165890 (Комплексные соединения)

Комплексные соединения

ВВЕДЕНИЕ

Комплексные соединения (лат. complexus — сочетание, обхват) или, другими словами, координационные соединения — это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному иону (или атому), называемому комплексообразователем (центральным атомом или металлоцентром; в современной научной литературе доминирует термин «металлоцентр»), нейтральных молекул или других ионов, называемых лимандами.

Комплексные соединения мало диссоциируют в растворе (в отличие от двойных солей). Комплексные соединения могут содержать комплексный малодиссоциирующий анион ([Fe(CN)₆]³⁻), комплексный катион ([Ag(NH₃)₂]⁺) либо вообще не диссоциировать на ионы (соединения типа неэлектролитов, например карбониты металлов). Комплексные соединения разнообразны и многочисленны.

Применяются в химическом анализе, в технологии при получении ряда металлов (золота, серебра, металлов платиновой группы и др.), для разделения смесей элементов, например, лантаноидов.

Огромная область применения комплексов переходных металлов — каталитические процессы.

Комплексные соединения играют большую роль в жизнедеятельности организмов; например, гемоглобин, хлорофилл являются комплексными соединениями.

Комплексные (координационные) соединения чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе, применяются в промышленности, сельском хозяйстве, науке, медицине. Так, хлорофилл - это комплексное соединение магния с порфиритами, гемоглобин содержит комплекс железа(II) с порфиритовыми циклами. Многочисленные минералы, как правило, представляют собой координационные соединения металлов. Значительное число лекарственных препаратов содержит комплексы металлов в качестве фармакологически активных веществ, например инсулин (комплекс цинка), витамин B12 (комплекс кобальта), платинол (комплекс платины) и т.д. В широком смысле слова почти все соединения металлов можно считать комплексными соединениями. Основателем координационной теории комплексных соединений является швейцарский химик Альфред Вернер (1866 - 1919); за работы в этой области ему в 1913 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОВ

Комплексные соединения образуют как металлы, так и неметаллы. В дальнейшем мы будем рассматривать в основном комплексные (координационные) соединения металлов. Комплексное соединение (сокращенно - комплекс) состоит из центрального атома металла-комплексообразователя M (здесь не указан его заряд), с которым связаны лиманды L (старое название - адденды). Атом M и лиманды L образуют внутреннюю сферу комплекса (или внутреннюю координационную сферу). Внутренняя координационная сфера обычно при написании формулы соединения заключается в квадратные скобки. Лимандами могут быть нейтральные молекулы (обычно основного характера), отрицательно заряженные анионы (ацидогруппы). Простые положительно заряженные катионы в роли лимандов не выступают. Если внутренняя сфера комплекса несет отрицательный или положительный заряд, то для компенсации этого заряда (поскольку все индивидуальные соединения электронейтральны) необходимы ионы, образующие внешнюю сферу. Во внешней сфере могут находиться не только ионы, но и нейтральные молекулы, очень часто - молекулы воды.

Примеры

1. Рассмотрим комплекс состава K4 [Fe(CN)6 ] "

" 3H2O - тригидрат гексацианоферрата(II) калия (ферроцианид калия, желтая кровяная соль). Здесь в роли центрального атома металла-комплексообразователя выступает железо(II), в роли лимандов - шесть одинаковых цианогрупп CN-. Вместе атом железа(II) и шесть цианогрупп образуют внутреннюю координационную сферу комплекса, что в написанной выше химической формуле соединения обозначено квадратными скобками. Во внешней сфере в данном случае находятся четыре катиона калия K+ (они компенсируют отрицательный заряд внутренней сферы [Fe(CN)6 ]4-) и три молекулы воды.

2. Рассмотрим теперь комплексы платины(II) состава транс-[Pt(NH3)2Cl2], [Pt(NH3 )4 ]Cl2 и K2 [PtCl4]. В первом комплексе внешняя сфера отсутствует, поскольку внутренняя координационная сфера электронейтральна. У второго комплекса во внешней сфере имеются два хлорид-иона Cl-, так как внутренняя сфера комплекса [Pt(NH3 )4 ]2 + несет положительный заряд, равный + 2. В третьем комплексе во внешней сфере находятся два катиона калия K+, поскольку внутренняя сфера [PtCl4 ]2 - несет отрицательный заряд.

