stringtranslate.com

Гидрид переходного металла

Гидриды переходных металлов представляют собой химические соединения , содержащие переходный металл, связанный с водородом . Большинство переходных металлов образуют гидридные комплексы, а некоторые играют важную роль в различных каталитических и синтетических реакциях. Термин «гидрид» используется широко: некоторые из них являются кислыми (например, H 2 Fe(CO) 4 ), тогда как некоторые другие являются гидридными, имеющими H - подобный характер (например, ZnH 2 ).

Классы гидридов металлов

Бинарные гидриды металлов

Многие переходные металлы образуют соединения с водородом. Эти материалы называются бинарными гидридами, поскольку они содержат только два элемента. Предполагается, что водородный лиганд имеет гидридный (H -- подобный) характер. Эти соединения неизменно нерастворимы во всех растворителях, что отражает их полимерную структуру. Они часто обладают металлоподобной электропроводностью. Многие из них являются нестехиометрическими соединениями . Электроположительные металлы ( Ti , Zr , Hf , Zn ) и некоторые другие металлы образуют гидриды со стехиометрией MH или иногда MH 2 (M = Ti , Zr , Hf, V, Zn ). Наиболее изучены бинарные гидриды палладия , легко образующие предельный моногидрид. Фактически, газообразный водород диффундирует через окна Pd через посредство PdH. [1]

Структура ReH2−
9
анион в соли K 2 ReH 9 . [2]

Тройные гидриды металлов

Гидриды тройных металлов имеют формулу A x MH n , где A + представляет собой катион щелочного или щелочноземельного металла, например K + и Mg 2+ . Знаменитым примером является K 2 ReH 9 , соль, содержащая два иона K + и анион ReH 9 2- . Другие гомолептические гидриды металлов включают анионы Mg 2 FeH 6 и Mg 2 NiH 4 . Некоторые из этих анионных полигидридов удовлетворяют правилу 18 электронов , многие — нет. Из-за высокой энергии решетки эти соли обычно не растворяются ни в каких растворителях, за исключением K 2 ReH 9 . [3]

Координационные комплексы

Наиболее распространенными гидридами переходных металлов являются металлокомплексы , которые помимо гидрида содержат смесь лигандов. Диапазон колигандов широк. Практически все металлы образуют такие производные. К основным исключениям относятся поздние металлы серебро, золото, кадмий и ртуть , которые образуют малочисленные или нестабильные комплексы с прямыми связями MH. Примерами промышленно полезных гидридов являются HCo(CO) 4 и HRh (CO)(PPh 3 ) 3 , которые являются катализаторами гидроформилирования .

HFeCl(dppe) 2 — один из наиболее доступных гидридов переходных металлов.

О первых молекулярных гидридах переходных металлов впервые сообщили в 1930-х годах Уолтер Хибер и его коллеги. Они описали H 2 Fe(CO) 4 и HCo(CO) 4 . После нескольких лет перерыва и после публикации немецких военных документов о постулируемой роли HCo(CO) 4 в гидроформилировании , в середине 1950-х годов три известные группы металлоорганической химии сообщили о нескольких новых гидридах: HRe(C 5 H 5 ) 2 Джеффри Уилкинсона , HMo(C 5 H 5 )(CO) 3 Э.О. Фишера и HPtCl(PEt 3 ) 2 Джозефа Чатта . [4] Сейчас известны тысячи таких соединений.

Кластерные гидриды

Подобно координационным комплексам гидрида, многие кластеры содержат концевые (связанные одной связью M–H) гидридные лиганды. Гидридные лиганды также могут соединять пары металлов, как показано на примере [HW 2 (CO) 10 ] - . Кластер H 2 Os 3 (CO) 10 содержит как концевые, так и двумостиковые гидридные лиганды. Гидриды также могут охватывать треугольную грань кластера, как в [Ag 3 {(PPh 2 ) 2 CH 2 } 33 -H)(μ 3 -Cl)]BF 4 . [5] В кластере [Co 6 H(CO) 15 ] гидрид является «межузельным», занимая положение в центре октаэдра Co 6 . Отнесение кластерных гидридов может оказаться затруднительным, как иллюстрируют исследования реагента Страйкера [Cu 6 (PPh 3 ) 6 H 6 ]. [6]

Синтез

Гидридная передача

Нуклеофильные гидриды основной группы превращают многие галогениды и катионы переходных металлов в соответствующие гидриды:

ML n X + LiBHEt 3 → HML n + BET 3 + LiX

Эти превращения представляют собой реакции метатезиса, и гидридность продукта обычно меньше, чем у донора гидрида. Классические (и относительно дешевые) реагенты-доноры гидрида включают боргидрид натрия и алюмогидрид лития . В лаборатории больший контроль часто обеспечивают «смешанные гидриды», такие как триэтилборгидрид лития и Red-Al . Гидриды щелочных металлов, например гидрид натрия , обычно не являются полезными реагентами.

