انواع لیگاندها در شیمی معدنی 2: نام، فرمول، ساختار و تعداد دندانه
در شیمی معدنی 2 و به ویژه مبحث شیمی کئوردیناسیون، لیگاندها نقش بسیار مهمی در تشکیل کمپلکسهای فلزی دارند. لیگاندها گونههایی هستند که دارای یک یا چند جفت الکترون آزاد بوده و میتوانند با ایجاد پیوند کوئوردینانسی به یونهای فلزی متصل شوند.
مقدمهای بر لیگاندها در شیمی معدنی
لیگاندها (Ligands) از مهمترین مفاهیم در شیمی معدنی و شیمی کئوردیناسیون هستند. لیگاند به گونهای شیمیایی (اتم، یون یا مولکول) گفته میشود که دارای حداقل یک جفت الکترون ناپیوندی بوده و میتواند با ایجاد پیوند کئوردینانسی (Coordinate Bond) به یک یون یا اتم فلزی مرکزی متصل شود.
واژه Ligand از کلمه لاتین ligare به معنی «بستن یا متصل کردن» گرفته شده است. این نام به دلیل توانایی لیگاندها در اتصال به مرکز فلزی و تشکیل ترکیبات کئوردیناسیونی انتخاب شده است. در کمپلکسهای فلزی، لیگاندها به عنوان بازهای لوئیس (Lewis Bases) عمل میکنند؛ یعنی با اهدا کردن جفت الکترون ناپیوندی خود به یون فلزی مرکزی، پیوند کئوردینانسی تشکیل میدهند. در مقابل، یون فلزی مرکزی به عنوان اسید لوئیس (Lewis Acid) پذیرنده جفت الکترون عمل میکند.
ماهیت پیوند فلز–لیگاند میتواند ترکیبی از ویژگیهای کووالانسی و یونی داشته باشد و نوع لیگاند تأثیر زیادی بر خواص کمپلکس حاصل دارد.
نقش لیگاندها در ترکیبات کئوردیناسیونی
لیگاندها تنها نقش اتصال به فلز مرکزی را ندارند، بلکه میتوانند خواص شیمیایی کمپلکسهای فلزی را نیز کنترل کنند.
نوع و ساختار لیگاند بر موارد زیر تأثیرگذار است:
- واکنشپذیری مرکز فلزی
- سرعت واکنشهای جانشینی لیگاندها
- پایداری کمپلکسهای فلزی
- خواص اکسایش–کاهش (Redox Properties)
دستهبندی لیگاندها بر اساس تعداد دندانه (Denticity)
یکی از مهمترین روشهای دستهبندی لیگاندها، تقسیمبندی آنها بر اساس تعداد دندانه (Denticity) است. تعداد دندانه نشاندهنده تعداد اتمهای دهنده الکترون در یک لیگاند است که میتوانند به صورت همزمان به مرکز فلزی متصل شوند.
