Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Pars secunda
bull Adicija eliminacija supstitucija
bull Pregradnja (izomerizacija)
bull Prijenos naboja (oksidacija i redukcija)
Vrste kemijskih reakcija
Brzine nekih tipova reakcija
Glava treća
Reakcije supstitucije
Supstitucijske reakcije
supstitucija uključuje zamjenu koordiniranog liganda slobodnim ligandom u
otopini ili zamjenu koordiniranog metalnog iona slobodnim metalnim ionom
najopsežnije su istraživani oktaedarski i kvadratni kompleksi
raspon brzina obuhvaća gotovo 18 redova veličina
labilni (reaktivni) su metalni ioni ili njihovi kompleksi koji reagiraju brzo (unutar
sekundacirc)
inertne su specije u kojih se dvostruka izmjena zbiva sporo (minute ili više)
Brzina reagiranja nije povezana s termodinamičkom stabilnošću ndash nestabilni
spojevi bogu biti inertni a stabilni spojevi mogu biti labilni
Stabilno i labilno
bull Standardna konstanta nastajanja [Hg(CN)4]2- pri 25 degC je reda veličine
1041 a supstitucija CN- brza
[Hg(CN)4]2- + 13CN- [Hg(CN)3
13CN]2- + CN-
bull Standardna konstanta nastajanja [Fe(CN)6]4- (d6) pri 25 degC reda veličine
1037 a supstitucija CN- ekstremno spora ndash tremodinamički nestabilniji
kinetički inertniji
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
bull Adicija eliminacija supstitucija
bull Pregradnja (izomerizacija)
bull Prijenos naboja (oksidacija i redukcija)
Vrste kemijskih reakcija
Brzine nekih tipova reakcija
Glava treća
Reakcije supstitucije
Supstitucijske reakcije
supstitucija uključuje zamjenu koordiniranog liganda slobodnim ligandom u
otopini ili zamjenu koordiniranog metalnog iona slobodnim metalnim ionom
najopsežnije su istraživani oktaedarski i kvadratni kompleksi
raspon brzina obuhvaća gotovo 18 redova veličina
labilni (reaktivni) su metalni ioni ili njihovi kompleksi koji reagiraju brzo (unutar
sekundacirc)
inertne su specije u kojih se dvostruka izmjena zbiva sporo (minute ili više)
Brzina reagiranja nije povezana s termodinamičkom stabilnošću ndash nestabilni
spojevi bogu biti inertni a stabilni spojevi mogu biti labilni
Stabilno i labilno
bull Standardna konstanta nastajanja [Hg(CN)4]2- pri 25 degC je reda veličine
1041 a supstitucija CN- brza
[Hg(CN)4]2- + 13CN- [Hg(CN)3
13CN]2- + CN-
bull Standardna konstanta nastajanja [Fe(CN)6]4- (d6) pri 25 degC reda veličine
1037 a supstitucija CN- ekstremno spora ndash tremodinamički nestabilniji
kinetički inertniji
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Brzine nekih tipova reakcija
Glava treća
Reakcije supstitucije
Supstitucijske reakcije
supstitucija uključuje zamjenu koordiniranog liganda slobodnim ligandom u
otopini ili zamjenu koordiniranog metalnog iona slobodnim metalnim ionom
najopsežnije su istraživani oktaedarski i kvadratni kompleksi
raspon brzina obuhvaća gotovo 18 redova veličina
labilni (reaktivni) su metalni ioni ili njihovi kompleksi koji reagiraju brzo (unutar
sekundacirc)
inertne su specije u kojih se dvostruka izmjena zbiva sporo (minute ili više)
Brzina reagiranja nije povezana s termodinamičkom stabilnošću ndash nestabilni
spojevi bogu biti inertni a stabilni spojevi mogu biti labilni
Stabilno i labilno
bull Standardna konstanta nastajanja [Hg(CN)4]2- pri 25 degC je reda veličine
1041 a supstitucija CN- brza
[Hg(CN)4]2- + 13CN- [Hg(CN)3
13CN]2- + CN-
bull Standardna konstanta nastajanja [Fe(CN)6]4- (d6) pri 25 degC reda veličine
1037 a supstitucija CN- ekstremno spora ndash tremodinamički nestabilniji
kinetički inertniji
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Glava treća
Reakcije supstitucije
Supstitucijske reakcije
supstitucija uključuje zamjenu koordiniranog liganda slobodnim ligandom u
otopini ili zamjenu koordiniranog metalnog iona slobodnim metalnim ionom
najopsežnije su istraživani oktaedarski i kvadratni kompleksi
raspon brzina obuhvaća gotovo 18 redova veličina
