Кіріспе
Өтпелі металдардың химиялық қасиеті 18 электрон ережесі - негізінен тұрақты өтпелі металл кешендері, әсіресе органометалл қосылыстары үшін формулаларды болжау және рационализациялау үшін қолданылатын химиялық ереже. Бұл ереже өтпелі металдардың электрондық конфигурациясындағы валенттілік орбиталдары бес (n-1) d орбиталынан, бір ns орбиталынан және үш np орбиталынан тұрады, мұндағы n - негізгі кванттық сан. Бұл орбитальдар 18 электронды біріктіруші немесе біріктірмейтін электрондық жұптар ретінде орналастыра алады. Бұл осы тоғыз атом орбиталдарының лиганд орбиталдарымен бірігуі металл лиганд байланысы немесе байланысы жоқ тоғыз молекулалық орбиталды құрайды дегенді білдіреді. Металл кешенінде 18 валентті электрон болса, ол сол кезеңдегі асыл газ сияқты электрондық конфигурацияға ие болады, бұл кешенге тұрақтылық береді. Ережеден ауытқушы өтпелі металл кешендері көбінесе қызықты немесе пайдалы, өйткені олар көбірек реактивті болады. Бұл ереже өтпелі металдар емес металдар кешендері үшін пайдалы емес. Бұл ережені алғаш рет 1921 жылы американдық химик Ирвинг Лангмюр ұсынған.
The 18 electron rule is a chemical rule of thumb used primarily for predicting and rationalizing formulas for stable transition metal complexes, especially organometallic compounds. The rule is based on the fact that the valence orbitals in the electron configuration of transition metals consist of five (n−1)d orbitals, one ns orbital, and three np orbitals, where n is the principal quantum number. These orbitals can collectively accommodate 18 electrons as either bonding or non bonding electron pairs. This means that the combination of these nine atomic orbitals with ligand orbitals creates nine molecular orbitals that are either metal ligand bonding or non bonding. When a metal complex has 18 valence electrons, it is said to have achieved the same electron configuration as the noble gas in the period, lending stability to the complex. Transition metal complexes that deviate from the rule are often interesting or useful because they tend to be more reactive. The rule is not helpful for complexes of metals that are not transition metals. The rule was first proposed by American chemist Irving Langmuir in 1921.
Қолданылуы
Бұл ереже Cr, Mn, Fe және Co триадаларының төмен спиндік кешендерінің формулаларын пайдалы түрде болжайды. Белгілі мысалдарға ферроцен, темір пентакарбонил, хром карбонил және никель карбонил жатады. Комплекстегі лигандтар 18 электрон ережесін қолдануды анықтайды. Жалпы, ережеге бағынатын кешендер кем дегенде ішінара π акцептор лигандтарынан (пи қышқылдары деп те аталады) тұрады. Лигандтың бұл түрі өте күшті лиганд өрісін пайда етеді, ол молекулалық орбитальдардың энергиясын төмендетеді, сондықтан олар қолайлы түрде орналасады. Типтік лигандтарға олефиндер, фосфиндер және СО жатады. Окистену күйі мен лигандтардың табиғаты арасындағы байланыс π кері байланысы аясында рационалданады.
Реактивтілікке әсері
18 электрон ережесіне бағынатын қосылыстар әдетте "алмасу инертті" болады. Мысалдарға [Co(NH3) 6) Cl3, Mo ((CO) 6) және [Fe ((CN) 6) 4− жатады. Мұндай жағдайларда лигандтар алмасу диссоциативтік алмасу механизмдері арқылы жүреді, онда реакция жылдамдығы лигандтың диссоциация жылдамдығымен анықталады. Екінші жағынан, 18 электронды қосылыстар протондар сияқты электрофильдерге өте реактивті болуы мүмкін, ал мұндай реакциялар механизмде ассоциативті, қышқылдық-негіздік реакциялар болып табылады. 18 валентті электронынан аз кешендер реактивтілігін арттырады. Осылайша, 18 электрон ережесі көбінесе стехиометриялық немесе каталитикалық мағынада реактивтіліктің болмауы үшін рецепт болып табылады.
