Coördinatiechemie Complexen

Coördinatieverbindingen bestaan uit een centraal metaalatoom of -ion dat gebonden is aan een aantal functionele groepen, bekend als liganden.

Elektronen bevinden zich op voorspelbare locaties rond de kern van een atoom, genoemd orbitalen. De meeste metalen hebben een groot aantal toegankelijke elektronen in vergelijking met lichte hoofdgroepselementen zoals stikstof, zuurstof of koolstof. Liganden interageren op complexe manieren met metalen, gefaciliteerd door deze vele toegankelijke elektronen.

Liganden coördineren met metalen in vele verschillende arrangementen, of geometrieën, die een significant effect kunnen hebben op de reactiviteit op het metaalcentrum. De oriëntaties die liganden aannemen worden beïnvloed door de elektronische aard van zowel de liganden als het metaal.

Deze video introduceert de principes van metaalcomplexen en liganden, demonstreert een procedure voor het uitwisselen van liganden op een metaalcentrum en introduceert enkele toepassingen van metaalcomplexen in de chemie en geneeskunde.

Liganden variëren van eenvoudige ionen zoals chloride tot complexe moleculen zoals porfyrines. De totale lading van een metaalcomplex hangt af van de netto ladingen van het metaal en elke ligand. Metalen zijn vaak kationisch, of positief, en liganden zijn vaak neutraal of anionisch.

Liganden coördineren met metalen via een of meer donoratomen die aan het metaal zijn gebonden. Het aantal niet-aangrenzende donorgroepen binnen een ligand wordt de denticitie genoemd. Een bidentaat ligand neemt twee coördinatieplaatsen op een metaal in beslag, dus een complex met drie bidentate liganden kan dezelfde geometrie aannemen als een complex met zes monodentate liganden.

Ionen of oplosmiddelmoleculen kunnen interageren met een coördinatieverbinding zonder direct met het metaal te interageren, vaak als tegenionen optreden. Deze kunnen ook betrokken zijn bij reacties waarbij ten minste één ligand wordt vervangen door een andere, of gesubstitueerd.

Bij associatieve substitutie coördineert het nieuwe ligand zich aan het metaal, en vervolgens verlaat een van de oorspronkelijke liganden, of dissocieert. Bij dissociatieve substitutie dissocieert een ligand eerst van het metaal, waarna het nieuwe ligand zich coördineert. Liganden kunnen zich ook associëren of dissociëren zonder substitutie, waardoor het aantal donoratomen rond het metaal verandert.

Metaalcomplexen bezitten meestal orbitalen die dicht genoeg in energie liggen om elektronische overgangen tussen hen toe te staan. Het energieverschil tussen deze orbitalen is gecorreleerd met bepaalde ligandeigenschappen. Deze eigenschappen worden vaak gedefinieerd in de 'spectrochemische reeks van liganden', die ze rangschikt van 'zwak' tot'sterk', waarbij sterkere liganden geassocieerd zijn met een groter energieverschil.

Het is gunstiger voor elektronen om zich in orbitalen met de laagst mogelijke energie te bevinden. Deze gestabiliseerde orbitalen worden gevonden in systemen met de grootste energiekloof. Dus, eenvoudige uitwisselingsreacties favoriseren complexen met sterke liganden.

Coördinatieverbindingen absorberen fotonen die overeenkomen met de energie die nodig is voor elektronische overgangen tussen energiekloven, vaak in het zichtbare spectrum. De golflengte van het geabsorbeerde licht is de complementaire kleur van de waargenomen kleur van het complex. Dus, de verhoogde energiekloof door het verwisselen van een zwakkere ligand voor een sterkere kan de kleur van het complex veranderen.

Nu je de principes van metaalcomplexen begrijpt, laten we een procedure doorlopen voor het onderzoeken van veranderingen in orbitaalenergieën door een reeks liganduitwisselingsreacties.

Om de procedure te beginnen, verkrijg de juiste ligandoplossingen en glaswerk. Bereid vervolgens een oplossing van 1,84 g vast nikkelsulfaat hexahydraat en 100 mL gedeïoniseerd water. Het groene hexaaquanikkel-kation zal zich in oplossing vormen.

In een afzuiging begint u met het roeren van de hexaaquanikkeloplossing met behulp van een roerbaar en roerplaat. Voeg vervolgens 15 mL 5 M waterige ammoniak toe en wacht tot de oplossingskleur verandert in diepblauw, wat duidt op de vorming van het hexaamminenikkel-kation.

Voeg vervolgens 10 mL 30% ethyleendiamine toe. De kleurverandering van de oplossing naar paars geeft aan dat ethyleendiamine de ammoniak heeft verdrongen en het tris(ethyleendiamine)nikkel-kation heeft gevormd.

Voeg vervolgens 200 mL 1% dimethylglyoxim in ethanol toe aan dezelfde beker. De kleurverandering van de oplossing van paars naar een suspensie van het rode poeder geeft de vorming aan van het slecht oplosbare bis(dimethylglyoximaat)nikkelcomplex.

Ten slotte voegt u 30 mL 1 M kaliumcyanidroplossing toe. Het oplossen van het rode vaste stof en de kleurverandering van de oplossing naar geel geeft aan dat de cyanoliganden de dimethylglyoximaatliganden hebben verdrongen en het tetracyanonikkelaanion hebben gevormd.

De substitutiereacties waren allemaal spontaan en volgden de voorspellingen van de spectrochemische reeks.

De energie die nodig is om elektronische overgangen binnen deze complexen te veroorzaken, wordt door de reeks voorspeld om het laagst te zijn voor water en het hoogst voor cyanide.

De complementaire kleuren die met elke oplossing geassocieerd worden zijn rood, oranje, geel, groen en blauw. De energie van zichtbaar licht neemt toe van rood naar blauw, wat suggereert dat de geabsorbeerde fotonen ook in energie toenemen naarmate de ligandsterkte toeneemt, wat overeenkomt met een groter gat tussen orbitaalenergieniveaus.

Metaalcomplexen worden gebruikt in een breed scala aan domeinen, van chemische synthese tot het medische veld.

Veel metaalcomplexen worden gebruikt als katalysatoren of als reagentia in stoichiometrische hoeveelheden in organische synthese. De ontwikkeling van nieuwe katalysatoren met verschillende liganden en metaalcentra is aan de gang, waardoor toegang tot nieuwe chemische verbindingen mogelijk is. Veel van de mechanismen waarmee deze reacties plaatsvinden omvatten liganduitwisseling op het metaalcentrum. Een kleine variatie in liganden kan een groot effect hebben op de reactiviteit van een metaalcomplex in organische synthese. Een begrip van de relatieve ligandsterkte en de