Coördinatieverbinding

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Molecuulmodel van cis-diamminedichloroplatina(II), een coördinatieverbinding van platina.
Het complex tetramminekoper(II)sulfaat heeft een typische azuurblauwe kleur.

Coördinatieverbindingen of (metaal)complexen zijn chemische verbindingen die bestaan uit één of meer (transitie of overgangs-)metalen[1] en één of meer liganden. In de techniek is het verschijnsel ook bekend onder de naam chelatie. Een ligand is een neutraal molecuul of een ion dat een vrij elektronenpaar heeft, of een negatief ion, dat gebruikt kan worden om een binding te vormen met een metaalion. Een coördinatieverbinding is neutraal (coördinatieverbinding) of geladen (complex ion). In het laatste geval heeft het een positief of negatief tegenion bij zich. Een opvallende eigenschap van coördinatieverbindingen, is dat ze meestal een karakteristieke kleur aannemen en ook bijzondere magnetische eigenschappen vertonen.

Basisconcepten[bewerken]

De binding tussen een metaalion en een ligand is een covalente binding met een partieel ionair karakter, waarbij het bindend elektronenpaar afkomstig is van het ligand alleen (een zogenaamde elektronenpaardonor). Daarom wordt de binding ook wel een donor-acceptorbinding, coördinatief-covalente binding of datieve binding genoemd.

Een voorbeeld: de verbinding [CoCl(NH3)5]Br2 bestaat uit een kobaltion met 5 (ongeladen) NH3-moleculen en een negatief geladen chloride-ion aan zich gebonden. Dit geheel heeft een lading van 2+, dus zijn er 2 bromide-ionen aanwezig als tegenionen.

Nomenclatuur[bewerken]

Coördinatieverbinding bezitten een eigen nomenclatuur, die gebaseerd is op volgende regels:

  • Het kation wordt eerst genoemd, vervolgens het anion
  • Bij een complex ion worden de namen van de liganden eerst genoemd (zie tabel hieronder), voor de naam van het metaalion
  • Anionische liganden krijgen een uitgang -o (fluor wordt dus fluoro).
  • Neutrale liganden krijgen hun gewone moleculaire benaming (met uitzondering van water, ammoniak, koolstofmonoxide en stikstofmonoxide)
  • Het aantal monodentate liganden wordt met de klassieke Griekse prefixen (di-, tri-, tetra-, penta-, ...) beschreven. Voor polydentate liganden en liganden die reeds een Grieks prefix dragen (bijvoorbeeld ethyleendiammine), wordt een alternatief prefix gebruikt: bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, ...
  • De oxidatietoestand van het centraal metaalion wordt aangeduid met een Romeins cijfer
  • Als er meer dan 1 soort ligand voorkomt, worden deze alfabetisch gerangschikt. Voor deze alfabetische rangschikking hoeft met de namen van de prefixen geen rekening te worden gehouden.
  • Wanneer het complex ion een negatieve lading draagt, wordt aan de naam van het centraal metaalion de uitgang -aat toegevoegd. De stam is de Latijnse naam van het metaal.

Namen van liganden[bewerken]

