第五章 配合物反应机理和动力学

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定义:配体可被快速取代的配合物,称为活性配合物;
配体取代缓慢的配合物,称为惰性配合物
配合物的活性,惰性与热力学稳定常数的关系
活性和惰性是指动力学上反应的速度,不要与热力学上的稳定
和不稳定混淆起来。
例如:在酸性介质中,虽然在[Co(NH3)6]3+热力学上很不稳定, 正如其平衡常数所表明的, [Co(NH3)6]3++6H3O+ == [Co(H2O)6]3++6NH4+ 但由于其动力学惰性使它可以继续存在很多天。 K~1025
一. 配合物的取代反应的分类
亲电取代反应:配合物内界的中心原子被另一中心原子所取代。 亲核取代反应:配合物内界的配体被另一种配体取代;(居多) 定义:配离子中一个配体被另一个自由配体取代的反应。 例: L5M-X+Y → L5M-Y+X
配体取代反应,反应后配位界组成发生了变化。
二. 活性与惰性配合物
(4)加成和消除反应
(5)配位配体的反应(以不断裂配位配体的金属-配位键为特征, 因此反应过程中不会发生颜色的变化) 如:[(NH3)5 Co─NCS]2+ →
H2O H2O2
[(NH3)5Co─NH3]3+
本章将对其中最重要的两类反应------取代反应和氧化还原反应 展开讨论。
配体取代(substitution)反应
反应途径:
2.反位影响(Trans Influence)和反位效应(Trans Effect)
按维纳齐(Venanzi)等人的意见:
反位影响表示络合物(在基态时)的一个配体对其反位上金属-配位
键削弱的程度,是个热力学概念。
反位效应表示一个配体对它反位上的基团的取代(或交换)速度的
影响,是一种动力学现象。 显然,键的削弱在反位效应中有重要作用,但是由于取代反应过 渡态的外加作用,反位效应与反位影响不总是平行的。
基团对其反位Βιβλιοθήκη Baidu配体取代速度的效应,完全是一种动力学现象。
反位效应的应用: 反位效应序列可用于说明已知的合成方法和设计新合成方法。
Cl Pt Cl
H3N Pt H3N NH3
Cl Cl
NH3
Cl Pt Cl
NH3 Cl
NH3
Cl Pt Cl
NH3 NH3
利用反位效应
NH3
Cl
-
Cl Pt H3N
NH3 NH3
产物 反应坐标 HT 反应物
发现下列反应: [Co(LL)2Cl2]+ + H2O = [Co(LL)2(H2O)Cl]2+ + ClLL=H2N-(CH2)n-NH2,(乙二胺、丙二胺、丁二胺)的速率 随(LL)体积增大而增大,这支持SN1机理。
结论:八面体配合物的酸性水解大多为SN1机理,但SN2不能排
该理论认为反位效应是由于削弱了被取代配体与金属的基态 键引起的。 M:金属离子
+
T
_ +M_ _ X
X:离去基团
T:旁观配体
(即不进入也不离去的配体)
电荷分布模型
2. π反位效应理论,是为说明诸如膦、CO和烯烃等强的 π酸配 体(即π受体)的活性而发展起来的。 π 理论模型认为,这些配体的效应主要是由于它们能够稳定 五配位过渡态或中间态所致。
(3) 离去基团X的影响
* M—X作用强弱与速率成反比 * 一个好的进入基团却是一个差的离去基团。 象CN-、NO2-等软π酸是很差的离去基团,因为它们与金 属之间形成反馈键的效应极大地降低了取代反应的活性。
(4) 进入基团Y的影响
transPtL2Cl2+Y transPtL2ClY+Cl Y的亲核性越强, k越大,越有利于SN2反应 Y的亲核性顺序是: ROH OR Cl py NO2 N3 Br I SCN SO32 CN C6H5S PR3
六.影响取代反应速率的因素
(1) 中心M的半径,电荷
* 金属离子的半径越大,取代反应速率越小; * 金属离子所带的电荷对取代反应没有什么影响。
(2) 位阻效应
* 顺位保护比反位保护更为有效是过渡态为近似三角双锥的直 接证据。
* 进入基团Y的体积和空间构型也影响反应速度,Y的体积越
大、构型越复杂,空间位阻越大,则反应速率越慢。
[Co(NH3)4(NH2)Cl] = k1[Co(NH3)5Cl][OH]/(k-1[H2O]+k2)
