A fém-karbonilok átmenetifém-koordinációs komplexek, amelyek ligandumként szén-monoxidot tartalmaznak . Sok fém-karbonil nagyon illékony. Szerves szintézisben katalizátorként (vagy katalizátor-prekurzorként) használják homogén katalízishez, például hidroformilezésben vagy a Reppe-reakcióban. Sok fém-karbonil-vegyületet, például a nikkel-karbonilt használnak fel a Mond-eljárásban nagy tisztaságú fémek előállítására. A fémorganikus kémiábana fém-karbonilokat prekurzorként használják más fémorganikus komplexek előállításához. A fém-karbonilok mérgezőek. Ép bőrön, belélegzett poron vagy karbonil-aeroszolokon keresztül történő felszívódáskor a toxikus hatás megvalósul, különösen a karbonilok azon képessége miatt, hogy karbonil- hemoglobint képeznek karboxihemoglobin képződésével, és nem képesek megkötni az O 2 -t [1] .
A szén-monoxid és fémek kölcsönhatására vonatkozó első kísérleteket Justus von Liebig végezte 1834-ben. Szén-monoxidot olvadt káliumon átvezetve kapott egy KCO empirikus képletű anyagot, amelyet Kohlenoxidkaliumnak [2] nevezett el . Később kiderült, hogy a vegyület nem fém-karbonil, hanem hexahidroxi-benzol káliumsója és dihidroxi-acetilén káliumsója [3] .
Az első valódi heteroleptikus fém-karbonil-komplex szintézisét Paul Schützenberger végezte 1868-ban. Klór és szén-monoxid platinafeketén való átengedésével dikarbonil-diklór-platina Pt(CO) 2 Cl 2 -t kapott [4] [5] .
Ludwig Mond , az Imperial Chemical Industries (ICI) nagy vegyipari vállalat egyik alapítója, aki az 1890-es években Carl Langerrel (Carl Langer) és Friedrich Quincke-vel (Friedrich Quincke) együtt különböző klór-visszanyerési eljárásokat tárt fel. a Solvay-eljárásban (Eng. . Solvay process) fogyasztják , nikkelfém, oxidja és sói felhasználásával [3] . Kísérleteik részeként a csoport a nikkelt szén-monoxiddal kezelte, és azt találták, hogy a keletkező gáz egy Bunsen-égő lángját zöldessárgára színezte, üvegcsőben hevítve pedig nikkeltükröt alakított ki. A gáz színtelen, átlátszó folyadékká kondenzálható, forráspontja 43°C. Így Mond és munkatársai felfedezték az első tiszta, homoleptikus fém-karbonilt, a nikkel-tetrakarbonilt (Ni(CO) 4 ) [6] . A fémvegyület (nikkel-tetrakarbonil) szokatlanul magas illékonyságát Lord Kelvin azon mondata jelezte, hogy Mond "szárnyakat adott a fémeknek" [7] .
A következő évben Mond és Marcellin Berthelot egymástól függetlenül felfedezte a vas-pentakarbonilt , amelyet a nikkel-tetrakarbonilhoz hasonló módon állítanak elő. Mond felismerte a vegyületek egy új osztályában rejlő gazdasági potenciált, amelyet kereskedelmileg alkalmazott egy később Mond-eljárásnak nevezett eljárásban és további kutatásokat finanszírozott a rokon vegyületekkel kapcsolatban. Heinrich Hirtz és kollégája, M. Dalton Cowap kobalt, molibdén, ruténium karboniljait szintetizálták, és először kaptak nonakarbonil-divasat [8] [9] .
1906-ban James Dewar és H. O. Jones meg tudták határozni a nonakarbonil-divas szerkezetét, amely vas-pentakarbonilból képződik napfény hatására [10] . Mond 1909-ben bekövetkezett halála után a fémkarbonilok kémiája több évre a feledés homályába merült. 1924-ben a BASF megkezdte a vas-pentakarbonil ipari gyártását Alwin Mittasch által kifejlesztett módszerrel . A vas-pentakarbonilt nagy tisztaságú vas, az úgynevezett karbonilvas és vas-oxid pigment, az okker előállítására használták [11] . 1927-ben A. Job és A. Kassal króm -hexakarbonilt és volfrám-hexakarbonilt , új homoleptikus fémkarbonilokat kapott [12] .
Walter Heber 1928 után több évig meghatározó szerepet játszott a fémkarbonilok kémiájának fejlődésében. Szisztematikus kutatásokat végzett, és felfedezte különösen a Hieber-bázisreakciót ( Hieber-bázisreakció [13] ).
1931-ben pedig megkapta az első semleges karbonil-hidridet: Fe(CO) 4 H 2 [12] . Ez volt az első ismert módszer a fém-karbonil-hidridek szintézisére, és új szintézismódszer volt néhány, akkor még ismeretlen karbonilcsoporthoz, például a dekakarbonil- diréniumhoz [14] . Felfedezte a karbonilok néhány fontos szintetikus reakcióját is [12] :
Heber, aki 1934-től a Müncheni Műszaki Egyetem Szervetlen Kémiai Intézetének igazgatója volt , négy évtized alatt 249 közleményt publikált a fémkarbonilok kémiájáról [3] .