Иногда в роли внешней сферы одного комплекса выступает внутренняя сфера другого комплекса, например, в соединениях состава

[Pt(NH3)4][PtCl4 ],

[Co(NH3)6][Cr(CN)6],

[Co(NH3 )5NO2 ][Co(NH3 )2(NO2 )4 ]2 и т.д.

Нейтральные молекулы (но не ионы!), находящиеся во внешней сфере, называют (за исключением молекул воды или другого растворителя) клатратными молекулами, а сами такие соединения - клатратными соединениями (соединениями-включениями).

Пример

В комплексе никеля(II) состава NiI2 " 10A, где A - молекула карбамида (мочевины) OC(NH2)2 , на один атом никеля приходятся десять молекул карбамида, однако только шесть из них входят во внутреннюю сферу комплекса; четыре остальные молекулы карбамида и два йодид-иона I- образуют внешнюю сферу. Эти четыре молекулы карбамида являются клатратными молекулами. Состав комплекса в целом можно представить следующим образом: [NiA6]I2 " 4A.

Заметим, что иногда клатратные соединения рассматривают по-иному.

Лиманд L образует с металлом-комплексообразователем M координационную связь различной химической природы (ионная, ковалентная, полярная; по происхождению - донорно-акцепторная, дативная или иной природы). Координационная связь может быть ординарной (одинарной), двойной, тройной. В комплексных соединениях, содержащих во внутренней сфере два атома металла-комплексообразователя, возможно в некоторых случаях существование и четверной связи (одна s-связь, две p-связи и одна d-связь), например, между двумя атомами рения в комплексе [Re2Cl8 ]2- :

[Cl4Re ReCl4]2 -.

Это явление объясняется участием в связях валентных d- и даже f-электронов, что невозможно для обычных органических соединений со связями углерод-углерод (только одинарная, двойная или тройная связь).

В дальнейшем координационную связь металл-нейтральный лиманд мы будем обозначать стрелкой, направленной от лиманда к металлу: M L, например, Ag NH3 , Co H2O, Pt P(CH3)3 и т.д. Координационную связь металл-ацидогруппа будем обозначать чертой (без указания или с указанием зарядов): M-L, например, Fe-CN, Ag-S2O3 , Sbv-Cl и т.д.

Заметим, что иногда под координационной связью подразумевают только донорно-акцепторную связь ML. Подобные терминологические разночтения обычно не приводят к недоразумениям, если ясно, о чем идет речь.

Координационное число центрального атома M - это число координационных связей, образуемых атомом металла-комплексообразователя с лимандами. Координационное число может иметь значения 2; 3; 4; 5; 6 и т.д. вплоть до 12 (например, для некоторых соединений редкоземельных металлов). Наиболее часто встречаются координационные числа 2; 4; 6; координационные числа выше 8 встречаются намного реже.

Примеры

1. Координационное число 2:

[NH3 AgINH3 ]+, [Cl-CuI-Cl]-.

2. Координационное число 4:

и т.д.

Число координационных связей, образуемых одним и тем же лимандом с одним атомом металла-комплексообразователя, называется дентатностью лиманда (старое название - координационная емкость). Лиманды могут быть монодентатными и полидентатными (би-, три-, тетра-, пента-, гексадентатными).

К монодентатным лимандам относятся F-, Cl-, Br-, I-, H-, CN-, RNH2 , NH3 , H2O и т.д. Они образуют только одну координационную связь (если исключить из рассмотрения возможность образования мостиковых связей между двумя атомами металла). Такие связи осуществляются, например, в следующих комплексах квадратного строения:

Бидентатные лиманды функционируют, например, в комплексах [CoEn2CO3 ]- октаэдрического строения и [Pt(C2O4)2]2 - квадратной конфигурации (En - сокращенное обозначение молекулы этилендиамина NH2-CH2-CH2-NH2):

Здесь каждая из двух молекул этилендиамина реализует бидентатную координацию в металлоцикле.

