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配位化合物的讲义第一节配位化合物的基本概念(一)配位共价键由一个原子单方面提供l对电子与另一个有空轨道的原子(或离子)共用而形成的共价键,称为配位共价键(coordinate bond),简称配位键.在配位键中,提供电子对的原子称为电子对的给予体;接受电子对的原子称为电子对的接受体.配位键常用"→"表示,箭头指向电子对的接受体.例如,铵离子(NH)可看作是氨NH3分子与H+离子结合形成的.在氨分子中,氮原子的2p轨道上有一对没有与其他原子共用的电子,这对电子称为孤对电子,氢离子上具有1s空轨道.在氨分子与氢离子作用时,氨分子上的孤对电子进入氢离子的空轨道,与氢共用,形成配位键.在铵离子中,虽然1个N→H键和其他3个N-H键的形成过程不同,但一旦形成了铵离子,这4个氮氢键的性质完全相同.配位键是一种特殊的共价键,广泛存在于无机化合物中.凡一方有空轨道,另一方有未共用电子对时,两者就可能形成配位键.例如:HNO3,H2SO4及其盐中均存在着配位键.(二)配位化合物配位化合物简称配合物,是一类组成复杂,发展迅速,应用广泛的化合物.1.配位化合物的概念配位化合物是一类含有配位单元的复杂化合物.通常以酸,碱,盐形式存在,也可以电中性的配位分子形式存在.如[Cu(NH3)4]SO4,K4[Fe(CN)6],[Fe(CO)5]等.配位单元一般是指由金属原子或金属离子与其他分子或离子以配位键结合而形成的复杂离子或化合物.如[Cu(NH3)4]2+,[Fe(CN)6]4-,[Fe(CO)5],[PtCl2(NH3)2]等.离子型配位单元又称为配离子.根据配离子所带电荷的不同,可分为配阳离子和配阴离子,如[Cu(NH3)4]2+,[Fe(CN)6]4-.含有配位单元的化合物称为配位化合物(coordination compound).习惯上把配离子也称为配合物.2.配位化合物的组成配位化合物的核心是配位单元.通常把配位化合物分为内界和外界两个部分.内界是配离子,外界是反离子,内界和外界之间以离子键结合.现以硫酸四氨合铜(Ⅱ)为例来说明配合物的组成.(1)中心原子(或离子) 在配离子(或配位分子)中,接受孤对电子的阳离子或原子统称为中心原子(central atom).中心原子位于配位化合物的中心位置,是配合物的核心部分,也称为配合物的形成体.中心原子必须具有空轨道,可以接受孤对电子.常见的中心原子多为副族的金属离子或原子.如[Cu(NH3)4]2+的中心原子Cu2+,[Fe(CO)5]的中心原子Fe等.(2)配位体和配位原子在配合物中,与中心原子以配位键结合的阴离子或中性分子称为配位体(ligand),简称配体.如[Cu(NH3)4]SO4,K4[Fe(CN)6]和[Fe(CO)5]中的NH3,CN-和CO都是配位体.配位体中能提供孤对电子与中心原子以配位键相结合的原子称为配位原子(ligating atom).如NH3中的N,CN-中的C,CO中的C.常见的配位体有:NH3,H2O,CN-,SCN-,Cl-等.常见的配位原子有:N,O,C,S,Cl等.按配位体中配位原子的多少,配位体可分为单齿配位体和多齿配位体.含有一个配位原子的配位体为单齿配位体(monodentate ligand);含有两个或两个以上配位原子的配位体为多齿配位体(polydentate ligand).如:乙二胺乙二胺四乙酸根离子多齿配位体与中心原子形成的配合物也称为螯合物(chelate).(3)配位数在配合物中,与中心原子结合成键的配位原子的数目称为配位数(coordination number).如K4[Fe(CN)6]中有6个C原子与Fe2+成键,Fe2+的配位数是6.而[Cu(en)2] (OH)2中配位体en是双齿配位体,因此Cu2+的配位数是4而不是2.若配位体有两种(或两种以上),则配位数是配位原子数之和.如[Pt(NO2)2(NH3)4]Cl2中Pt4+的配位数是6.(4)配离子的电荷配离子的电荷数等于中心原子与配位体电荷数的代数和.例如,在[Cu(NH3)4]SO4中,配离子的电荷数为: +2,写作[Cu(NH3)4]2+.在K4[Fe(CN)6]中,配离子的电荷数为:-4,写作[Fe(CN)6]4-.