Chelatkomplexe 09:16 min
Transkript Chelatkomplexe
Guten Tag und herzlich willkommen!
In diesem Film werden wir uns mit interessanten Metallkomplexen wie mit diesem befassen. Im Zentrum des Komplexes befindet sich das Zentral-Ion. Ihr habt es bereits kennengelernt. Der vorliegende Komplex wird von 2 Sorten von Liganden umgeben. Die blau gekennzeichneten sind Stickstoff-Atome, die über jeweils 1 freies Elektronenpaar verfügen. Die roten Kugeln symbolisieren Sauerstoff-Atome, die auch jeweils 1 freies Elektronenpaar in die koordinative Bindung einbringen.
Das Video heißt "Chelatkomplexe". Das Video kommt aus der Reihe "Metallkomplexe". Die nötigen Vorkenntnisse kannst du in den Videos "Koordinative Bindung" und "Aufbau von Metallkomplexen" erwerben. Ziel des Videos ist, euch eine erste Einführung in die Chelatkomplexe zu präsentieren.
Den Film habe ich in 5 Abschnitte unterteilt: 1. Liganden und Zähnigkeit 2. Bauprinzip von Chelatkomplexen 3. Chelatoren 4. Verwendung von Chelatkomplexen und 5. Zusammenfassung.
- Liganden und Zähnigkeit
Schauen wir uns einmal einige Liganden an, die wir bereits besprochen haben: Carbonyl, Ammin, Cyanido. Jeder der Liganden liefert nur ein einziges Donator-Atom beim Entstehen der koordinativen Bindung. Und jetzt schauen wir uns einmal diese chemische Verbindung an. Man sieht, es ist ein Diammin. Diese Verbindung verfügt über mehrere Donator-Atome, nämlich über 2. Wenn ein Ligand über mehrere Donator-Atome verfügt, bezeichnet man ihn als Chelator. Der Name kommt aus dem Griechischen: chele - das bedeutet Krebsschere. Das Diammin ist ein Elektronen-Donator. Es kann mit einem Elektronen-Aktzeptor, wie einem Metall-Ion, eine koordinative Bindung eingehen. Metall-Ion und Chelator haben einen Chelatkomplex entstehen lassen. Der Ligand verfügt über 2 Donator-Atome in einem Molekül. Man sagt auch, er ist zweizähnig. Unter Zähnigkeit versteht man die Zahl der Donator-Atome in einem Liganden. Für das Entstehen eines Chelators und die Herausbildung eines Chelatkomplexes ist es notwendig, dass die Zähnigkeit des Liganden ≥2 ist. Es sind Chelatkomplexe bekannt, deren Liganden Zähnigkeiten von 2, 3, 4, 5, 6 und 8 besitzen. Welche Zähnigkeit besitzt hier der einzige Ligand dieses Chelatkomplexes? Habt ihr mitgezählt? Ja richtig, es ist 6.
2. Bauprinzip von Chelatkomplexen
Das allgemeine Bauprinzip eines Chelatkomplexes ist recht einfach und funktioniert so: Man nehme einen Chelator. Diesen bringt man mit einem Metall-Ion zur Reaktion. Im Ergebnis entsteht ein Chelatkomplex. Der Chelator ist eine Lewis-Base, das Metall-Ion ist eine Lewis-Säure. Sie vereinigen sich unter Herausbildung koordinativer Bindungen und es entsteht ein Chelatkomplex. Schauen wir uns den Chelator des eingangs gezeigten Chelatkomplexes an. Und jetzt schauen wir das Metall-Ion an. Und nun bastle ich den Chelatkomplex aus Zentral-Ion und Ligand, Schritt für Schritt. Hier ist er und ihr seht sehr schön: Dort, wo keine Bindungen vorhanden sind, die jeweils freien Elektronenpaare. Das Zentral-Ion wird im Modell als silbergraues Teilchen dargestellt. Wir wiederholen den formalen Vorgang: Chelator+Metall-Ion→Chelatkomplex.