К тридентатным лимандам относится, например, триаминопропан NH2CH2 -CHNH2 -CH2NH2 в комплексе

В роли гексадентатного лиманда может выступать, например, анион этилендиаминтетрауксусной кислоты:

Полидентатные лиманды не обязательно должны реализовать свою максимальную дентатность; они могут занимать и меньшее число координационных мест во внутренней сфере комплекса.

Иногда понятия координационного числа центрального атома M или дентатности лиманда формально становятся неопределенными, например, в ферроцене Fe(C5H5)2 - ди-p-циклопентадиенилжелезе, в дибензолхроме Cr(C6H6)2 :

Здесь атом металла (железа или хрома) связан не с каким-то определенным донорным атомом лиманда, а целиком со всем лимандом - циклопентадиенилом C5H5 (однократно депротонированным оcтатком молекулы циклопентадиена C5H6) или молекулой бензола. Соединения подобного типа называют p-комплексами, или ароматическими комплексами металлов (если лиманд - ароматическое соединение; понятие "p-комплекс" - более широкое, чем понятие "ароматический комплекс").

Комплексные соединения могут быть катионного типа, анионного типа и комплексами-неэлектролитами.

Внутренняя сфера комплексов катионного типа несет положительный заряд, например: [Ag(NH3)2]+, [Cu(NH3)4]2 +, [PtEn2]2 +, [Co(NCS)2En2]+ и т.д.

Внутренняя сфера комплексов анионного типа несет отрицательный заряд, например, [Ag(S2O3)2]3 -, [Sb(OH)6]-, [Co(NO2)6]3 -, [HgI4]2 -, [Pt(SCN)4]2 -, [PtVF6]- и т.д.

Внутренняя сфера комплексов-неэлектролитов не несет никакого электрического заряда, например: [Pt(NH3)2Cl2], [Ni(ДМГ)2], где ДМГ - молекула диметилглиоксима (H3C-C=NOH)2 , [Pt(NH3)2Cl4], [ZnL2], где L - молекула 8-оксихинолина, и т.д.

Если комплекс содержит только один атом металла-комплексообразователя, то он называется одноядерным (моноядерным); если он содержит два или более атомов центрального металла, то он называется многоядерным или полиядерным (биядерным, триядерным и т.д.). Так, например, комплекс палладия(II) [PdCl4]2 -, имеющий только один центральный атом - атом палладия(II), является одноядерным, а комплекс платины(II) [Pt2(NH3)2Cl2], содержащий два атома платины(II), - биядерным.

Если полиядерные комплексы содержат атомы металла одинаковой химической природы, то они называются гомометаллическими; если же в полиядерном комплексе имеются атомы металла-комплексообразователя разной химической природы, то такие комплексы называются гетерометаллическими. Так, из двух биядерных комплексов

первый является гомометаллическим (оба центральных атома - атомы платины(II), а второй - гетерометаллическим (содержит один атом платины и один атом палладия).

Если лиманд связан в полиядерном комплексе одновременно с двумя или даже с тремя атомами металла, то такой лиманд называется мостиковым лимандом, как, например, два хлоролиманда и два бромолиманда в вышеуказанных биядерных комплексах. В многоядерных комплексах могут осуществляться также связи металл-металл. Если связей металл-металл достаточно много (обычно - больше трех), то такие комплексы называют "кластерными соединениями" или просто "кластерами" (слово "кластер" в переводе на русский язык означает "рой", "скопление").

Координационная связь металл-лиманд, как уже отмечалось, может быть одинарной, двойной, тройной (и даже четверной связью металл-металл в некоторых комплексах). Так, в тетрааммиачном комплексе меди(II) [Cu(NH3)4]2 + имеются четыре полярные ковалентные ординарные координационные связи, донорно-акцепторные по происхождению:

CuIINH3.

