大学高级无机化学经典课件06有机过渡金属化合物.ppt
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- 大学 高级 无机化学 经典 课件 06 有机 过渡 金属 化合物
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1、6.3 有效原子序数规则和命名有效原子序数规则和命名(Effective Atomic Number Rule,EAN规则规则)6.3.1 18和和16电子规则电子规则非过渡金属非过渡金属(s区、区、p区区)形成的有机金属化形成的有机金属化合物遵守合物遵守八隅体规则八隅体规则,即金属的价电子数,即金属的价电子数与配体提供成键的电子数总和等于与配体提供成键的电子数总和等于8的分的分子是稳定的。子是稳定的。对于过渡金属对于过渡金属(d区区)来说,它们形成的有机来说,它们形成的有机金属化合物应遵守金属化合物应遵守有效原子序数规则即有效原子序数规则即EAN规则规则。所谓所谓有效原子序数有效原子序数就是
2、就是过渡金属全部电子总过渡金属全部电子总数数与与所有配体提供成键的电子数所有配体提供成键的电子数的总和等于的总和等于该金属所在周期中稀有气体的原子序数。该金属所在周期中稀有气体的原子序数。若若EAN为为36(Kr,第四周期第四周期)、54(Xe,第五周第五周期期)、86(Rn,第六周期第六周期),则该化合物稳定。,则该化合物稳定。如果只考虑价电子如果只考虑价电子(ns,(n-1)d),那么,那么EAN规则可描述为规则可描述为金属价电子数,加上配体提供金属价电子数,加上配体提供成键的电子数总和等于成键的电子数总和等于18或或16(某些具有某些具有d8电电子组态子组态)的分子是稳定的的分子是稳定的
3、。所以,。所以,EAN规则规则又称为又称为18和和16电子规则电子规则。6.3.2 金属的氧化态金属的氧化态氧化态又叫氧化数氧化态又叫氧化数,它是以化合价学说和元,它是以化合价学说和元素电负性概念为基础发展起来的一个化学概素电负性概念为基础发展起来的一个化学概念,它在一定程度上标志着元素在化合物中念,它在一定程度上标志着元素在化合物中的的化合状态化合状态。氧化态是形式电荷数,所以氧化态是形式电荷数,所以可以为分数可以为分数。引。引入氧化数概念后,化合价概念可保持原来原入氧化数概念后,化合价概念可保持原来原子个数比的意义,而不必使用子个数比的意义,而不必使用“平均化合价平均化合价”等容易使化合价
4、概念模糊的术语了。等容易使化合价概念模糊的术语了。通常规定通常规定氧化态用罗马数字表示氧化态用罗马数字表示,以区别于,以区别于阿拉伯数字表示的化合价阿拉伯数字表示的化合价。氧化态氧化态和和化合价化合价两个概念的区别:两个概念的区别:化合价化合价的原意是某种元素的原子与其他元素的原意是某种元素的原子与其他元素的原子相化合时两种元素的原子数目之间一的原子相化合时两种元素的原子数目之间一定的定的比例关系比例关系,所以,所以化合价不应为非整数化合价不应为非整数。Fe3O4中,中,Fe的化合价和氧化态分别为多少?的化合价和氧化态分别为多少?Fe实际上存在两种化合价态:实际上存在两种化合价态:+2和和+3
5、价,价,其分子组成为:其分子组成为:FeOFe2O3 Fe的氧化态为的氧化态为8/3。在有机过渡金属化合物中,在有机过渡金属化合物中,金属的氧化态金属的氧化态是是指配体从金属外层轨道指配体从金属外层轨道包括包括(n-1)d,ns和和np取走电子后剩余的形式电荷数。取走电子后剩余的形式电荷数。(3)含碳配体的形式电荷根据与金属含碳配体的形式电荷根据与金属键合键合的的 碳原子数来决定。碳原子数来决定。键合碳原子数为键合碳原子数为奇数奇数时,形式电荷为时,形式电荷为-1;键合碳原子数为键合碳原子数为偶数偶数时,形式电荷为时,形式电荷为0。有机金属化合物中金属氧化态的确定和配体有机金属化合物中金属氧化
