배위화합물 Coordination Compounds 용어 및 개념
Coordination compound / complex
: a compound containing coordinate covalent bonds between electron pair donors (ligands ) and a metal (center atom).
Coordinate covalent bond
: a pair of electrons from a donor shared with an acceptor.
주로 Lewis acid-base reaction으로 형성된다.
Ammine Complex
: 금속이온에게 coordinate covalent bond로 묶여 있는 NH3 분자들을 포함한다.
예시로 [Cu(NH3)4]^2+ 가 있다.
dilute(희석된) aqueous NH3은 금속 이온과 반응해 녹지 않는 metal hydroxides나 hydrated oxides를 형성한다.
그리고 몇몇 metal hydroxides들은(Cu(OH)2, Co(OH)2 등) NH3 수용액에 녹아 ammine complex를 생성한다.
Coordination number
: central metal atom / ion과 배위결합한 donor atoms 의 수
Coordination sphere
: 금속 원자 / 이온과 배위결합한 리간드들을 포함하는 영역이다. 배위결합하지 않은 counter ions는 포함하지 않는다.
Ligand
: central metal atom / ion과 배위결합하는 루이스 염기
Donor atom
: 전자 lone pair를 donate해 배위결합을 형성하는 리간드 속 원자
Unidentate ligand
: 단 하나의 원자와만 bind할 수 있는 ligand
Polydentate ligand
: 하나 이상의 원자와 bind할 수 있는 ligand
Chelate complexes 킬레이트 화합물
금속 원자 / 이온과 polydentate ligand를 가지고 ring을 형성하는 complex들
'킬레이트' 는 집게발의 의미를 가지고 있다. 우리는 리간드의 '자릿수' 를 따질 수 있는데, 한 리간드에서도 전자쌍을 제공해주는 부위가 몇 개인지에 따라 몇 자리 리간드인지가 달라진다. 비공유 전자쌍이 하나 이상이라 금속과 2개 이상의 결합을 생성할 수 있으면 킬레이트 리간드이다.
배위화합물의 구조
- 배위화합물의 구조를 결정하는 가장 주된 속성은 금속의 coordination number (CN) 이다.
- 가능한 배위화합물의 종류
linear(CN=2 | metal hybridization은 sp),
tetrahedral(CN=4 | metal hybridization은 sp^3),
square planar(CN=4 | metal hybridization은 dsp^2 or sp^2d),
trigonal bipyramidal(CN=5 | metal hybridization은 dsp^3 ),
square pyramidal(CN=5 | metal hybridization은 d^2sp^2 or dsp^3 ),
octahedral(CN=6 | metal hybridization은 d^2sp^3 or sp^3d^2)
Isomerism 이성질현상
- isomers
: 같은 분자식을 가진 다른 화합물. 각각의 이들은 원자 수나 종류가 같지만 배열이 다르게 되어 있다.
isomers에는 두 개의 major classes가 있다 - structural isomers와 stereoisomers이다.
* structural isomers 를 constitutional isomers 라고도 한다.
Structural isomers 구조 이성질체 : involve different atom to ligand bonding sequences.
구조 이성체들은 분자식은 동일하지만 원자 사이의 결합 순서, 결합차수 등이 달라 화학적 물리적 성질이 다르게 나타난다.
쉽게 말하면 성분만 같은 '다른 물질' 이다. 구조 이성질체는 크게 배위 이성질체와 결합 이성질체로 나뉜다.
- ionization (ion-ion exchange) isomers | 예: [Pt(NH3)4Cl2]Br2 , [Pt(NH3)4Br2]Cl2
- hydrate isomers | a special case of ionization isomers
in which water molecules may be changed from inside to outside the coordination sphere.
예: [Cr(OH2)6]Cl3 , [Cr(OH2)5Cl]Cl2. H2O , [Cr(OH2)4Cl2]Cl. 2H2O
- coordination isomers | 양이온, 음이온 사이의 coordination spheres 사이에서 ligand exchange가 일어난다.
이것들은 '리간드가 다른 이성질체들' 이라고 보면 편하다.
예: [Pt(NH3)4][PtCl6] , [Pt(NH3)4Cl2][PtCl4]
예 2: 리간드와 상대 리간드의 역할이 바뀌어 있으면 coordination isomerism이다.
[Cr(NH3)5SO4]Br 과 [Cr(NH3)5Br]SO4를 보면, 둘에서 Br과 SO4는 역할이 바뀌어 있다.
착이온의 조성이 달라지면 배위 이성질 현상이 일어나는 것이다.
- linkage isomers | 결합 이성질체. 금속에 bind되는 방식이 한 가지 이상인 리간드를 가진 isomers.
착이온의 조성 및 리간드는 같은데 적어도 하나의 리간드에서 결합하는 원자가 다르다.
예: -CN- 은 -NC- 로도 묶일 수 있다. (각각 cyano와 isocyano라는 이름으로 불림)
-NO2- 는 -ONO- 로도 묶일 수 있다. (각각 nitro와 nitrito라는 이름으로 불림)
Stereoisomer 입체 이성질체
: isomers that have different spatial arrangements of the atoms relative to the central atom.
Complexes with only simple ligands can occur as stereoisomers only if they have coordination numbers equal to or greater than four.
입체 이성질체 stereoisomer들은 결합은 같지만 공간 배열, 즉 공간에 펼쳐지는 방식이 다른 것들을 의미한다.
입체 이성질체는 기하 이성질체(cis-trans)와 광학 이성질체로 나뉜다.
Geometrical (positional) isomers 기하 이성질체
: stereoisomers that are not optical isomers.
For example: [Co(NH3)2(OH2)2Cl2]
Optical isomers 광학 이성질체
: mirror images of each other that are not superimposable = 사물에 거울을 놓고 바라보면 대칭이지만 아무리 회전해도 겹쳐질 수는 없듯이, 광학 이성질체도 그러하다.
대표적 예로 에틸렌다이아민(en)이 있다!
optical isomer(거울상 이성질체)가 되기 위해서는 6배위 착물에서 모든 리간드가 cis로 붙어있으면서 대칭면이 없어야 한다.