L. Pauling 1935-ben javasolta az M-CO kémiai kötés leírását a vegyértékkötés módszere alapján [12] .
1938-ban O. Roelen felfedezte a hidroformilezési reakciót (oxo-szintézis), amely lehetővé teszi aldehidek előállítását telítetlen vegyületek CO-val és H 2 -vel való kölcsönhatásával katalizátor jelenlétében - VIII. csoportú fém-karbonil, gyakrabban Co ill. Rh, amelyek a reakcióközegben H[M(CO) 4 ] [12] összetételű aktív hidrideket képeznek . Az 1930-as években Wolter Reppe ipari vegyész, majd a BASF igazgatótanácsának tagja számos homogén katalitikus folyamatot fedezett fel, mint például a hidrokarboxilezést, amelyben az olefinek vagy alkinek szén-monoxiddal és vízzel reagálva telítetlen savakat és származékaikat képezik. [3] . Ezekben a reakciókban a karbonilok, például a nikkel vagy a kobalt katalizátorként működnek [15] . Reppe felfedezte az acetilén és származékainak ciklotrimerizálását és tetramerizációját is benzollá és benzolszármazékokká fémkarbonilok katalizátoraként. A BASF az 1960-as években épített egy gyártóüzemet az akrilsav Reppe-eljárással történő előállítására, amelyet csak 1996-ban váltottak fel egy modernebb, a propilén katalitikus oxidációján alapuló módszerrel .
1963-ban Vaska L. fedezte fel Vaska komplexét : a transz-IrCl(CO)(PPh 3 ) 2 , amely reverzibilisen képes oxigént kötni [12] .
A karbonilok bázisán számos új fémorganikus vegyület osztály képviselőit sikerült előállítani. E. O. Fisher 1964-ben wolfram-karbonil bázisán megszerezte az első karbén komplexet (OC) 5 W=C(OMe)Me, majd 1975-ben az első I(OC) 4 Gr≡CR karbén komplexet is. 1965-ben R. Pettit megszerezte az első antiaromás ciklobutadién komplexet (C 4 H 4 Fe(CO) 3 ) vas-pentakarbonil alapú . 1995-ben Ahmed Zewail egy mangán-karbonil molekulában femtoszekundumos időskálán ( 10–15 s) vizsgálta az MM és M-CO kötések felszakadását impulzuslézer segítségével, amiért 1999-ben kémiai Nobel-díjat kapott [16]. .
1981-ben Roald Hoffman kémiai Nobel-díjat kapott az izolobális analógia molekuláris pályaelméleten alapuló fél-empirikus koncepciójának kidolgozásáért . Lehetővé tette általános elképzelések alapján a molekulák és komplexek geometriájának, reakcióképességének megvitatását, lehetőséget az új komplexek fejlesztésének (tervezésének) tudatos megközelítésére. A koncepció az M(CO) n fém-karbonil fragmenseket oktaéderes "építőelemek" részeként írja le, a szerves kémiában a tetraéder CH 3 -, CH 2 - vagy CH- fragmentumokkal analóg módon. Például a dekakarbonil- dimangán , az izolobális analógia szempontjából, két d 7 Mn(CO) 5 fragmensből képződik , amelyek izolálják a CH 3 • metilcsoportot . Ahogy a metil gyökök egyesülve etánt képeznek , a karbonil-mangán csoportok egyesülhetnek dekakarbonil-dimangánná. Az izolobálisan analóg fragmentumok létezése azonban nem jelenti azt, hogy a kívánt struktúrák szintetizálhatók. Nobel-előadásában Hoffman hangsúlyozta, hogy az izolobális analógia hasznos, de nagyon egyszerű modell, és bizonyos esetekben kudarcot vall [17] [18] .
A fémkatalizált karbonilezés, például a Repp-kémiában és a hidroformilezésben való alkalmazásának gazdasági előnye a karbonilcsoportok körének kiterjesztéséhez vezetett, és ösztönzi további tanulmányozásukat. Emellett három természetes enzim aktív helyén is találtak fém-karbonilvegyületeket [19] .
A fémkarbonilok nómenklatúráját a komplex töltése, a központi atomok száma és típusa, a ligandumok száma és típusa, valamint kötődésük típusa (terminális, hídképző, áthidaló típus) határozza meg. A karbonilok semleges komplexek, kationok vagy karbonil-metalátok sóképző anionjaiként fordulnak elő. A szén-monoxid ligandum kapcsolódhat egy fématomhoz (a kötés terminális típusa), vagy áthidalható két vagy több fématomhoz. A komplexek lehetnek homoleptikusak, azaz csak CO ligandumot tartalmazhatnak (például nikkel-karbonil (Ni(CO) 4 ), de gyakrabban a fém-karbonilok heteroleptikusak és ligandumok keverékét tartalmazzák. A mononukleáris karbonilok központilag csak egy fématomot tartalmaznak) A hexakarbonil-vanádium kivételével csak a páros koordinációs számmal rendelkező fémek, mint a króm, vas, nikkel és alcsoportszomszédaik képesek semleges mononukleáris komplexeket képezni.A fém-fém kötést tartalmazó polinukleáris karbonilok fémeket alkotnak A páratlan koordinációs számmal [20] több különböző fém alkotja, de csak egyfajta ligandum, '''izoleptikus''' [20] .
A komplexben lévő CO ligandumok számát egy görög számmal írjuk, amelyet a karbonil szó követ. A fém-karbonilokban lévő szén-monoxid különböző kötési módokkal rendelkezhet, amelyek különböznek a hapticitásban és a kötődés típusában. A hapticitás a központi atomhoz közvetlenül kötődő szén-monoxid-molekulák számát tükrözi, és egy η n - hez hasonló betűelőtag jelzi a komplex nevében. Az n felső index azon ligandum atomok számát jelöli, amelyek kötést létesítenek a komplex más atomjaival. Monohapto-koordináció esetén, például terminálisan kötött szén-monoxid esetében a hapticitás 1, és általában nem tükröződik a névben. Ha a komplexben lévő szén-monoxid mind a szén-, mind az oxigénatomon keresztül kötődik, akkor a komplexet dihaptokoordinált η 2 -nek nevezzük [21] .
