Кіріспе

Координациялық химияда лиганд — координациялық кешен құру үшін орталық металл атомына байланысатын функционалдық тобы бар ион немесе молекула. Металлмен байланысу әдетте Льюис негіздері арқылы лигандтың бір немесе бірнеше электрон жұптарының формальды түрде доноры болуын қамтиды. Металл-лиганд байланысының сипаты коваленттіден иондыққа дейін өзгеруі мүмкін. Сонымен қатар, металл-лиганд байланысының реті бірден үшке дейін болуы мүмкін. Лигандтар Льюис негіздері ретінде қарастырылады, бірақ сирек жағдайларда Льюис қышқыл "лигандтар" да кездеседі. Металдар мен металлоидтар көбінесе барлық жағдайларда лигандтармен байланысады, бірақ жоғары вакуумда газ тәрізді "қоршалмаған" металл иондарын жасауға болады. Кешендегі лигандтар орталық атомның реакциялық қабілетін анықтайды, оның ішінде лиганд алмасу жылдамдығын, лигандтардың өзінің реакциялық қабілетін және тотығу-тотықсыздану реакцияларын реттейді. Лигандты таңдау көптеген практикалық салаларда, соның ішінде биоинорганикалық және медициналық химияда, гомогенді катализде және экологиялық химияда маңызды қарастырылуды қажет етеді. Лигандтар заряд, мөлшері (көлемділігі), координациялық атом(дар) идентификациясы және металға донорлық электрондар саны (дентаттылық немесе гаптаттылық) сияқты түрлі критерийлер бойынша жіктеледі. Лигандтың мөлшері оның конус бұрышымен сипатталады.

Тарих

Координациялық кешендердің құрамы 1800 жылдардың басынан бері белгілі, мысалы, пруссык көгі және мыс витриолы. Басты табыс Альфред Вернер формулалар мен изомерлерді келтіргенде болды. Ол, басқа нәрселермен қатар, көптеген кобальт(III) және хром(III) қосылыстарының формулаларын металл октаэдрлік геометрияда алты лигандқа ие болса түсінуге болатынын көрсетті. "Лиганд" терминін алғаш рет Альфред Вернер мен Карл Сомиески кремний химиясымен байланысты қолданды. Теория кобальт аммиак хлоридтеріндегі координациялық және иондық хлоридтердің айырмашылығын түсінуге және бұрын түсіндірілмей келген көптеген изомерлерді түсіндіруге мүмкіндік береді. Ол алғашқы координациялық кешен – гексолды оптикалық изомерлерге ажыратты, хиралдылықтың міндетті түрде көміртектік қосылыстармен байланысты деген теорияны жоққа шығарды.

Лигандтарды L және X ретінде жіктеу

Лигандтар металға "берілген" электрондарының санына қарай жіктеледі. L лигандтары – Льюис негіздері. L лигандтары аминдер, фосфиндер, CO, N2 және алкендер арқылы көрсетіледі. L лигандтарының мысалдары дигидрогендер мен көмірсутектерді қамтиды, олар аугостикалық өзара әрекеттесу арқылы байланысады. X лигандтары – галидтер мен псевдогалидтер. X лигандтары көбінесе хлорид сияқты аниондық прекурсорлардан туындайды, бірақ анион тұздары іс жүзінде жоқ лигандтарды да қамтиды, мысалы гидрид және алкил. Әсіресе органометалл химиясы саласында лигандтар M. L. H. Green танымал еткен ковалентті байланыстарды жіктеудің "CBC әдісі" бойынша жіктеледі, бұл әдіс "L, X және Z символдарымен белгіленген лигандтардың үш негізгі түрі бар деген ұғымға негізделген, олар тиісінше 2 электронды, 1 электронды және 0 электронды бейтарап лигандтарға сәйкес келеді".

