สารประกอบเชิงซ้อน — การเรียกชื่อและไอโซเมอริซึม

สารประกอบเชิงซ้อนคือคอมเพล็กซ์ของโลหะที่อะตอมหรือไอออนโลหะศูนย์กลางจับกับลิแกนด์ที่ล้อมรอบอยู่ การเรียกชื่อเริ่มจากแยก coordination sphere ที่อยู่ในวงเล็บออกจากเคาน์เตอร์ไอออน จากนั้นเรียกชื่อลิแกนด์ แล้วจึงเรียกชื่อโลหะพร้อมเลขออกซิเดชัน ส่วนการดูไอโซเมอริซึมให้ถามว่าสูตรรวมเดียวกันสามารถต่างกันได้ที่การจัดเรียงหรือการยึดเหนี่ยวหรือไม่

นี่คือสองคำถามหลักที่นักเรียนมักหมายถึงเมื่อค้นหาเรื่องการเรียกชื่อและไอโซเมอริซึมของสารประกอบเชิงซ้อน ชื่อที่ถูกต้องคืออะไร และสูตรเดียวกันสามารถแทนสารได้มากกว่าหนึ่งชนิดหรือไม่

สารประกอบเชิงซ้อนมีหน้าตาอย่างไร

ในสูตรอย่าง $[Co(NH_3)_6]Cl_3$ ส่วนที่อยู่ในวงเล็บเหลี่ยมคือ coordination sphere ในที่นี้ ลิแกนด์แอมโมเนีย 6 ตัวจับกับโคบอลต์โดยตรง ส่วนคลอไรด์ไอออน 3 ตัวที่อยู่นอกวงเล็บเป็นเคาน์เตอร์ไอออน ไม่ใช่ลิแกนด์ในสูตรที่เขียนนี้

ความแตกต่างนี้สำคัญต่อการเรียกชื่อ ลิแกนด์ที่อยู่ใน coordination sphere จะถูกเรียกชื่อเป็นส่วนหนึ่งของคอมเพล็กซ์ไอออน ส่วนไอออนที่อยู่นอกวงเล็บจะถูกเรียกชื่อแยกต่างหาก เหมือนสารประกอบไอออนิกทั่วไป

วิธีเรียกชื่อสารประกอบเชิงซ้อนทีละขั้น

วิธีเรียกชื่อที่เชื่อถือได้คือ:

• เรียกชื่อลิแกนด์ก่อนชื่อโลหะ
• ใช้ชื่อลิแกนด์เฉพาะเมื่อจำเป็น เช่น ammine สำหรับ $NH_3$ และ aqua สำหรับ $H_2O$
• ใช้ชื่ออย่าง chlorido, cyanido หรือ hydroxido สำหรับลิแกนด์แอนไอออนที่พบบ่อยตามการเรียกชื่อแบบ IUPAC สมัยใหม่
• ใช้คำนำหน้าเช่น di-, tri- และ tetra- เพื่อบอกจำนวนของลิแกนด์แต่ละชนิด
• เรียงลิแกนด์ตามลำดับอักษรของชื่อลิแกนด์ ไม่ใช่ตามคำนำหน้า
• เขียนเลขออกซิเดชันของโลหะเป็นเลขโรมัน

ถ้าคอมเพล็กซ์ไอออนเป็นแอนไอออน ชื่อโลหะมักเปลี่ยนเป็นรูป $-ate$ เนื่องจากรูปเหล่านี้ไม่ได้เดาได้ชัดเจนจากการมองเพียงอย่างเดียว จึงควรตรวจสอบชื่อมาตรฐานแทนการคาดเดา

สำหรับสารประกอบเชิงซ้อนทั้งสูตร ให้เรียกชื่อแคตไอออนก่อนแอนไอออน ถ้าคอมเพล็กซ์เองเป็นแคตไอออน ให้เรียกชื่อเคาน์เตอร์แอนไอออนตามหลัง ถ้าคอมเพล็กซ์เองเป็นแอนไอออน ให้เรียกชื่อไอออนบวกก่อน