لیگاندها بر اساس تعداد اتمهای دهنده در شیمی معدنی به گروههای زیر تقسیم میشوند:
۱. لیگاندهای تکدندانه (Monodentate Ligands)
لیگاندهای تکدندانه تنها از طریق یک اتم دهنده به یون فلزی متصل میشوند. این لیگاندها یک جفت الکترون برای ایجاد پیوند کئوردینانسی در اختیار فلز قرار میدهند.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | تعداد دندانه |
|---|---|---|---|
| هیدریدو (Hydrido) | H⁻ | M–H | ۱ |
| فلوئورو (Fluoro) | F⁻ | M–F | ۱ |
| کلرو (Chloro) | Cl⁻ | M–Cl | ۱ |
| برومو (Bromo) | Br⁻ | M–Br | ۱ |
| یدو (Iodo) | I⁻ | M–I | ۱ |
| هیدروکسید (Hydroxo) | OH⁻ | M–OH | ۱ |
| آکسو (Oxo) | O²⁻ | M=O | ۱ |
| آمیدو (Amido) | NH₂⁻ | M–NH₂ | ۱ |
| آمینو (Amino) | NH₃ | M–NH₃ | ۱ |
| آکوا (Aqua) | H₂O | M–OH₂ | ۱ |
| سیانو (Cyanido) | CN⁻ | M–C≡N | ۱ |
| کربونیل (Carbonyl) | CO | M–C≡O | ۱ |
| تیوکربونیل (Thiocarbonyl) | CS | M–C≡S | ۱ |
| متیلآمین (Methylamine) | CH₃NH₂ | M–NHCH₃ | ۱ |
| پیریدین (Pyridine) | C₅H₅N | M–N(py) | ۱ |
| تریآلکیلآمین (Trialkylamine) | NR₃ | M–NR₃ | ۱ |
| تریآلکیلفسفین (Trialkylphosphine) | PR₃ | M–PR₃ | ۱ |
| تریفنیلفسفین (Triphenylphosphine) | PPh₃ | M–PPh₃ | ۱ |
| نیتروسیل (Nitrosyl) | NO | M–N≡O | ۱ |
| متوکسو (Methoxo) | CH₃O⁻ | M–OCH₃ | ۱ |
| اتوکسو (Ethoxo) | C₂H₅O⁻ | M–OC₂H₅ | ۱ |
| مرکاپتو (Mercapto) | HS⁻ | M–SH | ۱ |
۲. لیگاندهای دودندانه (Bidentate Ligands)
لیگاندهای دودندانه دارای دو اتم دهنده هستند و میتوانند همزمان دو پیوند با یون فلزی ایجاد کنند. اتصال چندگانه این لیگاندها معمولاً باعث تشکیل حلقههای کلاته شده و پایداری کمپلکس را افزایش میدهد. این افزایش پایداری با عنوان اثر کلاته (Chelate Effect) شناخته میشود.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | تعداد دندانه |
|---|---|---|---|
| اتیلندیآمین (en) | C₂H₈N₂ | H₂N–CH₂–CH₂–NH₂ | ۲ |
| اگزالاتو (Oxalato) | C₂O₄²⁻ | M–OOC–COO–M | ۲ |
| بیپیریدین (bipy) | C₁₀H₈N₂ | N–C₅H₄–C₅H₄–N | ۲ |
| ۱،۱۰-فنانترولین (phen) | C₁₂H₈N₂ | دو اتم N آروماتیک | ۲ |
| استیلاستوناتو (acac) | C₅H₇O₂⁻ | M–O–acac–O | ۲ |
۳. لیگاندهای چنددندانه (Polydentate یا Multidentate Ligands)
لیگاندهای چنددندانه (Polydentate Ligands) به لیگاندهایی گفته میشود که دارای چندین اتم دهنده هستند و میتوانند به صورت همزمان چند جفت الکترون به یون فلزی مرکزی اهدا کنند. این لیگاندها دارای چندین جایگاه اتصال (Binding Sites) هستند و با ایجاد چند پیوند کئوردینانسی با فلز، معمولاً کمپلکسهای پایدارتر ایجاد میکنند.
بر اساس تعداد اتمهای دهنده، لیگاندهای چنددندانه به گروههای زیر تقسیم میشوند:
| تعداد اتمهای دهنده | نام لیگاند بر اساس دندانه | مثال |
|---|---|---|
| ۳ | سهدندانه (Tridentate) | دیاتیلنتریآمین (dien) |
| ۴ | چهاردندانه (Tetradentate) | تریاتیلنتتراآمین (trien) |
| ۵ | پنجدندانه (Pentadentate) | برخی لیگاندهای ماکروسیکلی |
| ۶ | ششدندانه (Hexadentate) | EDTA⁴⁻ |
لیگاندهای چنددندانه به دلیل ایجاد چندین اتصال همزمان با مرکز فلزی، معمولاً اثر کلاته (Chelate Effect) ایجاد کرده و موجب افزایش پایداری کمپلکسهای کئوردیناسیونی میشوند.
