金属羰基配合物

金属羰基配合物有效原子序数(EAN)规则和金属羰基化合物类似羰基的有机过渡金属化合物过渡金属不饱和链烃配合物过渡金属环多烯化合物过渡金属的羰基簇化物过渡金属的卤素簇化物应用有机过渡金属化合物和金属原子簇化物的一些催化反应习题：1(2),(4),(6),2,7,15;选作题：4,5,6,8,9,11,12.d区元素(Ⅲ)——有机金属化合物簇合物

第九章第2页,共94页，2024年2月25日，星期天

金属羰基配合物是由过渡金属与配位体CO所形成的一类配合物。这类配合物无论是在理论研究还是实际应用上，在近代无机化学中都占有特殊重要的地位。

9.1金属羰基配合物9.1.1概述第3页,共94页，2024年2月25日，星期天

金属羰基配位物有三个特点，即①

金属与CO之间的化学键很强。如在Ni(CO)4中，Ni－C键能为147kJ·mol－1，这个键能值差不多与I－I键能(150kJ·mol－1)和C－O单键键能(142kJ·mol－1)值相差不多。②

在这类配合物中，中心原子总是呈现较低的氧化态(通常为0，有时也呈较低的正氧化态或负氧化态)。氧化态低使得有可能电子占满d

－MO，从而使M→L的电子转移成为可能。③大多数配合物都服从有效原子序数规则。第4页,共94页，2024年2月25日，星期天

最早发现的羰基化合物是Ni(CO)4，它是在1890年被Mond发现的。将CO通过还原镍丝，然后再燃烧，就发出绿色的光亮火焰(纯净的CO燃烧时发出蓝色火焰)，若使这个气体冷却，则得到一种无色的液体。若加热这种气体，则分解出Ni和CO，其反应如下：

Ni＋4CONi(CO)4(m.p.－25℃)Ni＋4CO

由于Fe、Co、Ni的相似性，它们常常共存。但是由于金属Co与金属Ni同CO的作用条件不同(Co和Fe必须在高压下才能与CO化合，Ni在常温常压就可作用)，从而利用上述反应就可分离Ni和Co，以制取高纯度的Ni。常温常压△第5页,共94页，2024年2月25日，星期天

1891年，Mond还发现CO在493K和2×107Pa压力下通过还原Fe粉也能比较容易地制得五羰基合铁Fe(CO)5。

Fe＋5COFe(CO)5

继羰基Ni及羰基Fe被发现之后又陆续制得了许多其他过渡金属羰基配合物，其中一些实例示于下页表中：493K,20MPa第6页,共94页，2024年2月25日，星期天第7页,共94页，2024年2月25日，星期天9.1.2二元羰基化合物的制备和反应1

二元羰基化合物的制备

(1)金属粉末与CO直接作用如四羰基合镍、五羰基合铁的合成。金属粉末必须是新鲜还原出来的处于非常活化的状态才行。

Ni＋4CONi(CO)4(m.p.－25℃)Ni＋4COFe＋5COFe(CO)5

493K,20MPa常温常压△第8页,共94页，2024年2月25日，星期天

(2)还原和羰基化作用

还原剂可用Na、Al、Mg、三烷基铝、CO本身以及CO＋H2等。如：

2CoCO3＋6CO＋4H2Co2(CO)8＋4H2O

CrC13＋6CO＋A1

Cr(CO)6＋A1C13OsO4＋9CO

Os(CO)5＋4CO2420K，30MPaA1C13，苯420K，25MPa第9页,共94页，2024年2月25日，星期天

(3)通过热分解或光照分解,可制得某些多核羰基化合物。如:

3Os(CO)5Os3(CO)12＋3CO2Fe(CO)5Fe2(CO)9＋COCo2(CO)6Co4(CO)12

(4)两种金属的羰基化合物相互作用，可以制得异核羰基配合物。如：

3Fe(CO)5

＋Ru2(CO)12FeRu2(CO)12

＋Fe2Ru(CO)12＋CO△UV,汽油320K380K第10页,共94页，2024年2月25日，星期天

2羰基化合物的反应

(1)可与碱作用生成含氢羰基配合阴离子

Fe(CO)5＋3NaOHNa[HFe(CO)4]＋Na2CO3＋H2O

(2)与酸作用生成羰基氢化物

Na[Co(CO)4]＋H＋

H[Co(CO)4]＋Na＋

Co(CO)4－＋H＋

(3)与X2、NO的取代反应

Fe2(CO)9＋4NO2Fe(CO)2(NO)2＋6CO(4)氧化还原反应

Mn2(CO)10

＋Br22Mn(CO)5BrpKa≈7第11页,共94页，2024年2月25日，星期天1EAN规则

EAN规则是说金属的d电子数加上配体所提供的σ电子数之和等于18或等于最邻近的下一个稀有气体原子的价电子数,或中心金属的总电子数等于下一个稀有气体原子的有效原子序数。

EAN亦称为18电子规则，这个规则实际上是金属原子与配体成键时倾向于尽可能完全使用它的九条价轨道(五条d轨道、一条s、三条p轨道)的表现。9.1.3有效原子序数规则(EAN规则)第12页,共94页，2024年2月25日，星期天

需要指出的是，有些时候，它不是18而是16。这是因为18e意味着全部s、p、d价轨道都被利用，当金属外面电子过多，意味着负电荷累积,

此时假定能以反馈键M→L形式将负电荷转移至配体，则18e结构配合物稳定性较强；如果配体生成反馈键的能力较弱，不能从金属原子上移去很多的电子云密度时，则形成16电子结构配合物。