6、态的确定和配体的形式电荷有关。关于配体形式电荷的确定的形式电荷有关。关于配体形式电荷的确定有有以下经验规则以下经验规则:(1)氢和卤素氢和卤素形式电荷都为形式电荷都为-1;(2)NH3,PR3,AsR3,SR2,CO等等中性配体中性配体的形的形 式电荷为式电荷为0;CH3Mn(CO)3中,中,Mn的氧化态为:的氧化态为:+IFe(CO)3(C4H4)中,中,Fe的氧化态为:的氧化态为:环丁二烯,键合碳原子数为环丁二烯,键合碳原子数为40(PPh3)2PtCl2中,中,Pt的氧化钛为:的氧化钛为:+II6.3.3 配体电子数的计算配体电子数的计算配体向金属提供的电子数:配体向金属提供的电子数:C
7、O,PPh3,H-,X-,烷基和芳基为烷基和芳基为2电子给予体;电子给予体;NO为为3电子给予体;电子给予体;中性有机分子每个双键或三键为中性有机分子每个双键或三键为2电子给予电子给予体;但是丁二烯体;但是丁二烯(C4H6),环丁烯,环丁烯(C4H4)则为则为4电子给予体;电子给予体;含有含有3个或个或3个以上双键的烯烃,提供的个以上双键的烯烃,提供的 电电子数是可变的子数是可变的(即配位的即配位的C原子数可变原子数可变)。某些烃类某些烃类给予体提供的给予体提供的电子数和配位电子数和配位特征见特征见P338表表6-2。6.3.4 EAN规则应用实例规则应用实例(4-C8H8)Rh(CO)3(R
8、h+为为d8构型构型)4-C8H84个个电子电子Rh+8个个d电子电子3CO6个个电子电子9对或对或18电子电子配合物稳定配合物稳定Ir(PPh3)2COCl(Ir+为为d8构型构型)2PPh34个个电子电子Ir+8个个d电子电子CO2个个电子电子16电子电子配合物稳定配合物稳定Cl-2个个电子电子6.3.5 有机金属化合物命名原则有机金属化合物命名原则(1)若配体中的链或环上所有原子都键合于若配体中的链或环上所有原子都键合于 一个中心原子,则在配体名称前加上词一个中心原子,则在配体名称前加上词 头头,表示,表示键合形式。键合形式。(3-C3H5)Co(CO)3(5-C5H5)Ni(NO)三羰
9、基三羰基(-烯丙基烯丙基)合钴合钴(I)亚硝酰亚硝酰(-环戊二烯基环戊二烯基)合镍合镍(I)(2)若链或环上只有一部分原子参加配位,若链或环上只有一部分原子参加配位,则在则在前将这一部分原子的位标列出。前将这一部分原子的位标列出。(3-C7H7)Fe(5-C5H5)CO羰基羰基(1-3-环庚三烯基环庚三烯基)(-环戊二烯基环戊二烯基)合铁合铁(II)(4-C8H8)Co(5-C5H5)(1-2:5-6-环辛四烯环辛四烯)(-环戊二烯环戊二烯)合钴合钴(I)(3)若配体中仅有一个原子参加配位,则应若配体中仅有一个原子参加配位,则应 将词头将词头加在此配体前,表示加在此配体前,表示键合形式。键合形
10、式。Fe(CO)2(5-C5H5)(1-C5H5)二羰基二羰基(-环戊二烯基环戊二烯基)(-环戊二烯基环戊二烯基)合铁合铁(II)6.4 过渡金属的羰基化合物过渡金属的羰基化合物过渡金属羰基化合物是过渡金属羰基化合物是由过渡金属与配位由过渡金属与配位体体CO所形成的一类配合物。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用上,在近代无机化学中都占有特殊重要的地位。的地位。一、概述一、概述过渡金属羰基化合物有三个特点,即:过渡金属羰基化合物有三个特点,即:金属与金属与CO之间的之间的化学键很强化学键很强。如在。如
11、在 Ni(CO)4中,中,NiC键能为键能为147 kJmol1。在这类配合物中在这类配合物中,中心原子总是呈现较低中心原子总是呈现较低 的氧化态的氧化态(通常为通常为0,有时也呈较低的正有时也呈较低的正 氧化态或负氧化态氧化态或负氧化态)。氧化态低使得有可能电子占满氧化态低使得有可能电子占满d MO,从而使从而使ML的的 电子转移成为可能,即电子转移成为可能,即CO用用p*空轨道接受过渡金属反馈的空轨道接受过渡金属反馈的d电子电子,形成,形成反馈键反馈键。大多数配合物都大多数配合物都服从有效原子序数规则服从有效原子序数规则。二、二、羰基化合物的制备羰基化合物的制备1.直接合成法直接合成法Ni
