Теория поля инвертированных лигандов


Теория поля инвертированных лигандов (ILFT) описывает явление связывания координационных комплексов , когда нижняя незанятая молекулярная орбиталь имеет преимущественно лигандный характер. [ 2 ] [ 1 ] Это противоречит традиционной теории поля лигандов или картине теории кристаллического поля и возникает в результате нарушения предположения о том, что в металлоорганических комплексах лиганды более электроотрицательны и имеют граничные орбитали ниже, чем у d-орбиталей электроположительных металлов. [ 3 ] [ 4 ] Справа от d-блока, при приближении к границе переходный металл – основная группа, d-орбитали становятся более похожими на ядро, что делает их катионы более электроотрицательными. Это уменьшает их энергию и в конечном итоге достигает точки, в которой их энергия ниже, чем у граничных орбиталей лиганда. [ 2 ] Здесь поле лигандов инвертируется, так что связывающие орбитали в большей степени основаны на металлах, а разрыхляющие орбитали - на основе лигандов. Относительное расположение d-орбиталей также инвертировано в комплексах, демонстрирующих это инвертированное поле лиганда. [ 2 ]
История
[ редактировать ]
Первый пример поля инвертированных лигандов был продемонстрирован в статье в 1995 году Джеймсом Снайдером. [ 5 ] В этой теоретической статье Снайдер предположил, что [Cu(CF 3 ) 4 ] - комплексы, о которых сообщили Naumann et al. и присвоил меди формальную степень окисления 3+. [ 6 ] лучше было бы рассматривать как Cu(I). Путем сравнения заполнения d-орбитали, рассчитанных зарядов и орбитальной заселенности [Cu(CF 3 ) 4 ] - Комплекс «Cu(III)» и формально Cu(I) [Cu(CH 3 ) 2 ] - Они проиллюстрировали, как первый можно лучше описать как медный комплекс d10, испытывающий донорство двух электронов от CF 3 - лиганды. [ 5 ] Явление, названное Роальдом Хоффманом инвертированным лигандным полем, начало описываться Оллоном и Альваресом, поскольку они определили, что это явление является результатом относительной электроотрицательности. [ 7 ] Ланкастер и его коллеги позже представили экспериментальные доказательства, подтверждающие определение этой степени окисления. Используя УФ/видимую/ближнюю ИК-спектроскопию, рентгеновскую абсорбционную спектроскопию Cu K-края и 1s2p-резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей в сочетании с теорией функционала плотности, теорией мультиплетов и многоэтапными расчетами, они смогли составить карту основного электронного состояния. конфигурация. Это показало, что самая нижняя незанятая орбиталь имела преимущественно трифторметильный характер. Это подтвердило наличие поля инвертированных лигандов и положило начало созданию экспериментальных инструментов для исследования этого явления. [ 8 ] Начиная со случая Снайдера, как теоретическими, так и экспериментальными методами было показано, что многие другие комплексы более поздних переходных металлов демонстрируют инвертированное поле лигандов.
Зондирование полей инвертированных лигандов
[ редактировать ]Вычислительные и экспериментальные методы необходимы для изучения полей инвертированных лигандов, особенно при их совместном использовании.
