Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кобальтовый комплекс HCo (CO) 4 с пятью лигандами

В координационной химии , A - лиганд [а] представляет собой ион или молекула ( функциональная группа ) , которая связывается с центральным металлическим атомом , чтобы сформировать координационный комплекс . Связывание с металлом обычно включает формальную передачу одной или нескольких электронных пар лиганда, часто через основания Льюиса [1] . Природа связи металл-лиганд может варьироваться от ковалентной до ионной . Кроме того, порядок связи металл – лиганд может составлять от одного до трех. Лиганды рассматриваются как основания Льюиса, хотя известны редкие случаи с участием кислотных «лигандов» Льюиса . [2] [3]

Металлы и металлоиды связаны с лигандами почти во всех случаях, хотя газообразные «голые» ионы металлов могут генерироваться в высоком вакууме. Лиганды в комплексе определяют реакционную способность центрального атома, включая скорость замещения лигандов, реакционную способность самих лигандов и окислительно-восстановительный потенциал . Выбор лиганда является критически важным фактором во многих практических областях, включая биоорганическую и медицинскую химию , гомогенный катализ и химию окружающей среды .

Лиганды классифицируются разными способами, в том числе: плату, размер (объемной), идентичности координационного атома (ов), а число электронов пожертвованы металла ( дентатности или hapticity ). Размер лиганда обозначается углом конуса .

История [ править ]

Состав координационных комплексов известен с начала 1800-х годов, таких как берлинская лазурь и медный купорос . Ключевой прорыв произошел, когда Альфред Вернер согласовал формулы и изомеры. Он показал, среди прочего, что формулы многих соединений кобальта (III) и хрома (III) можно понять, если у металла есть шесть лигандов в октаэдрической геометрии. Первыми, кто использовал термин «лиганд», были Альфред Вернер и Карл Сомиески в отношении химии кремния. Теория позволяет понять разницу между координированным и ионным хлоридом в аммине кобальта.хлоридов и для объяснения многих ранее необъяснимых изомеров. Он разделил первый координационный комплекс, называемый гексолом, на оптические изомеры, опровергнув теорию о том, что хиральность обязательно связана с соединениями углерода. [4] [5]

Лиганды сильного поля и слабого поля [ править ]

В целом, лиганды рассматриваются в качестве доноров электронов и металлов , как акцепторы электронов, т.е., соответственно, основания Льюиса и кислоты Льюиса . Это описание подвергалось полуколичественной оценке многими способами, например, моделью ECW . Связь часто описывается с использованием формализмов теории молекулярных орбиталей. [6] [7]

Лиганды и ионы металлов можно упорядочить разными способами; одна система ранжирования фокусируется на «твердости» лиганда (см. также теорию жесткой / мягкой кислоты / основания ). Ионы металлов предпочтительно связывают определенные лиганды. В общем, ионы «твердых» металлов предпочитают лиганды слабого поля, тогда как ионы «мягких» металлов предпочитают лиганды сильного поля. Согласно теории молекулярных орбиталей, HOMO лиганда должен иметь энергию, которая перекрывается с LUMO (самой низкой незанятой молекулярной орбиталью) предпочтительно металла. Ионы металлов, связанные с лигандами сильного поля, подчиняются принципу Ауфбау , тогда как комплексы, связанные с лигандами слабого поля, подчиняются правилу Хунда .

Связывание металла с лигандами приводит к набору молекулярных орбиталей, где металл можно идентифицировать с новыми ВЗМО и НСМО (орбитали, определяющие свойства и реакционную способность полученного комплекса) и определенному упорядочению 5 d-орбиталей. (который может быть заполнен или частично заполнен электронами). В октаэдрической среде 5 вырожденных d-орбиталей разделяются на наборы из 2 и 3 орбиталей (более подробное объяснение см. В теории кристаллического поля ).

3 орбитали низкой энергии: d xy , d xz и d yz
2 высокой энергии: d z 2 и d x 2 - y 2

Разница в энергии между этими двумя наборами d-орбиталей называется параметром расщепления Δ o . Величина Δ o определяется напряженностью поля лиганда: лиганды сильного поля, по определению, увеличивают Δ o больше, чем лиганды слабого поля. Теперь лиганды можно сортировать по величине Δ o (см. Таблицу ниже ). Такое упорядочение лигандов практически не меняется для всех ионов металлов и называется спектрохимическим рядом .

Для комплексов с тетраэдрическим окружением d-орбитали снова разделяются на два набора, но на этот раз в обратном порядке.