ตัวอย่างทำโจทย์: $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$

คอมเพล็กซ์ที่เป็นกลางนี้เป็นตัวอย่างที่ดี เพราะแสดงทั้งการเรียกชื่อและไอโซเมอริซึมเชิงเรขาคณิต

เริ่มจากหาเลขออกซิเดชันของแพลทินัม แอมโมเนียเป็นลิแกนด์ไม่มีประจุ ส่วนคลอไรด์ที่ประสานแต่ละตัวมีส่วนให้ประจุ $-1$

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

ดังนั้น

$$x = +2$$

ตอนนี้เรียกชื่อลิแกนด์ มีลิแกนด์ ammine 2 ตัว และลิแกนด์ chlorido 2 ตัว ตามลำดับอักษร ammine มาก่อน chlorido ดังนั้นชื่อพื้นฐานคือ diamminedichloridoplatinum(II)

แต่สูตรนี้สามารถจัดเรียงแบบสี่เหลี่ยมระนาบได้ 2 แบบ:

• cis: ลิแกนด์ chlorido สองตัวอยู่ติดกัน
• trans: ลิแกนด์ chlorido สองตัวอยู่ตรงข้ามกัน

ดังนั้นไอโซเมอร์ทั้งสองคือ cis-diamminedichloridoplatinum(II) และ trans-diamminedichloridoplatinum(II)

ทั้งสองมีสูตรเหมือนกันและการเชื่อมต่อเหมือนกัน แต่มีการจัดเรียงเชิงพื้นที่ต่างกัน นี่คือไอโซเมอริซึมเชิงเรขาคณิต แนวคิดเดียวกันนี้อยู่เบื้องหลังชื่อสามัญ cisplatin และ transplatin

ไอโซเมอริซึมชนิดใดสำคัญที่สุด

ไอโซเมอริซึมเชิงเรขาคณิต

นี่เป็นตัวอย่างแรกที่พบบ่อยที่สุด ในคอมเพล็กซ์แบบสี่เหลี่ยมระนาบและออกตะฮีดรัล ลิแกนด์สามารถอยู่ในตำแหน่งสัมพัทธ์ต่างกันได้ แม้ว่าสูตรจะเหมือนเดิม ป้ายกำกับที่คุ้นเคยคือ cis และ trans และในบางกรณีของออกตะฮีดรัลคือ fac และ mer

ไอโซเมอริซึมชนิดนี้ขึ้นกับเรขาคณิต ถ้ารูปร่างของคอมเพล็กซ์หรือรูปแบบของลิแกนด์ไม่เอื้อให้เกิดตำแหน่งที่แตกต่างกัน ชื่อแบบ cis และ trans ก็ใช้ไม่ได้

ไอโซเมอริซึมเชิงแสง

คอมเพล็กซ์เชิงซ้อนบางชนิดสามารถเกิดเป็นคู่ภาพสะท้อนที่ไม่สามารถซ้อนทับกันได้ สิ่งเหล่านี้คือออปติคัลไอโซเมอร์ พวกมันมีการเชื่อมต่อเหมือนกัน และมักมีรูปแบบการเรียกชื่อพื้นฐานเหมือนกัน แต่ต่างกันที่ความเป็นซ้ายหรือขวา

โดยทั่วไปคุณจะพบเรื่องนี้ในคอมเพล็กซ์ออกตะฮีดรัลบางชนิด โดยเฉพาะเมื่อการจัดเรียงลิแกนด์ทำให้คอมเพล็กซ์มีไครัล เงื่อนไขสำคัญคือความเป็นไครัล: ถ้าคอมเพล็กซ์มีระนาบสมมาตรหรือองค์ประกอบสมมาตรอื่นที่ตัดความเป็นซ้ายขวาออกไป ไอโซเมอริซึมเชิงแสงจะไม่เกิด

