팔면체형 분자기하

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 팔면체 착화합물의 이성질체
3. 이상적인 대칭성으로부터의 편차
- 3.1. 얀-텔러 효과 (Jahn-Teller Effect)
- 3.2. 뒤틀린 팔면체 구조
4. 바이팔면체 구조 (Bioctahedral Structures)
5. 삼각 프리즘 구조 (Trigonal Prismatic Geometry)
6. d-오비탈 에너지 분리 (Splitting of d-orbital Energies)
7. 반응 (Reactions)
참조

1. 개요

팔면체형 분자기하는 여섯 개의 리간드가 중심 금속 원자를 둘러싸는 분자 구조를 의미한다. 이 기하 구조는 다양한 리간드와 금속 중심을 가질 때 이성질체를 형성할 수 있으며, cis, trans, facial, meridional과 같은 다양한 형태가 존재한다. 두자리 리간드를 갖는 팔면체 착물은 카이랄성을 나타낼 수 있으며, 리간드의 종류와 배열에 따라 최대 30개의 이성질체가 가능하다. 팔면체형 분자는 얀-텔러 효과에 의해 왜곡되거나, 비공유 전자쌍의 영향으로 뒤틀린 구조를 가질 수 있으며, 바이팔면체 및 삼각 프리즘 구조와 같은 변형된 형태를 보이기도 한다. d-오비탈의 에너지 분리는 팔면체형 착물의 특성을 설명하는 중요한 요소이며, 리간드의 종류에 따라 에너지 간격이 달라진다. 팔면체형 착물은 다양한 반응을 보이며, 리간드 치환, 부가, 산화 환원, 재배열 반응 등이 일어날 수 있다.

더 읽어볼만한 페이지

배위화학 - 리간드
리간드는 비공유 전자쌍을 가진 작용기로 금속 이온과 배위 결합하여 착물을 형성하는 분자 또는 이온이며, 배위 원자, 배위 부위 수, 결정장 이론에 따라 분류되고 다양한 분야에 응용된다.
배위화학 - 배위수
배위수는 중심 원자에 직접 결합한 이웃 원자의 총 개수를 의미하는 개념으로, 배위 화합물의 성질과 원자 배열을 이해하는 데 중요하며, 결정 구조나 리간드 종류에 따라 다양한 값을 가지고 실험적 방법이나 계산 화학을 통해 결정될 수 있다.
분자기하 - 삼각쌍뿔
삼각쌍뿔은 6개의 정삼각형 면, 5개의 꼭짓점, 9개의 모서리를 가진 존슨 다면체이자 델타다면체로, 두 정사면체를 밑면끼리 결합한 형태이며, 분자 기하학, 색채 이론 등 다양한 분야에 응용된다.
분자기하 - 배위수
배위수는 중심 원자에 직접 결합한 이웃 원자의 총 개수를 의미하는 개념으로, 배위 화합물의 성질과 원자 배열을 이해하는 데 중요하며, 결정 구조나 리간드 종류에 따라 다양한 값을 가지고 실험적 방법이나 계산 화학을 통해 결정될 수 있다.
입체화학 - 배위수
배위수는 중심 원자에 직접 결합한 이웃 원자의 총 개수를 의미하는 개념으로, 배위 화합물의 성질과 원자 배열을 이해하는 데 중요하며, 결정 구조나 리간드 종류에 따라 다양한 값을 가지고 실험적 방법이나 계산 화학을 통해 결정될 수 있다.
입체화학 - 카이랄성
카이랄성은 거울상과 겹쳐지지 않는 성질로, 물리학, 화학, 수학, 생물학 등 다양한 분야에서 분자, 결정, 도형 등에서 관찰되며, 특히 화학에서는 거울상 이성질체 관계, 생물학에서는 특정 분자의 생명체 내 흔한 발견, 의약품 개발에서 약효 개선 및 부작용 감소 연구와 관련된다.

팔면체형 분자기하
분자 구조 정보
팔면체 분자 구조
예시	SF6, Mo(CO)6
대칭군	Oh
전자 방향	6
원자 방향	6
결합각	90°
쌍극자 모멘트	0

2. 팔면체 착화합물의 이성질체

두 종류 이상의 리간드(L^a, L^b, ...)가 팔면체형 금속 중심(M)에 배위될 때, 그 착물은 이성질체로 존재할 수 있다. 이러한 이성질체의 명명법은 서로 다른 리간드의 수와 배열에 따라 달라진다. 2종 또는 그 이상의 배위자 종류가 팔면체 중심 금속에 배위함으로써 이성체가 발생한다. 이들 이성체의 명명은 서로 다른 배위자 간의 배치와 수에 따라 달라진다.

