배위 화합물 — 명명법과 이성질체

배위 화합물은 중심 금속 원자 또는 금속 이온에 주변 리간드가 결합한 금속 착물입니다. 이름을 붙일 때는 먼저 대괄호로 묶인 배위권과 바깥의 반대 이온을 구분한 뒤, 리간드 이름, 금속 이름, 금속의 산화수 순서로 씁니다. 이성질체를 판단할 때는 같은 전체 화학식이 배열이나 결합 방식에 따라 달라질 수 있는지를 보면 됩니다.

학생들이 배위 화합물의 명명법과 이성질체를 검색할 때 보통 궁금해하는 것은 두 가지입니다. 올바른 이름은 무엇인가, 그리고 같은 화학식이 둘 이상의 화합물을 나타낼 수 있는가입니다.

배위 화합물의 생김새

$[Co(NH_3)_6]Cl_3$ 같은 화학식에서 대괄호 안 부분이 배위권입니다. 여기서는 여섯 개의 암모니아 리간드가 코발트에 직접 결합해 있습니다. 대괄호 밖의 세 개 염화 이온은 반대 이온이지, 이 화학식에서 리간드는 아닙니다.

이 구분은 명명에서 중요합니다. 배위권 안의 리간드는 착이온의 일부로 이름을 붙입니다. 대괄호 밖의 이온은 다른 이온 화합물처럼 따로 이름을 붙입니다.

배위 화합물 이름을 단계별로 붙이는 법

신뢰할 수 있는 명명 방법은 다음과 같습니다.

• 금속보다 먼저 리간드 이름을 쓴다
• 필요한 경우 특수한 리간드 이름을 쓴다. 예를 들어 $NH_3$는 ammine, $H_2O$는 aqua를 사용한다
• 현대 IUPAC 명명법에서는 흔한 음이온 리간드에 대해 chlorido, cyanido, hydroxido 같은 이름을 사용한다
• 각 리간드의 개수를 나타내기 위해 di-, tri-, tetra- 같은 접두사를 사용한다
• 리간드는 접두사가 아니라 리간드 이름을 기준으로 알파벳순으로 배열한다
• 금속의 산화수는 로마 숫자로 쓴다

착이온이 음이온이면 금속 이름은 보통 $-ate$형으로 바뀝니다. 이런 형태는 겉보기만으로 바로 알기 어려운 경우가 있으므로, 추측하기보다 표준 명칭을 확인하는 편이 좋습니다.

전체 배위 화합물의 이름을 쓸 때는 양이온을 먼저, 음이온을 나중에 씁니다. 착물 자체가 양이온이면 그 뒤에 반대 음이온 이름을 씁니다. 착물 자체가 음이온이면 양이온 이름을 먼저 씁니다.

풀이 예시: $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$

이 중성 착물은 명명법과 기하 이성질체를 함께 보여 주기 때문에 좋은 예입니다.

먼저 백금의 산화수를 구합니다. 암모니아는 중성 리간드이고, 배위된 각 염화 리간드는 $-1$을 가집니다.

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

따라서

$$x = +2$$

이제 리간드 이름을 붙입니다. ammine 리간드가 두 개, chlorido 리간드가 두 개 있습니다. 알파벳순으로는 ammine이 chlorido보다 앞서므로 기본 이름은 **diamminedichloridoplatinum(II)**입니다.

하지만 이 화학식은 평면 정사각형 구조에서 두 가지 방식으로 배열될 수 있습니다.

• cis: 두 chlorido 리간드가 서로 인접해 있다
• trans: 두 chlorido 리간드가 서로 마주 본다

따라서 두 이성질체의 이름은 **cis-diamminedichloridoplatinum(II)**와 **trans-diamminedichloridoplatinum(II)**입니다.

이들은 같은 화학식과 같은 연결 관계를 가지지만, 공간적 배열이 다릅니다. 이것이 기하 이성질입니다. 흔히 쓰는 이름인 cisplatin과 transplatin도 같은 개념입니다.

