配合物的几何构型与中心离子杂化轨道的关系了解内轨型

第十一章配合物结构 熟悉配合物价键理论的基本要点 配合物的几何构型与中心离子杂化轨道的关系 了解内轨型 外轨型配合物的概念 中心离子价电子排布与配离子稳定性 磁性的关系 第一节配合物的空间构型与磁性 1 1配合物的空间结构 通过X射线对配合物晶体的衍射实验 发现配体在中心原子 离子 周围的排列不是任意的堆积 而是按一定的方式相结合 形成不同空间的结构 配体的数目不同 空间结构也不同 如果知道了中心离子的配位数 则可以判断配合单元 即配合物 的空间结构 现举以下几种为例 配位数为2者空间结构为直线型 图11 1a 例如 Ag NH3 2 Cu CN 2 Cu NH3 2 Ag CN 2 等 空间构型直线形 配位数为3者空间结构为平面三角形 图11 1b 如 Cu CN 3 等 空间构型三角形 配位数为4者有两种结构形态 一种空间结构为平面正方形 图11 1c 如 Pt NH3 2Cl2 Cu NH3 4 2 PtCl4 2 Ni CN 4 2 等 空间构型平面正方形 另一种空间结构为四面体 图11 1d 如 ZnCl4 2 Ni NH3 4 2 Cd CN 4 2 等 空间构型四面体 配位数为5者也有两种结构形态 一种空间结构为三角双锥体 图11 1e 如Fe CO 5 CuCl5 3 Ni CN 5 2 等 此类较为少见 空间构型三角双锥 另一种空间结构为正方锥体 图11 1f 如 TiF5 2 SbF5 2 Ni CN 5 3 等 此类很少见 空间构型四方锥 配位数为6者空间结构为正八面体 图11 z 例如 Fe CN 6 3 A1F6 3 PtCl6 2 Co NH3 6 3 SiF6 2 等 此类最多 空间构型正八面体 图11 1不同配位数的配离子的空间结构示意图 1 2配合物的异构现象 凡具有相同的化学式而分子中原子的排列不同的化合物 均称为异构体 isomer 在配合物中异构现象极为普遍 一般可分为结构异构 structuralisomerism 和空间异构 spatialisomerism 结构异构 例如 CoSO4 NH3 5 Br 红色 和 CoBr NH3 5 SO4 紫色 在这两种配合物中 SO42 和Br 在内界和外界的分配恰好相反 前者加AgNO3可得AgBr沉淀 后者加BaCl2可得BaSO4沉淀 又例如 Cr H2O 6 Cl3 紫色 CrCl H2O 5 Cl2 H2O 亮绿色 和 CrCl2 H2O 4 Cl 2H2O 暗绿色 内界中的H2O分子数依次减少 空间异构 这是由于中心离子外的配体在空间的排布不同而产生的异构现象 例如 PtCl2 NH3 2 是平面四边形 图11 2 其空间构型有两种 顺式 cis 是指同种配位体处于相邻的位置 反式 trans 是指同种配位体处于相反的位置 它们的性质不同 顺式异构体反式异构体图11 2 PtCl2 NH3 2 的空间异构 顺式 PtCl2 NH3 2 是橙黄色 反式 PtCl2 NH3 2 是亮黄色 前者的溶解度大于后者约7倍 298K时 前者稳定性差 当加热到443K时 顺式转变为反式 它们的偶极矩也不相同 又如 Pt NH3 4Cl2 其空间结构为 图11 3 顺式反式图11 3 Pt NH3 4Cl2 空间结构 顺式和反式 Pt NH3 4Cl2 有时简称为顺铂 cis platin 和反铂 trans platin 它们非但有不同的物理和化学性质 而且具有不同的生理活性 人们已经发现顺铂对癌症有治疗效果 而反铂则不具有此种性质 其原因很可能是它们与人体内的DNA 脱氧核糖核酸 deoxyribonucleicacid的缩写 的反应机理有所不同 前者能干扰DNA的复制 阻止癌细胞的再生 以上都是从几何结构的角度来看配合物的空间构型 空间的异构体除了几何异构体外 还有一种是旋光异构体 rotatoryisomer 有左旋和右旋之分 