Chelatkomplexe

Chelatkomplexe Übung

• Nenne Anwendungen von Chelat-Komplexen.

  Tipps

  Bei großen Blutverlusten leiden Patienten anschließend unter Eisenmangel.

  Lösung

  Chelat-Komplexe weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die häufig in unterschiedlicher Art genutzt werden. Chelat-Komplexe stabilisieren Metalle in empfindlichen Oxidationsstufen. So stabilisiert das Häm im Hämoglobin Eisen in der Oxidationsstufe +II. Dies ermöglicht erst die Aufnahme und den Transport von Sauerstoff im Blut.
  Chelat-Komplexe sind in der Regel stabiler als Komplexe von einzähnigen Liganden. Dies macht man sich in der Chemie bei Ligandenaustauschreaktionen zunutze. Bei der Komplexometrie nutzt man zum Beispiel die hohe Stabilität von Komplexen des sechszähnigen Liganden Ethylendiamintetraacetat (EDTA), um Konzentrationen von Metall-Ionen in Lösungen genau zu bestimmen.
  Auch in der Medizin finden Chelatoren Anwendung. So lässt sich die Anreicherung von Schwermetallen in den Organen verhindern, indem dem Patienten Chelatoren verabreicht werden. Dadurch werden die Schwermetall-Ionen gebunden und können vom Körper ausgeschieden werden. Ähnlich werden Chelatoren verwendet, um die Koagulation von Blut bei der Blutabnahme zu verhindern. Durch die Bildung von Chelatkomplexen werden Calcium-Ionen gebunden, die den Prozess der Koagulation des Blutes steuern.

• Beschreibe die Besonderheiten von Chelat-Komplexen.

  Tipps

  Haben Kohlenstoff-Atome normalerweise freie Elektronenpaare?

  Die Bezeichung „Chelat“ leitet sich aus dem Griechischen ab und bedeutet Krebsschere.

  Lösung

  Liganden können freie Elektronenpaare an Metall-Ionen mit Elektronenmangel teilen. Dabei entstehen die koordinativen Bindungen. Das Reaktionsprodukt dieser Lewis-Säure-Base-Reaktion ist ein Metallkomplex.
  Liganden, die über mehr als ein Atom mit freien Elektronenpaaren verfügen (Donator-Atome), können pro Donator-Atom eine koordinative Bindung zu einem Metall-Kation ausbilden. Das Metall-Kation wird vom Liganden wie in einer Krebsschere fixiert, daraus leitet sich der Name Chelat-Komplex ab. Die Anzahl der Donator-Atome eines Liganden bezeichnet man als die Zähnigkeit eines Liganden. Chelat-Komplexe sind meist stabiler als Komplexe mit einzähligen Liganden. Dies hat thermodynamische Gründe.

• Bestimme die Zähnigkeit der Chelat-Liganden.

  Tipps

  Welche Atome haben freie Elektronenpaare?

  Lösung

  Bei den dargestellten Verbindungen handelt es sich um sehr häufig verwendete Liganden im Bereich der chemischen Forschung. Sie verfügen über Sauerstoff- und Stickstoffatome, die freie Elektronenpaare zur Bildung von koordinativen Bindungen zur Verfügung stellen können.
  18-Krone-6 ist ein sogenannter Kronenether und verfügt über sechs Sauerstoffatome, die zur Bildung von koordinativen Bindungen in der Lage sind. Daher ist er ein sechszähniger Ligand. Das Metall-Kation liegt im Zentrum des Moleküls und wird von diesem eingeschlossen. 18-Krone-6 kann zum Beispiel dafür verwendet werden, anorganische Salze, wie Natriumchlorid, in organischen, unpolaren Lösemitteln löslich zu machen.
  Auch Kryptofix-2.2.2 gehört zu den Kronenethern. Hier sind zwei Sauerstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt worden. Zwischen diesen Stickstoffatomen liegt eine weitere Brücke aus Ehtylen-Gruppen, die über Sauerstoffatome verbunden sind. Insgesamt ist das Molekül daher ein achtzähniger Ligand. Das Molekül kann das Metall-Kation vollständig umschließen und schirmt es so von der Umgebung ab. Dadurch können zum Beispiel Metall-Kationen in ungewöhnlichen, empfindlichen Oxidationsstufen geschützt werden.
  Ethylendiamintetraacetat (EDTA) ist der wohl am häufigsten verwendete Chelator. Er kommt in chemischer Forschung und Synthese zum Einsatz, ist aber auch in Alltagsprodukten wie Waschmittel enthalten. Der Vorteile des Liganden sind die gute Löslichkeit in Wasser, die hohe Zahl von sechs Donator-Atomen und die günstige Herstellung.
  Acetylacetonat ist das Säurerest-Ion des Acetylaceton und ist wie dieses zweizähnig. Es kommt in vielen Katalysatoren zum Einsatz.

• Entscheide, ob es sich um Chelatkomplexe handelt.

  Tipps

  Binden Moleküle über mehrere Donator-Atome?