12、(s)+4CO(g)Ni(CO)4(l)Fe(s)+5CO(g)Fe(CO)5(l)(200C,200atm)Ni(CO)4是最早发现的羰基化合物,常温是最早发现的羰基化合物,常温下为下为液体液体。加热气化,进一步加热可分。加热气化,进一步加热可分解为解为Ni和和CO。Co(s)+8CO(g)Co2(CO)8(s)(150C,35atm)合成合成Fe(CO)5的高压反应釜的高压反应釜2.还原羰基化还原羰基化(reductive carbonylation)金属化合物金属化合物+还原剂还原剂(Na,Al,AlR3,H2,CO)+CO CrCl3(s)+Al(s)+6CO(g)(AlCl3,苯苯)
13、AlCl3+Cr(CO)6Re2O7(s)+17CO(g)(250C,350 atm)Re2(CO)10(s)+7CO23.通过通过热分解热分解或或光照分解光照分解,可制得某些可制得某些 多核羰基化合物。多核羰基化合物。3 Os(CO)5 Os3(CO)123CO4.两种金属的羰基化合物相互作用,可两种金属的羰基化合物相互作用,可 以制得以制得异核羰基配合物异核羰基配合物。3Fe(CO)5 Ru2(CO)12 FeRu2(CO)12Fe2Ru(CO)12CO380K三、三、羰基化合物的成键和分子光谱羰基化合物的成键和分子光谱(spsp反键反键)(二重简并二重简并)(sp(C)(二重简并二重简并
14、)(spsp成键成键)(sp(O)HOMO:最高被占轨道最高被占轨道LUMO:最低空轨道最低空轨道CO的的HOMO(highest occupied molecular orbital)为为 给体给体(碱碱)金属羰基化合物的金属羰基化合物的反馈键反馈键(back bond)生成生成示意图示意图CO的的LUMO(lowestunoccupied)为为 受受体体(酸酸)在四条被电子占据的轨道在四条被电子占据的轨道中,中,4 轨道由于电子云大轨道由于电子云大部分集中在部分集中在CO核之间,不核之间,不能拿出来给予其他原子,能拿出来给予其他原子,因此因此,能授予中心金属原子能授予中心金属原子电子对的只
15、有电子对的只有3、1 和和 5 的电子。其中的电子。其中 3 电子是属于氧的孤对电子,由电子是属于氧的孤对电子,由于氧的电负性比碳原子大于氧的电负性比碳原子大,除少数情况之外除少数情况之外,氧很氧很难将难将3 电子对拿出来给予中心金属原子电子对拿出来给予中心金属原子,因此,因此,可能与中心金属原子形成可能与中心金属原子形成配键配键的分子轨道就只的分子轨道就只有有1 和和 5 了。了。当当CO的的5 和和1 分别与金属生成分别与金属生成 配位键时,配位键时,他们的成键情况有如下几种方式:他们的成键情况有如下几种方式:1.端基配位端基配位端基配位是端基配位是CO中中C上的孤电子对上的孤电子对5 填
16、入金填入金属离子的空轨道属离子的空轨道:5M :CO2.侧基配位侧基配位侧基配位是侧基配位是CO中的中的1 电子填入金属离子的电子填入金属离子的空轨道空轨道:CM O1不管是端基配位还是侧基配位,配位的过程不管是端基配位还是侧基配位,配位的过程都是都是CO将电子填入金属的空轨道,结果将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。使金属原子上集中了过多的负电荷。为了不为了不使中心金属原子上过多负电荷累积使中心金属原子上过多负电荷累积,中心金,中心金属原子可以将自己的属原子可以将自己的 d 电子反馈到电子反馈到CO分子之分子之上。显然上。显然CO分子能够接受中心金属原子反馈分子能
17、够接受中心金属原子反馈送来的送来的 d 电子的轨道只能是最低未占据的电子的轨道只能是最低未占据的2 反键轨道反键轨道。配键配键反馈键的形成反馈键的形成,使电子从中心金属原子转入使电子从中心金属原子转入CO的的 键键,其结果是使其结果是使CO的内部键强度的削弱和金属的内部键强度的削弱和金属配体间的键增强配体间的键增强,表现在表现在CO 键长增加键长增加(由自由由自由CO的的112.8pm增大到增大到115pm),键强削弱键强削弱,CO间的间的伸缩振动频率下降伸缩振动频率下降(由自由由自由CO的的2143cm1下降到下降到大约大约2000 cm1),而而MC间的键长却缩短。这些间的键长却缩短。这些