它们是手性的 chirality 它们的结构就像人的左右手一样 互成镜像 即右手在镜子中的形象就是左手 左手在镜子中的形象就是右手 而左右手是不能叠合的 再好的医生也不能把右手接肢到左手的位置上 两种分子具有镜像对称而不能叠合的这种性质称为手征性 chiral 分子的手征性是具有旋光的必要条件 例如 PtBr2Cl NH3 2H2O 的两个旋光异构体在镜面上互成镜像 却不能叠合 镜面 具有旋光异构的配合物能使平面偏振光发生方向相反的偏转 向左偏转者称为左旋体 用 l 表示 向右偏转者称为右旋体 用 d 表示 等量左旋体和右旋体的混合物互相抵消 而不具有旋光性 称为外消旋混合物 racemicmixture 旋光异构现象对人类有密切的关系 多数天然产物具有旋光性 例如烟草中 天然尼古丁是左旋的 有很大的毒性 而人工合成的尼古丁毒性很小 显然它们的生理作用有很大的区别 又如二羟基苯基 1 丙氨酸其左旋体可作为药物 是治疗震颤性麻痹症的特效药 而其右旋体则毫无药效 许多细菌也只对某一化合物的某一种旋光异构体发生作用 这种专一性的原因正是化学家研究的对象 化学家也正在寻求各种有效的方法 把d l 型旋光异构体分开 或者寻找 不对称 合成方法 只合成某一种指定的旋光异构体 以进一步研究它们的特性 第二节价键理论 配合物中的化学键 是指配位个体中配体与形成体之间的化学键 阐明这种键的理论有价键理论 晶体场理论 配位场理论和分子轨道理论 2 1价键理论 1931年Pauling在前人工作的基础上把杂化轨道理论应用于研究配合物 后经他人修正补充 形成近代配合物价键理论 该理论的基本要点是 形成配合物时 形成体 M 的某些价层原子轨道在配体 L 作用下进行杂化 用空的杂化轨道接受配体提供的孤电子对 以 配位键 M L 的方式结合 从近代结构理论的观点来说 亦即形成体的杂化轨道与配位原子的某个孤电子对原子轨道相互重叠 形成配位键 因而 配合物是由形成体与配体以配位键结合而成的复杂化合物 1 配合物的几何构型和配位键 1 几何构型由于形成体的杂化轨道都具有一定的方向性 所以配合物具有一定的几何构型 如表11 1所示 表11 1轨道杂化与配合物的几何构型 例如 Fe3 的价层电子结构为 当Fe3 与6个F 结合为 FeF6 3 时 由于F 的作用 Fe3 的1个4s 3个4p和2个4d轨道进行杂化 组成6个sp3d2杂化轨道 接受6个F 提供的6对孤电子对而形成6个配位键 所以 FeF6 3 的几何构型为正八面体形 而当Fe3 与6个CN 结合为 Fe CN 6 3 时 由于配体CN 的作用 导致Fe3 的价层电子结构重排 原有的5个未成对电子中有4个配成两对 空出的2个3d轨道与1个4s 3个4p轨道组成6个d2sp3杂化轨道 接受6个CN 中C原子提供的6对孤电子对而形成6个配位键 所以 Fe CN 6 3 的几何构型为正八面体形 2 配合物中配位键的类型形成体杂化轨道类型不仅决定配位个体的几何构型 而且决定其配位键的类型 H Taube提出分为内轨和外轨配键 若形成体全以最外层轨道 ns np nd 杂化成键的 所成的配键称为外轨配键 对应的配合物称为外轨型配合物 如 FeF6 3 Ni NH3 6 3 等 若形成体还使用了次外层轨道 n 1 d ns np 杂化成键的 所成的配键称为内轨配键 对应的配合物称为内轨型配合物 如 Fe CN 6 3 Co NH3 6 3 等 配合物是内轨型还是外轨型 主要取决于中心离子的电子构型 离子所带的电荷和配位原子的电负性大小 具有d10构型的离子 只能用外层轨道形成外轨型配合物 具有d8构型的离子如Ni2 Pt2 Pd2 等 在大多数情况下形成内轨型配合物 具有d4 d7构型的离子 既可形成内轨型 也可形成外轨型配合物 中心离子的电荷增多有利于形成内轨型配合物 因为中心离子的电荷较多时 它对配位原子的孤电子对引力增强 利于以其内层d轨道参与成键 