結(jié)構(gòu)化學(xué)第六章簡述

第六章配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)概述配位化合物（絡(luò)合物）：一類含有中心金屬原子（M）和若干配位體（L）的化合物（MLn)M通常是過渡金屬，存在空的d軌道，如

Fe:4s23d6,Co:4s23d7,Ni:4s23d8配體L，通常有一對或一對以上孤對電子，如CO,H2O,NH3,鹵素原子等。單核化合物：只含一個中心原子多核化合物：含兩個以上中心原子。有金屬M(fèi)-M鍵稱金屬原子簇化合物。配位化合物是金屬離子最普遍的一種存在形式。6.1配位化合物的結(jié)構(gòu)配位化合物的結(jié)構(gòu)包括電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。18電子規(guī)則：過渡金屬化合物不考慮內(nèi)層電子而只考慮價電子，中心原子的價電子數(shù)加上配體給予的電子數(shù)總和等于18時形成穩(wěn)定的配位化合物。表6.1-1不同類型的配體提供給分子骨干的電子的數(shù)目配體配位形式電子數(shù)配體配位形式電子數(shù)配體配位形式電子數(shù)Hμ1,μ2,μ31η5-C5R5μ15OR,SRμ23Bint3η6-C6R6μ16O,S,Se,Teμ22COμ1,μ2,μ32C,Siint4O,S,Se,Teμ34CRμ3,μ43N,P,As,Sbint5O,Sint6CR2μ1,μ22PR3,NR3μ12F,Cl,Br,Iμ11CR3,SiR3μ1,μ21NCRμ12F,Cl,Br,Iμ23η2-C2R2μ12NOμ1,μ2,μ33Cl,Br,Iμ3,μ45η2-C2R4μ12OR,SRμ11PRμ3,μ44μ1：端接配體；μ2：橋連2個原子配體；μ3：橋連3個原子配體；μ4：橋連4個原子配體；int：填隙原子配體電子數(shù)計(jì)算配位化合物的幾何構(gòu)型與中心原子的配位數(shù)有一定關(guān)系配位化合物配位數(shù)幾何構(gòu)型對稱性配位化合物配位數(shù)幾何構(gòu)型對稱性[Hg(NH3)2]2+2直線型Dh[Ni(CN)5]3-5三角雙錐D3h[Au(CN)2]－2直線型Dh[SbF5]2-5四方錐C4v[CuCN3]2-3平面三角形D3h[CoF6]3-6八面體OhNi(CO)44四面體Td[Fe(CN)6]3-6八面體Oh[Zn(NH3)4]2+4四面體TdCr(CO)66八面體Oh[Ni(CN)4]2-4平面正方形D4h[ZrF7]3-7五角雙錐D5h

[PtCl4]2-4平面正方形D4hRe(S2C2Ph2)36三棱柱D3hOs(CO)55三角雙錐D3h[Mo(CN)8]4-8十二面體D2d表6.1-3若干配位化合物所采取的幾何構(gòu)型6.2配位化合物的化學(xué)鍵理論6.2.1配位化合物化學(xué)鍵理論概述主要有價鍵理論、晶體場理論、分子軌道理論和配位場理論。1.價鍵理論有共價配鍵和電價配鍵共價配鍵應(yīng)用雜化軌道理論，電價配鍵用靜電理論。例2.晶體場理論晶體場理論為靜電作用模型。該理論認(rèn)為：當(dāng)配體L接近中心原子M時，M中d軌道受到L所產(chǎn)生的靜電場（晶體場）微擾作用，使原來能級簡并的d軌道發(fā)生能級分裂，從而引起d電子重新排布。當(dāng)晶體場對稱性不同時，中心原子的五重簡并的d軌道由于在空間的取向不同，受到晶體場的作用不同，發(fā)生能級分裂的情況也不同。以八面體為例，共有6個配體,ML6金屬原子僅考慮價電子，其Hamilton為配體Lp看作是點(diǎn)電荷，帶電-q，其對第i個電子的作用能為d軌道在八面體場下，5個d軌道分為兩組(i)dxy,dyz,dxz,屬t2g表示(ii)dz2,dx2-y2,屬eg表示這兩組軌道發(fā)生分裂，這是因?yàn)槎x分裂能設(shè)電子成對能為P(克服電子間排斥所需能量)，解釋高自旋與低自旋當(dāng)D0>P,電子盡可能填入能量低的軌道，這時未配對電子數(shù)較少，為低自旋態(tài)(LS)；當(dāng)D0<P,電子盡可能分占不同的d軌道，這時未配對電子數(shù)較多，為高自旋態(tài)(HS).3.分子軌道理論fi為金屬和配體的原子軌道4.配位場理論6.2.2配位場理論ML6八面體配位化合物的分子軌道對于ML6正八面體結(jié)構(gòu)，M處在對稱中心位置，屬Oh點(diǎn)群。建立坐標(biāo)M在原點(diǎn)，配體對稱分布在三個坐標(biāo)軸上(ii)將中心原子的價軌道分組s:s,px,py,pz,dx2-y2,dz2p:dxy,dyz,dxz(iii)將配體軌道線性組合成與M原子軌道對稱性匹配的群軌道，即與對應(yīng)的M原子軌道有相同的對稱性。中心原子軌道及其與之對稱性匹配的配位體群軌道，如圖6.2-2。按對稱性分類