A karbonil-ligandum számos kötési módot mutat a fém-karbonil-dimerekben és -klaszterekben. A kötés legelterjedtebb típusa a hídkötés, amikor egy CO ligandum köt össze két fématomot. Ez a kötési mód számos általánosan hozzáférhető karbonilcsoportban megfigyelhető: Co 2 (CO) 8 , Fe 2 (CO) 9 , Fe 3 (CO) 12 és Co 4 (CO) 12 [1] [22] . Néhány magasabb klaszterben a CO ligandum hidakat képez három vagy akár négy fématom között; az ilyen módokat μ 3 -CO és μ 4 -CO jelöléssel látják el. Kevésbé gyakoriak azok a kötési módok, amelyekben a C és az O atomok is fématomokhoz kötődnek, például μ 3 -η 2 .
A szén-monoxid a visszaadományozási mechanizmussal (angolul: back-bonding, back-donation) kötődik az átmenetifém atomokhoz. A kötés három komponensből áll, ami egy részleges hármas kötést eredményez. Szigmakötés akkor jön létre, ha egy szénatomon egy nem kötő sp-hibridizált pálya (elektronpárral) átfedésben van a fématom d-, s- és p-pályájával. Két π-kötés jön létre, amikor a fématom kitöltött d-pályái átfedésben vannak a CO-molekulában lévő szénatom két π-antikötő pályájával. Az utóbbi típusú kötés megköveteli, hogy a fématom d-elektronokkal és viszonylag alacsony oxidációs állapottal (<+2) rendelkezzen, különben a visszaadományozás nem előnyös. Amint a fémelektronok kitöltik a CO π*-ellenkötő pályáit, gyengítik a szén-oxigén kötést a szabad szén-monoxid molekulához képest, míg a fém-szén kötés megerősödik. Az M-CO kötés többszörös természete a fém-szén távolság lerövidüléséhez vezet, ami gyakran kisebb, mint 1,8 ×, ami körülbelül 0,2 ×-vel rövidebb, mint a fém-alkil kötés. A CO-molekula fématomhoz való kötődésének hozzávetőleges mechanizmusa a molekulák kanonikus formáinak rezonanciastruktúráival írható le .
fém-karbonil | Szimmetria | Szerkezet |
---|---|---|
Ni(CO) 4 | Tetraéder | |
Fe(CO) 5Ru(CO) 5Os ( CO ) 5 |
Trigonális bipiramis | |
V(CO) 6 Cr(CO) 6 Mo(CO) 6 W(CO) 6 |
Oktaéder | |
Co 2 (CO) 8 Rh 2 (CO) 8 |
Nem tükröződő trigonális
bipiramis/áthidaló izomer |
|
Mn 2 (CO) 10 Tc 2 (CO) 10 Re 2 (CO) 10 |
Nem tükör dioktaéder | |
Fe 2 (CO) 9 | "Lámpás" szerkezet | |
Ru 3 (CO) 12 Os 3 (CO) 12 Fe 3 (CO) 12 |
háromszög alakú klaszter | |
Ir 4 (CO) 12 Co 4 (CO) 12 |
Tetraéderes klaszter | |
Rh4 ( CO) 12 | Tetraéderes klaszter |
A Ti, Zr, Hf, Nb, Ta karbonilok ismeretlenek, a semleges bináris komplexek formájú Pd, Pt, Cu, Ag, Au karbonilok csak alacsony hőmérsékletű inert mátrixban rögzülnek (Ozin, 1976) [24]
A cirkónium és a hafnium karbonilok formájában történő elválasztása a forráspontjuk különbségén alapul. A szabadalmak nem sorolják fel a karbonilok forráspontját, de megjegyzik, hogy a cirkónium-karbonil alacsonyabb hőmérsékleten forr, mint a hafnium-karbonil, és először desztillálják le. Az eljárás abból áll, hogy hafniumot tartalmazó, finomra őrölt cirkóniumport egy keverővel felszerelt reakciókamrába helyeznek, aktív szenet vezetnek be, majd szén-monoxidot a sztöchiometrikus mennyiséget kissé meghaladó mennyiségben. Ha a keveréket 4-8 atm nyomáson 300-800°C hőmérséklet-tartományban hevítjük, folyékony cirkónium- és hafnium-karbonilok keletkeznek, amelyek forrásban stabilak és 50-100°C-kal magasabb hőmérsékleten elpusztulnak. [25]
Az infravörös spektroszkópia érzékeny módszer a koordinált karbonil ligandumok meghatározására. A μ 2 -CO vagy egyszerűen μ-CO jelölésű CO ligandumokat áthidaló vegyületeknél a ν CO abszorpciós sávok általában 100-200 cm -1 -el kisebb energiák irányába tolódnak el a terminális CO jeleihez képest, amelyek a μ 2 -CO tartományra esnek. körülbelül 1800 cm -1 . A "sapkás" (μ 3 ) CO ligandumok sávjai még alacsonyabb energiákon jelennek meg. A ródium-karbonil-klaszterek tipikus ν CO értékei: [26] A szimmetrikus CO-kötési típusok mellett aszimmetrikusak vagy a fém d-pályájáról a CO π*-pályájára való átadás következtében alakulnak ki [27] ] [28] [29] . A π-kötő komponens megerősödése több fémmagból származó visszaadás következtében a C-O kötés további gyengüléséhez vezet.
