STABILIZZAZIONE (CFSE) DI UNO IONE dn Energia reticolare degli alogenuri MX2 Raggio ionico SPETTROSCOPIA ELETTRONICA Regole di selezione per una transizione elettronica : •Spin: non può cambiare la molteciplità di spin DS = 0 •Laporte: deve cambiare la parità g/u Le transizioni “proibite” sono, in realtà, poco probabili Banda emax Spin-proibita <1 Laporte proibita 10 Laporte permessa 100 A trasferimento di carica 103-104 [Cr(ox)3]3- e [CrF6]3n1 corrisponde a Do MnF2 D DIPENDE DA: Dq = 1/6{ze2<r4>/a5} a = dist.internucleare, <r> = dist media di e dal nucleo • La carica sul metallo: [Ru(H2O)6]2+ 19800 cm-1 [Ru(H2O)6]3+ 28600 cm-1 •La geometria del complesso: Do2 Dt [VCl4] 7900 cm-1 [VCl6]2- 15400 cm-1 •La natura del metallo: Mn2+ < Ni2+ < Co2+ < Fe2+ <Fe3+ < Cr3+ <Co 3+ < Mo3+ < Rh3+ < Ru3+ < Pd4+ < Ir3+ < Pt4+ [MnF6]2[TcF6]2[ReF6]2- 21800 cm-1 28400 cm-1 32800 cm-1 •Il legante (serie spettrochimica) [CoF6]313100 cm-1 [Co(H2O)6]3+ 20800 cm-1 [Co(NH3)6]3+ 22900 cm-1 LA SERIE SPETTROCHIMICA Leganti diversi spostano il massimo di assorbimento nello spettro elettronico. C > N > O > F > Cl > Br > I Leganti “misti” hanno effetto “medio” GLI ORBITALI d NEI COMPLESSI QUADRATO-PLANARI IL CAMPO DEI LEGANTI (LIGAND FIELD): IL CASO OTTAEDRICO Le possibili combinazioni tra gli orbitali del metallo e quelli dei leganti: Gli orbitali di frontiera (HOMO e LUMO sono centrati sul metallo): GLI ELETTRONI DI UN COMPLESSO GLI ELETTRONI DI UN COMPLESSO L’EFFETTO p La sovrapposizione p tra un orbitale d e un orbitale p: Orbitali p pieni (leganti elettronegativi, bassa energia): Orbitali p vuoti (alta energia): MAGNETISMO Diamagnetismo: il moto degli elettroni appaiati viene perturbato da un campo magnetico. Si genera una magnetizzazione (I) che si oppone al campo esterno B = H + 4pI (I è una grandezza negativa) Effetto comune a tutte le sostanze. Paramagnetismo: anche il moto degli elettroni spaiati viene perturbato da un campo magnetico. Si genera una magnetizzazione (I) che si oppone al campo esterno I = kH (I è positivo, e molto maggiore che nel caso precedente) Effetto proprio dei composti con elettroni spaiati. IL MOMENTO MAGNETICO La suscettività magnetica k è la risposta di un mezzo al campo magnetico esterno: k= I/H Bilancia di Gouy: la differenza di peso tra il campione ed uno standard dà la suscettività magnetica per unità di volume, k La forza (differenza di peso) che agisce sul volume V è: F = ½kH2V = cost k La susc. paramagnetica molare è cM = (k/d)MM- cdia MAGNETISMO Bilancia di Gouy: la differenza di peso tra il campione ed uno standard dà la suscettività magnetica per unità di volume, k La suscettività molare è data da cM = k P.M./d Per molti composti cM è funzione della temperatura secondo la legge di Curie: cM = C/T Il momento magnetico è indipendente dalla temperatura meff = cost (cMT)½ = √[n(n+2)] LEGGE DI CURIE Il contributo diam. cdia è dato dal contributo di ogni atomo (costanti di Pascal) La susc. Param. è funz della temperatura e del momento magnetico, perché T tende a disorientare i dipoli magnetici: cM = cost(m2/T) m = 2.828 cMT) = n(n+2) n è il numero di elettroni spaiati per ogni molecola ISOMERIA NEI COMPLESSI Tipo di isomeria Descrizione Esempio Configurazionale Diversi poliedri di coordinazione Tetraedro/quadrato TBP/SP Di spin Alto/basso spin Fe(II) Di legame Diversi atomi donatori sul legante O-NO/NO2 Geometrico Diversa distribuzione dei leganti Cis/trans fac/mer Ottico Enantiomeria D/L 5T 1A ISOMERIA IN NiCl2(PPh3)2 Verde scuro, paramagnetico Rosso scuro ISOMERIA NEI COMPLESSI Isomeria geometrica: cis/trans, fac/mer Isomeria ottica: D/L ISOMERIA DI IONIZZAZIONE ISOMERIA IN [Cr(en)3][Ni(CN)5] · 1.5 H2O Temp. e press. Ambiente 7 kbar Dopo esser tornati a press. ambiente Composto disidratato (SP) IDRURI Donatori di un elettrone Pochi complessi puramente idrurici: [ReH9]2- , [FeH6]4- Molti con altri leganti: H2Fe(N2)(PR3)3, H3Co(PPh3)3, H5Ir(PR3)2, H2PtCl2(PR3)2 Occupano un sito di coordinazione, ma consentono ad altri leganti di espandersi Idruri “non classici”: il legame di una molecola H2 funziona da donatore [BH4]- come legante chelante: Cu(PPh3)2BH4 RAGGI X E NEUTRONI Il complesso di Kubas: dove sono i legami tra W e H? H-H : 0.75(16) Å (raggi X) 0.74 in H2 libero 0.84 Å (neutroni) J(H-D) = 33.5 Hz (43.2 Hz in HD molecolare, 2-3 Hz is cis diidruri) n(HD) = 2360 cm-1 Kubas, Acc. Chem. Res., 1988, 21, 120: “in an inversion of the normal order, spectroscopic rather than crystallographic, data provided the convincing evidence” H COME LEGANTE Paramagnetic shielding (correnti