labilni (reaktivni) su metalni ioni ili njihovi kompleksi koji reagiraju brzo (unutar
sekundacirc)
inertne su specije u kojih se dvostruka izmjena zbiva sporo (minute ili više)
Brzina reagiranja nije povezana s termodinamičkom stabilnošću ndash nestabilni
spojevi bogu biti inertni a stabilni spojevi mogu biti labilni
Stabilno i labilno
bull Standardna konstanta nastajanja [Hg(CN)4]2- pri 25 degC je reda veličine
1041 a supstitucija CN- brza
[Hg(CN)4]2- + 13CN- [Hg(CN)3
13CN]2- + CN-
bull Standardna konstanta nastajanja [Fe(CN)6]4- (d6) pri 25 degC reda veličine
1037 a supstitucija CN- ekstremno spora ndash tremodinamički nestabilniji
kinetički inertniji
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Supstitucijske reakcije
supstitucija uključuje zamjenu koordiniranog liganda slobodnim ligandom u
otopini ili zamjenu koordiniranog metalnog iona slobodnim metalnim ionom
najopsežnije su istraživani oktaedarski i kvadratni kompleksi
raspon brzina obuhvaća gotovo 18 redova veličina
labilni (reaktivni) su metalni ioni ili njihovi kompleksi koji reagiraju brzo (unutar
sekundacirc)
inertne su specije u kojih se dvostruka izmjena zbiva sporo (minute ili više)
Brzina reagiranja nije povezana s termodinamičkom stabilnošću ndash nestabilni
spojevi bogu biti inertni a stabilni spojevi mogu biti labilni
Stabilno i labilno
bull Standardna konstanta nastajanja [Hg(CN)4]2- pri 25 degC je reda veličine
1041 a supstitucija CN- brza
[Hg(CN)4]2- + 13CN- [Hg(CN)3
13CN]2- + CN-
bull Standardna konstanta nastajanja [Fe(CN)6]4- (d6) pri 25 degC reda veličine
1037 a supstitucija CN- ekstremno spora ndash tremodinamički nestabilniji
kinetički inertniji
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Stabilno i labilno
bull Standardna konstanta nastajanja [Hg(CN)4]2- pri 25 degC je reda veličine
1041 a supstitucija CN- brza
[Hg(CN)4]2- + 13CN- [Hg(CN)3
13CN]2- + CN-
bull Standardna konstanta nastajanja [Fe(CN)6]4- (d6) pri 25 degC reda veličine
1037 a supstitucija CN- ekstremno spora ndash tremodinamički nestabilniji
kinetički inertniji
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Reaktivni i inertni ioni
Henry TaubeKompleksi Cr(III) (d3) su uglavnom inertni
[Cr(en)2(ox)]+ + 4 H2O [Cr(ox)(H2O)4]+ + 2 en spora izmjena
Kompleksi Cu(II) (d9) su uglavnom labilni
[Cu(H2O)4]2+ + 4 NH3 [Cu(NH3)4]
2+ + 4 H2O brza izmjena
Stabilnost je posljedica elektronske konfiguracije iona u danom
ligandnom polju ndash u oktaedarskom labilni ioni imaju prazne
niskoenergijske orbitale t2g ili popunjene visokoenergijske eg
- Objašnjava inertnost Cr(III) - t2g3 Co(III) - t2g
6 Fe(II) - t2g6 i labilnost Cr(II) - t2g
3 eg1
- Ne Objašnjava zašto je izmjena vode u Ni(II) bitno sporija nego u Co(II) i Cu(II)
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Općenito vrijedi1 Svi kompleksi elemenata s-bloka su jako labilni osim najmanjih (Be2+ i Mg2+)
2 Kompleksi M(III) iona elemenata f-bloka su jako labilni
3 Kompleksi d10 iona (Zn2+ Cd2+ i Hg2+) su također vrlo labilni
4 Duž 3d serije kompleksi M(II) iona elemenata d-bloka su umjereno labilni (Cu(II) komplekse
su najstabilniji ndash okrivljuje se Jahn-Tellerov učinak) ndash Irving-Williamsov niz
5 M(III) kompleksi su stabilniji od M(II) kompleksa elemenata d-bloka
6 Kompleksi s d3 i niskospinskim d6 konfiguracijama na pr Cr(III) Fe(II) i Co(III) u nisu
labilni Kelatni kompleksi s istom konfiguracijom poput [Fe(phen)3]2+ su izrazito inertni
7 Kompleksi 4d i 5d elemenata nisu labilni a što je lsquoposljedicarsquo velike energije cijepanja
ligandnog polja i jakosti veze metal-ligand
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Irving-Williamsov niz
Stabilnost u nizu dvovalentnih iona povećava se u sljedećem nizu
Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ gt Zn2+
Porast inertnosti povezan s ionskim radijusom ndash elektrostatski efekt
Fe2+ d6 Co2+ d7 Ni2+ d8 Cu2+ d9 ndash
