Теория молекулярных орбиталей в комплексных соединениях (стр. 2 из 2)

Рис. 12 показывает схему орбитальных взаимодействий фрагментов в комплексе.

Особое внимание в ряду пи-комллексов привлекли так называемые металлоцены, или соединения ссэндвичевой структурой. Первым известным металлоценом, полученным в 1951 г. Т. Кили и П. Посоном, стал ферроцен XXXIII (M-Fe), послуживший прототипом для многих синтезированных впоследствии его аналогов. Аналогичное сэндвичевое строение было доказано и для хромоцена — дибензолхрома XXXIV и его аналогов. Объяснение природы связывания в молекуле ферроцена было дано впервые М. Дяткиной и Е. Шусторовичем (1959). Было показано, что только пи-орбитали лигандов играют существенную роль в стабилизации сэндвичевой структуры комплекса.

На рис. 13 показаны происхождение и последовательность валентных энергетических уровней в ферроцене XXXIII (M = Fe), а также в дибензолхроме XXXIV (М = Сг), получаемые на основании теории орбитальных взаимодействий и подтвержденные данными многочисленных полу эмпирических и неэмпирических расчетов.

Восемнадцать валентных электронов ферроцена (восемь от центрального атома d⁶s²) заполняют все нижние уровни вплоть до е_2g. Связи между металлом и кольцами обусловливаются МО а_1gи е_1g. Вид некоторых МО ферроцена показан на рис. 14.

Электронное строение других металлоценов XXXIII и XXXIV описывается той же схемой МО, что и представленная на рис. 13. Тип связывания, реализованный в металлоценах XXXIII, XXXIV и обусловленный d—пи-взаимодействиями, осуществляется и для более сложных ценовых, так называемых трехпалубных структур.

Аналогичный характер имеют орбитальные взаимодействия, определяющие устойчивость сэндвичевых комплексов лантаноидов и актиноидов. Поскольку для этих элементов активными валентными орбиталями являются орбитали f-типа с квантовым числом 1=3, подходящие по симметрии пи-орбитали циклического лиганда должны обладать уже не одной узловой плоскостью (как е₁и е₂-МО циклопентадиена, комбинирующие с d-AOметалла), а двумя. Это возможно лишь для циклических полиенов больших размеров, например для циклооктатетраена.

4. Правило 18 электронов

Анализ корреляционной диаграммы МО типового октаэдричес-кого комплекса ML₆, в котором М — атом переходного металла (см. рис. 3), показывает, что в комплексе имеется девять низколежащих валентных МО (шесть связывающих и три несвязывающих), которые могут быть заселены 18 электронами. Диаграмма на рис. 11.13 относится к простейшему случаю лигандов L, образующих двухцентровые двухэлектронные связи. Как и в случае сигма-лигандов с р-и пи-орбиталями (например, С1^-, СО, ...), именно двухцентровые двухэлектронные связи М—L определяют общую стабильность комплекса и можно ограничиться подсчетом электронов только на орбиталях этих связей. Из рис. 6 вытекает, что число электронов на таких орбиталях вместе с электронами на несвязывающих d-орбиталях металла также равно 18. Можно, таким образом, подойти к формулировке общего, весьма важного в химии координационных соединений «правила 18 электронов»: в устойчивых комплексах переходных металлов ML, общее число электронов на связях М—L и несвязывающих электронов металла равно 18.

Это правило можно трактовать как стремление центрального атома металла иметь замкнутую электронную оболочку соответствующего атома инертного газа. Можно представить и другое общее объяснение, позволяющее одновременно предсказать важные исключения из данного правила. На рис. 18,априведена обобщенная диаграмма орбитальных взаимодействий валентных р-, s-, d-орбиталей (общее число которых равно 9) с n симметризованными сигма-орбиталями лигандов L в комплексе ML_n. Подходящие по симметрии n-орбитали центрального атома (можно рассматривать их как соответствующие d^xs^yp^z -гибридные орбитали) образуют с орбиталями лиганда nсвязывающих и n антисвязывающих МО, а (9 — n) d-орбиталей металла, имеющих отличную симметрию, образуют несвязывающий уровень. Очевидно, что на связывающих и несвязывающих уровнях можно разместить 18 электронов.

При практическом использовании правила 18 электронов пренебрегают всеми другими орбитальными взаимодействиями, кроме сигма-связывания, и каждый лиганд рассматривается как вносящий два электрона в валентную оболочку комплекса. Таким образом, объединяются и обычные сигма-лиганды (NR₃, РRз, Н₂О, CH₃^-), и сигма-лиганды

с р—d-донорным эффектом (Сl^-, ОН^-), и сигма-лиганды с d-пи^* -акцепторными свойствами (СО, CNR, CR₂, NO⁺). Кроме того, пи-лиганды рассматриваются аналогичным образом как льюисовские основания, причем число вносимых ими электронов приравнивается к числу электронов на связывающих и несвязывающих пи-МО. Это число можно оценить согласно рис.15.

