Koordinasyon Kimyası ve Metal Kompleksler

Son Güncelleme Tarihi 29 Temmuz 2022 Serkan SAYINER, DVM. PhD. Assoc. Prof.

Koordinasyon kimyası, Alfred Werner tarafından temeli atılan ve yaklaşık 130 yıla dayanan maziye sahip önemli bir kimya dalıdır. İnorganik Kimyanın en hızlı ve en önemli gelişen dallarındandır. Çok geniş bir alana sahip olan koordinasyon kimyası esasen koordinasyon bileşikler veya metal kompleksler ve ligandların çalışıldığı bir alandır.

Koordinasyon Kimyası ve Metal Kompleksleri başlığında konu ile ilgili kısaca öz bilgiler ve biyolojik sistemlerdeki metal kompleksleri hakkında bilgi aktarılması amaçlanmıştır.

Koordinasyon Bileşikleri

Koordinasyon bileşikleri veya Koordinasyon Kompleksleri, metale elektron veren atomlar, iyonlar veya moleküller olarak tanımlanan ligandlara bir veya daha fazla metal iyonu merkezleri oluşturan moleküller veya komplekslerdir. Bir başka ifade ile kompleks yapılarda elektron akzeptörü olarak görev yapan bir metal iyonu merkezde yer alırken, bu merkezi metal iyonuna ligand olarak tanımlanan bir elektron donörü bağlanmıştır. Bu yapılara metal kompleksleri adı da verilir.

Bu kompleksler nötr veya yüklü olabilir. Kompleks yüklendiğinde, komşu karşı iyonlar tarafından stabilize edilir. Bir kompleks iyonun merkezinde bir metal iyonu vardır ve onu çevreleyen bir dizi başka molekül veya iyon vardır. Bunların merkezi iyona koordine kovalent bağlarla bağlı olduğu düşünülebilir ve bazı durumlarda bağ aslında bundan daha karmaşıktır. Merkezi metal iyonunu çevreleyen moleküller veya iyonlara ligandlar denir. Basit ligandlar arasında su, amonyak ve klorür iyonları yer alır. Komplekslerin merkezinde yer alan ve bu nedenle merkezi parçacık olarak tanımlanan metal katyonu özellikle iç tabakalarında elektron boşluğu bulunan elementlerin katyonlarından oluşur. Ligandlarsa yüklü ve yüksüz parçacıklardan oluşur. Merkezi parçacık pozitif yüklü olduğundan, yüklü ligandların anyonları oluşturması zorunludur.

Koordinasyon bileşikleri, çeşitli özellikleri nedeniyle (tepkime, manyetik, moleküler yapıları gibi) günümüzde polimer teknolojisinde, biyolojik sistemlerin anlaşılması, medikal alanda kullanılması, ilaç geliştirmede ve endüstride kullanılmaktadır.

Bilgi Notu

Afred Werner

(12 Aralık 1866 – 15 Kasım 1919)

İsviçre’li bir kimyager olan Werner öğrenciliğini Zürih Federal Teknoloji Enstitüsü’te (ETH Zurich) geçirmiştir. Akademik kariyerini ise Zürih Üniversitesi’nde profesör olarak tamamlamıştır. Geçiş metali komplekslerinin oktahedral konfigürasyonunu önerdiği için 1913’te Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı. Werner, modern koordinasyon kimyasının temelini geliştirdi. Nobel ödülünü kazanan ilk inorganik kimyagerdi ve 1973’ten önceki tek kişiydi.

Alfred Werner, Koordinasyon Kimyası temelini attı.

Ligand

Ligandlar, merkezi bir metal atomuna veya iyonuna bağlanan iyonlar veya nötr moleküllerdir. Çözeltideki bir metal iyonu izole halde değildir, ligandlarla (çözücü molekülleri veya basit iyonlar gibi) veya şelatlama gruplarıyla kombine halde bulunarak koordinasyon komplekslerini meydana getirir. Bu kompleksler, genellikle bir geçiş metali olan bir merkezi atom veya iyon ve onu çevreleyen bir iyon veya nötr molekül kümesi içerir. Ligandlar anyonlar, katyonlar veya nötr moleküller olabilir. Ligandlar ayrıca diş (dent) kavramı üzerinden tek dişli (monodendat), iki dişli (tridendat), üç dişli (tridendat), dört dişli (tetradendat), çok dişli (polidendat) vb. olarak da karakterize edilebilir. Bunun sebebi ligandlarında metal iyonunu dişlerin gıda maddesini ısırmasına (ısıran diş sayısı, şekli ve açısı gibi) bezner şekilde bağlanmasıdır. Bir başka benzetme ise ligand merkezi parçacığı bir kerpetenin dişleri gibi ısırır bir pozisyonda bağlaması işeklinde yapılabilir. EDTA (Etilendiamintetraasetik asit) çokdişli ligandlara güzel bir örnektir. Kalsiyum ile oluşturduğu EDTA-Ca kompleksi kan örneklerinin pıhtılaşmasını engellemek amacıyla kullanılmaktadır.