反应速率: d[Co(NH3)5(OH)]/dt = k2[Co(NH3)4(NH2)Cl] = k1k2[Co(NH3)5Cl][OH]/(k-1[H2O]+k2) = K[Co(NH3)5Cl][OH] K=k1k2/(k-1[H2O]+k2)
Y
D机理,又称SN1机理 A机理,又称SN2机理 Id机理(交换离解) Ia机理(交换缔合)
M─X + Y M─X + Y M─X + Y
X ─M─Y → M─Y + X X ─M…Y → M─Y + X X …M─Y → M─Y + X
离解机理
交互机理
缔合机理
反应机理示意图
(a), (c) 有中间产物存在,
中间体 可测定
Y的浓度和性质无关,只与起始配合物的浓度有关,因此 速率方程为: 反应速率= k[ML5 X] ( 速率方程与进入基团y的浓度无关,SN1单分子亲核)
例:Co(CN)5H2O2
Co(CN)52 + Y
k1 k2
Co(CN)52 + H2O
Co(CN)5Y3
k3 k4
Y分别为Br, I, SCN, N3时, k1值均为1.6103s1 说明反应与进入基团无关。
反位效应
苏联学者契尔纳耶夫首先发现了平面正方形络合物取代反应的动
力学反位效应。他指的是反位配体对离场基团被取代速度的特殊
效应。在金属络合物取代反应中反位配体的效应最引人注目。 动力学反位效应(kinetic trans effect)序列
CN- ~ CO ~ C2H4 > H- ~ [SC(NH2)2] ~ PR3 ~ SR2 > CH3- > C6H5~ NO2- ~ I- ~ SCN- > Br- > Cl- > RNH2 ~ NH3 > OH- > H2O 注:这里的反位效应是正方形络合物或八面体络合物中一个配位
Cl
-
Cl Pt H3N
NH3 Cl
NH3 Cl
Cl Cl
Cl Pt Cl
NH3
Cl Cl
Pt
NH3 Cl
NO2-
Cl Cl
NH3 Pt NO2
Cl Cl
Cl Pt Cl
利用反位效应 Cl NO2
NO2-
Cl Cl Pt
NO2 Cl
NH3
Cl H3N
Pt
NO2 Cl
反位效应的解释
1. 最 早 的 静 电 极 化 理 论 (σ 反 位 效 应 理 论 ) , 由 格 林 贝 尔 格 (Grinberg)提出, 主要考虑基态效应。
第五章 配合物反应机理和动力学
引言
任何一个化学反应需要注意两个重要的方面:
*化学反应的可能性、方向及限度 →化学热力学范畴 *反应所经历过程的细节 →化学动力学范畴
化学动力学从动态的角度由宏观唯象到微观分子水平探索化学 反应的全过程是化学反应动力学这门学科所要讨论的主要课题,其 主要任务是: i 研究化学反应过程的速率;
3)4(NH2)Cl] +
+ H2O (快)
[Co(NH3)4(NH2)]2+ + Cl-(慢)
[Co(NH3)4(NH2)]2+ + H2O → [Co(NH3)5OH]2+(快)
采用稳态近似:
d[Co(NH3)4(NH2)Cl]/dt = k1[Co(NH3)5Cl][OH] -k-1[Co(NH3)4(NH2)Cl][H2O]-k2[Co(NH3)4(NH2)Cl]=0
由于CFAE与过渡态构型有关,因此可用来判定SN1还是SN2机理 (数据见下页表格)。
A、d0、d1、d2、d10及弱场下的d5、d6、d7八面体配合物的 CFAE≤0,是活性配合物。
B、d8构型八面体配合物的CFAE>0,应为惰性配合物。
C、强场下,CFAE的顺序为:d6>d3>d4>d5,实际情况符合这一 序。 应指出,CFAE只是活化能中的一小 部分,而金属-配体的吸引及配体-配 体间排斥等的变化才是活化能的重要 部分。
I机理和A机理的判断: 中间产物(intermediate)存在足够长的时间,能否被分离或检出 例:Pt(SnCl3)53- 和 Ni(CN)53-五配位的中间体被光谱检出
(b) 无中间产物
例:由下表的配体交换速率常数lgk判断取代 反应的机理
lgk H2O NH3 5.1 3.7 HF 5.7 3.5 Phen 5.3 3.4
相反,Ni(CN)42-的稳定性很高,
