Hợp chất phối trí — Danh pháp & Đồng phân

Hợp chất phối trí là các phức kim loại, trong đó một nguyên tử hoặc ion kim loại trung tâm liên kết với các phối tử xung quanh. Để gọi tên một chất, trước hết hãy tách cầu phối trí nằm trong ngoặc vuông khỏi các ion đối, rồi gọi tên phối tử, sau đó đến kim loại và số oxi hóa của nó. Để nhận ra hiện tượng đồng phân, hãy hỏi xem cùng một công thức tổng quát có thể khác nhau về cách sắp xếp hay kiểu liên kết hay không.

Đây là hai câu hỏi mà học sinh thường muốn biết khi tìm kiếm về danh pháp và đồng phân của hợp chất phối trí. Tên gọi đúng là gì, và cùng một công thức có thể biểu diễn nhiều hơn một hợp chất hay không?

Hợp chất phối trí trông như thế nào

Trong công thức như $[Co(NH_3)_6]Cl_3$, phần nằm trong ngoặc vuông là cầu phối trí. Ở đây, sáu phối tử amoniac liên kết trực tiếp với coban. Ba ion clorua nằm ngoài ngoặc là ion đối, không phải phối tử trong công thức được viết như vậy.

Sự phân biệt này rất quan trọng khi gọi tên. Các phối tử nằm trong cầu phối trí được gọi tên như một phần của ion phức. Các ion nằm ngoài ngoặc được gọi tên riêng, giống như trong các hợp chất ion khác.

Cách gọi tên hợp chất phối trí từng bước

Một phương pháp gọi tên đáng tin cậy là:

• gọi tên các phối tử trước kim loại
• dùng các tên phối tử đặc biệt khi cần, chẳng hạn ammine cho $NH_3$ và aqua cho $H_2O$
• dùng các tên như chlorido, cyanido hoặc hydroxido cho các phối tử anion thông dụng theo danh pháp IUPAC hiện đại
• dùng các tiền tố như di-, tri-, tetra- để chỉ số lượng mỗi loại phối tử
• sắp xếp phối tử theo thứ tự chữ cái của tên phối tử, không theo tiền tố
• viết số oxi hóa của kim loại bằng chữ số La Mã

Nếu ion phức là anion, tên kim loại thường đổi sang dạng $-ate$. Vì những dạng này không phải lúc nào cũng dễ nhận ra bằng cách nhìn, tốt hơn là tra tên chuẩn thay vì đoán.

Đối với toàn bộ hợp chất phối trí, gọi tên cation trước rồi đến anion. Nếu bản thân phức là cation, anion đối của nó được gọi tên sau. Nếu bản thân phức là anion, ion dương được gọi tên trước.

Ví dụ minh họa: $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$

Phức trung hòa này là một ví dụ tốt vì nó cho thấy cả cách gọi tên lẫn đồng phân hình học.

Bắt đầu với số oxi hóa của platin. Amoniac là phối tử trung hòa, còn mỗi clorua phối trí đóng góp $-1$.

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

Vậy

$$x = +2$$

Bây giờ gọi tên các phối tử. Có hai phối tử ammine và hai phối tử chlorido. Theo thứ tự chữ cái, ammine đứng trước chlorido, nên tên cơ bản là diamminedichloridoplatinum(II).

Nhưng công thức này có thể được sắp xếp theo hai cách vuông phẳng khác nhau:

• cis: hai phối tử chlorido nằm kề nhau
• trans: hai phối tử chlorido nằm đối diện nhau

Vì vậy, hai đồng phân là cis-diamminedichloridoplatinum(II) và trans-diamminedichloridoplatinum(II).

Chúng có cùng công thức và cùng kiểu liên kết, nhưng khác nhau về cách sắp xếp trong không gian. Đó là đồng phân hình học. Đây cũng chính là ý tưởng đằng sau các tên thông dụng cisplatin và transplatin.