za jako ligandno polje - Cu(II) stabilniji od Ni(II) iako imaju elektron u
protuveznoj eg orbitali - Jahn Teller (jake veze u
ekvatorijalnoj ravnini)
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Ni(CO)2L2 gtgt Cr(CO)4L2 gtgt Fe(CO)3L2
108
supstitucije karbonila
Co(CO)4 Mn(CO)5 gt V(CO)6 gt Ni(CO)4 gt Ti(CO)3(P⁀P)2 gt Cr(CO)6 gt Fe(CO)5
~1010
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Li+ K+ Cs+
Na+ Rb
Be2+ Mg2+ Ca2+ Ba2+
Sr2+ Eu2+
Ir3+ Rh3+ Cr3+ Ru3+ Al3+ Fe3+ V3+ Ti3+ In3+ Yb3+ Er3+ Dy3+
Ga3+ Tm3+ Ho3+ Tb3+
Gd3+
Pt2+ Pd2+ Zn2+ Cd2+ Hg2+
Mn2+ Cu2+
Ru2+ V2+ Ni2+ Co2+ Fe2+ Cr2+
10minus8 10minus6 10minus4 10minus2 100 102 104 106 108 101010minus10
2
-1H Osk
Brzina supstitucije vode u oktaedarskim heksaakva-kompleksima
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Co(CN)5Cl3ndash + H2O rarr Co(CN)5H2O2ndash + Clndash (solvoliza)
Co(CN)5H2O2ndash + N3
ndash rarr Co(CN)5N33ndash + H2O (anacija)
Pt(dien)Br+ + Clndash Pt(dien)Cl+ + Brndash (metateza)
supstitucija je često prvi korak u kompleksnijem mehanizmu (oksidoredukciji di-
ili polimerizaciji)
Supstitucije sa zasebnim imenima
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Mehanizmi supstitucije
CH Langford HB Gray Ligand Substitution Processes WA Benjamin Inc New York (1965)
MXn ∙ ∙ ∙ Y MXnminus1Y ∙ ∙ ∙ X I minus mehanizam izmjene
MXn MXnminus1 MXnminus1Y D minus disocijacijski mehanizam+Y
minusY
minusX
+X
MXn MXnY MXnminus1Y A minus asocijacijski mehanizamminusX
+X
+Y
minusY
Ali i intermedijarni mehanizmi Ia i Id
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Ia I Id DA
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Disocijacijski mehanizam
ML M + L k1 kndash1
M + L1 ML1 k2 kndash2
L1 u suvišku u odnosu na ML kndash2 asymp 0)
121-
1211
LL
LM L)(M L(M L)
kk
kk
dt
d
dt
d
5 6
Dagger
M S S M S= + -V V V V5 6M S M SltV V Vǂ lt VS
za mehanizam D u vodenoj otopini VDagger lt 18 cm3∙molndash1 (+9 do +11 cm3∙molndash1)
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
u mehanizmu A dolazi do nastanka međuprodukta većeg koordinacijskog broja od
reaktanta
11 LM L)(M L
kdt
d
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lk
M L + L 1 [M LL 1 ]Dagger M L 1 + Lkk
DaggerV će biti negativan do iznosa od oko ndash11 cm3 molndash1
Asocijacijski mehanizam
Gotovo sve supstitucije u kvadratnim kompleksima
odvijaju se asocijacijskim mehanizmom
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
kidanje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
M―X + Y
M―Y + X
X
M
Y
X
M
Y
X
M
YX
M
Y
Dagger
Dagger
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
stvaranje veze određuje brzinu
Reakcijska koordinata
EP
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
M―Y + X
X
M
Y
Dagger
X
M
Y
Dagger
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y
najviša energijska razina određuje glavno prijelazno stanje
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Spora disocijacija MXY rarr MminusY + XBrza asocijacija MminusX + Y MXY
energija međuprodukta može biti između energija reaktanta i produkata
Reakcijska koordinata
M―X + Y
X
M
Y M―Y + X
M―X + Y
X
M
Y
X
M
Y M―Y + X
EP
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Za kvadratne komplekse
Kakva je geometrija pentakoordiniranih međuprodukata ili aktiviranih kompleksa
trigonskoj bipiramidi odgovara međusobna interakcija najmanje pet liganada i
dostupnih orbitala
tijekom izmjene oblikuju se geometrije kako kvadratne piramide tako i trigonske
bipiramide
M
C1
C2 D
T
M
C1
C2 D
TE
E ndash DM
C1
C2 D
TE
M
C1
C2D
T
E
M
C1
C2
T
E
[T D i E u trigonskoj ravnini]
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
u slučaju Au(III) kidanje i stvaranje veze događa se istodobno minus pentakoordinirana
specija je aktivirani kompleks i postoji samo jedan maksimum u reakcijskom profilu
slijed reaktivnosti je
Ni(II) gtgt Au(III) gt Pd(II) gt Pt(II)