Реакции элиминации

Удаление бета-гидрида и удаление альфа-гидрида - это процессы, в результате которых образуются гидриды. Первый - общий путь обрыва при гомогенной полимеризации . Это также позволяет синтезировать некоторые гидридные комплексы переходных металлов из литийорганических соединений и реактивов Гриньяра :

ML n X + LiC 4 H 9 → C 4 H 9 ML n + LiX
C 4 H 9 ML n → HML n + H
2
С=CHC
2
ЧАС
5

Окислительные добавки

Окислительное присоединение диводорода к низковалентному центру переходного металла является обычным явлением. Некоторые металлы напрямую реагируют с H 2 , хотя обычно требуется нагревание до нескольких сотен градусов. Одним из примеров является дигидрид титана , который образуется при нагревании губки титана до 400–700 °C в атмосфере водорода. Эти реакции обычно требуют металлов с большой площадью поверхности. Прямая реакция металлов с H 2 является стадией каталитического гидрирования .

Классический пример решения — комплекс Васьки : [7]

Ir I Cl(CO)(PPh 3 ) 2 + H 2 ⇌ H 2 Ir III Cl(CO)(PPh 3 ) 2

Окислительное присоединение также может происходить к диметаллическим комплексам, например:

Ко
2
(Колорадо)
8
+ H 2 ⇌ 2 HCo(CO) 4

Многие кислоты участвуют в окислительном присоединении, о чем свидетельствует добавление HCl к комплексу Васки:

Ir I Cl(CO)(PPh 3 ) 2 + HCl → HIr III Cl 2 (CO)(PPh 3 ) 2

Гетеролитическое расщепление диводорода

Некоторые гидриды металлов образуются при обработке металлокомплекса водородом в присутствии основания. Реакция не сопровождается изменением степени окисления металла и может рассматриваться как расщепление H 2 на гидрид (который связывается с металлом) и протон (который связывается с основанием).

ML n x+ + база + H 2 ⇌ HML n (x-1)+ + Hbase +

Предполагается, что в такой реакции участвуют диводородные комплексы . Бифункциональные катализаторы таким образом активируют H 2 .

Дигидрид молибдоцена производится с использованием NaBH 4 в качестве источника гидрида.

Термодинамические соображения

Значения смещаются на <6 кДж/моль при замене CO на фосфиновый лиганд.

Связь MH в принципе может расщепляться с образованием протона, водородного радикала или гидрида. [9]

HML n ⇌ ML n + H +
HML n ⇌ ML n + H
HML n ⇌ ML n + + H

Хотя эти свойства взаимосвязаны, они не являются взаимозависимыми. Гидрид металла может быть термодинамически слабой кислотой и слабым донором H - ; он также может быть силен в одной категории, но не в другой, или силен в обеих. Сила H - гидрида, также известная как его способность донора гидрида или гидридность, соответствует силе основания гидрида по Льюису. Не все гидриды являются мощными основаниями Льюиса. Сила основания гидридов варьируется так же, как и pK a протонов. Эту гидроксидность можно измерить путем гетеролитического расщепления водорода между металлокомплексом и основанием с известным pK a и последующим измерением полученного равновесия. Это предполагает, что гидрид не реагирует гетеролитически или гомолитически сам с собой с реформированием водорода. Комплекс будет гомолитически реагировать сам с собой, если гомолитическая связь MH стоит менее половины гомолитической связи HH. Даже если прочность гомолитической связи превышает этот порог, комплекс все равно восприимчив к радикальным реакциям.

2 НМЛ н z ⇌ 2 МЛ н z + Н 2

Комплекс будет гетеролитически реагировать сам с собой, если он одновременно является сильной кислотой и сильным гидридом. Это преобразование приводит к диспропорционированию с образованием пары комплексов со степенями окисления , отличающимися двумя электронами. Возможны дальнейшие электрохимические реакции .

