3)Cl2, Сr(NН3)6Сl3, [NiEn3]Cl2 и др. (Символ Еn обозначает молекулу этилендиамина H2N — CH2 — СН2 — NH2.) Прочно связанные молекулы аммиака или этилендиамина в этих соединениях размещены в непосредственной близости от центрального иона металла — их называют лигандами (что значит "связанные").
Лиганды могут нести электрический заряд, т. е. быть ионами. В таких случаях заряд всего комплексного иона получается алгебраическим суммированием заряда всех лигандов и заряда центрального иона. Примером может служить комплексное соединение иона железа (II) с цианид-ионами CN-. Комплекс [Fe(CN)6]4- имеет отрицательный заряд, так как центральный ион заряжен двумя положительными, а шесть ионов-лигандов несут шесть отрицательных зарядов. Комплексный ион может удерживать четыре однозарядных катиона, например четыре иона калия. Выделенная из раствора комплексная соль имеет состав K4[Fe(CN)6].
Число лигандов, располагающихся в непосредственной близости от центрального иона, называют координационным числом иона (сокращенно его обозначают КЧ). Часто встречаются координационные числа 2, 4, 6; числа 3, 5, 7 встречаются крайне редко. Известны и очень большие координационные числа — 8, 12, 18. В таблице 3 приведены некоторые примеры типичных координационных соединений[1] с различными КЧ.
Величина координационного числа определяется относительными размерами иона и лигандов и величиной электрического заряда центрального иона. Большой заряд и малые размеры иона благоприятствуют высоким координационным числам.
Таблица 3. Координационные числа некоторых комплексных соединений (комплексных ионов) и их геометрическая форма
[Ag(NH3)2]+ | 2 | Линейная
[HgI3]- | 3 | Треугольник
[Cu(NH3)4]2+, [PtCl4]2- | 4 | Квадрат
[MnCl5]3- | 5 | Пирамида
[PtCl6]2-, [Ca(H2O)6]2+, [Fe(CN)6]4- | 6 | Октаэдр
[Zr(C2O4)4]4- | 8 | Куб
Иногда в молекуле органического соединения находятся две или более групп, способных присоединяться к иону металла. В таких случаях одна молекула-лиганд занимает вблизи от иона (в так называемой координационной сфере иона) не одно, а два или более мест.
Примером может служить уже упоминавшееся соединение иона меди с молекулами этилендиамина. Этилендиамин H2N-СН2-СН2-NH2 имеет в составе две группы — NH2, активно присоединяющиеся к иону меди, и каждая молекула занимает два места в координационной сфере:
Cоединение иона меди с молекулами этилендиамина
Как видно из формулы, комплексообразование в этом случае приводит к возникновению циклов: ион меди, соединяясь с атомами азота, замыкает два цикла (пунктир обозначает связи между ионом и атомами азота лиганда). Такие комплексы называют хелатными ("клешнеобразными").
В таблице 3 указано соединение иона циркония с анионами щавелевой кислоты. Здесь лигандом является отрицательно заряженный ион С2O4-. Формула щавелевой кислоты:
Формула щавелевой кислоты
Формула аниона:
Формула аниона щавелевой кислоты
Каждый анион занимает два координационных места; всего четыре таких частицы-лиганда занимают восемь мест, поэтому координационное число циркония равно 8.
По мере расширения круга исследований неорганических и органических веществ число комплексных соединений металлов с различными лигандами все увеличивалось. Постепенно выяснилось, что перед химиками открывается совершенно новая область науки, имеющая первостепенное значение для решения целого ряда теоретических и практических вопросов. Ученым пришлось заново пересмотреть теорию химической связи и понятие валентности. Большой вклад в учение о комплексных соединениях внесли русский ученый Л. А. Чугаев и его ученики, синтезировавшие множество новых веществ и изучившие их свойства. Позже успешная работа над координационными соединениями была продолжена в исследованиях школы акад. И. И. Черняева, А. А. Гринберга, физико-химиков Л. Полинга, Р. Пирсона, К. Бальхаузена и др.
Достижения химии комплексных соединений оказали сильное влияние на развитие биохимии. Если ранее можно было только констатировать, что металлы — железо, медь, кобальт, цинк и др. — необходимы для жизни организмов, то теперь удалось раскрыть механизм их работы и понять, что ион металла всегда действует в форме комплекса.
