Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Complejos planar cuadrados Principios de las reacciones de sustitución en complejos Complejos octaédricos “Otros números de coordinación o geometrías diferentes son menos conocidos”. Reacciones de sustitución en complejos planar cuadrados: Especies d8 de los grupos 8 9 10 11 ------Ni(II) ------Rh(I) Pd(II) ---Pt(II) ---Ir(I) Au(III) Algunas razones de la abundancia de datos sobre complejos de Pt(II) son: .- Estable frente a la oxidación. .- Los complejos son todos planar cuadrados. .- Velocidades de reacción convenientes para el estudio en el laboratorio. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Sobre el mecanismo general de las reacciones de sustitución en los complejos planar cuadrados: Reacción general: ML3X + Y Ley de velocidad: ML3Y + X d ML3 X k s k y Y ML3 X dt El mecanismo es de tipo asociativo y se muestra a Y continuación: S L L L M L L +S M M +Y X L camino ky X L L X L L L Y S M L L M X X L L L -X L L M L Y L -X L L L M L M X L camino ks L Y L S L Y L M producto -S S rápido +Y M Y L S Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Comprobación de la ley de velocidad: Reacción modelo: Cl N + py Pt N + MeOH Cl N N Pt N Cl Condiciones: [complejo Pt] = 10-5 M, [py] = desde 0.122 a 0.030 M. si la constante de velocidad de pseudo primer orden es: kobs = ks + ky [py] entonces la gráfica de kobs vs. [py] es una línea recta: kobs (s-1) pendiente = ky [py] (mol/lt) La influencia del solvente también se puede demostrar: kobs metanol (s-1) hexano [py] (mol/lt) Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Factores que afectan la reactividad de los complejos planar cuadrados de Pt(II) y de otros iones metálicos d8: .- Naturaleza del grupo entrante. .- Efecto de otros grupos en el complejo. Ligandos trans con respecto al grupo saliente. .- Naturaleza del grupo saliente. .- Naturaleza del ión metálico central. Influencia del grupo entrante: Si el mecanismo es asociativo debemos considerar: el carácter nucleofílico o la nucleofilidad de la especie entrante Y. concepto concepto termodinámico cinético La nucleofilidad se mide a partir de una modificación de la ecuación de Swain-Scott: ky Sí PtL3X + Y PtL3Y y ko PtL3X + H2O PtL3H2O entonces log(ky/ko) = S x nPt S = constante de sensibilidad del sustrato a ser atacado por agua. nPt = constante de nucleofilidad relativa. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Así se han obtenido algunas tendencias de nucleofilidad: a) haluros: I- > Br- > Cl- >> F- b) bases del grupo 15: fosfinas > arsinas > estibinas >> aminas Influencia de ligandos trans con respecto al grupo saliente: Algunos grupos ligandos tienen la propiedad de facilitar la sustitución de los grupos situados frente a ellos ( en posición trans). Efecto trans (es un efecto cinético) Ejemplos: 2Cl - Cl Cl NH3 NH3 Pt Cl Cl Pt Cl Cl rojo NH3 Pt H3 N NH3 incoloro NH3 Pt Cl Cl amarillo anaranjado 2+ H3 N H3N NH3 + H3 N ClH3 N Cl Pt NH3 amarillo pálido H3N ClCl Cl Pt NH3 amarillo Conclusión: el Cl- tiene mejor efecto trans que el NH3. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Otros ejemplos: Para entender la preparación de los tres isómeros del [Pt(CH3NH2)(NH3)(NO2)Cl] se aplica efecto trans y se hace uso de la extraordinaria condición lábil del Cl. 2- - NO2 Cl NH3 Pt Cl Cl H2 H3CN CH3NH2 Pt H3 N NO2 H3 N Pt CH3N H2 Cl Cl CH3N H2 CH3N H2 Pt CH3N H2 Cl H3 N NO2 + NO2 H3N CH3NH2 NH3 Pt NO2 H3 N NO2 Cl CH3NH2 Cl Cl Cl - NO2 Pt Pt H3N Cl 2Cl NO2 NO2 Cl Pt ClNCH3 H2 Pt Cl NCH3 H2 efecto trans CN- CO C2H4 > H- > PH3 SH2 > NO2- > I- SCN- > Br- > Cl- > NH3 py > OH- > H2O Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Naturaleza del grupo saliente: La naturaleza del grupo saliente afecta también la velocidad de las reacciones de sustitución. Para la reacción: Cl DMSO Cl + Cl- Pt Pt Cl amina DMSO + amina Cl Cl Se encontró que para una variedad de aminas, a mayor basicidad de la amina menor será la velocidad de la sustitución. Naturaleza del ión metálico central: + Reacción modelo: Et3P Et3P Cl EtOH M + py PEt3 CH3 Para M = Ni M = Pd M = Pt N + Cl- M PEt3 CH3 ky = 33 M-1 s-1 ky = 0.58 M-1 s-1 ky = 6.7 x 10-6 M-1 s-1 La tendencia anterior a sufrir sustitución se encuentra en el orden Ni(II) > Pd(II) >> Pt(II). Recordar que la estabilidad de las especies planar cuadrado aumenta desde el Ni hasta el Pt. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Mecanismo íntimo para la sustitución en los centros de reacción tetracoordinados planos. energía libre M Y M X Y energía libre X M Y X M M Y X Y X M M-X + Y M-X + Y M-Y + X X M-Y + X coordenada de reacción coordenada de reacción Caso B ( X Y) Caso A (X = Y) energía libre Y M Y X Y M X M Y X M-Y + X M-X+ Y coordenada de reacción Caso C ( X Y) Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Reacciones de sustitución en complejos octaédricos. Características generales: .- Es conveniente el estudio de especies de Co(III). .- El mecanismo es principalmente disociativo. Reacciones frecuentes: 2+ 3+ H3N NH3 H3N NH3 Co H3N NH3 + Br- NH3 NH3 Co + H2O H3N H2O Br NH3 reacción de anación 3+ 3+ H3N NH3 H3N NH3 Co H3N + DMSO NH3 NH3 Co H2O H3N NH3 reacción de solvólisis o hidrólisis NH3 + DMSO H2O Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Consideraciones generales sobre los mecanismos de la reacción de anación. H2O H2O H 2O H2O Kdif +X X -X H2O H2O H2O H2O kw k-w k-w H 2O H2O complejo esfera externa H 2O k-X H2O H2O kX H2O X H2O H 2O X H2O H2O H2O H2O H 2O H2O k-w kX H 2O X H2O H2O mecanismo disociativo (D) H2O mecanismo asociativo (A) H 2O producto mecanismo de intercambio (IA o ID) Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Reacción general: ML5X + Y Ley de velocidad: ML5Y + X d ML5 X k obs complejoX dt Para los mecanismos involucrados: k X k W k obs K dif asociativo: k X k W disociativo: k obs k W k X k W H 2 O k X X k obs K dif k W intercambio: Observaciones importantes sobre medidas de constantes de velocidad: Log kobs (M-1s-1) Ligando Co2+ Ni2+ Cu2+ Zn2+ sustituyente (Y). H 2O 6.4 4.5 9.9 7.5 Bipiridilo 4.9 3.2 7.0 6.0 Fenantrolina 5.3 3.6 7.3 6.3 Glicinato ---- 4.3 9.6 ---SCN4.0 3.7 ---- ---Oxalato ---- 4.8 ---- ---Ditiooxalato ---- 4.8 ---- ---H2EDTA2---- 3.3 5.6 ---HEDTA37.0 5.2 9.0 9.0 Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. .- A mayor carga de Y mayor valor de la k de velocidad. .- No hay relación entre nucleofilidad y velocidades de reacción. .