水解、聚合是一个慢过程，所以单从热力学考虑所得结果未必符合实际。从动力学来说，当我们在含Fe³⁺溶液中加入碱引发水解聚合时，可以用光度法和光散法测定反应动力学，跟踪反应过程。先可见到原在大于800nm的吸收峰蓝移到小于400nm，并在470nm出现肩峰（表示水解聚合），此时光散射增加，然后析出沉淀。在沉淀析出前的光散射变化反映聚合度增加及形态学改变。可以画出Fe³⁺水解、聚合、沉淀的全过程及每步的速度，如图7—1所示[1]。

由图可见，基本步骤有三：先是配位水解离的快反应，然后是较慢的聚合，最后是更慢的析出固体的过程。

图7—1中只给出“硬化”的聚合物与H⁺作用恢复单核配合物的数据。实际上，所有物种都可因结合H⁺而复原。不同水解物种的加质子降解反应的反应速度相差很多。Fe₂（OH）₂⁴⁺、环状Fe₆（OH）₁₂⁶⁺及FeO（OH）微晶（含10³个Fe）在2mol/dm³HCl中的降解1/2的时间为10^-4、0.05及4×10³s（25℃）。

上述各步反应中，决定溶液中铁的存在状态的不只是pH，还包括调pH的方法，因为调pH的方法决定几个关键性的反应速度。例如，在重量分析的均相沉淀法中，利用尿素水解缓慢供给OH^-，可以得到聚合度高的水合氧化铁沉淀；而如在Fe³⁺溶液中加入NaOH迅速调高pH，则得到无定形氢氧化铁凝胶。这里，聚合速度和成核速度起决定作用。

配体和其它影响Fe³⁺水解聚合的化合物不只从热力学上抑制，也从动力学上影响反应，Erni等发现，多元醇、多糖和多羟基羧酸对水解聚合的影响与溶液制备的经过有关。例如，在多糖的强碱性（pH=3）溶液中迅速混合Fe³⁺溶液时，可以形成单核配合物。把这个溶液调到pH=7虽会聚合，但聚合度很低，不易析出沉淀。如果象过去所设想的，在一定pH慢慢混合Fe³⁺和配体或在Fe³⁺及配体混合液中慢慢加碱，得到的却是不稳定的聚合物和较多的“氢氧化物”颗粒。

Cl^-是一种常见的生物配体，虽然可以与Fe³⁺形成FeCl_n^(n-3)-配合物，但不足以抑制水解和聚合。从化学上讲，在1≤pH≤2范围内有Cl^-存在下（相当于胃酸），慢慢的微小的pH上升虽使“氢氧化铁”析出，但成核速度很慢，可以形成微晶，这些微晶逐渐长大。若迅速把pH由1调到2.5使成核速度加快，则形成小的多核物种，然后变成凝胶，随着是一个极为缓慢的结构重组过程，可延续若干年。

Fe²⁺的电荷/半径比小，不象Fe³⁺那样容易水解（配位的pK～9.5）。虽然在Fe²⁺水溶液中可以测出FeOH⁺、Fe（OH）₂⁺等物种，但主要存在形式是单核的[Fe（H₂O）₆]^2＋。即使在pH=7.4的水溶液中，Fe²⁺的最高平衡浓度可达10^-2mol/dm³（Fe^3＋只有10^-18mol/dm³）。pH再升高时，可以析出氢氧化亚铁沉淀（pK_sp=13.05）。因为Fe（OH）₂比Fe（OH）₃溶解度大的多，所以在自然界中很少遇到单纯Fe（OH）₂沉淀问题。但是，在有氧环境中，氧化与水解相互促进，同时发生。

（二）氧化还原[8]

铁的生物功能之一是充当电子传递体。利用Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ），之间的往复转变，从某一反应物中获得电子，再传给另一反应物：

