Związki koordynacyjne — nazewnictwo i izomeria

Związki koordynacyjne to kompleksy metali, w których centralny atom metalu lub jon metalu jest związany z otaczającymi go ligandami. Aby poprawnie nadać nazwę takiemu związkowi, najpierw oddziel sferę koordynacyjną ujętą w nawiasy od ewentualnych przeciwjonów, potem nazwij ligandy, a następnie metal i jego stopień utlenienia. Aby rozpoznać izomerię, sprawdź, czy ten sam wzór sumaryczny może różnić się ułożeniem przestrzennym albo sposobem wiązania.

To są dwa pytania, które uczniowie i studenci zwykle mają na myśli, gdy szukają informacji o nazewnictwie i izomerii związków koordynacyjnych. Jaka jest poprawna nazwa i czy ten sam wzór może oznaczać więcej niż jeden związek?

Jak wygląda związek koordynacyjny

We wzorze takim jak $[Co(NH_3)_6]Cl_3$ część znajdująca się w nawiasach kwadratowych to sfera koordynacyjna. Tutaj sześć ligandów amoniaku jest bezpośrednio związanych z kobaltem. Trzy jony chlorkowe poza nawiasami są przeciwjonami, a nie ligandami w tym zapisie wzoru.

To rozróżnienie ma znaczenie przy nazewnictwie. Ligandy znajdujące się w sferze koordynacyjnej nazywa się jako część jonu kompleksowego. Jony poza nawiasami nazywa się osobno, tak jak w innych związkach jonowych.

Jak krok po kroku nazwać związek koordynacyjny

Niezawodna metoda nazewnictwa jest następująca:

• nazwij ligandy przed nazwą metalu
• stosuj specjalne nazwy ligandów tam, gdzie są wymagane, na przykład ammina dla $NH_3$ i akwa dla $H_2O$
• używaj nazw takich jak chlorido, cyjanido lub hydroksydo dla typowych anionowych ligandów we współczesnym nazewnictwie IUPAC
• używaj przedrostków takich jak di-, tri- i tetra-, aby pokazać liczbę ligandów danego rodzaju
• porządkuj ligandy alfabetycznie według nazwy ligandu, a nie według przedrostka
• zapisuj stopień utlenienia metalu cyframi rzymskimi

Jeśli jon kompleksowy jest anionem, nazwa metalu zwykle zmienia się na formę zakończoną na $-ate$. Ponieważ nie zawsze da się to łatwo przewidzieć na pierwszy rzut oka, lepiej sprawdzić nazwę standardową, niż zgadywać.

Dla pełnych związków koordynacyjnych najpierw podaje się nazwę kationu, a potem anionu. Jeśli sam kompleks jest kationem, jego przeciwjon-anion podaje się na końcu. Jeśli sam kompleks jest anionem, najpierw podaje się jon dodatni.

Przykład: $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$

Ten obojętny kompleks jest dobrym przykładem, ponieważ pokazuje zarówno nazewnictwo, jak i izomerię geometryczną.

Zacznij od wyznaczenia stopnia utlenienia platyny. Amoniak jest ligandem obojętnym, natomiast każdy skoordynowany chlorek wnosi ładunek $-1$.

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

Zatem

$$x = +2$$

Teraz nazwij ligandy. Są dwa ligandy amminowe i dwa ligandy chlorido. Alfabetycznie ammina występuje przed chlorido, więc podstawowa nazwa to diamminedichloridoplatinum(II).

Ale ten wzór można ułożyć na dwa różne sposoby w geometrii kwadratowo-planarnej:

• cis: dwa ligandy chlorido leżą obok siebie
• trans: dwa ligandy chlorido leżą naprzeciw siebie

Dlatego dwa izomery to cis-diamminedichloridoplatinum(II) oraz trans-diamminedichloridoplatinum(II).

Mają ten sam wzór i tę samą łączność atomów, ale inne ułożenie przestrzenne. To właśnie jest izomeria geometryczna. To ta sama idea, która stoi za powszechnie znanymi nazwami cisplatyna i transplatin.

