Chelatkomplexe

Grundidee und Aufbau

Chelatkomplexe, kurz Chelate, sind Verbindungen der Komplexchemie. Dabei bindet ein mehrzähniger Ligand an ein Zentralatom und besetzt mindestens zwei Koordinationsstellen, also Bindungsstellen, dieses Zentralatoms. Ein mehrzähniger Ligand besitzt mehr als ein freies Elektronenpaar. In einem Chelatkomplex wird er Chelator genannt.

Das Zentralatom ist meistens ein zweifach positiv geladenes Metallion, zum Beispiel Fe^{2+} oder Cu^{2+}. Ligand und Zentralatom sind durch koordinative Bindungen verbunden. Bei einer koordinativen Bindung stammt das bindende Elektronenpaar vollständig vom Liganden.

Chelat-Effekt

Chelatkomplexe sind stabiler als vergleichbare Komplexe mit einzähnigen Liganden, die nicht miteinander verknüpft sind. Diese besondere Stabilität nennt man Chelat-Effekt.

Der Chelat-Effekt hat zwei Ursachen. Erstens ist die Entropieabnahme bei der Bildung eines Chelatkomplexes geringer; das wirkt thermodynamisch stabilisierend. Im beschriebenen Beispiel entsteht aus zwei Teilchen ein Komplex, während sich bei nichtchelatisierenden Liganden sieben Teilchen zu einem Komplex verbinden würden.

Zweitens kann sich ein Chelatligand erst dann vom Zentralatom lösen, wenn alle seine Bindungen zum Zentralatom aufgelöst sind. Dadurch dissoziiert der Chelator deutlich schlechter vom Metallion. Nach einer Bindungsspaltung ist außerdem die Wahrscheinlichkeit höher, dass sich die Bindung sofort wieder bildet.

Bedeutung und Beispiele

Chelatkomplexe kommen in der Natur vor. Beispiele sind Häm, Chlorophyll und Vitamin B12. Diese Beispiele zeigen, dass Chelatstrukturen in biologisch wichtigen Stoffen eine Rolle spielen.

In der Medizin ist EDTA, ausgeschrieben Ethylendiamintetraacetat, im Rahmen einer Chelat-Therapie wichtig. In der analytischen Chemie wird EDTA außerdem bei Titrationen in der Chelatometrie verwendet.

Wichtige Chelatliganden

Die Zähnigkeit eines Liganden gibt an, wie viele Bindungsstellen er gleichzeitig am Zentralatom besetzen kann. Wichtige zweizähnige Liganden sind Acetylaceton (acac), Ethylendiamin (en), Oxalat (ox), Tartrat (tart), Dimethylglyoxim (dmg), 8-Hydroxychinolin (oxin), 2,2'-Bipyridin (bpy), 1,10-Phenanthrolin (phen), Dimercaptobernsteinsäure (DMSA) und 1,2-Bis(diphenylphosphino)ethan (dppe).

Dreizähnige Liganden sind 2-(2-Aminoethylamino)ethanol (AEEA), Diethylentriamin (dien), Iminodiacetat (ida) und Citrat (cit). Vierzähnige Liganden sind Triethylentetramin (trien, TETA), Triaminotriethylamin (tren), Nitrilotriacetat (nta) und Bis(salicyliden)ethylendiamin (salen). Noch höhere Zähnigkeiten haben Ethylendiaminotriacetat (ted) mit 5, Ethylendiamintetraacetat (EDTA) mit 6, Diethylentriaminpentaacetat (DTPA) mit 8, DOTA mit 8 und Triethylentetraminhexaacetat (TTHA) mit 10.