Дәндік

Көптеген лигандтар металл иондарын бірнеше орын арқылы байланыстыруға қабілетті, себебі лигандтардың бірнеше атомында бос электрон жұптары болады. Мұндай лигандтар полидентатты деп аталады. Бірнеше атом арқылы байланысатын лигандтар көбінесе хелаттаушылар деп аталады. Екі орын арқылы байланысатын лиганд бидентат, ал үш орын арқылы байланысатын лиганд тридентат болып жіктеледі. "Тістеу бұрышы" – бидентатты хелаттың екі байланысы арасындағы бұрышты көрсетеді. Хелаттаушы лигандтар көбінесе донорлық топтарды органикалық байланыстар арқылы қосып жасалады. Классикалық бидентатты лиганд – этилендиамин, ол екі аммиак тобының этилен (−CH2CH2−) байланысы арқылы түзіледі. Полидентатты лигандтың классикалық мысалы – алтыдентатты хелаттаушы агент EDTA, ол алты орын арқылы байланыса алады, кейбір металдарды толығымен қоршап алады. Полидентатты лигандтың металл орталығына байланысу саны "κn" арқылы белгіленеді, мұнда n лигандтың металлға байланысатын орындарының санын көрсетеді. EDTA4−, гексидентатты болғанда, κ6 лиганд ретінде байланысады, аминдер мен карбоксилат оттегі атомдары тікелей жалғаспайды. Іс жүзінде лигандтың n мәні нақты көрсетілмейді, керісінше, түсініледі. Хелаттау жүйесінің байланысу қабілеті хелаттау бұрышына немесе тістеу бұрышына байланысты. Дентицитет (κ арқылы белгіленеді) – металлға байланысқан лигандтың жалғаспайтын атомдарының санына сипаттама беретін номенклатура. Бұл сипаттама көбінесе алынып тасталады, өйткені лигандтың дентициті көбінесе анық болады. Tris(этилендиамин)кобальт(III) комплексі [Co(κ2 en)3]3+ ретінде сипатталуы мүмкін. Полидентатты лигандтардың кешендері хелат кешендері деп аталады. Олар монодентатты лигандтардан түзілген кешендерге қарағанда көбінесе тұрақтырақ болады. Бұл күшейтілген тұрақтылық, хелат эффектісі деп аталады, әдетте энтропияның әсеріне байланысты, ол көптеген лигандтардың бір полидентатты лигандпен ығысуына жағдай жасайды. Хелат эффектісімен макроциклді эффект байланысты. Макроциклді лиганд – орталық атомды жартылай қоршап, оған байланысып, орталық атомды үлкен сақинаның ортасында қалдыратын кез келген ірі лиганд. Макроциклді кешен неғұрлым қатаң және оның дентициті неғұрлым жоғары болса, соғұрлым инертті болады. Гем – мысал, онда темір атомы порфирин макроциклінің ортасында, тетрапиррол макроциклінің төрт азот атомына байланысқан. Никельдің өте тұрақты диметилглиоксимат комплексі – диметилглиоксимнен алынған синтетикалық макроцикл.

Таңдау қабілеті

Гаптикалық (грек әрпі η арқылы белгіленеді) – донорлық ортаны құрайтын және металл орталығына байланысқан, бірімен бірі тікелей жанасқан атомдардың санын көрсетеді. Егер бірнеше атом координацияланған болса, η белгілемесі қолданылады. Мысалы, η2 – екі тікелей жанасқан атом арқылы координацияланатын лиганд. Бутадиен металлмен байланысқан көміртек атомдарының санына қарай η2 және η4 кешендерін түзеді.

Транс-қашықтықты лигандтар

Транс-қашықтықты лигандтар – координациялық кешеннің қарама-қарсы жақтарындағы координациялық орындарды байланыстыра алатын екітісті лигандтар.

Амбидентатты лиганд

Полидентатты лигандтардан өзгеше, амбидентатты лигандтар орталық атомға екі (немесе одан да көп) орынның бірінен ғана, бірақ екеуінен бірдей емес, байланыса алады. Мысалы, тиоцианат SCN−, күкірт немесе азот атомы арқылы байланысады. Мұндай қосылыстар байланыс изомерлігіне алып келеді. Сондықтан полидентатты және амбидентатты лигандтар – металл орталығына әртүрлі лиганд атомдары арқылы байланысып, түрлі изомерлер құратын полифункционалды лигандтардың (бірнеше функционалдық тобы бар лигандтардың) екі түрлі тобы. Полидентатты лигандтар бір атом арқылы және басқа (немесе бірнеше басқа) атомдар арқылы бір уақытта байланыса алады, ал амбидентатты лигандтар бір атом арқылы немесе басқа атом арқылы байланысады. Белоктар – полифункционалды лигандтардың күрделі мысалдары, көбінесе полидентатты болады.

