Зв'язок, який утворюється між основою Льюїса та кислотою Льюїса, іноді називають давальним зв'язком або координатним зв'язком. Термін, який використовується для пожертвування бази Льюїса кислоті Льюїса, без будь-яких інших змін зв'язку, - це координація. Іншим терміном для кислотно-лужних комплексів Льюїса, особливо використовуваного в контексті хімії перехідних металів, є координаційні комплекси. Іноді основу Льюїса називають лігандом; більш загально ліганд - це лише одна молекула, яка зв'язується з іншою.
Зверніть увагу, що звичайні конвенції Льюїса зазвичай відмовляються в кресленні координаційних комплексів перехідних металів. З такою кількістю різних нуклеофілів, що прилипають до кислоти Льюїса, кількість формальних зарядів, які потрібно зробити, стає дуже громіздкою. Зазвичай позначається ступінь окислення катіона металу. Стан окислення, по суті, означає заряд на катіоні металу, і він пишеться римськими цифрами поруч з атомом металу. Крім того, дається загальний заряд на кислотно-лужному комплексі Льюїса, квадратними дужками, що вказують на те, що заряд належить всьому комплексу в дужках. Саме там, де знаходиться цей заряд, залежить від читача.
Координаційні комплекси часто корисні в гірничій промисловості та металургії. Наприклад, нікель можна витягти з нікелевої руди шляхом перетворення нікелю в Ni (CO) 4 за допомогою додавання чадного газу. Ni (CO) 4 , або тетракарбонільний нікель, - це газ, який можна легко відокремити від твердої руди. При видаленні з присутності чадного газу координаційний комплекс розкладається назад на Ni і CO.
Вправа\(\PageIndex{1}\)
Ці питання стосуються утворення тетракарбонільного нікелю.
а) Виходячи з того, що ви знаєте про перехідні метали, це нікель, швидше за все, кислота Льюїса або основа Льюїса?
б) Намалюйте структуру Льюїса для чадного газу, CO. Переконайтеся, що кожен атом має октет. Переконайтеся, що ви додали офіційні збори.
в) Виходячи з формальних міркувань заряду, який атом в окисі вуглецю зв'яжеться з нікелем?
г) Використовуючи стрілочні позначення, показати координацію СО до Ni. Робіть це по одному кроку за раз, показуючи, що кожна молекула СО зв'язується з нікелем і новим комплексом, який виникає після кожного кроку.
д) Чому нікель пов'язує чотири ліганди чадного газу, а не три або п'ять?
Відповідь на
кислота Льюїса
Відповідь б
Відповідь c
Вуглець буде нуклеофільним завдяки одинокій парі електронів і негативного заряду.
Відповідь d
Відповідь e
Ni 0 дорівнює d 10 , а з 4 CO лігандами тетракарбонільний комплекс нікелю має 18 електронів.
Інший приклад видно в рідкому видобутку металів з руд. Нерідко метал координується якимось лігандом, який змінює розчинність атома металу, щоб його можна було витягти з руди розчинником. Розчинником зазвичай є вода, але можуть бути використані інші рідини. Одним з найпростіших випадків для малювання на папері є вилуговування золота з золотих руд ціанідом.
Нерідко координація ліганда з металом змінює багато властивостей металу, крім зміни його розчинності. Перехідні метали мають різні ступені окислення, тобто вони можуть віддавати різну кількість електронів і ставати катіонами з різними зарядами. Іноді ця подія відбувається легше при узгодженні. У випадку з золотом атом золота може вступати в реакцію з повітрям і стати катіоном золота в присутності ціаніду.
Ціанід - це аніон, тому його додають у вигляді солі, такої як ціанід натрію, NaCN або ціанід калію, KCN. Отриманий комплекс, Au (CN) 2 , насправді є складним аніоном, і він буде пов'язаний з одним із доданих контріонів, таких як KAu (CN) 2 . Не зовсім зрозуміло, чому золото пов'язує два ціаніди, але зв'язування двох лігандів поширене в хімії золота і срібла, і засноване на молекулярних орбітальних міркуваннях, які виходять за межі рівня цього курсу.
Малюнок\(\PageIndex{4}\) : Золотий комплексний іон диціаніду, показаний тут з калієвим протидією.
Ця складна сіль водорозчинна, тому її можна видалити з руди водою. Пізніше він повинен бути перетворений назад в чисте золото за допомогою електрохімічних реакцій. Ці реакції не пов'язані з кислотно-лужною хімією і не будуть охоплені в цьому курсі.
Вправа\(\PageIndex{2}\)
Ці питання стосуються формування комплексу калію диціано золота.
а) Виходячи з того, що ви знаєте про перехідні метали, це золото, швидше за все, кислота Льюїса або основа Льюїса?
