高等无机化学 无机反应机理ppt课件.ppt

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1、第四章,无机化学反应机理,1、无机反应机理的基本概念。2、八面体配合物的取代反应的特征3、平面正方形配合物取代反应的特征4、溶剂分解反应的特征5、电子转移反应的特征6、催化反应的特点,一、无机反应机理的基本概念,无机化学反应的类型,取代反应(substitution)：EX+YEY+X交换反应(exchange)：EX+DYEY+DX加成/消除或消去反应(addition/elimination)：EX+DYDEXY溶剂分解反应(solvolysis)：EX+HAEA+HX氧化还原反应(redox)：Ox1+Red1Red2+Ox2,研究反应机理采用三种重要的实验手段来阐明反应步骤：测定反应的

2、速率定律：给出有关在速率控制步骤的过渡态物种的组成信息测定反应的立体化学：即那些与反应物和产物中的反应活性原子相连的基团与基团之间的几何关系测定取代基的效应：那些与反应活性原子相连的取代基，通过它们在电性上对活性原子上键的断裂和/或键的生成有促进或阻滞的能力,反应速率的测定原理,反应速率的表示法：反应速率常数k或半衰期t1/2实验技术可分为三大类： 静态法 流动法 弛豫法或松弛法,静态法,适用于t1/2=1min的慢反应，是经典的常规的方法。具体方法描述：将反应物置入一个容器而混合，其反应速率靠观察其反应过程中的某种物理或化学性质随时间的变化来决定。测定方法：容量法、光度法、同位素示踪法、pH

3、值法、膨胀法、旋光法、电导法等,容量法： Co(en)2Cl2+H2OCo(en)2ClH2O2+Cl-释放出Cl-，可用硝酸银滴定反应物浓度随时间的变化关系，从而得出速率方程。,同位素示踪法： Fe(H2O)62+Fe*(H2O)63+ Fe(H2O)63+ Fe*(H2O)62+表示Fe(II)和Fe(III)之间的电子转移反应，实际上并无氧化还原反应发生。这类反应可以用来该法进行研究。联吡啶与Fe(II)而不与Fe(III)形成配合物,流动法,适用于1min=t1/2=10-3s的反应恒流法(continuous-flow method)和止流法(stopped-flow method

4、or stopped flow technique),恒流法： 将等体积反应物溶液以恒定流速（如每秒几米）进入混合室，然后经过观察室，在管内某一点，于不同时间测定溶液的光密度、电导率或其他物理性质，也可以沿着观察管在不同的距离上进行测定。,止流法： 使等体积高速流动着的反应物溶液，突然受阻而迅速混合（在1s-2s，甚至在10-3s内），并立即测定其物理性质的变化，需特别的设备。,弛豫法或松弛法,适用于高速反应(10-1s=t1/2=10-9s)基本原理：对于处于平衡状态的化学反应来说，外界因素（如温度、压力等）改变，平衡发生移动，重新达到平衡状态，自动调节的过程所需要的时间称为弛豫时间，它与反

5、应速率有关。,反应机理：化学反应过程中所经历的真实反应步骤的集合碰撞理论过渡态理论,例题：一氧化氮被还原为氮气和水：,根据光谱学研究提出的反应机理是：,依据这一反应机理推断其速率方程式，并确定相关物种的反应级数。,解：按照速率控制步骤(最慢的一步),是中间产物，根据第一步的快速平衡，,该反应对NO是二级反应，对H2是一级反应。,代入,则,碰撞理论要点,发生反应的两个基本前提：,发生碰撞的分子应有足够高的能量,碰撞的几何方位要适当,能够发生反应的碰撞为有效碰撞。能够发生有效碰撞的分子为活化分子。,过渡态理论要点,以量子力学对反应过程中的能量变化的研究为依据，认为从反应物到生成物之间形成了势能较高