Bilgi Notu

Ligand tanımı kimya ve biyokimyada farklı anlamlarda kullanılmaktadır. Kimya da koordine kovalent bağ aracılığıyla bir veya daha çok elektronunu bir veya daha çok merkez atom veya iyona veren, atom, iyon veya fonksiyonel grup olarak tanımlanırken, biyokimya da ise esasen reseptörlere bağlanan hücre dışında bir bileşik olarak tanımlanır.

Metal atomları ile reaksiyona giren maddede iki veya daha fazla sayıda donör özelliğe sahip grup varsa, meydana gelen kompleks bileşiğe şelat bileşiği denilmektedir. Kompleks metalin iki veya daha fazla donör atoma sahip ligandlar ile reaksiyonu sonucunda oluşan bir veya birden çok halkalı yapıya sahip bileşiklere “Metal Şelat” denir.

Şelasyon

Şelasyon, çok dişli bir ligandın bir metal iyonuna bağlanarak bir halka oluşturduğu bir işlemdir ve elde edilen komplekse şelat veya şelat kompleksi denir. Şelat kompleksleri halka formunda bileşiklerin oluşturduğu metal komplekslerinin özel formudur. Istakozun veya diğer kabukluların büyük pençesi veya şelasından (chely-Yunanca) türetilen şelat sıfatı, iki birleştirici birim olarak işlev gören ve merkezi atoma bağlanan kaliper benzeri gruplar için önerilmektedir ve neticede heterosiklik halkalar meydana getirir. Şelatlayıcı ligandlar veya şelatör, tek dişli (monodent) ligandlara göre metal iyonlarına afiniteleri daha yüksektir. EDTA güzel bir şelatlayıcı ligand örneğidir. Şelatörler genellikle organik bileşiklerdir.

Şelat kompleksin oluşabilmesi için bir ya da birden fazla serbest elektron çiftine (en azından iki atoma) sahip, şelat halkası oluşumunda, halka geriliminin ortaya çıkışına neden olmayacak bir aralığa sahip olması zorunludur. Şelat komplesinin oluşumunda serbest elektron taşıyıcısı olarak –NH2, -OH ve –SH gibi özel formlardaki N, O ve S atomları görev yaparlar.

Bir şelatın oluşumu merkezi katyonun büyüklüğü ve elektron konfigürasyonuna bağlıdır. Bu nedenle sadece belirli katyonlar şelat oluşturucuların dişlerine uyarlar ve şelatörler yüksek bir seçiciliğe sahiptirler.

Doğal şelat komplekslerinin biyokimyasal önemleri

Hemoglobin: Biyolojik sistemlerde doğal olarak bulunurlar. En önemli örneğini kırmızı kan hücrelerinin yapısında bulunan demir-porfirin kompleksi oluşturur. Kırmızı kan hücrelerinin görevi oksijen taşınmasıdır. Oksijen, dokularda metabolik olayların yürütülmesinde gereklidir.

Sitokromlar: Demir ya da bakırın merkezi parçacık olarak yer aldığı renkli şelat kompleksleri olup, mitokondride yer alırlar. Yapılarındaki demirin değerliliğinin değişmesine karşın, etkilerini kaybetmemeleri ile de hem’den önemli derecede farklılık gösterirler. Sitokromların fonksiyonlarının temeli de çoğunlukla yapılarındaki demirin değerliliğinin değişmesinden köken alır.

Vitamin B12 (Kobalamin): Biyokimyasal açıdan önemli şelat kompleksidir. Merkezi katyon olarak Co3+ içerir. Kan plazmasında demir transferini gerçekleştiren protein yapısındaki transferrin demir içerirken, serüloplazmin bakır içeren şelat kompleksleridir.

Doğal şelat komplekslerinin biyokimyasal önemleri
Bazı doğal şelat kompleksleri

Yapay şelatörlerin biyokimyasal önemleri

Canlı organizmaya yapay şelat oluşturucu maddeler ilave edildiğinde, bu maddeler az ya da çok var olan metal katyonlarıyla reaksiyona girerler. Bu maddeler şelat oluşumu ile metal katyonlarını maskeler ve etkisiz hale getirir ve şelat da organizmadan atılabilir. Her iki etki de tıbbi amaçlarla kullanılabilir. Bu şekilde vücuda zararlı metalik zehirler ve radyoaktif maddeler detoksifiye edilebilir. Yapay şelatörlerin geliştirilmesi önemli bir çalışma alanıdır.

Başa Dön