20.3: Связи металл-лиганд

Гемоглобин в крови, хлорофилл в зеленых растениях, витамин B-12 и катализатор, используемый при производстве полиэтилена, содержат координационные соединения. Ионы металлов, особенно переходных металлов, скорее всего образуют комплексы.

В этих комплексах переходные металлы образуют координатные ковалентные связи, своего рода взаимодействие Льюиса кислотно-основная, в котором оба электрона в связи вносят донор (Lewis основание) в акцептор электронов (Льюис-кислота). Кислота Льюиса в координационных комплексах, часто называемая центральным ионом металла (или атомом), является переходным металлом или внутренним переходным металлом. Доноры Lewis основание, называемые лигандами, могут быть самыми разными химикатами – атомами, молекулами или ионами. Единственным требованием является то, что у них есть одна или несколько электронных пар, которые могут быть переданы центральному металлу. Чаще всего это связано с атомом донора с одинокой парой электронов, которые могут сформировать координатную связь с металлом. Сфера координации состоит из центрального иона металла или атома плюс присоединенные лиганды. Скобки в формуле заключают сферу координации; виды за пределами скобок не являются частью сферы координации.

Лиганды однопутные, от греческих для “однозубый”, когда они соединяются с центральным металлом только через один атом. Здесь количество лигандов и номер координации равны. Лиганды с одним атомом донора, такие как NH₃, CL^– и H2O, являются однодогенными лигандами. Многие другие лиганды координируют с металлом в более сложной моде.

Лиганды бидентата — это лиганды, в которых два атома координируют центр металла. Например, этилендиамин (en, H2NCH2CH2NH₂) содержит два атома азота, каждый из которых имеет одиноную пару и может служить в качестве основание Льюиса (рис. 1a). Оба атома могут координировать свою работу с одним центром металла. В комплексе [Co(en)₃]³⁺ имеется три лиганда бидентата, а координационный номер иона кобальта(III) — шесть (рис. 1b). Наиболее распространенными номерами координации являются два, четыре и шесть, но известны примеры всех номеров координации от 1 до 15.

Рисунок 1. (a) этилендиамин (en) содержит два атома азота, каждая из которых имеет одну пару, которые могут координировать с ионом металла. (b) три бидентата у лигандов координируют с одним кобальтовым ионом.

Любой лиганд, связывающий центральный ион металла более чем с одним атомом донора, является полидентационной лигандом (или “много зубов”), потому что он может укусить в металлический центр более чем одной связью. Термин хелат из греческого для «когота» также используется для описания этого типа взаимодействия. Многие полидентационные лиганды являются хелатными лигандами, а комплекс, состоящий из одной или нескольких из этих лигандов и центрального металла, является хелатом. Хелатинг лиганд также известен как хелатинг-агент. Хелатая лиганда держит металлический ион, скорее, как кобель краба, будет удерживать мрамор. Лиганды Polydentate иногда идентифицируются с префиксами, указывающими количество атомов донора в лигандах. Еще одним важным примером является гемный комплекс гемоглобина (рис. 2). Он содержит полидентат лиганд с четырьмя атомами донора, которые координируют железо.

Рисунок 2: Одинарная лиганда гема содержит четыре атома азота, которые координируют железо в гемоглобине, образуя хелат.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Chapter 19.2 Coordination Chemistry of Transition Metals.