elettroniche) Dihydrogen bond H----H+ IL TEMPO DI RILASSAMENTO T1 L’impulso a 180° inverte la popolazione dei due livelli di spin. Si diagramma in funzione del ritardo di acquisizione (delay) Il tempo di rilassamento dipende anche dalla distanza di altri nuclei con spin 1H E 31P NMR trans-PtHCl(PPh3)2 1J(1H-195Pt) = 1196 Hz; 2J(1H- 31P) = 13 Hz LEGANTI ALL’AZOTO • Ammoniaca e ammine: nessun effetto p,leganti tipici per cationi +2 e +3 • Deprotonazione di ammoniaca: ammidi (NH2-), nitreni (NH2-) e nitruri (N3-): p-donatori • Ammine aromatiche: piridina, imidazolo, pirazolo e pirazolato. Forti pdonatori, stabilizzano alti stati di ossidazione: [Ag(Py)2]2+ • Diazoto: N2 es: [Fe(EDTA)N2]-, [Ru(NH3)5N2]2+ • Basi di Schiff: macrocicli tetra- (o penta-)dentati, con almeno 2 N • Pseudoalogenuri: N3-, NCS-, CN-, NO2- (isomeria di legame) • Nitrili R-CN (isonitrili R-NC) • Nitrosile NO (lineare, piegato, a ponte) IL LEGANTE N2 I diversi modi di coordinazione possibili. Tra le fonti di N2 si usa N2O; N2H4, N3-, N2 CO, N2 e HCCH sono (elettronicamente) simili LEGANTI AL FOSFORO • Fosfine alifatiche: PR3: s-donatori, poveri p-accettori • Fosfine aromatiche: PPh3 moderato s-donatore, moderato p-accettore, stabile all’ossidazione, solida, non volatile, diminuisce la solubilità del composto, ne facilita la cristallizzazione • Fosfine chelanti dppe, dppm: PPh2-(CH2)n-PPh2 • Fosfine chirali • Fosfiti: P(OR)3 scarso s-donatore, forte p-accettore • PF3: simile al CO per effetto elettronico e per ingombro sterico • Angolo di Tollman: PMe3 a ponte: I LEGANTI AL FOSFORO Il potere p-accettore delle fosfine Effetti sterici ed elettronici delle fosfine INGOMBRO STERICO E INSATURAZIONE Pt[PPh(t-Bu)2]2 Pt(PPh3)3 Pt(dppp)2 dppp = Ph2P(CH2)3PPh2 P5 ANALOGO DEL CICLOPENTADIENE LEGANTI ALL’OSSIGENO • Acqua, idrosso • Alcoli, alcolati, eteri, thf, eteri corona • Legante oxo (O2-) p-donatore; tre formule di risonanza M-O-, M=O, MO+ gruppi M=O sono stabilizzati da stati di ossidazione > +4 e dn < 4 • Diossigeno, superosso O2-, perossido O22• Chetoni, urea, SO2 • Dichetonati [R-C(O)-CH-C(O)-R]-, chelanti, una volta coordinati a M formali anelli con sistema p delocalizzato • Ossoanioni (NO3-, SO42-, PO43-,CO32-, carbossilati RCOO- (mono e bidentati) • Ossidi delle fosfine (O=PR3) • Dimetilsolfossido (Me2S=O) LEGANTI ALL’OSSIGENO: ALCUNI ESEMPI (1) VO(acac)2 [Cr(O2)4]3- CuSO45H2O LEGANTI ALL’OSSIGENO: ALTRI ESEMPI (2) {Cu(OOCCH3)2 H2O}2 O-Ir-O : 37° IL DIOSSIGENO COME LEGANTE O2, O2-, O22- Lo stato di ossidazione del legante e del metallo si deduce da dati strutturali (distanza O-O) e spettroscopici(n(O-O)) LEGANTI ALLO ZOLFO • Solfuri, polisolfuri, tiolati, tioeteri (metalloenzimi) • Ditioleni S-CR=CR-S. Impossibilità di determinare gli stati di ossidazione • SO2 (isomeria di legame) • Tiocianato (SCN piegato) • Ditiocarbammato [R2N-CS2]monodentato, a ponte] [chelante (anello a quattro termini), SOLFURI, TIOLATI, POLISOLFURI [Pt(S5)3]2-, un composto chirale senza carbonio [Au25(SR)18]+, un colloide d’oro stabilizzato da tiolati [Fe4S4(SR)4]2+, un analogo sintetico delle ferredossine. Esistono anche gli stati ossidati (+3) e ridotti (+1) [Ni2(dmit)3]2-: un complesso con un ditiolene LEGANTI NON INNOCENTI: [ReL3]z 5 stati di ossidazione; z da +1 a -3 Spettro ESR: in ReL32-, l’elettrone spaiato è centrato sul metallo; 185Re I = 5/2 3 stati di spin Prisma trigonale DMSO COME LEGANTE SO2 COME LEGANTE ALOGENURI • Fluoro: piccolo ingombro, nessun potere riducente, nessun effetto p: alti numeri di coordinazione ([ZrF8]4-), bassa posizione nella serie spettrochimica • Altri alogeni: stabilizzano complessi tetraedrici, possono fungere da ponti (donatori di tre e cinque elettroni) Cu4I4py4 REAZIONI DI COMPOSTI ORGANICI ED INORGANICI (1) REAZIONI DI COMPOSTI ORGANICI ED INORGANICI (2) VELOCITÀ DI SCAMBIO: COMPLESSI LABILI ED INERTI MECCANISMI DI SOSTITUZIONE E U E U E U E U Associativo Interscambio a carattere associativo Interscambio a carattere dissociativo Dissociativo A Ia Id D ENTALPIA ED ENTROPIA DI ATTIVAZIONE: DH‡ E DS‡ Equazione di Arrhenius: k = A exp(-Ea/RT) Equazione di Eyring: k =(kBT/h)exp(-DG‡/RT) = (kBT/h)exp(-DH‡/RT + DS‡/R ) ln k/T = - DH‡/RT + ln (kB/h) + DS‡/R Plot di Arrhenius (●) e di Eyring (■) per la reazione di scambio di una molecola di solvente in [Ga(dmso)6]3+ VOLUME DI ATTIVAZIONE: DV‡ d lnk/d P = -DV‡/RT DV‡ è positivo per reazioni dissociative, è negativo per reazioni associative EQUAZIONI CINETICHE MECCANISMO ASSOCIATIVO: U-M + E U-M-E v = -d[M-U]/dt = k[U-M][E] (dipende da E) MECCANISMO DISSOCIATIVO: U-M M + U