由于配合物是电中性的,因此,外界离子的电荷总数和配离子的电荷总数相等,符号相反,所以配离子的电荷数也可以根据外界离子来确定.3.配合物的命名配合物的命名与一般无机化合物的命名原则相同.(1)配合物的命名顺序阴离子在前,阳离子在后,像一般无机化合物中的二元化合物,酸,碱,盐一样,命名为"某化某","某酸","氢氧化某"和"某酸某".(2)配离子的命名顺序配位体数目(中文数字表示)—配位体名称—合—中心原子名称—中心原子氧化值(罗马数字表示).有的配离子可用简称.(3)配位体命名顺序若配位体不止一种,则先无机配位体,后有机配位体;先阴离子,后中性分子.若均为中性分子或均为阴离子,可按配位原子元素符号英文字母顺序排列.不同配位体之间以圆点"·"分开,复杂的配位体名称写在圆括号中,以免混淆.下列是一些配合物的命名实例:[Ag(NH3)2]+ 二氨合银(Ⅰ)配离子 (银氨配离子)[Fe(CN)6]3- 六氰合铁(Ⅲ) 配离子[Fe(CO)5] 五羰基合铁(0)[Pt(NO2)2(NH3)4]2+ 二硝基·四氨合铂(Ⅳ)配离子[Co(NH3)5H2O]3+ 五氨·一水合钴(Ⅲ)配离子[Ag(NH3)2]OH 氢氧化二氨合银(I)[Cu(NH3)4]SO4 硫酸四氨合铜(Ⅱ)K3[Fe(CN)6] 六氰合铁(Ⅲ)酸钾 (铁氰化钾或赤血盐)H2[PtCl6] 六氯合铂(Ⅳ)酸[Pt(NO2)2(NH3)4]Cl2 二氯化二硝基·四氨合铂(Ⅳ)[Co(NH3)5H2O]Cl3 三氯化五氨·一水合钴(Ⅲ)第二节配合物的稳定性一,配离子的离解平衡将氨水加到硝酸银溶液中,则有[Ag(NH3)2]+配离子生成,反应式为:Ag++2NH3→[Ag(NH3)2]+此反应称为配合反应(也叫络合反应).由于配离子是由中心离子和配位体以配价键结合起来的,因此,在水溶液中比较稳定.但也并不是完全不能离解成简单离子,实质上和弱电解质类似,也有微弱的离解现象.(一)配合物的稳定常数配合物的稳定性,可以用生成配合物的平衡常数来表示,例如:应用化学平衡原理,可得:K值越大,表示形成配离子的倾向越大,此配合物越稳定.所以配离子的生成常数又称为稳定常数(Ks).(二)不稳定常数在水溶液中,[Ag(NH3)2]+是稳定的,不过像其他弱电解质一样也有少数[Ag(NH3)2] +发生离解,可用下式表示:则平衡常数表达式为:K不稳值愈大,表示配离子离解愈多,故称K不稳为配离子的不稳定常数. Ks和K 不稳互成倒数.二,配合平衡的移动金属离子Mn+和配位体A-生成配离子MA x (n-x)+,在水溶液中存在如下平衡:根据平衡移动原理,改变Mn+或A-的浓度,会使上述平衡发生移动.若在上述溶液中加入某种试剂使Mn+生成难溶化合物,或者改变Mn+的氧化状态,都会使平衡向左移动.若改变溶液的酸度使A-生成难离解的弱酸,也可使平衡向左移动.配合平衡同样是一种相对的平衡状态,它同溶液的pH值,沉淀反应,氧化还原反应等都有密切的关系.(一)与酸度的关系根据酸碱质子理论,所有的配位体都可以看作是一种碱.因此,在增加溶液中的H+浓度时,由于配位体同H+结合成弱酸面使配合平衡向右移动,配离子平衡遭到破坏,这种现象称为酸效应,例如:配位体的碱性愈强,溶液的pH值愈小,配离子愈易被破坏.金属离子在水中,都会有不同程度的水解作用.溶液的pH值愈大,愈有利于水解的进行.例如:Fe3+在碱性介质中容易发生水解反应,溶液的碱性愈强,水解愈彻底(生成Fe(OH)3沉淀).因此,在碱性介质中,由于Fe3+水解成难溶的Fe(OH)3沉淀而使平衡向右移动,因而[FeF6]3-遭到破坏,这种现象称为金属离子的水解效应.(二)与沉淀反应的关系当向含有氯化银沉淀的溶液中加入氨水时,沉淀即溶解.当在上述溶液中加入溴化钠溶液时,又有淡黄色的沉淀生成.由于AgBr的溶解度比AgCl的溶解度小得多,因而Br-争夺Ag+的能力比Cl-的大,所以能产生AgBr沉淀而不能产生AgCl沉淀.沉淀剂与金属离子生成沉淀的溶解度愈小,愈能使配离子破坏而生成沉淀.(三)与氧化还原反应的关系配合反应的发生可以改变金属离子的氧化能力.例如:当PbO2(Pt+)与盐酸反应时,其产物不是PbCl4,而是PbCl2和Cl2.但是当它形成[PbCl6]2-配离子后,Pb就能保持它的+4氧化态.