2 орбитали низкой энергии: d z 2 и d x 2 - y 2
3 орбитали высокой энергии: d xy , d xz и d yz

Разница в энергии между этими двумя наборами d-орбиталей теперь называется Δ t . Величина Δ t меньше, чем для Δ o , потому что в тетраэдрическом комплексе только 4 лиганда влияют на d-орбитали, тогда как в октаэдрическом комплексе на d-орбитали влияют 6 лигандов. Когда координационное число не является ни октаэдрическим, ни тетраэдрическим, расщепление соответственно становится более сложным. Однако для целей ранжирования лигандов первостепенный интерес представляют свойства октаэдрических комплексов и результирующая величина Δ o .

Расположение d-орбиталей на центральном атоме (определяемое «силой» лиганда) оказывает сильное влияние практически на все свойства образующихся комплексов. Например, разница в энергии d-орбиталей сильно влияет на спектры оптического поглощения комплексов металлов. Оказывается, валентные электроны, занимающие орбитали со значительным 3 d-орбитальным характером, поглощают в области спектра 400–800 нм (УФ – видимый диапазон). Поглощение света (то, что мы воспринимаем как цвет ) этими электронами (то есть возбуждение электронов с одной орбитали на другую под влиянием света) можно соотнести с основным состояниемкомплекса металла, который отражает связывающие свойства лигандов. Относительное изменение (относительной) энергии d-орбиталей в зависимости от напряженности поля лигандов описывается диаграммами Танабе – Сугано .

В случаях, когда лиганд имеет низкоэнергетическую НСМО, такие орбитали также участвуют в связывании. Связь металл-лиганд может быть дополнительно стабилизирована путем формальной передачи электронной плотности лиганду в процессе, известном как обратная связь . В этом случае заполненная орбиталь на основе центрального атома передает плотность НСМО (координированного) лиганда. Окись углерода является выдающимся примером лиганда, который связывает металлы посредством обратного пожертвования. Кроме того, лиганды с низкоэнергетическими заполненными орбиталями пи-симметрии могут служить пи-донорами.

Металл - ЭДТ комплекса, в котором aminocarboxylate является hexadentate (хелатный) лиганд.
Комплекс кобальта (III), содержащий шесть аммиачных лигандов, которые являются монодентатными. Хлорид не является лигандом.

Классификация лигандов как L и X [ править ]

В частности, в области металлоорганической химии лиганды классифицируются как L и X (или их комбинации). Схема классификации - «Метод CBC» для классификации ковалентных связей - была популяризирована MLH Green и «основана на представлении о том, что существует три основных типа [лигандов] ... представленных символами L, X и Z, которые соответствуют 2-электронным, 1-электронным и 0-электронным нейтральным лигандам соответственно ». [8] [9]Другой тип лиганда, заслуживающий рассмотрения, - это лиганд LX, который, как ожидалось из используемого традиционного представления, будет отдавать три электрона, если требуется NVE (количество валентных электронов). Примером являются алкоксилиганды (которые также часто называют X-лигандами). Лиганды L происходят из предшественников с нейтральным зарядом и представлены аминами , фосфинами , CO , N 2 и алкенами . Х-лиганды обычно получают из анионных предшественников, таких как хлорид, но включают лиганды, в которых соли аниона в действительности не существуют, такие как гидрид и алкил. Таким образом, комплекс IrCl (CO) (PPh 3 ) 2 классифицируется как MXL 3комплекс, поскольку CO и два лиганда PPh 3 классифицируются как Ls. Окислительное присоединение Н 2 к IrCl (CO) (PPh 3 ) 2 дает 18й - ML 3 X 3 продукт, IrClH 2 (CO) (PPh 3 ) 2 . ЭДТА 4– классифицируется как лиганд L 2 X 4 , так как он имеет четыре аниона и два нейтральных донорных сайта. Cp классифицируется как лиганд L 2 X. [10]

Полидентатные и полигапто-лигандные мотивы и номенклатура [ править ]

Дентальность [ править ]

