Koordinationsverbindungen — Nomenklatur & Isomerie

Koordinationsverbindungen sind Metallkomplexe, bei denen ein zentrales Metallatom oder Metallion an umgebende Liganden gebunden ist. Um eine solche Verbindung zu benennen, trennt man zuerst die in Klammern stehende Koordinationssphäre von allen Gegenionen, benennt dann die Liganden und anschließend das Metall mit seiner Oxidationszahl. Um Isomerie zu erkennen, fragt man, ob sich bei gleicher Summenformel die Anordnung oder Bindung unterscheiden kann.

Das sind die zwei Fragen, die Studierende meist meinen, wenn sie nach Nomenklatur und Isomerie von Koordinationsverbindungen suchen. Wie lautet der korrekte Name, und kann dieselbe Formel mehr als eine Verbindung darstellen?

Wie eine Koordinationsverbindung aussieht

In einer Formel wie $[Co(NH_3)_6]Cl_3$ ist der Teil in eckigen Klammern die Koordinationssphäre. Hier sind sechs Ammoniakliganden direkt an Cobalt gebunden. Die drei Chloridionen außerhalb der Klammern sind Gegenionen, nicht Liganden in dieser geschriebenen Formel.

Diese Unterscheidung ist für die Benennung wichtig. Liganden innerhalb der Koordinationssphäre werden als Teil des Komplexions benannt. Ionen außerhalb der Klammern werden getrennt benannt, genau wie bei anderen Ionenverbindungen.

Wie man eine Koordinationsverbindung Schritt für Schritt benennt

Eine zuverlässige Methode zur Benennung ist:

• benenne die Liganden vor dem Metall
• verwende bei Bedarf spezielle Ligandennamen, zum Beispiel ammin für $NH_3$ und aqua für $H_2O$
• verwende in der modernen IUPAC-Nomenklatur Namen wie chlorido, cyanido oder hydroxido für häufige anionische Liganden
• verwende Präfixe wie di-, tri- und tetra-, um anzugeben, wie viele Liganden jeder Art vorhanden sind
• ordne die Liganden alphabetisch nach dem Ligandennamen, nicht nach dem Präfix
• schreibe die Oxidationszahl des Metalls in römischen Zahlen

Wenn das Komplexion anionisch ist, ändert sich der Metallname meist zu einer $-at$-Form. Da diese Formen nicht immer auf den ersten Blick erkennbar sind, ist es besser, den Standardnamen nachzuschlagen, statt zu raten.

Bei vollständigen Koordinationsverbindungen wird zuerst das Kation und dann das Anion benannt. Wenn der Komplex selbst das Kation ist, wird sein Gegenanion danach benannt. Wenn der Komplex selbst das Anion ist, wird zuerst das positive Ion genannt.

Durchgerechnetes Beispiel: $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$

Dieser neutrale Komplex ist ein gutes Beispiel, weil er sowohl die Benennung als auch die geometrische Isomerie zeigt.

Beginne mit der Oxidationszahl von Platin. Ammoniak ist ein neutraler Ligand, während jedes koordinierte Chlorid $-1$ beiträgt.

$$x + 2(0) + 2(-1) = 0$$

Also gilt

$$x = +2$$

Nun werden die Liganden benannt. Es gibt zwei Amminliganden und zwei Chloridoliganden. Alphabetisch steht ammin vor chlorido, also lautet der Grundname diamminedichloridoplatinum(II).

Diese Formel kann aber auf zwei verschiedene quadratisch-planare Arten angeordnet sein:

• cis: die beiden Chloridoliganden liegen benachbart
• trans: die beiden Chloridoliganden liegen gegenüber

Die beiden Isomere sind also cis-diamminedichloridoplatinum(II) und trans-diamminedichloridoplatinum(II).

Sie haben dieselbe Formel und dieselbe Verknüpfung der Atome, aber eine unterschiedliche räumliche Anordnung. Das ist geometrische Isomerie. Dahinter steckt dieselbe Idee wie bei den gebräuchlichen Namen Cisplatin und Transplatin.