slijed možda ima veze sa postojanošću pentakoordiniranih kompleksa i lakoćom s
kojom je ona postignuta u prijelaznom stanju
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Mehanizam izmjene
Eigen-Wilkinsov mehanizam
bull ML + L1 ML ∙ ∙ ∙ L1 K0 brzo
bull ML ∙ ∙ ∙ L1 rarr ML1 ∙ ∙ ∙ L k3
bull ML1 ∙ ∙ ∙ L ML1 + L brzo
u mehanizmu I zamjena L i L1 možda se događa unutar kompleksa vanjske ljuske
opseg utjecaja L1 na proces k3 određuje oznaku mehanizma Id I ili Ia
010
010031
L1
LM L)(M L
K
Kk
dt
d
Pri čemu je [ML]0 je ukupna
koncenstacija kompleksacirc
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Kompleks vanjske ljuske
sekundarnom interakcijom kompleksa unutarnje ljuske s ligandima u otopini nastaje
kompleks vanjske ljuske
interakcija je najučinkovitija između suprotno nabijenih specija (ionski parovi)
izraz kompleks vanjske ljuske skovao je Alfred Werner 1913
Npr adicija brojnih aniona na M(NH3)5H2O3+ (M = Cr ili Co) znatno prije nego li dođe do
konačne izmjene liganada između unutarnje i vanjske ljuske
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0
[Co(NH3)5H2O]3+ + N3ndash [Co(NH3)5H2O]3+ ∙ ∙ ∙ N3
ndash
Kompleks vanjske ljuske
[Co(NH3)5N3]2+ + H2O
Kompleks unutarnje ljuske
K0K0
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Razlikovanje različitih
mehanizama I
DaggerV za Ia malen i negativan ndash za izmjenu vode u V2+ i Mn2+ -41 i -54 cm3∙molndash1
DaggerV za Id malen i pozitivan ndash za izmjenu vode u Co2+ i Ni2+ 61 i 73 cm3∙molndash1
DaggerV za I blizu nule
Ia Id
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Za anaciju D kmj = k1k2[L] (k-1 [H2O] + k2[L]) ndash pri velikim [L] kmj([L]) nije linearna
Za anaciju Id kmj = K k [L] [M-H2O]
Klasični dokaz postojanja mehanizma D Haim i Wilmarth ndash za substituciju vode azidom u
[Co(CN)5H2O]2+ kmj([L]) nije linearna (ponovljeno mjerenje ndash ipak jest)
D vs Id
A vs Iasupstitucije u kompleksima Pt(II) i Pd(II) imaju negativne DaggerS i DaggerV - u skladu s
asocijacijskim mehanizmom
niska vrijednost DaggerV ukazuje da je mehanizam tipa Ia
Konačni dokaz za D ili A ndash prisutnost međuprodukta ndash ako se ne može dokazati
isto treba gledati druge pokazatelje
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Nizak [L1] Srednji [L1] Visok [L1]
D k2[L1] lt k-1[L] k2[L1] ~ k-1[L] k2[L1] gt k-1[L]
Zakon
brzinek1[ML]
I
K0[L1]0 lt 1
K0[L1]0 ~ 1 K0[L1]0 gt 1
Zakon
brzinek3K0[ML]0[L1]0 k3[ML]0
121
121
LL
LM L
kk
kk
010
01003
L1
LM L
K
Kk
L
LM L
1
121
k
kk
Kinetičke značajke različitih mehanizama
određivanje tipa mehanizma (D I ili A) na temelju zakona brzine nije lako
za mehanizam A zakon brzine drugog reda vrijedit će za sve koncentracije L1
pri niskom [L1] svi mahanizmi ponašaju se po zakonu brzine drugog reda
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
U organometalnim (alkilnim kompleksima)
Supstitucija alkilnih kompleksa stehiometrijski je slična drugim supstitucijskim reakcijama
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
CH3Mn(CO)5 + L rarr CH3C(O)Mn(CO)4L rarr CH3Mn(CO)4L + CO
reakcije umetanja karbonila (CO insertion) ili prijenosa (izmiještanja) alkilne skupine (alkyl
migration)
-katalizirane Lewisovim kiselinama
-koraci u mnogim (komercijalno važnim) katalitičkim procesima (hidroformilacije
karbonilacije metanola)
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
Lrsquo Lrsquo
L
CH3
L
C
L
L
L
CH3C O
CH3
O
Izmještanje metilaUmetanje CO
LrsquoLrsquo LrsquoLrsquo
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Umetanje karbonila
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash 13COndash 13CO
Mn
CH3
CO
OC
OC
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13ndash COndash CO
75
25
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Prijenos metilne skupine
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
13
Mn
CO
CO
OC
H3C
CO
CO
