十一章 配合物结构.ppt

第十一章 配合物结构 熟悉配合物价键理论的基本要点、配合物的几何构型与中心离子杂化轨道的关系 了解内轨型、外轨型配合物的概念、中心离子价电子排布与配离子稳定性、磁性的关系 第一节 配合物的空间构型与磁性 1－1 配合物的空间结构 通过X射线对配合物晶体的衍射实验，发现配体在中心原子(离子)周围的排列不是任意的堆积，而是按一定的方式相结合，形成不同空间的结构配体的数目不同，空间结构也不同 如果知道了中心离子的配位数，则可以判断配合单元(即配合物)的空间结构现举以下几种为例 ● 配位数为2者空间结构为直线型(图11-1a) ，例如[Ag(NH3)2]+、[Cu(CN)2]-、[Cu(NH3)2]+、[Ag(CN)2]—等 空间构型 直线形● 配位数为3者空间结构为平面三角形(图11-1b)，如[Cu(CN)3]-等 空间构型 三角形● 配位数为4者有两种结构形态：一种空间结构为平面正方形(图11-1c)， 如[Pt(NH3)2Cl2]、[Cu(NH3)4]2+、[PtCl4]2-、[Ni(CN)4]2-等 空间构型 平面正方形 另一种空间结构为四面体(图11-1d)，如[ZnCl4]2-、[Ni(NH3)4]2+ 、[Cd(CN)4]2-等 空间构型 四面体● 配位数为5者也有两种结构形态：一种空间结构为三角双锥体(图11-1e)，如Fe(CO)5、[CuCl5]3-、[Ni(CN)5]2-等(此类较为少见) 空间构型 三角双锥另一种空间结构为正方锥体(图11-1f)，如[TiF5]2-、[SbF5]2-、[Ni(CN)5]3-等(此类很少见) 空间构型 四方锥● 配位数为6者空间结构为正八面体(图11-z)，例如[Fe(CN)6]3-、[A1F6]3-、[PtCl6]2-、[Co(NH3)6]3+、[SiF6]2-等(此类最多) 空间构型 正八面体图11-1 不同配位数的配离子的空间结构示意图1－2 配合物的异构现象 凡具有相同的化学式而分子中原子的排列不同的化合物，均称为异构体(isomer)。

在配合物中异构现象极为普遍一般可分为结构异构(structural isomerism)和空间异构(spatial isomerism) ● 结构异构例如[CoSO4(NH3)5]Br(红色)和[CoBr(NH3)5]SO4(紫色)，在这两种配合物中，SO42-和Br-在内界和外界的分配恰好相反前者加AgNO3可得AgBr沉淀，后者加BaCl2可得BaSO4沉淀又例如[Cr(H2O)6]Cl3(紫色)、[CrCl(H2O)5]Cl2·H2O(亮绿色)和[CrCl2(H2O)4]Cl·2H2O(暗绿色)，内界中的H2O分子数依次减少 ● 空间异构这是由于中心离子外的配体在空间的排布不同而产生的异构现象 例如[PtCl2(NH3)2]是平面四边形（图11-2），其空间构型有两种：顺式(cis)是指同种配位体处于相邻的位置，反式(trans)是指同种配位体处于相反的位置它们的性质不同 顺式异构体 反式异构体 图11-2 [PtCl2(NH3)2]的空间异构顺式[PtCl2(NH3)2]是橙黄色，反式[PtCl2(NH3)2]是亮黄色前者的溶解度大于后者约7倍(298K时)。

前者稳定性差，当加热到443 K时，顺式转变为反式，它们的偶极矩也不相同又如［Pt(NH3)4Cl2］，其空间结构为(图11-3)顺式 反式图11-3 ［Pt(NH3)4Cl2］空间结构 顺式和反式[Pt(NH3)4Cl2]，有时简称为顺铂(cis-platin)和反铂(trans-platin)它们非但有不同的物理和化学性质，而且具有不同的生理活性 人们已经发现顺铂对癌症有治疗效果，而反铂则不具有此种性质其原因很可能是它们与人体内的DNA(脱氧核糖核酸，deoxyribonucleic acid的缩写)的反应机理有所不同前者能干扰DNA的复制，阻止癌细胞的再生 以上都是从几何结构的角度来看配合物的空间构型空间的异构体除了几何异构体外，还有一种是旋光异构体 (rotatory isomer)，有左旋和右旋之分 它们是手性的(chirality)它们的结构就像人的左右手一 样，互成镜像(即右手在镜子中的形象就是左手，左手在镜 子中的形象就是右手，而左右手是不能叠合的，再好的医 生也不能把右手接肢到左手的位置上) 两种分子具有镜像对称而不能叠合的这种性质称为手征 性(chiral)。