k1, k-1 M+E M-E k2 v = -d[M-U]/dt = k1 k2[M-U][E]/(k-1[U]+ k2[E]) Se k2[E] >> k-1[U] v = k1[M-U] primo ordine, non dipende da E Se k-1[U] >> k2[E] v = k1 k2[M-U][E]/k-1[U] si ha effetto inibitore di U Se k-1[U] k2[E] si deve usare l’espressione completa MECCANISMO DI INTERSCAMBIO: U-M + E U-M--E K0 U-M--E U--M-E k3 U--M-E M-E + U k2, veloce v = -d[M-U]/dt = K0k3[M-U][E]/(1+ K0[E]) Se K0[E] >> 1 v = k1[M-U] primo ordine, non dipende da E Se K0[E] << 1 v = K0k3[M-U][E] secondo ordine, dipende da E Se k-1[U] k2[E] si ha dipendenza complessa REAZIONI DI SOSTITUZIONE: I COMPLESSI QUADRATO - PLANARI Pt(py)2Cl2 + L Pt(py)2(Cl)L Due meccanismi paralleli: kobs = k1 + k2[L] EFFETTO E INFLUENZA TRANS EFFETTO E INFLUENZA TRANS L’influenza trans (donazione s) è un fenomeno termodinamico (destabilizza il reagente). T e X competono per uno stesso orbitale L’effetto trans (retrodonazione p)è un fenomeno cinetico (stabilizza lo stato di transizione). Un accettore rimuove l’eccesso di elettroni L’EFFETTO TRANS: IMPLICAZIONI SINTETICHE CN-, C2H4, CO, NO >PR3H- > tu > CH3- >Ph > SCN- > NO2- > I- >Br- > Cl- > NH3 > OH- > H2O Sintesi di cis-Pt(NH3)2Cl2 [PtCl4]2- + NH3 [Pt(NH3)Cl3]- cis-Pt(NH3)2Cl2 Sintesi di trans-Pt(NH3)2Cl2 [Pt(NH3)4]2+ +Cl- [Pt(NH3)3Cl]- trans-Pt(NH3)2Cl2 LA SCALA DI NUCLEOFILICITÀ log (kL/k0) = shPt hPt, fattore di nucleofilicità, è determinato per reazioni di sostituzione su [Pt(py)2Cl2], ma vale per molti complessi di platino: s è il fattore di discriminazione CRISTAL FIELD ACTIVATION ENERGY Velocità (sperimentale) Velocità (calcolata con MO, AO) Velocità (calcolata con CF) CRISTAL FIELD ACTIVATION ENERGY Si calcola la stabilizzazion del campo cristallino nel reagente e nello stato di transizione (in unità Dq): CFAE = (CFSE)‡ - CFSE Le velocità di scambio di solvente negli acquocomplessi: Ione Config. CFAE (Dq) k (s-1) DV‡(cm3/mol) DH‡(KJ/mol) V2+ t2g3 1.80 (OC) 87 -4.1 62 Cr2+ t2g3 eg1 -3.14 (SP) > 108 Mn2+ t2g3 eg2 0 2 107 -5.4 33 Fe2+ t2g4 eg2 -2.08(OC) 4.4 106 +3.8 41 Co2+ t2g5 eg2 -2.56(PP) 3.2 106 +6.1 47 Ni2+ t2g6 eg2 1.80(OC) 3.2 104 +7.2 57 Cu2+ t2g6 eg3 -3.14(SP) >107 Zn2+ d10 0 >107 Si riesce a prevedere quali ioni sono labili e quali inerti. Meno efficace per determinare l’ordine di reattività CORRELAZIONE LINEARE DI ENERGIA LIBERA (L.F.E.R.) Keq = kd / ki DG° = DG‡i - DG‡d Se DG‡i = cost log Keq + C = log ki [Co(NH3)5 X]2+ + H2O [Co(NH3)5 H2O]3+ + X- SOSTITUZIONE IN COMPLESSI [CrL6]3+ Il complesso [Cr(H2O)6]3+ da’ sostituzioni associative, il complesso [Cr(NH3)5(H2O)]3+ dissociative; DS‡ sono però confrontabili MECCANISMO DI INTERSCAMBIO Raramente si riesce a osservare una variazione dell’ordine in funzione della concentrazione di legante entrante Esempio: [Cr(NH3)5(H2O)]3+ + SCN- [Cr(NH3)5SCN]2+ + H2O Per le reazioni di sostituzione [Ni(H2O)6]2+ + L, k3 = kf/K0 SOSTITUZIONI CATALIZZATE 1. DA BASI [Co(NH3)5X]2+ + OH- [Co(NH3)4(NH2)X] + + H2O [Co(NH3)4(NH2)X] + [Co(NH3)4(NH2)] 2+ + X[Co(NH3)4(NH2)] 2+ + H2O [Co(NH3)5OH] 2+ 2. DA RIDUCENTI [Cr(II)(H2O)6]2+ + X- [Cr(II)(H2O)5X]+ [Cr(II)(H2O)5X]+ + [Cr(III)(H2O)6]3+ [Cr(III)(H2O)5X]2+ + [Cr(II)(H2O)6]2+ Complessi di Co(III) sostituiscono più rapidamente in presenza di riducenti (carbone) 1983, for his work on the mechanisms of electron transfer reactions, especially in metal complexes 1992, for his contributions to the theory of electron transfer reactions in chemical systems REAZIONI REDOX: MECCANISMO A SFERA ESTERNA PRINCIPIO DI FRANCK-CONDON: il movimento dei nuclei è molto più lento del movimento degli elettroni DG‡ è funzione di DG° Il DG‡ di attivazione minore si ha dove le due curve si intersecano; È funzione della ripidità della parabola e della ampiezza della deformazione Anche transizioni elettroniche possono contribuire in modo significativo alle barriere di attivazione; la velocità di autoscambio di Co(NH3)62/3+ è molto bassa Co(II) passa ad uno stato eccitato “a basso spin” Il trasferimento elettronico tra Co(II) in basso spin e Co(III) è spin-permesso There is a disagreement between our, 6 10-3 (M s)-1, and the experimental rate, 5 10-5 (M s)-1. Either something is not correct with the theoretical estimate or the experimental rate constant is too small. In the more likely case that the theory misses some details…… REAZIONI DI AUTOSCAMBIO (DG° = 0) Si può calcolare l’energia di attivazione DG‡ di una reazione redox valutando: 1. Il lavoro necessario per avvicinare i reagenti 2. L’energia per ricostruire la sfera di idratazione 3. L’energia per deformare i parametri strutturali dei reagenti L’accordo è discreto (entro