2HML n z ⇌ ML n z+1 + ML n z-1 + H 2

Как отмечалось, некоторые комплексы гетеролитически расщепляют диводород в присутствии основания. Часть этих комплексов образует гидридные комплексы, достаточно кислые, чтобы их можно было депротонировать во второй раз основанием. В этой ситуации исходный комплекс может быть восстановлен двумя электронами с водородом и основанием. Даже если гидрид недостаточно кислый, чтобы его можно было депротонировать, он может гомолитически реагировать сам с собой, как обсуждалось выше, с общим одноэлектронным восстановлением.

Две депротонации: ML n z + H 2 + 2Base ⇌ ML n z-2 + 2H + основание.
Депротонирование с последующим гомолизом: 2ML n z + H 2 + 2основание ⇌ 2ML n z-1 + 2H + Основание .

Гидратность

Сродство гидридного лиганда к кислоте Льюиса называется его гидридностью:

ML n H n− ⇌ ML n (n+1)− + H

Поскольку гидрид не существует в виде стабильного аниона в растворе, эта константа равновесия (и связанная с ней свободная энергия) рассчитывается на основе измеримых равновесий. Ориентиром является гидричность протона, которая в растворе ацетонитрила рассчитывается как -76 ккал моль -1 : [10]

H + + H ⇌ H 2 ΔG 298  = −76 ккал моль −1

По сравнению с протоном большинство катионов проявляют меньшее сродство к H . Вот некоторые примеры:

[Ni(dppe) 2 ] 2+ + H ⇌ [HNi(dppe) 2 ] + ΔG 298  = −63 ккал моль −1
[Ni(dmpe) 2 ] 2+ + H ⇌ [HNi(dmpe) 2 ] + ΔG 298  = −50,7 ккал моль −1
[Pt(dppe) 2 ] 2+ + H ⇌ [HPt(dppe) 2 ] + ΔG 298  = −53 ккал моль −1
[Pt(dmpe) 2 ] 2+ + H ⇌ [HPt(dmpe) 2 ] + ΔG 298  = −42,6 ккал моль −1

Эти данные позволяют предположить, что [HPt(dmpe) 2 ] + может быть сильным донором гидрида, что отражает относительно высокую стабильность [Pt(dmpe) 2 ] 2+ . [11]

Кинетика и механизм

Скорость переноса протона к металлокомплексам и между ними часто бывает низкой. [12] Многие гидриды недоступны для изучения с помощью термодинамических циклов Бордвелла . В результате кинетические исследования используются для выяснения обоих соответствующих термодинамических параметров. Обычно гидриды, полученные из переходных металлов первого ряда, демонстрируют наиболее быструю кинетику, за ней следуют комплексы металлов второго и третьего ряда.

Структура и связь

Определение структуры гидридов металлов может быть сложной задачей, поскольку гидридные лиганды плохо рассеивают рентгеновские лучи, особенно по сравнению с присоединенным металлом. Следовательно, расстояния MH часто недооцениваются, особенно в ранних исследованиях. Часто наличие гидридного лиганда определялось по отсутствию лиганда в очевидном координационном сайте. Традиционно структуру гидридов металлов изучали с помощью нейтронографии, поскольку водород сильно рассеивает нейтроны. [13]

Металлокомплексы, содержащие концевые гидриды, распространены. В би- и полиядерных соединениях гидриды обычно являются мостиковыми лигандами . Многие из этих мостиковых гидридов являются олигомерными, например, реагент Страйкера . [14] [(Ph 3 P)CuH] 6 и кластеры, такие как [Rh 6 (PR 3 ) 6 H 12 ] 2+ . [15] Конечным связующим мотивом является неклассический дигидрид, также известный как диводородные аддукты сигма-связи или просто диводородные комплексы. Комплекс [W(PR 3 ) 2 (CO) 3 (H 2 )] был первым хорошо охарактеризованным примером как неклассического дигидрида, так и комплекса сигма-связей в целом. [16] [17] Рентгеновская дифракция, как правило, недостаточна для обнаружения гидридов в кристаллических структурах, поэтому их расположение необходимо предполагать. Чтобы однозначно кристаллографически определить местонахождение гидрида вблизи тяжелого атома, требуется дифракция нейтронов . Неклассические гидриды также изучались с помощью различных методов ЯМР с переменной температурой и HD-соединений.