Көпірлік лиганд

Көпірлік лиганд екі немесе одан көп металл орталықтарын байланыстырады. Қарапайым формуласы бар дерлік барлық бейорганикалық қатты денелер – металл иондары орталықтары көпірлік лигандтар арқылы байланысқан координациялық полимерлер болып табылады. Бұл материалдар тобына барлық сусыз екілік металл иондарының галогенидтері мен псевдогалогенидтері кіреді. Көпірлік лигандтар ерітіндіде де кездеседі. Карбонат сияқты полиатомдық лигандтар амбидентатты болып табылады, сондықтан олар көбінесе екі немесе үш металға бір уақытта байланысады. Металдарды көпірлейтін атомдар кейде "μ" префиксімен көрсетіледі. Көптеген бейорганикалық қатты денелер бірнеше көпірлік лигандтардың болуының арқасында полимерлер болып табылады. Көптеген металл иондарын координациялай алатын көпірлік лигандтар функционалды мультиметалл құрастырмаларын жасау үшін құрылыс блоктары ретінде қолдану мүмкіндігіне байланысты үлкен қызығушылық тудырып отыр.

Екі ядролы лиганд

Бинуклеарлы лигандтар екі металл ионын байланыстырады. Көбінесе бинуклеарлы лигандтарда феноксид, пиразолат немесе пиразин сияқты көпіршелік лигандтар, сондай-ақ екі металл ионының біреуіне ғана байланысатын басқа донорлық топтар кездеседі.

Металл-лигандты көп байланыстар

Кейбір лигандтар металл орталығына бір атом арқылы байланыса алады, бірақ оқшау электрон жұптарының саны әртүрлі болуы мүмкін. Металл-лиганд байланысының реті металл-лиганд байланысы бұрышы (M−X−R) арқылы анықталады. Бұл бұрыш көбінесе сызықтық немесе иілген деп сипатталады, сондай-ақ иілгендік дәрежесі туралы да талқылау жүргізіледі. Мысалы, иондық түріндегі имидо лиганд үш оқшау электрон жұбына ие. Бір жұп сигма X доноры ретінде пайдаланылады, ал қалған екі жұп L типіндегі пи доноры болып табылады. Егер екі электрон жұбы да пи байланысында қолданылса, M−N−R геометриясы сызықтық болады. Дегенмен, егер осы электрон жұптарының бірі немесе екеуі байланысқа қатыспаса, M−N−R байланысы иіледі және иілудің шамасы пи байланысының күшін көрсетеді. η1 Азот оксиді металл орталығымен сызықтық немесе иілген күйде координациялануы мүмкін.

Көрермен лиганды

Көрермен лиганд – химиялық реакцияларға қатыспайтын, бірақ металлдың активті орындарын толып тастайтын, берік байланысатын полидентатты лиганд. Көрермен лигандтар оларға байланысқан металл орталығының реакциялық қабілетіне әсер етеді.

Үлкен лигандтар

Ірі лигандтар металл орталығының стерикалық қасиеттерін бақылау үшін қолданылады. Олар көптеген себептермен, практикалық және академиялық мақсаттарда пайдаланылады. Практикалық тұрғыдан алғанда, олар металл катализаторларының таңдаулылығына әсер етеді, мысалы, гидроформализацияда. Академиялық қызығушылық тудыратыны, ірі лигандтар ерекше координациялық орталарды тұрақтандырады, мысалы, реактивті колигандтарды немесе төмен координациялық сандарды. Көбінесе ірі лигандтар металл құрамындағы активті ортақтарға ақуыздардың қамтамасыз ететін стерикалық қорғанысын имитациялау үшін қолданылады. Әрине, артық стерикалық көлем кейбір лигандтардың координациялануына кедергі келтіруі мүмкін.

Хирал лигандтар

Хиральды лигандтар координациялық сферада асимметрияны тудыру үшін пайдалы. Көбінесе лиганд оптикалық таза топ ретінде қолданылады. Кейбір жағдайларда, мысалы екіншілік аминдерде, асимметрия координацияланған кезде пайда болады. Хиральды лигандтар гомогенді катализде, мысалы асимметриялық сутегіленуде қолданылады.