un fattore 100) considerando il gran numero di parametri da calcolare REAZIONI REDOX DI AUTOSCAMBIO Le reazioni che implicano maggiori differenze di distanze di legame (Dd, elettroni eg) sono le più lente: DG‡ (LA VELOCITÀ) DIPENDE DA: • La forma della curva (=le costanti di forza dei legami, l’ordine di legame M-L) • La distanza tra i minimi (= l’entità della deformazione) • La differenza tra i minimi (= il DG° di reazione) REAZIONI REDOX ASIMMETRICHE (DG0) le deformazioni subite dai due reagenti sono simili a quelle nell’autoscambio: DG(AB‡) = ½[DG(AA‡) + DG(BB‡)] REAZIONI REDOX ASIMMETRICHE (EQ. DI MARCUS SEMPLIFICATA) k12 = (k11k22K12f)1/2 DG12‡ = ½ (DG11‡ + DG22‡ + DG12°) REAZIONI REDOX: MECCANISMO A SFERA INTERNA I complessi condividono un legante. L’esperimento di Taube: [Co(NH3)5Cl]2+ + [Cr(H2O)6]2+ [Cr(H2O)5Cl]2+ + [Co(H2O)6]2+ + 5 NH3 La reazione redox è molto più veloce della sostituzione del Cr(III) Si forma un “complesso precursore”: Se, nell’ambiente di reazione, sono presenti ioni Cl- isotopicamente marcati, questi non vengono incorporati nel complesso di Cr(III) COMPLESSO PRECURSORE E SUCCESSORE MO-L + M’R MO-L-M’R complesso precursore MO-L-M’R MR-L-M’O complesso successore. Raramente è il passaggio lento. Può esser generato in situ da MO-L-M’O MR-L-M’O MR + L-M’O si formano i prodotti finali ATTACCO VICINO E ATTACCO LONTANO Leganti multiatomici possono aver più siti di attacco. Possono presentarsi diverse possibilità per il complesso pontato. [(NH3)5CoNCS]2+ + Cr2+ Co2+ + Cr-SCN Solo S ha un doppietto disponibile, si forma un unico isomero [(NH3)5CoSCN]2+ + Cr2+ Cr-SCN (meno stabile, 30 %) + Cr-NCS Si formano entrambi gli isomeri O Co N + NH2 Cr2+ Co2+ + O N Qual è il meccanismo di trasferimento dell’elettrone? NH2 Cr MECCANISMO CHIMICO O DI RISONANZA? MO-L-M’R MO-L--M’O MR-LM’O Meccanismo chimico (a stadi). Si forma il legante ridotto MO-L-M’R MR-L-M’O Trasferimento per risonanza. (trasferimento di atomi neutri) •La velocità dipende dalla distanza e dalla coniugazione nel legante •Se l’elettrone rimane intrappolato dal legante, si vede via ESR SFERA ESTERNA O SFERA INTERNA? 1. Identificare i prodotti di sostituzione o gli intermedi 2. Confronto tra velocità di sostituzione e velocità della reazione redox 3. Assenza di leganti con coppie di non legame (ammoniaca, fenantrolina) 4. Dipendenza della velocità dal pH (differente capacità pontante di H2O/OH) 5. Scala di reattività con leganti diversi (F/Cl/Br, SCN/N3) 6. Corrispondenza tra k (e DG‡) sperimentali e calcolati COMPOSTI DI INTERVALENZA Il complesso di Creutz: FILI METALLICI Il sale di Krogmann: K2[Pt(CN)4]X0.3·(H2O)n (X = Cl, Br) REAZIONI DI ISOMERIZZAZIONE: ISOMERIA DI LEGAME [Co(NH3)5-17O-N-O]2+ [Co(NH3)5-O-N-17O]2+ [Co(NH3)5-NO17O]2+ Lo scambio O-17O ha velocità confrontabile con lo scambio O-N. Meccanismo intermolecolare con intermedio p Isomeria di legame in [Os(NH3)5NR2Ph]2/3+. L’isomerizzazione è attivata da redox elettrochimiche. Il complesso di Os(II) presenta entrambi gli isomeri, quello di Os(III) solo quello legato a N DISSOCIAZIONE DI UN CHELANTE a) inversione e isomerizzazione avvengono con la stessa velocità b) In [Rh(ox)3]3- racemizzazione e scambio di 18O interno col solvente avvengono con la stessa velocità REAZIONI DI ISOMERIZZAZIONE: I COMPLESSI OTTAEDRICI Rotazione di Bailar: devono deformarsi gli angoli interni di tutti gli anelli Rotazione di Ray-Dutt: non richiede deformazione degli anelli PROCESSI DINAMICI (FLUSSIONALITÀ) (a) Stato limite a bassa T (w0) (b) Regime di scambio lento k = p(wE-w0) (d) Coalescenza k = (Dn0)p/2 (e) Regime di scambio veloce k = p(Dn0)2/2(wE-w0) (f) Stato limite ad alta T (w0) ISOMERIZZAZIONE DI fac- e mer-RuQ3 Q = di-tbut-chinone +25°C -85°C Ray-Dutt twist: ISOMERIZZAZIONE IN COMPLESSI QUADRATO-PLANARI 1. Doppia sostituzione (catalizzata da L) 2. 3. Pseudorotazione diretta (A → B) Dissociazione ISOMERIA IN BIPIRAMIDI TRIGONALI Alta T: una sola J media Bassa T: una J grande e una piccola HRhL4 L=P(OEt)3 1H NMR J(1H-31P) e J(1H-103Rh) Co(CF3)(PF3)(CO)3, due isomeri con CF3 assiale, PF3 ass. ed eq. NMR di CF3: J(19F-19F) e J(19F-31P) REAZIONI DI ISOMERIZZAZIONE: I COMPLESSI TETRAEDRICI Complessi del tipo Ni(PR3)2X2 isomerizzano da tetraedrico a quadrato planare. Ni(dpp)2Cl2 esiste, a temperatura ambiente in MeCN, nei due isomeri: Planare tetraedrico k1, k-1, K1 La composizione della miscela di equilibrio può essere alterata per irraggiamento. K1 = 0.75 k1 = 4.5 105 s-1 k-1 = 6 105 s-1 Lo spettro NMR di Ni(PMePh2)2Br2 a Temp. variabile IL CO COME LEGANTE Gli orbitali