Anno Accademico 2011-12 A. CERIOTTI Complesso Definizione: è una specie chimica (neutra o carica) in cui un atomo centrale (metallo di transizione o elemento non di transizione) è circondato da altri atomi o gruppi di atomi, detti leganti, in numero superiore allo stato di ossidazione formale dell’atomo centrale. Es. [CoIIICl(NH3)5]2+ Composto di coordinazione Definizione: è un composto di tipo molecolare o ionico in cui è presente almeno un complesso. Es. [NiCl2(PPh3)2] ; [CoCl(NH3)5]Cl2 ; [Cu(CH3CN)4][PF6] Il numero di atomi o gruppi di atomi legati direttamente all’atomo centrale costituisce il numero di coordinazione (N.C.) dell’atomo centrale. La sfera interna del complesso è l’insieme dei leganti direttamente legati all’atomo centrale. Es. [Mn(H2O)5(SO4)] (SO42- nella sfera interna) La sfera esterna del complesso è l’insieme dei leganti non direttamente legati all’atomo centrale, ma che interagiscono in qualche modo con il complesso. Es: [Mn(H2O)6](SO4) (SO42- nella sfera esterna – controione) Un complesso polimetallico contiene più atomi di metallo non legati direttamente, es. [Be4O(CH3CO2)6]) acetato basico di berillio es. [V10O28]6- ione decavanadato (poliossoanione) I complessi polimetallici possono essere polimerici (MOF : Metal Organic Frameworks) es. [RhCl(CO)(t-dppethe)] (t-dppethe : trans-difenilfosfinoetene) Un complesso a cluster metallico contiene più atomi di metallo legati direttamente tra loro, es. [Rh6C(CO)15]2- anione pentadecacarbonilcarbonesarodio il complesso deve essere evidenziabile come entità distinta, Es. [AlF6]3- in (NH4)3[AlF6] (s) il numero di coordinazione può essere individuato anche nelle strutture condensate in stato solido, Es. NaCl(s) N.C.Na = 6 L’atomo centrale è un acido di Lewis, i leganti sono basi di Lewis. I leganti possono essere specie già pronte per la formazione del complesso (NH3, H-), oppure specie che si modificano per la formazione del complesso (H+), oppure specie che si formano durante la formazione del complesso (cyclam). Il legante interagisce con l’atomo centrale mediante legami covalenti (più o meno polarizzati) con formale donazione di coppie di elettroni. Il numero di coordinazione (N.C.): può essere uguale al numero di coppie elettroniche donate, Es. [CoCl(NH3)5]2+ N.C.Co = 6 coppie el. = 6 oppure minore del numero di coppie elettroniche donate, Es. [VO(acac)2] N.C.V = 5 coppie el. = 6 Un complesso “classico” è formato da un atomo centrale in medio-alto stato di ossidazione ( +2) e contiene prevalentemente leganti -donatori o anche - e -donatori, es. [SiF6]2- , [NiCl4]2- Un complesso “non classico” è formato da un atomo centrale in medio-basso stato di ossidazione ( +2) e contiene prevalentemente leganti -donatori e -accettori, es. [Fe(C5H5)2] , [Ni(CO)4] , [Cr(NO)4] Un complesso organometallico contiene almeno un’interazione di legame metallo-carbonio, es. [PtCl3(C2H4)]- , [Al(CH3)4]- Un complesso organometallico di tipo contiene leganti organici donatori di elettroni presenti in sistemi di orbitali di tipo , es. [PtCl3(C2H4)]- , [Fe(C5H5)2] Principio di elettroneutralità (Pauling) Un complesso classico è stabile quando ogni atomo porta su di sé una carica elettrica piccola (-1 +1) e, grazie alle differenze di elettronegatività tra i vari atomi, l’eventuale carica libera viene in delocalizzata sugli atomi periferici dei leganti, tramite legami covalenti polarizzati. complessi cationici sono stabili con atomi periferici (es. H ; legati ad atomi più elettronegativi (es. N ; metallo ( Co N H = 2,20) = 3,04), a loro volta legati al = 1,88). Es. [CoCl(NH3)5]2+ . complessi anionici sono stabili con atomi periferici elettronegativi (es. F ; F = 3,98) legati al metallo ( Fe = 1,83). Es. [FeF6]3- . Pauling ha sviluppato un metodo semiquantitativo per calcolare la carica residua sull’atomo centrale e sugli atomi dei leganti e quindi trarre una previsione sulla stabilità del complesso, Es: [Be(H2O)4]2+ +2 = (-0,08) (Be) + (4 x -0,06) (O) + (8 x +0,29) (H) [Be(H2O)6]2+ +2 = (-1,12) (Be) + (6 x -0,06) (O) + (12 x +0,29) (H) [Al(H2O)6]3+ +3 = (-0,12) (Al) + (6 x -0,06) (O) + (12 x +0,29) (H) [Al(NH3)6]3+ +3 = (-1,08) (Al) + (6 x +0,20) (O) + (18 x +0,16) (H) Un complesso non classico (organometallico) è stabile quando la carica negativa portata dai leganti sull’atomo metallico centrale (donazione) viene in gran parte delocalizzata sugli atomi periferici dei leganti, tramite retrodonazione. Sia la donazione che la retrodonazione avvengono mediante interazione di legame covalente: Cr(-) C