Back to chapter

20.3:

קשרי מתכת-ליגנדה

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Metal-Ligand Bonds

Idiomas

COMPARTILHAR

בקומקפלקס יוני, יון המתכת נקשר למולקולות אניוניות או ניטרליות, הנקראות ליגנדות. לליגנדות יש זוג אלקטרונים בודדים אחד או יותר והם נוהגות כתורמות זוג אלקטרונים או כבסיסי לואיס. הן תורמות את זוג האלקטרונים ליון המתכת, הנוהג כמקבל זוג אלקטרונים או כחומצת לואיס.לכן, קשר קואורדינציה קוולנטי בין יון המתכת לליגנדה יוצר תוצר סיפוח של חומצה-בסיס לואיס. אטום הליגנדה התורם את זוג האלקטרונים ידוע כאטום התורם. מספר האטומים התורמים המקיפים את יון המתכת תואמים למספר הקואורדינציה של יון המתכת.בהתאם למספר האטומים התורמים שלן, ליגנדות מסווגות גם כליגנדות מונודנטטיות, בידנטטיות או פולידנטטיות והן יכולות להיות טעונות או ניטרליות. לליגנודות מונודנטטיות יש אטום תורם אחד בלבד. חמצן הוא אטום תורם במולקולת מים ניטרלית;חנקן הוא אטום תורם ביון ציאניד טעון.לליגנדות בידנטטיות יש שני אטומים תורמים, הרחוקים זה מזה במידה מספקת כדי להיקשר במקביל ליון מתכת. אטומי החנקן בשלוש מולקולות ביפירידין נקשרות ליון רותניום עם מספר קואורדינציה שש. לליגנדה פולידנטטית יש שני אטומים תורמים או יותר הנמצאים במבנה שלו.כאן שישה אטומי חנקן משתי מולקולות של דיאתילנטריאמין נקשרות ליון קובלט. כשאטומים תורמים רבים נראים כמחזיקים את יון המתכת המרכזי כצבת, הליגנדות הבידנטטיות והפולידנטטיו נקראות גם כלאטורים. לכלאטור יש יותר זיקה ליון המתכת המרכזית מאשר לליגנדה מונודנטטית, מה שיוצר קומקפלקס קוארדינציה יציב יותר.תהליך זה מוכר בשם אפקט הכלציה. כלאטורים הם רב תכליתיים. הם משמשים בכדי ליצור קומפלקס עם יוני מתכות שמפריעות בתגובה כדי להאריך את אורך חיי המדף של מוצרי מזון על ידי קמפלוקס שאריות של יוני מתכת מעורבית בזירוז תגובות ריקבון או לטיפול בהרעלות עופרת באמצעות אתילנדיאמינטטראצטט או EDTA.היווצרות הקומפלקס היוני משפיעה על התכונות הפיזיוכימיות של יון המתכת ושל הליגנדים, לדוגמה, שינוי בפוטנציאלי החמצון והחיזור או בצבעים. יותר מזה, ליגנדות יכולות לעבור תגובות כגון דה-פטרוטונציה של יוני מתכת מיוממים או הזזה על ידי ליגנדה בעלת משיכה חזקה. כאן מולקולת המים מוחלפת באמוניה, הנקשרת חזק יותר ליון המתכת.

20.3:

קשרי מתכת-ליגנדה

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 pt 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.