Введение

Химическое свойство переходных металлов Правило 18 электронов - это химическое правило, используемое в первую очередь для прогнозирования и рационализации формул для стабильных переходных металлов, особенно органометаллических соединений. Правило основано на том, что валентные орбиталы в электронной конфигурации переходных металлов состоят из пяти (n-1) d орбиталов, одного ns орбитала и трех np орбиталов, где n является основным квантовым числом. Эти орбиталы могут совместно вмещать 18 электронов как связывающие, так и не связывающие пары электронов. Это означает, что комбинация этих девяти атомных орбиталей с лигандными орбиталями создает девять молекулярных орбиталей, которые связываются или не связываются с металлическими лигандами. Когда металл имеет 18 валентных электронов, он достиг той же электронной конфигурации, что и благородный газ в период, что придает стабильность комплексу. Комплексы переходных металлов, которые отклоняются от правила, часто интересны или полезны, потому что они, как правило, более реактивны. Это правило не помогает для комплексов металлов, которые не являются переходными металлами. Это правило было впервые предложено американским химиком Ирвином Лангмуиром в 1921 году.

Применимость

Правило полезно предсказывает формулы для низкоспиновых комплексов триад Cr, Mn, Fe и Co. Известные примеры включают ферроцен, железопентакарбонил, хромкарбонил и никелькарбонил. Лиганды в комплексе определяют применимость правила 18 электронов. В целом, комплексы, которые подчиняются правилу, состоят по крайней мере частично из лигандов-приемников π (также известных как кислоты π). Этот вид лиганда оказывает очень сильное лигандное поле, которое снижает энергии полученных молекулярных орбиталей, чтобы они были благоприятно заняты. Типичные лиганды включают олефины, фосфины и СО. Комплексы π-кислот обычно имеют металл в низком окислительном состоянии. Отношение между окислительным состоянием и природой лигандов рационализируется в рамках обратной связи π.

Последствия для реактивности

Соединения, которые подчиняются правилу 18 электронов, как правило, являются "обменными инертными". Примерами являются [Co(NH3) 6) Cl3, Mo(CO) 6 и [Fe(CN) 6) 4−. В таких случаях обмен лигандами происходит через механизмы диссоциативной замещения, при этом скорость реакции определяется скоростью диссоциации лиганда. С другой стороны, 18 электронных соединений могут быть высоко реактивными по отношению к электрофилам, таким как протоны, и такие реакции ассоциативны в механизме, являясь кислотно-основными реакциями. Комплексы с менее чем 18 валентными электронами, как правило, проявляют повышенную реактивность. Таким образом, правило 18 электронов часто является рецептом нереактивности в стехиометрическом или каталитическом смысле.

Правило дуодектта

Вычислительные результаты показывают, что валентные p-орбиталы на металле участвуют в связях металлических лигандов, хотя и слабо. Однако Вайнхольд и Ландис в контексте естественных орбиталей связи не учитывают металлические орбиталы p в связях металлических лигандов, хотя эти орбиталы все еще включены в качестве функций поляризации. Это приводит к правилу дуодектета (12 электронов) для пяти орбиталей d и только одной орбитальной s. В настоящее время в общей химии принято считать, что в отличие от правила октата для основных элементов группы, переходные металлы не строго подчиняются правилу 12 или 18 электронов, но правила описывают нижнюю и верхнюю границы валентного электронного счета соответственно. Таким образом, в то время как орбитальные связи d и s переходного металла легко возникают, участие более высокоэнергетических и более пространственно диффузных p орбиталей в связях зависит от центрального атома и координационной среды.

Исключения

Лиганды донора π или σ с небольшим взаимодействием с металлическими орбиталями приводят к слабому полю лиганда, которое увеличивает энергии орбиталей t2g. Эти молекулярные орбиталы становятся не связывающимися или слабо анти-связывающимися орбиталами (маленький Δoct). Поэтому добавление или удаление электрона мало влияет на стабильность комплекса. В этом случае нет ограничений на количество d электронов и возможны комплексы с 1222 электронами. Маленький Δoct позволяет заполнять eg* (> 18 e−), а лиганды донора π могут создавать антисвязи t2g (< 18 e−). Эти типы лигандов расположены в низкой и средней части спектрохимического ряда. Например: [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−). С точки зрения ионов металлов Δoct увеличивается вниз по группе, а также с увеличением числа окисления. Сильные лигандные поля приводят к низким спиновым комплексам, которые вызывают некоторые исключения из правила 18 электронов.

Комплексы из 16 электронов

Важным классом комплексов, которые нарушают правило 18e, являются 16-электронные комплексы с металлической конфигурацией d8. Все высокоспиновые металлические ионы d8 октаэдричны (или тетраэдричны), но низкоспиновые металлические ионы d8 все квадратно-плановые. Важными примерами квадратных плоских ионов с низким спином d8 являются ионы металлов Rh{I}, Ir{I}, Ni{II}, Pd{II} и Pt{II}. На рисунке ниже показано расщепление d-подпокрытия в низкоспиновые квадратные плоские комплексы. Примеры особенно распространены для производных кобальта и никеля. Такие соединения обычно квадратно-плановые. Самым известным примером является комплекс Васки (IrCl (((CO) ((PPh3) 2), [PtCl4]2−, и соль Зейзе [PtCl3 (((η2 C2H4) ]−. В таких комплексах орбиталь dz2 двойным образом занята и не связывается. Многие каталитические циклы работают через комплексы, которые чередуются между 18-электронной и квадратной плановой 16-электронной конфигурациями. Примеры включают синтез уксусной кислоты Монсанто, гидрогенизации, гидроформиляции, изомеризацию олефинов и некоторые полимеризации алкенов. Другие нарушения могут быть классифицированы в соответствии с типами лигандов на металлическом центре.

π-донорские лиганды

Лиганды, в которых координирующий атом несет несвязывающие одиночные пары, часто стабилизируют ненасыщенные комплексы. Амиды и алкоксиды металлов часто нарушают правило 18e