因此，EAN规则在有些书上直接叫18e和16e规则。注意：这个规则仅是一个经验规则，不是化学键的理论。第13页,共94页，2024年2月25日，星期天

举例说明18e规则和如何确定电子的方法:

①把配合物看成是给体－受体的加合物，配体给予电子，金属接受电子；

②对于经典单齿配体,如胺、膦、卤离子、CO、H－、烷基R－和芳基Ar－，都看作是二电子给予体。如Fe(CO)4H2Ni(CO)4Fe2＋

6

Ni104CO4×2＝8＋)4CO4×2＝8

＋)2H－2×2＝410＋8＝186＋8＋4＝18

第14页,共94页，2024年2月25日，星期天③在配合阴离子或配合阳离子的情况下，规定把离子的电荷算在金属上。如：

Mn(CO)6＋：Mn+7－1＝6,6CO6×2＝12，6＋12＝18Co(CO)4－：

Co－9＋1＝10,4CO4×2＝8，10＋8＝18

④对NO等三电子配体:Mn(CO)4(NO)NO3，

4CO

8，＋)Mn7，

3＋8＋7＝18第15页,共94页，2024年2月25日，星期天⑤含M－M和桥联基团M－CO－M。其中的化学键表示共用电子对，规定一条化学键给一个金属贡献一个电子。如Fe2(CO)9

其中有一条Fe－Fe金属键和3条M－CO－M桥键对每一个Fe:

Fe＝8，(9－3)/2CO＝6,3M－CO＝3，1Fe－Fe＝1,

8＋6＋3＋1＝18第16页,共94页，2024年2月25日，星期天

⑥对于

n型给予体，如

1-C5H5(

给予体)，

5-C5H5、

3-CH2＝CH2－CH3、

6-C6H6(

给予体)等。

n是键合到金属上的一个配体上的电子的数目为n的速记符号，有时也表示配位原子的数目为n。

表示hapto,源于希腊字haptein，是固定的意思。如：Fe(CO)2(

5-C5H5)(

1-C5H5)2CO＝4，

5-C5H5＝5,

1-C5H5＝1，Fe＝8,

电子总数＝4＋5＋1＋8＝18

Mn(CO)4(

3-CH2＝CH2－CH3)

4CO＝8，(

3-CH2＝CH2－CH3)＝3,Mn＝7,

电子总数＝8＋3＋7＝18

Cr(

6-C6H6)2

2(

6-C6H6)＝12，Cr＝6，

电子总数＝12＋6＝18第17页,共94页，2024年2月25日，星期天2EAN规则的应用

①估计羰基化合物的稳定性

稳定的结构是18或16电子结构，奇数电子的羰基化合物可通过下列三种方式而得到稳定：

a

从还原剂夺得一个电子成为阴离子[M(CO)n]－；

b与其他含有一个未成对电子的原子或基团以共价键结合成HM(CO)n或M(CO)nX；

c彼此结合生成为二聚体。

第18页,共94页，2024年2月25日，星期天

②估计反应的方向或产物如：Cr(CO)6＋C6H6→？由于一个苯分子是一个6电子给予体，可取代出三个CO分子，因此预期其产物为：

[Cr(C6H6)(CO)3]＋3CO

又如：Mn2(CO)10＋Na→？由于Mn2(CO)107×2＋10×2＝34，平均为17，为奇电子体系，可从Na夺得一个电子成为负离子，即产物为：

[Mn(CO)5]－＋Na＋第19页,共94页，2024年2月25日，星期天

③估算多原子分子中存在的M－M键数，并推测其结构如Ir4(CO)124Ir＝4×9＝36，12CO＝12×2＝24，电子总数＝60，平均每个Ir周围有15e。按EAN规则，每个Ir还缺三个电子，因而每个Ir必须同另三个金属形成三条M－M键方能达到18e的要求，通过形成四面体原子簇的结构,就可达到此目的。其结构示于右。COCOCOCOIr

COCOTrIrCOCOIrCOCOCOCO第20页,共94页，2024年2月25日，星期天

需要指出的是，有些配合物并不符合EAN规则。以V(CO)6为例，它周围只有17个价电子，预料它须形成二聚体才能变得稳定，但实际上V2(CO)12还不如V(CO)6稳定。其原因是空间位阻妨碍着二聚体的形成，因为当形成V2(CO)12时，V的配位数变为7，配位体过于拥挤，配位体之间的排斥作用超过二聚体中V－V的成键作用。所以最终稳定的是V(CO)6而不是二聚体。第21页,共94页，2024年2月25日，星期天

可以利用分子轨道理论来说明金属羰基化合物中的成键过程。在CO的分子中，C和O都是以2s和2p原子轨道参与成键的。由于C和O原子对称性相同的2s和2px轨道可以混合形成二条spx杂化轨道。在C和O组成分子时，这四条spx杂化轨道中有两条组成了两条

孤对电子轨道，其中一条是氧的spx，另一条是C的spx，剩下两条spx杂化轨道进行组合，一条是CO的

成键轨道，一条是反键轨道。除此之外，还有两条充满的

键轨道和两条空的反键轨道,它们是由py和pz轨道重叠而成,分别位于xz和xy平面内。

CO分子的轨道能级图和轨道示意图绘于下。9.1.4金属羰基化合物中的化学键第22页,共94页，2024年2月25日，星期天(sp－sp反键)(二重简并)(sp(C))(二重简并)(sp－sp成键)(sp(O))第23页,共94页，2024年2月25日，星期天