어떤 이성질체가 가장 중요한가

기하 이성질

가장 먼저 배우는 대표적인 예입니다. 평면 정사각형 착물과 팔면체 착물에서는 화학식이 같아도 리간드가 서로 다른 상대적 위치를 차지할 수 있습니다. 익숙한 표시는 cis, trans이며, 일부 팔면체의 경우 fac, mer도 사용합니다.

이런 이성질은 기하 구조에 달려 있습니다. 착물의 형태나 리간드 배열이 서로 다른 위치를 허용하지 않으면 cis와 trans라는 이름은 적용되지 않습니다.

광학 이성질

일부 배위 착물은 서로 겹쳐지지 않는 거울상 한 쌍을 만들 수 있습니다. 이것이 광학 이성질체입니다. 이들은 같은 연결 관계를 가지며 기본적인 명명 방식도 비슷하지만, 오른손형과 왼손형처럼 손잡이성이 다릅니다.

보통 특정한 팔면체 착물에서 자주 보며, 특히 리간드 배열 때문에 착물이 키랄할 때 나타납니다. 핵심 조건은 키랄성입니다. 착물에 거울면이나 손잡이성을 없애는 다른 대칭 요소가 있으면 광학 이성질은 생기지 않습니다.

구조 이성질

구조 이성질체는 전체 조성은 같지만 무엇이 무엇에 연결되는지, 또는 무엇이 배위권 안에 있고 밖에 있는지가 다릅니다.

중요한 예 중 하나는 결합 이성질로, 양쪽성 리간드가 서로 다른 주개 원자를 통해 결합하는 경우입니다. 또 다른 예는 이온화 이성질로, 조성이 허용하면 리간드와 반대 이온이 자리를 바꾸는 경우입니다. 두 경우 모두 결합에 대한 설명이 달라지므로 이름도 바뀝니다.

흔한 실수

모든 염화 이온을 똑같이 취급하는 경우

대괄호 밖의 염화 이온은 chloride라고 부릅니다. 대괄호 안에서 배위된 염화 리간드는 chlorido라고 부릅니다. 이를 혼동하면 이름이 틀려집니다.

알파벳순 정렬에 접두사를 사용하는 경우

알파벳순은 di-, tri-, tetra-가 아니라 리간드 이름을 기준으로 정합니다. 따라서 ammine은 a로 분류하지, d로 분류하지 않습니다.

일부 리간드가 중성이라는 점을 잊는 경우

$NH_3$와 $H_2O$는 대표적인 중성 리간드입니다. 산화수를 계산할 때 이들을 전하를 띤 것으로 취급하면 금속의 산화수가 잘못 나옵니다.

같은 리간드가 반복되면 항상 cis/trans 이성질체가 있다고 가정하는 경우

이것은 기하 구조와 리간드 배열이 실제로 서로 다른 위치를 허용할 때만 가능합니다. 화학식만으로는 충분하지 않습니다.

배위 화합물은 어디에서 등장하는가

이 주제는 배위 화학, 전이 금속 화학, 정성 분석, 촉매, 생무기 화학 전반에 걸쳐 등장합니다. 이런 분야를 전공하지 않더라도 명명 규칙을 알면 화학식을 정확히 읽을 수 있고, 두 화합물이 사실은 서로 다른 이성질체라는 점을 놓치지 않게 됩니다.

또한 유용한 습관도 길러 줍니다. 화학식을 단순히 원자의 목록으로만 읽지 않는 것입니다. 배위 화학에서는 위치, 전하, 결합 방식이 모두 중요합니다.

비슷한 명명 문제를 풀어 보기

$[Co(NH_3)_5Cl]Cl_2$의 이름을 직접 붙여 보세요. 먼저 배위권과 반대 이온을 구분합니다. 그다음 코발트의 산화수를 계산하고, 어떤 염화 이온이 리간드인지 어떤 염화 이온들이 대괄호 밖에 있는지 확인하세요. 이 한 문제를 풀어 보면 대괄호 표기가 훨씬 분명해지는 경우가 많습니다.