有机金属化合物 簇团物.ppt

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 金属羰基配位物有三个特点 即 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 在这类配合物中 中心原子总是呈现较低的氧化态 通常为O 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 大多数配合物都服从有效原子序数规则 5 1金属羰基配合物 5 1 1概述 5 1 2二元羰基化合物的制备和反应 1EAN规则EAN规则是说金属的d电子数加上配体所提供的 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希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 1条s 三条p轨道 的表现 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 5 1 3有效原子序数规则 EAN规则 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配位原子数n的速记符号 表示hapto 源于希腊字haptein 是固定的意思 其中的n也代表给予的电子数 若为奇数 可从金属取1 凑成偶数 金属相应减1 如 Fe CO 2 5 C5H5 1 C5H5 2CO 4 5 C5H5 5 6 1 C5H5 1 2 Fe 8 6 电子总数 4 5 1 8 或4 6 2 6 18Mn CO 4 3 CH2 CH2 CH3 4CO 8 3 CH2 CH2 CH3 3 4 Mn 7 6 电子总数 8 3 7 或8 4 6 18Cr 6 C6H6 22 6 C6H6 12 Cr6 电子总数 12 6 18 2EAN规则的应用 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 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 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 他们是由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 5 1 4金属羰基化合物中的化学键 sp sp反键 二重简并 sp C 二重简并 sp sp成键 sp O 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 上述成键作用叫协同成键作用 生成的键称为 配键 2边桥基配位下面的配位方式称作边桥基配位 它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 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 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 见下图 5 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 因此他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 5 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 C O 表示 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 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 N2分子可以以端基 侧基和桥基形式同金属配合 右面给出的是端基和侧基配位的情况 如果作为桥基配位则在图的右面再加上一个金属原子的d轨道即可 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 总之双氮配合物对研究生物固氮和氮氢化合以合成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践意义 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 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 N 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 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 下面是N2配合物的一个实例 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9 5eV 916 6kJ mol 1 5 2 2亚硝酰基配合物 NO 与CO是等电子体 键级为3 NO的键长为115 1pm NO 的键长106 2pm 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M 的d电子形成反馈 配键 亦即形成 键体系 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 如 当亚硝酰多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 在大多数情况下 NO是以端基进行配位的 端基配位有两种情况 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 R N O 1550cm 1 NO配合物 NO 在1550 1939cm 1之间变化 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 他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 烯和炔是过渡元素的另一类重要配体 他们以 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 5 3不饱和链烃配合物 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 如 PtC12 NH3 C2H4 二氯 一氨 乙烯 合铂 Ni C5H5 2 二 茂 合镍 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 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 二蔡斯盐 Zeisesalt 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 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