O (+) Cr C O i complessi con il metallo in alto stato di ossidazione (+4, +5, +6, +7) sono stabili quando i leganti sono in grado di abbassare la carica positiva sul metallo mediante legami covalenti polarizzati ( L M) ( L M) + di donazione, (leganti tipici : F, Cl, O ; composti tipici : [VOCl3] , [MnO4]- , [CrF6]) i complessi con il metallo in basso stato di ossidazione (-1, 0, +1) sono stabili quando i leganti sono in grado di abbassare la carica negativa sul metallo mediante legami covalenti donazione e ( M L) ( M) L di di retro donazione, (leganti tipici : CO, PR3, areni ; composti tipici : [Ni(CO)4] , [Cr(C6H6)2]) i complessi con il metallo in stato di ossidazione intermedio (+2, +3) sono stabili quando i leganti sono in grado di abbassare la carica netta sul metallo mediante legami covalenti polarizzati ( L M) di donazione, (leganti tipici : H2O, NH3 ; composti tipici : [Fe(H2O)6]2+ , [Co(NH3)6]3+) Sviluppo storico della chimica di coordinazione Prime scoperte casuali (Diesbach – Berlino, 1700) KCN Fe(CN)2 Fe(CN)3 (blu di Prussia) (formulazione corretta KFe[Fe(CN)6]). (Tassaert – Parigi, 1798) CoCl3·6 NH3 (formulazione corretta [Co(NH3)6]Cl3). come potevano interagire specie, es. CoCl3 e NH3 , aventi valenze già sature ? perché CoCl3·6 NH3 non veniva distrutto immediatamente dagli acidi concentrati ? Il metallo può dare un numero di legami superiore a quello previsto dalla sua valenza. Primi studi (Jorgensen, Werner) sintesi di composti di Co(III), Cr(III), Pt(IV), Pt(II) tramite reazioni tra sali metallici e molecole neutre o ioni (leganti), isolamento allo stato solido dei prodotti, analisi dei prodotti per la loro formulazione: analisi elementare, analisi chimica con reazioni di precipitazione, es. CoCl3 . 6 NH3 3 ioni Cl- (AgCl)/mole CoCl3 . 4 NH3 1ione Cl- (AgCl)/mole [Co(NH3)6]Cl3 [CoCl2(NH3)4]Cl misure di conducibilità molare, es. PtCl4 . 6 NH3 M = 523 Scm2/mole PtCl4 . 2 NH3 M = 0 Scm2/mole [Pt(NH3)6]Cl4 [PtCl4(NH3)2] separazione degli isomeri di un composto, misura del potere rotatorio in composti otticamente attivi, Teoria della coordinazione (Werner – Zurigo, 1893) La teoria si basa su tre postulati: I. II. gli elementi hanno due tipi di valenza: valenza primaria ( valenza secondaria ( stato di ossidazione), numero di coordinazione), gli elementi tendono a soddisfare entrambi i tipi di valenza; nei complessi: i leganti anionici o cationici possono soddisfare sia la valenza primaria che quella secondaria, III. i leganti neutri possono soddisfare solo la valenza secondaria, la valenza secondaria è diretta verso posizioni fisse nello spazio (stereochimica). dalle analisi chimiche Werner stabilì che i complessi di Co(III) hanno una valenza primaria di 3 e una valenza secondaria di 6. dal conteggio degli isomeri isolati Werner stabilì che i complessi esacoordinati di Co(III) hanno geometria ottaedrica. N.B. occorreva ammettere che tutti gli isomeri possibili per un certo complesso fossero stati isolati N.B. la prova definitiva venne dalla scoperta di 2 isomeri ottici per il complesso [Co(en)3]3+ (en: 1,2-etandiammina , H2N-CH2-CH2-NH2), giustificati solo dalla geometria ottaedrica Teoria del legame di coordinazione (Lewis – Berkeley, 1916) La teoria si basa sul postulato che il legame tra due atomi avviene tramite la condivisione di una coppia di elettroni (legame covalente). Nel caso in cui uno solo dei due atomi fornisca la coppia elettronica, si parla di legame covalente dativo. il legame dativo consente di spiegare la formazione dei complessi e l’interazione presente per saturare la valenza secondaria, es: Ag+ + 2 NH3 [Ag(NH3)2]+ la reazione di formazione di un complesso è una reazione tra un acido di Lewis (metallo) e una base di Lewis (legante), [H3N Ag+ NH3] un legante viene definito come una qualunque molecola o ione che possiede almeno una coppia di elettroni da donare, Regola del numero atomico effettivo (EAN) (Sidgwick – Oxford, 1927) (è un’estensione, ai complessi metallici, della regola dell’ottetto di Lewis) La regola dice che l’atomo centrale tende ad acquistare elettroni dai leganti fino a che il numero complessivo di elettroni intorno a sé (numero atomico effettivo) è pari a quello del gas raro successivo. es: Co3+ [Co(NH3)6]3+ = 27 – 3 = 24 e- 6 NH3 = 6 x 2 = 12 e36 e- (rispetta la EAN) es: [Ni(NH3)6]2+ Ni2+ = 28 – 2 = 26 e- 6 NH3 = 6 x 2 = 12 e38 e- (non rispetta la EAN) es: Cr2+ [Cr(OOCCH3)2H2O]2 = 24 – 2 = 22 e- 2 CH3COO- = 2 x 4 = 8 e- H2O 2 e- = 2 = 32 e- (rispetta la EAN - legame quadruplo Cr-Cr)