Дентальность (обозначается κ ) означает, сколько раз лиганд связывается с металлом через несмежные донорные участки. Многие лиганды способны связывать ионы металлов через несколько сайтов, обычно потому, что лиганды имеют неподеленные пары на более чем одном атоме. Лиганды, которые связываются более чем через один атом, часто называют хелатирующими . Лиганд, который связывается через два сайта, классифицируется как бидентатный , а три сайта как тридентатный . « Угол прикуса » относится к углу между двумя связями бидентатного хелата. Хелатирующие лиганды обычно образуются путем связывания донорных групп через органические линкеры. Классический бидентатный лиганд - этилендиамин., который образуется путем связывания двух аммиачных групп с этиленовым (-CH 2 CH 2 -) линкером. Классическим примером полидентатного лиганда является гексадентатный хелатирующий агент ЭДТА , который способен связываться через шесть участков, полностью окружая некоторые металлы. Количество раз, когда полидентатный лиганд связывается с металлическим центром, обозначается « κ n », где n указывает количество сайтов, с помощью которых лиганд прикрепляется к металлу. EDTA 4- , когда он гексидентатный, связывается как κ 6-лиганд, амины и атомы кислорода карбоксилата не являются смежными. На практике значение n лиганда явно не указывается, а скорее предполагается. Сродство связывания хелатной системы зависит от угла хелатирования или угла прикуса .

Комплексы полидентатных лигандов называют хелатными комплексами. Они имеют тенденцию быть более стабильными, чем комплексы, полученные из монодентатных лигандов. Эту повышенную стабильность, хелатный эффект , обычно приписывают эффектам энтропии , которая способствует замещению многих лигандов одним полидентатным лигандом. Когда хелатирующий лиганд образует большое кольцо, которое, по крайней мере, частично окружает центральный атом и связывается с ним, оставляя центральный атом в центре большого кольца. Чем жестче и чем выше его зубчатость, тем инертнее макроциклический комплекс. Гем - хороший пример: атом железа находится в центре порфирина.макроцикл, связанный с четырьмя атомами азота тетрапиррольного макроцикла. Очень стабильный диметилглиоксиматный комплекс никеля представляет собой синтетический макроцикл, полученный из аниона диметилглиоксима .

Тактильность [ править ]

Хаптичность (обозначенная η ) относится к количеству смежных атомов, которые составляют донорный сайт и прикрепляются к металлическому центру. Бутадиен образует комплексы η 2 и η 4 в зависимости от числа атомов углерода, связанных с металлом. [10]

Мотивы лигандов [ править ]

Транс-стыковочные лиганды [ править ]

Транс-охватывающие лиганды представляют собой бидентатные лиганды, которые могут перекрывать координационные позиции на противоположных сторонах координационного комплекса. [11]

Амбидентатный лиганд [ править ]

В отличие от полидентатных лигандов амбидентатные лиганды могут присоединяться к центральному атому в двух местах. Хорошим примером этого является тиоцианат , SCN - , который может присоединяться либо к атому серы, либо к атому азота. Такие соединения вызывают изомерию связи . Полифункциональные лиганды, особенно белки, могут связываться с металлическим центром через различные атомы лиганда с образованием различных изомеров.

Мостиковый лиганд [ править ]

Мостиковый лиганд связывает два или более металлических центра. Практически все неорганические твердые вещества с простыми формулами являются координационными полимерами , состоящими из центров ионов металлов, связанных мостиковыми лигандами. В эту группу материалов входят все безводные галогениды и псевдогалогениды бинарных ионов металлов. Мостиковые лиганды также сохраняются в растворе. Многоатомные лиганды, такие как карбонат, являются амбидентатными, и поэтому обнаружено, что они часто связываются с двумя или тремя металлами одновременно. Атомы, соединяющие металлы, иногда обозначаются префиксом " μ".". Большинство неорганических твердых веществ являются полимерами в силу наличия множества мостиковых лигандов. Мостиковые лиганды, способные координировать множество ионов металлов, вызывают значительный интерес из-за их потенциального использования в качестве строительных блоков для изготовления функциональных мультиметаллических сборок [12]. ]

Бинуклеарный лиганд [ править ]

Бинуклеарные лиганды связывают два иона металла. [13] Обычно бинуклеарные лиганды содержат мостиковые лиганды, такие как феноксид, пиразолат или пиразин, а также другие донорные группы, которые связываются только с одним из двух ионов металла.

Множественная связь металл – лиганд [ править ]

Некоторые лиганды могут связываться с металлическим центром через один и тот же атом, но с другим числом неподеленных пар . Порядок связи металлического лиганда можно частично различить через угол связи металлического лиганда (M-X-R). Этот угол связи часто называют линейным или изогнутым, с дальнейшим обсуждением степени изгиба угла. Например, имидный лиганд в ионной форме имеет три неподеленных пары. Одна неподеленная пара используется как донор сигма X, две другие неподеленные пары доступны как доноры pi L-типа. Если в пи-связях используются обе неподеленной пары, то геометрия M − N − R является линейной. Однако, если одна или обе эти неподеленные пары не связываются, тогда связь M-N-R изгибается, и степень изгиба говорит о том, сколько может быть пи-связей. η1- Оксид азота может координироваться с металлическим центром линейным или изогнутым образом.