; ''cis''와 ''trans'' 이성질체

ML^a₄L^b₂에는 두 종류의 이성질체가 존재한다. L^b가 서로 인접해 있을 때 ''cis'' 형, L^b가 서로 180°의 위치관계에 있을 때 ''trans'' 형이다. 이러한 착물의 분석을 통해 알프레드 베르너는 1913년 노벨상을 수상한 팔면체 착물 가설을 세우게 되었다.

ML^a₂L^b₂L^c₂에서도 ''cis형''과 ''trans형''이 가능하다. L^a, L^b, L^c의 모든 배위자가 ''trans형''인 경우와, 한 배위자만 ''trans형''이고 다른 두 배위자가 ''cis''형인 경우가 있다.

; ''facial''과 ''meridional'' 이성질체

ML^a₃L^b₃형태의 팔면체 착물에서는 동일한 3개의 배위자가 서로 ''cis형''인 ''facial형''(''fac'')과, 같은 세 배위자가 동일평면 상에 있는 ''meridional형''(''mer'')까지 2종의 이성질체가 가능하다. 금속 원자를 둘러싼 팔면체의 한 면에 동일한 리간드 세 개가 각각 위치하는 '''안면 이성질체''' (''fac'')와, 이 세 리간드 중 임의의 두 개가 서로 시스 관계를 갖는 경우, 금속 원자를 통과하는 평면에 동일한 리간드 세 개가 각각 위치하는 '''자오선 이성질체''' (''mer'')가 그것이다.

]

]

; 카이랄성 (광학 이성질체)

두자리리간드를 2개 이상 갖는 착화합물에는 카이랄성이 발생한다. 3회 회전축에서 보면, 두자리 리간드가 형성되는 나선구조가 왼쪽으로 도는 것은 Λ(람다), 오른쪽으로 도는 것은 Δ(델타)체라고 부른다.

삼배위 이중치환 리간드를 갖거나 두 개의 시스(cis) 이중치환 리간드를 갖는 착물은 거울상 이성질체 쌍으로 존재할 수 있다.

; 기타 이성질체

팔면체 착화합물에서 배위자의 종류가 모두 다를 때 가능한 이성질체의 수는 최대 30개이다.^[3] 이는 사면체형 분자기하보다 훨씬 복잡한 경우인데, 사면체형 분자 ML^aL^bL^cL^d에서는 거울상 이성질체가 한 쌍밖에 없다.^[3]

화학식	이성질체의 수	거울상 이성질체의 수
ML₆	1	0
ML^a₅L^b	1	0
ML^a₄L^b₂	2	0
ML^a₃L^b₃	2	0
ML^a₄L^bL^c	2	0
ML^a₃L^b₂L^c	3	0
ML^a₂L^b₂L^c₂	6	1
ML^a₃L^bL^cL^d	5	1
ML^a₂L^b₂L^cL^d	8	2
ML^a₂L^bL^cL^dL^e	15	6
ML^aL^bL^cL^dL^eL^f	30	15

ML^aL^bL^cL^dL^eL^f의 15개 부분입체 이성질체는 모두 카이랄이지만, ML^a₂L^bL^cL^dL^e의 부분입체 이성질체의 6개는 카이랄이지만 L^a가 ''trans형''일 때의 3종류는 그렇지 않다.^[3] 유기화학에서 2개의 부분입체 이성질체를 만들어내려면 두 개의 부제탄소(不齊炭素)가 필요된다.^[3]

2. 1. ''cis''와 ''trans'' 이성질체

ML^a₄L^b₂에는 두 종류의 이성질체가 존재한다. L^b가 서로 인접해 있을 때 ''cis'' 형, L^b가 서로 180°의 위치관계에 있을 때 ''trans'' 형이다. 이러한 착물의 분석을 통해 알프레드 베르너는 1913년 노벨상을 수상한 팔면체 착물 가설을 세우게 되었다.

ML^a₂L^b₂L^c₂에서도 ''cis형''과 ''trans형''이 가능하다. L^a, L^b, L^c의 모든 배위자가 ''trans형''인 경우와, 한 배위자만 ''trans형''이고 다른 두 배위자가 ''cis''형인 경우가 있다.

2. 2. ''facial''과 ''meridional'' 이성질체

ML^a₃L^b₃형태의 팔면체 착물에서는 동일한 3개의 배위자가 서로 ''cis형''인 ''facial형''(''fac'')과, 같은 세 배위자가 동일평면 상에 있는 ''meridional형''(''mer'')까지 2종의 이성질체가 가능하다. 금속 원자를 둘러싼 팔면체의 한 면에 동일한 리간드 세 개가 각각 위치하는 '''안면 이성질체''' (''fac'')와, 이 세 리간드 중 임의의 두 개가 서로 시스 관계를 갖는 경우, 금속 원자를 통과하는 평면에 동일한 리간드 세 개가 각각 위치하는 '''자오선 이성질체''' (''mer'')가 그것이다.