Które rodzaje izomerii są najważniejsze

Izomeria geometryczna

To najczęstszy pierwszy przykład. W kompleksach kwadratowo-planarnych i oktaedrycznych ligandy mogą zajmować różne położenia względem siebie, nawet gdy wzór pozostaje taki sam. Najbardziej znane oznaczenia to cis i trans, a w niektórych przypadkach oktaedrycznych także fac i mer.

Ten rodzaj izomerii zależy od geometrii. Jeśli kształt kompleksu albo układ ligandów nie dopuszcza różnych położeń, nazwy cis i trans nie mają zastosowania.

Izomeria optyczna

Niektóre kompleksy koordynacyjne mogą tworzyć pary nienałożalnych na siebie odbić lustrzanych. Są to izomery optyczne. Mają tę samą łączność atomów i często ten sam podstawowy schemat nazewnictwa, ale różnią się skrętnością.

Najczęściej spotyka się to w niektórych kompleksach oktaedrycznych, zwłaszcza gdy układ ligandów czyni kompleks chiralnym. Kluczowym warunkiem jest chiralność: jeśli kompleks ma płaszczyznę symetrii lub inny element symetrii usuwający skrętność, izomeria optyczna nie występuje.

Izomeria strukturalna

Izomery strukturalne mają ten sam ogólny skład, ale różnią się tym, co jest z czym połączone, albo tym, co znajduje się wewnątrz, a co na zewnątrz sfery koordynacyjnej.

Jednym z ważnych przypadków jest izomeria wiązaniowa, w której ligand ambidentny wiąże się przez różne atomy donorowe. Innym jest izomeria jonizacyjna, gdy ligand i przeciwjon zamieniają się miejscami, jeśli skład na to pozwala. W obu przypadkach nazwa się zmienia, ponieważ zmienia się opis wiązania.

Typowe błędy

Traktowanie wszystkich chlorków tak samo

Jon chlorkowy poza nawiasami nazywa się chlorek. Skoordynowany ligand chlorkowy wewnątrz nawiasów nazywa się chlorido. Pomieszanie tych dwóch nazw prowadzi do błędnej nazwy.

Używanie przedrostków przy porządku alfabetycznym

Porządek alfabetyczny opiera się na nazwach ligandów, a nie na di-, tri- czy tetra-. Dlatego ammina jest rozpatrywana pod literą a, a nie pod d.

Zapominanie, że niektóre ligandy są obojętne

$NH_3$ i $H_2O$ to typowe ligandy obojętne. Jeśli potraktujesz je jako naładowane przy obliczaniu stopnia utlenienia, otrzymasz błędny stopień utlenienia metalu.

Zakładanie, że każdy kompleks z powtarzającymi się ligandami ma izomery cis/trans

To działa tylko wtedy, gdy geometria i układ ligandów rzeczywiście dopuszczają różne położenia. Sam wzór nie wystarcza.

Gdzie pojawiają się związki koordynacyjne

Ten temat pojawia się w całej chemii koordynacyjnej, chemii metali przejściowych, analizie jakościowej, katalizie i chemii bioorganicznej metali. Nawet jeśli nigdy nie będziesz się specjalizować w tych obszarach, zasady nazewnictwa pomagają poprawnie odczytywać wzory i nie przeoczyć sytuacji, w której dwa związki są w rzeczywistości różnymi izomerami.

Uczy to też przydatnego nawyku: nie czytaj wzoru tylko jako listy atomów. W chemii koordynacyjnej znaczenie mają położenie, ładunek i sposób wiązania.

Spróbuj podobnego zadania z nazewnictwa

Spróbuj nazwać $[Co(NH_3)_5Cl]Cl_2$. Najpierw oddziel sferę koordynacyjną od przeciwjonów. Następnie oblicz stopień utlenienia kobaltu i sprawdź, który chlorek jest ligandem, a które chlorki znajdują się poza nawiasami. To jedno ćwiczenie zwykle sprawia, że zapis z nawiasami staje się naprawdę zrozumiały.