20.6: 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.

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.

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).

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 Openstax, Chemistry 2e, Chapter 19.2 Coordination Chemistry of Transition Metals.

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.