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

배위 화합물의 입체 이성질체는 동일한 화학식과 금속 원자에 대한 리간드의 연결성을 가지지만 중심 원자 주변의 리간드 분자의 배열이 다른 분자입니다. 분자 구조에 근거하여 배위 화합물의 입체 이성질체는 기하학적 이성질체 또는 광학 이성질체로 분류됩니다. 기하학적 이성질체는 완전히 다른 분자 기하 구조를 가지고 있고 뚜렷한 물리적, 화학적 성질을 가진 입체 이성질체입니다.

시스-트랜스는 기하학적 이성질체의 한 예입니다. 두 개의 동일한 리간드 즉 MA²B²가 있는 정사각형 평면 복합체 및 네 개의 동일한 리간드 집합과 다른 리간드 쌍 즉 MA²B²이 있는 8면체 복합체에서 발생합니다. 예를 들어 시스플라틴으로 알려진 정사각형 평면 화합물 다이아미네디클로로 백금 의 시스 이성질체에서 염화물 리간드는 서로 인접하고 분자의 같은 면에 있습니다.

트랜스 이성질체인 트랜스플라틴에서 염화물 리간드는 분자의 반대편에 있습니다. 3개의 동일한 리간드 즉 MA₃B₃의 두 집합이 있는 팔면체 화합물은 fac-mer 이성질체로 알려진 또 다른 유형의 기하학적 이성질체를 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 트리아미네이트리히로코발트(III)의 fac 이성질체에서 3개의 아민 리간드와 3개의 염화물 리간드는 분자의 반대쪽에 있으므로 팔면체의 반대면을 구성합니다.

mer 이성질체에서 3개의 동일한 리간드는 중심 금속 원자 주위에서 호를 형성합니다. 다른 종류의 입체 이성질체는 광학 이성질체로 정의됩니다. 우리 손처럼 광학 이성질체는 서로의 거울상이며 겹쳐질 수 없습니다.

거울상 이성질체라고도 하는 이 이성질체는 키랄로 설명되며 물리적 및 화학적 특성에서 거의 차이가 없습니다. 광학 이성질체는 평면 편광과의 상호작용으로 구별됩니다. 편광은 단일 평면에서 진동하는 전기장 벡터를 가지며 편광된 빛이 이성질체 용액을 통과할 때 일정량 회전합니다.

예를 들어 트리스(에틸렌디아민)코발트(III)의 한 거울상체는 평면을 오른쪽으로 회전시키고 우선성 또는 d 광학 이성질체라고 합니다. 다른 거울상체는 평면을 왼쪽으로 회전시키며 좌선성 또는 l 광학 이성질체라고 합니다.

입체이성질체

복합체의 이성질체

이성질체는 동일한 화학식을 갖는 서로 다른 화학종입니다.

전이 금속 착물은 종종 동일한 원자가 동일한 유형의 결합을 통해 연결되지만 공간에서의 방향이 다른 기하학적 이성질체로 존재합니다. 관심 있는 리간드의 cis 및 trans 위치에 두 개의 서로 다른 리간드가 있는 배위 복합체는 이성질체를 형성합니다. 예를 들어, 팔면체 [Co(NH_3)_4Cl_2]^+ 이온은 두 개의 이성질체를 가지고 있습니다(그림 1). cis 배열에서는 두 개의 염화물 리간드가 서로 인접해 있습니다. 다른 이성질체인 트랜스 배열은 두 개의 염화물 리간드가 서로 직접적으로 마주보고 있습니다.

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Figure 1. [Co(H_2O)_4Cl_2]+의 시스 및 트랜스 이성질체는 동일한 금속 이온에 부착된 동일한 리간드를 포함하지만 공간 배열로 인해 이 두 화합물은 매우 다른 특성을 갖게 됩니다.

