Name: isomer shapes in coordination complexes
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 52 s
Channel: JoVE

Gli stereoisomeri dei composti di coordinazione, sono molecole che hanno la stessa formula chimica e la stessa connettività dei ligandi dell'atomo di metallo, ma differiscono nella disposizione delle molecole di ligando attorno all'atomo centrale. Sulla base della struttura molecolare, gli stereoisomeri dei composti di coordinazione sono classificati come isomeri geometrici o isomeri ottici. Gli isomeri geometrici sono stereoisomeri che hanno geometrie molecolari completamente diverse, ed esistono con distinte proprietà fisiche e chimiche.

Gli isomeri cis-trans sono un esempio di isomeri geometrici. Essi si verificano in complessi planari quadrati con due serie di due ligandi identici, o MA₂B₂, e in complessi ottaedrici con un insieme di quattro ligandi identici e una coppia di un altro ligando, o MA₄B₂. Per esempio, nell'isomero cis del complesso quadrato-planare diamminidicloroplatino(II)noto come cisplatino, i ligandi del cloruro sono adiacenti l'uno all'altro e sullo stesso lato della molecola.

Nell'isomero trans, il transplatino, i ligandi del cloruro si trovano sui lati opposti della molecola. I complessi ottaedrici con due serie di tre ligandi identici, o MA₃B₃, possono esibire un altro tipo di isomerismo geometrico, detto anche isomerismo di fac-mer. Per esempio, nell'isomero fac del triamminatriclorocobalto(III)i tre ligandi dell'ammina e tre ligandi del cloruro si trovano su lati opposti della molecola, e formano così facce opposte dell'ottaedro.

Nell'isomero mer, tre degli stessi ligandi formano un arco attorno all'atomo di metallo centrale. L'altra classe di stereoisomeri viene definita degli isomeri ottici. Come le nostre mani, gli isomeri ottici sono immagini speculari l'uno dell'altro, e non sovrapponibili.

Questi isomeri, detti anche enantiomeri, sono descritti come chirali e hanno pochissime differenze nelle loro proprietà fisiche e chimiche. Gli isomeri ottici si distinguono per la loro interazione con la luce polarizzata nel piano. La luce polarizzata ha vettori di campo elettrico che oscillano su un unico piano, che viene ruotato di una certa quantità quando la luce polarizzata passa attraverso una soluzione di un enantiomero.

Per esempio, un enantiomero di tris(etilendiammina)cobalto(III)ruota il piano verso destra ed è detto destrogiro, o isomero ottico d. L'altro enantiomero ruota il piano a sinistra ed è detto levogiro, o isomero ottico.

stereoisomeria

Isomeria nei complessi

Gli isomeri sono specie chimiche diverse che hanno la stessa formula chimica.

I complessi dei metalli di transizione esistono spesso come isomeri geometrici, in cui gli stessi atomi sono collegati attraverso gli stessi tipi di legami ma con differenze nel loro orientamento nello spazio. I complessi di coordinazione con due diversi ligandi nelle posizioni cis e trans da un ligando di interesse formano isomeri. Ad esempio, lo ione ottaedrico [Co(NH_3)_4C_l2]^+ ha due isomeri (Figura 1). Nella configurazione cis, i due ligandi cloruro sono adiacenti l'uno all'altro. L'altro isomero, la configurazione trans, ha i due ligandi cloruro direttamente uno di fronte all'altro.

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Figura 1. Gli isomeri cis e trans di [Co(H_2O)_4Cl_2]^+ contengono gli stessi ligandi attaccati allo stesso ione metallico, ma la disposizione spaziale fa sì che questi due composti abbiano proprietà molto diverse.

I diversi isomeri geometrici di una sostanza sono diversi composti chimici. Presentano proprietà diverse, anche se hanno la stessa formula. Ad esempio, i due isomeri di [Co(NH_3)_4Cl_2]NO_3 differiscono nel colore; la forma cis è viola e la forma trans è verde. Inoltre, questi isomeri hanno momenti di dipolo, solubilità e reattività diversi. Come esempio di come la disposizione nello spazio può influenzare le proprietà molecolari, consideriamo la polarità dei due isomeri [Co(NH_3)_4Cl_2]NO_3. Ricorda che la polarità di una molecola o di uno ione è determinata dai dipoli di legame (che sono dovuti alla differenza di elettronegatività degli atomi di legame) e dalla loro disposizione nello spazio. In un isomero, i ligandi del cloruro cis causano una maggiore densità elettronica su un lato della molecola rispetto all'altro, rendendola polare. Per l'isomero trans, ciascun ligando è direttamente opposto a un ligando identico, quindi i dipoli di legame si annullano e la molecola è non polare.

