Coördinatieverbinding

Coördinatieverbindingen of (metaal)complexen zijn chemische verbindingen die bestaan uit een of meer overgangsmetalen^[1] en een 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 (negatief ion), dat gebruikt kan worden om een binding te vormen met een metaalion, hierbij treedt het ligand op als lewisbase; het is een elektron(en)donor, het metaal(ion) is een lewiszuur; het is een elektron(en) acceptor . Een coördinatieverbinding is neutraal (coördinatieverbinding) of geladen (complex ion). In het laatste geval heeft het een positief of negatief tegenion bij zich, het complex ion kan dan uitgekristalliseerd worden. Een opvallende eigenschap van coördinatieverbindingen is dat ze meestal een karakteristieke kleur aannemen, alsook bijzondere magnetische en spectroscopische eigenschappen vertonen, waardoor ze vaak worden toegepast in de kwalitatieve analyse.

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.

Coördinatieverbinding volgen de zogenaamde additieve nomenclatuur van IUPAC, die gebaseerd is op volgende regels:

• Bij een complex ion worden de namen van de liganden eerst genoemd, voor de naam van het centraal atoom. Zo staan ze in de tabel hier onder.
• Anionische liganden op -ide, -aat en -iet krijgen de uitgang -ido, -ato en -ito. Bijvoorbeeld fluoride wordt dus fluorido.
• Neutrale liganden krijgen hun gewone moleculaire naam, maar er zijn uitzonderingen: 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 al een Griekse prefix dragen, bijvoorbeeld ethyleendiammine, wordt een alternatieve prefix gebruikt: bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, ...
• De oxidatietoestand van het centraal atoom wordt met een Romeins cijfer aangeduid.
• Als er meer dan 1 soort ligand voorkomt, worden deze alfabetisch gerangschikt. Bij deze alfabetische rangschikking worden de prefixen genegeerd.
• Wanneer het complex ion een negatieve lading draagt, wordt aan de stam van het centraal atoom de uitgang -aat toegevoegd. De stam is gebaseerd op de Latijnse naam van het element.

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

• Liganden met 1 donoratoom: deze liganden kunnen maar 1 elektronenpaar aan het metaalion doneren en worden daarom monodentate liganden genoemd. Voorbeelden in deze context zijn ammoniak, water en koolstofmonoxide.
• Liganden met meer dan 1 donoratoom. Deze worden polydentate liganden of chelaten genoemd.
  • 2 donoratomen (bidentaat ligand), zoals ethyleendiamine, oxalaat, aminoacetaat en acetylaceton
  • 3 donoratomen (tridentaat ligand), zoals di-ethyleentriamine
  • 4 donoratomen (tetradentaat ligand):
    • Open-keten-ligand: 1,3,7,9-tetra-aza-undecaan
    • Gesloten-keten-ligand (macrocyclisch ligand): 1,4,8,11-tetraminecyclotetradecaan (Cyclam)
  • Meer dan 4 donoratomen: zoals EDTA (hexadentaat)

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, dat worden aqua-complexen genoemd, 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 volledig watermolecuul 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 meest zuur zullen reageren.
• Als het kation een lewiszuur is dat over vacante atoomorbitalen beschikt, zoals de 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 verhoogd.

De moleculaire geometrie van een complex hangt van het aantal liganden en de lading af, waarbij de liganden en vrije elektronen meestal zo ver mogelijk van elkaar zitten. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de verschillende geometrische structuren van een complexverbinding.

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⁺.

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

• Structuurisomeren
• Stereo-isomeren

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

Andere voorbeelden van coördinatieverbindingen zijn met name te vinden in de katalyse, maar ook in geneesmiddelen, kleurstoffen en enzymen.

Zie de categorie Complex ions van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.