]

]

2. 3. 카이랄성 (광학 이성질체)

두자리리간드를 2개 이상 갖는 착화합물에는 카이랄성이 발생한다. 3회 회전축에서 보면, 두자리 리간드가 형성되는 나선구조가 왼쪽으로 도는 것은 Λ(람다), 오른쪽으로 도는 것은 Δ(델타)체라고 부른다.

삼배위 이중치환 리간드를 갖거나 두 개의 시스(cis) 이중치환 리간드를 갖는 착물은 거울상 이성질체 쌍으로 존재할 수 있다.

2. 4. 기타 이성질체

팔면체 착화합물에서 배위자의 종류가 모두 다를 때 가능한 이성질체의 수는 최대 30개이다.^[3] 이는 사면체형 분자기하보다 훨씬 복잡한 경우인데, 사면체형 분자 ML^aL^bL^cL^d에서는 거울상 이성질체가 한 쌍밖에 없다.^[3]

화학식	이성질체의 수	거울상 이성질체의 수
ML₆	1	0
ML^a₅L^b	1	0
ML^a₄L^b₂	2	0
ML^a₃L^b₃	2	0
ML^a₄L^bL^c	2	0
ML^a₃L^b₂L^c	3	0
ML^a₂L^b₂L^c₂	6	1
ML^a₃L^bL^cL^d	5	1
ML^a₂L^b₂L^cL^d	8	2
ML^a₂L^bL^cL^dL^e	15	6
ML^aL^bL^cL^dL^eL^f	30	15

ML^aL^bL^cL^dL^eL^f의 15개 부분입체 이성질체는 모두 카이랄이지만, ML^a₂L^bL^cL^dL^e의 부분입체 이성질체의 6개는 카이랄이지만 L^a가 ''trans형''일 때의 3종류는 그렇지 않다.^[3] 유기화학에서 2개의 부분입체 이성질체를 만들어내려면 두 개의 부제탄소(不齊炭素)가 필요된다.^[3]

3. 이상적인 대칭성으로부터의 편차

3. 1. 얀-텔러 효과 (Jahn-Teller Effect)

이 용어는 배위 화학에서 흔히 발생하는 현상인 얀-텔러 효과의 영향을 받는 팔면체에도 적용될 수 있다. 이는 분자의 대칭성을 O_h에서 D_4h로 감소시키며 사각 왜곡으로 알려져 있다.

3. 2. 뒤틀린 팔면체 구조

일부 분자는 비공유 전자쌍으로 인해 분자의 대칭이 O_h에서 C_3v로 왜곡된다.^[4]^[5] 예를 들어 XeF₆이나 이 이에 해당한다. 구체적인 기하학적 구조는 ''모자 씌운'' 팔면체로 알려져 있는데, 이는 팔면체의 한 삼각형 면의 중심 위에 비공유 전자쌍을 "모자"처럼 배치하고 (다른 6개의 원자 위치를 이동시켜) 팔면체에서 파생되기 때문이다.^[6] 이들은 모두 AX₆E₁에 대해 오각뿔 모양을 예측하는 VSEPR에 의해 예측된 기하학적 구조와는 다른 형태를 나타낸다.

4. 바이팔면체 구조 (Bioctahedral Structures)

두 개의 팔면체는 말단 배위자를 가교 배위자로 대체하여 팔면체 배위 기하를 유지하는 방식으로 융합될 수 있다. 팔면체를 융합하는 데는 모서리 공유와 면 공유의 두 가지 일반적인 모티프가 있다. 모서리와 면을 공유하는 바이팔면체는 각각 [M₂L₈(μ-L)]₂와 M₂L₆(μ-L)₃의 화학식을 갖는다. 동일한 연결 패턴의 중합체 버전은 각각 [ML₂(μ-L)₂]_∞와 [M(μ-L)₃]_∞의 화학 양론을 나타낸다.^[7]

팔면체의 모서리 또는 면을 공유하면 바이팔면체라는 구조가 생성된다. 많은 금속 펜타할로겐화물과 펜타알콕사이드 화합물은 용액과 고체 상태에서 바이팔면체 구조로 존재한다. 한 예로 오산화 니오브가 있다. 금속 테트라할라이드는 종종 모서리 공유 팔면체를 갖는 중합체로 존재한다. 사염화 지르코늄이 그 예이다.^[7] 면 공유 팔면체 사슬을 갖는 화합물에는 삼브롬화 몰리브덴(III), 삼브롬화 루테늄(III), 삼브롬화 탤륨(III) 등이 있다.