ไอโซเมอริซึมเชิงโครงสร้าง

ไอโซเมอร์เชิงโครงสร้างมีองค์ประกอบรวมเหมือนกัน แต่ต่างกันที่อะไรเชื่อมกับอะไร หรืออะไรอยู่ภายในกับภายนอก coordination sphere

กรณีสำคัญกรณีหนึ่งคือ linkage isomerism ซึ่งลิแกนด์แบบ ambidentate จับผ่านอะตอมผู้ให้อิเล็กตรอนต่างกัน อีกกรณีคือ ionization isomerism ซึ่งลิแกนด์กับเคาน์เตอร์ไอออนสลับตำแหน่งกันได้ถ้าองค์ประกอบเอื้ออำนวย ในทั้งสองกรณี ชื่อจะเปลี่ยนเพราะคำอธิบายการยึดเหนี่ยวเปลี่ยนไป

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

มองคลอไรด์ทุกตัวเหมือนกันหมด

คลอไรด์ไอออนที่อยู่นอกวงเล็บเรียกว่า chloride ส่วนลิแกนด์คลอไรด์ที่ประสานอยู่ในวงเล็บเรียกว่า chlorido การสับสนสองอย่างนี้ทำให้เรียกชื่อผิด

ใช้คำนำหน้าในการเรียงตามตัวอักษร

การเรียงตามตัวอักษรอิงจากชื่อลิแกนด์ ไม่ใช่จาก di-, tri- หรือ tetra- ดังนั้น ammine จึงนับอยู่ใต้ตัว a ไม่ใช่ตัว d

ลืมว่าลิแกนด์บางชนิดไม่มีประจุ

$NH_3$ และ $H_2O$ เป็นลิแกนด์ไม่มีประจุที่พบบ่อย ถ้าคุณคิดว่ามันมีประจุเมื่อคำนวณเลขออกซิเดชัน เลขออกซิเดชันของโลหะจะผิดทันที

คิดว่าคอมเพล็กซ์ที่มีลิแกนด์ซ้ำทุกชนิดต้องมี cis/trans เสมอ

สิ่งนี้ใช้ได้ก็ต่อเมื่อเรขาคณิตและการจัดเรียงลิแกนด์เปิดโอกาสให้เกิดตำแหน่งที่ต่างกันจริง ๆ สูตรเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ

สารประกอบเชิงซ้อนพบได้ที่ไหน

หัวข้อนี้ปรากฏอยู่ตลอดในเคมีโคออร์ดิเนชัน เคมีของโลหะแทรนซิชัน การวิเคราะห์เชิงคุณภาพ ตัวเร่งปฏิกิริยา และชีวอนินทรีย์เคมี แม้คุณจะไม่ได้เรียนลึกในสาขาเหล่านี้ กฎการเรียกชื่อก็ช่วยให้คุณอ่านสูตรได้ถูกต้อง และไม่พลาดว่าบางครั้งสารสองชนิดอาจเป็นไอโซเมอร์ต่างกันจริง ๆ

นอกจากนี้ยังฝึกนิสัยที่มีประโยชน์อย่างหนึ่งคือ อย่าอ่านสูตรเป็นเพียงรายชื่ออะตอม ในเคมีโคออร์ดิเนชัน ตำแหน่ง ประจุ และรูปแบบการยึดเหนี่ยว ล้วนสำคัญทั้งหมด

ลองทำโจทย์การเรียกชื่อที่คล้ายกัน

ลองเรียกชื่อ $[Co(NH_3)_5Cl]Cl_2$ เริ่มจากแยก coordination sphere ออกจากเคาน์เตอร์ไอออน จากนั้นคำนวณเลขออกซิเดชันของโคบอลต์ และตรวจว่าคลอไรด์ตัวใดเป็นลิแกนด์ และคลอไรด์ตัวใดอยู่นอกวงเล็บ แบบฝึกหัดข้อนี้มักช่วยให้เข้าใจสัญลักษณ์วงเล็บได้ชัดเจน