б) Намалюйте структуру Льюїса для ціаніду, CN - . Переконайтеся, що кожен атом має октет. Переконайтеся, що ви додали офіційні збори.
в) Виходячи з формальних міркувань заряду, який атом в ціаніді зв'яжеться з золотом?
г) Використовуючи стрілочні позначення, покажіть координацію ціаніду з Au + . (Спростимо і припустимо золото вже окислено). Робіть це по одному кроку, показуючи, що кожна молекула ціаніду зв'язується з іоном золота та новим комплексом, який виникає після кожного кроку.
Відповідь на
кислота Льюїса
Відповідь б
Відповідь c
Вуглець буде нуклеофільним завдяки одинокій парі електронів і негативного заряду.
Відповідь d
Мабуть, деякі з найцікавіших координаційних комплексів передбачають перехідні метали в біології. Найбільш звичним з цих сполук є гемоглобін. Гемоглобін - це складний білок, який містить найважливіший атом заліза. Залізо присутній у вигляді катіона 2+, але кільце гема, яке зв'язується з залізом, має 2- заряд, тому в цілому на комплексі немає заряду. Однак залізо все ще електрофільне, і воно може зв'язувати молекулу кисню. Набагато більше кисню може переноситися в кров таким чином, ніж якщо кисень просто розчиняється в крові.
Малюнок\(\PageIndex{5}\) : гемоглобін. Більша частина молекули не показана. Залізовмісна субодиниця гема прикріплюється до великого білка через кільце імідазолу в залишку амінокислоти гістидину.
Вправа\(\PageIndex{3}\)
Ці питання стосуються утворення оксигемоглобіну.
а) Виходячи з того, що ви знаєте про перехідні метали, це залізо, швидше за все, кислота Льюїса або основа Льюїса?
б) Намалюйте структуру Льюїса для молекули кисню, O 2 . Переконайтеся, що кожен атом має октет. Переконайтеся, що ви бачите, чи є якісь офіційні збори.
N.B. Ця структура Льюїса може не повністю погодитися з молекулярно-орбітальним виглядом молекули, але це все, з чим нам потрібно працювати для нашого сучасного методу розуміння координації.
в) Використовуючи стрілочні позначення, покажіть координацію кисню до Fe 2+ .
г) Було проведено багато досліджень точної геометрії диоксигенного комплексу. Виходячи з вашої структури кисню Льюїса, покажіть, як ви думаєте, кисень прикріплений до заліза. Як би ви описали геометрію?
Відповідь на
кислота Льюїса
Відповідь б
Відповідь c
Відповідь d
Прогнозується, що зв'язаний кисень матиме тригональну планарну електронну (молекулярну вигин) геометрію на основі структури Льюїса.
Є ще одна цікава подія, яка відбувається, коли кисень зв'язується з залізом в гемоглобіні. Після зв'язування O 2 залізо фактично передає кисню один електрон, стаючи катіоном Fe 3+ . Хоча дезоксигемоглобін, вид Fe 2+ або Fe (II), є фіолетовим, багато сполук Fe 3+ або Fe (III) червоного кольору. Таким чином, оксигемоглобін має червоний колір.
Цікаво також відзначити, що ми звикли бачити, як залізовмісні матеріали набувають свого роду червоно-коричневий колір, коли вони тривалий час піддавалися впливу кисню, особливо в присутності води і солей. Наші автомобілі, поїзди та мости врешті-решт іржавіють, коли залізо в їх сталі перетворюється на червонуватий оксид заліза. Вільям Толман, дослідник біонеорганічної хімії в Університеті Міннесоти, любить ставити таке питання: ми покладаємось на комплекси заліза для перенесення кисню через наш кровотік із солоною водою, так чому б нам не іржавіти?
Відповідь полягає в тому, що, в певному сенсі, ми це робимо. Було підраховано, що після декількох проходів через наш кровотік молекула гемоглобіну зустрічає свій кінець, коли кисень не від'єднується, а комплекс заліза розкладається до оксиду заліза. Це одна з причин, чому вам потрібно їсти дієту, яка містить залізо, щоб поповнити запаси заліза, щоб регулярно виробляти новий гемоглобін.
Щоб побачити деякі додаткові проблеми, які допоможуть вам познайомитися з координаційними сполуками, перейдіть до основної глави координаційного з'єднання . Зокрема, дійсно корисно вміти рахувати електрони в координаційній хімії. Підрахунок електронів подібний до вивчення структур Льюїса, за винятком того, що замість того, щоб перейти до максимального підрахунку восьми електронів, ми можемо перейти до максимум вісімнадцяти електронів. Це тому, що конфігурація благородного газу для перехідного металу мала б вісімнадцять електронів, а не вісім. Щоб дізнатися, як рахувати електрони в координаційних комплексах, перейдіть сюди .