Welche Isomeriearten am wichtigsten sind

Geometrische Isomerie

Das ist das häufigste erste Beispiel. In quadratisch-planaren und oktaedrischen Komplexen können Liganden unterschiedliche relative Positionen einnehmen, auch wenn die Formel gleich bleibt. Die bekannten Bezeichnungen sind cis und trans und in manchen oktaedrischen Fällen fac und mer.

Diese Art von Isomerie hängt von der Geometrie ab. Wenn die Form des Komplexes oder das Ligandenmuster keine unterscheidbaren Positionen zulässt, dann sind cis- und trans-Bezeichnungen nicht anwendbar.

Optische Isomerie

Einige Koordinationskomplexe können nicht deckungsgleiche spiegelbildliche Paare bilden. Das sind optische Isomere. Sie haben dieselbe Verknüpfung und oft dasselbe grundlegende Benennungsmuster, unterscheiden sich aber in ihrer Händigkeit.

Man begegnet dem meist bei bestimmten oktaedrischen Komplexen, besonders wenn die Ligandenanordnung den Komplex chiral macht. Die entscheidende Bedingung ist Chiralität: Wenn der Komplex eine Spiegelebene oder ein anderes Symmetrieelement besitzt, das die Händigkeit aufhebt, tritt keine optische Isomerie auf.

Strukturisomerie

Strukturisomere haben dieselbe Gesamtzusammensetzung, unterscheiden sich aber darin, was womit verbunden ist oder was innerhalb beziehungsweise außerhalb der Koordinationssphäre sitzt.

Ein wichtiger Fall ist die Bindungsisomerie, bei der ein ambidentater Ligand über unterschiedliche Donoratome bindet. Ein anderer ist die Ionisationsisomerie, bei der ein Ligand und ein Gegenion die Plätze tauschen, wenn die Zusammensetzung das zulässt. In beiden Fällen ändert sich der Name, weil sich die Bindungsbeschreibung ändert.

Häufige Fehler

Alle Chloride gleich behandeln

Ein Chloridion außerhalb der Klammern wird als Chlorid benannt. Ein koordiniertes Chlorid als Ligand innerhalb der Klammern wird als chlorido benannt. Wenn man das verwechselt, erhält man den falschen Namen.

Präfixe für die alphabetische Reihenfolge verwenden

Die alphabetische Reihenfolge richtet sich nach den Ligandennamen, nicht nach di-, tri- oder tetra-. Deshalb wird ammin unter a eingeordnet, nicht unter d.

Vergessen, dass manche Liganden neutral sind

$NH_3$ und $H_2O$ sind häufige neutrale Liganden. Wenn man sie bei der Berechnung der Oxidationszahl als geladen behandelt, erhält man für das Metall die falsche Oxidationszahl.

Annehmen, dass jeder Komplex mit mehrfach vorkommenden Liganden cis/trans-Isomere hat

Das funktioniert nur, wenn Geometrie und Ligandenanordnung tatsächlich unterschiedliche Positionen erlauben. Die Formel allein reicht nicht aus.

Wo Koordinationsverbindungen vorkommen

Dieses Thema taucht in der gesamten Koordinationschemie, der Übergangsmetallchemie, der qualitativen Analyse, der Katalyse und der bioanorganischen Chemie auf. Selbst wenn du dich nie auf diese Bereiche spezialisierst, helfen dir die Benennungsregeln dabei, Formeln korrekt zu lesen und nicht zu übersehen, wenn zwei Verbindungen tatsächlich verschiedene Isomere sind.

Außerdem trainiert es eine nützliche Gewohnheit: Lies eine Formel nicht nur als Liste von Atomen. In der Koordinationschemie sind Position, Ladung und Bindungsmuster alle wichtig.

Probiere eine ähnliche Benennungsaufgabe

Versuche, $[Co(NH_3)_5Cl]Cl_2$ zu benennen. Trenne zuerst die Koordinationssphäre von den Gegenionen. Bestimme dann die Oxidationszahl von Cobalt und prüfe, welches Chlorid ein Ligand ist und welche Chloride außerhalb der Klammern stehen. Diese eine Übung sorgt meist dafür, dass die Klammernotation wirklich verständlich wird.