Back to chapter

20.3:

Metaal-ligand Binding

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Metal-Ligand Bonds

Languages

Share

In een complex ion is het metaalion gebonden aan anionische of neutrale moleculen, ook wel liganden genoemd. Liganden hebben een of meer vrije elektronenparen en fungeren als donoren van elektronenparen of Lewis-basen. Ze doneren het elektronenpaar aan het metaalion, die fungeert als een elektronenpaaracceptor of een Lewis-zuur.Dus een gecoördineerde covalente binding tussen het metaalion en ligand vormt een Lewis-zuur-base-adduct. Het ligandatoom dat een elektronenpaar doneert staat bekend als het donoratoom. Het aantal donoratomen rond het metaalion correleert met het coördinatiegetal van het metaalion.Afhankelijk van het aantal aanwezige donoratomen, worden liganden verder geclassificeerd als monodentate, bidentate of polydetate liganden, die geladen of neutraal kunnen zijn. Monodentate liganden hebben slechts één donoratoom. Zuurstof is een donoratoom in een neutraal watermolecuul;stikstof is een donoratoom in een geladen cyanide-ion.Bidentate liganden hebben twee donoratomen die voldoende ver van elkaar verwijderd zijn om gelijktijdig aan een metaalion te binden. De stikstofatomen van drie bipyridinemoleculen binden aan een rutheniumion met coördinatiegetal zes. Een polydentate ligand heeft twee of meer donoratomen in zijn structuur.Hier binden zes stikstofatomen uit twee moleculen diethyleentriamine zich aan een kobaltion. Aangezien meerdere donoratomen het centrale metaalion als een klauw lijken vast te houden, worden de bidentate en polydentate liganden ook wel chelaatvormers genoemd. Een chelaatvormer heeft meer affiniteit voor het centrale metaalion dan een monodentaat ligand en vormt een stabieler coördinatiecomplex.Dit staat bekend als het chelerende effect. Chelaatvormers zijn veelzijdig. Ze worden gebruikt om storende metaalionen in een reactie te complexeren om de houdbaarheid van voedselproducten te verlengen door sporenmetaalionen die betrokken zijn bij het katalyseren van ontledingsreacties te complexeren of door loodvergiftiging te behandelen met ethyleendiaminetetraacetaat of EDTA.De vorming van complexe ionen beïnvloedt de fysisch-chemische eigenschappen van de metaalionen en liganden, zoals verandering in oxidatie-en reductiepotentialen of kleuren. Bovendien kunnen liganden reacties ondergaan zoals deprotonering van gehydrateerde metaalionen of verplaatsing door een ander sterk aangetrokken ligand. Hier wordt het watermolecuul vervangen door ammoniak, dat zich sterker bindt aan het metaalion.

20.3:

Metaal-ligand Binding

The hemoglobin in the blood, the chlorophyll in green plants, vitamin B-12, and the catalyst used in the manufacture of polyethylene all contain coordination compounds. Ions of the metals, especially the transition metals, are likely to form complexes.

In these complexes, transition metals form coordinate covalent bonds, a kind of Lewis acid-base interaction in which both of the electrons in the bond are contributed by a donor (Lewis base) to an electron acceptor (Lewis acid). The Lewis acid in coordination complexes, often called a central metal ion (or atom), is the transition metal or inner transition metal. The Lewis base donors, called ligands, can be a wide variety of chemicals—atoms, molecules, or ions. The only requirement is that they have one or more electron pairs, which can be donated to the central metal. Most often, this involves a donor atom with a lone pair of electrons that can form a coordinate bond to the metal. The coordination sphere consists of the central metal ion or atom plus its attached ligands. Brackets in a formula enclose the coordination sphere; species outside the brackets are not part of the coordination sphere.

Ligands are monodentate, from the Greek for “one-toothed,” when they connect with the central metal through only one atom. Here, the number of ligands and the coordination number are equal. Ligands with one donor atom, such as NH3, Cl, and H2O, are monodentate ligands. Many other ligands coordinate to the metal in more complex fashions.

Bidentate ligands are those in which two atoms coordinate to the metal center. For example, ethylenediamine (en, H2NCH2CH2NH2) contains two nitrogen atoms, each of which has a lone pair and can serve as a Lewis base (Figure 1a). Both of the atoms can coordinate to a single metal center. In the complex [Co(en)3]3+, there are three bidentate en ligands, and the coordination number of the cobalt(III) ion is six (Figure 1b). The most common coordination numbers are two, four, and six, but examples of all coordination numbers from 1 to 15 are known.

Image1

Figure 1. (a) ethylenediamine (en) contains two nitrogen atoms, with a lone pair each, that can coordinate with a metal ion. (b) Three bidentate en ligands coordinate with a single cobalt ion.

Any ligand that binds to a central metal ion by more than one donor atom is a polydentate ligand (or “many teeth”) because it can bite into the metal center with more than one bond. The term chelate from the Greek for “claw” is also used to describe this type of interaction. Many polydentate ligands are chelating ligands, and a complex consisting of one or more of these ligands and a central metal is a chelate. A chelating ligand is also known as a chelating agent. A chelating ligand holds the metal ion rather like a crab’s claw would hold a marble. Polydentate ligands are sometimes identified with prefixes that indicate the number of donor atoms in the ligand. The heme complex in hemoglobin is another important example (Figure 2). It contains a polydentate ligand with four donor atoms that coordinate to iron.

Image2

Figure 2:  The single ligand heme contains four nitrogen atoms that coordinate to iron in hemoglobin to form a chelate.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.2 Coordination Chemistry of Transition Metals.