在金属离子中，有许多可以得失电子，为什么自然界选择了铁？这和它的基本性质有关。

第一，由于Fe（Ⅱ）与Fe（Ⅲ）间相互转化的△G⁰小，所以下列半反应的E⁰不高不低：

Fe^3＋＋e Fe^2＋

E⁰＝＋0.77V

这说明，Fe²⁺和Fe³⁺都可以在水溶液中稳定存在。与之相比，Cr（Ⅲ）/Cr（Ⅱ）电位太低，Co（Ⅲ）/Co（Ⅱ）电位太高。虽然Mn（Ⅲ）/Mn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）/Cu（I）的电位可与铁比，但Mn（Ⅲ）和Cu（I）容易歧化。因此，Fe（Ⅱ）与Fe（Ⅲ）间的氧化还原成为最适合生物要求的。当然，铜、锰等也可以成为生物电子传递体的中心金属离子。

铁的氧化还原的第二个特点是可以实现单电子氧化还原。生物体内的基本氧化还原反应是用氧把摄入的食物中的有机物氧化，最终形成CO₂和H₂O，并释放能量。在这一反应中，一个氧分子虽然最终获得4个电子，但由于自旋限制，这一反应是动力学惰性的，需要把氧活化。此外，如果氧直接把还原性底物一次氧化并放出能量，就不能充分利用自由能，不能分份存贮自由能，需要把这个反应分成几个阶梯一步一步走（见第五节），自然界利用了Fe（Ⅱ）既可与O₂配位又能被氧氧化的性质、铁配合物中Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）电位的可调性以及Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）单电子传递的性质完成这一工作。此外，铁的单电子传递还使它参与活性氧自由基的形成与转化，这是生命过程中一组既具有其必要性又有其损伤性的反应（见后）。

氧化还原与水解的相互制约和配合也是铁离子的特性。在接触空气的水溶液中，Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的存在状态由氧化还原电位和pH共同决定。

在酸性很强（pH＜2）的溶液中，Fe²⁺和Fe³⁺直接建立平衡，但Fe²⁺不易氧化（pH=1.5，1个大气压下，[Fe^3＋]/[Fe^2＋]=10⁶）。随着pH增加，Fe²⁺氧化趋势增加，而Fe（Ⅲ）则以单核或多核配合物形式存在。到pH=4，Fe²⁺的氧化趋势因其氧化产物为氢氧化铁而急剧增强。在pH增加到10左右，Fe²⁺已不能存在，是Fe（OH）₂与Fe（OH）₃建立平衡。

从以上讨论可以看出，Fe²⁺的氧化与Fe³⁺的水解的相互制约关系；而从动力学上说，Fe³⁺的水解催化Fe²⁺和O₂的反应。

Fe²⁺在水溶液中接触空气时发生的自氧化作用是非常重要的反应：

4Fe^2＋＋O₂＋4H^＋ 4Fe^3＋＋2H₂O

这个反应的机理还不十分清楚。动力学研究结果表明，在简单的水溶液中，Fe²⁺的自氧化速度定律可写做：

Kp＝8（±2.5）×1013/min·atm·mol（20℃）

可能的反应机理是O₂先与Fe²⁺配位形成Fe（Ⅱ）O₂配合物，然后通过O—O桥接形成中间配合物Fe（Ⅱ）—O—O—Fe（Ⅱ），后者转化为Fe（Ⅲ）—O₂^2-—Fe（Ⅲ），最终形成游离Fe³⁺。

自氧化速度与OH^-浓度平方成正比，碱性越强，氧化越快。大约每改变1个pH单位，反应速度增加100倍。在pH＞6.0时，天然水中的Fe²⁺迅速变成Fe（Ⅲ）而沉淀。在富有SO₄^2-、Cl－的海洋水中，上述反应变慢，t_1/2以分计。

在Fe²⁺与O₂的相互作用中还有一组重要反应，即它所参与的活性氧自由基的形成与转化[9]。

实际上，Fe²⁺溶液自氧化过程中就有超氧离子（·O₂^-）形成：

Fe²⁺+O₂ Fe²⁺-O₂^- Fe³⁺-O₂^- Fe³⁺+·O₂^-

不过，这样形成的·O₂^-很少，而且·O₂^-很不稳定，所以无论从化学还是从生物学方面都没有什么意义。

更重要的亚铁盐参与的自由基形成反应是Fenton反应。1894年，Fenton提出FeSO₄-H₂O₂混合物（Fenton试剂），能使许多有机化合物羟基化（如由苯变成苯酚）。在这一反应中，有羟自由基（·OH）形成：

