Koordynacyjne Kompleksy Chemiczne

Kompleksy koordynacyjne składają się z centralnego atomu metalu lub jonu związanego z pewną liczbą grup funkcyjnych znanych jako ligandy.

Elektrony znajdują się w przewidywalnych miejscach wokół jądra atomu, zwanych orbitalami. Większość metali ma dużą liczbę dostępnych elektronów w porównaniu z lekkimi pierwiastkami z grupy głównej, takimi jak azot, tlen lub węgiel. Ligandy oddziałują z metalami lub koordynują się z nimi w złożony sposób, co ułatwia wiele dostępnych elektronów.

Ligandy koordynują się z metalami w wielu różnych układach lub geometriach, co może mieć znaczący wpływ na reaktywność w środku metalu. Na orientacje, które przyjmują ligandy, ma wpływ elektronowa natura zarówno ligandów, jak i metalu.

Ten film przedstawi zasady działania kompleksów metali i ligandów, zademonstruje procedurę wymiany ligandów w centrum metalu oraz przedstawi kilka zastosowań kompleksów metali w chemii i medycynie.

Ligandy obejmują zarówno proste jony, takie jak chlorki, jak i złożone cząsteczki, takie jak porfiryny. Całkowity ładunek kompleksu metalowego zależy od ładunków netto metalu i każdego liganda. Metale są często kationowe lub dodatnie, a ligandy są często obojętne lub anionowe.

Ligandy koordynują się z metalami poprzez jeden lub więcej atomów donorowych związanych z metalem. Liczba niesąsiadujących ze sobą grup donorów w obrębie liganda nazywana jest zębowością. Ligand dwuzębny zajmuje dwa miejsca koordynacyjne na metalu, więc kompleks z trzema ligandami dwuzębnymi może przyjąć tę samą geometrię, co kompleks z sześcioma ligandami jednozębnymi.

Jony lub cząsteczki rozpuszczalnika mogą oddziaływać z kompleksem koordynacyjnym bez bezpośredniego kontaktu z metalem, często działając jako przeciwjony. Mogą one być również zaangażowane w reakcje, w których co najmniej jeden ligand jest zastępowany innym lub podstawiany.

W podstawieniu asocjacyjnym nowy ligand koordynuje się z metalem, a następnie jeden z oryginalnych ligandów opuszcza lub dysocjuje. W substytucji dysocjacyjnej ligand najpierw dysocjuje od metalu, po czym nowy ligand koordynuje swoje działania. Ligandy mogą również łączyć się lub dysocjować bez podstawiania, zmieniając liczbę atomów donorowych wokół metalu.

Kompleksy metalowe zwykle posiadają orbitale, które są wystarczająco bliskie pod względem energii, aby umożliwić przejścia elektronowe między nimi. Przerwa energetyczna między tymi orbitalami jest skorelowana z pewnymi właściwościami ligandów. Właściwości te są często definiowane w "spektrochemicznej serii ligandów", co klasyfikuje je od "słabych". do ?silnego?, gdzie silniejsze ligandy są związane z większą różnicą energii.

Dla elektronów korzystniejsze jest, aby znajdowały się na orbitalach o najniższej możliwej energii. Te stabilizowane orbitale znajdują się w układach o najszerszej przerwie energetycznej. Tak więc proste reakcje wymiany faworyzują kompleksy z silnymi ligandami.

Kompleksy koordynacyjne absorbują fotony odpowiadające energii potrzebnej do przejść elektronowych przez przerwy energetyczne, często w widmie widzialnym. Długość fali pochłoniętego światła jest kolorem dopełniającym obserwowanego koloru kompleksu. Tak więc zwiększona przerwa energetyczna wynikająca z wymiany słabszego liganda na silniejszy może zmienić kolor kompleksu.

Teraz, gdy rozumiesz zasady działania kompleksów metali, przejdźmy przez procedurę badania zmian energii orbitalnych przez serię reakcji wymiany ligandów.

