Wiązania metal-ligand

Hemoglobina we krwi, chlorofil w roślinach zielonych, witamina B12 i katalizator używany do produkcji polietylenu zawierają związki koordynacyjne. Jony metali, zwłaszcza metali przejściowych, mogą tworzyć kompleksy.

W tych kompleksach metale przejściowe tworzą koordynacyjne wiązania kowalencyjne, rodzaj oddziaływania kwasowo-zasadowego Lewisa, w którym oba elektrony w wiązaniu są przekazywane przez donor (zasada Lewisa) do akceptora elektronów (kwas Lewisa). Kwas Lewisa w kompleksach koordynacyjnych, często nazywany centralnym jonem (lub atomem) metalu, jest metalem przejściowym lub wewnętrznym metalem przejściowym. Donory zasad Lewisa, zwane ligandami, mogą być szeroką gamą substancji chemicznych – atomami, cząsteczkami lub jonami. Jedynym wymogiem jest to, że mają jedną lub więcej par elektronów, które mogą być oddane do metalu centralnego. Najczęściej dotyczy to atomu dawcy z samotną parą elektronów, które mogą tworzyć wiązanie koordynacyjne z metalem. Sfera koordynacyjna składa się z centralnego jonu lub atomu metalu oraz przyłączonych do niego ligandów. Nawiasy w formule zamykają sferę koordynacyjną; Gatunki znajdujące się poza nawiasami nie są częścią sfery koordynacyjnej.

Ligandy są jednozębne, z greckiego oznaczające “jednozębny”, kiedy łączą się z centralnym metalem tylko przez jeden atom. Tutaj liczba ligandów i liczba koordynacyjna są równe. Ligandy z jednym atomem donorowym, takie jak NH₃, Cl⁻ i_H2O, są ligandami jednozębnymi. Wiele innych ligandów koordynuje się z metalem w bardziej złożony sposób.

Ligandy Bidentate to te, w których dwa atomy koordynują się ze środkiem metalu. Na przykład etylenodiamina (en_{, H,}2, NCH,₂, CH_{, 2}, NH₂) zawiera dwa atomy azotu, z których każdy ma samotną parę i może służyć jako zasada Lewisa (ryc. 1a). Oba atomy mogą koordynować się z jednym metalowym środkiem. W kompleksie [Co(en)₃^]3+ znajdują się trzy dwuzębne ligandy en, a liczba koordynacyjna jonu kobaltu(III) wynosi sześć (ryc. 1b). Najczęstszymi liczbami koordynacyjnymi są dwa, cztery i sześć, ale znane są przykłady wszystkich liczb koordynacyjnych od 1 do 15.

Rysunek 1. a) Etylenodiamina (EN) zawiera dwa atomy azotu, z których każdy ma pojedynczą parę, które mogą koordynować się z jonem metalu. (b) Trzy dwuzębne ligandy en-ligandów współpracują z pojedynczym jonem kobaltu.

Każdy ligand, który wiąże się z centralnym jonem metalu za pomocą więcej niż jednego atomu dawcy, jest ligandem wielozębnym (lub “wieloma zębami”), ponieważ może wgryźć się w środek metalu za pomocą więcej niż jednego wiązania. Termin chelat z greckiego oznaczający “pazur” jest również używany do opisania tego typu interakcji. Wiele ligandów wielozębnych to ligandy chelatujące, a kompleks składający się z jednego lub więcej z tych ligandów i metalu centralnego jest chelatem. Ligand chelatujący jest również znany jako czynnik chelatujący. Ligand chelatujący utrzymuje jon metalu tak, jakby pazur kraba trzymał kulkę. Ligandy wielozębne są czasami identyfikowane za pomocą przedrostków, które wskazują liczbę atomów donorowych w ligandzie. Kompleks hemu w hemoglobinie jest kolejnym ważnym przykładem (ryc. 2). Zawiera ligand wielozębny z czterema atomami donorowymi, które koordynują się z żelazem.

Rysunek 2: Pojedynczy hem ligandowy zawiera cztery atomy azotu, które koordynują się z żelazem w hemoglobinie, tworząc chelat.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 19.2 Koordynacja chemii metali przejściowych.