- Chelatoren
Ethylendiamin: Diesen Chelator kennen wir bereits. Meistens reagieren 2 Moleküle davon gleichzeitig. Der Chelator reagiert mit einem Kupfer-(II)-Ion. Es entsteht ein Chelatkomplex. Die Zähnigkeit der Liganden beträgt jeweils 2. Die Koordinationszahl des Zentral-Ions ist 4. Und noch einige Beispiele. Diethylentriamin: Die Zähnigkeit dieses Chelators ist 3. Triethylentetramin: Dieser Chelator ist 4-zähnig. Ethylendiamintetraacetat: Meistens einfach mit EDTA abgekürzt. Die Zähnigkeit dieses Chelators ist 6. Diethylentriaminpentaacetat. Und weiter: Nitrilotriessigsäure, Dimercaptobernsteinsäure, Oxalsäure, Acetylaceton. Die Chelatisierung von Yttrium-90 erfolgt durch diesen großen Chelator.
- Verwendung
Chelatkomplexe stellen in der Biologie eine wichtige Strukturform dar. Man findet sie im Häm, das Bestandteil des Hämoglobins ist.
In der analytischen Chemie werden Chelatkomplexe in der sogenannten Komplexometrie, auch Chelatometrie genannt, verwendet. Ganz wichtig und populär sind hier die EDTA-Komplexe. Ihr kennt sie bereits. EDTA wird als Chelator bei der Titration von Schwermetall-Ionen und Ionen der II. Hauptgruppe des PSE verwendet. Klassische Indikatoren zur Feststellung des Endpunktes der Tiration sind Murexid und Eriochromschwarz-T.
Als Weiteres werden Chelatkomplexe als Rostumwandler verwendet. Das Ergebnis dieser Entrostung ist beeindruckend, oder etwa nicht? Im Rost befinden sich Eisen-(III)-Ionen, die teilweise mit der Oberfläche des Eisens verbunden sind. Ein Chelator als Komplexbildner reißt die Eisen-(III)-Ionen von der Eisenoberfläche weg. Sie werden herausgelöst und das Rostgebilde fällt in sich zusammen. Der gebildete Chelatkomplex führt zu einer Reinigung der Eisenoberfläche und damit zu einer Entrostung.
In der Medizin werden Chelatkomplexe bei der Vergiftung durch Schwermetalle verwendet. Die giftigen Metall-Ionen reagieren mit dem Chelator und bilden einen ungiftigen, weil unlöslichen Chelatkomplex. Dieser kann aus dem Organismus ausgeschieden werden und es kommt zur Entgiftung. Ein zweite medizinische Verwendung der Chelatkomplexe findet bei der Blutabnahme statt. Blut an der Luft koaguliert und das ist ärgerlich. Heute weiß man, dass die Koagulation des Blutes unter Beteilung von Calcium-Ionen stattfindet. Die koagulierende Wirkung der Calcium-Ionen soll beseitigt werden, daher lässt man sie mit geeigneten Chelatoren reagieren. Bei Citronensäure und EDTA handelt es sich um solche Chelatoren. Es bildet sich ein unlöslicher Chelatkomplex. Die verwendeten Monovetten enthalten schon Citronensäure bzw. EDTA. Die Wirkung der Calcium-Ionen wird ausgeschaltet. Die Koagulation des Blutes findet nicht statt.
- Zusammenfassung
Wenn ein Ligand eine Zähnigkeit von ≥2 hat, so nennt man ihn Chelator. Ein Chelator ist fähig, mit einem Metall-Ion einen stabilen Chelatkomplex zu bilden. Chelatkomplexe spielen eine wichtige Rolle in der Biologie, als Entroster, in der Analytik und in der Medizin.
Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!
Videobeschreibung
In diesem Video geht es um Chelatkomplexe als eine eigene Gruppe der Liganden in Metallkomplexen. Die Chelate werden in diesem Video charakterisiert und die Eigenschaft der Zähnigkeit des Chelators wird beschrieben. Im Anschluss werden dir die bekanntesten Chelatoren gezeigt und deren Bauprinzip betrachtet. Weiterhin wird die Reaktion zwischen Chelator und Metall-Ionen beschrieben sowie die Verwendung von Chelatoren in der Biologie, der Analytik und Medizin. Wenn du mehr dazu erfahren willst, dann schau dir das Video an.
Der Tutor:
Dr. rer. nat.
Chelatkomplexe
Chelatkomplexe Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chelatkomplexe kannst du es wiederholen und üben.
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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.
Da hab ich mich wohl vertan, danke!
Alles Gute
Kleine Korrektur: Der NH2-Ligand heißt Amin mit einem "m"!
(Der NH3-Ligand heißt Ammin mit zwei ""m".)