分子的手征性是具有旋光的必要条件例如 [PtBr2Cl(NH3)2H2O]的两个旋光异构体在镜面上互成镜像 ，却不能叠合 镜 面 具有旋光异构的配合物能使平面偏振光发生方向相反的偏 转向左偏转者称为左旋体，用“l”表示，向右偏转者称为右 旋体，用“d”表示等量左旋体和右旋体的混合物互相抵消， 而不具有旋光性，称为外消旋混合物(racemic mixture)旋光异构现象对人类有密切的关系多数天然产物具有旋 光性例如烟草中，天然尼古丁是左旋的，有很大的毒性 而人工合成的尼古丁毒性很小显然它们的生理作用有很大 的区别又如二羟基苯基—1—丙氨酸其左旋体可作为药物， 是治疗震颤性麻痹症的特效药，而其右旋体则毫无药效许 多细菌也只对某一化合物的某一种旋光异构体发生作用 这种专一性的原因正是化学家研究的对象化学家也正在 寻求各种有效的方法，把d-，l-型旋光异构体分开，或者寻找 “不对称”合成方法，只合成某一种指定的旋光异构体，以进 一步研究它们的特性 第二节 价键理论配合物中的化学键，是指配位个体中配体与形成体之间 的化学键阐明这种键的理论有价键理论、晶体场理论、 配位场理论和分子轨道理论 2－1 价键理论 1931年Pauling在前人工作的基础上把杂化轨道理论 应用于研究配合物，后经他人修正补充，形成近代配合 物价键理论。

该理论的基本要点是：形成配合物时，形 成体(M)的某些价层原子轨道在配体(L)作用下进行杂化， 用空的杂化轨道接受配体提供的孤电子对，以σ配位键 (M←׃L)的方式结合 从近代结构理论的观点来说，亦即形成体的杂化轨道 与配位原子的某个孤电子对原子轨道相互重叠，形成配 位键因而，配合物是由形成体与配体以配位键结合而 成的复杂化合物 1. 配合物的几何构型和配位键 (1)几何构型 由于形成体的杂化轨道都具有一定的方向 性，所以配合物具有一定的几何构型，如表11.1所示配 位 数杂化类 型几何构型实 例2sp直线形［Ag(CN)2］+ 、［CuCl2］－3sp2平面三角 形［CuCl3］2-、 ［HgI3］- 4 sp3正四面体［Ni(CN)4］2- 、［CoCl4］2- 、 ［HgI4］2-、 [Zn(NH3)4]2+dsp2正方形[Ni(CN)4]2-、 [Cu(NH3)4]2+、 [PtCl2(NH3)2]、 [Cu(CN)4]2- 5dsp3三角双锥 形[Fe(CO)5]、 [Co(CN)5]3-d2sp2四方锥形[SbF5]2—、 [Ni(CN)5]3— 6sp3d2八面体形[Fe(H2O)6]3+、 [CoF6]3-d2sp3[Fe(CN)6]3-、 [Co(NH3)6]3+表11.1 轨道杂化与配合物的几何构型 例如，Fe3+的价层电子结构为当Fe3+与6个F-结合为[FeF6]3-时，由于F-的作用，Fe3+ 的1个4s、3个4p和2个4d轨道进行杂化，组成6个sp3d2杂 化轨道，接受6个F-提供的6对孤电子对而形成6个配位键 。