Fe^2＋＋H₂O₂→Fe^3＋＋·OH＋OH^－

·OH是直接羟基化试剂。反应生成的Fe³⁺可以被H₂O₂还原成Fe²⁺，而再与新的H₂O₂反应：

Fe^3＋＋H₂O₂→Fe^2＋＋·O₂^-＋H^＋

同时发生的反应还可能有：

·OH＋H₂O₂→H₂O＋H^＋＋·O₂^-

·O₂^-＋Fe^3＋→Fe^2＋＋O₂

·OH＋Fe^2＋→Fe^3＋＋OH^－

如果有可被羟基化的底物存在，·OH与底物作用，否则其结果只是铁催化下的H₂O₂分解。

Fenton反应的反应速度相当快，二级反应速度常数为76/mol·s。按这个常数计算，在细胞那样小的体积内，每秒内可产生46～458个·OH。

把Fe^2＋与H₂O₂和Fe^3＋与·O₂^-的反应相加所得的反应为：

H₂O₂＋·O₂^- ·OH＋OH^－＋O₂

这一反应在生物体内可能是重要的·OH自由基源，称为铁催化的Haber－Weiss反应，FeL为Fe（Ⅱ）或Fe（Ⅲ）的盐或简单化合物。这样生成的·OH自由基对生物系统可造成强烈的氧化性损伤。

最后要说明的一个问题是：在生物体系中有时会形成含铁氧基（FeO—）的中间化合物。在这种铁氧基中，铁的氧化数为+4或+5。在试管里，用H₂O₂或Cl₂在强碱性溶液中氧化Fe（Ⅱ）及Fe（Ⅲ）时，可形成Fe（Ⅳ）。这是因为H₂O₂是二电子氧化剂，所以由Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）形成Fe（Ⅳ）形成和Fe（Ⅴ）都是可能的。此外，Fe²⁺被臭氧氧化成Fe（Ⅲ）的反应也生成Fe（Ⅳ）=0化合物：

Fe（Ⅱ）＋O₃→Fe（Ⅳ）＝O＋O₂

Fe（Ⅳ）＝O＋Fe（Ⅱ）→Fe（Ⅲ）—O—Fe（Ⅲ）

在生物体内往往通过Fe（Ⅲ）配合物催化过氧化物的还原而形成Fe（Ⅳ）O。如

[Fe（Ⅲ）（P）（L）]＋ROOH→[Fe（IV）O（P·）（L）]^＋＋ROH

[Fe（Ⅳ）O（P·）（L）]^＋＋AH₂→[Fe（Ⅳ）O（P）（L）]^＋＋H^＋＋AH

（三）铁的配位化学

Fe³⁺电荷/半径比高，球形对称，是硬酸离子，所以与硬碱配体形成稳定配合物（主要是以氧为配位原子的基团）。Fe²⁺是中间酸离子，所以优先与氮原子配位，有时也与硫原子配位。在生物系统中，许多种多齿配体可以形成螯合物而稳定化。这种情况下的配位原子可以是N、S和O同时配位。表7—3列举生物体系内常见的铁螯合基团和其代表性配体。

表7—3生物体系中的铁配体

在体液中还有一些能与Fe（Ⅱ）或Fe（Ⅲ）结合的小分子配体，如Cl^-、HCO₃^-、OH^-等。

除去作为Lewis酸，Fe²⁺和Fe³⁺都能从成σ键的电子给体获得电子外，在配体有可供占有的π轨道时，它们都能通过形成反馈π键使配合物稳定化。

Fe²⁺及Fe³⁺配合物主要都是六配位、八面体（或拟八面体）结构。在八面体配位场中，这两种氧化态（d⁵和d⁶）都有高自旋和低自旋两种状态，要看配体场强弱。例如，[Fe（CN）₆]^3-及[Fe（CN）₆]^3-都是低自旋的，而[Fe（H₂O）₆]²⁺和[Fe（H₂O）₆]³⁺都是高自旋的。有些含铁蛋白质（如铁硫蛋白）中的铁是四配位、四面体结构。在四面体配位场中，Fe（Ⅲ）（d⁵）只能是高自旋的，有5个单电子，而Fe（Ⅱ）（d⁶）有4个。