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13 ndash 13COndash 13COMn
CO
CO
OC
OC
CH3
CO
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CH3
13
ndash COndash COMn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
Mn
CO
CO
OC
OC
CO
CO
CH3
13
50 (cis)
25
25 (trans)
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Utjecaj ulazećeg i izlazećeg liganda
Najčešće se promatra reakcija
gdje su L i L1 monodentatni ligandi od kojih je jedan molekula vode
ako su aktivacijski parametri osjetljivi na promjenu ulazeće a neosjetljivi prema
izlazećoj skupini mehanizam je asocijacijski aktiviran
ML + L1 ML1 + L
Oktaedarski kompleksi
brzina asocijacijskog mehanizma ovisi o svim ligandima ndash ulazećim izlazećim i
ostalim - svi oni su prisutni u aktiviranim pentakoordiniranim kompleksima ipodjednako
utječu na njegovu stabilnost i aktivacijsku energiju nastajanja
Tetraedarski kompleksi
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Učinak ulazećeg liganda
za brojne reakcije trans-Pt(py)2Cl2 s velikim brojem raznolikih liganada izmjerene su
konstante brzine reakcije
veliki raspon brzina ukazuje na asocijacijski mehanizam
za različite reakcije Pt kompleksa u različitim otapalima vrijedi
log kY = snPt + log ks
bull s minus nukleofilni diskriminacijski čimbenik
bull nPt minus konstanta nukleofilne reaktivnosti korisna je za usporedbu kinetičkih podataka
drugih kompleksa Pt(II)
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
NUKLEOFILNOST LIGANADA skala nPt
Skala nPt temelji se na reakciji
metanol
trans-[(py)2Pt(Cl)2] + Y trans-[(py)2Pt(Cl)(Y)]+ + Cl-
gdje je
nPt = log (ky kMeOH)
Skala vrijedi za reakcije Pt(II) približno za druge
metale ali ne vrijedi za elemente 3d serije
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
00001
0001
001
01
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8 10
103 k molminus1 dm3 sminus1
nPt
CH3OH
Clminus
NH3
C5H5N NO2minus
C3H3N2
N3minusN2H4
Brminus
(CH3)2S
(Ph)3P
(Ph)3As
(NH2)2CS
Iminus
SeCNminus
CNminus
(Ph)3Sb
(CH3)2Se
SCNminus
SO32-
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
NUKLEOFILNOST LIGANADA
Nukleofilnost nekog liganda određuje
1 Bazičnost
- bazičnost liganda karakterizira njegova pKa vrijednost
2 Polarizabilnost
- polarizabilni nukleofilni ligand bdquomekanordquo pibližavanje centralnom metalnom ionu (ulazni ligand (nukleofil) ima lsquoprazne
orbitalersquo niske energije)
3 Lakoća oksidacije
-ligand koji se lako oksidira bolji je nukleofil (standardni redukcijski potencijal)
4 Solvatacijska energija
-ligandi koji su bolje solvatirani slabiji su nukleofili
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Učinak izlazeće skupine
Pt(dien)X+ + py rarr Pt(dien)py2+ + Xndash
istraživanje učinka X na brzine reakcija u vodenoj otopini
CNndash lt NO2ndash lt SCNndash lt N3
ndash ltlt Indash lt Brndash lt Clndash lt H2O lt NO3ndash
članovi niza razlikuju se u k za faktor 106 od najniže (CNndash) do najviše
konstanta brzine 2 reda povećava se sa smanjenjem bazičnosti izlazeće skupine
kidanje veze metal-ligand ipak igra važnu ulogu iako je mehanizam asocijacijski
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Disocijacija karboksilatnih liganada
U slučaju disocijacije monodentatno vezanih karboksilatnih liganada postoje dva
moguća mjesta pucanja veze
U slučaju metalnih iona koji stvaraju labilne komplekse u pravilu puca a
U slučaju metala koji stvaraju inertne komplekse može pucati bilo koja veza (ili
obje) ovisno o R (npr u kompleksima Co(NH3)5CO2R solvoliza s izotopno
obilježenom vodom pokazuje da za R = CH3 puca a ali za za R = CF3 puca b)
Slično se ponašaju i drugi višeatomni ligandi (organski i anorganski s kisikom kao
donornim atomom (sulfati fosfati)
M O
O
R
a
b
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Učinak prisutnih liganada ndash kontrola stereokemije produkta
skupina trans prema izlazećem ligandu ima izraženiji utjecaj na brzinu izlaska od