Лиганд зрителя [ править ]

Лиганд-зритель - это полидентатный лиганд с тесной координацией, который не участвует в химических реакциях, но удаляет активные центры металла. Лиганды Spectator влияют на реакционную способность металлического центра, с которым они связаны.

Объемные лиганды [ править ]

Объемные лиганды используются для управления стерическими свойствами металлического центра. Они используются по многим причинам, как практическим, так и академическим. С практической точки зрения они влияют на селективность металлических катализаторов, например, при гидроформилировании . Представляет академический интерес объемные лиганды, стабилизирующие необычные координационные центры, например реактивные колиганды или низкие координационные числа. Часто объемные лиганды используются для имитации стерической защиты, обеспечиваемой белками металлсодержащим активным центрам. Конечно, чрезмерная стерическая масса может препятствовать координации определенных лигандов.

N -гетероциклических карбеновый лиганд , называемый ИМЕС обозначает объемистый лиганд , в силе пары мезитила группы.

Хиральные лиганды [ править ]

Хиральные лиганды полезны для индукции асимметрии в координационной сфере. Часто лиганд используется как оптически чистая группа. В некоторых случаях, таких как вторичные амины, асимметрия возникает при координации. Хиральные лиганды используются в гомогенном катализе , таком как асимметричное гидрирование .

Гемилабильные лиганды [ править ]

Гемилабильные лиганды содержат по крайней мере две электронно различающиеся координационные группы и образуют комплексы, в которых одна из них легко смещается от металлического центра, а другая остается прочно связанной, поведение, которое, как было обнаружено, увеличивает реакционную способность катализаторов по сравнению с использованием большего количества традиционные лиганды.

Невинный лиганд [ править ]

Небезопасные лиганды связываются с металлами таким образом, что распределение электронной плотности между металлическим центром и лигандом неясно. Описание связывания небезопасных лигандов часто включает запись множественных резонансных форм , которые вносят частичный вклад в общее состояние.

Общие лиганды [ править ]

Практически каждая молекула и каждый ион может служить лигандом для металлов (или «координировать»). Монодентатные лиганды включают практически все анионы и все простые основания Льюиса. Таким образом, галогениды и псевдогалогениды являются важными анионными лигандами, тогда как аммиак , монооксид углерода и вода являются особенно распространенными лигандами с нейтральным зарядом. Простые органические виды также очень распространены, будь они анионные ( RO - и РКО- 2) или нейтральный ( R 2 O , R 2 S , R 3− x NH x и R 3 P ). Стерические свойства некоторых лигандов оцениваются по их углам конуса .

Помимо классических оснований и анионов Льюиса, все ненасыщенные молекулы также являются лигандами, использующими свои пи-электроны для образования координационной связи. Кроме того, металлы могут связываться с σ-связями, например, в силанах , углеводородах и дигидрогене (см. Также: Агостическое взаимодействие ).

В комплексах небезопасных лигандов лиганд связан с металлами через обычные связи, но лиганд также является окислительно-восстановительным активом.

Примеры общих лигандов (по напряженности поля) [ править ]

В следующей таблице лиганды отсортированы по напряженности поля (сначала лиганды слабого поля):

Записи в таблице отсортированы по напряженности поля, связывающейся через указанный атом (т.е. как концевой лиганд). «Сила» лиганда изменяется, когда лиганд связывается в альтернативном режиме связывания (например, когда он связывает металлы) или когда конформация лиганда искажается (например, линейный лиганд, который вынужден через стерические взаимодействия связываться с нелинейная мода).

Другие обычно встречающиеся лиганды (в алфавитном порядке) [ править ]

В этой таблице в алфавитном порядке перечислены другие распространенные лиганды.

