金属配位結合

血液中のヘモグロビン、葉緑素中のクロロフィル、ビタミンB-12、ポリエチレンなどの製造に使われる触媒には、すべて配位化合物が含まれています。金属、特に遷移金属のイオンは、錯体を形成しやすいです。

これらの錯体では、遷移金属が配位共有結合を形成しています。これは、結合中の電子の両方がドナー（ルイス塩基）から電子アクセプター（ルイス酸）へと供与されているルイス酸-塩基相互作用の一種です。配位錯体におけるルイス酸は、中心金属イオン（または中心原子）であり、遷移金属または内側遷移金属からなります。ルイス塩基の電子供与体は配位子と呼ばれ、原子、分子、イオンなど様々な化学種からなります。唯一の条件は、中心金属に供与できる1つ以上の電子対を持っていることです。多くの場合、孤立電子対を持つドナー原子が、金属と配位結合を形成します。配位圏は、中心となる金属イオンまたは原子と、それに付随する配位子から構成されます。式中の括弧は配位圏を囲んでおり、括弧の外側の化学種は配位圏に含まれません。

配位子が中心の金属と1つの原子だけで結合している場合を単座といい、これはギリシャ語の “one-toothed (1つの歯)”という語句に由来します。この場合、配位子の数と配位数は同じです。NH₃、Cl⁻、H₂Oのようにドナー原子が1つの配位子は単座配位子です。他の多くの配位子は、より複雑な形で金属に配位します。

二座配位子とは、金属中心に2つの原子が配位するものです。例えば、エチレンジアミン（en, H₂NCH₂CH₂NH₂）は、2つの窒素原子を含んでおり、それぞれが孤立電子対を持ったルイス塩基として機能する（Figure 1a）。この2つの窒素原子はいずれも単独の金属中心に配位することができます。錯体[Co(en)₃]³⁺では、2座のes配位子が3つあり、コバルト(III)イオンの配位数は6である（Figure 1b）。最も一般的な配位数は2、4、6ですが、1から15までのあらゆる配位数の例が知られています。

Figure 1. (a) エチレンジアミン (en) は、金属イオンと配位可能な2つの窒素原子（それぞれ1つの孤立電子対を持つ）を含む。 (b) 3つの二座en配位子が1つのコバルトイオンに配位しています。

中心の金属イオンに2つ以上のドナー原子で結合する配位子は、2つ以上の結合で金属に配座するため、多座配位子（または “many teeth”）と呼ばれます。ギリシャ語の「爪」を意味するキレートという言葉も、この種の配位相互作用を表すのに用いられます。多くの多座配位子はキレート配位子であり、これらの配位子の1つまたは複数と中心金属からなる錯体をキレート錯体と呼びます。キレート配位子はキレート剤ともいいます。キレート配位子は、カニの爪がビー玉を押さえるように金属イオンを保持します。多座配位子には、ドナー原子の数を示す接頭辞が付くことがあります。ヘモグロビンのヘム複合体もその一つです（Figure 2）。ヘム複合体には、鉄と結合する4つのドナー原子を持つ多座配位子が含まれています。

Figure 2:  単一の配位子であるヘムには4つの窒素原子が含まれており、ヘモグロビンの鉄に配位してキレート錯体を形成します。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.2 Coordination Chemistry of Transition Metals.