配合反应影响氧化还原反应的方向.例如,Fe3+可以把I-氧化成I2:在加入F-后,由于生成[FeF6]3-,减少了Fe3+的浓度,使平衡向左移动.当我们考查配合反应对氧化还原反应的影响时,不仅要注意配离子的形成,而且还要注意配离子的稳定性.第三节螯合物(内络合物)一,螯合物的概念螯合物又称内络合物,是螯合物形成体(中心离子)和某些合乎一定条件的螯合剂(配位体)配合而成具有环状结构的配合物."螯合"即成环的意思,犹如螃蟹的两个螯把形成体(中心离子)钳住似的,故叫螯合物.形成螯合物的第一个条件是螯合剂必须有两个或两个以上都能给出电子对的配位原子(主要是N,O,S等原子).第二个条件是每两个能给出电子对的配位原子,必须隔着两个或三个其他原子,因为只有这样,才可以形成稳定的五原子环或六原子环.例如,在氨基乙酸根离子(H2N-CH2-COO-)中,给出电子的羟基氧和氨基氮之间,隔着两个碳原子,因此它可以形成稳定的具有五原子环的化合物.四原子环在螯合物中是不常见的,六原子以上的环也是比较少的.中心离子有一定的电荷数,同时也有一定的配位数.Cu(Ⅱ)带有二个正电荷,它的配位数为4.氨基乙酸根离子(H2N-CH2-COO-)既有氨基氮,都能给出电子对;氨基氮能满足中心离子的配位数,羟基氧则能使配位数和电荷数同时得到满足,因此Cu 2+和两个(H2N-C H2-COO-)螯合后,得到的是中性分子二氨基乙酸合铜(Ⅱ)(简称氨基乙酸酮)[Cu(H 2N-CH2-COO)2]由于羟基氧带有负电荷,故它与Cu 2+形成的配键通常用"-"表示. 螯合物的特殊稳定性是环形结构带给它们的特征之一.环愈多使螯合物愈稳定.通常所说的"螯合反应"就是指由于螯合而使化合物具有特殊的稳定性.由于螯合物的特殊稳定性,已很少能反映金属离子在未螯合前的性质.金属离子在形成螯合物后,在颜色,氧化还原稳定性,溶解度及晶形等性质发生了巨大的变化.很多金属螯合物具有特征性的颜色,而且这些螯合物可以溶解于有机溶剂中.利用这些特点,可以进行沉淀,溶剂萃取分离,比色定量等分析分离工作.二,螯合剂常用的螯合剂是氨螯合剂,是一类似以氨基二乙酸[HN(CH2COOH)2]为基体的螯合剂,它以N,O为螯合原子,与金属离子螯合时形成环状的螯合物.最常用的氨羧螯合剂是EDTA(乙二胺四乙酸或其二钠盐的统称).它的结构是:乙二胺四乙酸是四元酸,如果用Y表示它的酸根,则乙二胺四乙酸可以简写成H4Y. 由于乙二胺四乙酸在水中的溶解度比较小,而其二钠盐在水中的溶解度却比较大.因些在实际应用中人们常采用EDTA二钠盐.EDTA二钠盐含有2分子结晶水,用简式Na2H2Y·2H2O表示它.EDTA是四元酸,它在水中是分步离解.除碱金属离子外,EDTA几乎能与所有的金属离子形成稳定的金属螯合物.并且,在一般情况下,不论金属离子是几价,1个金属离子都能与1个EDTA酸根(Y4-)形成可溶性的稳定螯合物.例如:式中M表示金属离子,右上角的数字和符号表示离子的离子价.虽然,除碱金属离子外,各金属离子大多数能与EDTA形成螯合物,但它们的稳定性差别很大.EDTA是应用最广的一种氨羧螯合剂,用EDTA标准液可以滴定几十种金属离子,这个方法就称EDTA滴定法.目前所谓螯合滴定法主要是指EDTA滴定.三,螯合物在医学上的应用螯合物在自然界存在得比较广泛,并且对生命现象有着重要的作用.例如,血红素就是一种含铁的螯合物,它在人体内起着送氧的作用.维生素B12是含钴的螯合物,对恶性贫血有防治作用.胰岛素是含锌的螯合物,对调节体内的物质代谢(尤其是糖类代谢)有重要作用.有些螯合剂可用作重金属(Pb2+, Pt2+,Cd2+,Hg2+)中毒的解毒剂.如二巯基丙醇或EDTA二钠盐等可治疗金属中毒.因为它们能和有毒金属离子形成稳定的螯合物,水溶性螯合物可以从肾脏排出. 有些药物本身就是螯合物.例如,有些用于治疗疾病的某些金属离子,因其毒性,刺激性,难吸收性等不适合临床应用,将它们变成螯合物后就可以降低其毒性和刺激性,帮助吸收.另外在生化检验,药物分析,环境监测等方面也经常用到螯合物.。