Классический терминал: M—H
Классический мост : M—H—M.
неклассический : M—H 2

Спектроскопия

Гидриды поздних переходных металлов характерно демонстрируют сдвиги в сильное поле в своих спектрах ЯМР протонов . Обычно сигнал M- H появляется в диапазоне от δ-5 до -25, причем многие примеры выходят за пределы этого диапазона, но обычно все они появляются при значениях ниже 0 ppm. Большие сдвиги возникают из-за влияния возбужденных состояний и сильной спин-орбитальной связи [18] (напротив, для органических соединений сдвиги 1 H ЯМР обычно происходят в диапазоне δ12-1). На одном полюсе находится комплекс 16e IrHCl 2 (PMe( t -Bu) 2 ) 2 со сдвигом -50,5. Сигналы часто демонстрируют спин-спиновую связь с другими лигандами, например фосфинами. [19]

Гидриды металлов демонстрируют ИК-полосы около 2000 см -1 для ν M-H , хотя их интенсивности варьируются. [4] Эти сигналы можно идентифицировать по маркировке дейтерием.

История

В 1844 году был описан плохо определенный гидрид меди, образовавшийся в результате обработки солей меди фосфорноватистой кислотой . Впоследствии было обнаружено, что газообразный водород поглощается смесями солей переходных металлов и реактивами Гриньяра . [20]

Первым четко определенным комплексом гидрида металла был H 2 Fe(CO) 4 , полученный низкотемпературным протонированием карбонильного аниона железа. Следующим описанным гидридным комплексом был (C 5 H 5 ) 2 ReH. Последний комплекс был охарактеризован методом ЯМР-спектроскопии , что продемонстрировало полезность этого метода при изучении металлогидридных комплексов. [20] В 1957 году Джозеф Чатт, Бернард Л. Шоу и Л. А. Дункансон описали транс -PtHCl(PEt 3 ) 2 первый неметаллоорганический гидрид (т.е. не имеющий связи металл-углерод). Было показано, что он устойчив на воздухе, что исправило давнее предубеждение о нестабильности гидридов металлов. [21]

