Niet-innocente ligand

Een niet-innocente ligand[Opm. 1] in een metaal-complex is een ligand waarvan de oxidatietoestand niet op voorhand vastligt. In redoxreacties van complexen met metalen die meerdere valenties kunnen aannemen zal tijdens deze reactie meestal het metaal-ion van oxidatietoestand wisselen. In het geval van een niet-innocent ligand is het juist de ligand die elektronen opneemt of afstaat.

Het begrip niet-innocente ligand gaat ervan uit dat bij de redox-reactie van een metaal-complex ofwel de oxidatietoestand van het metaal, ofwel die van de ligand verandert. Hoewel het een versimpeling is van de werkelijke situatie, levert het wel een werkbaar concept op.[1]

C.K. Jørgensen is de eerste geweest die liganden verdeelde in innocent en suspect. Het laatste begrip wordt hier als niet-innocent aangeduid. Liganden worden als innocent beschouwd als ze het mogelijk maken de oxidatietoestand van het metaal-ion eenduidig te bepalen. Het eenvoudigste geval van een suspect of niet-innocent ligand is nitrosyl .[2]

In het algemeen geldt dat complexen met niet-innocente liganden absoluut gezien relatief lage redox-potentialen vertonen.

Redoxreacties van complexen met innocente en niet-innocente liganden

Innocent

De klassieke benadering van redoxreacties van coördinatie-verbindingen ging uit van het oxideren of reduceren van het metallische centrum ervan. Zo wordt de reductie van permanganaat naar manganaat beschreven als het reduceren van mangaan(VII) naar mangaan(VI):

Voor de oxide-liganden verandert de oxidatie-toestand niet, deze blijft (-2). Zuurstof is hier een innocente ligand.[Opm. 2] Een ander voorbeeld wordt gevormd door het Hexamminekobalt(III)-complex als dat gereduceerd wordt tot het kobalt(II)-complex:

In deze omzetting is ammonia een innocente ligand.

Een ander voorbeeld van een innocente ligand is cyanide in het redoxkoppel geel en rood bloedloogzout. In Elektrochemie voor MBO[3] wordt aangetoond dat de complexvorming wel effect heeft op de onderlinge verhouding van de concentraties, maar niet op de redoxpotentiaal van het onderliggende ijzer(II)/ijzer(III)-koppel.

nikkelbis(stilbeendithiolaat)

Niet-innocent

Een voorbeeld van niet-innocent ligand-gedrag treedt op in nikkelbis(stilbeendithiolaat) (zie hieronder, figuur 1). In zijn neutrale vorm heeft de ligand, zonder gebonden te zijn aan nikkel, op elk zwavel-atoom nog een waterstof-atoom. Deze ontbreken in het complex, dus de lading van de ligand in het complex is 2 min (2 liganden elk -2, nikkel is +2). Net als de andere nd8-complexen (complexen waarbij het metaal-ion 8 elektronen in de 3d-schil heeft) kunnen er drie oxidatie-niveau's voor het complex onderscheiden worden: z = -2, -1 en 0. Als de ligand steeds, zoals bij de klassieke benadering van complexen gebruikelijk is, zijn lading behoudt, moet het centrale nikkel-ion hiervoor de formele oxidatietoestanden van +2 tot +4 doorlopen.

Figuur 1

De (spectroscopisch) experimentele gegevens wijzen echter uit dat de elektronensituatie rond nikkel niet echt wijzigt. Het stilbeendithiolaat gedraagt zich als een redox niet-innocente ligand. De oxidatie vindt vooral plaats in de ligand, en niet op het metaal. Hierbij ontstaan ligand-radicaalcomplexen. Het neutrale complex, in figuur 1 de meest rechtse structuur, vertoont eigenschappen van een singlet diradicaal,[4] waardoor dit beter beschreven wordt als een complex van met het radicaal anion . Het diamagnetisme van het complex wordt toegeschreven aan de interactie tussen de twee ongepaarde elektronen in de liganden.