现在分析一下CO有哪些分子轨道上的电子能给予中心原子形成配位键。

在四条被电子占据的轨道中,4

轨道由于电子云大部分集中在CO核之间,不能拿出来给予其他原子,因此,能授予中心金属原子电子对的只有3

、1

和5

的电子。其中3

电子是属于氧的孤对电子,由于氧的电负性比碳原子大,除少数情况之外,氧很难将3

电子对拿出来给予中心金属原子,因此，可能与中心金属原子形成σ配键的分子轨道就只有1

和5

了。

当CO的5

和1

分别与金属生成

配位键时，它们的成键情况有如下几种方式：第24页,共94页，2024年2月25日，星期天a

端基配位端基配位是CO中C上的孤电子对5

填入金属离子的空轨道:

M

:C≡O5σ1端基配位和侧基配位第25页,共94页，2024年2月25日，星期天

实验发现，在大多数情况下，CO都是端基配位。侧基配位通常出现在下列情况中:

此时,CO可认为是一个四电子给予体，它一方面以5

孤对电子同M1配位，同时又以1

电子同M2配位。M1M2CO：5σ1π

CM

O1πb侧基配位

侧基配位是CO中的1

电子填入金属离子的空轨道:第26页,共94页，2024年2月25日，星期天

然而，不管是端基配位还是侧基配位，配位的过程都是CO将电子填入金属的空轨道，结果将使金属原子上集中了过多的负电荷。为了不使中心金属原子上过多负电荷累积，中心金属原子可以将自己的d电子反馈到CO分子之上。显然CO分子能够接受中心金属原子反馈送来的d电子的轨道只能是最低未占据的2

反键轨道。

反馈

键的形成见下图：第27页,共94页，2024年2月25日，星期天

反馈键的形成,使电子从中心金属原子转入CO的

键(等价于CO的

电子转入了

轨道),其结果是使C≡O的内部键强度的削弱和金属－配体间的键增强,表现在C≡O键长增加(由自由CO的112.8pm增大到115pm)，键强削弱，C－O间的伸缩振动频率下降(由自由CO的2143cm－1下降到大约2000cm－1)，而M－C间的键长却缩短。这些实验事实，不仅支持反馈键的论述，并且也表明了反馈键的形成使得CO内部键削弱和中心原子与配体的键合加强。第28页,共94页，2024年2月25日，星期天

上述

配键和反馈

键的形成是同时进行的，称为协同成键。这种协同作用十分重要，因为金属的电子反馈进入CO的

*轨道，从整体来看，必然使CO的电子云密度增大，从而增加了CO的路易斯碱度，即给电子能力，给电子能力加强，结果又使

键加强；另一方面，CO把电子流向金属生成

键,则使CO的电子云密度减小，CO的路易斯酸性增加,从而加大了CO接受反馈

电子的能力，换句话说，

键的形成加强了

键。这种协同成键作用生成的键称为

－

配键。第29页,共94页，2024年2月25日，星期天2边桥基配位桥基配位出现在双核或多核羰基化合物中，用符号“

2-CO”表示(

2表示桥连两个原子)。CO作为两电子配体，能够同时和两个金属原子的空轨道重叠，另一方面金属原子充满电子的轨道也能同CO的

*反键轨道相互作用，形成反馈键。结果是CO作为一座桥将两个金属联结到一起。第30页,共94页，2024年2月25日，星期天3半桥基配位半桥基配位,实际上是一种高度不对称的边桥基配位,出现在电荷不对称的双核或多核羰基配合物中。

例如有这样一个体系，其中Fe→Fe’配键的形成导致电荷分布的极性(即Fe

＋→Fe’

－)，这时就可能出现CO半桥基配位。此时，CO将它的孤对电子给予带部分正电荷的Fe

＋原子，生成

配键；同时也以

*反键空轨道接受来自带部分负电荷的Fe

－的d电子，形成反馈

键。即CO与Fe

＋之间是通常的端基配位；与此同时，CO又从Fe

－原子接受电子形成反馈

键。结果降低了Fe’

－上的负电荷，中和了Fe

＋上多余的正电荷，从而配合物分子得到稳定。+

－第31页,共94页，2024年2月25日，星期天

4面桥基配位在多核羰基化合物中，一个CO可以和三个金属原子结合形成面桥基，面桥基一般用(

3-CO)表示(

3表示桥联3个原子)。在配合时，CO的碳原子上含孤对电子的轨道可以同符号相同的三个金属原子的组合轨道相重叠，而CO上的空2

反键轨道又能从对称性相匹配的金属原子的组合轨道接受电子形成反馈

键。下面是金属原子的组合轨道。第32页,共94页，2024年2月25日，星期天

下面列出CO配位后C－O间的伸缩振动频率的变化

O

CH3CCH3：

CO＝1750cm－1,

自由CO：

CO(自由)＝2143cm－1，端基CO：

CO(端基)＝2000100cm－1;

桥基CO：

CO(

2-CO)＝180075cm－1;

面桥基CO：

CO(

3-CO)＝1625cm－1第33页,共94页，2024年2月25日，星期天9.2类羰基配体的有机过渡金属配合物N2、NO＋、CN－等双原分子或基团是CO分子的等电子体。因此它们与过渡金属配位时与CO的情形十分相似，同样是既可作为