幻灯片1配位化学导论Introduction of Coordination Chemistry2012.09.02 幻灯片2举例 (for examples)：N NNN -OOCCOO--OOCCOO -Gd 3+PtH 3NH 3N Cl Cl顺铂 cisplatin核磁共振造影剂Contrast agent配合物 Coordination compounds, complexes 幻灯片3血红蛋白的血红素中心Hemoglobin, note that thePorphyrin ring bulges downtoward the histidine(left), butbecomes flatterwhen oxygenattaches(right)血红蛋白，注意，这个卟啉环膨胀向组氨酸（左），但当氧气变得平坦高度（右）肌红蛋白的结构, Fe 被多肽链包围Myoglobin. The tubular structure represents the polypeptide chain, and straight sections indicateHelical regions.肌红蛋白。
的管状结构表示的多肽链，和直线部分表示 螺旋区域。
幻灯片4配位化学是建立在无机化学基础上的一门独立的、同时也与化学各分支学科以及物理学、生物学等互相渗透的综合性学科幻灯片51 掌握配位化学的基础知识、基础理论、基本反应及理论。
2 掌握新颖配合物的实验研究方法、包括红外光谱、紫外－可见光谱等各种谱学研究方法。
X 射线单晶衍射法研究配合物晶体结构。
3 了解配合物在材料化学、生命科学、催化化学、药化学等相关领域的应用。
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幻灯片6Part OneAn Introduction to Coordination Chemistry幻灯片7The History of Coordination ChemistryCoH 3NH 3NNH 3NH 3NH 3NH 33+[Cu(NH 3)4]2+Fe 4[Fe(CN)6]3Libau 1597Anonymous 1731 Tassaert 1798PdH 3NNH 3H 3NNH 3Pd ClClClCL2+2-NiOCOC CO COMond 1890Vauquelln 1813 幻灯片8CoNH 3NH 3NH 3NH 3NH 3NH 3Cl Cl ClBlomstrand 的结构式 CoCl3·6NH3CoNH 3NH 3NH 3NH 3NH 3ClClClNH 3CoCl3·6NH3JØrgensen 提出的结构式CoNH 3NH 3NH 3NH 3ClClClNH 3CoCl3·5NH3CoNH 3NH 3NH 3ClClClNH 3CoCl3·4NH3 幻灯片9IrNH 3NH 3ClClClNH 3IrCl3·3NH3The Modern Coordination Chemistry- Werner Coordination ChemistryAlfred Werner (1866-1919) : a young unsalaried lecture in organic chemistry in ZTH in 1892.Two types of valences: 主价(primary valence)副价(secondary valence)Solid linesCoCl3·6NH3Dashed lines副价指向空间的固定位置（the secondary valences direct toward the fixed geometric positions in space)Audacious fiction (厚颜无耻的虚构）intuition幻灯片11ClCo Cl ClH3NNH3NH3NH3H3NNH3ClCoClClH3NNH3NH3H3NNH3ClCoClClH3NNH3H3N NH3ClIrClClH3NH3N NH3IrCl3·3NH3CoCl3·5NH3CoCl3·4NH3CoCl3·6NH3Werner 也预测了不同空间结构的配合物存在的异构体(isomer)的数量. 例如：CoCl3·4NH3有两种异构体In 1907 Werner was fully successful to prepare the two isomers, one a bright green and another a violet color.