Metall-Ligand-Bindungen

In einem komplexen Ion ist das Metallion an anionische oder neutrale Moleküle, sogenannte Liganden, gebunden. Liganden haben ein oder mehrere einsame Elektronenpaare und fungieren als Elektronenpaardonatoren oder Lewis-Basen. Sie geben das Elektronenpaar an das Metallion ab, das als Elektronenpair-Akzeptor oder Lewis-Säure fungiert. So bildet eine kovalente Koordinatenbindung zwischen dem Metallion und dem Liganden ein Lewis-Säure-Base-Addukt.

Das Ligandenatom, das ein Elektronenpaar abgibt, wird als Donoratom bezeichnet. Die Anzahl der Donoratome, die das Metallion umgeben, korreliert mit der Koordinationszahl des Metallions.

Abhängig von der Anzahl der vorhandenen Donoratome werden Liganden weiter in einzähnige, zweizähnige oder mehrzähnige Liganden eingeteilt, die geladen oder neutral sein können.

Monodentate Liganden haben nur ein Donoratom. Sauerstoff ist ein Donoratom in einem neutralen Wassermolekül; Stickstoff ist ein Donoratom in einem geladenen Cyanid-Ion.

Zweizähnige Liganden haben zwei Donoratome, die weit genug voneinander entfernt sind, um gleichzeitig an ein Metallion zu binden. Die Stickstoffatome von drei Bipyridin-Molekülen binden an ein Ruthenium-Ion mit der Koordinationszahl sechs.

Ein polyzähnierter Ligand hat zwei oder mehr Donoratome, die in seiner Struktur vorhanden sind. Dabei binden sechs Stickstoffe aus zwei Molekülen Diethylentriamin an ein Kobalt-Ion.

Da mehrere Donoratome das zentrale Metallion wie eine Klaue zu halten scheinen, werden die zweizähnigen und mehrzähnigen Liganden auch als Chelatbildner bezeichnet.

Ein Chelatbildner hat eine höhere Affinität zum zentralen Metallion als ein einzähniger Ligand und bildet einen stabileren Koordinationskomplex. Dies ist als chelatbildender Effekt bekannt.

Chelatbildner sind vielseitig einsetzbar. Sie werden verwendet, um störende Metallionen in einer Reaktion zu komplexieren – um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu erhöhen, indem Spurenmetallionen, die an der Katalyse von Zersetzungsreaktionen beteiligt sind, komplexiert werden oder Bleivergiftungen mit Ethylendiamintetraacetat oder EDTA behandelt werden.

Die Bildung von Komplexionen beeinflusst die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Metallionen und Liganden, wie z.B. die Änderung des Oxidations- und Reduktionspotentials oder der Farben. Darüber hinaus können Liganden Reaktionen wie die Deprotonierung hydratisierter Metallionen oder die Verdrängung durch einen anderen stark angezogenen Liganden durchlaufen. Hier wird das Wassermolekül durch Ammoniak ersetzt, das stärker an das Metallion bindet.