nella molecola libera Fe2(CO)4Cp2:CO a ponte Fe3(CO)12: i ponti asimmetrici SINTESI DEI METALLO CARBONILI • Per reazione diretta: Ni + 4 CO Ni(CO)4 Fe + 5 CO Fe(CO)5 • Riduzione di un sale in presenza di CO: CoX2 + H2 +CO Co2(CO)8 CrCl3 + Al + 6 CO Cr(CO)6 + AlCl3 • Riduzione operata dal CO (carbonilazione riduttiva): Re2O7 + 17 CO Re2(CO)10 + 7 CO2 6 RuCl3 + 33 CO + 27 OH- 2 Ru3(CO)12 + 9 HCO3- + 18 Cl- + 9 H2O REAZIONI DEI METALLO CARBONILI • Cr(CO)6 + L Cr(CO)5L + CO Sostituzione: Mo(CO)6 + Me3C6H3 Mo(CO)3(Me3C6H3) • Fotosostituzione Cr(CO)6 + thf (hn) Cr(CO)5thf + CO • Sostituzione catalizzata Cr(CO)6 + L +Me3NO Cr(CO)5L + CO2 • Attacco elettrofilo all’ossigeno: M-CO + AlCl3 M-CO-AlCl3 • Attacco nucleofilo al carbonio: M-CO + Nu M=C(O-)-Nu (Nu = OH-, NR2-, RO-, R-) • Inserzione: • Riduzione: MeMn(CO)5 + L Me-C(O)Mn(CO)4L Co2(CO)8 + 2 Na 2 Na[Co(CO)4] Fe(CO)5 + OH- [Fe(CO)4(COOH)]- [HFe(CO)4]-+ CO2 Fe2(CO)9 + 4 OH- [Fe2(CO)8]2- + CO32- + 2 H2O ATTACCO NUCLEOFILO ED ELETTROFILO AL CO Re2(CO)10 + MeO- I CO a ponte sono più basici: [Fe4(CO)13]2- + MeSO3F WATER GAS SHIFT REACTION NO COME LEGANTE NO piegato: NO-, donatore di un elettrone, M-N-O, M in alti stati di ossidazione NO lineare: NO+, donatore di tre elettroni, M-N-O, M in bassi stati di ossidazione The Coordination Chemistry of Nitric Oxide and Its Significance for Metabolism, Signaling, and Toxicity in Biology characterizing the exact electronic structures of transition metal nitrosyls has been difficult, which led to the establishment of the famous Enemark- Feltham* notation that allows for a general classification of transition metal nitrosyls without the need to define an exact electronic structure. * {MNO}n ISONITRILI (CN-R) COME LEGANTI [Co(CNR)4]-, [Co2(CNR)8], [Ta(CNR)7]+ Isonitrili terminali e a ponte, l’angolo R-NC è 130-180°, per effetto della retrodonazione (R-N=C=M). Danno facilmente reazioni di attacco nucleofilo al C e reazioni di inserzione: SINTESI DEI METALLO-ALCHILI • Attacco nucleofilo al metallo: WCl6 + 6 LiMe WMe6 + 6 LiCl (transmetallazione) • Attacco elettrofilo al metallo: [Mn(CO)5]- + CH3I MeMn(CO)5 + I• Somma ossidativa: Ir(CO)Cl(PPh3)2 + MeI Me-IrI(CO)Cl(PPh3)2 2 Cr2+ + MeI Me-Cr2+ + CrI2+ • Inserzione: PtHCl(PEt3)2 + C2H4 PtEtCl(PEt3)2 L’energia di legame M-C è 160-300 kJ/mol: LA b ELIMINAZIONE Un possibile intermedio per l’eliminazione: il legame agostico Per la b-eliminazione occorrono: •H in b •Catena alchilica flessibile •Sito di coordinazione vuoto •Un orbitale pieno per retrodonazione SINTESI E REAZIONI DEI METALLO-IDRURI • Sostituzione nucleofila con H-: Cr(CO)6 + BH4- [HCr(CO)5]- [(m-H)Cr2(CO)10]- • Attacco elettrofilo al metallo: [Mn(CO)5]- + H+ HMn(CO)5 • Somma ossidativa: Ir(CO)Cl(PPh3)2 + HX H-IrX(CO)Cl(PPh3)2 Ir(CO)Cl(PPh3)2 + H2 (H)2Ir(CO)Cl(PPh3)2 • H-transfer da un legante preesistente (b-eliminazione) GLI ALCHENI COME LEGANTI Il modello Dewar-Chatt- Ducanson (1953) per il legame tra metallo e doppio legame: donazione s e retrodonazione p Le due situazioni limite: legame M-alchene e metallaciclopropano Il sale di Zeiss: C-C 1.36 Å diedro CH2/CH2 146° A destra: angoli diedri CH2/CH2: 138° CF2/CF2: 106° SINTESI DEI METALLO ALCHENI • Per sostituzione diretta: [PtCl4]2- + C2H4 [PtCl3(C2H4)] - + Cl• Riduzione di un sale in presenza di alchene: Pt(PPh3)2Cl2 + C2H4 + BH4- Pt(PPh3)2(C2H4) • Da un alchile per b-eliminazione: MLn-CH2-CH2-R HMLn-1-CH2=CH-R + L • Protonazione di un allile: Mn(CO)5-(h1-CH2-CH=CH2) + H+ [Mn(CO)5-(h2-CH2=CH-CH3)]+ REAZIONI DEI METALLO ALCHENI • Inserzione in un legame M-H: M-H + CH2=CH2 M-CH2-CH3 (PPh3)AuMe + CF2=CF2 Au(PPh3)-CF2-CF2-Me • Attacco nucleofilo: (NHMe2)PtCl2(C2H4) + NHMe2 (NHMe2)Pt(-)Cl2-CH2-CH2-N(+)HMe2 [CpFe(CO)2(C2H4)]+ + Nu- CpFe(CO)2-CH2CH2-Nu GLI ALCHINI COME LEGANTI Due formule limite: metalla-ciclopropene e di-carbene Ciclo-esino e benzino stabilizzati da coordinazione l’alchino può donare 4 elettroni ALLILI E DIENI CONIUGATI ISOMERIA DEI METALLO-ALLILI L’isomerizzazione syn-anti avviene tramite intermedio h1-allile Pd2Cl2(C3H5)2 E CATALISI 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 0 20 40 60 80 100 120 140 160 SINTESI E REAZIONI DEI METALLO-ALLILI • Attacco nucleofilo al metallo: NiBr2 + 2 C3H5MgBr (h3-all)2Ni + 2 MgBr2 • Attacco elettrofilo al metallo: [Mn(CO)5]- + C3H5I (h1-all)Mn(CO)5 + I- (h3-all)Mn(CO)4 + CO • Sale metallico, allil cloruro e riducente • Olefina e alogenuro metallico, con eliminazione di HX Gli allili reagiscono con nucleofili (più spesso) e con elettrofili. Isomerizzazione (catalitica) di olefine: • Somma ossidativa