вычислительный
[ редактировать ]Вычислительные методы сыграли большую роль в понимании природы связей как в молекулярных, так и в твердотельных системах, демонстрирующих инвертированные поля лигандов. Группа Хоффмана выполнила множество расчетов, чтобы исследовать появление полей инвертированных лигандов в различных системах. [ 9 ] При исследовании поглощения CO на поверхностях PtBi и PtBi2 на октаэдре [Pt(BiH 3 ) 6 ] 4+ В модели с Pt, предполагающей формальную степень окисления 4+, команда обнаружила, что металлические орбитали t 2g имеют более высокую энергию, чем орбитали eg . Эта инверсия d-орбитального упорядочения была объяснена тем, что лиганды на основе висмута имеют более высокую энергию, чем d-орбитали металла. [ 10 ] В другом исследовании, включавшем расчеты на соли Ag(III) KAgF 4 , других соединениях Ag(II) и Ag(III), d-орбитали Ag оказались ниже орбиталей фторидного лиганда, [ 11 ] и было подтверждено Грочалой и коллегами с помощью спектроскопии ядра и валентности. [ 12 ]
Группа Меалли разработала программу «Компьютерное составление атомных орбиталей» (CACAO) для обеспечения визуализированного анализа молекулярных орбиталей на основе принципов теории возмущений. [ 13 ] Эта программа успешно продемонстрировала инверсию орбитальной энергии с помощью металлоорганических комплексов, содержащих электроотрицательные металлы, такие как Ni или Cu, связанные с электроположительными атомами лигандов, такими как B, Si или Sn. [ 13 ] В этих случаях связь описывалась как дативная связь лиганда с металлом или сигма-обратное донорство. [ 14 ]

Альварес и его коллеги использовали вычислительные методы, чтобы проиллюстрировать инверсию полей лигандов в зонных структурах твердотельных материалов. Группа обнаружила, что, в отличие от классической схемы связи, в рассчитанных MoNiP 8 зонных структурах орбитали eg -типа октаэдрического атома никеля оказались основным компонентом занятой зоны ниже набора t 2g . [ 16 ] Кроме того, зона вокруг уровня Ферми, включающая Ni + Было обнаружено, что разрыхляющие орбитали в основном имеют фосфорный характер, что является ярким примером инвертированного поля лиганда. Подобные наблюдения были сделаны и для других твердотельных материалов, таких как структура скуттерудита CoP 3 . [ 17 ] [ 15 ] Следствием инвертированного поля лигандов в этом случае является то, что проводимость в скуттерудитах связана с кольцами фосфора, а не с атомами металла.
Экспериментальный
[ редактировать ]Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) стала мощным инструментом для определения состояний окисления переходных металлов. [ 18 ] Энергетические сдвиги в XAS выше из-за более высокого эффективного ядерного заряда атомов при более высоких окислениях, предположительно из-за более высокой энергии связи для более глубоких и более похожих на ядро электронов. [ 2 ]
Несмотря на то, что это очень мощный метод, конкурирующие эффекты на позиции нарастающего фронта могут затруднить назначение. Первоначально считалось, что слабый, разрешенный квадруполем предкраевой пик, обозначенный как переход Cu 1s в 3d, можно использовать для различения Cu(II) и Cu(III) с особенностями, появляющимися при 8979 +/- 0,3 эВ и 8981 +/- 0,5 эВ соответственно. [ 19 ] Расчеты ab initio, проведенные Томсоном, Вигхардтом и соавт., показали, что предпики, ранее отнесенные к Cu(III), могут проявляться комплексами, содержащими Cu(II). [ 20 ] Многие группы показали, что XAS-переходы K-края металла с участием акцепторных орбиталей, локализованных в лиганде, а также спектральные сдвиги из-за изменения координационной среды могут сделать анализ K-края металла менее предсказуемым. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
Наиболее удачное использование XAS K- и L-краев для получения ценной информации о составе молекулярных орбиталей и отображения полей инвертированных лигандов было сделано в исследованиях, в которых использовались вычислительные методы в сочетании с экспериментальными методами. Так было с L 2 [Cu 2 (S 2 ) n ] 2+ комплексы Йорка, Брауна и Толмена, [ 25 ] и Cu(CF 3 ) 4- различными группами, включая Хоффмана, [ 2 ] Овергаард, [ 26 ] и Ланкастер. [ 1 ] [ 8 ]
Другой экспериментальный инструмент, используемый для исследования инверсии поля лиганда, включает электронный парамагнитный резонанс (ЭПР/ЭПР), который может предоставить информацию об электронной конфигурации металла, природе СОМО и информацию с высоким разрешением о лигандах. [ 27 ]
Влияние заряда и геометрии
[ редактировать ]
Изменения как заряда, так и геометрии металлоорганических комплексов могут сильно варьировать энергии молекулярных орбиталей и, следовательно, могут определять вероятность наблюдения инвертированного поля лигандов. Хоффман и его коллеги исследовали влияние этих переменных, рассчитав атомный состав молекулярных орбиталей моно-ди- и трианионных комплексов меди. [ 2 ] Квадратный планарный моноанион продемонстрировал зарегистрированную инверсию поля лиганда. «Cu(II)», который имеет промежуточную квадратную геометрию, плоскую и тетраэдрическую, также демонстрирует эту особенность: разрыхляющая t 2 -производная орбиталь в основном имеет лигандный характер, а x 2 -и 2 орбиталь является самой нижней молекулярной орбиталью d-блока. Тетраэдрический трианион продемонстрировал возврат к полю лигандов типа Вернера. [ 2 ] Модулируя геометрию частиц «Cu(II)» и отображая изменение энергий МО на диаграммах Уолша , группа смогла показать, как комплекс может отображать как классическое, так и инвертированное поле лиганда в геометрии T d и SP. соответственно. [ 2 ] Дополнительные расчеты для Cu(I) с нететраэдрической геометрией также показали инвертированное поле лигандов. Это указывало на важность не только степени окисления, но и геометрии при определении инверсии поля лиганда.