Aby rozpocząć procedurę, należy zaopatrzyć się w odpowiednie roztwory ligandów i szkło. Następnie przygotuj roztwór 1,84 g sześciowodnego siarczanu niklu w postaci stałej i 100 ml wody dejonizowanej. Zielony kation heksakwaniklu utworzy się w roztworze.

W dygestorium rozpocząć mieszanie roztworu sześciokątnego niklu za pomocą mieszadła i płytki mieszającej. Następnie dodaj 15 ml 5 M wodnego roztworu amoniaku i poczekaj, aż kolor roztworu zmieni się na ciemnoniebieski, wskazując na tworzenie się kationu heksaamminniklu.

Następnie dodaj 10 ml 30% etylenodiaminy. Zmiana koloru roztworu na fioletowy wskazuje, że etylenodiamina wyparła amoniak, tworząc kation tris(etylenodiaminy)niklu.

Następnie dodaj 200 ml 1% dimetyloglioksymu w etanolu do tej samej zlewki. Zmiana koloru roztworu z fioletowego na zawiesinę czerwonego proszku wskazuje na tworzenie się słabo rozpuszczalnego kompleksu bis(dimetyloglioksymato)niklu.

Na koniec dodać 30 ml 1 M roztworu cyjanku potasu. Rozpuszczenie czerwonego ciała stałego i zmiana koloru roztworu na żółty wskazuje, że ligandy cyjanowe przemieściły ligandy dimetyloglioksymatu, tworząc anion tetracyjanoniklanu.

Wszystkie reakcje substytucji były spontaniczne, zgodnie z przewidywaniami serii spektrochemicznej.

Przewiduje się, że energia potrzebna do wywołania przejść elektronowych w obrębie tych kompleksów będzie najniższa dla wody i najwyższa dla cyjanku.

Kolory uzupełniające związane z każdym roztworem to czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony i niebieski. Energia światła widzialnego wzrasta od czerwonego do niebieskiego, co sugeruje, że pochłonięte fotony również zwiększają swoją energię wraz ze wzrostem siły liganda, co odpowiada większej przerwie między poziomami energii orbitalnej.

Kompleksy metali są stosowane w szerokim zakresie dziedzin, od syntezy chemicznej po medycynę.

Wiele kompleksów metali jest stosowanych jako katalizatory lub jako odczynniki w ilościach stechiometrycznych w syntezie organicznej. Trwają prace nad nowymi katalizatorami z różnymi ligandami i centrami metali, umożliwiającymi dostęp do nowych związków chemicznych. Wiele mechanizmów, za pomocą których zachodzą te reakcje, obejmuje wymianę ligandów w centrum metalu. Niewielka zmienność ligandów może mieć duży wpływ na reaktywność kompleksu metali w syntezie organicznej. Zrozumienie względnej siły ligandów oraz sterycznego i elektronicznego wpływu ligandów na kompleks metali jest zatem niezbędne podczas projektowania nowych katalizatorów.

Kompleksy metali są często stosowane w chemioterapii. Opracowywanie nowych leków przeciwnowotworowych często wiąże się z oceną kompleksów podobnych do istniejących leków, ale przy użyciu innych ligandów lub metali. W tym przypadku stwierdzono, że kompleksy tytanu i wanadu wykazują podobną skuteczność we wstępnych ocenach do cisplatyny, szeroko stosowanego kompleksu platyny. Związki te mogą wchodzić w interakcje z komórkami rakowymi w inny sposób niż cisplatyna ze względu na różnice, a zatem mogą być skuteczne przeciwko różnym typom komórek rakowych.

? Środki kontrastowe to zwykle kompleksy metali, które po wprowadzeniu do organizmu wchodzą w interakcję z wodą w pobliskich tkankach, aby wzmocnić lub zmniejszyć obrazowanie MRI. Rozwój nowych środków kontrastowych koncentruje się na zminimalizowaniu stwarzanej toksyczności przy jednoczesnym zachowaniu właściwości skutecznego środka.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do chemii koordynacyjnej. Powinieneś teraz zapoznać się z zasadami chemii koordynacyjnej, procedurą przeprowadzania wymiany ligandów w centrum metalu oraz niektórymi zastosowaniami kompleksów metali.

Dzięki za oglądanie!