Un altro importante tipo di isomeri sono gli isomeri ottici, o enantiomeri, in cui due oggetti sono esattamente l'immagine speculare l'uno dell'altro ma non possono essere allineati in modo che tutte le parti corrispondano. Ciò significa che gli isomeri ottici sono immagini speculari non sovrapponibili. Un classico esempio di ciò è un paio di mani, in cui la mano destra e quella sinistra sono immagini speculari l'una dell'altra ma non possono essere sovrapposte. Gli isomeri ottici sono molto importanti in organica e in biochimica perché i sistemi viventi spesso incorporano uno specifico isomero ottico e non l'altro. A differenza degli isomeri geometrici, le coppie di isomeri ottici hanno proprietà quasi identiche (punto di ebollizione, polarità, solubilità, ecc.). Gli isomeri ottici differiscono solo nel modo in cui influenzano la luce polarizzata e nel modo in cui reagiscono con altri isomeri ottici. Per i complessi di coordinazione, molti composti di coordinazione come [M(en)_3]^n+ [in cui Mn^+ è uno ione metallico centrale come ferro(III) o cobalto(II)] formano enantiomeri, come mostrato nella Figura 2. Questi due isomeri reagirà diversamente con altri isomeri ottici. Ad esempio, le eliche del DNA sono isomeri ottici e la forma che si trova in natura (DNA destrogiro) si legherà solo a un isomero di [M(en)3]n+ e non all'altro.

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Figure 2. Il complesso [M(en)_3]^n+ (Mn^+ = uno ione metallico, en = etilendiammina) ha un'immagine speculare non sovrapponibile.

Lo ione [Co(en)_2Cl_2]^+ mostra isomerismo geometrico (cis/trans) e il suo isomero cis esiste come coppia di isomeri ottici (Figura 3).

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Figura 3. Esistono tre forme isomeriche di [Co(en)_2Cl_2]^+. L'isomero trans, che si forma quando i cloro sono posizionati ad un angolo di 180°, ha proprietà molto diverse dagli isomeri cis. Le immagini speculari dell'isomero cis composti formati una coppia di isomeri ottici, che hanno comportamento identico tranne quando reagiscono con altri enantiomeri.

Questo testo è adattato da <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/19-2-coordination-chemistry-of-transition-metals">Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.2 Coordination Chemistry of Transition Metals.</a>

Stereoisomeria

Isomeria nei complessi
Gli isomeri sono specie chimiche diverse che hanno la stessa formula chimica.
I complessi di metalli di transizione esistono spesso come geometrie ...

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Transition Metals and Coordination Complexes

Metalli di transizione e complessi di coordinazione

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KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMINI E CONCETTI CHIAVE

Stereoisomerism

isomer shapes in coordination complexes

Isomer shapes in coordination complexes can change a compound’s properties even when the chemical formula stays the same. Isomers are different chemical species with the same formula. In transition metal complexes, the atoms stay connected through the same types of bonds, but their arrangement in space can differ.

One common form is geometric isomerism. In these complexes, ligands (the ions or molecules attached to the metal) can sit in cis or trans positions. The octahedral [Co(NH3)4Cl2]+ ion has two geometric isomers. In the cis form, the two chloride ligands are next to each other. In the trans form, the chlorides are directly across from one another.

These geometric isomers can behave very differently. The two isomers of [Co(NH3)4Cl2]NO3 have different colors. The cis form is violet, and the trans form is green. They also differ in dipole moment, solubility, and reactivity. Polarity depends on bond dipoles and how they are arranged in space. In the cis isomer, the chloride ligands create more electron density on one side of the ion, so it is polar. In the trans isomer, matching ligands are opposite each other, so the dipoles cancel and the ion is nonpolar.

Another important category is optical isomerism, also called enantiomerism. Enantiomers are mirror images that cannot be superposed, like right and left hands. These optical isomers are important in organic chemistry and biochemistry because living systems often use one optical isomer but not the other. Unlike geometric isomers, enantiomers usually have nearly identical boiling points, polarity, and solubility. They differ in how they affect polarized light and how they react with other optical isomers.

Many coordination compounds also form enantiomers. A complex such as [M(en)3]n+, where M is a metal ion like iron(III) or cobalt(II) and en is ethylenediamine, can exist as a pair of non-superposable mirror images. These forms react differently with other optical isomers. For example, DNA helices are optical isomers, and natural right-handed DNA binds to only one isomer of [M(en)3]n+.

Some complexes show both geometric and optical isomerism. The [Co(en)2Cl2]+ ion has cis and trans forms. Its trans isomer has the chlorines 180° apart and has very different properties from the cis form. The cis isomer also exists as a pair of optical isomers. These mirror-image forms behave the same in most ways, except when they react with other enantiomers.