Последствия для склеивания
[ редактировать ]Инверсия полей лигандов имеет интересные последствия для природы реакционной способности металлоорганических комплексов. Таким образом, эта сигма-невиновность лигандов, возникающая в результате инвертированных лигандных полей, может быть использована для настройки реакционной способности комплексов и открытого пространства для понимания механизмов существующих реакций.
При анализе [ZnF 4 ] 2- Было обнаружено, что из-за инверсии поля лиганда, наблюдаемой у этого вида, ионизация ядра удаляет электрон с богатой металлами связывающей орбитали t 2 , удлиняя связи Zn-F. Это противоречит классическому полю лигандов, где ионизация удаляет электрон с разрыхляющей орбитали t 2 , укорачивая связи Zn-F. [ 2 ]
Наличие электронодефицитных лигандов также приводит к инвертированному полю лигандов. Расчеты показали, что большой вклад O 2p в НСМО/НСМО +1 в [(L ВЫ ДЕЛАЕТЕ Cu) 2 (O2 ) ] 2+ должен сделать комплекс сильно окислительным, поскольку он содержит электронодефицитный O 2- лиганды. [ 1 ] Исследования подтвердили это свойство, поскольку было показано, что этот комплекс способен подвергаться активации CH и CF и ароматическому гидроксилированию. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
Есть данные, показывающие, что восстановительное элиминирование у видов, демонстрирующих инверсию поля лиганда, не подвергается окислительно-восстановительному событию в металлическом центре. Образование связи C-CF 3 комплексами «Ni(IV)» [ 31 ] завершился без окислительно-восстановительного участия никеля. [ 32 ] Металл, по-видимому, остается Ni(II) на протяжении всей реакции. Предполагается, что этот механизм заключается в атаке замаскированного электрофильного катиона анионным CF 3 . Дефицит электронов здесь обусловлен инвертированным полем лиганда. [ 32 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д ДиМуччи, Ида М.; Люкенс, Джеймс Т.; Чаттерджи, Судипта; Карш, Куртис М.; Титус, Чарльз Дж.; Ли, Сан Джун; Нордлунд, Деннис; Бетли, Теодор А.; Макмиллан, Саманта Н.; Ланкастер, Кайл М. (20 ноября 2019 г.). «Миф о d 8 Медь (III)» . Журнал Американского химического общества . 141 (46): 18508–18520. дои : 10.1021/jacs.9b09016 . ISSN 0002-7863 . ПМК 7256958 . ПМИД 31710466 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Хоффманн, Роальд; Альварес, Сантьяго; Меалли, Карло; Фальчето, Эндрю; Кэхилл, Томас Дж.; Цзэн, Дао; Манка, Габриэле (27 июля 2016 г.). «От широко распространенных концепций координационной химии к инвертированным полям лигандов» . Химические обзоры . 116 (14): 8173–8192. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00251 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 27398715 .