۴. لیگاندهای سهدندانه (Tridentate Ligands)
لیگاندهای سهدندانه دارای سه اتم دهنده هستند که میتوانند به صورت همزمان به مرکز فلزی متصل شوند. این لیگاندها معمولاً کمپلکسهای پایدارتر از لیگاندهای تکدندانه ایجاد میکنند. یکی از نمونههای مهم این گروه، دیاتیلنتریآمین (dien) است که دارای سه اتم نیتروژن دهنده میباشد.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | تعداد دندانه |
|---|---|---|---|
| دیاتیلنتریآمین (dien) | C₄H₁₃N₃ | NH₂CH₂CH₂NHCH₂CH₂NH₂ | ۳ |
۵. لیگاندهای چهاردندانه (Tetradentate Ligands)
لیگاندهای چهاردندانه دارای چهار اتم دهنده هستند و میتوانند چهار پیوند کئوردینانسی با یون فلزی مرکزی ایجاد کنند.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | تعداد دندانه |
|---|---|---|---|
| تریاتیلنتتراآمین (trien) | C₆H₁₈N₄ | NH₂CH₂CH₂NHCH₂CH₂NHCH₂CH₂NH₂ | ۴ |
۶. لیگاندهای ششدندانه (Hexadentate Ligands)
لیگاندهای ششدندانه دارای شش اتم دهنده هستند و میتوانند یون فلزی را به طور گسترده احاطه کنند. مهمترین و شناختهشدهترین لیگاند ششدندانه در شیمی معدنی، EDTA است. این لیگاند از طریق دو اتم نیتروژن و چهار اتم اکسیژن به یون فلزی متصل میشود.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | تعداد دندانه |
|---|---|---|---|
| EDTA | EDTA⁴⁻ | N₂O₄ donor | ۶ |
اثر کیلیت (Chelate Effect)
لیگاندهای چنددندانه مانند اتیلندیآمین (en)، دیاتیلنتریآمین (dien) و EDTA به دلیل داشتن چند اتم دهنده، میتوانند همزمان چند پیوند با یون فلزی ایجاد کنند. این اتصال چندگانه باعث تشکیل حلقههایی به نام حلقههای کلاته (Chelate Rings) میشود و پایداری کمپلکس را افزایش میدهد.
نمونهها:
- اتیلندیآمین (en): از طریق دو اتم نیتروژن به فلز متصل میشود.
- دیاتیلنتریآمین (dien): دارای سه اتم نیتروژن دهنده است.
- EDTA: از طریق شش اتم دهنده، یون فلزی را احاطه میکند.
۷. لیگاندهای π (Pi Ligands)
در برخی لیگاندها، اتصال به فلز تنها از طریق یک اتم مشخص انجام نمیشود، بلکه سیستم الکترونی π لیگاند در ایجاد پیوند با فلز مشارکت میکند. در این نوع لیگاندها، تعداد اتمهای مشارکتکننده با نماد η (Hapticity) مشخص میشود.
به عنوان مثال:
- η² یعنی دو اتم در سیستم π در اتصال به فلز شرکت دارند.
- η⁵ یعنی پنج اتم در سیستم π مشارکت دارند.