6、的活化络合物，活化络合物所处的状态叫过渡态。,二、溶剂分解反应(solvolysis),通式： EX+HAEA+HX例子：Al(H2O)63+H2OAl(H2O)5OH2+H3O+(CH3)3N+H2O (CH3)3NH+OH-,溶剂分解反应,极性共价键氢化物的水解反应极性共价键卤化物和水反应配合物的水解反应溶剂分解反应热解和光解反应,极性共价键氢化物的水解反应,第类主族元素氢化物的水解-B2H6缺电子化合物硼烷分为两类：BnHn+4， BnHn+6乙硼烷在室温下很快水解，较高级硼烷水解较困难。为什么？水解方程式如下：B2H6+6H2O2B(OH)3+6H2水解历程： B2H6 2BH3,缺电

7、子程度不一样,第类主族元素氢化物的水解-CH4、SiH4、GeH4、SnH4等,SiH4+H2O+2NaOHNa2SiO3+4H2,-C-C-C-C-链较-Si-Si-Si-Si-为稳定！为什么？结论延伸：碳原子容易形成很长的链，而硅则不能，最长的硅链只有6个原子,硅原子容易被水分子攻击,而碳则不易,GeH4、SnH4等不与水起作用！原因分析： 原子电负性小，良好的电子给予体，不易做电子接受体； 没有孤对电子，不能作为电子给予体；,第类主族元素氢化物的水解-NH3、PH3、AsH3、SbH3等,NH3H2O、R3NHOH是弱碱？R4NOH是强碱？,PH3、AsH3、SbH3等和水中的氢原子作用

8、，是按PH3、AsH3、SbH3的顺序减小的，一般可认为不与水作用。（原子的电负性减小、 原子的体积增大）,第类主族元素氢化物的水解-H2O、H2S、H2Se、H2TeH2O：KwH2S：较弱的电子给予体H2Se、H2Te：引力逐渐减弱，酸性逐渐增大,硫原子由于体积大,是比氧还弱的电子给予体,H2S遇H2O就电离,第类主族元素氢化物的水解-HF、HCl、HBr、HI等HF：弱酸（缔合HF2-）HCl、HBr、HI：强酸,极性共价键卤化物和水反应,需要考虑：原子的化合价、最高共价数、原子的电负性等规律：氢离子常和化合物内电负性较高的部分结合，氢氧根离子和电负性较低的部分结合亲核水解，亲电水解,第

9、类主族元素非金属卤化物的水解-BX3(X=F、Cl、Br、I)BCl3+3H2OB(OH)3+3HCl4BF3+3H2OB(OH)3+3HBF4即利用了空轨道孤对电子，又利用了屏蔽作用的完全程度,BX3能稳定存在BH3不能稳定存在?,第类主族元素非金属卤化物的水解-CF4、CCl4、SiF4、SiCl4/CF4、CCl4化合价饱和，最高共价数也饱和一般情况下不发生水解作用！特殊情况呢？,条件:高温,条件:金属铝或铁存在时,特殊情况下的CF4呢?能否为热的浓碱所水解?键能数据：C-F C-Cl C-Br C-I485 326 285 213 kJ/mol,SiF4、SiCl4呢？化合价饱和，共价

10、数为6未饱和，有空轨道能发生水解反应,SiCl4+4H2OSi(OH)4+4HCl H2SiO3SiF43SiF4+3H2O H2SiO3+H2SiF6,第类主族元素非金属卤化物的水解-NF3、NCl3、 NBr3、 PCl3、PCl5,NF3：卤化氮中最稳定的化合物，在水和碱溶液中均不水解。,NCl3：,总反应方程式：NCl3+3H2ONH3+3HOCl,NBr3：,PCl5,第类主族元素非金属卤化物的水解-SF4、SF6、TeF6,SF4：,SF6呢？TeF6呢？,Te处于第五周期，其最高共价数为8，具有不饱和性！（根据西奇威克的建议，Sidgwick ）,第类主族元素非金属卤化物的水解-