Гемилябиль лигандтары

Гемилабиль лигандтар кем дегенде екі электрондық жағынан әртүрлі координациялық топты қамтиды және олардың біреуі металл орталығынан оңай жұлысып, екіншісі берік байланыста қалады. Бұл қасиет дәстүрлі лигандтарға қарағанда катализаторлардың реакциялық қабілетін арттырады.

Бейкүнә емес лиганд

Күнәсіз емес лигандтар металдармен осылай байланысады, металл орталығы мен лиганд арасындағы электрон тығыздығының таралуы нақты болмайды. Күнәсіз емес лигандтардың байланысын сипаттау жиі жалпы жағдайға жартылай үлес қосатын бірнеше резонанстық түрлерді көрсетуді қажет етеді.

Жалпы лигандтар

Іс жүзінде кез келген молекула мен кез келген ион металдар үшін лиганд (немесе "координациялана") ретінде таңдануға болады. Монодентатты лигандтарға барлық аниондар мен барлық қарапайым Льюис негіздері жатады. Осылайша, галоидтар мен псевдогалоидтар маңызды аниондық лигандтар болып табылады, ал аммиак, көміртек моноксиді және су – ең көп кездесетін зарядталмаған лигандтар. Қарапайым органикалық қосылыстар да өте көп кездеседі, олар аниондық (RO− және RCO2−) немесе бейтарап (R2O, R2S, R3−xNHx және R3P) болуы мүмкін. Кейбір лигандтардың кеңістіктік қасиеттері олардың конус бұрыштары арқылы бағаланады. Классикалық Льюис негіздері мен аниондардан өзге, барлық қанықпаған молекулалар да лигандтар болып табылады, координациялық байланысты құру үшін өздерінің π электрондарын пайдаланады. Сонымен қатар, металдар σ байланыстары арқылы, мысалы, силандар, көмірсутектер және дигидрогенмен байланыса алады (қараңыз: Агостикалық өзара әрекеттесу). Бейкүнә емес лигандтардың кешендерінде лиганд металдарға дәстүрлі байланыстар арқылы байланысады, бірақ лиганд сонымен қатар тотығу-тотықсыздануға қабілетті болады.

Басқа жалпы кездесетін лигандтар (әліппелік)