Ligand Formule (bindend atoom in het vet) Meestvoorkomende denticiteit
jodido I- monodentaat
bromido Br- monodentaat
chlorido Cl- monodentaat
fluorido F- monodentaat
thio S2- monodentaat (M=S)
bidentaat (M-S-M')
thiocyanato S-CN- monodentaat
isothiocyanato N=C=S- monodentaat
nitrosyl NO monodentaat
nitro N-O2- monodentaat
nitrito ONO- monodentaat
nitrato O-NO2- monodentaat
azido N-N2- monodentaat
cyano CN- monodentaat
cyanato OCN- monodentaat
isocyanato NCO- monodentaat
hydroxo O-H- monodentaat
aqua H-O-H monodentaat
ammine NH3 monodentaat
carbonyl CO monodentaat
pyridino C5H5N monodentaat
acetonitrilo CH3CN monodentaat
oxalato [O-C(=O)-C(=O)-O]2- bidentaat
ethyleendiamine NH2-CH=CH-NH2 (afgekort tot en) bidentaat
2,2'-bipyridine NC5H4-C5H4N (afgekort tot bipy) bidentaat
glycinato NH2-CH2C(=O)-OH bidentaat
di-ethyleentriamine NH2-C2H3-NH-C2H3-NH2 tridentaat
terpyridine NC5H4-NC5H3-NC5H4 tridentaat
1,4,7-triazacyclononaan C6H12(NH)3 tridentaat
ftalocyanine (NC8H4N)2-(NC8H5N)2 tetradentaat
porfyrine tetradentaat
tri-ethyleentetramine NH2-C2H3-NH-C2H3-NH-C2H3-NH2 tetradentaat
tris(2-aminoethyl)amine N(CH2CH2NH2)3 tetradentaat
ethyleendiaminetriacetaat pentadentaat
2.2.2-cryptand N[CH2CH2-OCH2CH2O-CH2CH2]3N hexadentaat
ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA) (CH2C(=O)O)2-N-CH2-CH2-N-(CH2C(=O)O)2 hexadentaat

Namen van metaalionen in complexe anionen[bewerken]

Metaal Symbool Naam in het complex anion
titanium Ti titanaat
vanadium V vanadaat
chroom Cr chromaat
mangaan Mn manganaat
ijzer Fe ferraat
kobalt Co cobaltaat
nikkel Ni nikkelaat
koper Cu cupraat
zink Zn zinkaat
niobium Nb niobaat
molybdeen Mo molybdaat
technetium Tc technetaat
ruthenium Ru ruthenaat
palladium Pd palladaat
zilver Ag argentaat
cadmium Cd cadmiaat
tin Sn stannaat
hafnium Hf hafniaat
tantalium Ta tantalaat
wolfraam W wolframaat
renium Re renaat
iridium Ir iridaat
platina Pt platinaat
goud Au auraat
kwik Hg mercuraat
lood Pb plumbaat

Voorbeelden[bewerken]

Formule Naam van het complex
K4Fe(CN)6 kaliumhexacyanoferraat(II)
Geel bloedloogzout
K3Fe(CN)6 kaliumhexacyanoferraat(III)
Rood bloedloogzout
[Co(NH3)5Cl]Cl2 penta-amminechlorokobalt(III)chloride
[Fe(en)2(NO2)2]SO4 bis(ethyleendiamine)dinitroijzer(III)sulfaat
[Ru(NH3)5Cl]S penta-amminechlororuthenium(II)sulfide
Na2[Au(CN)3F2] natriumtricyanodifluoroauraat(III)
[Pt(CO)3H2O]Br2 aquatricarbonylplatina(II)bromide
[Nb(NH3)4(NO2)2]NO2 tetra-amminedinitroniobium(III)nitriet

Liganden[bewerken]

De liganden binden aan het centrale metaalion via de donatie van een vrij elektronenpaar. Het coördinatiegetal van een complex geeft weer hoeveel donoratomen er aan het metaalion gebonden zijn in de eerste coördinatiesfeer. Hierbij moet men rekening houden met de verschillende soorten liganden:

Coördinatiegetal toekennen[bewerken]

Het coördinatiegetal wordt aan een complex ion of een coördinatieverbinding toegekend op basis van het aantal donoratomen dat zich rond het centraal metaalion heeft geplaatst.

Voorbeeld 1 - [Pt(NH3)6]4+

Hierbij zit een platina(IV+)ion gecoördineerd met 6 ammine-liganden. Elk ammine-ligand bezit op stikstof een vrij elektronenpaar, dat gebruikt wordt voor de coördinatief covalente verbinding. Aangezien er 6 van dergelijke liganden zijn, betekent dit dat het coördinatiegetal 6 bedraagt.