Những kiểu đồng phân quan trọng nhất

Đồng phân hình học

Đây là ví dụ đầu tiên phổ biến nhất. Trong các phức vuông phẳng và bát diện, các phối tử có thể chiếm những vị trí tương đối khác nhau ngay cả khi công thức vẫn giữ nguyên. Các ký hiệu quen thuộc là cis và trans, và trong một số trường hợp bát diện là fac và mer.

Kiểu đồng phân này phụ thuộc vào hình học. Nếu dạng hình học của phức hoặc kiểu sắp xếp phối tử không cho phép các vị trí phân biệt, thì tên cis và trans không áp dụng được.

Đồng phân quang học

Một số phức phối trí có thể tạo thành các cặp ảnh gương không chồng khít lên nhau. Đó là các đồng phân quang học. Chúng có cùng kiểu liên kết và thường có cùng kiểu gọi tên cơ bản, nhưng khác nhau về tính thuận tay.

Bạn thường gặp điều này ở một số phức bát diện, đặc biệt khi cách sắp xếp phối tử làm cho phức trở nên bất đối. Điều kiện then chốt là tính đối quang: nếu phức có mặt phẳng đối xứng hoặc một yếu tố đối xứng khác làm mất tính thuận tay, thì đồng phân quang học sẽ không xuất hiện.

Đồng phân cấu tạo

Các đồng phân cấu tạo có cùng thành phần tổng quát nhưng khác nhau ở chỗ cái gì liên kết với cái gì, hoặc cái gì nằm trong và ngoài cầu phối trí.

Một trường hợp quan trọng là đồng phân liên kết, khi một phối tử hai càng liên kết qua các nguyên tử cho khác nhau. Một trường hợp khác là đồng phân ion hóa, khi một phối tử và một ion đối đổi chỗ cho nhau nếu thành phần cho phép. Trong cả hai trường hợp, tên gọi thay đổi vì mô tả liên kết đã thay đổi.

Những lỗi thường gặp

Xem mọi ion clorua là như nhau

Một ion clorua nằm ngoài ngoặc được gọi là chloride. Một phối tử clorua phối trí nằm trong ngoặc được gọi là chlorido. Nhầm lẫn hai cách này sẽ dẫn đến tên gọi sai.

Dùng tiền tố để xếp thứ tự chữ cái

Thứ tự chữ cái dựa trên tên phối tử, không dựa trên di-, tri- hay tetra-. Vì vậy ammine được xét dưới chữ a, không phải dưới chữ d.

Quên rằng một số phối tử là trung hòa

$NH_3$ và $H_2O$ là những phối tử trung hòa thường gặp. Nếu bạn xem chúng là có điện tích khi tính số oxi hóa, số oxi hóa của kim loại sẽ ra sai.

Cho rằng mọi phức có phối tử lặp lại đều có đồng phân cis/trans

Điều đó chỉ đúng khi hình học và cách sắp xếp phối tử thực sự cho phép các vị trí khác nhau. Chỉ riêng công thức là chưa đủ.

Hợp chất phối trí xuất hiện ở đâu

Chủ đề này xuất hiện xuyên suốt trong hóa học phối trí, hóa học kim loại chuyển tiếp, phân tích định tính, xúc tác và hóa học vô cơ sinh học. Ngay cả khi bạn không chuyên sâu vào những lĩnh vực đó, các quy tắc gọi tên vẫn giúp bạn đọc đúng công thức và tránh bỏ sót trường hợp hai chất thực ra là các đồng phân khác nhau.

Nó cũng rèn một thói quen hữu ích: đừng đọc công thức chỉ như một danh sách nguyên tử. Trong hóa học phối trí, vị trí, điện tích và kiểu liên kết đều quan trọng.

Thử một bài gọi tên tương tự

Hãy thử gọi tên $[Co(NH_3)_5Cl]Cl_2$. Trước tiên tách cầu phối trí khỏi các ion đối. Sau đó tính số oxi hóa của coban và kiểm tra xem clorua nào là phối tử, clorua nào nằm ngoài ngoặc. Chỉ một bài tập đó thường đủ để giúp bạn thật sự hiểu ký hiệu ngoặc.