Бұл кестеде басқа жалпы лигандтар әліппелік реттілікпен тізімделген. Лиганд Формуласы (байланыс атомы(лары) қалың шрифтпен) Заряд Ең көп кездесетін дентаттылық Ескертулер Ацетил ацетонат (акац) CH3−CO−CH2−CO−CH3 моноанионды бидентат Жалпы бидентат, екі оттегі арқылы байланысады, бірақ кейде тек орталық көміртек арқылы ғана байланысады, сондай-ақ ұқсас кетимин аналогтарын қараңыз. Алкендер R2C=CR2 бейтарап C−C қос байланысы бар қосылыстар Аминполикарбоксил қышқылы (АПҚ) BAPTA (1,2-бис(о-аминофенокси)этан N,N,N',N'-тетраацетат қышқылы) Бензол C6H6 бейтарап және басқа арендер 1,2-Бис(дифенилфосфино)этан (dppe) (C6H5)2P−C2H4−P(C6H5)2 бейтарап бидентат 1,1-Бис(дифенилфосфино)метан (dppm) (C6H5)2P−CH2−P(C6H5)2 бейтарап Екі металл атомына бірдей байланыса алады, димерлер құрайды. Корролдар тетрадентатты Корона эфирлері бейтарап негізінен сілтілік және сілтілік жер металл катиондары үшін 2,2,2-криптанд гексадентатты негізінен сілтілік және сілтілік жер металл катиондары үшін Криптаттар бейтарап Циклопентадиенил (Cp) моноанионды Молекулалық орбитальдарының сипатына байланысты тридентатты лиганд ретінде әрекет ете алады. Диэтилентриамин (диен) C4H13N3 бейтарап тридентатты TACN-мен байланысты, бірақ беттік комплекстеумен шектелмейді. Диметилглиоксимат (dmgH−) моноанионды 1,4,7,10-тетраазациклодекан 1,4,7,10-тетраацетат қышқылы (DOTA) Диэтилентриаминпентаацетат қышқылы (DTPA) (пентетик қышқылы) Этилендиаминтетраацетат қышқылы (EDTA) (edta4−) (−OOC−CH2)2N−C2H4−N(CH2COO−)2 тетраанионды гексадентатты Этилендиаминтриацетат −OOC−CH2NH−C2H4−N(CH2COO−)2 трианионды пентадентатты Этиленгликольбис(оксиэтиленнитрило)тетраацетат (egta4−) (−OOC−CH2)2N−C2H4−O−C2H4−O−C2H4−N(CH2−COO−)2 тетраанионды октадентатты Фура 2 Глицинат (глицинато) NH2CH2COO− моноанионды бидентатты Басқа α-аминоқышқылдарының аниондары да салыстырулы (бірақ хиральды) Гем дианионды тетрадентатты макроциклді лиганд Иминодиацетат қышқылы (IDA) тридентатты Сцинтиграфия үшін метастабильді радионуклид технеций-99m комплексі арқылы радиомаркерлер жасау үшін кеңінен қолданылады. Мысалы, холецинтиграфияда HIDA, BrIDA, PIPIDA және DISIDA қолданылады. Никотианамин кеңінен жоғары сапалы өсімдіктерде кездеседі. Нитрозил NO+ катионды иілген (1e−) және сызықтық (3e−) байланыс режимі Нитрилотриацетат қышқылы (NTA) Оксо O2− дианион монодентатты кейде көпірлік Пиразин N2C4H4 бейтарап дитопикалық кейде көпірлік Скорпионат лиганды тридентатты Сульфит O−SO22−S−O32− моноанионды монодентатты амбидентатты 2,2';6',2″-Терпиридин (терпи) NC5H4−C5H3N−C5H4N бейтарап тридентатты тек меридиандық байланыс Триазациклононан (tacn) (C2H4)3(NR)3 бейтарап тридентатты макроциклді лиганд, сондай-ақ N,N′,N″-триметилденген аналогын қараңыз. Трициклогексилфосфин P(C6H11)3 немесе PCy3 бейтарап монодентатты Триэтилентетрамин (триен) C6H18N4 бейтарап тетрадентатты Триметилфосфин P(CH3)3 бейтарап монодентатты Трис(о-толил)фосфин P(o-толил)3 бейтарап монодентатты Трис(2-аминоэтил)амин (трен) (NH2CH2CH2)3N бейтарап тетрадентатты Трис(2-дифенилфосфинэтил)амин (np3) бейтарап тетрадентатты Тропилий катионды Көмірқышқыл газы –CO2, басқалары бейтарап металл көмірқышқыл газы комплексін қараңыз Фосфор трифториді (трифторфосфор) –PF3 бейтарап.

Лиганд алмасуы

Лиганд алмасу (лиганд алмастыру деп те аталады) – қосылыстағы лигандтың екінші лигандпен алмастырылуымен жүзеге асатын химиялық реакция. Екі негізгі механизм белгілі: ассоциативтік алмастыру немесе диссоциативтік алмастыру арқылы. Ассоциативтік алмастыру органикалық химиядағы SN2 механизміне ұқсас. Әдетте, кішкентай лиганд толық емес кешенге қосылып, содан кейін басқа лиганд бөлінеді. Әдетте, алмастыру жылдамдығы кіретін лиганд L және толық емес кешенге қатысты бірінші реттік болады. Диссоциативтік алмастыру октаэдрлі кешендерге тән. Бұл жол органикалық химиядағы SN1 механизміне ұқсас. Кіретін лигандтың табиғаты жылдамдыққа әсер етпейді. Бұл лиганд-ақуыз өзара әрекеттесулерінің толық дерекқоры, лиганд-ақуыз өзара әрекеттесулерінің үш өлшемді құрылымы Protein Data Bank-тан алынған. MANORAA – Protein Data Bank дерекқорындағы ақуыз құрылымдарының гомологтарымен комплекстеген лигандтың сақталған және ерекшеленген молекулалық өзара әрекеттесуін талдауға арналған веб-сервер. Ол биохимиялық жолдардағы орналасуы, SNP-лар және мақсатты органдағы ақуыз/РНК-ның бастапқы экспрессиясы сияқты ақуызтық мақсаттармен байланысты ақпаратты ұсынады.