11、卤素互化物如ICl,配合物的水解反应/,自学,三、氧化还原反应,氧化过程：2I-+2eI2 E(I2/I-)=0.5345V还原过程：HNO2+H+eNO+H2O E(HNO2/NO)=0.99V2HNO2+2I-+2H+2NO+I2+2H2O上述反应是否是反应机理？否！机理如下：H+HNO2H2NO2+ H2NO2+ +I-NOI+H2O 2NOI2NO+I2,氧化还原反应机理的类型电子转移反应原子转移反应,电子转移的途径,金属离子间直接发生简单的电子转移 外界机理电子经配体桥从一个金属离子转移给另一金属离子 内界机理,电子转移反应：外层活化配合物机理，简称外层反应机理，有两类：（1）电子交

12、换反应（自交换反应）：有电子转移没有净化学反应Fe(H2O)62+Fe*(H2O)63+ Fe(H2O)63+ Fe*(H2O)62+采用同位素标记或NMR（核磁共振 ）法跟踪研究,（2）常见氧化还原反应：既有电子转移又有净化学反应Fe(H2O)62+IrCl62-Fe(H2O)63+IrCl63-按外层反应机理电子转移时，两种配合物（都是取代惰性）的配位界保持不变，电子必须通过两个配位界。,外界机理,反应前后配位层不发生变化,Fe(CN)64- + Fe(phen)33+Fe(CN)63- + Fe(phen)32+,d6,d5,d5,d6,电子转移反应,氧化还原：Co(NH3)63+ +

13、Cr(H2O)62+6H3O+ Co(H2O)62+ + Cr(H2O)63+ + 6NH4+ 电子交换：Fe(H2O)62+ + *Fe(H2O)63+ *Fe(H2O)62+ +Fe(H2O)63+,Fe(H2O)62+ + *Fe(H2O)63+ *Fe(H2O)62+ +Fe(H2O)63+,The Nobel Prize in Chemistry 1992,Press Release12 October 1992The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 1992 Nobel Prize in Chem

14、istryto Professor Rudolph A. Marcus, California Institute of Technology, Pasadena, California, USAfor his contributions to the theory of electron transfer reactions in chemical systems,Fe(III),Fe(II),原子转移反应：或称成桥活化配合物机理，简称内层反应机理NO2-+HOCl=NO3-+HCl,这种反应可以认为作为路易斯酸或亲核试剂的氧原子上的亲核进攻，置换出阴离子,内界机理,通过配体桥联两个金属离子

15、，形成双核配合物M1LM2,The Nobel Prize in Chemistry 1983,Press Release19 October 1983The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 1983 Nobel Prize for chemistry toProfessor Henry Taube, Stanford University, Stanford, USA,for his work on the mechanisms of electron transfer reactions, especia

16、lly in metal complexes.,通过配体桥联两个金属离子，形成双核配合物M1LM2,反应后配位层发生变化,Co(III)(NH3)5Cl2+ + Cr(II)(H2O)62+ + 5H3O+ 惰性 活性 d6（LS） d4（HS）Co(II)(H2O)62+ + Cr(III)(H2O)5Cl2+ + 5NH4+ 活性 惰性 d7（HS） d3,氯离子由钴移向铬时d轨道能量的变化,按内层反应机理电子转移时，还原剂配合物先进行配位体取代，与氧化剂配合物形成双核的活化配合物，再进行电子转移。其必要条件是反应物中的氧化剂是取代惰性的，并至少具有一个可作桥联基的配位体（至少有两对孤对电

17、子），而还原剂是取代活性的,氧化还原反应机理中的中间体或过渡态的主要类型,1、不稳定的中间氧化态离子的形成2、活泼中间配合物的形成3、自由基反应,不稳定的中间氧化态离子的形成,Cr2O72+与Fe2+的反应：有不稳定的Cr(V)、Cr(IV)形成，其反应历程一般认为是：Cr(VI)+Fe(II)=Cr(V)+Fe(III) 快速平衡Cr(V)+ Fe(II)=Cr(IV)+Fe(III) 慢Cr(IV)+ Fe(II)=Cr(III)+Fe(III)2Cr(VI)+ 6Fe(II)=2Cr(III)+6Fe(III)即：Cr2O72+6Fe2+14H+=2Cr3+6Fe3+7H2O,活泼中间配

