Complexes de coordination

Les complexes de coordination sont constitués d’un atome ou d’un ion métallique central lié à un certain nombre de groupes fonctionnels appelés ligands.

Les électrons se trouvent à des endroits prévisibles autour du noyau d’un atome, appelés orbitales. La plupart des métaux ont un grand nombre d’électrons accessibles par rapport aux éléments légers du groupe principal tels que l’azote, l’oxygène ou le carbone. Les ligands interagissent avec les métaux ou se coordonnent avec eux de manière complexe, facilitée par ces nombreux électrons accessibles.

Les ligands se coordonnent avec les métaux dans de nombreux arrangements différents, ou géométries, ce qui peut avoir un effet significatif sur la réactivité au centre du métal. Les orientations que les ligands adoptent sont affectées par la nature électronique des ligands et du métal.

Cette vidéo présentera les principes des complexes métalliques et des ligands, démontrera une procédure d’échange de ligands dans un centre métallique et présentera quelques applications des complexes métalliques en chimie et en médecine.

Les ligands vont des ions simples tels que le chlorure aux molécules complexes telles que les porphyrines. La charge globale d’un complexe métallique dépend des charges nettes du métal et de chaque ligand. Les métaux sont souvent cationiques ou positifs, et les ligands sont souvent neutres ou anioniques.

Les ligands se coordonnent avec les métaux par l’intermédiaire d’un ou plusieurs atomes donneurs liés au métal. Le nombre de groupes de donneurs non adjacents au sein d’un ligand est appelé denticité. Un ligand bidenté occupe deux sites de coordination sur un métal, de sorte qu’un complexe avec trois ligands bidentés peut adopter la même géométrie qu’un complexe avec six ligands monodentés.

Les ions ou les molécules de solvant peuvent interagir avec un complexe de coordination sans interagir directement avec le métal, agissant souvent comme des contre-ions. Ceux-ci peuvent également être impliqués dans des réactions dans lesquelles au moins un ligand est remplacé par un autre, ou substitué.

Dans la substitution associative, le nouveau ligand se coordonne au métal, puis l’un des ligands d’origine s’en va ou se dissocie. Dans la substitution dissociative, un ligand se dissocie d’abord du métal, après quoi le nouveau ligand se coordonne. Les ligands peuvent également s’associer ou se dissocier sans substitution, modifiant le nombre d’atomes donneurs autour du métal.

Les complexes métalliques possèdent généralement des orbitales dont l’énergie est suffisamment proche pour permettre des transitions électroniques entre elles. L’écart d’énergie entre ces orbitales est corrélé à certaines propriétés des ligands. Ces propriétés sont souvent définies dans la « série spectrochimique de ligands », qui les classe de « faibles ». à « fort », où des ligands plus forts sont associés à une plus grande différence d’énergie.

Il est plus favorable pour les électrons d’être dans des orbitales avec l’énergie la plus faible possible. Ces orbitales stabilisées se trouvent dans les systèmes avec le plus grand écart d’énergie. Ainsi, les réactions d’échange simples favorisent les complexes avec des ligands forts.

Les complexes de coordination absorbent des photons correspondant à l’énergie nécessaire aux transitions électroniques à travers les trous d’énergie, souvent dans le spectre visible. La longueur d’onde de la lumière absorbée est la couleur complémentaire de la couleur observée du complexe. Ainsi, l’écart d’énergie accru dû à l’échange d’un ligand plus faible contre un ligand plus fort peut changer la couleur du complexe.

Maintenant que vous comprenez les principes des complexes métalliques, passons en revue une procédure d’examen des changements d’énergies orbitales par une série de réactions d’échange de ligands.

Pour commencer la procédure, procurez-vous les solutions de ligand et la verrerie appropriées. Ensuite, préparez une solution de 1,84 g de sulfate de nickel hexahydraté solide et de 100 ml d’eau désionisée. Le cation vert hexaaquanickel se formera en solution.

Dans une hotte, commencez à agiter la solution d’hexaaquanickel à l’aide d’une barre d’agitation et d’une plaque d’agitation. Ensuite, ajoutez 15 ml d’ammoniac aqueux 5 M et attendez que la couleur de la solution passe au bleu foncé, indiquant la formation du cation hexaamminenickel.

Ensuite, ajoutez 10 ml d’éthylènediamine à 30 %. Le changement de couleur de la solution en violet indique que l’éthylènediamine a déplacé l’ammoniac, formant le cation tris(éthylènediamine)nickel.

Ensuite, ajoutez 200 ml de diméthylglyoxime à 1 % dans de l’éthanol dans le même bécher. Le changement de couleur de la solution du violet à une suspension de la poudre rouge indique la formation du complexe bis(diméthylglyoximato)nickel peu soluble.

Enfin, ajoutez 30 ml de solution de cyanure de potassium 1 M. La dissolution du solide rouge et le changement de couleur de la solution en jaune indiquent que les ligands cyano ont déplacé les ligands diméthylglyoximato, formant l’anion tétracyanonickelate.

Les réactions de substitution ont toutes été spontanées, suivant les prédictions de la série spectrochimique.

L’énergie nécessaire pour provoquer des transitions électroniques au sein de ces complexes est prédite par la série comme étant la plus faible pour l’eau et la plus élevée pour le cyanure.

Les couleurs complémentaires associées à chaque solution sont le rouge, l’orange, le jaune, le vert et le bleu. L’énergie de la lumière visible augmente du rouge au bleu, ce qui suggère que les photons absorbés augmentent également en énergie à mesure que la force du ligand augmente, ce qui correspond à un écart plus grand entre les niveaux d’énergie orbitale.

Les complexes métalliques sont utilisés dans un large éventail de domaines, de la synthèse chimique au domaine médical.

De nombreux complexes métalliques sont utilisés comme catalyseurs ou comme réactifs en quantités stœchiométriques en synthèse organique. Le développement de nouveaux catalyseurs avec divers ligands et centres métalliques est en cours, permettant d’accéder à de nouveaux composés chimiques. De nombreux mécanismes par lesquels ces réactions se produisent impliquent un échange de ligands au centre du métal. Une petite variation dans les ligands peut avoir un effet important sur la réactivité d’un complexe métallique en synthèse organique. Une compréhension de la force relative des ligands et des effets stériques et électroniques des ligands sur le complexe métallique est donc essentielle lors de la conception de nouveaux catalyseurs.

Les complexes métalliques sont souvent utilisés en chimiothérapie. Le développement de nouveaux médicaments anticancéreux implique souvent l’évaluation de complexes similaires à des médicaments existants, mais en utilisant des ligands ou des métaux différents. Ici, les complexes de titane et de vanadium ont montré des efficacités similaires à celles du cisplatine, un complexe de platine largement utilisé, lors d’évaluations préliminaires. Ces composés peuvent interagir avec les cellules cancéreuses de différentes manières du cisplatine en raison des différences, et peuvent donc être efficaces contre différents types de cellules cancéreuses.

 ? Les agents de contraste sont généralement des complexes métalliques qui, lorsqu’ils sont introduits dans le corps, interagissent avec l’eau dans les tissus voisins pour améliorer ou diminuer l’imagerie IRM. Le développement de nouveaux agents de contraste vise à minimiser la toxicité posée tout en conservant les propriétés d’un agent efficace.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la chimie de coordination. Vous devriez maintenant être familiarisé avec les principes de la chimie de coordination, une procédure pour effectuer un échange de ligands dans un centre métallique et certaines applications des complexes métalliques.

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