dviju cis skupina
ligandu se može pripisati red trans učinka
trans učinak minus usmjeravanje ulazeće skupine u položaj trans u odnosu na ligand
smanjenje moći trans učinka za komplekse Pt(II)
CNndashC2H4CONO gt R3P asymp Hndash asymp SC(NH2)2 gt CH3ndash gt C6H5
ndash gt
gt SCNndash gt NO2ndash gt Indash gt Brndash gt Clndash gt NH3 gt OHndash gt H2O
veći trans učinak ima za posljedicu veće konstante brzine za uklanjanje trans liganda
skupine s izraženom težnjom trans labilizaciji zamjenjuju se najteže
u pentakoordiniranom međuproduktu ulazeći nukelofil trans ligand te izlazeći ligand
zauzimaju položaje u trigonskoj ravnini i svi mogu utjecati na energiju prijelaznog
stanja na sličan način
Trans-učinak
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
NA KVADRATNIM KOMPLEKSIMA
Stereokemija supstitucija na kvadratnim kompleksima zadržava
geometriju što upućuje na trigonsko piramidalno prijelazno stanje
cis-kompleks cis-produkt
transndashkompleks trans-produkt
OBRAZLOŽENJE ulazna i izlazna skupina međusobno trans u trigonskoj ravnini
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Stereokemija supstitucije na kvadratnim kompleksima
(a) (b) (c) zadržavanje stereokemije
(b) (d) (e) životni vijek međuprodukta dovoljno dug i može doći do pseudorotacije
što dovodi do nastanka izomeracirc
u cis položaju prema T u trigonskoj ravnini ndash međuprodukt izlazak liganda (KB-5
4) korak koji određuje brzinu
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Na metalnim karbonilima
stereokemija disocijacije CO na kompleksima s neekvivalentnim CO
skupinama
reakcije izmjene na Mn(CO)5Br
supstitucijskom reakcijom uvijek nastaje cis-Mn(CO)4LBr
supstitucijske reakcije ne ukazuju na stereokemiju disocijacije
reakcije izmjene odražavaju se na disocijacijsko mjesto
[načelo mikroskopske reverzibilnosti]
CO cis prema Br disocira najlakše
CO cis prema Br je trans prema (drugom) CO minus dijele iste p elektrone
CO trans prema Br treba biti čvršće vezan
karbonili cis prema Br disociraju mnogo brže od onih trans prema Br
(npr reakcije cis-Mn(CO)4LBr [L = PPh3 P(OPh)3 Py] ndash uvijek disociraju
karbonili cis i prema L i prema Br
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Sterički zahtijevnje skupine u cis-položaju prema izlaznoj stupini mogu ometati
supstituciju i time usporavati reakciju
povećanje steričkg ometanja u kompleksima u slučaju asocijacijskog mehanizma
dovodi do smanjenja brzina (Pd(R5dien)Cl+ + Indash rarr Pd(R5dien)I+ + Clndash
prostorno ometani kompleksi [i s Pt(II) i Au(III)] sliče oktaedarskim analozima te su
nazvani pseudo oktaedarskim kompleksima glomazni ligandi u ravnini
tetrakoordiniranog metalnog kompleksa i zastru apikalne položaje zbog čega su slični
oktaedarskim kompleksima prema značajkama reaktivnosti dok istodobno zadržavaju
neke značajke kvadratnih kompleksa
L = piridin 2-metilpiridin 26-dimetilpiridin
krs-1 8middot10-2 20middot10-4 10middot10-6
Zamjena Cl- s H2O u cis-[PtLCl(PEt3)2] pri 25degC
Cis-učinak
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Utjecaj otapala
solvatacija osnovnog i aktiviranog stanja ima utjecaj na energije aktivacijskih procesa
Može sudjelovati kao nukleofil
utjecaj na iznos k opažen u otapalima sposobnim snažno se koordinirati na metal
(CH3)2SO gt MeNO2 H2O gt ROH
slijed nukleofilnosti ne mijenja se u različitim otapalima
Solvolitička supstitucija (prvo se ligand supstituira molekulom otapala a u drugom
koralu ona ulaznim ligandom)
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Ubrzana supstitucija monodentatnih liganada
H+ OHndash metalni ion i liganad mogu promijeniti brzinu supstitucije liganda
ovi reagensi ili mijenjaju građu reaktanata ili izravno sudjeluju u prijelaznom stanju
ovi reagensi potiču druge reakcijske tokove
ako reagens nije potrošen u reakciji ubrzavajući se učinci smatraju katalitičkim