18、合物的形成,I2与S2O32-反应：生成活泼中间配合物S2O3I-，反应机理如下：I3-+S2O32-=S2O3I-+2I-I-+2S2O3I-=S4O62-+I3-I3-+2S2O32-=S4O62-+3I-在稀碘溶液滴定反应中，碘的重新出现说明接近终点，其中间体还与S2O32-反应：S2O32- + S2O3I-= S4O62-+I-,自由基反应,自由基是指具有未成对的电子或电子的粒子，如OH、Cl、Br、SO4-、CO3-、NO2等，许多氧化还原反应的中间步骤涉及自由基参加反应，称为自由基反应。H2O2与Fe2+反应：2Fe2+ + 3H2O2 =2H2O+O2+ 2Fe(OH)2+ 这

19、是一个诱导链锁反应,H2O2+Fe2+=Fe(OH)2+OH(自由基)链开始H2O2+OH = HO2 + H2O 链传递Fe(OH)2+ HO2 =O2+Fe2+H2OFe2+ + H2O2 = Fe(OH)2+ +OH2H2O2=2H2O+O2Fe2+ +OH = Fe(OH)2+ 链终止2Fe2+ + H2O2 = 2Fe(OH)2+,1934年哈伯和韦斯提出机理:Fe2+H2O2=Fe3+OH-+OHOH+H2O2=H2O+HO2HO2+H2O2=O2+H2O+OHOH+Fe2+=Fe3+OH-总反应:2Fe2+ + 3H2O2 =2H2O+O2+ 2Fe(OH)2+,四、八面体配合物

20、的取代反应的特征,八面体配合物的取代反应,Co(NH3)3Cl3- + NH3 Co(NH3)4Cl2 + Cl-Co(H2O)62+ + Cl- Co(H2O)5Cl- + H2O,ML5X,ML5,ML5Y,稳定中间体,（1）八面体配合物取代反应的机理和速率方程,离解机理（Dissociation）：,速率方程,Y浓度很大：,反应速率= kML5X,稳态近似：,SN1，单分子亲核取代，D机理,ML5X ML5 + X 慢,k1,k-1,快,缔合机理(Association)：,ML5X,ML5XY,ML5Y,稳定中间体,(Pt(II)、Pd(II)、Au(III)的平面四方形配合物的反应属

21、缔合机理),速率方程：,反应速率 =,= kML5XY,SN2 双分子亲核取代，A机理,ML5X + Y ML5XY,k1,k-1,交替机理（Interchange）:,ML5X,Y ML5X,ML5Y,过渡态,The interchange mechanism is common for many reactions of six-coordinate complexes,配合物Ni(H2O)62+的反应可用交替机理解释,解离交替机理（Dissociative Interchange, Id）缔合交替机理（Associative Interchange, Ia）,速率方程：,（2）影响八面体

22、配合物取代反应速率的因素,中心金属离子的半径和电荷d电子组态（晶体场稳定化能LFSE）离去基团的性质进入基团的性质旁观基团的性质空间效应,Rates of ligand substitution,Complexes of metals that have no additional factor to provide extra stability (for instance, the LFSE and chelate effects) are among the most labile. Any additional stability of a complex results in an

23、increase inactivation energy for a ligand replacement reaction and hence decreases the lability of the complex.Very small ions are often less labile because they have greater M-L bond strengths and it is sterically very difficult for incoming ligands to approach the metal atom closely.,中心金属离子的半径和电荷,