A legtöbb mononukleáris karbonilkomplex színtelen vagy halványsárga illékony folyadék vagy szilárd anyag, amely gyúlékony és erősen mérgező [30] . A vanádium-hexakarbonil, egy stabil 17 elektronból álló karbonil, kékesfekete kristályokat képez [1] . A di- és polinukleáris karbonilok általában telítettebb színűek. A vas-trikarbonil (Fe 3 (CO) 12 ) sötétzöld kristályokat képez. A legtöbb kristályos fém-karbonil vákuumban képes szublimálódni, bár ez a folyamat általában bomlás (CO elimináció és polinukleáris komplexek képződése) kíséri. Intenzív melegítés hatására a karbonilok CO és finoman diszpergált fém felszabadulásával bomlanak le. A fém-karbonilok oldódnak apoláris és poláris szerves oldószerekben, például benzolban, dietil-éterben, acetonban, jégecetben és szén-tetrakloridban. A kationos és anionos fémkarbonilok egyes sói vízben és rövid szénláncú alkoholokban oldódnak.
fém-karbonil | Szín | t pl , °C | t bála , °C | Sűrűség (20 °C-on), g/cm³ |
---|---|---|---|---|
V(CO) 6 | zöldes-kék | lebomló | — | |
Cr(CO) 6 | színtelen | 150 | lebomló | 1.77 |
Mn 2 (CO) 10 | sárga | 157 | szublimál | 1.75 |
Fe(CO) 5 | sárga | −20 | 103 | 1.455 |
Fe 2 (CO) 9 | narancssárga | lebomló | 2.85 | |
Fe 3 (CO) 12 | sötétzöld | 165 | lebomló | |
Co 2 (CO) 8 | narancsvörös | 51 | lebomló | 1.87 |
Co 4 (CO) 12 | a fekete | lebomló | ||
Ni(CO) 4 | színtelen | −19.3 | 43 | 1.31 |
Mo(CO) 6 | színtelen | 150 | lebomló | 1.96 |
Tc 2 (CO) 10 | színtelen | 160 | ||
Ru(CO) 5 | színtelen | −22 | ||
Ru 3 (CO) 12 | narancssárga | 155 | ||
Rh2 ( CO) 8 | narancssárga | 76 | ||
Rh4 ( CO) 12 | piros | |||
W(CO) 6 | színtelen | 150 | lebomló | 2.65 |
Re 2 (CO) 10 | színtelen | 177 | lebomló | 2.87 |
Os(CO) 5 | színtelen | −15 | ||
Os 3 (CO) 12 | sárga | 224 | lebomló | |
Ir 2 (CO) 8 | zöld sárga | lebomló | — | |
Ir 4 (CO) 12 | sárga |
A fémkarbonilok vizsgálatának fontos analitikai módszerei az infravörös spektroszkópia és a C13 NMR spektroszkópia . Ezek a módszerek lehetővé teszik két különböző időskálán strukturális információk megszerzését. Az IR-aktív rezgési módokat, mint például a CO nyújtó rezgéseket, az intramolekuláris folyamatokhoz képest magasabb frekvencia jellemzi, míg az NMR átmenetek alacsonyabb frekvenciákon fordulnak elő, amelyek összemérhetőek az intramolekuláris ligandumcsere folyamatok sebességével. Így az NMR-spektrumok az „időátlagolt szerkezetről” tartalmaznak információt, míg az IR-spektrumok a maguk módján pillanatnyi „képek” [31] . Példa az időskálák közötti különbségekre, hogy a dikobalt-oktakarbonil (Co 2 (CO) 8 ) infravörös spektrumában 13 ν CO abszorpciós sáv figyelhető meg , ami sokkal több, mint egy egyedi vegyület esetében várható. Ez a spektrum komplexitás az áthidaló CO ligandumokkal és anélküli izomerek jelenlétét tükrözi. Ugyanennek az anyagnak a C13 -NMR spektruma csak egy jelet tartalmaz 204 ppm kémiai eltolódással. Ez a spektrumkülönbség azt jelenti, hogy a karbonil-izomerek gyorsan egymásba változnak.
A vas -pentakarbonil csak egy jelet mutat a C13 -NMR-spektrumban a Berry-féle pszeudorotáció során az axiális és ekvatoriális CO ligandumok gyors cseréje miatt.
A fémkarbonilok jellemzésének legfontosabb módszere az infravörös spektroszkópia [33] . A CO oszcillációi egy gáznemű szabad molekulában (jelölése ν CO ) 2143 cm -1 -nél figyelhetők meg . A fém-karbonilok ν CO abszorpciós sávjainak helyzete összefügg az IR-aktív rezgésmódok energiájával, és korrelál a szén-oxigén kötés erősségével, és fordítottan korrelál a visszaadás erősségével (eng. Backbonding). a fém d-pályáit a szén π-pályáira. A fémcentrum π-bázisúsága számos tényezőtől függ: a Ti-től Fe-ig terjedő izoelektronikus sorozatban (a szakasz alján) a hexakarbonilok visszaadási mértéke (π-backbonding) csökken, miután az pozitív töltés a fémen. A π-bázis ligandumok növelik a π-elektronok sűrűségét a fématomon, és kompenzálják a νCO -nak megfelelő frekvenciacsökkenést, amelyet a visszaadás okoz. A Tolman elektronikus paraméter a Ni(CO) 3 fragmentumot használja a ligandumok π-donor képességük szerinti rendezésére [34] [35] . Egy fémkarbonil komplex rezgésmódjának száma csoportelmélet segítségével határozható meg . Csak azok a rezgésmódok, amelyek elektromos dipólusmomentum -operátorként transzformálódnak, rendelkeznek nullától eltérő csoportszorzattal , és csak azok lesznek megfigyelhetők az IR spektrumban. Így megjósolható a megfigyelt IR átmenetek száma (de energiájuk nem) [36] [37] [38] . Például az oktaéder komplexek CO-ligandumai, mint például a Cr(CO) 6 , 1g , eg és t1u - ként alakulnak át , de csak a t1u mód (a kupakkal ellátott karbonilligandumok antiszimmetrikus nyújtása) IR aktív. Így csak egy ν CO abszorpciós sáv figyelhető meg az oktaéderes fém-hexakarbonilok IR spektrumában. Az alacsonyabb szimmetriájú komplexek spektruma összetettebb. Például a Fe2 ( CO) IR spektrumában 9 CO abszorpciós sáv jelenik meg 2082, 2019 és 1829 cm– 1 -nél . Egyes fém-karbonilok IR-megfigyelhető rezgésmódjainak listája a táblázatban található, a szakirodalomban átfogó táblázatok találhatók [33] .