Voorbeeld 2 - [Co(NH3)2(en)2]2+

Hierbij zit een kobalt(II+)ion gecoördineerd met 2 ammine-liganden en 2 ethyleendiamine-liganden. Elk ammine-ligand bezit een vrij elektronenpaar op stikstof; elk ethyleendiammine heeft 2 stikstoffen met elk een vrij elektronenpaar en bezit dus 2 donoratomen. Dat betekent dat deze verbinding als coördinatiegetal 6 draagt.

Voorbeeld 3 - [Hg(CN)3(CO)2]-

Hierbij zit een kwik(II+)ion gecoördineerd met 3 cyano-liganden en 2 carbonyl-liganden. Elk cyano-ligand heeft een vrij elektronenpaar op stikstof; elk carbonyl-ligand bezit een vrij elektronenpaar op koolstof. Dat betekent dat het coördinatiegetal van dit complex 5 is.

Zuur gedrag van metaalionen in water[bewerken]

De metaal-ligand-binding kan worden beschreven als de interactie tussen een Lewisbase en een Lewiszuur. Hierbij neemt het metaalion de rol van het Lewiszuur over en de liganden die van de Lewisbase. In een waterige oplossing zijn alle ionen gehydrateerd. Een voorbeeld vormt [Fe(H2O)6]3+ of kortweg Fe3+(aq). Veel gehydrateerde ionen (dit zijn zogenaamde aqua-complexen) reageren in een oplossing als een zwak zuur:

[Fe(H2O)6]3+ + H2O → [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H3O+

De zuursterkte van het gehydrateerde metaalion is afhankelijk van de sterkte van de binding tussen het centraal metaalion en het zuurstofatoom van de gebonden watermolecule. Als deze binding zeer sterk is, dan wordt de O-H-binding in water verzwakt en kan een H+-ion worden afgesplitst. Als deze binding echter zwak is, dan wordt een volledige watermolecule afgesplitst. De sterkte van de binding tussen het metaalion en het zuurstofatoom in water is afhankelijk van 2 belangrijke factoren:

  • Op basis van de elektrostatische aantrekkingskracht tussen het kation en de water-dipool (wet van Coulomb) kan men concluderen dat kleine ionen met een hoge lading (bijvoorbeeld Fe3+) het sterkst zuur zullen reageren.
  • Als het kation (centraal metaalion) een Lewis-zuur is dat over vacante atoomorbitalen beschikt (transitiemetalen uit periode 4, 5 en 6), heeft de binding tussen het metaalion en het zuurstofatoom een covalent karakter. De binding wordt dus versterkt en het zuur karakter verhoogt.

Geometrische structuur[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie Moleculaire geometrie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Afhankelijk van het aantal liganden en de lading kan een complex verschillende geometrische vormen aannemen, meestal een waarbij de liganden en vrije elektronen zo ver mogelijk van elkaar zitten. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de verschillende geometrische structuren van een complexverbinding.

Coördinatiegetal Geometrie Hybridisatie van het metaalion Voorbeeld
2 lineair sp [Ag(NH3)2]+
3 trigonaal planair sp2 [PdCl3]-
4 tetraëdrisch sp3 [Zn(CN)4]2-
4 vierkant planair
(tetragonaal)
dsp2 [Ni(CN)4]2-
5 vierkant piramidaal d2sp2 [VOCl4]2-
5 trigonaal bipiramidaal dsp3 Fe(CO)5
6 octaëdrisch d2sp3 [Co(NH3)6]3+
7 pentagonaal bipiramidaal d3sp3
8 vierhoekig antiprisma d4sp3 [Mo(CN)8]4-
9 drievoudig afgeknot trigonaal prisma d5sp3 [ReH9]2-

Sommige metaalionen kunnen nog meer liganden coördineren. De oorzaak hiervan ligt in de relatieve grootte van de liganden en de positieve lading op het metaalion. Zo werd in 2007 melding gemaakt van een opmerkelijk stabiel lood-complex dat door niet minder dan 15 heliumliganden werd omringd: PbHe152+.