概括地说，铁的氧化数、配位构型、配位原子的本质（软硬度、场强）等因素共同决定Fe（Ⅱ）与Fe（Ⅲ）配合物的相对稳定性。例如，F^-可以与Fe³⁺优先配位，而且带负电荷，可以使E_Fe3+/Fe2+⁰由+0.77V降到+0.4V，使Fe³⁺稳定化。若配体为电中性、强场配体（如邻二氮菲），则E⁰更正（1.14V），使Fe²⁺稳定化在低自旋八面体结构。这时晶体场稳定化能高。

我们可以用上述思考方式分析一下Fe²⁺为什么能与O₂配位而不被氧化。一个氧分子与Fe（Ⅱ）形成六配位、八面体配合物FeL₅O₂时，Fe（Ⅱ）的ε_g和t_2g轨道分别与O₂的一个σ和一个反键π轨道形成σ和π键。与此同时，由Fe（Ⅱ）向O₂的电子反馈使配合物稳定化[10]。Fe（Ⅱ）与O₂配位后，由于电荷转移使Fe（Ⅱ）—O₂向Fe³⁺—O₂^-形式转化，键合的离子性增加，在水介质中容易解离成Fe³⁺和·O₂^-。因此，在Fe（Ⅱ）化合物与O₂配位时，氧合与氧化是一对矛盾。生物体内有许多卟啉铁配合物，有些以氧合为主，有的以氧化为主，各自的生物功能不同。

铁的配合物形成反应在生物体内所发挥的作用包括Fe³⁺离子的清除、铁在体内的分布和转运等。所有这些过程都与两个基本反应有关：一是铁与配体作用形成配合物；二是铁配合物与另一配体间发生配体取代。实际上，第一个反应也是配体取代，被取代的配体是溶剂分子——水。1

配体取代反应可表示为

FeX+Y FeY+X

它是所有配位反应的基础，其中，X和Y两种配体可以有一种是水。配体取代反应的机理可概括为三种形式：解离机理（S_N1，或称D机理）、加合机理（S_N2或称A机理）和交换机理（或称Ⅰ机理）。

在X与Y中有一种是蛋白质或其它生物大分子的情况在生物体系中广泛存在，其本质是大、小分子配体间竞争金属离子。如Fe（Ⅲ）的小分子配合物（FeL）与去铁转铁蛋白（Tf）相互作用，前者把Fe³⁺传递给转铁蛋白：

nFeL+Tf Fe_nTf+nL

n=1或2

由于大分子的特点，这类反应多为A或I机理。

在D机理中，被取代配体先解离，留出空位，使取代配体Y得以进入空位。在这种情况下，第一步反应为限速步骤，第二步反应较快。决定反应动力学的主要是X和金属离子。X的电荷越少，体积越大，反应速度越快。在A机理中，Y先进入而形成中间三元配合物，然后解离。这时，决定速度的是三元配合物的解离。在I机理中，X离开内界与Y进入内界同时发生。实际上，I机理是A机理与D机理的中间机理。当X的离去比Y的进入稍快些，即接近D机理的I机理（I_D）；反之，为接近A机理的I机理。

相当多的八面体铁配合物遵循D机理参与配体交换。在水合离子与配体交换时，Fe²⁺比Fe³⁺速度快。在Fe²⁺参与的配体交换时，高自旋配合物比低自旋配合物快。这是因为高自旋八面体Fe（Ⅱ）配合物的电子构型为t_2g⁴∈_g²，所以解离出一个配体形成五配位配合物时，CFSE增加，而低自旋配合物的电子构型为t_2g⁶，它在失去一个配体时要失去一部分CFSE。例如，低自旋的[Fe（CN）₆]^4-是动力学取代惰性的，所以用Fe²⁺化合物解氰化物中毒是有效的。