Een ander voorbeeld van niet-innocente liganden treedt op in de diamidofenylcomplexen van koper.[5]

Typische niet-innocente liganden

  • Eenvoudige liganden:
    • Nitrosyl kan op twee totaal verschillende manieren aan metalen binden:
      • op een gehoekte manier waarbij stikstofoxide als pseudohalogeen aan het metaal gekoppeld is en
      • op een lineaire manier, waarbij het zich als gedraagt.
    • Dizuurstof[6]
    • als het superoxide-ion
    • als het peroxide-ion of
  • Liganden met een uitgebreid, gedelokaliseerd π-systeem zoals porfyrines, ftalocyanines, corrolen[7] en liganden met de algemene formule (met D = O, S, NR' en R, R' = alkyl of aryl, de groepen R kunnen ook met de dubbele band tussen de koolstofatomen een aromatische ring vormen) zijn vaak niet-innocent, terwijl de algemene structuur meestal aanleiding geeft tot innocente liganden. Voorbeelden in deze laatste groep zijn: acetylaceton, salen-liganden en de van die stamverbindingen afgeleide stoffen.
    • Catecholaten en verwante vicinale dioxo-verbindingen.[8]
    • Dithiolenen, zoals maleonitrildithiolaat of het in figuur 1 weergegeven stilbeendithiolaat.
    • 1,2-di-imines zoals derivaten van o-fenyleendiamine (salen), 2,2'-bipyridine (PyPy) en dimethylglyoxime. Het complex is een -complex met 3 bipyridine-liganden. Bipyridine gedraagt zich niet altijd als een niet-innocente ligand: de één-elektron-oxidatie van betreft een oxidatie van ruthenium en de bipyridine-liganden gedragen zich in dat geval innocent.
    • In liganden met ferroceen-derivaten, gebruikt in katalysatoren, kunnen redox-reacties optreden in het ferroceen-deel van de katalysator in plaats van in het katalytische actieve centrum.[9]
    • pyridine-2,6-diimine liganden ( Zie figuur 2) kunnen zowel één- als twee-elektron-reducties ondergaan.[10][11][12]
:
Figuur 2

Redox niet-innocente liganden in biologie en homogene katalyse

In een aantal enzymatische redoxreacties zijn niet-innocente cofactoren betrokken bij de redox-eiegenschappen van metallo-enzymen. De meeste in de natuur voorkomende redox-reacties hebben betrekking op innocente liganden, zoals bijvoorbeeld ferredoxine, waarbij de redox in een -cluster plaatsvindt. De extra reductie-mogelijkheden die niet-innocente liganden bieden worden toegepast in het sturen van homogene katalytische processen.[13][14][15]

Heem

Heemverbindingen met op porfyrine gebaseerde liganden kunnen zowel niet-innocent (wisseling tussen -1 en -2) als innocent (-2) zijn. In de enzymen cytochroom P450 en chloroperoxidase ondersteund de oxidatie, met name in de vorming van "compound I", een -verbinding met een éénwaardig radicaal-aninion als ligand. In de figuur hiernaast is een en ander weergegeven voor de omzetting van koolwaterstoffen in alkanolen. In andere heem-achtige liganden, bijvoorbeeld myoglobine gedraagt de ligand zich innocent.

Galactose-oxidase

Galactose-oxidase (GOase) een enzym dat voorkomt in bepaalde soorten schimmels, zet de eindstandige -groep van galactose (en andere primaire alkanolen) om in de overeenkomstige aldehyde-functie. Als katalysator komt GOase netto onveranderd door de cyclus. Het enzym is een voorbeeld van een niet-innocente ligand.[16][17]

GOase oxideert met behulp van O2 primaire alkanolen naar aldehydes. In het actieve centrum van GOase is een tyrosyl-residu coördinatief gekoppeld aan een -ion. In de snelheidsbepalende stap van de cyclus wordt de alkanol gedeprotoneerd door een in het enzym aanwezige Brønsted-base, waarna het zuurstofatoom van het tyrosinyl-radicaal een waterstof-atoom ontrekt aan het via coörfdinatie gekoppelde alkoxide-substraat. De oxidatie betreft 2 elektronen, maar deze worden verdeeld over:

  • het koper-ion:
  • in de overdracht van het waterstof-atoom naar het tyrosinyl-radicaal wordt een netto neutraal waterstof-radicaal overgedragen.

De radicaal-overdracht is een snelle reactie. Anti-ferromagnetische koppeling tussen de ongepaarde spins op het tyrosinyl-radicaal en die op d9 CuII geeft aanleiding tot een diamagnetische grondtoestand, wat in overeenstemming is met modellen.[18]

Zie ook