設(shè)為任意對稱操作，可以發(fā)現(xiàn)對yM作用的關(guān)系，對yL完全適用，即(iv)進(jìn)一步將對稱性相同的yM和yL線性組合為配合物分子軌道如

還可簡化，在Oh場下，同屬eg的兩個軌道y1，y2

是相互正交的，不能混合，所以同理：

圖6.2-2（b）為相互作用后的能級變化。八面體場的分裂能D0D0的大小與中心原子和配體性質(zhì)有關(guān)6.2.3配位場穩(wěn)定化能與配位化合物性質(zhì)設(shè)P為成對能，i)D0>P,強(qiáng)場形成低自旋配合物ii)D0<P,弱場形成高自旋配合物若取t2g和eg*能級權(quán)重平均值為勢能0點(diǎn)，即

3E(t2g)+2E(eg*)=0又E(eg*)-E(t2g)=D0

得E(eg*)=0.6D0E(t2g)=-0.4D0某些正八面體配位化合物的自旋態(tài)3.Jahn-Teller效應(yīng)(1937)在對稱的非線形分子中，如果體系的基態(tài)有幾個簡并能級，則體系是不穩(wěn)定的，它一定要發(fā)生畸變，使體系簡并消除，而穩(wěn)定于較低能級的構(gòu)型。如Cu(NH3)62+Cu:4s13d10,Cu2+:d9若占據(jù)情況為（如圖）這時，將減弱在x,y軸上4個配體的排斥，使這4個配位鍵長變短。得到兩個長鍵和4個短鍵，成拉長的八面體。若為導(dǎo)致兩個短鍵，4個長鍵，壓扁八面體。Cu的配位化合物鍵長情況對于t2g軌道產(chǎn)生的簡并，也會發(fā)生畸變。如[Cr(H2O)6]2+Cr2+:d4,填充情況其中一種見右圖。構(gòu)型為拉長的八面體。t2g軌道產(chǎn)生簡并導(dǎo)致的畸變，其畸變程度較小。6.3簇合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)6.3.1原子簇化合物原子簇（cluster，徐光憲定義

）：以三個或三個以上的有限原子直接鍵合組成多面體或缺頂點(diǎn)多面體骨架為特征的分子或離子。

F.A.Cotton1966年定義：“具有金屬-金屬鍵的多核化合物”。6.3.2主族簇合物和團(tuán)簇6.3.3缺電子多中心鍵和硼烷結(jié)構(gòu)B,Al等原子因價層原子軌道數(shù)多于價電子數(shù)，在一定條件下，可接受電子形成四面體型配合物，如一、B2H6的幾何構(gòu)型和缺電子多中心鍵B2H6的兩種結(jié)構(gòu)乙烷式結(jié)構(gòu)有7個單鍵，需14個價電子；橋式結(jié)構(gòu)中H原子形成兩個共價鍵。實(shí)驗(yàn)測定B2H6為橋式結(jié)構(gòu)。成橋的B-Hb鍵長132.9pm,兩端B-Ha鍵長119.2pm圖6.3-2(a)B2H6的橋式結(jié)構(gòu)（單位：鍵長：pm；鍵角：度）；(b)B-H-B3c-2e鍵硼原子之間(或硼碳原子間)還可形成BBB(或BBC)3c-2e鍵。硼烷中的BHB和BBB的