Каждая такая координационная связь медь(II)-аммиак образуетcя за счет оттягивания "свободной" электронной пары от атома азота молекулы аммиака на пустую атомную орбиталь меди(II), что в записи химической формулы обозначается стрелкой, направленной от донора к акцептору. Донором электронной пары, таким образом, является молекула аммиака, акцептором электронной пары - медь(II). В результате обобществления электронных пар и образуются четыре координационные связи медь(II)-аммиак.

В комплексном ферроцианид-ионе [Fe(CN)6]4 - имеются шесть координационных связей железо(II)-цианогруппа, которые условно можно обозначить следующим образом:

FeIICN-.

Эти координационные связи - двойные ковалентные (полярные), состоящие из одного донорно-акцепторного s-компонента и одного дативного p-компонента.

Механизм образования таких связей в качественной форме можно представить следующим образом. Цианид-ион CN- имеет "свободную" электронную пару, которая оттягивается при комплексообразовании к атому железа(II), в результате чего возникает s-донорно-акцепторная (от лиманда к металлу) составляющая координационной связи. С другой стороны, атом железа(II) с d-электронной конфигурацией 3d 6 может донировать свои d-электроны на пустую разрыхляющую молекулярную p-орбиталь цианогруппы, в результате чего возникает p-дативная (от металла к лиманду) составляющая координационной связи. В итоге обобществления электронов как лимандов (цианогрупп), так и металла-комплексообразователя (железа(II)) возникает двойная ковалентная полярная координационная связь железо(II)-цианогруппа. Вследствие всех этих перераспределений электронной плотности в шести координационных связях железо(II)-цианогруппа положительный заряд на атоме железа(II) уже не равен двум, а отрицательный заряд на цианогруппе также уже не равен минус единице. Другими словами, в действительности в ферроцианид-ионе [Fe(CN)6]4 - нет ни катиона Fe2 +, ни анионов CN-, а существует устойчивая группировка связанных между собой металла-комплексообразователя и лимандов.

Аналогичная картина характерна и для большинства других комплексов металлов, в которых многозарядные катионы металлов в действительности не существуют, поскольку комплекс состоит не из "чистых" ионов, а из центрального атома металла и лимандов, обобществивших свои электроны. Поэтому, говоря о координационных соединениях металлов, правильнее называть металл-комплексообразователь не ионом, а указывать его состояние (степень) окисления, например: железо(II), а не ион Fe2 +, серебро(I), а не катион Ag+, олово(IV), а не катион Sn4 +, висмут(III), а не ион Bi3 +, и т.д. Также предпочтительно называть формально отрицательно заряженные лиманды, находящиеся во внутренней сфере комплекса, не анионами (ионами), а соответствующими ацидогруппами, например: цианогруппа, а не цианид-ион CN-, нитрогруппа, а не нитрит-ион, и т.д.

Отметим, что сказанное относится к частицам внутренней координационной сферы. Во внешней же сфере присутствуют катионы и анионы с зарядами, соответствующими их ионному состоянию. Например, в комплексе K4[Fe(CN)6] во внешней сфере имеются четыре катиона калия K+ ; во внешней сфере комплекса [Ag(NH3)2]Cl находится хлорид-анион Cl- и т.д.

Вышеприведенное краткое рассмотрение природы координационных связей в рамках метода валентных связей является упрощенным и лишь в качественной форме отражает реальную картину. В настоящее время наиболее распространенными являются три подхода к пониманию природы химической связи в координационных соединениях металлов: теория кристаллического поля, метод валентных связей и теория (метод) молекулярных орбиталей. Наиболее строгую картину можно получить с помощью метода молекулярных орбиталей.

Геометрическая конфигурация строения внутренней сферы комплексов бывает различной: линейная, треугольная, квадратная, тетраэдрическая, октаэдрическая, пирамидальная, бипирамидальная и т.д., в зависимости от природы центрального атома металла, лимандов, внешнесферного окружения. Структура комплексов экспериментально обычно устанавливается рентгеноструктурным и спектральными методами.