给予体，又可作为

接受体。9.2.1分子N2配合物

下面示出N2分子的分子轨道能级图。最高占据轨道相当于N上的孤对电子，然后是

轨道，最低未占据为1

。已经知道它与CO十分相似，因而可用:N≡N:(与:C≡O:比较)表示。第34页,共94页，2024年2月25日，星期天

因此，分子N2与过渡金属生成配合物时的成键情况也与CO相似，氮原子上的孤对电子3

g进入过渡金属的空轨道，形成

配键；同时过渡金属的非键d电子进入N2分子的反键1

g空轨道，形成反馈

键，从而构成

－

协同配位的结构。第35页,共94页，2024年2月25日，星期天

然而同CO相比，N2最高占有轨道的能量比CO低，所以N2是一个较差的

电子给予体，它给出电子形成

配键的能力远比CO弱;另一方面,N2分子的最低未占据空轨道的能量又比CO的高,所以N2接受金属d电子形成反馈

键的能力也不如CO强。因此，N2分子配合物的稳定性比金属羰基化合物差，生成的N2分子配合物的数量也远比羰基化合物少。

第36页,共94页，2024年2月25日，星期天下面给出的是端基和侧基配位的情况。

如果作为桥基(端桥或侧桥)配位则在图的右面再加上一个金属原子的d轨道即可。

N2分子可以以端基、侧基和桥基形式同金属配合。第37页,共94页，2024年2月25日，星期天

与金属羰基配合物的情况相似，在N2分子与金属以

－

键配位后，由于形成

键时，N≡N之间的成键电子密度减小，而在形成反馈

键时，N2分子的反键轨道中又加入了电子，这意味着降低了N2的键级[键级＝(成键电子－反键电子)/2]。键级减小，键长增加。红外光谱研究表明，双氮配合物中N2分子的伸缩振动频率一般比自由氮分子小100－300cm－1，最多者可达600cm－1。这表明，双氮配合物中的N2分子得到了一定程度的活化。而N2分子的活化是N2分子进一步还原到NH3的先决条件。因此，可以说，N2分子的活化为人们从空气中直接固氮打开了一扇大门，而这正是人们长久以来所梦寐以求的目标。

第38页,共94页，2024年2月25日，星期天

总之双氮配合物对研究生物固氮和氮、氢化合合成NH3的机理、为推进化学模拟生物固氮的研究、寻找合成氨的新型催化剂以实现在温和条件下合成氨等方面都具有重要的理论意义和实际意义。所以引起了化学家和生物学家们的普遍注意，成为当今无机化学中非常活跃的一个研究领域。第39页,共94页，2024年2月25日，星期天

从表可看出:当N2配位形成双氮配合物后,N≡N键长都略有增加(最大增加25pm),伸缩振动频率νN≡N都有所减小(减少100～500cm－1),表明N≡N键的强度有一定程度削弱,氮分子得到不同程度活化,为双氮配合物进一步反应创造了有利条件。第40页,共94页，2024年2月25日，星期天

镍锂双核端基、侧基N2配合物

配合物中的N2可加合质子并被还原为氨或肼:HCl/CH3OH60℃

HCl/Et2O－60℃NH3＋N2N2H2＋N2[Ti(Cp)2N2]下面是N2配合物的一个实例：第41页,共94页，2024年2月25日，星期天9.2.2亚硝酰基配合物

NO比CO多一个电子,且这个电子处在反键

*轨道上(参考CO能级图),键级为2＋1/2=2.5。它容易失去一个电子形成亚硝酰阳离子NO＋，NO→NO＋＋e,电离能为916.6kJ·mol－1。NO＋与CO是等电子体,键级为3(NO的键级为2.5)。NO的键长为115.1pm,NO＋的键长106.2pm(正常N－O单键键长为140pm，N＝O键键长为121pm，N≡O键键长为106pm)

。

NNO第42页,共94页，2024年2月25日，星期天

NO曾在1992年被美国《科学》杂志选为明星分子，因为在大气中，NO是有害气体，它破坏臭氧层，造成酸雨，污染环境，但在受控制的小剂量情况下，对人体极有益，因为它能容易地穿过生物膜，氧化外来有害物质，它作用于大脑血管、免疫系统、肝脏、肺、子宫、末梢神经等，起到调节血压、抵抗微生物入侵，促进消化作用等。已知NO分子中电负性差△χ为0.4，但NO分子偶极距较小，仅为0.17D，方向是由氧指向氮。NO分子的磁性随温度变化而变化,如在常温下,它有顺磁性,但随温度的降低分子磁性减少，低温下，固体NO为逆磁性。NO可以形成一系列NO＋和NO－化合物(请比较NO、NO＋、NO－的键级、键长及磁性)。第43页,共94页，2024年2月25日，星期天

一般认为NO作配体时是一个三电子给予体。可以这样来理解它的配位情况：当它跟金属配位时，处于反键

*轨道上的那个电子首先转移到金属原子上

M＋NO→NO＋＋M－

NO＋与金属M－的配位方式同CO一样，即NO＋(亚硝酰阳离子)向金属M－提供一对电子形成

配键,而M－提供d电子、NO＋的反键

*轨道接受来自M－的d电子形成反馈

配键，亦即形成

－

键体系。

NNO

当NO同其他配体一起与金属形成混配型的配合物时，从计量关系看，两个NO可替代三个双电子配体(因为NO是一个三电子配体)。第44页,共94页，2024年2月25日，星期天

一种是M－N≡O呈直线形,一般出现在贫电子体系中，NO作为三电子给予体以NO＋－M－方式成键，如:：：

·

另一种情况为弯曲形，见右图，一般出现在富电子体系中，此时NO给出一个电子，为一电子给予体，金属给出一个电子，形成

单键，而N上还余一孤电子对，正因为这一对孤电子才导致M－N－O呈弯曲。

在大多数情况下，NO以端基进行配位。端基配位有两种情况：第45页,共94页，2024年2月25日，星期天

除端基配位外，NO还可以以桥基方式配位，有连二桥式和连三桥式之分。其中与金属所生成的

单键所需的电子由NO和金属原子共同供给，但这些情况比较少见。连二桥式连三桥式•

•

•

•

第46页,共94页，2024年2月25日，星期天

下面列出NO配位后N－O间的伸缩振动频率的变化:

(NO,自由)＝1840cm－1，

(NO＋,自由)＝2200cm－1;

(M－N－O)＝1550cm－1;NO配合物的

(NO)在1550～1939cm－1之间变化。第47页,共94页，2024年2月25日，星期天

在实验室检验NO3－或NO2－的反应是使含有NO3－或NO2－的溶液进行酸化，再加入浓硫酸及硫酸亚铁溶液，这时将在溶液的上表面与试管接触的地方观察到“棕色环”现象。“棕色环”是一个NO＋配位的典型示例。研究表明，“棕色环”的化学组成为[Fe(NO)(H2O)5]SO4，是一种顺磁性的物质，其中的单电子全部来源于Fe。请分析[Fe(NO)(H2O)5]2＋配离子的配位情况。第48页,共94页，2024年2月25日，星期天

上述CO、N2、NO等配体，均为

电子对给予体，所以是路易斯碱。但同时又都有不同程度的接受反馈

电子的能力，因而又都是路易斯酸。类似的配体还有很多，如CN－、AR3－、醇、酰胺等。它们中有许多是以接受

电子、形成反馈

键为主，据此，人们将这类配位体称为

酸配体。由这类配体形成的配合物称为

酸配合物。第49页,共94页，2024年2月25日，星期天

烯和炔是过渡元素的另一类重要配体，它们以

键的电子云来和金属配位，所以通常将生成的配合物叫

配合物。该配体，亦即以

键电子云去配位的配体称为

配体。9.3不饱和链烃配合物第50页,共94页，2024年2月25日，星期天

●若配体中的键或环上的所有原子都是键合于一个中心原子，则配体名称前加上词头

(

表示

键合形式，可省去)。如[PtC12(NH3)(C2H4)]二氯·一氨·(

－乙烯)合铂(Ⅱ)[Ni(C5H5)2]

二(

－茂)合镍(Ⅱ)[Ni(NO)3(C6H6)]三亚硝酰·(

－苯)合镍(0)[Cr(CO)3(C6H6)]

三羰基·(

－苯)合铬(0)[ReH(C5H5)2]

一氢·二(

－茂)合铼(Ⅲ)●当多重键上的配位原子都配位至一原子上时，其命名法与上同(同样,

可省去)。如右图所示。四羰基·(

－1,5－环辛二烯)合铬(0)一

配合物的命名

配合物的命名原则与经典配合物相似，但为了说明键合情况，还需标明配位原子的键合方式：第51页,共94页，2024年2月25日，星期天●若配体的链上或环上只有一部分原子参加配位，或其中只有一部分双键参加配位，则在

前插入参加配位原子的坐标。如果是配体中相邻的

n

个原子与中心原子成键,则可将第一个配位原子与最末的配位原子的坐标列出，写成(1－n)，如只有一个原子与中心原子成键，则在配体前加上

－词头。如：

三羰基·(1－3－

3－四羰基·(

－苯)三羰基·(1－4－

4－环丁二烯)合钴(0)合钴(I)辛四烯)合铁(0)第52页,共94页，2024年2月25日，星期天

蔡斯盐(K[Pt(C2H4)C13])是过渡金属烯烃配合物的典型实例。命名为三氯·(

2-乙烯)合铂(Ⅱ)酸钾,早在1825年就被蔡斯合成出来，但直到1954年才将它的结构确定。经X－射线分析表明，蔡斯盐的阴离子结构如右图所示：

在认识蔡斯盐的结构之前先来看一下乙烯分子的结构：乙烯分子中的双键包含一条由两个C原子的sp2杂化轨道构成的

键和由两个C原子的p轨道构成的

键。整个乙烯分子位于一个平面之上。除此之外，乙烯分子还含有空的反键

*轨道。二蔡斯盐(Zeisesalt)第53页,共94页，2024年2月25日，星期天

由蔡斯盐的结构图可见，Pt(Ⅱ)与三个氯原子共处一个平面，这个平面与乙烯分子的C＝C键轴垂直，并交于C＝C键轴的中点，三个氯原子与C＝C键的中点组成的平面接近平面正方形。第54页,共94页，2024年2月25日，星期天

乙烯分子与金属离子之间的化学键包含着一条

配键和一条反馈的

配键，这些化学键的形成可表述如下：蔡斯盐阴离子[Pt(C2H4)C13]－的中心离子Pt(Ⅱ)具有

d8构型。在形成配合物时，它以其空dsp2杂化轨道分别接受来自配体Cl－的孤对电子和乙烯分子的成键

电子。与乙烯分子配合时,生成的是三中心

配位键(在这个三中心

配位键中,乙烯是电子对的给予体,Pt(Ⅱ)是电子对接受体)。同时，Pt(Ⅱ)中d

轨道上的非键电子,则和乙烯分子中的空反键

*轨道形成另一个三中心反馈

配键(而在这个三中心反馈

配键中,Pt(Ⅱ)是电子对的给予体,乙烯分子是电子对接受体)。这种

配键和反馈的

配键的协同结果,使得蔡斯盐相当稳定。第55页,共94页，2024年2月25日，星期天

最后需要指出的是，如果配体含有一个以上的双键时，那么配体分子就可以提供一对以上的

电子形成多个

键，起多齿配体的作用。如

C4H6(丁二烯)＋Fe(CO)5＋2

CO第56页,共94页，2024年2月25日，星期天2炔烃配合物

炔烃也可以与过渡金属形成配合物，其配位方式与乙烯配位的方式有很多相似之处。即都可以用

电子同金属键合，但是，由于乙炔分子有两组相互垂直的的成键和反键

*分子轨道，这两套成键

轨道和反键

*轨道都可以和对称性匹配的金属

d轨道发生重叠，即炔烃可以用两对

电子同金属键合，因而可以加强金属与乙炔之间的相互作用。除此之外，两套轨道还可以各同各的金属相互作用，因而可以生成多核配合物，炔烃在其中起桥基的作用。如右图所示。第57页,共94页，2024年2月25日，星期天