Для металла подсчитываются все электроны на s-, р-, d-оболочках и учитывается общий заряд комплекса.

Нетрудно проверить выполнение правила 18 электронов для большинства рассмотренных выше пи-комплексов, например ферроцена (M = Fe), хромоцена (М = Сг). В отличие от последнего в валентной оболочке рутеноцена в структуре D_6h-симметрик (M = Ru) содержалось бы не 18, а 20 электронов (Ru — d⁶s², 8 электронов и по 6 электронов от каждого бензольного кольца). Чтобы иметь в валентной оболочке 18 электронов, структура рутеноцена должна быть искажена таким образом, чтобы одно из бензольных колец участвовало в связывании лишь двумя пи-связями. Именно такая структура XXXVIII найдена для перметильного производного рутеноцена (рис. 16). В отличие от неполярного симметричного хромоцена IX молекула XXXVIII характеризуется достаточно высоким дипольным моментом 2,03 D в растворе. Другой аналогичный пример — искажение пятичленного циклопентадиенового кольца в сэндвичевом вольфрамдикар-бонильном комплексе XXXIX (рис. 16), позволяющее вывести одну пи-связь (два электрона) из общего связывания. Атом вольфрама вносит шесть, два карбонильных лиганда — четыре, плоский циклопен-тадиенильный фрагмент — пять, а деформированный — три электрона.

Необычная структура карбонила кобальта Со₂(СО)₈ также объясняется тем, что в ней достигается 18-электронная конфигурация валентной оболочки. Мостиковые карбонильные группы образуют многоцентровые связи, при формальном рассмотрении они отдают по одному электрону на оболочку каждого атома кобальта. Диамагнетизм Со₂(СО)₈ свидетельствует о спаривании электронов кобальта и образовании связи Со—Со. Действительно, расстояние Со—Со составляет, по данным рентгеноструктурных исследований, всего 0,25 нм. Аналогичным образом, в комплексе XJLII следует ожидать наличия двойной связи Rh=Rh (рис. 17).

Правило 18 электронов имеет немало исключений, и его следует рассматривать только как один из факторов, способствующих образованию стабильной структуры координационного соединения. Отклонения от правила связаны часто с пространственными ограничениями, не допускающими координации центральным атомом необходимого для заполнения 18-электронной оболочкой числа лигандов. Например, ясно, что ион V³⁺ (d²)должен координировать восемь двухэлектронных лигандов, чтобы заполнить валентную оболочку полностью. Однако пространственные возможности допускают только октаэдрическую координацию. Особенно важным отклонением от требований правила 18 электронов являются плоскоквадратные тетракоординированные и плоские трикоординированные комплексы. Как следует из схемы орбитальных взаимодействий, приведенной на рис. 18, а—в, в обоих этих случаях р_z -АО центрального атома остается отключенной от связывания с лигандами, так как ее узловая плоскость совпадает с плоскостью, в которой располагаются оси сигма-орбиталей лигандов L. Из рисунка следует, что при этом образуется в сумме только восемь связывающих и несвязывающих орбиталей комплекса, на которых могут разместиться лишь 16 электронов. Следовательно, в случае плоских тетра- и трико-ординированных структур переходных металлов устойчивой является 16-электронная конфигурация.

Действительно, рассмотрим электронную конфигурацию центрального атома Pt в соли Цейзе XXV. Этиленовый пи-лиганд и три сигма-лиганда С1^- дают каждый по два электрона, т. е. всего восемь электронов, в валентную оболочку. Учитывая заряд комплексного аниона —1, заряд центрального иона (или число окисления центрального атома) определяют как — 1 —(—3)= +2. Ион Pt²⁺(d⁸)дает в валентную оболочку восемь электронов. Общая сумма валентных электронов, определяемая таким образом, равна 16 (8 + 8). Шестнадцать электронов содержатся также в валентных оболочках плоских трикоординированных комплексов [Fe (SiNMe₂)₃], XXVII, и др.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис.4.

Рис. 5.

Рис. 3.

Рис. 6.

Рис. 7.

Рис. 8. Рис. 9.

Рис. 10.

Рис. 11.

Рис. 12.

Рис. 13.

Рис. 14.

Рис. 15.

Рис. 16.

Рис. 17.

Рис. 18.