幻灯片12有一本书称为：<Alfred Werner——Founder of Coordination Chemistry>幻灯片13配位化合物的主要特征The Key Features of Coordination ComplexCoCl3·6NH3 [Co(NH3)6]Cl3CoCl3·5NH3 [Co(NH3)5Cl]Cl2CoCl3·4NH3 [Co(NH3)4Cl2]ClCoCl3·3NH3 [Co(NH3)3Cl3]K[Pt(NH3)Cl5]K2[PtCl6]幻灯片14Coordination chemistryis the study of compounds formed between metal ions and other neutral or negatively charged molecules.A coordination complexis the product of a Lewis acid-base reaction（路易斯酸碱反应 in which neutral molecules or anions (called ligands 配体) bond to a central metal atom (or ion) by coordinate bonds(配位键）.幻灯片15常见的配体● ligands that can be easily polarized●●配位体，可以很容易地偏振光● H–, R–, CN–, I–, CO, SCN–, R3P, C6H6, R2S,● RS-, C2H4, C5H5- and other alkyl, alkenyl alkynyl, etc..● ligands that are difficult to be polarized. ●● F–, OH–, H2O, NH3 , CO32–, NO3–, O2–, SO42–, PO43–, ClO4–● RCO2-, etc..●Soft ligands:●Hard ligands:幻灯片16配体的分类(classification of ligands)单齿配体 (monodentate ligands)双齿配体 (bidentate ligands)两可配体 (ambidentate ligands)多齿配体 (multidentate ligands)螯合配体 (chelating ligands)螯合角 (Bite angle)幻灯片172 or 4e- donor 2 or 4e- donorBridging Triply bridgingBridging Triply bridging Quad bridgingweak donorO OCR Carboxylates ηη12-terminal -terminal BridgingM OORMO OMRRO MOη2-chelating 4e-η1 2e- modeμ-bridgingOMOR RHAcetoacetonates (acac)OO MHRRUnusual C-bonded acac幻灯片18N NN N Bipy = BipyridinePhen = phenanthrolineN NMeMe MeMeTMEDA=tetramethylenediamineen dppe ox acac幻灯片19Some well-known chiral ligandsOH OH NH2 NH2BINOL BINAMPPh2PPh2BINAPPFeMeMePh 2PMeMeMeMeMe具有平面手性的二茂铁衍生物幻灯片20最常见的两可配体有：氰根CN-(cyanide), 硫氰根SCN-(thiocyanide), 亚硝酸根 NO2- (nitrite)(H 3N)5CoNOO2+(H 3N)5Co O N2+ONitroPentaamminenitrocobalte(III)NitritoPentaamminenitritocobalte(III)EDTA, Tp, salen, Cp幻灯片21配位数和配位几何构型coordination number and coordination geometry配位数：与中心元素连接的点的总数(1－16), 6最常见。