모서리 공유 팔면체를 기반으로 한 무기 중합체인 사염화 지르코늄의 구-막대 모델.

5. 삼각 프리즘 구조 (Trigonal Prismatic Geometry)

MX₆ 공식을 갖는 화합물의 경우, 팔면체 기하 구조의 주요 대안은 D_3h 대칭을 갖는 삼각 프리즘 기하 구조이다. 이 기하 구조에서 6개의 리간드는 모두 동일하다. 또한 C_3v 대칭을 갖는 왜곡된 삼각 프리즘도 존재하는데, 대표적인 예로는 W(CH₃)₆이 있다.

일반적으로 느리게 진행되는 ''Δ''- 및 ''Λ''-착물의 상호 변환은 삼각 프리즘 중간체를 거쳐 진행되는 것으로 제안되었으며, 이를 "바일러 트위스트"라고 한다. 이러한 동일한 착물의 래서미화를 위한 또 다른 경로는 레이-더트 트위스트이다.

6. d-오비탈 에너지 분리 (Splitting of d-orbital Energies)

리간드장 이론에 따르면, 기체 상태의 자유 이온, 예를 들어 Ni²⁺ 또는 Mo⁰에서 d 오비탈의 에너지는 동일하게 "축퇴"되어 있다. 팔면체 착물에서는 이러한 축퇴가 해제된다. 리간드를 직접 향하는 d_''z''² 및 d_{''x''²−''y''²} (e_g 세트)의 에너지는 불안정해지고, d_''xz'', d_''xy'', 및 d_''yz'' 오비탈 (t_2g 세트)의 에너지는 안정화된다. t_2g 및 e_g라는 표시는 이러한 오비탈의 대칭성을 설명하는 기약 표현을 나타낸다. 자유 이온으로부터 팔면체 착물이 형성될 때 축퇴가 손실되는 것을 결정장 분리 또는 리간드장 분리라고 한다.

이 두 세트를 분리하는 에너지 간격(''Δ''_o)은 결정장 이론과 더 포괄적인 리간드장 이론의 기초가 된다. ''Δ''_o는 리간드의 수와 특성에 따라 달라진다. 착물의 대칭성이 팔면체보다 낮으면 e_g 및 t_2g 준위가 더 분리될 수 있다. 예를 들어, t_2g 및 e_g 세트는 ''트랜스''-ML₄L₂에서 더 분리된다.

리간드의 세기는 다음 순서를 따른다.

:약함: 아이오딘 < 브로민 < 플루오린 < 아세테이트 < 옥살레이트 < 물 < 피리딘 < 시안화물 :강함

소위 "약장 리간드"는 작은 ''Δ''_o를 발생시키고 더 긴 파장에서 빛을 흡수한다.

7. 반응 (Reactions)

팔면체형 착물은 그 종류가 매우 다양하여, 보고된 반응 또한 매우 다양하다. 이러한 반응은 다음과 같이 분류할 수 있다.

리간드 치환 반응 (다양한 메커니즘을 통해)
리간드 부가 반응 (예: 프로톤화)
산화 환원 반응 (전자를 얻거나 잃는 반응)
배위권 내에서 리간드의 상대적인 입체화학이 변화하는 재배열 반응

팔면체 전이 금속 착물의 많은 반응이 물에서 일어난다. 음이온 리간드가 배위된 물 분자를 치환하는 반응을 아나화 반응이라고 한다. 그 역반응, 즉 물이 음이온 리간드를 치환하는 반응을 수화 반응이라고 한다. 예를 들어, [CoCl(NH₃)₅]²⁺는 물에서 [Co(NH₃)₅(H₂O)]³⁺로 천천히 변환되며, 특히 산 또는 염기가 존재할 때 더욱 그렇다. 농축된 염산을 첨가하면 아쿠오 착물이 아나화 과정을 거쳐 염화물로 다시 전환된다.

참조

_[1] 웹사이트 Trigonal bipyramidal molecular shape @ Chemistry Dictionary & Glossary https://glossary.per[...] 2022-07-03
_[2] 서적 Stereochemistry of Coordination Compounds https://archive.org/[...] John Wiley 1995
_[3] 서적 Inorganic Chemistry Prentice-Hall 1999
_[4] 논문 A contribution to the understanding of the structure of xenon hexafluoride
_[5] 논문 The Structure of {{chem|IF|6|-}}
_[6] 웹사이트 VSEPR and more than six electron pairs https://winter.group[...] 2015
_[7] 서적 Structural Inorganic Chemistry Clarendon Press 1984

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com