REAZIONI STEREOSELETTIVE • • • Mo è centro stereogenico; il neomentile genera due diastereoisomeri La sostituzione CO/NO genera un complesso cationico, soggetto ad attacco nucleofilo Si forma un unico enantiomero • • I due enantiomeri vengono separati mediante sostituzione Cl/canforsulfonato (diastereoisomeri) Nel complesso neutro, l’allile è il nucleofilo LEGANTI DIENICI: PtLCl2 E FeL(CO)3 C3-C4 1.42 Å C4-C5 1.43 Å I METALLOCENI (MCp2) I METALLOCICLOPENTADIENI APPLICAZIONI DEI METALLOCICLOPENTADIENI Composti a trasferimento di carica, con allineamento degli spin Sequestro e rilascio di ioni regolato dalla ossidazione del Fe Terapia antitumorale I METALLO-INDENILI E LA POLIMERIZZAZIONE PROCESSI DINAMICI Fe(CO)2(h5-C5H5)(s-C5H5) Ti(h5-C5H5)2(s-C5H5)2 LEGANTI ANALOGHI AL Cp Cp* = Me5C5; maggior ingombro sterico, impossibilità di Interazione coi legami C-H, campo più forte: Es.: MnCp2 alto spin, Mn(Cp*)2 basso spin I METALLOARENI M(C6H6)2 • 3 CrCl3 + 2 Al + 2 C6H6 3 [Cr(C6H6)2]+ [Cr(C6H6)2]+ + S2O42- [Cr(C6H6)2] Le distanze C-C sono tutte uguali. I due anelli sono “eclipsed” La reattività è modificata, in accordo con una minor densità elettronica LEGAME QUINTUPLO Ar-Cr-Cr-Ar Cr-Cr 1.85 Å POLIENI SUPERIORI (C>6) C60 COME LEGANTE Os3(CO)11(h2-C60) Os3(CO)8(PPh3)(m3-h6-C60) Os5C(CO)12(PPh3)(m2-h4-C60) Fe(C5H5)(h5-C60Me5) CARBENI =CR2 E CARBINI CR Carbene di Fischer R = sostituenti elettronattrattori, C elettrofilo Carbene di Schrock R = alchile o idrogeno, C nucleofilo SINTESI DI CARBENI DI FISCHER 1- Un nucleofilo, seguito da un elettrofilo; reazione più facile sugli isonitrili (CN-R) 2- Estrazione di H+ o H- da un alchile 3 - Attacco del carbene, (generato da diazometano) REAZIONI DEI CARBENI DI FISCHER 1 - Sostituzione nucleofila al carbonio 3 - Alchilazione in b 2 - Ossidazione a lattame 4 – Coupling (dec. Termica) SINTESI DEI CARBENI DI SCHROCK Alchilazione e a-eliminazione; il metallo deve essere molto ingombrato I complessi dei metalli di prima transizione non raggiungono i 18 elettroni. Possono essere stabilizzati da legami agostici: Astrazione di Me- e H+ REAZIONI DEI CARBENI DI SCHROCK Con un alchene: metallaciclobutano e somma Con un chetone: (cf. Wittig) Con un estere (reag. di Tebbe) Un carbene “a metà strada” Applicazioni: catalizzatori organometallici, anche con sostituenti chirali, dalle caratteristiche modificabili giocando sull’ingombro sterico Complessi NHC-M studiati per proprietà di luminescenza, catalisi e costruzione di strutture supramolecolari CARBENI E CARBINI A PONTE CH2I2 + [Fe2(CO)8]2- Fe2(CO)8(m-CH2)+ 2 ICo2(CO)8 + CHCl3 Co3(CO)9(m3-CH) LA SOMMA OSSIDATIVA: LnM + A-B B-LnM-A Di solito, lo stato di ossidazione e il numero di coordinazione del metallo aumentano di due unità Il “complesso di Vaska”: Ir(CO)Cl(PPh3)2 Si sommano i legami H-H, H-X, X-X, C-X, O-O, S-H, Si-H; Hg-Cl, S-S, Sn-X Si sommano i legami C-C tensionati: Un complesso a 18 elettroni deve dissociare per lasciare posto ai due leganti entranti: Pt(PPh3)4 + Ph3SnCl [(PPh3)2PtClSnPh3] + 2 PPh3 In un complesso a 17 elettroni, può avvenire una reazione binucleare: MeI + 2 [Co(CN)5]3- Co(CN)5I]3- + [Co(CN)5Me]3- IL MECCANISMO: 1 ADDIZIONE CONCERTATA l’addizione avviene in cis, il complesso sigma è l’intermedio, il CO rimane nel piano equatoriale dell’intermedio TBP Nell’addizione di diossigeno si forma uno ione superossido. L’addizione è reversibile se X = Cl, irreversibile se X = I IL MECCANISMO: 2 SOSTITUZIONE NUCLEOFILA [Rh(CO)2I2]- + CH3I [trans MeRh(CO)2I3]- Il metallo funge da base di Lewis. Se la reazione si ferma al primo intermedio è più corretto definirla addizione elettrofila. DS < 0 in un processo associativo IL MECCANISMO: 2 SOSTITUZIONE NUCLEOFILA RX + Ir(CO)Cl{P(p-C6H4Y)3}2 La velocità di reazione dipende dai sostituenti Y delle fosfine ●MeI ○PhCH2Cl LA STEROCHIMICA DELLA SOSTITUZIONE NUCLEOFILA R e X sommano in trans al metallo. Si ha inversione di configurazione al carbonio Si determina la configurazione al carbonio nel prodotto finale. L’inversione avviene nello stadio di somma ossidativa IL MECCANISMO: 3 PROCESSO RADICALICO • Electron transfer (redox a sfera esterna): NiL4 NiL3 + L NiL3 + R-X {NiL3+, RX-} {Ni(I)L3+, RX-} RNiL2X + L • A gabbia (terminazione immediata) PtL3 PtL2 + L PtL2 + RX X-PtL2▪ + R▪ X-PtL2-R • A catena: Ir(I)(CO)ClL2 + RX R-Ir(II)(CO)ClL2 R-Ir(II)(CO)ClL2 + R-X RIr(III)(CO)ClL2X + R▪ SOMMA OSSIDATIVA DI LEGAMI C-H A solution of (h-C5H5)Ir(CO)2 in perfluorohexane under methane (ca. 10 atm) was irradiated for 6 h. From IR and NMR the only new compound in solution was (h-C5H5)Ir(CO)(H)CH3 (3a). From NMR intensities, the yield was ca. 20% COMPLESSI CICLOMETALLATI PER GLI OLED La ciclometallazione: All cyclometalates are anionic, so that these ligands offer very strong M–C covalent interactions as well as highly stabilized ligand-field. One important consequence regarding the photophysics is that the energy of the higher lying metal-centered d–d excited states in these complexes, which generally serves as a major nonradiative deactivating channel, is raised substantially Preparation of highly efficient, true-blue phosphorescent complexes has been long considered as a formidable challenge. This task is far more difficult than those for preparing longer wavelength emission deriving from green, orange and red phosphors ELIMINAZIONE RIDUTTIVA.1 B-LnM-A LnM + A-B È difficile isolare prodotti stabili: 2 cis-PtH(Me)L2 Pt + PtL4 + 2 CH4 (-25°) L’eliminazione può essere indotta da dissociazione di un legante (l’intermedio pentacoordinato è meno rigido): ELIMINAZIONE RIDUTTIVA.2 Possono eliminare solo due gruppi in cis. > > In trans-PdL2(Me)2 l’isomerizzazione precede l’eliminazione: ELIMINAZIONE RIDUTTIVA.3 L’eliminazione può essere indotta dal CO, gli acili eliminano più facilmente degli alchili: CpCoMe2L + CO CpCo(COMe)MeL CpCo(COMe)MeL + CO CpCo(CO)L + MeCO-Me Eliminazione binucleare: DOs(CD3)(CO)4 {DOs(COCD3)(CO)3} DOs(COCD3)(CO)3-H-Os(Me)(CO)4 DOs(CO)4Os(Me)(CO)4 + CD3-H Coupling ossidativo due alcheni ( o alchini) coordinati formano un legame C-C: INSERZIONE Inserzione 1,1 o 1,2. In genere i leganti h1 danno inserzione 1,1 (Es. CO) I leganti h2 danno inserzione 1,2 (Es. alcheni) SO2 dà entrambi i tipi di inserzione. Lo stato di ossidazione del metallo non cambia, il conteggio elettronico diminuisce di due unità CINETICA DELL’INSERZIONE Stato stazionario: L’’intermedio non si accumula d[Int]/dt = 0 k1[Rgt]- k-1[Int]- k2[Int][L] = 0 [Int] = k1[Rgt]/{k-1+ k2[L]} v = k2[Int][L] = k2 k1[L] [Rgt]/{k-1+ k2[L]} Due casi limite (cfr. con meccanismo dissociativo): k-1 >> k2[L] Cinetica del secondo ordine, lo stadio lento è l’attacco di L k-1 << k2[L] Cinetica del primo ordine v = k1[Rgt] Se L = 13CO, il nuovo legante entra in cis. La retro-inserzione permette di determinare qual è il gruppo che migra: Lo studio originale (1967) è stato fatto per IR Gruppi elettron-attrattori rallentano la reazione. Acidi di Lewis (AlCl3, Na+, etc.) si coordinano al CO e la accelerano. La configurazione al carbonio non si inverte. Alchile > Benzile > Vinile, Arile L’INSERZIONE SEGUITA VIA 13C-NMR In seguito a migrazione, il *CO marcato va in posizioni specifiche: Lo spettro 13C-NMR dell’alchile (a) e dell acile (b): senza arricchimento preferenziale, il rapporto tra i segnali cis/trans = 4 [Mn(CO)5]- + Me*COCl Mn(CO)5(*COMe) cis-Mn(Me)*CO(CO)4 + CO Il rapporto sperimentale è Cis/trans = 2 ± 0.1, compatibile con la migrazione del Me INSERZIONE STEREOSPECIFICA CO e R migrano, in funzione del solvente. La reazione è catalizzata da acidi di Lewis (BF3, ultime righe) ALTRE INSERZIONI Alcheni: H e alchene devono essere in cis, quasi coplanari La rarità di inserzione degli alcheni nei legami M-C (oligomerizzazione) è dovuta a fattori cinetici : nello stato di transizione si destabilizza un orbitale d (per perdita di retrodonazione) . L’effetto è ininfluente per Metalli d0 ALTRE INSERZIONI SO2: attacco elettrofilo di un acido di Lewis al carbonio. Non è necessario un sito libero su M. Si formano due isomeri Inserzione 1,2 di CO2: [MeW(CO)5]- + CO2 [(CO)5W-O-C(O)-Me]Gli isocianati danno facilmente poli-inserzione: CATALISI E DFT ISOMERIZZAZIONE DI ALCHENI Tutti gli stadi sono reversibili: si produce una miscela in cui prevalgono i prodotti termodinamicamente più stabili (alcheni interni invece di terminali). Occorrono un idruro ed un sito vacante (meccanismo a) oppure due siti vacanti (mecc. b) IDROGENAZIONE DI ALCHENI Il catalizzatore di Wilkinson: RhCl(PPh3)3. L’etilene forma un complesso stabile e non viene idrogenato. Alcheni ingombrati non si coordinano. Se la fosfina è poco ingombrante, il catalizzatore è meno attivo IDROGENAZIONE DI ALCHENI In questo schema, le sostanze all’interno della linea tratteggiata sono gli intermedi proposti del ciclo catalitico. Tutti i composti che sono stati isolati o individuati in soluzione stanno al di fuori del ciclo principale. Questo non è generale; in molti altri casi sono stati osservate specie che appartengono direttamente al ciclo catalitico principale. Comunque, questo studio dimostra che l’assenza di dati cinetici può portare a interpretazioni