본문내용
1. 기하 이성질체(geometric isomer)의 합성
1.1. cis-dichlorobis(ethylenediamine)cobalt(Ⅲ) chloride와 trans-dichlorobis(ethylenediamine)cobalt(Ⅲ) chloride의 합성
cis-dichlorobis(ethylenediamine)cobalt(Ⅲ) chloride와 trans-dichlorobis(ethylenediamine)cobalt(Ⅲ) chloride는 기하 이성질체(geometric isomer)의 대표적인 예이다. 이러한 코발트(Ⅲ) 착화합물은 상대적으로 안정하여 다양한 이론적 연구의 대상이 되어왔다.
cis-[Co(en)2Cl2]Cl의 합성은 먼저 trans-[Co(en)2Cl2]Cl을 합성한 후 가열을 통해 이성질화 반응을 일으켜 얻을 수 있다. trans-[Co(en)2Cl2]Cl 0.45g을 물 5mL에 녹인 용액을 10-20초간 가열하면 보라색의 cis-[Co(en)2Cl2]Cl이 생성된다. 이후 용액을 급냉시키고 실온에서 1주일간 방치하여 물을 완전히 증발시키면 cis-[Co(en)2Cl2]Cl 결정을 얻을 수 있다.
한편 trans-[Co(en)2Cl2]Cl은 CoCl2·6H2O와 ethylenediamine(en)을 반응시켜 합성할 수 있다. CoCl2·6H2O 6g(25.2mmol)과 10% en 용액 20mL(29.9mmol)를 80°C에서 1시간 동안 반응시키고, 여기에 진한 염산 12mL를 첨가하여 자주색 결정을 얻는다. 이 결정을 감압 여과하고 에테르로 세척하여 trans-[Co(en)2Cl2]Cl을 분리할 수 있다.
이와 같이 cis 및 trans 이성질체를 각각 합성함으로써 기하 이성질체의 특성을 연구할 수 있다. 두 화합물은 색, 쌍극자 모멘트, 전자 스펙트럼 등 다양한 물리화학적 성질에서 차이를 보인다. 이를 통해 기하 이성질체의 구조적 차이에 따른 화학적 성질의 변화를 이해할 수 있다.
1.2. 6배위 Co(Ⅲ) 화합물의 이성질체 합성 실험
6배위 Co(Ⅲ) 화합물의 이성질체 합성 실험에서는 cis-[Co(en)2Cl2]Cl와 trans-[Co(en)2Cl2]Cl 두 가지 기하 이성질체를 합성하였다. 화합물 합성에 사용된 CoCl2·6H2O와 ethylenediamine(en)의 반응을 통해 정팔면체 구조의 Co(Ⅲ) 착화합물이 생성되었으며, 이들은 리간드의 공간 배열에 따라 cis와 trans 형태로 구분된다.
실험 과정을 살펴보면, 먼저 CoCl2·6H2O, 물, ethylenediamine을 혼합하여 80°C에서 반응시켜 trans-[Co(en)2Cl2]Cl을 합성하였다. 이때 공기를 천천히 유입하여 반응을 진행하고, 진한 염산을 첨가하여 생성물을 얻었다. 다음으로 trans-[Co(en)2Cl2]Cl을 물에 녹인 후 가열하여 cis-[Co(en)2Cl2]Cl로 이성질화 시켰다. 이 과정에서 열에 의해 trans 형태가 cis 형태로 전환되었다.
이렇게 얻어진 두 기하 이성질체는 색깔, IR 스펙트럼, UV-vis 스펙트럼 등에서 뚜렷한 차이를 보였다. cis 형태는 보라색을 띠고 극성 분자인 반면, trans 형태는 초록색을 띠며 무극성 분자이다. 이는 중심 금속 주변의 리간드 배치가 다르기 때문이다. 또한 cis 형태는 광학 이성질체를 가지지만 trans 형태는 그렇지 않다. 이처럼 기하 이성질체는 물리화학적 성질이 크게 달라 서로 구별이 쉽다.
이번 실험을 통해 6배위 Co(Ⅲ) 착화합물의 기하 이성질체를 합성하고 그 특성을 살펴볼 수 있었다. 화합물의 구조에 따른 다양한 물성 차이를 확인함으로써 배위화합물의 이성질 현상에 대한 이해를 높일 수 있었다.
2. 이성질 현상(isomerism)
2.1. 배위 화합물의 이성질 현상
배위 화합물의 이성질 현상은 같은 화학식을 가지고 있지만 서로 다른 구조를 가지는 화합물들이 존재하는 현상을 말한다. 배위 화합물에서 나타날 수 있는 이성질 현상에는 다음과 같은 종류가 있다.
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