- ^ Олбрайт, Томас А. (2013). Орбитальные взаимодействия в химии . Джереми К. Бердетт, Мён Хван Вангбо (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-0-471-08039-8 . OCLC 823294395 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Гриффит, Дж. С.; Оргель, Л.Е. (1 января 1957 г.). «Теория лиганд-поля» . Ежеквартальные обзоры, Химическое общество . 11 (4): 381–393. дои : 10.1039/QR9571100381 . ISSN 0009-2681 .
- ^ Jump up to: а б Снайдер, Джеймс (1995). «Различие конфигураций меди d8 и d10 в высокоионном комплексе; неформальное состояние окисления металла» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 35 (9): 986–987. doi : 10.1002/anie.199509862 – через Wiley.
- ^ Науманн, Дитер; Рой, Томас; Теббе, Карл-Фридрих; Крамп, Вольфганг (10 октября 1993 г.). «Синтез и структура удивительно стабильных солей тетракис (трифторметил) купрата (III)» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 32 (10): 1482–1483. дои : 10.1002/anie.199314821 . ISSN 0570-0833 .
- ^ Оллон, Габриэль; Альварес, Сантьяго (01 мая 2009 г.). «Статусы окисления, атомные заряды и орбитальные заселенности в комплексах переходных металлов» . Теоретическая химия . 123 (1): 67–73. дои : 10.1007/s00214-009-0537-9 . ISSN 1432-2234 . S2CID 97419872 .
- ^ Jump up to: а б Уолрот, Ричард К.; Люкенс, Джеймс Т.; Макмиллан, Саманта Н.; Финкельштейн, Кеннет Д.; Ланкастер, Кайл М. (17 февраля 2016 г.). «Спектроскопические доказательства электронной конфигурации основного состояния 3d 10 и инверсии поля лиганда в [Cu (CF 3 ) 4 ] 1–» . Журнал Американского химического общества . 138 (6): 1922–1931. дои : 10.1021/jacs.5b10819 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26844693 .
- ^ Чжэн, Чонг; Хоффманн, Роальд (1 марта 1989 г.). «Сопряжение в 3-связной сети: структуры диборида алюминия и дисилицида тория и их производные переходных металлов» . Неорганическая химия . 28 (6): 1074–1080. дои : 10.1021/ic00305a015 . ISSN 0020-1669 .
- ^ Оана, Мелания; Хоффманн, Роальд; Абрунья, Эктор Д.; ДиСальво, Фрэнсис Дж. (1 января 2005 г.). «Адсорбция CO на поверхностях PtBi2 и PtBi» . Поверхностная наука . 574 (1): 1–16. Бибкод : 2005SurSc.574....1O . дои : 10.1016/j.susc.2004.09.045 . ISSN 0039-6028 .
- ^ Грочала, Войцех; Хоффманн, Роальд (24 мая 2010 г.). "ХимИнформ Реферат: Реальные и гипотетические фторидные системы промежуточной валентности AgII/AgIII и AgII/AgI как потенциальные сверхпроводники" . ХимИнформ . 32 (43): нет. дои : 10.1002/chin.200143247 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Грочала, Войцех; Эгделл, Расс Г.; Эдвардс, Питер П.; Мажей, Зоран; Жемва, Борис (10 сентября 2003 г.). «О ковалентности связей серебро-фтор в соединениях серебра(I), серебра(II) и серебра(III)» . ХимияФизХим . 4 (9): 997–1001. дои : 10.1002/cphc.200300777 . ISSN 1439-4235 . ПМИД 14562447 .
- ^ Jump up to: а б Меалли, Карло; Прозерпио, Давиде М. (1 мая 1990 г.). «Теория МО стала видимой» . Журнал химического образования . 67 (5): 399. Бибкод : 1990ЖЧЭд..67..399М . дои : 10.1021/ed067p399 . ISSN 0021-9584 .
- ^ Меалли, Карло; Гиларди, Карло А.; Орландини, Аннабелла (1 ноября 1992 г.). «Структурная гибкость и способность лиганда np3 связываться с переходными металлами» . Обзоры координационной химии . 120 : 361–387. дои : 10.1016/0010-8545(92)80059-з . ISSN 0010-8545 .