물질의 다른 기하 이성질체는 다른 화합물입니다. 동일한 공식을 가지고 있어도 서로 다른 특성을 나타냅니다. 예를 들어, [Co(NH_3)_4Cl_2]NO_3의 두 이성질체는 색상이 다릅니다. 시스 형태는 보라색, 트랜스 형태는 녹색입니다. 게다가, 이 이성질체는 쌍극자 모멘트, 용해도 및 반응성이 다릅니다. 공간의 배열이 분자 특성에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 예로서 두 [Co(NH_3)_4Cl_2]NO_3 이성질체의 극성을 고려하십시오. 분자 또는 이온의 극성은 결합 쌍극자(결합 원자의 전기 음성도 차이로 인해 발생)와 공간에서의 배열에 의해 결정된다는 점을 기억하십시오. 한 이성질체에서 염화시스 리간드는 분자의 한쪽 면에서 다른 쪽 면보다 더 많은 전자 밀도를 유발하여 분자를 극성으로 만듭니다. 트랜스 이성질체의 경우 각 리간드는 동일한 리간드 바로 건너편에 있으므로 결합 쌍극자가 상쇄되고 분자는 비극성이 됩니다.

이성질체의 또 다른 중요한 유형은 광학 이성질체 또는 거울상 이성질체입니다. 여기서 두 물체는 서로 정확히 거울상이지만 모든 부분이 일치하도록 정렬될 수는 없습니다. 이는 광학 이성질체가 겹쳐질 수 없는 거울상임을 의미합니다. 이에 대한 전형적인 예는 한 쌍의 손으로, 오른손과 왼손은 서로 거울상이지만 겹쳐질 수는 없습니다. 광학 이성질체는 유기 및 생화학에서 매우 중요합니다. 생명체는 종종 하나의 특정 광학 이성질체를 포함하고 다른 광학 이성질체는 포함하지 않기 때문입니다. 기하 이성질체와 달리 광학 이성질체 쌍은 거의 동일한 특성(끓는점, 극성, 용해도 등)을 갖습니다. 광학 이성질체는 편광에 영향을 미치는 방식과 다른 광학 이성질체와 반응하는 방식만 다릅니다. 배위 착물의 경우, [M(en)_3]^n+ [여기서 Mn^+는 철(III) 또는 코발트(II)와 같은 중심 금속 이온임]과 같은 많은 배위 화합물이 그림 2에 표시된 대로 거울상 이성질체를 형성합니다. 이 두 이성질체 다른 광학 이성질체와 다르게 반응합니다. 예를 들어, DNA 나선은 광학 이성질체이며 자연에서 발생하는 형태(우측 DNA)는 [M(en)_3]^n+의 한 이성질체에만 결합하고 다른 이성질체에는 결합하지 않습니다.

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Figure 2. 착물 [M(en)_3]^n+(Mn^+ = 금속 이온, en = 에틸렌디아민)은 겹쳐질 수 없는 거울 이미지를 갖습니다.

[Co(en)_2Cl_2]^+ 이온은 기하학적 이성질체(cis/trans)를 나타내며, 그 cis 이성질체는 한 쌍의 광학 이성질체로 존재합니다(그림 3).

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Figure 3. [Co(en)_2Cl_2]^+의 세 가지 이성체 형태가 존재합니다. 염소가 180° 각도로 위치할 때 형성되는 트랜스 이성질체는 시스 이성질체와 매우 다른 특성을 갖습니다. Cis 이성질체의 거울상은 다른 거울상 이성질체와 반응할 때를 제외하고는 동일한 거동을 갖는 한 쌍의 광학 이성질체를 형성합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 <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>

복합체의 이성질체
이성질체는 동일한 화학식을 가진 다른 화학 종입니다.
전이 금속 착물은 종종 기하학적으로 존재합니다 ...

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Transition Metals and Coordination Complexes

전이 금속과 배위 화합물

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KEY TERMS AND CONCEPTS

주요 용어 및 개념

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

chemistry

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Isomer Shapes in Coordination Complexes

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