Для биохимии особенно важны комплексные соединения железа и магния, в которых четыре координационных места занимает одна частица, называемая порфином:
Комплексные соединения железа и магния
Практически в организмах встречаются комплексы, в которых некоторые атомы водорода в порфине замещены на различные органические группы -СН3, -СН2-СН2-СООН и др., но основной каркас этой сложной молекулы сохраняется в целом ряде важнейших веществ: в гемоглобине, хлорофилле и в различных ферментах, ускоряющих процессы обмена веществ.
Молекулы комплексных (координационных) соединении отличаются вполне определенной геометрической структурой. Так, два одинаковых лиганда часто располагаются около иона металла таким образом, что центры иона и частиц-лигандов оказываются на одной прямой. Три лиганда размещаются по углам треугольника, четыре — по углам квадрата или четырехгранника (тетраэдра) шесть — по углам восьмигранника (октаэдра) (рис. 1), восемь — по углам куба. Если лиганды неодинаковы, то геометрические формы могут быть и не совсем правильными (искаженными), но тем не менее лиганды остаются фиксированными в определенных точках пространства вокруг центрального иона. В последнем столбце таблицы 3 указаны характерные геометрические формы некоторых координационных соединений, образующих в растворах ионы с различными КЧ.
Рис. 1. Расположение лигандов (L) вокруг центрального иона в комплексных соединениях: а — квадрат; б — тетраэдр; в — октаэдр. Центральный ион отмечен буквой М
Геометрическая форма того или иного комплексного иона сохраняется и в том случае, когда вещество выделяют из раствора в виде кристаллов. Следовательно если, например из раствора соли K2PtCl6, содержащего ноны К+ и [PtCl6]2-, выделить кристаллы этой соли то и в кристаллах сохранятся октаэдры (восьмигранники) PtCl62-, т. е. анионы наряду с катионами — ионами калия К+.
Устойчивость геометрической формы комплексного нона ведет к двум важным следствиям.
Во-первых, оказывается, что одно и то же координационное соединение, содержащее лиганды нескольких видов, может существовать в нескольких формах, различающихся способом размещения лигандов и соответственно физическими и химическими свойствами. Так, соединение Pt(NH3)2(NO2)2Cl2, имеющее лиганды трех сортов, может существовать в пяти различных формах (положение иона платины указано точкой в центре квадрата):
Соединение Pt(NH3)2(NO2)2Cl2, имеющее лиганды трех сортов, может существовать в пяти различных формах (положение иона платины указано точкой в центре квадрата):
Все пять форм были получены советскими учеными И. И. Черняевым и Г. С. Муравейской. Это явление аналогично явлению изомерии, характерному для органических соединений. Очевидно, все вышенаписанные формулы представляют строение изомеров одного и того же координационного соединения Pt(NH3)2(NO2)2Cl2.
Во-вторых, геометрическая форма комплекса влияет на способность центрального иона металла вступать в те или иные взаимодействия с дгими молекулами. Если ион металла имеет координационное число 6 и находится в центре октаэдра, то он, конечно, довольно хорошо изолирован от внешней среды, и молекулам, с которыми о бы вступить в соединение, трудно до него добраться. Но если тот же ион располагается в центре плоского квадрата и имеет КЧ, равное 4, то он открыт с двух сторон. Даже в том случае, когда с одной стороны ион уже присоединил какую-либо частицу (например, частицу белка), все равно с другой стороны к нему открыт доступ.
Именно так обстоит дело с гемоглобином. Комплекс железа с протопорфирином (замещенным порфином) имеет плоское строение, КЧ равно 4. Кроме того, с одной стороны к иону железа присоединена молекула белка (глобин), но шестое место в координационной сфере свободно. Это место и занимает молекула кислорода, переносимого гемоглобином в процессе дыхания. Если бы комплекс железа имел КЧ, равное 6, и ион железа был бы изолирован от среды, гемоглобин не мог бы переносить кислород, необходимый для дыхания клеток.
Как видно, даже геометрические особенности координационных соединений имеют жизненно важное значение. Одной из самых характерных особенностей химии координационных соединений является глубокое различие между свойствами простого иона и иона, окруженного лигандами. Иначе говоря, свойства комплексного иона существенно зависят от химической природы как центрального иона, так и лигандов (табл. 4).
Таблица 4. Сравнение свойств комплексов и гидратированных ионов тех же металлов
Медь | Аммиак, амины | Реагируют с целлюлозой, темно-синяя окраска; бурно разлагают пероксид водорода | Не реагируют с целлюлозой, слабоголубая окраска; медленно разлагают пероксид водорода
Железо | Порфин (его производные) | Переносят кислород. Энергично разлагают пероксид водорода, ускоряют окисление различных веществ | Не способен переносить кислород. Окислительные свойства выражены относительно слабо