- ^ Jump up to: а б Ллунелл, Майкл; Альварес, Сантьяго; Алемани, Пере (1998). «Структуры скуттерудита и ReO3 для твердых тел MX3: электронные требования» . Журнал Химического общества, Dalton Transactions (7): 1195–1200. дои : 10.1039/a708200b . ISSN 0300-9246 .
- ^ ЛЛУНЕЛЛ, М.; АЛЬВАРЕС, С.; АЛЕМАНИ, П.; ХОФФМАН, Р. (4 августа 2010 г.). "ХимИнформ Реферат: Электронная структура, связь и электрические свойства MoNiP8" . ХимИнформ . 27 (46): нет. дои : 10.1002/chin.199646001 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Ллунель, Микель; Алемани, Пере; Альварес, Сантьяго; Жуков Владлен П.; Верн, Андреас (15 апреля 1996 г.). «Электронная структура и связь в фосфидах скуттерудитного типа» . Физический обзор B . 53 (16): 10605–10609. Бибкод : 1996PhRvB..5310605L . дои : 10.1103/physrevb.53.10605 . hdl : 2445/10836 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9982624 .
- ^ Глейзер, Торстен; Хедман, Бритт; Ходжсон, Кейт О.; Соломон, Эдвард И. (6 марта 2001 г.). «ХимИнформ Реферат: Рентгеновская абсорбционная спектроскопия K-края лиганда: прямое исследование ковалентности лиганд-металл» . ХимИнформ . 32 (10): нет. дои : 10.1002/chin.200110300 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Дюбуа, Дженнифер Л.; Мукерджи, Пулакеш; Стек, TDP; Хедман, Бритт; Соломон, Эдвард И.; Ходжсон, Кейт О. (1 июня 2000 г.). «Систематическое рентгеновское спектроскопическое исследование поглощения K-края сайтов Cu (III)» . Журнал Американского химического общества . 122 (24): 5775–5787. дои : 10.1021/ja993134p . ISSN 0002-7863 .
- ^ Томсон, Нил К.; Уильямс, Камилла Д.; Дай, Сюлян; Спроулз, Стивен; ДеБир, Серена; Уоррен, Тимоти Х.; Вигхардт, Карл (2015). «Переоценка предкраевого XAS-перехода Cu K в комплексах с ковалентными взаимодействиями металл-лиганд» . Химическая наука . 6 (4): 2474–2487. дои : 10.1039/c4sc03294b . ISSN 2041-6520 . ПМЦ 5647745 . ПМИД 29308158 . S2CID 246748080 .
- ^ «Рентгеновская абсорбционная спектроскопия как исследование невиновности лигандов в металлокорролах: случай корролов меди» . doi : 10.1021/acs.inorgchem.9b00128.s001 . hdl : 10037/18125 . Проверено 12 марта 2023 г.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Уолрот, Ричард К.; Юблер, Джейкоб WH; Ланкастер, Кайл М. (2015). «Исследование Ку я рентгеноабсорбционной . спектроскопии детектированием высокого с » использованием с в энергетического флуоресцентным гомогенном разрешения катализе
- ^ Карш, Куртис М.; ДиМуччи, Ида М.; Йован, Диана А.; Ли, Алекс; Чжэн, Шао-Лян; Титус, Чарльз Дж.; Ли, Сан Джун; Ирвин, Кент Д.; Нордлунд, Деннис; Ланкастер, Кайл М.; Бетли, Теодор А. (13 сентября 2019 г.). «Синтез триплетного нитренового комплекса на медь, подходящего для катализируемого медью аминирования» . Наука . 365 (6458): 1138–1143. Бибкод : 2019Sci...365.1138C . дои : 10.1126/science.aax4423 . ISSN 0036-8075 . ПМК 7256962 . ПМИД 31515388 .