Összetett | ν CO (cm −1 ) | Eltolás C13 -NMR | |
---|---|---|---|
CO | 2143 | 181 | |
Ti(CO) 6 −2 | 1748 | ||
V(CO) 6 −1 | 1859 | ||
Cr(CO) 6 | 2000 | 212 | |
Mn(CO ) 6+ | 2100 | ||
Fe(CO) 6 2+ | 2204 | ||
Fe(CO) 5 | 2022, 2000 | 209 |
karbonil | ν CO , µ 1 (cm −1 ) | ν CO , µ 2 (cm -1 ) | ν CO , µ 3 (cm -1 ) |
---|---|---|---|
Rh2 ( CO) 8 | 2060, 2084 | 1846, 1862 | |
Rh4 ( CO) 12 | 2044, 2070, 2074 | 1886 | |
Rh6 ( CO) 16 | 2045, 2075 | 1819 |
A 13 NMR spektroszkópia hagyományos módszer a fémkarbonilok vizsgálatára. A módszer érzékenységének növelése érdekében a komplexeket gyakran C 13 O-ban dúsítják. A terminális karbonil ligandumok kémiai eltolódásának tipikus tartománya 150-220 ppm, áthidalóké 230-280 ppm [1] . A C 13 spektrumában a jelek a központi fém atomszámának növekedésével erős mező felé tolódnak el.
Mágneses magrezonancia spektroszkópia segítségével kísérletileg meghatározható a komplex dinamikája [31] . A ligandumcsere folyamatok aktiválási energiája a spektrumbeli vonalszélesedés hőmérsékletfüggéséből határozható meg [39] .
A tömegspektrometria információt nyújt a komplexek szerkezetéről és összetételéről. A fém polikarbonilok spektruma általában könnyen értelmezhető, mert a domináns fragmentációs folyamat a karbonil ligandumok elvesztése (m/z = 28).
Az ütési elektronionizáció a legelterjedtebb módszer a semleges fémkarbonilok jellemzésére. A semleges fém-karbonil kémiai átalakításokkal töltött komplexmé alakítható, ami lehetővé teszi az elektrospray ionizáció (elektrospray) alkalmazását, amelyhez széles körben elterjedt és elérhető berendezés. Például egy fém-karbonil alkoxiddal (alkálifém-alkoholáttal) való kezelése anionos fémkarboxilátokat (más néven fém-formiátokat vagy karbonil-metalátokat) eredményez, amelyek ESI-MS segítségével elemezhetők:
Egyes fém-karbonilcsoportok azidokkal reagálva izocianát komplexeket képeznek nitrogén felszabadulás mellett [40] . A töredezettség mértéke a kúpfeszültség és/vagy hőmérséklet beállításával szabályozható. Az ESI-MS lehetővé teszi a kiindulási komplex molekulatömegének meghatározását, valamint a karbonil ligandumok elvesztésével összefüggő szerkezeti átrendeződésekre vonatkozó információkat [41] .
Az oldatban lévő humán hemoglobin szabad hem esetében a CO-affinitás 20 000-szeresen haladja meg az O 2 affinitást , ami veszélyezteti a komplex élet létezését a Földön, azonban a hem fehérjék - mioglobin és hemoglobin csökkentik a kötődési szelektivitást és A CO-O 2 kötődés szelektivitási mutatói 25-200. Hosszú ideig nem lehetett megállapítani ennek a hatásnak az okát. Például a Fe-CO fragmens esetében a korai röntgendiffrakciós vizsgálatok egy ismeretlen sarokszerkezetet mutattak ki a karbonilokban, 40-60°-os szöggel. Csak a 20. század végére derült ki, hogy a fragmentum gyakorlatilag lineáris (legfeljebb 7-9°-os szöggel), és a lineáris koordináció kedvezőtlen a környezet fehérjéi által keltett sztérikus akadályok miatt. A koordinált O 2 ezzel szemben sarokszerkezettel rendelkezik, amelyben a terminális oxigénatom stabilizáló hidrogénkötést képez a hemoglobin távoli hisztidin -maradékával [43] .
A csillagközi porfelhőkben a Galaktikus Mag infravörös spektrumának vizsgálata során a vas-karbonilokra jellemző CO-oszcillációkat észleltek [44] . A vaskarbonil-klasztereket infravörös spektroszkópiával is megfigyelték a Jiange H5 kondritokban. Négy IR nyújtási frekvenciát találtak, amelyek a terminális és az áthidaló karbonilligandumokra jellemzőek [45] .
A Föld oxigénben gazdag légkörében a fém-karbonilok oxidokká oxidálódnak. De vita tárgyát képezi az ilyen komplexek redukáló hidrotermális környezetben való képződésének lehetősége a történelem prebiotikus időszakában, és katalizátorként való részvételük a kritikus biokémiai vegyületek, például a piroszőlősav szintézisében [46]. . A települési szennyvíztisztító telepek szennyvíziszapjának gáznemű kibocsátásaiban vas-, nikkel- és volfrámkarbonil-nyomokat találtak [47] .
A hidrogenáz enzimek vasatomhoz kötődő CO-molekulát tartalmaznak. Úgy tűnik, a CO stabilizálja a fém alacsony oxidációs állapotát, ami megkönnyíti a hidrogén megkötését. A CO-dehidrogenáz és az acetil-CoA szintáz enzimek szintén részt vesznek a CO biotranszformációjában [48] . Egyes CO-tartalmú komplexek részt vesznek a szén-monoxid-mérgezésben, és jelző szerepet játszanak [49] .