u protivnom reagens ubrzava ili potiče reakciju
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Uklanjanje potpomognuto s H+
uklanjanje liganada koji zadržavaju određenu bazičnost čak i kada su koordinirani
potpomognuto je kiselinom ndash protoniranje liganda čini ga lsquoboljom izlaznom skupinomrsquo
CrX2+ + H+ CrXH3+ K
CrX2+ + H2O rarr Cr3+ + Xndash k0
CrXH3+ + H2O rarr Cr3+ + HX k1
2+ 3+
2+ 3+
obs
CrX + CrXH- = CrX + CrXH
dk
dt
+
0 1
obs +
+ H=
1+ H
k k Kk
K
nastaje li znatna količina CrXH3+ [X = CH3CO2ndash] vrijedi potpuni zakon brzine
vrijedi li K ≪ [H+]kobs = k0 + k1K[H+]
Postoje iznimke (npr Fe(phen)2(CN)2 ndash manje koncentracije kiseline kataliziraju
izmjenu ali veće je inhibiraju)
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Uklanjanje potpomognuto metalnim ionima
metalni ioni mogu se ponašati vrlo slično protonu
uklanjaju li se ligandi ubrzano s H+ gubitak je pripomognut i metalnim ionom
metalni ioni ubrzano uklanjaju liganade koji mogu premostiti između dva metalna
iona (NCSndash Clndash)
tvrdi metalni ioni (Be2+ Al3+) često uklanjaju tvrde ligande (Fndash)
meki metalni ioni (Hg2+ Ag+) najučinkovitiji su s mekim izlazećim ligandom (Clndash Brndash)
većinu induciranih akvacija slijedi jednostavna kinetika drugog reda
v
2+ III
2+
1
Hg Co=
1+ Hg
a
K
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1
k2
k3
cis-Co(en)2Cl2+ + Hg2+ Co(en)2Cl2Hg3+
cis-Co(en)2(H2O)Cl22+ + HgCl+
K1K1
k2
k3k3
(eksperimentalno nemoguće razlikovati)
Npr
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Uklanjanje potpomognuto ligandom
anioni pospješuju hidrolizu kompleksnih kationa stvaranjem ionskih parova
povišene reaktivnosti
ligandi ubrzavaju uklanjanje koordiniranih liganada ulazeći u koordinacijsku ljusku
metala čineći ih time osjetljivim prema hidrolizi
disocijacijski mehanizam i značajno ubrzanje pospiješeni su s pomoću CH3 CNndash
SO32ndash i drugim skupinama na kompleksima Cr(III) Co(III) i Pt(IV)
monodentatni ligandi ponekad se oslobađaju tek na koncu reakcije
unutarmolekulski prijenos protona s jednog liganda na drugi u međuproduktu(ima)
obično se ligand javlja i u reaktantu i produktu
M
O
O
H
O
O+ M
O
O
OH
O
M
O
O
OH
O
M
O
O
O
OH
M
O
O
O
OH
M
O
O
H
O
O +M
O
O
H
O
O +
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Uklanjanje potpomognuto bazom
OHminus ion može utjecati na reaktivnost sustava u kiseloj sredini
utjecaj hidroksidnog iona na reaktant vjerojatno je najvažnija u bazom
potpomognutoj hidrolizi metalnih amina i aminskih kompleksa
najviše istraživanja napravljeno je s kompleksima CoIII
Co(NH3)5X2+ + OHndash rarr Co(NH3)5OH2+ + Xndash
v = kOH[CoIII][OHndash]
zakon vrijedi sve do c(OHminus) = 1 molL nakon čega se proces jako ubrza
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Moguće objašnjenje Mehanizam konjugirane baze Dcb
brza predravnoteža uz stvaranje supstitucijski nepostojanog amidnog kompleksa
(trans-učinak liganda NH2)
Co(NH3)5X2+ + OHndash Co(NH3)4(NH2)X
+ + H2O k1 kndash1 K1
Slijedi disocijacija liganda vezanje molekule vode i unutramolekulsku prijenos
protona
Co(NH3)4(NH2)X+ rarr Co(NH3)4NH2
2+ + Xndash k2
Co(NH3)4NH22+ + H2O rarr Co(NH3)4(NH2)H2O
2+ brzo
Co(NH3)4(NH2)H2O2+ rarr Co(NH3)5OH2+ brzo
[Co(NH3)5OH2+ + H2O Co(NH3)4(NH2)H2O3+ + OHndash ]
III
III - III -1 2OH
-1 2
Co= = Co OH = Co OH
+
d nk kv k
dt k k
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Trovalentni metalni ioni
zamjena otapala na CrIII FeIII RuIII i GaIII u vodi je drugog reda s konstantom brzine
ksup = a + b[H+]ndash1
dolazi se do podaka o supstituciji za M(H2O)63+ i M(H2O)5OH2+
negativni DaggerV ukazuju na A i Ia mehanizam za prijelazne metalne ione tipa [M(H2O)6]3+
disocijacijski mehanizam Id za ione M(H2O)5OH2+
OHndash u M(H2O)5OH2+ jako labilizira H2O u trans-položaju
deprotonacija molekule vode povećava brzinu 102 ndash 103 puta