[Ni(CN)4]2- == Ni2++4CN快,是一般测量技术所无法测量的。 显然,热力学稳定性与动力学活性之间没有必然联系。 K~10-22 但是配位界内的CN-离子与加到溶液中的示踪CN-的交换速度很
三. 取代反应的机理
四种可能的机理:
M─X M + X → M─Y
Ea'
反应物 过渡态
CFSE(过渡态)
Ea
因此,这些表只能用来讨论仅d电子
数不同的同一类络合物的取代反应速 度的差别。
CFSE(反应物)
产物
反应坐标
四. 八面体配合物的取代反应
一般式
x +y
y
+x
(1)离解机理(dissociative), D机理
x rate determing slow +y fast y
Co2+(aq) 6.0 Ni2+(aq) 4.3
结论:配体交换反应的速率与进入基团无关,排 除缔合机理
配体场理论在动力学上的应用
反应物 过渡态
SN1(D机理) 八面体----- 四方锥或三角双锥(CN=5) SN2(A机理) 八面体-----五角双锥或八面体锲型结构(CN=7) 络合物的反应活性 晶体场稳定化能CFAE=CFSE(过渡态)— CFSE(反应物) 若CFAE≤0,活性;反应较快 CFAE >0,惰性;反应较慢
反位影响
对于σ电子体系的反位影响的大小,可用振动光谱,X射线结构分
大量试验数据表明:配体的反位影响实际上往往比顺位影响大得多。
析和其它试验方法观察。其伸缩振动频率与键的强度成正比,与键
长成反比。
对于π成键配体对金属与其它配体的π键的影响,实验上一般采用
红外光谱法。 例如,金属羰基络合物中CO的伸缩振动频率取决于多少电子密度由 金属的满充d轨道反馈到CO的π*反键上,其反馈的量多少与C、O之 间的键强度及CO的伸缩振动频率成反比。 如果CO的π*反键轨道上的电子密度被络合物的反位π受主配体所拉 走,则CO的伸缩振动频率就增大。
速率控制步骤是原始配合物共轭碱的离解,因此称为SN1 CB机理。
五. 平面正方形配合物的取代反应
1.配体取代反应的机理
所观测速率方程为
一般按SN2机理进行
SN2
PtL3X + Y = PtL3Y + X
d[PtL3Y]/dt = kY[PtL3X][Y] + ks[PtL3X]
Y配位的双分子过程 溶剂化过程
酸性水解(酸性条件下的水合作用)
pH<3时:
[Co(NH3)5X]2+ + H2O = [Co(NH3)5(H2O)]3+ + Xd[Co(NH3)5(H2O)]/dt=kA[Co(NH3)5X]
过渡态
发现[Co(NH3)5X]2+(X=Cl-、Br-、 NO3-)的酸性水解反应过渡焓保持 恒定。
碱性水解 [Co(NH3)5Cl]2+ + OH- = [Co(NH3)5OH]2+ + Cld[Co(NH3)5(OH)]/dt = kB[Co(NH3)5Cl][OH] 由此可推测为SN2机理。
但发现, [Co(py)4Cl2]+ 碱性水解速率很小,且与 OH-浓度无关。
这与SN2机理矛盾。
于是提出下列SN1 CB(conjugate base)机理: [Co(NH3)5 k-1 k2 + [Co(NH3)4(NH2)Cl] → Cl]2+ + k1 OH ↔ [Co(NH
(5) 旁观基团T的影响
旁观基团给电子能力强,取代速率快
二. 氧化还原(电子转移)反应
电子转移分为两大类:
» 不同的金属离子间转移,氧化还原反应。 (电子转移后有净化学 变化) [Co(NH3)6]3++[Cr(H2O)6]2++6H3O+[Co(H2O)6]2++[Cr(H2O)6]3++ 6NH4+ (氧化还原)
ii 化学反应过程中诸内因(结构,性质等)和外因(浓度、温度、催
化剂、辐射等)对反应速率(包括方向变化)的影响;
iii 探讨能够解释这种反应速率规律的可能机理, 为最优化提供理论依据,以满足生产和科学技术的要求。
研究范围
过渡金属配合物的反应类型有很多,归纳起来有五大类: (1)取代反应 (2)氧化还原反应(电子转移反应) (3)异构化反应(如顺反异构,键合异构等)
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