A temperatura ambiente si presenta come una polvere cristallina incolore o bianca, igroscopica, poco solubile in acqua (0,275 g/100 g), ma solubile in alcuni solventi organici, come alcool, acetone e benzene. La molecola è notevolmente polare, il suo momento di dipolo è riportato essere μ = 3,64 D. È commercializzata di solito in forma monoidrata, che è anch'essa un solido cristallino incolore/bianco.
La fenantrolina come ligando
La collocazione nella molecola dei due atomi N, ciacuno con una coppia solitaria, ne fa una base biprotica ed anche un ligando bidentato e chelante notevole. Come tale, viene abbreviato semplicemente phen, più raramente o-phen.
Per l'aromaticità della molecola e per la presenza inoltre di due atomi di azoto piridinico che disattivano fortemente la molecola verso attacchi elettrofili, il ligando è robusto, chimicamente resistente; è anche un buon donatore come base di Lewis e forma molto facilmente complessi molto stabili con svariati ioni metallici e in particolare con metalli di transizione a basso stato di ossidazione, formando in ogni caso anelli a 5 termini con essi.
I più semplici e tipici sono gli ioni complessi omolettici [M(phen)3]2+ e [M(phen)3]3+, che sono trischelati e ottaedrici. Tra questi, uno dei più studiati è quello di ferro: il suo sale, con il solfato come controione tipico, ossia [Fe(phen)3]SO4, viene chiamato ferroina e costituisce un indicatore redox molto usato in chimica analitica: è di colore rosso intenso, mentre la forma ossidata (con Fe3+ invece che Fe2+) è azzurro intenso; il cambio di colore è rapido e il sistema è reversibile. Il potenziale standard della coppia redox Fe(phen)3]3+ / Fe(phen)3]2+ è di 1,147 V, ben maggiore di quello della coppia Fe3+ / Fe2+, pari a 0,771 V.
Nei confronti di ioni metallici la bipiridina risulta un donatore migliore, ma rispetto ad essa la fenantrolina gode di una conformazione fissata in cis dei due atomi N donatori nei confronti del centro metallico ed ha quindi il vantaggio entropico di avere i due atomi N già posizionati favorevolmente per la chelazione; in accordo a questo, si trova che i suoi complessi hanno costanti di formazione maggiori dei corrispondenti con la bipiridina.
La fenantrolina è un tipo di ligando capace di accettare, sui suoi orbitali di antilegame vuoti, densità elettronica dagli orbitali d pieni degli ioni metallici con cui si lega; per questo, tende a stabilizzare particolarmente i bassi stati di ossidazione del metallo stesso, come fanno ad esempio le fosfine o i cianuri; a questo riguardo, la fenantrolina, che ha a disposizione una più estesa coniugazione di doppi legami della bipiridina, è un ligando migliore e forma complessi più stabili.
Un derivato della fenantrolina è la neocuproina, cioè la 2,9-dimetil-1,10-fenantrolina. Per l'ingombro sterico dovuto ai metili che si affollano verso il metallo centrale, raramente si ottengono complessi trischelati analoghi, sebbene i corrispondenti complessi bischelati siano comunque facilmente accessibili.
La fenantrolina forma complessi intensamente colorati con i reattivi di alchillitio: questi possono poi essere titolati semplicemente con alcol etilico che li converte nei corrispondenti alcossidi incolori, in modo che al punto di equivalenza il colore sparisce. Anche con i reattivi di Grignard si formano complessi analoghi, che possono essere titolati allo stesso modo.