24、水合金属离子的水交换速率,半径和电荷影响的趋势,同族元素，半径增加，速率增加。 碱金属、碱土金属半径类似，电荷少，速率增加。 Na+ Ca2+ La3+过渡金属 (Jahn-Teller),MOH2,对于过渡金属离子,电荷和半径在决定反应速率方面仍是重要的,但金属离子的d电子的结构对交换速率会产生重要的影响。这主要是由于从反应物到过渡态的形成，d轨道的能量会发生变化，从而导致配体场稳定化能的变化。,假设过渡态结构的配体场稳定化能比八面体结构的配体场稳定化能小（即体系能量升高），就会使反应的活化能增加，反应速率变小；反之，反应速率增加。,d电子组态（晶体场稳定化能CFSE）,离解机理:（LFSE

25、）晶体场稳定化能,八面体场-四方锥场,缔合机理:（LFSE）,八面体场-五角双锥场,从表中可以看出，具有d3和d8电子结构的金属离子在各种情况下的配体场稳定化能的变化(LFSE过渡态-LFSE八面体)都为负值，表明在形成过渡态时的配体场稳定化能变小，水的交换比较慢，是惰性的，如d3组态的Cr(H2O)63+和V(H2O)62+，d8组态的Ni(H2O)62+。而d0，d1，d2组态的配体场稳定化能的变化为零或正值，交换反应就进行得比较快，具有这种组态的水合金属离子就表现为活性。,配合物活性和惰性的理论判断,如果未成键(n-1)d轨道中至少有一个是空的内轨型配合物，这都是活性配合物如果未成键(n

26、-1)d轨道中，每一个轨道都已至少有一个电子，即d轨道没有空的内轨道型配合物，这都是惰性配合物外轨型配合物一般为活性配合物(n-1)d轨道中，d0、d1、d2为活性配合物； (n-1)d轨道中， d3 、d4-6为低自旋的为惰性配合物； (n-1)d轨道中，d7-10为高自旋的外轨型的配合物，一般为活性配合物,活性配合物,惰性配合物,Co(NH3)63+ + 6H3O+ Co(H2O)63+ +6NH 4+ K 1025 Co(NH3)63+ （d6 LS）动力学上惰性，虽然在热力学上时很不稳定的,All complexes of s-block ions except the smalles

27、t (Be2+, Mg2+) are very labile.Complexes of the M(III) ions of the f-block are all very labile.Complexes of the d10 ions (Zn2+, Cd2+, Hg2+) are normally very labile.Across the 3d series, complexes of d-block M(II) ions are generally moderately labile, with distorted Cu(II) complexes among the most l

28、abile.Complexes of d-block M(III) ions are distinctly less labile than d-block M(II) ions.d-Metal complexes with d3 and low-spin d6 configurations (for example Cr(III), Fe(II), and Co(III) are generally nonlabile as they have large LFSEs. Chelate complexes with the same configuration, such as Fe(phe

29、n)32+, are particularly inert.Nonlability is common among the complexes of the 4d and 5d series, which reflects the high LFSE and strength of metal-ligand bonding.,离去基团的性质,离解机理：,MX：HSAB理论,旁位基团的性质,对于八面体配合物： 顺位和反位配体对取代速率的影响与其和金属成键的强度相关。,NiXL5+ + H2O NiL5(H2O)2+ + X-,取代速率：L NH3 H2O,空间效应,离解机理：五配位的中间体空间拥

30、挤，离解可以缓解应力，增加反应速率。缔合机理：七配位的中间体空间拥挤，将增加应力，降低反应速率。,CoCl2(bn)2+ + H2O CoCl(bn)2(H2O)2+ + Cl-bn: 2,3-丁二胺,离解机理：,1/30,Steric crowding favours dissociative activation because formation of the transition state can relieve strain.,缔合机理：,Pt(PEt3)2ClL+ + H2O Pt(PEt3)2(H2O)L2+ + Cl-,空间拥挤，将增加应力，不利于形成缔合中间体，降低反应速率