另一类重要的过渡金属配合物是环多烯配合物，这类配合物都有夹心型结构，即过渡金属原子夹在两个环烯配体之间，因而被戏称为Sandwichcompound(三明治化合物－夹心面包)。其中最典型的是二茂铁和二苯铬。而且，已经发现，几乎所有的d区过渡金属都可以生成类似于二茂Fe的配合物。9.4金属环多烯化合物第58页,共94页，2024年2月25日，星期天9.4.1茂夹心型配合物1二茂铁的合成和性质二茂铁在1951

年首次纯属偶然地合成了出来。当时是为了制备富瓦烯(),预期的方法是以FeCl3氧化环戊二烯格氏试剂的方法:

但是预期的产物没有得到,却得到了一个橙色的稳定的新配合物(C5H5)2Fe，称为二茂铁。其反应历程是Fe3＋首先被格式试剂还原为Fe2＋，Fe2＋再同格式试剂反应生成二茂铁:2＋FeCl2(C5H5)2Fe＋MgBr2＋MgCl2第59页,共94页，2024年2月25日，星期天

目前合成二茂铁的方法是利用C5H6的弱酸性(pKa≈20)与强碱反应生成环戊二烯阴离子C5H5－，此阴离子再同Fe2＋直接化合得到，整个反应是在四氢呋喃介质中进行的：

C5H6＋NaOH→C5H5Na＋H2O2C5H5Na＋FeCl2Fe(C5H5)2＋2NaC1

也可以使用有机碱来代替NaOH：

2C5H6＋FeCl2＋2Et2NHFe(C5H5)2＋2Et2NH2C1

如果环戊二烯阴离子与羰基配合物反应可制得“半夹心”式的配合物:W(CO)6＋NaC5H5Na[(C5H5)W(CO)3]＋3COTHFTHF－第60页,共94页，2024年2月25日，星期天

二茂铁是一稳定的橙黄色晶体，m.p173～174℃，可溶于苯等有机溶剂，但不溶于水，在100℃时升华，对空气稳定，在隔绝空气的条件下加热，500℃时还不分解。

但易被Ag+、NO3－等氧化为蓝色的铁茂正离子[Fe(C5H5)2]＋。由于二茂Fe中的环戊二烯基具有芳香性，因此，二茂Fe具有许多类似于苯的性质，而且与亲电试剂反应比苯还要活泼。如茂环上的H可以被酰基取代：

Fe(C5H5)2＋CH3COC1(C5H5)Fe(CH3COC5H4)＋HC1

(C5H5)Fe(CH3COC5H4)＋CH3COC1

(CH3COC5H4)Fe(CH3COC5H4)

又如，茂环可以同甲醛和有机胺缩合：Fe(C5H5)2＋CH2O＋HNMe2

(C5H5)Fe(C5H4CH2NMe2)＋H2O

不过，就这一点而言，又说明二茂Fe的反应性更接近于噻吩和酚，而不太象苯，因为苯不发生上述缩合反应。A1C13A1C13H3PO4HAc(二甲胺)第61页,共94页，2024年2月25日，星期天2二茂铁的结构和化学键

X－射线测定表明在二茂Fe中，Fe原子对称地夹在两个茂环平面之间，二环之间的距离为332pm，所有的C－C键长都为140.3pm,Fe－C键长204.5pm,由此可得,∠CFeCmax＝67º26’。

茂环可以采取重叠型和交错型两种构型。－(3.81.3)kJ·mol－1

重叠型交错型

(多存在于气相中)(多存在于固相中)第62页,共94页，2024年2月25日，星期天

下面我们将用分子轨道理论来讨论它的化学键问题。根据二茂铁的结构，铁与环间的距离较远(166pm)，因此，(每个)环上的C原子之间的作用超过了C与Fe原子间的作用，因此二茂铁的分子轨道可以按下面的顺序进行组合。第63页,共94页，2024年2月25日，星期天

首先是组成环戊二烯基的非定域分子轨道。由于环戊二烯基含有垂直于碳原子平面的五条

p

轨道，由这五条p轨道可以线性地组成五条非定域p

轨道。这些轨道的正负区域及节面数可表示如下:

图中红色虚线表示分子的节面，因此，按照轨道(图形)的对称性，这五条分子轨道可分为三类:一类没有节面，第二类是有一个节面的简并轨道，第三类是有两个节面的简并轨道。显然这些轨道的能级随节面的增多而升高。第64页,共94页，2024年2月25日，星期天

用同样方法可以得到其他八条分子轨道。最后，由环戊二烯基的配体群轨道与Fe原子的价电子轨道，按对称性匹配原则组合成成二茂铁的分子轨道，

然后，我们将两个环戊二烯基环的一共十条p

轨道组合成十条配体群轨道。例如按照对称性匹配的原则，第一个环中的轨道和第二个环中的轨道可以线性地组成合二条配体群轨道a1g和a2u(g表示中心对称,u表示中心反对称)。第65页,共94页，2024年2月25日，星期天Cp能级Cp轨道对称性