- ^ КАУ, Л.-С.; СПИРА-СОЛОМОН, DJ; ПЕННЕР-ХАН, JE; ХОДГСОН, КО; СОЛОМОН, Э.И. (09.02.1988). "ХимИнформ Реферат: Рентгеновское определение степени окисления и координационного числа меди по краю поглощения: применение к сайту типа 3 лакказы Rhus vernicifera и ее реакция с кислородом" . ХимИнформ . 19 (6). дои : 10.1002/chin.198806038 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Саранги, Ритимукта; Йорк, Джон Т.; Хелтон, Мэтью Э.; Фудзисава, Киёси; Карлин, Кеннет Д.; Толман, Уильям Б.; Ходжсон, Кейт О.; Хедман, Бритт; Соломон, Эдвард И. (1 января 2008 г.). «Рентгеновская абсорбционная спектроскопия и теоретические исследования комплексов (L) 2 [Cu 2 (S 2 ) n ] 2+: дисульфидная и дисульфидная (• 1-) связь» . Журнал Американского химического общества . 130 (2): 676–686. дои : 10.1021/ja0762745 . ISSN 0002-7863 . ПМК 2570853 . ПМИД 18076173 .
- ^ Овергаард, Джейкоб (15 января 2019 г.). «Экспериментальное рентгеновское исследование электронной плотности атомных зарядов, состояний окисления и инвертированного поля лигандов в Cu(CF3)4–» . Неорганическая химия . 58 (3): 2133–2139. doi : 10.1021/acs.inorgchem.8b03226 . HDL : 2434/971202 . ПМИД 30645110 . S2CID 58640050 .
- ^ Кисгеропулос, Эффи С.; Манесис, Анастасия К.; Шафаат, Ханна С. (20 января 2021 г.). «Инверсия поля лиганда как механизм регулирования биоорганометаллической реакционной способности: исследование биохимической модели ацетил-КоА-синтазы с использованием спектроскопии и вычислений» . Журнал Американского химического общества . 143 (2): 849–867. дои : 10.1021/jacs.0c10135 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 33415980 . S2CID 231195483 .
- ^ Мирица, Ливиу М.; Оттенвальдер, Ксавьер; Стек, Т. Дэниел П. (11 мая 2004 г.). «Структура и спектроскопия медно-дикислородных комплексов» . ХимИнформ . 35 (19). дои : 10.1002/chin.200419297 . ISSN 0931-7597 .
- ^ Компания Анна; Палавичини, Сара; Гарсиа-Бош, Исаак; Мас-Баллесте, Рубен; Que, Лоуренс; Рыбак-Акимова Елена Викторовна; Казелла, Луиджи; Рибас, Хави; Костас, Микель (18 апреля 2008 г.). «Тирозиназоподобная реактивность в видах CuIII2(μ-O)2» . Химия - Европейский журнал . 14 (12): 3535–3538. дои : 10.1002/chem.200800229 . ISSN 0947-6539 . ПМИД 18348133 .
{{cite journal}}
:|last1=
имеет общее имя ( справка ) - ^ Серрано-Плана, Джоан; Гарсиа-Бош, Исаак; Мияке, Рёске; Костас, Микель; Компания, Анна (01 сентября 2014 г.). «Селективное орто-гидроксилирование-дефторирование 2-фторфенолатов соединениями бис (μ-оксо) димеди (III)» . Angewandte Chemie, международное издание . 53 (36): 9608–9612. дои : 10.1002/anie.201405060 . ПМИД 25044926 .
{{cite journal}}
:|last5=
имеет общее имя ( справка ) - ^ Бур, Джеймс Р.; Камасссо, Николь М.; Сэнфорд, Мелани С. (16 июня 2015 г.). «Окисление Ni(II) до Ni(IV) арильными электрофилами обеспечивает Ni-опосредованное арил-CF 3 соединение » . Журнал Американского химического общества . 137 (25): 8034–8037. дои : 10.1021/jacs.5b04892 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26079544 .
- ^ Jump up to: а б Стин, Желте С.; Книзия, Джеральд; Кляйн, Йоханнес EMN (15 июля 2019 г.). «σ-Невиновность: замаскированный перенос фенил-катиона на формальном Ni (IV)» . Прикладная химия . 131 (37): 13267–13273. дои : 10.1002/anie.201906658 . ISSN 0044-8249 . S2CID 241689909 .