3c-2e鍵表示如右二、硼烷的分類硼烷可分為簡單型和稠合型兩大類。簡單型多面體硼烷主要有三種典型結(jié)構(gòu)：封閉型（closo）、巢型（nido）和網(wǎng)型（arachno）。硼烷分子中，不能滿足每兩個相鄰原子的連線都有一對電子。這種電子的缺少可通過形成缺電子多中心鍵來補(bǔ)償。

封閉型硼烷陰離子的通式為

巢型硼烷的通式為BnHn+4

網(wǎng)型硼烷通式為BnHn+6

稠合型硼烷三、styx數(shù)分析法和巢型、網(wǎng)型硼烷結(jié)構(gòu)的拓?fù)涿枋鰏tyx數(shù)碼分別表示在一個硼烷分子中，下列4種型式化學(xué)鍵的數(shù)目：幾個例子Styx表示與分子實(shí)際結(jié)構(gòu)可能相同也可能能不相同。使用時，需遵循下列原則（a）每一對相鄰的硼原子由一個B-B、BBB或BHB鍵連接；（b）每個硼原子利用4個價軌道成鍵，以達(dá)到八電子組態(tài)；（c）兩個硼原子不能同時通過二中心B-B鍵和三中心BBB鍵或者同時通過二中心B-B鍵和三中心BHB鍵結(jié)合；（d）每個硼原子至少和一個端接H原子結(jié)合。styx表達(dá)與實(shí)際結(jié)構(gòu)比較1.B4H10

（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）s=4,t=0,y=1,x=22.B5H9

（巢型）s=4,t=1,y=2,x=03.B6H10s=4,t=2,y=2,x=04.B6H62-

（封閉型，或籠型）s=0,t=4,y=3,x=04.B12H122-s=0,t=10,y=3,x=0八隅律和分子骨干鍵數(shù)的計(jì)算八隅律：指一個由主族元素(H和He除外)組成的分子，其中每個原子都傾向于外層電子達(dá)到穩(wěn)定的8電子組態(tài)。對有n個主族元素原子組成的分子骨干Mn，分子骨干鍵數(shù)這里g為價電子總數(shù)。3c-2e鍵=2個鍵

價電子總數(shù)g為下列加和值：對于巢型(如B5H9)和網(wǎng)型(如B4H10)，可以推出對應(yīng)一種組成n和m，求所有(s,t,y,x)的整數(shù)解，而每一組(s,t,y,x)對應(yīng)一種可能的異構(gòu)體。對B4H10，n=4,m=6,有二組解(styx)=(4012),(3103)對應(yīng)兩種異構(gòu)體(未畫端接B-H鍵)價電子數(shù)與價數(shù)守恒同樣適用于封閉式硼烷和碳硼烷（BnHn2-和C2Bn-2Hn

）。因?yàn)閙=0,所有H原子全部用于端接B-H鍵，故x=s=0。總價數(shù)3t+2y=3n總價電子數(shù)2(t+y)+2n=3n+n+2

即2(t+y)=2n+2解得t=n-2,y=36.3.4過渡金屬簇合物的結(jié)構(gòu)18電子規(guī)則和金屬-金屬鍵的鍵數(shù)1）18電子規(guī)則過渡金屬原子價軌道：1個s，3個p，5個d軌道，共9個軌道，可容納18個電子。分子中，作為一種經(jīng)驗(yàn)歸納，過渡金屬原子滿足18價電子數(shù)成為穩(wěn)定性的判據(jù)，即稱為18電子規(guī)則。2）鍵價金屬間可通過直接成鍵，相互提供電子以滿足18電子規(guī)則。若簇合物中含n個金屬原子M，M原子間成鍵的總數(shù)可用鍵價（b）表示，定義為g為價電子總數(shù)，包括3個部分：表6.1.13)示例例1Ir4(CO)12Ir:5d76s2,9e;CO:2e例2Re4(CO)162-Re:5d56s2,7e;CO:2e