Cp的分子轨道

Fe的原子轨道

Cp2Fe的分子轨道第66页,共94页，2024年2月25日，星期天

在组成分子轨道能级图时，轨道对称性相匹配是成键的先决条件，除此之外，还要考虑配体群轨道与Fe原子轨道的相对能级高低，以及它们的重叠程度。按照这些原则，应用量子力学计算得到的Cp2Fe的部分分子轨道的能级图示于右。

Fe2＋的6个价电子和两个环戊二烯基的12个电子共18个电子分别填入九条分子轨道中。二茂Fe的价电子数18，符合18e规则，因此，Cp2Fe是夹心配合物中最稳定的配合物。第67页,共94页，2024年2月25日，星期天

重要性仅次于茂夹心配合物的是苯夹心配合物。在苯夹心配合物中以二苯铬最稳定。将金属卤化物、苯、三卤化铝和金属铝一起反应即得二苯铬阳离子。

3CrC13＋2A1＋A1Cl3＋6C6H6[(C6H6)2Cr][A1C14]

产物在碱性介质中再经连二硫酸钠还原，便得到

0

价的金属夹心配合物：

2[(C6H6)2Cr]＋＋S2O42－＋4OH－

(C6H6)2Cr＋2SO32－＋2H2O

二苯铬是一种逆磁性的棕黑色固体，m.p.284－285℃，物理性质与二茂铁相似，但热稳定性不如二茂铁。在空气中会自燃,易在芳香环上发生取代反应,也易被氧化为二苯铬阳离子：

2(C6H6)2Cr＋O2＋2H2O2[(C6H6)2Cr]OH＋H2O2

二苯铬也具有夹心结构，成键方式和分子轨道能级图都类似于二茂Fe，其中，苯为六电子给予体，Cr有六个价电子，共18个电子填入9条成键的分子轨道，电子两两成对，故该配合物是逆磁性的。9.4.2二苯铬第68页,共94页，2024年2月25日，星期天9.4.3环辛四烯夹心型化合物

环辛四烯(C8H8,COT)也能和过渡元素、镧系元素和锕系元素，生成类似于Cp2Fe式的夹心型的化合物。下面示出环辛四烯和二环辛四烯铀(用(COT)2U表示)的结构。COT环为平面结构，U4+对称地夹在两个COT环之间。其成键方式据认为是U4＋的fxyz和fz(x2－y2)与COT的e2u轨道的相互作用。U(COT)2是一种稳定的绿色晶体，甚至到200℃也不分解。环辛四烯(C8H8,COT)第69页,共94页，2024年2月25日，星期天

原子簇(Cluster)是金属原子簇化合物的简称，也可称之为簇合物。它是指3个或3个以上的金属原子直接键合而成的化合物(按照这个定义，很显然，硼烷和碳硼烷都不能算在原子簇之内)。9.5过渡金属原子簇化学第70页,共94页，2024年2月25日，星期天(一)中心原子之间仅有金属键连接●含有金属键而且具有对称结构的化合物，应用倍数词头命名。如：

[Br4Re－ReBr4]2－二[四溴合铼(Ⅲ)]酸根离子

[(CO)5Mn－Mn(CO)5]二(五羰基合锰)●若为非对称结构，则将其中的一些中心原子及其配体合在一起作为另一个“主要的”中心原子的配体(词尾用“基”)来命名，这另一个作为“主要的”中心原子是其元素符号的英文字母居后的金属，如

[(C6H5)3AsAuMn(CO)5]

五羰基·[(三苯基胂基)金基]合锰

As:arseneAu:goldMn:manganese9.5.1簇化合物的命名第71页,共94页，2024年2月25日，星期天(二)中心原子间既有桥联基团又有金属键此类化合物应按桥联化合物来命名，并将包含有金属－金属键的元素符号括在括号中缀在整个名称之后。如

(CO)3Co(

2-CO)2Co(CO)3

二(

2-羰基)·二(三羰基合钴)(Co－Co)第72页,共94页，2024年2月25日，星期天(三)同种金属原子簇化合物的命名有些金属原子簇化合物除其金属间有键连接外，还有一些非金属原子团(配体)与该金属原子簇紧密缔合,这时,金属原子与配体间键的性质则按照桥键和一般键的习惯来命名。此外，还必须对该金属原子簇的几何形状(如三角、四方、四面等)加以说明。如：

Os3(CO)12

十二羰基合-三角-三锇

[Nb6(

2-C1)12]2＋

十二(

2-氯)合-八面-六铌(2＋)离子

[Mo6(

3-Cl)8]4＋

八(

3-氯)合-八面-六钼(4＋)离子

注:其中，括号内的2＋和4＋不是氧化态(氧化态是罗马字),而是离子的电荷。第73页,共94页，2024年2月25日，星期天9.5.2金属－金属键

按照簇合物这个定义,金属－金属键是簇合物的重要标志,下面是几个金属－金属键的例子。1Mn2(CO)10

按照18电子规则,Mn2(CO)10有2×7＋10×2＝34个电子，平均每个Mn有17个电子，可以预料在它们的分子中必定存在有一条Mn－Mn金属键。事实上，在成键时锰进行了d2sp3杂化，有六条杂化轨道。其中5条用以接受来自五个羰基配体的孤对电子，其中还有一条已充填有一个单电子的d2sp3杂化轨道与另一个锰原子的同样的轨道重叠形成Mn－Mn键。因此，每一个锰都是八面体型的，而且OC－Mn－Mn－CO处于一条直线上。第74页,共94页，2024年2月25日，星期天2Co2(CO)6(μ2-CO)2Co2(CO)8有三种异构体。其中Co2(CO)6(