A fém-karbonilok szintézise intenzív kutatás tárgya a fémorganikus kémiában. Mond (Mond), majd Hieber (Hieber) munkáinak megjelenése óta számos módszert fejlesztettek ki mind a mononukleáris fémkarbonilok, mind a homo- és heterofémes karbonilklaszterek szintézisére [3] .
A nikkel-tetrakarbonil és a vas-pentakarbonil a következő reakcióegyenletekkel állítható elő finoman diszpergált fém és szén-monoxid kölcsönhatásában : [50]
, (1 bar, 55 °C) , (100 bar, 175 °C)A nikkel már 80 °C-on légköri nyomáson reagál a szén-monoxiddal, míg a finomra őrölt vas 150-200 °C hőmérsékleten és 50-200 bar szén-monoxid nyomáson [11] . Más fémek karboniljeit összetettebb módon nyerik.
Egyes fém-karbonilcsoportokat fém-halogenidek redukciójával állítják elő szén-monoxid jelenlétében, nagy nyomáson. Különféle redukálószerek használhatók, beleértve a rezet, alumíniumot, hidrogént és fém-alkileket, például trietil-alumíniumot. A króm-hexakarbonil képződése vízmentes króm(III)-kloridból benzolban, redukálószerként alumíniumot és katalizátorként alumínium-kloridot használva jelzésértékű: [50]
A fém-alkilok, például a trietil-alumínium és a dietil-cink redukálószerként történő alkalmazása az alkilcsoportok dimerekké történő oxidatív kapcsolódásához vezet:
A volfrám-, molibdén-, mangán- és ródiumsók lítium-alumínium-hidriddel redukálhatók. A hexakarbonil-vanádiumot nátrium redukálószerrel állítják elő kelátképző oldószerekben, például diglimben [30] .
Vizes közegben a nikkel- vagy kobaltsók redukálhatók, például nátrium-ditionittal. CO jelenlétében a kobaltsók mennyiségileg tetrakarbonil-kobalt anionná alakulnak: [30]
Egyes fém-karbonilokat redukálószerként CO felhasználásával állítanak elő. Hieber és Fuchs így nyert először dekakarbonil-diréniumot rénium-oxidból: [51]
Fém-oxidok alkalmazása esetén reakciótermékként szén-dioxid képződik. Amikor a fém-kloridokat szén-monoxiddal redukálják, foszgén képződik, mint például ozmium-kloridból karbonil-ozmium-klorid előállítása során [3] . A CO fém-szulfidok redukciójára is alkalmas, ilyenkor a melléktermék a karbonil-szulfid.
A mononukleáris karbonilok fotolízise vagy termolízise di- és poláris karbonilok, például nonakarbonil-divas (Fe 2 (CO) 9 ) képződéséhez vezet [52] [53] . További melegítés hatására a karbonil végül szabad fémmé és szén-monoxiddá bomlik.
A triozmium dodekakarbonil (Os 3 (CO) 12 ) termikus bomlása többmagvú ozmiumkarbonil-klaszterek kialakulásához vezet, mint például Os 4 (CO) 13 , Os 6 (CO) 18 , sőt Os 8 (CO) 23 [30] .
A ruténium, ozmium, ródium és irídium vegyes ligandum-karboniljai gyakran keletkeznek a szén-monoxid oldószerekből, például dimetil-formamidból (DMF) és 2-metoxi-etanolból történő felszívódásának eredményeként. Jellemző az L. Vaska -féle komplex) transz-IrCl (CO) (PPh 3 ) 2 szintézise az irídium (III)-klorid és trifenil-foszfin reakciója eredményeként forrásban lévő DMF-ben.
A só metatézise, például a KCo(CO) 4 és a [Ru(CO) 3 Cl 2 ] 2 reakciója egy vegyes karbonil komplex szelektív képződéséhez vezet, jelen esetben: RuCo 2 (CO) 11 [54] .
Az ionos karbonilkomplexek szintézise a semleges komplexek oxidációjával vagy redukciójával lehetséges. Anionos fém-karbonil-metalátok állíthatók elő például kétmagvú komplexek nátriummal való redukálásával. Jól ismert példa a vas-tetrakarbonilát nátriumsója (Na 2 Fe(CO) 4 , Kollman-reagens), amelyet a szerves szintézisben használnak [55] .
A mangán, a technécium és a rénium-hexakarbonil kationos sói a megfelelő karbonilcsoportok halogenidjéből állíthatók elő szén-monoxid nyomás alatt Lewis-savval való reagáltatással.
Erős savak segítségével arany-karbonil-kationokat lehetett előállítani, például [Au(CO) 2 ] + -ot , amelyet olefinek karbonilezésénél katalizátorként használnak [56] . A kationos platina-karbonil komplexek [Pt(CO) 4 ] + szupersavakkal, például antimon-pentafluoriddal végzett kezeléssel állíthatók elő .
A fém-karbonilok fontos prekurzorok más fémorganikus komplexek és vegyületek szintézisében. A fő reakciók a karbonilligandum más ligandummal való helyettesítésének reakciói, a fémcentrum oxidációs és redukciós reakciói, valamint a karbonilligandum reakciói.
A CO ligandumok más donor ligandummal való helyettesítése termikusan vagy fotokémiai úton indukálható. A szubsztituens ligandumok listája hosszú, és tartalmaznak foszfinokat , cianidokat (CN- ) , nitrogéntartalmú donor ligandumokat, sőt étereket is, különösen kelátképzőket ( dioxán , THF). Szintén hatékony ligandumok az olefinek , különösen a diolefinek , amelyek szintetikusan jelentős származékokat képeznek. A 18-elektronos komplexekben történő szubsztitúció általában disszociatív mechanizmusnak felel meg egy 16-elektronos intermedier képződésével.
