Coördinatieverbinding

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 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.

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:

• Liganden met 1 donoratoom: deze liganden kunnen slechts 1 elektronenpaar doneren aan het metaalion 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 bijvoorbeeld 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
  • Meer dan 4 donoratomen: zoals bijvoorbeeld 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 (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 lewiszuur 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.

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.

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 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.

• Carbonylcomplex
• Coördinatiechemie
• Chelatie
• Cyclopentadienylcomplex
• Kristalveldtheorie
• Ligandveldtheorie
• Spectrochemische reeks

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