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Supstitucije koje uključuju polidentatne ligande
MOH2
OH2
+ L―L MOH2
L―L+ H2O
MOH2
L―LM
L
L+ H2O
M(L2)
[M(OH2)2]
k1 kndash1
k2 kndash2
Uz predpostavku staljenog stanja za međuprodukt s LndashL kao monodentatnim
ligandom
2
f 2 2 d 2
M (L )= M (O H ) L - L - M (L )
dk k
dt
1 2
f
-1 2
=+
k kk
k k ( )-1 -2
d
-1 2
=+
k kk
k k
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
stvaranje prve veze pri kelataciji obično određuje brzinu reakcije
[vrijedi podjednako pri kvadratnoj i oktaedarskoj supstituciji]
H2N(CH2)2H2N
Pt
Cl
NH2(CH2)2NH2Cl
104 sndash1
H2N(CH2)2H2N
Pt
NH2
NH2Cl
073 sndash1
(CH2)2 Pt
NH2
NH2H2N
(CH2)2(H2C)2
H2N 2+2+2+2+
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2++
+ NH3
H3N
Pt
Cl
NH3Cl
54 x 10ndash3 Mndash1sndash154 x 10ndash3 Mndash1sndash1
H3N
Pt
NH3
NH2Cl
+ NH3 Pt
NH3
NH3H3N
H3N54 x 10ndash4 Mndash1sndash1
2+2+++
+ NH3
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
k2 ≫ kndash1
bull kf = k1 minus brzina stvaranja kelata određena je brzinom nastajanja jedinke MndashLndashL
očekuje se da je prvo stvorena veza razmjerno jaka
kidanje veze u međuproduktu (kndash1) manje je izraženo od zatvaranja prstena (k2)
Primjer
Cr(H2O)63+ + H3N
+CH2CO2ndash [Cr(H2O)6
3+H3N+CH2CO2
ndash] rarr [Cr(H2O)4H2NCH2CO2]2+
rds je izbacivanje molekule vode iz koord ljuske Cr(III) uz brzo zatvaranje prstena
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
k2≪ kndash1
bull kf = k1k2kndash1
rds je zatvaranje prstena
obično uzrokovano specifičnim razlozima
1 prvi korak neuobičajeno brz
Co(tren)(OH)H2O2+ + CO2 rarr Co(tren)(H2O)OCO2H
2+ rarr Co(tren)CO3+ + H3O
+
prvi je korak brz zbog toga jer ne dolazi do kidanja veze CondashO - nakon toga
slijedi sporija unutarmolekularna kelatacija
Uobičajen mehanizam supstitucije O-donornih liganada na inertnim kompleksima
(navlast Cr(III) i Co(III))
OH
Cr OH2
OH+
Cr OH2
O C O
CO
O
O
Cr
C
O
O
+
H3O+
O
Cr
C
O
O
+
+
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
poteškoće pri zatvaranju prstena zbog kidanja unutarnje vodikove veze
Ni2+ + dnsa2ndash minus k = 31 x 104 Mndash1sndash1 (25 degC I = 03 M)
Ni2+ + dnsaHndash minus k = 38 x 102 Mndash1sndash1
O
O OH
Ni+
O
O O
H
Ni+
O
O ONi
O
O OH
ndash
+ Ni2+k1
kndash1
k1
kndash1
k2
kndash2
k2
kndash2
k3
kndash3
k3
kndash3
+ H+
6 7 8
1 2 3f
-1 -2 -1 3 -2 3
=+ +
k k kk
k k k k k k
2 zatvaranje prstena je ometano
stvaranjem šesteročlanih kelatnih prstenova s diketonima ili
b-aminokiselinama ndash ligand se mora deprotonirati da bi se prsten mogao zatvoriti
posebno problem ukoliko postoji unutarmolekulska vodikova veza u molekuli liganda
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Učinak [H+] na brzinu supstitucije u kelatnim kompleksima
brzina nastajanja i brzina hidrolize kelata često ovisi o pH
kelatirajući ligand L i njegov monoprotonirani oblikom LH+ postoje kod pojedinog pH
čije se reaktivnosti razlikuju
HL+ H+ + L K1
M + L ML k2 kndash2 K2
M + LH+ ML + H+ k3 kndash3 K3
[K3 = K1K2 ndash za slabo kisele ligande K2 gtgt K3 budući da je K1 ltlt 1]
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
proton može pomoći pri uklanjanju kelatirajućeg liganda
M
A
A
XM
AmdashA
X
H+
M
AmdashAH
X
Y
M
Y
X
bull koordinacijske lančane reakcije
potpuna zamjena
MA2 + NB2 rarr MB2 + NA2
miješane specije
MA2 + NB2 MAB + NAB
lančani mehanizam u kojem postoji solvatirani monokelatni međuprodukt
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija
Oksidacijske adicije i redukcijske eliminacije
S ligandom dolazibiva uklonjen i naboj
Tipični primjeri ndash reakcije organometalnih spojeva s elementarnim halogenima
RminusX + Mg rarr RminusXbullminus + Mgbull+
RminusXbullminus rarr Rbull + Xminus
Rbull + Mgbull+ rarr RMg+
RMg+ + Xminus rarr RMgX
Franccedilois Auguste Victor Grignard
R(HgOAc)COAc + Br2 rarr RBrCO2CH3 + BrHgOAc
Hofmann-Sandova reakcija
Simmons-Smithova reakcija