Дуодект ережесі
Есептеу нәтижелері металдың валентті р орбиталдары металл лиганд байланысына қатысатынын көрсетеді, бірақ әлсіз. Алайда, Вайнхольд пен Ландис табиғи байланыс орбиталдары аясында металл лиганд байланысындағы металл р орбиталдарын есептемейді, дегенмен бұл орбитальдар әлі де поляризациялық функциялар ретінде кіреді. Бұл 5 d орбиталы мен 1 s орбиталы үшін дуодект (12 электрон) ережесіне әкеледі. Жалпы химиялық қоғамдастықтағы қазіргі консенсус - негізгі топ элементтері үшін бірегей октет ережесінен айырмашылығы, өтпелі металдар 12 электронды немесе 18 электронды ережеге қатаң бағынбайды, бірақ ережелер сәйкесінше валентті электронды санақтың төменгі және жоғарғы шекарасын сипаттайды. Осылайша, өтпелі металдың d орбиталы мен s орбиталы байланысуы тез пайда болса, байланысудағы жоғары энергия мен кеңістіктегі диффузиялық p орбиталдарының қатысуы орталық атом мен үйлестіру ортасына байланысты.
Ерекшеліктер
Металл орбиталдарымен кішігірім өзара әрекеттесуі бар π донор немесе σ донор лигандтары t2g орбиталдарының энергиясын арттыратын әлсіз лиганд өрісіне әкеледі. Бұл молекулалық орбитальдар байланыспайтын немесе әлсіз антибайланысты орбитальдарға айналады (кіші Δoct). Сондықтан, электронды қосу немесе алып тастау кешендік тұрақтылыққа әсері аз. Бұл жағдайда d электрондарының саны бойынша шектеу жоқ және 1222 электроны бар кешендер болуы мүмкін. Кішкентай Δoct толтыруды мүмкін етеді eg* (> 18 e−) және π донор лиганды t2g антибайланысты жасай алады (< 18 e−). Лигандтардың бұл түрлері спектрлік химиялық тізбектің төменгі және орта бөлігінде орналасқан. Мысалы: [TiF6]2− (Ti(IV), d0, 12 e−), [Co(NH3) 6) 3+ (Co(III), d6, 18 e−), [Cu(OH2) 6) 2+ (Cu(II), d9, 21 e−). Металл иондары бойынша Δoct тобын төмендетеді, сондай-ақ тотығу саны артады. Қатты лиганд өрістері төмен спиндік кешендерге әкеледі, бұл 18 электрон ережесінен кейбір ерекшеліктерге әкеледі.
16 электронды кешендер
18e ережесін бұзатын маңызды кешендер класы - металл d8 конфигурациялы 16 электронды кешендер. Барлық жоғары спинді d8 металл иондары октаэдрлі (немесе тетраэдрлі), бірақ төмен спинді d8 металл иондары барлық шаршы жазықтықта болады. Квадраттық жазықтық төмен спинді d8 металл иондарының маңызды мысалдары: Rh ((I), Ir ((I), Ni ((II), Pd ((II) және Pt ((II). Төмендегі суретте d субқабығының төменгі спинді квадраттық жазық кешендерге бөлінуі көрсетілген. Мысалылар кобальт пен никель триадаларының туындылары үшін ерекше таралған. Мұндай қосылыстар әдетте шаршы жазықтықта болады. Ең танымал мысал - Васканың кешені (IrCl (((CO) ((PPh3) 2), [PtCl4]2−, және Zeise тұзы [PtCl3 (((η2 C2H4) ]−. Мұндай кешендерде dz2 орбиталы екі есе орналасқан және байланыспайды. Көптеген каталитикалық циклдар 18 электронды және квадратты жазықтық 16 электронды конфигурациялардың арасында ауыспалы түрде жұмыс істейтін кешендер арқылы жұмыс істейді. Мысалға Монсантоның сірке қышқылы синтезін, гидрогенизацияларын, гидроформализацияларын, олефин изомеризацияларын және кейбір алкен полимеризацияларын жатқызуға болады. Басқа бұзушылықтарды металл ортасындағы лигандтардың түрлеріне сәйкес жіктеуге болады.
π-донор лигандтар
Координациялық атомның байланыспайтын жалғыз жұптарын алып жүретін лигандтар жиі қанықпаған кешендерді тұрақтандырады. Металл амидтері мен алкоксидтері жиі 18-е ережені бұзады