Магнецен , также известный как бис( циклопентадиенил )магний(II) и иногда сокращенно MgCp 2 , представляет собой металлоорганическое соединение с формулой Mg(η 5 -C 5 H 5 ) 2 . Это пример сэндвич-соединения основной группы s-блока, структурно связанного с металлоценами элемента d-блока и состоящего из центрального атома магния , зажатого между двумя циклопентадиенильными кольцами.
Магнецен представляет собой белое твердое вещество при комнатной температуре. [1] Он имеет температуру плавления 176 °C, хотя при атмосферном давлении он сублимирует при 100 °C. [1] В отличие от ферроцена , магнеоцен демонстрирует небольшую диссоциацию и последующую ассоциацию ионов в полярных электронодонорных растворителях (таких как эфир и ТГФ). [2]
Хотя ферроцен стабилен в условиях окружающей среды, магнецен быстро разлагается под воздействием кислорода или влаги, поэтому его необходимо синтезировать и хранить в инертных условиях. [3]
Как показало рентгеноструктурное уточнение, твердофазный магнецен имеет среднее расстояние связи Mg-C и CC 2,30 Å и 1,39 Å соответственно, а кольца Cp принимают шахматную конформацию (точечная группа D 5d ). [4] Газофазная электронная дифракция показала схожие длины связей, хотя кольца Cp находятся в затменной конформации (точечная группа D 5h ). [5] [6]
Природа связи Mg-Cp вызывает горячие споры относительно того, является ли взаимодействие преимущественно ионным [7] [8] или ковалентным [5] [6] [9] по характеру. Измерения дифракции электронов в газовой фазе были использованы в качестве аргумента в пользу ковалентной модели, в то время как измерения колебательной спектроскопии предоставили доказательства для обоих.
Расчеты Хартри-Фока показали, что, в отличие от металлоценов переходных металлов , 3d-орбитали Mg не играют роли в связи металл-кольцо; вместо этого благоприятные связывающие взаимодействия с системой Cp π осуществляются за счет продвижения двух 3s-электронов на орбитали 3p x,y . [10] Дальнейшая стабилизация обеспечивается за счет обратного донорства колец Cp на орбиталь Mg 3s. Такие взаимодействия обеспечивают меньшую степень перекрытия орбиталей по сравнению с ферроценом, что приводит к сравнительно слабой связи металл-кольцо и довольно высокому эффективному локальному заряду Mg. Таким образом, экспериментальные данные в пользу модели ионной связи можно объяснить очень слабыми и высокополярными взаимодействиями Mg-Cp. Слабая природа этого типа связи ответственна за относительную нестабильность и высокую реакционную способность магнецена по сравнению с ферроценом.
Первый синтез магнецена, о котором сообщили Ф. А. Коттон и Джеффри Уилкинсон в 1954 году, включал термическое разложение циклопентадиенильного реактива Гриньяра . [11] Похожий метод был предложен У.А. Барбером, в котором циклопентадиен напрямую реагирует с твердым магнием при 500-600°С. [1] В условиях отсутствия воды и кислорода свежеперегнанный мономерный циклопентадиен направляется через трубчатую печь с помощью инертного газа-носителя (такого как гелий , аргон или азот ) и проходит через магниевую стружку или порошок. Отложения магнецена на более холодных поверхностях за выходным торцом печи. Продукт этого процесса обычно представляет собой белую рыхлую массу мелких микрокристаллов, но можно получить большие бесцветные монокристаллы, регулируя температуру и скорость потока. Если твердый магнеоцен не нужен, приемную колбу можно вместо этого заполнить растворителем и продукт собрать в растворе, который, как отметил Барбер, гораздо безопаснее в обращении, чем чистое твердое вещество.
Эта процедура позволяет производить грамм продукта каждые две минуты в идеальных условиях, а при вертикальной установке (в которой циклопентадиен направлен вниз, а продукт собирается внизу) можно получить почти чистый продукт с выходом> 80% (по циклопентадиену). ). Было показано, что горизонтальная установка возможна, но за счет чистоты продукта из-за ограничения потока газа из-за накопления продукта.
Магнецен может быть получен из магниевой стружки в ТГФ в мягких условиях с использованием трихлорида циклопентадиенилтитана (CpTiCl 3 ), действующего в качестве катализатора. [12] Масленников и др. позже показал аналогичную каталитическую активность с Cp 2 TiCl 2 , TiCl 3 , TiCl 4 и VCl 3 . [13] Механизм, как показывает электронно-спиновый резонанс , протекает через промежуточное соединение Cp 2 TiH 2 MgCl. [13] Образование магнецена из элементарного магния не наблюдалось в ТГФ без присутствия катализатора. [13] Попытки заменить ТГФ диэтиловым эфиром, диглимом или бензолом привели только к полимеризации циклопентадиена. [13]
Синтезы магнецена и его производных проводились также в углеводородных растворителях, например в гептане, из Cp и ( n Bu)( s Bu)Mg. [14] [15]
Металлирование циклопентадиена также может быть осуществлено алкильными комплексами Mg-Al с конечным выходом магнецена 85%. [14]
Магнецен служит промежуточным продуктом при получении металлоценов переходных металлов: [16]
Магнецен также подвергается реакциям обмена лигандов с MgX 2 (X = галогенид ) с образованием полусэндвичевых соединений CpMgX в ТГФ: [17]
Полученные полусэндвич- галогениды могут служить исходными материалами для синтеза замещенных циклопентадиенов из органических галогенидов. [14]
Из-за своей высокой реакционной способности магнецен является привлекательной мишенью для исследований полупроводников в качестве исходного материала для химического осаждения из паровой фазы и легирования . [18] [19]
Магнеоцен также исследовался на предмет его потенциального использования в качестве электролита в магниево-ионных батареях следующего поколения. [2]