- η⁷ یعنی هفت اتم در سیستم π درگیر هستند.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | نوع اتصال |
|---|---|---|---|
| اتیلن (Ethylene) | C₂H₄ | M–η²-C₂H₄ | η² |
| سیکلوپنتادیانیل (Cp) | C₅H₅⁻ | M–η⁵-C₅H₅ | η⁵ |
| یون تروپیلیوم (Tropylium ion) | C₇H₇⁺ | M–η⁷-C₇H₇ | η⁷ |
| سیکلواوکتا تتراان (COT) | C₈H₈²⁻ | M–η⁸-C₈H₈ | η⁸ |
۸. لیگاندهای آمبیدندانه یا آمبیدنتات (Ambidentate Ligands)
برخی لیگاندها دارای بیش از یک اتم دهنده بالقوه هستند، اما در هر لحظه فقط از طریق یکی از این اتمها به یون فلزی متصل میشوند. این نوع لیگاندها را آمبیدندانه (Ambidentate) مینامند. ویژگی مهم این لیگاندها ایجاد ایزومری پیوندی (Linkage Isomerism) در ترکیبات کئوردیناسیونی است. در این حالت، فرمول شیمیایی لیگاند ثابت باقی میماند، اما اتمی که به فلز متصل میشود تغییر میکند.
برای مثال، یون تیوسیانات میتواند از طریق گوگرد یا نیتروژن به فلز متصل شود.
| نام لیگاند | فرمول شیمیایی | ساختار اتصال به فلز | نوع اتصال |
|---|---|---|---|
| سیاناتو (Cyanato) | OCN⁻ | M–O–C≡N | اتصال از O |
| ایزوسیاناتو (Isocyanato) | NCO⁻ | M–N=C=O | اتصال از N |
| تیوسیاناتو (Thiocyanato) | SCN⁻ | M–S–C≡N | اتصال از S |
| ایزوتیوسیاناتو (Isothiocyanato) | NCS⁻ | M–N=C=S | اتصال از N |
| نیترو (Nitro) | NO₂⁻ | M–NO₂ | اتصال از N |
| نیتریتو (Nitrito) | ONO⁻ | M–O–N=O | اتصال از O |
۹. سایر انواع لیگاندها
علاوه بر تقسیمبندی لیگاندها بر اساس تعداد دندانه، میتوان آنها را بر اساس نوع اتصال و ساختار نیز دستهبندی کرد.
لیگاندهای پلساز (Bridging Ligands)
برخی لیگاندها میتوانند به طور همزمان به دو یا چند مرکز فلزی متصل شوند. این لیگاندها باعث ایجاد کمپلکسهای چندفلزی میشوند. نمونههایی از لیگاندهای پلساز کلرو، هیدروکسید، سیانو، کربونیل می باشند. در این ساختار، لیگاند بین دو اتم فلزی قرار گرفته و نقش پل را ایفا میکند.
M−L−MM-L-M
لیگاندهای آلی (Organic Ligands)
لیگاندهای آلی دارای اسکلت کربنی هستند و در شیمی کئوردیناسیون کاربرد گستردهای دارند.
نمونهها:
| نام لیگاند | فرمول | نوع اتصال |
|---|---|---|
| پیریدین (py) | C₅H₅N | اتصال از N |
| بیپیریدین (bipy) | C₁₀H₈N₂ | دو اتم N دهنده |
| فنانترولین (phen) | C₁₂H₈N₂ | دو اتم N آروماتیک |
| سیکلوپنتادیانیل (Cp) | C₅H₅⁻ | اتصال π |
جمعبندی
شناخت لیگاندها، فرمول شیمیایی، ساختار و تعداد دندانه آنها یکی از پایههای اصلی یادگیری شیمی معدنی ۲ است. جدول ارائهشده میتواند به عنوان یک خلاصه کاربردی برای مرور سریع مباحث کمپلکسها، نامگذاری ترکیبات کئوردیناسیونی و بررسی ساختار لیگاندها مورد استفاده قرار گیرد. این مجموعه برای دانشجویان رشتههای شیمی، مهندسی شیمی، علوم آزمایشگاهی و سایر رشتههای مرتبط با شیمی معدنی یک مرجع خلاصه و کاربردی محسوب میشود.
برای مرور سریع، میتوانید فایل PDF جدول ۴۸ لیگاند شیمی معدنی را نیز دانلود کنید.