scorrette. «Only when kinetic and thermodynamic measurements define the role of complexes along the actual reaction path can the mechanism be defined». PROCESSI DINAMICI: RhCl(PPh3)3 A: il cat di Wilkinson. B: dopo la somma ossidativa di H2 B’: come B, a bassa T C: in atmosfera inerte (si torna ad A) In nessun caso è presente PPh3 libera LA STEREOCHIMICA DEGLI INTERMEDI IDROGENAZIONE ASIMMETRICA Si usano fosfine chelanti chirali. La chiralità è di solito al carbonio: In seguito a coordinazione si formano più centri stereogenici; tra i vari diasteroisomeri, uno reagisce più velocemente BINAP IDROGENAZIONE ASIMMETRICA Per idrogenazione del doppio legame si ottiene L-DOPA In questo caso il complesso più stabile (più abbondante) è il meno attivo: DDG‡ = 3.7 Kcal/mol; e.e = 90 % The Nobel Prize in Chemistry 2001 S. Knowles and Ryoji Noyori "for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions" IDROFORMILAZIONE R-CH=CH2 + CO + H2 R-CH2-CH2-CHO + CH3-CHR-CHO Attualmente, si usano complessi di rodio e fosfiti P(OR)3, ottenendo aldeidi lineari IL PARAIDROGENO p-H2 I segnali NMR dei protoni, subito dopo reazione con p-H2, hanno intensità aumentata (fino a 30000 volte) e fase invertita. Es: idroformilazione con Ir CARBONILAZIONE DEL METANOLO CH3OH + CO CH3-COOH Il catalizzatore è [Rh(CO)2I2]-, il co-catalizzatore HI PROCESSO WACKER CH2=CH2 + ½ O2 CH3-CHO v = k[C2H4][PdCl42-]/[H+][Cl-]2 La marcatura isotopica ha dimostrato che la configurazione al C si inverte, e che non si scambiano H col solvente Quattro processi redox, O2 ossidante stechiometrico, Cu2+ catalitico PROCESSO WACKER: CICLO COMPLETO L’effetto trans dell’etilene è maggiore dell’effetto trans del Cl, si deve formare trans-Pd(H2O)(C2H4)Cl2 The Nobel Prize in Chemistry 2010 R. F. Heck, E. Negishi, A. Suzuki Richard F. Heck Ei-ichi Negishi, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA, and Professor (emeritus) Akira Suzuki, Hokkaido University, Sapporo, Japan. The Royal Swedish Academy of Sciences is rewarding the three chemists for: “palladium-catalyzed cross couplings in organic synthesis”. The discoveries by the three organic chemists have had a great impact on academic research, the development of new drugs and materials, and are used in many industrial chemical processes for the synthesis of pharmaceuticals and other biologically active compounds. 24 riferimenti di letteratura Ni(PPh3)2Cl2 and Heck/Suzuki LA METATESI DI ALCHENI Scambio di sostituenti di due alcheni. È catalizzata da complessi dei metalli dei gruppi 5-6. Es MoCl6, WCl6; co-catalizzatori agenti alchilanti quali AlMe3; o da carbeni preformati. APPLICAZIONI DELLA METATESI • Sintesi di olefine terminali: R-CH=CH-R’ + CH2=CH2 CH2=CH-R’ + CH2=CH-R • Sintesi di olefine di interesse commerciale: IL MECCANISMO DELLA METATESI Due meccanismi possibili: a) ciclobutano coordinato b) metallaciclobutano (di Chauvin) METATHESIS DANCES http://www.hitteam.net/index.php?lang=en&page= metathesis IL MECCANISMO DELLA METATESI Anche all’inizio si forma il diene misto (C14): EVOLUZIONE DEI CATALIZZATORI Catalizzatori a base di Ru resistenti all’ossigeno e all’umidità, compatibili con altri gruppi funzionali. EVOLUZIONE DELLA METATESI Catalisi enantioselettiva: (ROM, RCM): Alkyne & Enyne metathesis: Cross metathesis: PROCESSI DINAMICI (FLUSSIONALITÀ) La costante di velocità dello scambio può essere ricavata dalla larghezza dei picchi in presenza (wE) ed in assenza di scambio (w0) Scambio lento: k = p(wE-w0) Coalescenza k = Dn0)p/2 Scambio veloce k = 4p(Dn0)2/(wE-w0) NUCLEI QUADRUPOLARI S > 1/2 I nuclei quadrupolari consentono un rapido rilassamento. Le bande si allargano, salvo nel caso di molecole molto simmetriche. Banda centrale: molecole con 14N; Satelliti: molecole con 15N NMR di un composto paramagnetico: Ni(PPh3)2Cl2 1H NMR di Ni(PPh3)2Cl2: segnali larghi e a chemical shift anomali; il “contact shift” misura la delocalizzazione di elettroni spaiati sul legante (effetto dp-pp) L’aggiunta di PPh3 dimostra lo scambio veloce di legante: ELECTRON SPIN RESONANCE Spettroscopia degli elettroni spaiati: valgono i principi dell’NMR (gli elettroni hanno spin ±½). Però DE = ghB g(rapp. giromagnetico dell’elettrone è -1760 rad/Ts) g (rapp. giromagnetico di H è 26.75) La frequenza della radiazione elettromagnetica corrisponde alle microonde ( e non alle onde radio) N = N0exp(-DE/kT) La diff. di popolazione tra stato fondamentale (N0) e stato eccitato (N) è molto grande: maggior sensibilità (10-8 M) EPR di Cr(acac)3 EPR di 53Cr3+ (10 %, s=3/2) ESR DI Fe(NO)(S2C-NEt2)2 14N (s = 1) A = 36.5 MHz