A helyettesítés a disszociatív mechanizmus szerint megy végbe:
A disszociációs energia nikkel-karbonil esetében 105 kJ mol −1 , króm-hexakarbonil esetében 155 kJ −1 [1] .
A 17 elektronból álló komplexekben egy ritka szubsztitúció asszociációs mechanizmus révén megy végbe egy 19 elektronos intermedierrel:
A 18 elektronból álló komplexekben a szubsztitúciós folyamatot néha kis mennyiségű oxidálószer katalizálja elektrontranszfer révén [57] .
A fém-karbonilok redukálószerekkel, például fémnátriummal vagy nátrium- amalgámmal reagálva karbonil-metalát anionokat képeznek:
A vas-pentakarbonil tetrakarbonil-ferrátot képez CO veszteséggel:
A higany a fém-fém kötésnél beépülhet néhány többmagvú fémkarbonil-csoportba:
A CO ligandumot jellemzően könnyen megtámadják a nukleofilek. Például a trimetil-amin-oxid és a kálium-bisz(trimetil-szilil)-amid a CO ligandumot CO 2 -vé, illetve CN - vé alakítja . Az alap Walter Hieber-reakcióban egy hidroxidion megtámad egy CO ligandumot, és fém-karboxilátot képez, majd szén-dioxid fejlődik, és fém-hidridet vagy karbonil-metalátot képez. Az ilyen nukleofil addíció jól ismert példája a vas-pentakarbonil átalakítása H 2 Fe(CO) 4 :
A hidridoanion protonálásával semleges vas-tetrakarbonil-hidrid keletkezik:
A fém-karbonilokhoz szerves lítium-reagensek hozzáadása acil-fém-karbonil-anionokat ( Fischer -komplexeket ) eredményez. O - Ezen anionok alkilezésével, például Meerwein-sókkal, átmenetifém-karbén-komplexek (Fischer-karbének) keletkeznek.
Alacsony formális oxidációs állapotuk ellenére a fém-karbonilok viszonylag közömbösek sok elektrofil hatásával szemben. Például ellenállnak az alkilezőszereknek, gyenge savaknak és enyhe oxidálószereknek. A legtöbb fém-karbonil halogénezésen megy keresztül. A vas-pentakarbonil például karbonil-halogenideket képez:
A halogének képesek felbontani a fém-fém kötést:
A legtöbb fém-karbonil komplex ligandumok keverékét tartalmazza. Ilyen például a történelmileg jelentős Vasca -komplex (transz-IrCl(CO)(PPh 3 ) 2 ) és a kopogásgátló metilciklopentadienil-mangán-trikarbonil (CH 3 C 5 H 4 )Mn(CO) 3 ). Számos vegyes komplex kiindulási vegyülete bináris karbonilcsoport, amely megfelel az [M x (CO) n ] z képletnek , és ezek közül sok kereskedelmi forgalomban kapható. Számos fém-karbonil molekulaképlete a 18-elektron szabályból származtatható.
Fe(CO) 5 , Ru(CO) 5 és Os(CO) 5 (8 + 5 × 2 = 18 elektron). Az utolsó kettő instabil, és hajlamos a dekarbonilezésre Ru 3 (CO) 12 és Os 3 (CO) 12 képződésével . Két másik vaskarbonilcsoport is ismert: Fe 2 (CO) 9 és Fe 3 (CO) 12 .
A Ni, Pd és Pt nagy anionos klaszterei is jól ismertek.
Fém-karbonil-hidrid | pK a |
---|---|
HCo(CO) 4 | "erős" |
HCo(CO) 3 (P(OPh) 3 ) | 5.0 |
HCo(CO) 3 (PPh 3 ) | 7.0 |
HMn(CO) 5 | 7.1 |
H 2 Fe(CO) 4 | 4.4, 14 |
[ HCo ( dmgH ) 2PBu3 ] | 10.5 |
A fém-karbonilok képesek negatív oxidációs állapotú komplexeket képezni, például a fent leírt anionokat. Ezek az anionok protonálhatók a megfelelő fém-karbonil-komplex-hidridekké. A semleges fém-karbonil-hidridek általában illékonyak, és savas tulajdonságokat mutathatnak ( pszeudohalogének ) [60] .
A fémkarbonilokat számos ipari folyamatban használják. Talán a legelső alkalmazás a nikkel izolálása és tisztítása volt tetrakarbonil desztillációjával (Mond-eljárás). Hasonlóképpen nagyon tiszta vaspor keletkezik a vas-pentakarbonil hőbontásával. A vas-karbonilt különösen induktorok, színezékek, étrend-kiegészítők gyártására [61] , sugárelnyelő anyagok előállítására lopakodó technológiákhoz [62] és fémbevonatok termikus permetezéssel történő előállításához használják.
A fém-karbonilok jó kopogásgátló motorüzemanyagok , azonban elégetésük során nehezen eltávolítható oxidok keletkeznek. Egyes karbonilokat teljesen tiszta szén-monoxid (II) előállítására használnak.
A fém-karbonilokat számos iparilag fontos karbonilezési reakcióban használják fel. Az oxo (eng. oxo ) eljárás során egy olefin, hidrogén és szén-monoxid reagál egy katalizátorral (például dikobalt-oktakarbonil) és aldehideket képez. Például a vajsav-aldehid (butirál) előállítása során:
A butiraldehidet kereskedelemben 2-etil-hexanollá, a PVC lágyítók prekurzorává alakítják aldolkondenzációval , majd a kapott hidroxi-aldehid hidrogénezésével. A hidroformilezésből származó oxoaldehideket zsíralkoholok nagy léptékű szintézisére használják, amelyek detergens prekurzorok. A hidroformilezés rendkívül gazdaságos reakció, különösen, ha az eljárás nagy regioszelektivitással megy végbe.