所以[FeF6]3*的几何构型为正八面体形：而当Fe3+与6个CN-结合为[Fe(CN)6]3-时，由于配体CN- 的作用，导致Fe3+的价层电子结构重排，原有的5个未成 对电子中有4个配成两对，空出的2个3d轨道与1个4s、3 个4p轨道组成6个d2sp3杂化轨道，接受6个CN-中C原子 提供的6对孤电子对而形成6个配位键所以[ Fe (CN)6]3- 的几何构型为正八面体形： (2)配合物中配位键的类型 形成体杂化轨道类型不仅 决定配位个体的几何构型，而且决定其配位键的类型(H ．Taube提出分为内轨和外轨配键) 若形成体全以最外层轨道(ns、np、nd)杂化成键的， 所成的配键称为外轨配键，对应的配合物称为外轨型配 合物，如[FeF6]3-、[Ni(NH3)6]3+等若形成体还使用了次 外层轨道[(n-1)d、ns、np]杂化成键的，所成的配键称为 内轨配键，对应的配合物称为内轨型配合物，如 [Fe(CN)6]3-、[Co(NH3)6]3+等 配合物是内轨型还是外轨型，主要取决于中心离子的 电子构型，离子所带的电荷和配位原子的电负性大小 具有d10构型的离子，只能用外层轨道形成外轨型配合物 ；具有d8构型的离子如Ni2+、Pt2+、Pd2+等，在大多数情 况下形成内轨型配合物；具有d4~d7构型的离子，既可形 成内轨型，也可形成外轨型配合物 中心离子的电荷增多有利于形成内轨型配合物。

因为中 心离子的电荷较多时，它对配位原子的孤电子对引力增强 ，利于以其内层d轨道参与成键例如[Co(NH3)6]2+为外 轨型，而[Co(NH3)6]3+为内轨型 电负性大的原子如F、O等，与电负性较小的C原子比较 ，通常不易提供孤电子对，它们作为配位原子时，中心离 子以外层轨道与之成键，因而形成外轨型配合物C原子 作为配位原子时(如在CN-中)则常形成内轨型配合物 2. 配合物的稳定性、磁性与键型的关系 由前面讨论可知，以sp3d2或sp3杂化轨道成键的配合物为 外轨型而以(n-1)d2sp3或(n-1)dsp2杂化轨道成键的配合物 为内轨型 对于相同中心离子，由于sp3d2杂化轨道能量比(n- 1)d2sp3杂化轨道能量高；sp3杂化轨道能量比(n-1)dsp2 杂化轨道能量高，当形成相同配位数的配离子时，如 [FeF6]3-和[Fe(CN)6]3-；[Ni(NH3)4]2+和[Ni(CN)4]2-其稳定 性是不同的，一般内轨型比外轨型稳定 价键理论不仅成功地说明了配合物的几何构型和某些 化学性质，而且也能根据配合物中未成对电子数的多少 较好地解释配合物的磁性 物质的磁性与组成物质的原子、分子或离子中电子自旋 运动有关。

如果物质中正自旋电子数和反自旋电子数相等( 即电子皆已成对)，电子自旋所产生的磁效应相互抵消，该 物质就表现为反磁性而当物质中正、反自旋电子数不等 时(即有成单电子)，总磁效应不能互相抵消，整个原子或 分子就具有顺磁性 所以，物质的磁性强弱(用磁矩μ表示)与物质内部未成对 的电子数多少有关根 据磁学理论，μ与未成对电子数(n) 之间存在如下关系： μ＝式中，μ的单位为波尔磁子，符号为Ḅ.M．根据上式可估算出未成对电子数n＝1～5的μ理论值 反之，测定配合物的磁矩，也可以了解中心离子未成 对电子数，从而可以确定该配合物的磁性(μ0的具有顺 磁性，μ＝0的具有反磁性)以及是内轨型还是外轨型的 例如，Fe3+中有5个未成对d电子，根据μ理＝ 可 估算出Fe3+的磁矩理论值为 μ理＝5.92 B．M． 实验测得[FeF6]3-的磁矩为5.90 B．M．在[FeF6]3-中，Fe3+仍保留有5个未成对电子，以sp3d2杂 化轨道与配原子(F)形成外轨配键，则[FeF6]3-属外轨型 而由实验测得[Fe(CN)6]3-的磁矩为2.0 B．M·，此数值与 具有一个未成对电子的磁矩理论值1.73 B．M．较接近， 表明在成键过程中，中心离子的未成对d电子数减少，d电 子重新分布，腾出2个空d轨道，而以d2sp3杂化轨道与配 位原子(C)形成内轨配键，所以[Fe(CN)6]3-属内轨型。

又如配位数为4的配离子[Ni(NH3)4]2+和[。