Metall-Ligand-Bindungen

Das Hämoglobin im Blut, das Chlorophyll in grünen Pflanzen, Vitamin B-12 und der Katalysator, der bei der Herstellung von Polyethylen verwendet wird, enthalten allesamt Koordinationsverbindungen. Ionen der Metalle, insbesondere der Übergangsmetalle, neigen dazu, Komplexe zu bilden.

In diesen Komplexen bilden Übergangsmetalle koordinative kovalente Bindungen, eine Art Lewis-Säure-Base-Wechselwirkung, bei der beide Elektronen in der Bindung von einem Donor (Lewis-Base) an einen Elektronenakzeptor (Lewis-Säure) abgegeben werden. Die Lewis-Säure in Koordinationskomplexen, oft als zentrales Metallion (oder Atom) bezeichnet, ist das Übergangsmetall oder innere Übergangsmetall. Die Lewis-Basen-Donoren, sogenannte Liganden, können eine Vielzahl von Chemikalien sein – Atome, Moleküle oder Ionen. Die einzige Voraussetzung ist, dass sie über ein oder mehrere Elektronenpaare verfügen, die an das Zentralmetall abgegeben werden können. Meistens handelt es sich dabei um ein Donoratom mit einem freien Elektronenpaar, das eine koordinative Bindung zum Metall eingehen kann. Die Koordinationssphäre besteht aus dem zentralen Metallion oder -atom und den daran gebundenen Liganden. Klammern in einer Formel schließen die Koordinationssphäre ein; Arten außerhalb der Klammern sind nicht Teil der Koordinationssphäre.

Liganden sind monodentat (griechisch für „einzahnig“), wenn sie nur über ein Atom mit dem Zentralmetall verbunden sind. Dabei sind die Anzahl der Liganden und die Koordinationszahl gleich. Liganden mit einem Donoratom, wie NH₃, Cl⁻ und H₂O, sind monodentat. Viele andere Liganden koordinieren auf komplexere Weise mit dem Metall.

Zweizähnige Liganden sind solche, bei denen zwei Atome an das Metallzentrum koordinieren. Beispielsweise enthält Ethylendiamin (en, H₂NCH₂CH₂NH₂) zwei Stickstoffatome, von denen jedes ein freies Elektronenpaar aufweist und als Lewis-Base dienen kann (Figure 1a). Beide Atome können an ein einziges Metallzentrum koordinieren. Im Komplex [Co(en)₃]³⁺ gibt es drei zweizähnige en-Liganden und die Koordinationszahl des Cobalt(III)-Ions beträgt sechs (Figure 1b). Die gebräuchlichsten Koordinationszahlen sind zwei, vier und sechs, es sind jedoch Beispiele für alle Koordinationszahlen von 1 bis 15 bekannt.

Figure 1. (a) Ethylendiamin (en) enthält zwei Stickstoffatome mit jeweils einem freien Elektronenpaar, die mit einem Metallion koordinieren können. (b) Drei zweizähnige Liganden koordinieren mit einem einzelnen Kobaltion.

Jeder Ligand, der über mehr als ein Donoratom an ein zentrales Metallion bindet, ist ein mehrzähniger Ligand (oder „viele Zähne“), da er mit mehr als einer Bindung in das Metallzentrum eingreifen kann. Zur Beschreibung dieser Art der Interaktion wird auch der Begriff Chelat aus dem Griechischen für „Klaue“ verwendet. Viele mehrzähnige Liganden sind Chelatliganden, und ein Komplex, der aus einem oder mehreren dieser Liganden und einem Zentralmetall besteht, ist ein Chelat. Ein Chelatligand wird auch als Chelatbildner bezeichnet. Ein Chelatligand hält das Metallion so, wie eine Krabbenschere eine Murmel halten würde. Mehrzähnige Liganden werden manchmal mit Präfixen gekennzeichnet, die die Anzahl der Donoratome im Liganden angeben. Der Hämkomplex im Hämoglobin ist ein weiteres wichtiges Beispiel (Figure 2). Es enthält einen mehrzähnigen Liganden mit vier Donoratomen, die an Eisen koordinieren.

Figure 2: Der einzelne Ligand Häm enthält vier Stickstoffatome, die sich an Eisen im Hämoglobin koordinieren und so ein Chelat bilden.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.2 Coordination Chemistry of Transition Metals.