31、。,Tolman锥角,MP：2.28,五、 四方形配合物取代反应的机理和反应速率,d8电子组态： Au(III)、Rh(I)、Ir(I)、Ni(II)、Pd(II) 、Pt(II),ML3X + Y ML3Y + X,大多数平面正方形配合物以d8构型的低自旋的过渡金属离子作为中心离子，以dsp2杂化。,反应机理,SN2过程缔合机理,取代亲核双分子反应,溶液中的机理和速率方程,反应速率 = k1(ML3X) + k2(ML3X)(Y),ky途径和ks途径,影响平面四方形配合物取代反应速率的因素,进入基团的性质配位层中其它配体的性质离去基团的性质金属中心离子的性质,以Ky历程进行的反应,其取代速率

32、会受进入配体的较大影响，产生这种影响的原因是配体的亲核性。,进入基团的性质,进入基团的性质,对于SN2反应，进入基团影响明显。亲核反应活性常数：,tran-Pt(py)2Cl2 + Y tran-Pt(py)2ClY + Cl-,甲醇为溶剂,进入基团的亲核性顺序： ROH OR Cl py NO2 N3 Br I SCN SO32 CN C6H5S PR3,对于不同的Pt配合物：,lgkY = Sn0(Pt) + lgks0,S：亲核区别因子,“亲核性” 与 “碱性”,不同的Pt配合物对进入基团的敏感性不同,平面正方形配合物取代反应的一个重要特点就是反位效应。由于某些配位体和中心离子间有较大的

33、极化作用或双键效应，从而与这些配体处于反位的配位体与中心离子间变得较为松弛，因而使该配位体比其他配位体易于取代。换句话说，由于配位体内界中，某些配位体的存在，使得处于它相反位置的配位体被活化即易被取代的效应。或者说，配合物中配位体对其反位的配位体的取代反应速率的效率称为反位效应。,反位效应,反位效应,平面四方形配合物中离去基团反位上的配体对取代反应速率的影响。A strong -donor ligand or -acceptor ligand greatly accelerates substitution of a ligand that lies in the trans position

34、.,实验得出的反位效应对Pt(II)的平面四边形配合物取代反应的大体次序：,反位效应增加序列,H2O OH F RNH2 py NH3 Cl Br SCN I NO2 C6H5 SC(NH2)2 CH3 NO H PR3 C2H4 CN CO,“反位效应” 与 “反位影响”,反位效应在合成程序和设计新的合成程序方面是非常有用的。例如：PtCl42-与试剂NH3和NO2-作二次取代反应，由于所加入试剂前后不同，可有两种异构体生成。,例如：,NO2- Cl- NH3,如何解释？,第一次取代时，由于四个Cl-处于等同位置，因此在任一位置上取代Cl-都是可以的。但第二取代时，由于中间配位体的不同，其反

35、位效应就有所不同。前一式中，Cl-比NH3对其反位配位体的反位效应强，所以Cl-反位的Cl-被活化，易被取代。后一式中，NO2-比Cl-的反位效应强，所以NO2-的反位Cl-被取代。,不是所有的配合物反应都严格遵守反应效应的规则,反位效应的解释：,极化理论：用极化概念来解释反位效应。图1a表示X（卤素离子）与中心Pt（）互相极化生成诱导偶极，但四个X是对称的，故中心原子的诱导偶极为零。若引入强的负配体Y，Y的极化率大于X，则中心原子偶极矩不能抵消，使反位配体X和中心原子间的键减弱，加有箭头的卤素离子X就不稳定（图1b）。,极化理论,四个相同的配体,四个不相同的配体,键理论：反位效应还可用键（见共价键）概念来解释,若配体L不与Pt()形成配键，则取代基Y不易取代L反位的X（图2a）,若 L的配位原子的Pz空轨接受Pt()的dxz电子而形成配键,如CN-、CO中的碳原子,则dxz的电子云远离X而向L伸展,则亲核配体Y容易取代X（图2b ）。,离去配体的影响,与进入相比，离去配体对Pt2+取代反应速率的影响较小。,