Liaisons métal-ligand

L'hémoglobine dans le sang, la chlorophylle dans les plantes vertes, la vitamine B-12 ainsi que le catalyseur utilisé dans la fabrication du polyéthylène contiennent tous des composés de coordination. Les ions des métaux, en particulier des métaux de transition, sont susceptibles de former des complexes.

Dans ces complexes, les métaux de transition forment des liaisons covalentes par coordinence, une sorte d'interaction acide-base de Lewis dans laquelle les deux électrons de la liaison sont fournis par un donneur (base de Lewis) à un accepteur d'électrons (acide de Lewis). L'acide de Lewis dans les complexes de coordination, souvent appelé ion métallique central (ou atome), est le métal de transition ou le métal de transition interne. Les donneurs bases de Lewis, appelés ligands, peuvent être une grande variété de produits chimiques : atomes, molécules ou ions. La seule exigence est qu'ils aient un ou plusieurs doublets d'électrons, qui peuvent être donnés au métal central. Le plus souvent, cela implique un atome donneur avec un doublet libre d'électrons qui peut former une liaison par coordinence au métal. La sphère de coordination comprend l'ion métallique central ou l'atome plus ses ligands attachés. Les crochets d'une formule entourent la sphère de coordination ; les espèces en dehors des crochets ne font pas partie de la sphère de coordination.

Les ligands sont monodentés, du grec pour “ une dent ”, quand ils se connectent au métal central par le biais d'un seul atome. Ici, le nombre de ligands et le nombre de coordination sont égaux. Les ligands avec un atome donneur, comme NH₃, Cl⁻ et H₂O, sont des ligands monodentates. Beaucoup d'autres ligands se coordonnent avec le métal dans des modes plus complexes.

Les ligands bidentates sont ceux dans lesquels deux atomes se coordonnent avec le centre du métal. Par exemple, l'éthylènediamine (en, H₂NCH₂CH₂NH₂) contient deux atomes d'azote, chacun ayant un doublet libre et pouvant servir de base de Lewis (figure 1a). Les deux atomes peuvent se coordonner à un seul centre métallique. Dans le complexe [Co(en)₃]³⁺, il existe trois ligands bidentate en et le nombre de coordination de l'ion cobalt(III) est de six (figure 1b). Les nombres de coordination les plus courants sont deux, quatre et six, mais des exemples de tous les nombres de coordination de 1 à 15 sont connus.

Figure 1. (a) L'éthylènediamine (en) contient deux atomes d'azote, chacun avec un doublet libre, qui peuvent se coordonner avec un ion métallique. (b) Trois ligants en bidentates se coordonnent avec un seul ion cobalt.

Tout ligand qui se lie à un ion métallique central par plus d'un atome donneur est un ligand polydentate (ou “ plusieurs dents ”) parce qu'il peut mordiller dans le centre métallique avec plus d'une liaison. Le terme chélate du grec pour “ pince ” est également utilisé pour décrire ce type d'interaction. De nombreux ligands polydentates sont des ligands chélatants, et un complexe comprenant un ou plusieurs de ces ligands et un métal central est un chélate. Un ligand chélatant est également connu comme étant un agent chélatant. Un ligand chélatant tient l'ion métallique plutôt comme une pince de crabe tiendrait une bille. Les ligands polydentates sont parfois identifiés grâce à des préfixes qui indiquent le nombre d'atomes donneurs dans le ligand. Le complexe hémique de l'hémoglobine est un autre exemple important (figure 2). Il contient un ligand polydentate avec quatre atomes donneurs qui se coordonnent avec le fer.

Figure 2 :  Le ligand unique hème contient quatre atomes d'azote qui se coordonnent avec le fer dans l'hémoglobine pour former un chélate.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Chapitre 19.2 Chimie de coordination des métaux de transition.