Egy másik fontos reakció, amelyet fém-karbonilok katalizálnak, a hidrokarboxilezés (a Reppe-reakció). A következő példa az akrilsav és az akrilsav-észterek szintézisére:
Az acetilén ciklooktatetraénné való ciklizálási reakcióját szintén fém-karbonil katalizátorok segítségével hajtják végre: [63]
A Monsanto és Cativa eljárásokban az ecetsavat metanolból, szén-monoxidból és vízből állítják elő ródium- és irídium-karbonil-katalizátor segítségével, hidrogén-jód jelenlétében. A kapcsolódó karbonilezési reakciók ecetsavanhidridet eredményeznek.
A CO-felszabadító molekulák (CO-BM; CO-releasing molecules, CO-RM-ek) fém-karbonil-komplexek, amelyeket potenciális CO-felszabadító gyógyszerként fejlesztenek ki. Alacsony koncentrációban a szén-monoxid értágító és gyulladásgátló szerként működik. A CO-VM-eket stratégiai farmakológiai módszerként tervezték szabályozott mennyiségű CO szállítására és eljuttatására a szövetekbe és szervekbe [64] .
Számos karbonilről ismert, hogy homoleptikus és vegyes komplexeket képez, amelyek a fém-karbonilok származékai vagy analógjai.
A NO-molekulát ligandumként tartalmazó fém-nitrozil-komplexek száma számos, bár homoleptikus származékai nem ismertek. A CO-hoz képest a NO erős akceptor, az izocianidok pedig jobb donorok. Az ismert nitrozil-karbonilcsoportok közé tartozik a CoNO(CO) 3 és a Fe(NO) 2 (CO) 2 [65] . A nitrozil komplexeknél az NO molekula kétféle koordinációja is ismert, az egyik esetben a molekula lineáris (a NO + rezonancia szerkezete ) és három elektron donora, a másik esetben sarokszerkezetű (a A NO - ) rezonanciaszerkezete és egy elektron donora, míg a CO-molekula mindig kételektronos donor. A CO-hoz hasonlóan a NO-molekulák is lehetnek terminális és híd ligandumok [66] . Egyes vízoldható nitrozil-komplexek NO-tartalmú gyógyszerként használhatók, például szilárd rákos megbetegedések kezelésében [67] .
A CS-t (szén-monokén) tartalmazó komplexek ismertek, de ritkák [68] [69] . Az ilyen komplexek ritkasága részben az alapvegyület, a szén-monoszulfid látszólagos instabilitásának tudható be. Emiatt a tiokarbonil-komplexek szintézise bonyolultabb utakat igényel, mint például a nátrium-tetrakarbonil-ferrát kölcsönhatása tiofoszgénnel:
A CSe-t és CTe-t tartalmazó komplexek nagyon ritkák.
Minden fém-karbonilcsoport belép a karbonilligandumok szerves foszfor ligandummal történő szubsztitúciós reakciójába. Például a Fe(CO) 5-x (PR 3 ) x összetételű komplexek x = 1, 2 és 3 esetén ismertek. A PF3 hasonlóan viselkedik, de figyelemre méltó, hogy könnyen képes homoleptikus analógokat képezni kétmagvú fémkarbonilokból. Például az illékony, stabil Fe(PF 3 ) 5 és Co 2 (PF 3 ) 8 komplexek a Fe(CO) 5 és a Co 2 (CO) 8 (nem áthidalt izomer) CO-mentes analógjai.
Az izocianidok a fém-karbonilokkal alkotott vegyes komplexek kiterjedt családját is alkotják. A tipikus izocianid ligandumok a metil- és terc-butil-izocianid (Me 3 CNC). Speciális eset a trifluor-metil-izocianid, amelynek instabil molekulái olyan stabil komplexeket alkotnak, amelyek fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon közel állnak a fém-karbonilokéhez.
Minden karbonil mérgező. A fém-karbonilok toxicitása a szén-monoxid és a fém toxicitásával függ össze, és a komplexek illékonysága és instabilitása határozza meg. A lenyelés por vagy karbonil-aeroszolok belélegzésével, folyékony és szilárd karbonilok lenyelésével, vagy bőrön keresztül történő felszívódással történik (a karbonilok zsírokban való jó oldhatósága miatt). A legnagyobb klinikai tapasztalat a nikkel-karbonillal és vas-pentakarbonil-mérgezésre vonatkozik. A nikkel-karbonil az egyik legerősebb inhalációs méreg [70] .
A nikkel-karbonil belélegzése a szén-monoxid-mérgezéshez hasonló akut, nem specifikus tüneteket okoz, beleértve az émelygést, köhögést, fejfájást, lázat és szédülést. Egy idő után súlyosabb tüdőtünetek jelentkeznek - köhögés, tachycardia, cianózis vagy a gyomor-bél traktushoz kapcsolódó tünetek. A tüdő kóros elváltozásai mellett például az alveolusok fémesedése, az agy, a máj, a vesék, a mellékvesék és a lép károsodása figyelhető meg. A fém-karbonil-mérgezés általában hosszú felépülési időszakot igényel [71] . Az alacsony koncentrációjú nikkel-karbonil tartós belélegzése neurológiai tüneteket, például álmatlanságot, fejfájást, szédülést és memóriavesztést okozhat [71] . A nikkel-karbonil karcinogénnek számít, de a rák klinikai megnyilvánulásainak megjelenésétől számítva 20-30 év is eltelhet [72] .
![]() |
---|
A szén oxidjai | ||
---|---|---|
Közönséges oxidok | ![]() | |
Egzotikus oxidok |
| |
Polimerek |
| |
Szén-oxidok származékai |
|