18、实验事实实验事实,不仅支持反馈键的论述不仅支持反馈键的论述,并且也表明了并且也表明了反馈键的形成使得反馈键的形成使得CO内部键削弱和中心原子与配内部键削弱和中心原子与配体的键合的加强体的键合的加强。上述上述 配键和反馈配键和反馈 键的形成是同时进行的,称为键的形成是同时进行的,称为协同成协同成键键。这种协同作用十分重要,因为金属的电子反馈进入。这种协同作用十分重要,因为金属的电子反馈进入CO的的*轨道,从整体来看,必然使轨道,从整体来看,必然使CO的电子云密度增的电子云密度增大,大,从而增加了从而增加了CO的路易斯碱度的路易斯碱度,即给电子能力即给电子能力,给电子给电子能力加强,结果又使能力加
19、强,结果又使 键加强;另一方面,键加强;另一方面,CO把电子流把电子流向金属生成向金属生成 键键,则使则使CO的电子云密减小,的电子云密减小,CO的路易斯的路易斯酸性增加酸性增加,从而加大了,从而加大了CO接受反馈接受反馈 电子的能力,换句电子的能力,换句话说话说,键的形成加强了键的形成加强了 键。上述成键作用叫协同成键作键。上述成键作用叫协同成键作用,生成的键称为用,生成的键称为 配键。配键。3.边桥基边桥基(二桥基二桥基)配位配位CO作为两电子配体,能够同时和两个金属作为两电子配体,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
20、同电子的轨道也能同CO的的*反键轨道相互作反键轨道相互作用,形成反馈键。结果是用,形成反馈键。结果是CO作为一座桥将作为一座桥将两个金属联结到一起。两个金属联结到一起。故它出现在双核或多故它出现在双核或多核羰基化合物中核羰基化合物中。半桥基配位半桥基配位,实际上是一种高度不对称的实际上是一种高度不对称的边桥基配位边桥基配位,出现在电荷不对称的双核或出现在电荷不对称的双核或多核羰基配合物中多核羰基配合物中。+4.半桥基配位半桥基配位5.面桥基面桥基(三桥基三桥基)配位配位在多核羰基化合物中,一个在多核羰基化合物中,一个CO可以和三个可以和三个金属原子结合形成面桥基,金属原子结合形成面桥基,面桥基
21、一般用面桥基一般用(3CO)表示表示,3表示桥联表示桥联3个原子。在配个原子。在配合时,合时,CO的碳原子上含孤对电子的轨道可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以同符号相同的三个金属原子的组合轨道相重叠,而重叠,而CO上的空上的空2 反键轨道又能从对称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性相匹配的金属原子的组合轨道接受电子形成反馈成反馈 键。键。中性金属羰基化合物中中性金属羰基化合物中CO伸缩振伸缩振动频率的大致范围动频率的大致范围自由自由CO:2143cm1端羰基端羰基:19002050cm1二桥基二桥基(边桥基边桥基):18001900c
22、m1三桥基三桥基(面桥基面桥基):16001800cm1Fe2(C5H5)2(CO)4的红外吸收光谱的红外吸收光谱液体液体Fe(CO)5中羰基振动的红外和拉曼光谱中羰基振动的红外和拉曼光谱双三角锥形,双三角锥形,Terminal CO四、羰基化合物的反应四、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可与碱作用生成含氢羰基配合阴离子Fe(CO)53NaOH NaHFe(CO)4Na2CO3H2O(2)与酸作用生成羰基氢化物与酸作用生成羰基氢化物pKa7NaCo(CO)4H HCo(CO)4Na Co(CO)4 H(3)与与X2、NO的取代反应的取代反应Fe2(CO)94NO 2Fe(
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