例如 Co NH3 6 2 为外轨型 而 Co NH3 6 3 为内轨型 电负性大的原子如F O等 与电负性较小的C原子比较 通常不易提供孤电子对 它们作为配位原子时 中心离子以外层轨道与之成键 因而形成外轨型配合物 C原子作为配位原子时 如在CN 中 则常形成内轨型配合物 2 配合物的稳定性 磁性与键型的关系 由前面讨论可知 以sp3d2或sp3杂化轨道成键的配合物为外轨型 而以 n 1 d2sp3或 n 1 dsp2杂化轨道成键的配合物为内轨型 对于相同中心离子 由于sp3d2杂化轨道能量比 n 1 d2sp3杂化轨道能量高 sp3杂化轨道能量比 n 1 dsp2杂化轨道能量高 当形成相同配位数的配离子时 如 FeF6 3 和 Fe CN 6 3 Ni NH3 4 2 和 Ni CN 4 2 其稳定性是不同的 一般内轨型比外轨型稳定 价键理论不仅成功地说明了配合物的几何构型和某些化学性质 而且也能根据配合物中未成对电子数的多少较好地解释配合物的磁性 物质的磁性与组成物质的原子 分子或离子中电子自旋运动有关 如果物质中正自旋电子数和反自旋电子数相等 即电子皆已成对 电子自旋所产生的磁效应相互抵消 该物质就表现为反磁性 而当物质中正 反自旋电子数不等时 即有成单电子 总磁效应不能互相抵消 整个原子或分子就具有顺磁性 所以 物质的磁性强弱 用磁矩 表示 与物质内部未成对的电子数多少有关 根据磁学理论 与未成对电子数 n 之间存在如下关系 式中 的单位为波尔磁子 符号为B M 根据上式可估算出未成对电子数n 1 5的 理论值 反之 测定配合物的磁矩 也可以了解中心离子未成对电子数 从而可以确定该配合物的磁性 0的具有顺磁性 0的具有反磁性 以及是内轨型还是外轨型的 例如 Fe3 中有5个未成对d电子 根据 理 可估算出Fe3 的磁矩理论值为 理 5 92B M 实验测得 FeF6 3 的磁矩为5 90B M 在 FeF6 3 中 Fe3 仍保留有5个未成对电子 以sp3d2杂化轨道与配原子 F 形成外轨配键 则 FeF6 3 属外轨型 而由实验测得 Fe CN 6 3 的磁矩为2 0B M 此数值与具有一个未成对电子的磁矩理论值1 73B M 较接近 表明在成键过程中 中心离子的未成对d电子数减少 d电子重新分布 腾出2个空d轨道 而以d2sp3杂化轨道与配位原子 C 形成内轨配键 所以 Fe CN 6 3 属内轨型 又如配位数为4的配离子 Ni NH3 4 2 和 Ni CN 4 2 也可通过磁性实验来确定它们属于内轨型还是外轨型 Ni2 中有2个未成对d电子 其磁矩理论值 理 2 83B M 实验测得 Ni NH3 4 2 的 实数值与 理接近 而 Ni CN 4 2 的 实等于0 表明前者属外轨型而后者属内轨型 由于价键理论简单明了 又能解决一些问题 如它可以解释配离子的几何构型 形成体的配位数以及配合物的某些化学性质和磁性 所以它有一定的用途 但是这个理论也有缺陷 它忽略了配体对形成体的作用 而且到目前为止还不能定量地说明配合物的性质 如无法定量地说明过渡金属配离子的稳定性随中心离子的d电子数变化而变化的事实 也不能解释配离子的吸收光谱和特征颜色 如 Ti H2O 3 为何显紫红色 此外 价键理论根据磁矩虽然可区分中心离子d4 d7构型的八面体配合物属内轨型还是外轨型 但对具有d1 d2 d3和d9构型的中心离子所形成的配合物 因未成对电子数无论在内轨型还是外轨型配合物中均无差别 只根据磁矩仍无法区别 理论要点 中心离子M具有空 杂化 轨道 配位体提供孤电子对 形成 配键 M L 如 Co NH3 6 3 配离子的空间结构 配位数及稳定性等主要决定于中心离子的杂化轨道数目和类型 中心离子用外层ns np nd杂化轨道与电负性很大的配位原子 如X O等形成外轨型配合物 例如 FeF6 3 配离子 Fe采用sp3d2外轨型杂化轨道 配合物的键能小 不稳定 在