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

配位化合物の立体異性体は、同じ化学式を持ち、配位子の金属原子への結合性が同じであるが、中心原子の周りの配位子分子の配置が異なる分子です。
分子構造に基づいて、配位化合物の立体異性体は、幾何学的異性体または光学異性体として分類されます。
幾何学的異性体は、分子形状がまったく異なり、異なる物理的および化学的特性を持つ立体異性体です。
CIS-トランス異性体は、幾何学的異性体の一例です。それらは、2つの同一の配位子の2つのセット、またはMA2B2を持つ正方形平面錯体、および4つの同一の配位子のセットと別の配位子のペア、またはMA4B2を持つ八面体錯体で発生します。 
例えば、シスプラチンとして知られる正方形-平面錯体ジアンミンジクロロプラチナ(II)のシス異性体では、塩化物配位子は互いに隣接し、分子の同じ側にあります。トランス異性体であるトランスプラチンでは、塩化物配位子は分子の反対側にあります。 
3つの同一の配位子を2組持つ八面体錯体、またはMA3B3は、fac-mer異性として知られる別のタイプの幾何学的異性を示すことがあります。 
例えば、トリアンミネトリクロロコバルト(III)のfac異性体では、3つのアミン配位子と3つの塩化物配位子が分子の反対側にあり、八面体の反対側を形成しています。異性体では、同じ配位子の3つが中心の金属原子の周りに弧を形成します。
他のクラスの立体異性体は、光学異性体として定義されます。私たちの手のように、光学異性体は互いの鏡像であり、重ね合わせることはできません。これらの異性体はエナンチオマーとも呼ばれ、キラルと呼ばれ、物理的および化学的特性にほとんど違いがありません。
光学異性体は、平面偏光との相互作用によって区別されます。偏光は、単一の平面内で振動する電場ベクトルを持ち、偏光が鏡像異性の溶液を通過するときに一定量回転します。 
例えば、トリス(エチレンジアミン)コバルト(III)の鏡像異性体は、平面を右に回転させ、デキストロロータリー、またはd光学異性体と呼ばれます。他のエナンチオマーは平面を左に回転させ、レボロータリー、またはl光学異性体と呼ばれます。

立体異性体

<h3>錯体の異性化</h3>
 異性体とは、同じ化学式で表される異なる化学種のことです。
 遷移金属錯体は、同じ原子が同じ種類の結合でつながっていますが、空間での向きが異なる幾何異性体として存在することがあります。配位子のシス位とトランス位に2つの異なる配位子を持つ配位錯体は、配位異性体を形成します。例えば、八面体の[Co(NH3)4Cl2]+イオンには、2つの異性体が存在する（Figure 1）。 cis配置では、2つの塩化物イオン配位子が互いに隣接しています。もう一方の異性体であるtrans配置では、2つの塩化物配位子が互いに真向かいです。
 <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11459/11459_Image1.svg" style="text-align: center; height: 200px;" />
 Figure 1.[Co(H2O)4Cl2]+のcisおよびtrans異性体は、同じ金属イオンに同じ配位子が結合しています。しかし空間的な配置が異なっているため、この2つの化合物は非常に異なる性質を持ちます。
 ある物質と幾何学的に異なる原子配置をもつ異性体は、異なる化学物質です。同じ化学式であっても、異なる性質を示します。例えば、[Co(NH3)4Cl2]NO3の2つの異性体は色が異なり、cis型は紫、trans型は緑です。さらに、これらの異性体は、双極子モーメント、溶解度、反応性も異なります。空間上の配置が分子特性にどのように影響するかの例として、2つの[Co(NH3)4Cl2]NO3異性体の極性を考えたいです。分子やイオンの極性は、結合双極子（結合している原子の電気陰性度の違いによるもの）と空間内の配置によって決まります。ある異性体では、cisの塩化物イオン配位子は、分子の一方の側に他方の側よりも多くの電子密度を生じさせ、結果として極性が生じます。trans異性体では、各配位子が同一の配位子の真向かいにあるため、結合双極子が相殺され、分子は無極性となります。
 もう1つの重要な異性体は、光学異性体（エナンチオマー）です。これは、2つの化学種がお互いの鏡像であり、すべての原子を重ね合わせることが出来ないような関係にある異性体として定義されます。典型的な例は一対の手であり、右手と左手が互いに鏡像でありながら重ね合わせることができません。生物は、ある特定の光学異性体を持ち、他の光学異性体を持たないことが多いため、光学異性体は有機化学や生化学において非常に重要です。幾何異性体とは異なり、光学異性体のペアはほぼ同じ性質（沸点、極性、溶解度など）を持ちます。光学異性体の違いは、偏光への影響や、他の光学異性体との反応の仕方だけです。配位錯体の場合、[M(en)3]n+ （ここで、Mn+は鉄(III)やコバルト(II)などの中心金属イオン）などの多くの配位化合物は、Figure 2に示すように光学異性体を形成します。この2つの異性体は、他の光学異性体との反応が異なります。例えば、DNAのらせんは光学異性体であり、自然界に存在する形（右巻きのDNA）は、[M(en)3]n+の一方の異性体のみと結合し、もう一方の異性体とは結合しません。
 <img alt="Image2" src="/files/ftp_upload/11459/11459_Image_2.svg" style="text-align: center; height: 200px;" />
 Figure 2. 錯体[M(en)3]n+(Mn+ = 金属イオン、en = エチレンジアミン)は、重ね合わせ不可能な鏡像を持ちます。
 [Co(en)2Cl2]+イオンは、幾何異性（cis/trans）を示し、そのcis異性体は一対の光学異性体として存在します。（Figure 3）
 <img alt="Image3" src="/files/ftp_upload/11459/11459_Image_3.svg" style="text-align: center; height: 200px;" />
 Figure 3.[Co(en)2Cl2]+には、3つの異性体が存在します。塩素が180°の角度で配置されてできるtrans異性体は、cis異性体とは全く異なる性質を持っています。cis異性体の鏡像は一対の光学異性体を形成し、他のエナンチオマーと反応する場合を除いて同一の性質を示します。
 上記の文章は以下から引用しました。<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>

錯体における異性
異性体は、同じ化学式を持つ異なる化学種です。
遷移金属錯体は、多くの場合、幾何学的な...

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Transition Metals and Coordination Complexes

遷移金属と配位錯体

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KEY TERMS AND CONCEPTS

主要用語と概念

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.

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