20.5
איזומריזם בקומפלקסים
איזומרים הם מינים כימיים שונים בעלי אותה נוסחה כימית. ניתן לחלק איזומריזם מבני של תרכובות קואורדינציה לשתי תת קטגוריות, איזומרים…
איזומרים הם תרכובות עם אותה נוסחה מולקולרית אך בעלי סידור מבנה שונה. לכל איזומר יש תכובות פיזיקליות וכימיות מובהקות. בתרכובות קוארדינטיביות, סוג אחד של איזומריות שנצפה הוא איזומריות מבנית.
באיזומריות מבנית, הקישוריות של האטומים לאטום המתכת המרכזי שונה, למרות שיש להם אותה נוסחה מולקולרית. ניתן להמשיך לסווג את האיזומרים לאיזומרים של ספרת קואורדינציה לעומת איזומרים של קישור. איזומרים של ספרת קואורדינציה מתקיימים כשהליגנדה הקוארדינטיבית למתכת המרכזית בספרת הקוארדינציה מחליפה מקום עם יון מנוגד בסריג.
לכן, בעוד שמספר הקואורדינציה של יון המתכת נשאר קבוע, ההרכב של ספרת הקואורדינציה והתרכובת משתנה. בקומפלקס הקוארדינטיבי של קובלט, האיזומרים של ספרת הקואורדינציה יכולים להתקיים עם ליגנדת ברום או כלור. כיוון שהרכב התרכובת שונה, לכל אחד מהאיזומרים הללו יש תכונות כימיות שונות.
כשפנטאמינברומוקובלט כלוריד מומס במים, הוא יוצר יוני כלור בעוד שבפנטאמינברומוקובלט ברומיז יוצר יוני ברום בתמיסה. לעומת זאת, איזומריות קישור נוצרת כשליגנדה יכול להיות קוארדינטיבית עם אטום המתכת המרכזי בשני כיוונים שונים. לכן, ליגנדות מונודנטטיות עם יותר מאטום תורם פוטנציאלי אחד יכולות ליצור איזומריות קישור.
שם הליגנדה משתנה על פי האטום התורם הקוארדינטיבי עם יון המתכת. ליון החנקית יש שני זוגות אלקטרונים בודדים, אחד באטום החנקן והשני באטום החמצן. כל אחד מהם יכול ליצור קשר קואורדינציה קוולנטי עם יון המתכת המרכזי.
כשיון החנקן מתואם באמצעות זוג האלקטרונים הבודדים באטום החנקן, הוא מכונה ליגנדת ניטרו. כשאטום החמצן משמש כתורם, הוא מכונה ליגנדת ניטריטו. לקומפלקסי קואורדינציה של מתכת קובלט עם יוני חנקן יש שני איזומרי קישור אפשריים, פנטה אמינניטרוקובלט צהוב ופנטה אמינניטריטוקובלט כתום.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is structural isomerism in coordination compounds?
Structural isomerism occurs when coordination compounds have the same molecular formula but different connectivities of atoms to the central metal atom. This results in distinct physical and chemical properties despite identical composition. Structural isomerism divides into two categories: coordination-sphere isomers and linkage isomers, each arising from different rearrangements within the complex.
Q2: How do coordination-sphere isomers form?
Coordination-sphere isomers occur when an anionic ligand in the coordination sphere exchanges places with a counterion from the outer lattice. The coordination number remains constant, but the composition of the coordination sphere changes. For example, pentaamminebromocobalt(II) chloride and pentaamminechlorocobalt(II) bromide are coordination-sphere isomers that generate different ions when dissolved in water.
Q3: What causes linkage isomerism in coordination complexes?
Linkage isomerism occurs when a monodentate ligand with multiple donor atoms can coordinate to the metal through different atoms. The nitrite ion, for instance, has lone pairs on both nitrogen and oxygen atoms. Depending on which atom bonds to the metal, the ligand is named differently, creating distinct isomers with different colors and properties.
Q4: What are nitro and nitrito ligands?
Nitro and nitrito ligands are linkage isomers of the nitrite ion. When the nitrite ion coordinates through nitrogen's lone pair, it forms the nitro ligand. When oxygen's lone pair coordinates instead, it forms the nitrito ligand. Pentaamminenitrocobalt(III) appears yellow, while pentaamminenitritocobalt(III) appears orange, demonstrating how linkage isomerism affects compound properties.
Q5: Why do isomers have different chemical properties?
Isomers have different chemical properties because their atomic connectivities differ, altering how atoms interact and bond. In coordination-sphere isomers, different ligands occupy the coordination sphere, changing which ions are released in solution. These structural differences fundamentally affect reactivity, solubility, and other chemical behaviors despite maintaining the same molecular formula.
Q6: Which ligands are capable of linkage isomerism?
Ligands capable of linkage isomerism are monodentate ligands with more than one potential donor atom. Examples include the nitrite ion (NO2−), cyanide ion (CN−), and thiocyanate ion (SCN−). Each can bind to the metal center through different atoms, producing distinct isomers with different names and properties based on which donor atom coordinates.
Q7: How does the coordination number change in structural isomerism?
In coordination-sphere isomerism, the coordination number of the metal ion remains constant while ligands and counterions exchange positions. In linkage isomerism, the coordination number also stays the same because the ligand still occupies one coordination site, regardless of which donor atom bonds to the metal. Both types preserve the metal's coordination number while altering compound composition.