Рекомендации

  1. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ Абрахамс, Южная Каролина; Гинзберг, AP; Нокс, К. (1964). «Соединения переходного металла с водородом. II. Кристаллическая и молекулярная структура гидрида калия-рениея, K 2 ReH 9 ». Неорг. Хим . 3 (4): 558–567. дои : 10.1021/ic50014a026.
  3. ^ Кинг, РБ (2000). «Структура и связь в гомолептических анионах гидридов переходных металлов». Обзоры координационной химии . 200–202: 813–829. дои : 10.1016/S0010-8545(00)00263-0.
  4. ^ Аб Каес, HD; РБ Саиллант (1 июня 1972 г.). «Гидридные комплексы переходных металлов». Химические обзоры . 72 (3): 231–281. дои : 10.1021/cr60277a003.
  5. ^ Заврас, Афанасий; Хайраллах, Джордж Н.; Коннелл, Тимоти У.; Уайт, Джонатан М.; Эдвардс, Элисон Дж.; Доннелли, Пол С.; О'Хэйр, Ричард Эй Джей (5 августа 2013 г.). «Синтез, структура и газофазная реакционная способность гидридного комплекса серебра [Ag3{(PPh2)2CH2}3(μ3-H)(μ3-Cl)]BF4». Ангеванде Хеми . 125 (32): 8549–8552. дои : 10.1002/ange.201302436. ISSN  1521-3757.
  6. ^ Беннетт, Эллиот Л.; Мерфи, Патрик Дж.; Имберти, Сильвия; Паркер, Стюарт Ф. (17 марта 2014 г.). «Характеристика гидридов в реагенте Страйкера: [HCu{P(C6H5)3}]6». Неорганическая химия . 53 (6): 2963–2967. дои : 10.1021/ic402736t . ISSN  0020-1669. ПМИД  24571368.
  7. ^ Хартвиг, Дж. Ф. Химия органопереходных металлов, от связывания к катализу; Университетские научные книги: Нью-Йорк, 2010. ISBN 1-891389-53-X 
  8. ^ Тилсет, М. (2007). «Металлоорганическая электрохимия: термодинамика связи металл-лиганд». Комплексная металлоорганическая химия III . стр. 279–305. дои : 10.1016/B0-08-045047-4/00012-1. ISBN 978-0-08-045047-6.
  9. ^ Раковски Дюбуа, М.; Дюбуа, DL (2009). «Роль первой и второй координационных сфер в создании молекулярных катализаторов получения и окисления H2». хим. Соц. Преподобный . 38 (1): 62–72. дои : 10.1039/b801197b. ПМИД  19088965.
  10. ^ Уэйнер, Дэниал DM; Паркер, Вернон Д. (1993). «Энергия связи в растворе на основе электродных потенциалов и термохимических циклов. Упрощенный и общий подход». Отчеты о химических исследованиях . 26 (5): 287–294. дои : 10.1021/ar00029a010.
  11. ^ М. Тилсет «Металлоорганическая электрохимия: термодинамика связей металл-лиганд» в книге «Комплексная металлоорганическая химия III», Эдс Крэбтри, Р.Х .; Мингос, DMP 2007 Elsevier. ISBN 9780080445915 
  12. ^ К.В. Крамарц, Дж. Р. Нортон (2007). «Медленные реакции переноса протона в металлоорганической и бионеорганической химии». Кеннет Д. Карлин (ред.). Прогресс неорганической химии . Том. 42. Уайли. стр. 1–65. ISBN 978-0-470-16643-7.[ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ Бау, Р.; Драбнис, М.Х. (1997). «Структура гидридов переходных металлов, определенная методом дифракции нейтронов». Неорганика Химика Акта . 259 (1–2): 27–50. дои : 10.1016/S0020-1693(97)89125-6.
  14. ^ Чиу, Полина; Чжэннин Ли; Кельвин С.М. Фунг (январь 2003 г.). «Целесообразное приготовление реактива Страйкера». Буквы тетраэдра . 44 (3): 455–457. дои : 10.1016/S0040-4039(02)02609-6 . Проверено 17 апреля 2009 г.
  15. ^ Брейшоу, С.; Харрисон, А.; МакИндоу, Дж.; Маркен, Ф.; Рэйтби, П.; Уоррен, Дж.; Веллер, А. (2007). «Последовательное восстановление октаэдрических кластеров родия с высоким содержанием гидридов [Rh 6 (PR 3 ) 6 H 12 ] [BAr F 4 ] 2 : хранение водорода с редокс-переключателем». Варенье. хим. Соц . 129 (6): 1793–1804. дои : 10.1021/ja066940m. ПМИД  17284009.
  16. ^ Кубас, Г.Дж.; Р.Р. Райан; Б.И. Суонсон; Пи Джей Вергамини; Х. Дж. Вассерман (1 января 1984 г.). «Характеристика первых примеров изолируемых комплексов молекулярного водорода M (CO) 3 (PR3) 2 (H2) (M = молибден или вольфрам; R = Cy или изопропил). Доказательства наличия бокового связанного диводородного лиганда». Журнал Американского химического общества . 106 (2): 451–452. дои : 10.1021/ja00314a049.
  17. ^ Кубас, Грегори Дж. (31 августа 2001 г.). Комплексы дигидрогена металла и -связи - структура, теория и реакционная способность (1-е изд.). Спрингер. ISBN 978-0-306-46465-2.
  18. ^ Хробарик, П.; Хробарикова В.; Мейер, Ф.; Реписский, М.; Коморовский С.; Каупп, М. (2011). «Релятивистский четырехкомпонентный DFT-расчет химических сдвигов 1H ЯМР в гидридных комплексах переходных металлов: необычные сдвиги в сильном поле за пределами модели Букингема-Стивенса». Журнал физической химии А. 115 (22): 5654–5659. Бибкод : 2011JPCA..115.5654H. дои : 10.1021/jp202327z. ПМИД  21591659.
  19. ^ Дж. В. Акитт в «Многоядерном ЯМР» Джоан Мейсон (редактор), 1987, Plenum Press. ISBN 0-306-42153-4 
  20. ^ аб Джозеф Чатт (1968). «Гидридные комплексы». Наука . 160 (3829): 723–729. Бибкод : 1968Sci...160..723C. дои : 10.1126/science.160.3829.723. PMID  17784306. S2CID  22350909.
  21. ^ Дж. Чатт; Л. А. Дункансон; Б.Л. Шоу (1957). «Летучий хлоргидрид платины». Учеб. хим. Соц. : 329–368. дои : 10.1039/PS9570000329.