2-CO)2异构体有两个边桥羰基分别桥接两个钴原子，除此之外，每个钴原子还和三个端基羰基相连，由于Co2(CO)8的价电子数为2×9＋8×2=34，平均每个Co有17个电子，预期它们中也存在一条金属键。所以对每一个钴，它的配位数也是6，也应是d2sp3杂化轨道成键。

由于d2sp3杂化轨道之间的夹角为90°，可以预料，两个金属必须以弯曲的方式才能进行d2sp3－d2sp3轨道的重叠。第75页,共94页，2024年2月25日，星期天3Re2Cl82－在上两个例子中，不管金属键是直线性的还是弯曲的，但它们都是单键，而在Re2Cl82－离子中，Re与Re之间的金属键却是四重的。该离子有2×4＋8×2＝24个价电子,平均一个Re有12个e，因此，必须和另一个金属Re生成四重金属键才能达到16e的结构(为什么是16e？因为Cl－接受反馈

键的能力较弱，不能分散中心金属原子的负电荷累积，故只能达到16e结构)。

右面示出Re2Cl82－离子的结构。第76页,共94页，2024年2月25日，星期天Re2Cl82－离子在成键时，Re用dx2－y2，s，px,py四条轨道进行杂化，产生四条dsp2杂化轨道,接受四个Cl－配体的孤对电子，形成四条正常的

键，两个金属各自还剩四条d轨道,即dz2、dyz、dxz、dxy相互重叠形成四重的金属键。这四重键，一条是dz2－dz2头对头产生的

键,

两条是由dyz与dyz、dxz与dxz肩并肩产生的π键，还有一条是dxy与dxy(或dx2－y2与

dx2－y2)面对面产生的

键。该离子的24个价电子，在8条Re－Cl

键中用去16,剩下8个则填入四重键中。第77页,共94页，2024年2月25日，星期天Re2Cl82－的结构为重叠构型，即上下Cl原子对齐成四方柱形，Cl－Cl键长332pm，小于其范德华半径(约350pm)，表明C1－C1之间部分键合。

为什么是重叠型而不是交错型？因为重叠型使dxy和dxy(或dx2－y2与dx2－y2)能进行有效的重叠，但交错型时，这种重叠趋势趋于0,(重叠型的)

重叠的结果使在Re与Re之间形成了1条

、2条

和1条

四重键,因而键距很短，键能很大,约为300～500kJ·mol－1,比一般单键或双键的键能都大，故Re2Cl82－能稳定存在。第78页,共94页，2024年2月25日，星期天

假定配合物有MnLm，其中L为配体，可以是1电子给予体、2电子给予体，……，5电子给予体等等。再假定每个金属的价电子数为V，一个配体L提供的电子数为W，电荷为d，则总的价电子数为Vn＋Wm±d。其中Wm实际上代表所有配体给予的电子数,d为电荷(负离子取＋,正离子取－)。

为了满足18电子规则，需要的电子数为18n，其间的差额为

18n－(Vn＋Wm±d)

这就是二中心金属键所需要的电子数，因此：

M－M键的数目＝[18n－(Vn＋Wm±d)]／2即：M－M键的数目＝[满足18e规则所需要的电子数－(金属的总价电子数＋配体提供的总电子数±离子的电荷数)]/2

＝[18n－(Vn＋Wm±d)]/29.5.318电子规则在原子簇中的应用

*本式为18e规则在原子簇中的应用公式，此公式除能计算M－M键的数目，从而推测羰基簇的骨架结构之外，还可以预言某些原子簇中存在的多重键的数目。第79页,共94页，2024年2月25日，星期天

需要指出的是，18电子规则对三核、四核原子簇的应用比较成功，但对其他高核原子簇有时就不太行得通。原因是18电子规则是建立在电子对定域基础上的，而在多核原子簇中电子是高度离域的，随着金属原子集团的增大，非定域化程度增加。

以Os3(CO)10(

2－H)2为例：配体提供价电子数＝10×2＋2×2＝24

金属Os32＋＝3×8－2＝22

总电子数＝46M－M键数＝(18×3－46)/2＝4

三个金属4条金属键,可以有Os＝Os＝Os和Os＝Os的排布，结构分析表明配合物具有环丙烯的结构，所以其结构如右图所示:

显然，后者电荷分布比较合理。Os第80页,共94页，2024年2月25日，星期天1影响形成M－M键的因素

(1)金属要有低的氧化态，一般为0或接近0。

(2)

金属要有适宜的价轨道,常表现在对于任何一簇过渡元素的第二、第三系列比第一系列的元素更易形成金属－金属键。造成以上两个因素的原因是d轨道的大小问题。因为M－M键的形成主要依靠

d

轨道的重叠，当金属处于高氧化态时，d

轨道收缩，不利于

d

轨道的互相重叠；相反，当金属呈现低氧化态时，其价层轨道得以扩张，有利于金属之间价层轨道的充分重叠，而在此同时，金属芯体之间的排斥作用又不致过大。因此M－M键常出现在金属原子处于低氧化态的化合物中。由于3d

轨道在空间的伸展范围小于4d

和5d，因而只有第二、三过渡系列的元素才更易形成原子簇化物。9.5.4过渡金属簇合物的合成和反应第81页,共94页，2024年2月25日，星期天

(3)要有适宜的配体。由于价层中太多的电子会相互排斥，从而妨碍M－M键的形成，因此，只有当存在能够从反键中拉走电子的π酸配体，如CO、NO、PPh3等时，金属原子簇才能广泛形成；另一方面，对于同一个配体，一般是前几族的元素容易生成原子簇化物，而Fe族、Ni族则不常见，其原因就是前几族元素价层的电子数比较少的缘故。第82页,共94页，2024年2月25日，星期天2合成簇合物的合成方法一般有两种：