Isomerie[bewerken]

Coördinatieverbindingen bezitten, in het geval van meerdere soorten liganden, veelal isomeren. Er kunnen ruwweg 2 soorten isomeren bij coördinatieverbindingen onderscheiden worden:

Structuurisomerie[bewerken]

Het algemeen principe bij structuurisomeren van coördinatieverbindingen is het feit dat er telkens andere liganden aan het centraal metaalion zijn gebonden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen volgende structuurisomerren:

  • Ionisatie-isomeren: deze isomeren ioniseren in water verschillend van elkaar. Voorbeeld:
[Co(NH3)5SO4]Br (rood complex) → [Co(NH3)5SO4]+ + Br-
[Co(NH3)5Br]SO4 (paars-violet complex) → [Co(NH3)5Br]2+ + SO42-
  • Coördinatie-isomeren: deze isomeren bezitten 2 of meerdere metaalionen, die fungeren als coördinatiecentrum. De liganden kunnen op die manier telkens op een ander metaalion binden.
  • Hydraat-isomeren: dit zijn ionisatie-isomeren met als ligand H2O
  • Linkage-isomeren: dit zijn isomeren die een ligand bezitten dat op verschillende manieren (met telkens andere donoratomen) kan gebonden zijn aan het metaalion. Voorbeeld:
[Co(NH3)5(NO2)]Cl2: hierbij bindt het vetgedrukte ligand via stikstof (nitro-verbinding)
[Co(NH3)5(ONO)]Cl2: hierbij bindt het vetgedrukte ligand via zuurstof (nitrito-verbinding)

Stereo-isomerie[bewerken]

Bij stereo-isomeren zal het complex het aantal liganden behouden, maar zullen deze telkens op een andere plaats gerangschikt zijn rondom het centraal metaalion. Er wordt onderscheid gemaakt tussen 2 soorten stereo-isomeren:

Cis- en trans-isomerie[bewerken]

Cis- en trans-isomerie kan in complexe verbindingen optreden bij een octaëdrische of tetragonaal planaire structuur. Wanneer 2 dezelfde liganden naast elkaar liggen, staan ze cis ten opzichte van elkaar. Als ze tegenover elkaar staan, dan staan ze trans ten opzichte van elkaar. Wanneer 3 dezelfde liganden een zijde van een octaëder bepalen, dan staan deze fac (afgeleid van faciaal) ten opzichte van elkaar. Hierbij zullen minstens 2 liganden cis staan. Als 3 liganden en het centraal metaalion in 1 vlak liggen, dan liggen zij mer (afgeleid van meridionaal) ten opzichte van elkaar. Onderstaande structuren geven een voorbeeld (de groene chloor-liganden dienen als toonbeeld):

Optische isomerie[bewerken]

Optische isomeren van complexe verbindingen komen voor bij chirale of disymmetrische moleculen. Ze ontstaan door het spiegelbeeld van een molecule te vormen en zijn dus niet superponeerbaar (de atomen kunnen op geen enkele manier samenvallen met elkaar). Dit heeft te maken met het feit dat ze optisch actief zijn: ze zorgen voor een rotatie van het vlak van gepolariseerd licht. De twee optische isomeren worden ook wel enantiomeren of enantiomorfen genoemd.

Het symbool lambda (Λ) duidt op een enantiomeer dat een linksdraaiende conformatie bezit (de zogenaamde laevo-vorm). Het symbool delta (Δ) duidt op een enantiomeer dat rechtsdraaiende conformatie bezit (de zogenaamde dextro-vorm). Hieronder staat voor het trisoxalatoferraat(III)ion een voorbeeld van elk:

Complexen in de biochemie[bewerken]

Voorbeelden van complexen in de biochemie zijn hemoglobine, dat een ijzer-atoom bevat en bladgroen (chlorofyl), dat magnesium bevat (beiden met een porfine-ring als ligand).

Andere voorbeelden van coördinatieverbindingen worden gevonden met name gevonden in de katalyse, maar ook in geneesmiddelen, kleurstoffen en enzymen.

Zie ook[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Enkele hoofdgroepmetalen zoals calcium en magnesium kunnen ook complexen vormen.