  Lösung

  Ob es sich um einen Chelatkomplex handelt, erkennst du daran, dass es einen oder mehrere Liganden gibt, die über mehr als ein Donator-Atom an das Zentral-Ion binden. Dabei ist es unerheblich, ob der Ligand über weitere mögliche Donator-Atome verfügt oder nicht. Entscheidend ist, dass mehrere Bindungen zwischen Ligand und Zentral-Ion bestehen. Es gibt also Komplexe, an denen zwar Chelatoren beteiligt sind, die jedoch trotzdem keine Chelatkomplexe sind. Dies ist bei der unten rechts dargestellten Verbindung der Fall: Zwei Liganden verfügen über Carboxylat-Gruppen, die jedoch nicht an das Zentral-Ion koordinieren. Es handelt sich daher nicht um einen Chelat-Komplex.
  Die Verbindung, die darüber dargestellt ist, ist ebenfalls kein Chelat-Komplex. Hier koordinieren vier Amin-Liganden und zwei Aqua-Liganden an ein Kupfer(II)-Ion.
  Bei den beiden anderen Komplexen handelt es sich um Chelat-Kkomplexe. Unten ist ein Komplex mit drei Ethylendiamin-Liganden dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass alle drei Liganden mit beiden Stickstoffatomen an das Kation koordinieren. Dadurch ergibt sich die Koordinationszahl von sechs. Es ist ebenfalls gut zu erkennen, dass das Kation oktaedrisch von den Donator-Atomen koordiniert wird.
  Bei der oben links dargestellten Verbindung handelt es sich um einen Chelat-Komplex mit einem Kronenether. Die vier Sauerstoffatome des Kronenethers koordinieren in einer Ebene an das Kation, welches im Hohlraum des Kronenethers liegt. Senkrecht zu dieser Ebene koordinieren zwei Wassermoleküle an das Kation, sodass sich erneut die Koordinationszahl sechs und eine oktaedrische Anordnung der Donator-Atome ergibt.

• Benenne die Chelat-Liganden.

  Tipps

  • Di = zwei
  • Tri = drei
  • Tetra = vier
  • Penta = fünf

  Amine enthalten Stickstoff.

  Lösung

  Bei allen dargestellten Verbindungen handelt es sich um Chelatoren, da mindestens zwei Sauerstoff- oder Stickstoffatome mit freien Elektronenpaaren vorhanden sind. Zwei der dargestellten Verbindungen sind aus Ethylenamin-Einheiten $(NH_2 - CH_2 - CH_2 - )$ aufgebaut. Bei der Benennung dieser Komplexe wird angegeben, wie viele Ethyleneinheiten $(-CH_2-CH_2-)$ und wie viele Amin-Gruppen $(-NH-)$ vorhanden sind. Weitere funktionelle Gruppen werden wie üblich angegeben.
  Oxalsäure ist ein Trivialname für die Verbindung Ethandisäure. Diese Verbindung verfügt über zwei Carboxylat-Gruppen, kann also maximal vier koordinative Bindungen ausbilden. Es ist jedoch auf Grund der Struktur des Moleküls nicht möglich, dass alle vier Bindungen zu einem Metall-Kation ausgebildet werden können. Das Molekül kann an zwei Metall-Kationen mit je zwei Bindungen koordinieren.
  Auch Acetylaceton ist ein Trivialname, der systematische Name der Verbindung lautet Pentan-2,4-dion. Acetylaceton gibt in wässriger Lösung leicht ein Wasserstoffatom der mittleren $CH_2$-Gruppe ab, das Ion wird als Acetylacetonat (Abk.: acac) bezeichnet. Acetylacetonat ist einer der am häufigsten gebrauchten Liganden bei technischen Synthesen, da die Metall-Komplexe des acac als Katalysatoren in vielen technischen und chemischen Prozessen eingesetzt werden.

• Analysiere Reaktionsgleichungen für den Ligandenaustausch.

  Tipps

  Die Anzahl der Liganden im Komplex zeigt dir die Zähnigkeit der Liganden an, da es sich um ein sechsfach koordiniertes Zentral-Ion handelt.

  Lösung

  Schaut man sich die Reaktionsgleichungen an, so stellt man fest, dass auf beiden Seiten der Reaktionspfeile unterschiedlich viele Moleküle stehen. Das liegt daran, dass aufgrund der unterschiedlichen Zähnigkeit der Liganden unterschiedlich viele Ligandenmoleküle im Komplex gebunden werden. Da die Kuper-Ionen stets sechsfach koordiniert sind, sind bei zweizähnigen Liganden drei, bei dreizähligen Liganden zwei und bei sechszähligen Liganden ein Ligandenmolekül im Komplex enthalten.
  Hierin ist auch der Grund für die unterschiedliche Stabilität der Komplexe zu finden. Ein Grundsatz der Thermodynamik lautet, dass in einem System immer der Zustand energetisch günstiger ist, in dem das höhere Maß an Unordnung herrscht. Dies wird als Entropie bezeichnet. Für die Ligandenaustauschreakionen bedeutet dies, dass das Reaktionsgleichgewicht auf der Seite des Reaktionspfeils liegt, auf der eine höhere Anzahl an Molekülen steht. In der Konsequenz sind Komplexe mit mehrzähnigen Liganden stabiler, da hier weniger Ligandenmoleküle im Komplex gebunden sind.