Обмен лигандами [ править ]

Лиганд обмен (также лиганд , замещение ) представляет собой тип химической реакции , в которых лиганд в соединении заменяется другим. Одним из способов замещения является лиганд-зависимый путь . В металлоорганической химии это может происходить посредством ассоциативного замещения или диссоциативного замещения . [14]

База данных связывания лиганд-белок [ править ]

BioLiP - это обширная база данных взаимодействий лиганд-белок с трехмерной структурой взаимодействий лиганд-белок, взятой из банка данных по белкам . MANORAA - это веб-сервер для анализа консервативного и дифференциального молекулярного взаимодействия лиганда в комплексе с гомологами белковой структуры из банка данных о белках . Он обеспечивает связь с белками-мишенями, такими как его расположение в биохимических путях, SNP и базовая экспрессия белка / РНК в органе-мишени. [15]

См. Также [ править ]

  • Мостиковый карбонил
  • Координационный комплекс
  • Теория кристаллического поля
  • ДНК-связывающий лиганд
  • Неорганическая химия
  • Иозифосские лиганды
  • Лиганд-зависимый путь
  • Теория поля лигандов
  • Изомерия лигандов
  • Спектрохимический ряд
  • Диаграмма Танабе – Сугано

Примечания [ править ]

  1. ^ Слово лиганд происходит от латинского ligare , связывать / связывать. Оно произносится как / л aɪ ɡ ə п д / или / л ɪ ɡ ə п д / ; оба очень распространены.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Burdge J., & Оверби, J. (2020). Химия - сначала атомы (4-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроуХилл. DOI: 9781260571349
  2. ^ Коттон, Фрэнк Альберт; Джеффри Уилкинсон; Карлос А. Мурильо (1999). Продвинутая неорганическая химия . Wiley-Interscience. п. 1355. ISBN 978-0471199571.
  3. ^ Мисслер, Гэри Л .; Пол Дж. Фишер; Дональд Артур Тарр (2013). Неорганическая химия . Прентис Холл. п. 696. ISBN. 978-0321811059.
  4. ^ Джексон, В. Грегори; Жозефина А. МакКеон; Сильвия Кортес (1 октября 2004 г.). "Неорганические аналоги рацемической и мезомерной винной кислоты Альфреда Вернера: новый этап вехи". Неорганическая химия . 43 (20): 6249–6254. DOI : 10.1021 / ic040042e . PMID 15446870 . 
  5. Перейти ↑ Bowman-James, Kristin (2005). "Возвращение к Альфреду Вернеру: координационная химия анионов". Счета химических исследований . 38 (8): 671–678. DOI : 10.1021 / ar040071t . PMID 16104690 . 
  6. ^ Ганс Людвиг Schläfer и Гюнтер Gliemann (1969). Основные принципы теории поля лигандов . Лондон: Wiley-Interscience. ISBN 0471761001.
  7. ^ Мисслер, Гэри; Фишер, Пол Дж .; Тарр, Дональд А. (2014). Неорганическая химия (5-е изд.). Пирсон. ISBN 978-0321811059.
  8. Green, MLH (20 сентября 1995 г.). «Новый подход к формальной классификации ковалентных соединений элементов». Журнал металлоорганической химии . 500 (1–2): 127–148. DOI : 10.1016 / 0022-328X (95) 00508-N . ISSN 0022-328X . 
  9. ^ "графики mlxz - Колумбийский университет" , Колумбийский университет, Нью-Йорк.
  10. ^ а б Хартвиг, JF Химия органических переходных металлов, от связывания до катализа; Научные книги университета: Нью-Йорк, 2010. ISBN 1-891389-53-X 
  11. ^ фон Зелевский, А. "Стереохимия координационных соединений" Джон Вили: Чичестер, 1995. ISBN 047195599X . 
  12. ^ Sauvage, J.-P .; Collin, J.P .; Chambron, J.-C .; Guillerez, S .; Coudret, C .; Бальзани, В .; Barigelletti, F .; De Cola, L .; Flamigni, L. Chem. ReV. 1994, 94, 993-1019
  13. ^ Гаврилова А.Л .; Боснич, Б., «Принципы создания одноядерных и бинуклеарных лигандов», Chem. Ред. 2004 г., том 104, 349–383. DOI : 10.1021 / cr020604g
  14. ^ Basolo, F .; Пирсон, Р.Г. (1967). Механизмы неорганических реакций . Нью-Йорк: Дж. Уайли и сыновья.
  15. ^ Tanramluk D, L Naripiyakul, Akavipat R, S Гонг, Charoensawan В (2016). «MANORAA (отображение аналогичных ядер на остаток и сродство) для идентификации взаимодействия белок-лиганд, путей и SNP» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (W1): W514-21. DOI : 10.1093 / NAR / gkw314 . PMC 4987895 . PMID 27131358 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • См. Моделирование связывания лиганд-рецептор-лиганд в Vu-Quoc, L., Configuration integration (статистическая механика) , 2008. этот сайт вики недоступен; см эту статью в веб - архиве на 2012 28 апреля .