Isomer Shapes in Coordination Complexes

properties of transition metals

Transition Metals in the Periodic Table

Transition metals are the d-block elements and the inner transition metals in the f-block. They are defined by partially filled d orbitals. In the periodic table, the transition elements are in groups 3 through 11, and the inner transition metals appear in the two rows below the main body of the table. The d-block is often grouped into transition series. The first transition series runs from Sc through Cu. The second series runs from Y through Ag. The third series includes La and Hf through...

coordination compounds and nomenclature

How Transition Metal Complexes Are Named

Transition metal complexes are named by following rules for ligands, metal ions, and oxidation state. These compounds form when a central metal ion or atom, often a transition metal or inner transition metal, accepts electron pairs from ligands. A ligand is a Lewis base that can be an atom, molecule, or ion with one or more lone pairs to donate. In these complexes, the bond is a coordinate covalent bond. That means both electrons in the bond come from the donor, such as ammonia, and are...

metal-ligand bonds

Coordination Complexes and Chelation

Coordination complexes form when a metal ion bonds to ligands. These compounds appear in familiar examples such as hemoglobin in blood, chlorophyll in green plants, vitamin B-12, and the catalyst used to make polyethylene. Transition metal ions are especially likely to form these complexes. In a coordination complex, the metal acts as a Lewis acid. The ligand acts as a Lewis base and donates both electrons in the coordinate covalent bond. A ligand can be an atom, molecule, or ion, as long as...

coordination number and geometry

Transition Metal Shapes from Coordination Number

Transition metal complexes are often identified by their coordination number and the shape around the metal ion. The coordination number is the number of donor atoms bonded to the central metal. In many complexes, the most common shapes are octahedral, tetrahedral, and square planar. Coordination number and molecular geometry are linked in a clear pattern. A coordination number of 2 gives a linear shape, as in [Ag(NH3)2]+. A coordination number of 3 gives a trigonal planar shape, as in...

structural isomerism

Linkage and Ionization Isomers

Isomers are different chemical species that share the same chemical formula. In coordination compounds, structural isomerism includes linkage isomers and coordination-sphere isomers. These two forms show how the same atoms can be arranged in different ways around a metal center. Linkage isomers form when a ligand can attach to a transition metal through two different atoms. The cyanide ligand, CN−, can bind through carbon or nitrogen. The thiocyanate ligand, SCN−, can bind through sulfur or...

stereoisomerism

Isomer shapes in coordination complexes can change a compound’s properties even when the chemical formula stays the same. Isomers are different chemical species with the same formula. In transition metal complexes, the atoms stay connected through the same types of bonds, but their arrangement in space can differ. One common form is geometric isomerism. In these complexes, ligands (the ions or molecules attached to the metal) can sit in cis or trans positions. The octahedral [Co(NH3)4Cl2]+ ion...

valence bond theory

Metal Ligand Bonds in Coordination Complexes

Coordination complexes form metal-ligand bonds through valence bond theory. In this model, Linus Pauling explained bonding with hybridization and overlap of atomic orbitals. The central metal atom or ion acts as a Lewis acid. It uses empty orbitals of suitable energy to accept electron pairs from ligands, which act as Lewis bases. These coordinate covalent bonds help explain the color, geometry, and magnetic behavior seen in coordination compounds. The type of hybridization helps determine the...

crystal field theory - octahedral complexes

crystal-field-theory-octahedral-complexes

Octahedral d-Orbital Splitting in Crystal Fields

Crystal field theory explains how ligands affect the d orbitals in transition metal complexes. This electrostatic model helps predict the colors, magnetic behavior, and some structures of coordination compounds. It focuses on the nonbonding electrons on the central metal ion, not on the metal-ligand bonds. In crystal field theory, the metal ion and ligands are treated as very small point charges. Because electrons are negative, electrons donated by the ligands repel the electrons in the...

crystal field theory - tetrahedral and square planar complexes

crystal-field-theory-tetrahedral-and-square-planar-complexes

Crystal Field Splitting in Non-Octahedral Shapes

Crystal field theory also explains d orbital splitting in tetrahedral and square planar complexes. These shapes do not follow the same pattern as an octahedral complex, so the d orbitals respond to ligand placement in different ways. In tetrahedral complexes, the four ligands sit between the axes. None of the d orbitals points directly at the ligands, but the d x2−y2 and d z2 orbitals lie along the Cartesian axes and overlap less with the ligands than the d xy, d xz, and d yz orbitals. The d...

colors and magnetism

Color and Spin in Coordination Complexes

Color in coordination complexes comes from how metal electrons absorb light. When atoms or molecules absorb light at the right frequency, electrons move to higher-energy orbitals. For many main-group atoms and molecules, the absorbed light is ultraviolet and cannot be seen. In coordination compounds, the energy gap between d orbitals often matches visible light, so the compound can absorb and emit colors that the human eye detects. Small changes in orbital energy can cause large shifts in the...

key terms and concepts

Explore cis, trans, and optical isomers in coordination complexes. See how ligand arrangement changes color, polarity, and reactivity in transition metal compounds.

Isomer Shapes in Coordination Complexes | JoVE K12

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Isomer Shapes in Coordination Complexes

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