例3Os4(CO)16Os:5d66s2,8e;CO:2e若是Os5(CO)16,g=72,b=9,三方雙錐。簇合物的鍵價計(jì)算表6.1-2遵循18電子規(guī)則的配位化合物示例及其電子數(shù)的計(jì)算配位化合物M提供的電子數(shù)配體提供的電子數(shù)總電子數(shù)Fe(CO)4H2

82×4+2×1=1018[Mn(CO)6]+a7-1=62×6=1218[Co(CO)4]-a9+1=102×4=818Mn(CO)4(NO)b7+1=8或72×4+2=10或2×4+3=1118Fe(CO)2(5-C5H5)(1-C5H5)b82×2+5+1=1018Cr(6-C6H6)266×2=1218a：在配陰離子或配陽離子的情況下，規(guī)定把離子的電荷算在金屬上；b：配體所帶的電荷可以直接算在配體上，也可以算到金屬上。

(a)[Mo6(m3-Cl)8Cl6]2-Mo:4d55s1,6e;m3-Cl:5e;Cl:1eg=66+85+6+2=84b=(1/2)(186-84)=1212個鍵(邊),八面體(b)[Os6(CO)18]Os:5d66s2,8e;CO:2eg=68+182=84b=(1/2)(186-84)=1212個鍵,雙加帽四面體。(c)[Os6(CO)18H2]Os:5d66s2,8e;CO:2e;H:1eg=68+182+2=86b=(1/2)(186-86)=1111個鍵,加帽四方錐形。(d)[Os6C(CO)16(H3CC2CH3)]Os:5d66s2,8e;C:4e;CO:2e;H2CC2CH3:4eg=68+4+162+4=88b=(1/2)(186-88)=1010個鍵,加邊四方錐形。(e)[Rh6C(CO)15]2-Os:4d85s1,8e;C:4e;CO:2eg=69+4+152+2=90b=(1/2)(186-90)=99個鍵,三方棱柱體形。(f)[Co6(m6-C2)

(m2-CO)

CO)8(m4-S)

]Co:3d74s2,9e;m6-C2:6e;CO:2e;m4-S:4eg=69+6+142+4=92b=(1/2)(186-92)=88個鍵,雙加邊四邊形。6.4物質(zhì)的磁性和磁共振1.物質(zhì)的磁性及其在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的應(yīng)用物質(zhì)的磁性常用磁化率表示

c=M/Hc無量綱。磁性物質(zhì)內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)磁化率和溫度的關(guān)系6.4.2核磁共振(NMR)核為帶電粒子，也有自旋運(yùn)動。核自旋角動量大?。∕N）取決于I的值：

I=0,原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)均為偶數(shù)，如6C12,8O16；I=正整數(shù)（1，2，…），原子序數(shù)=奇數(shù)，質(zhì)量數(shù)=偶數(shù)，如7N14；I=半整數(shù)（1/2，3/2，…），質(zhì)量數(shù)=奇數(shù)，如1H1(I=1/2),17Cl35(I=3/2),8O17(I=5/2).(6.4-6)核自旋角動量在z軸上的分量由mI決定，(6.4-7)與MN相應(yīng)的核磁矩μN(yùn)為(6.4-8)式中mp是核的質(zhì)量，gN是核的g因子，N為核磁子，是核磁矩的單位。兩種方法產(chǎn)生共振：1）固定B，改變n；

2)固定n，改變B(通常做法)核磁共振的一般原理6.4.3順磁共振又稱電子順磁共振(EPR)或電子自旋共振(ESR).電子的自旋磁矩ms在磁場方向