- Se observa dependencia con la naturaleza del ión. (tendencia: menor tamaño del ión, menor velocidad de sustitución. La excepción es el Cu2+). Conclusión: Los mecanismos (A) o (IA) son poco probables. Reacción de hidrólisis: Características específicas: .- Es la inversa de la reacción de anación. Khidrólisis [Co(NH3)5X]2+ + H2O [Co(NH3)5H2O]3+ + XKanación .- Puede llevarse a cabo en medio ácido o básico. 2+ H2N NH3 NH2 Co H2N Cl NH2 + NH2 +OH-H2O H2N H2N H2N NH2 +H2O -Cl- Co Cl NH2 2+ NH3 NH2 Co H2N OH NH2 Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Hidrólisis ácida de especies del tipo [Co(en)2ACl]n+ con Cl como grupo saliente. -El problema del cambio estereoquímico-. Compuesto Grupo A Kobs(s-1) trans-[Co(en)2ACl]n+ OHN3ClBrNH3 NO2OHN3ClBrNH3 NO2- 1.6 x 10-3 2.2 x 10-4 3.5 x 10-5 4.5 x 10-5 3.4 x 10-7 1.0 x 10-3 1.2 x 10-2 2.0 x 10-4 2.4 x 10-4 1.4 x 10-4 5.0 x 10-7 1.1 x 10-4 cis-[Co(en)2ACl]n+ % isómero cis en el producto 75 20 35 50 0 0 100 100 100 100 100 100 Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Consideraciones mecanísticas: 2 2 3 N A +Y M N N M Y N 5 A N 3 N N intermediario pirámide de base cuadrada N 5 4 4 -X 2 N A reacciona con agua 3 N nota: se obvian las cargas en todos los casos M N N 5 X 4 -X 2,4 A 5 N 2 intermediario bipirámide trigonal N 1 A M 4 N 3 +Y N 2,4 +Y 1,4 5 N A 1,2 N A 5 4 N 3 trans 5 N 2 M N +Y Y A N 4 2 N N M 2 N 3 N M Y Y 4 3 N N cis cis Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. 2 2 3 N A +Y M N N intermediario pirámide de base cuadrada N 5 4 4 -X 2 N A reacciona con agua N M Y N 5 A N 3 N 3 N nota: se obvian las cargas en todos los casos M N N 5 X 4 -X 3,5 B 2 N 3 intermediario bipirámide trigonal N 1 A M 5 N 4 +Y N 5,3 2 A +Y 1,5 N N M N 4 2 N N N Y M 3 A M Y 5 N 4 N 5 4 N Y 2 N trans 1,3 3 A 5 +Y N N cis cis 3 Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Conclusiones: .- Los ligandos (A) con pares de electrones en orbitales y en posición trans al grupo saliente reaccionan por hidrólisis con cambio estereoquímico. .- Los ligandos (A) con pares de electrones en orbitales y en posición cis al grupo saliente reaccionan por hidrólisis con retención de la configuración. Justificación: caso trans L eje x A L M -X X A M L L py lleno dxy vacío bpt eje x caso cis eje z L A pz lleno M X L A -X L M pz vacío L pbc Para la estabilización del intermediario, en el caso (pbc) no se requiere rearreglo por que éste reacciona más rápido. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Reacciones de transferencia electrónica. .- Puede haber transferencia simple de electrones. .- Puede haber transferencia de electrones y de átomos. Ejemplos: K > 5 x 104 [Os(en)3]3+ + [Os(en)3]2+ [Os(en)3]2+ + [Os(en)3]3+ -H2O [CoIII(NH3)5Cl]2++[CrII(H2O)6]2+ [(NH3)5CoIII-ClCrII(H2O)5]4+ [(NH3)5CoIICl-CrIII(H2O)5]4+ H+ + H2O [Cr(H2O)5Cl]2+ + 5NH4+ + [Co(H2O)6]2+ (C6H5)3P Ir OC Cl Cl (C6H5)3P + P(C6H5)3 Cl2 Cl Ir P(C6H5)3 OC reacción de adición oxidativa Cl Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Generalidades : Reacciones de transferencia electrónica Esfera externa Esfera interna .- En una reacción vía esfera externa los orbitales moleculares del dador y del aceptor sean desde el mismo tipo, es decir t2g. .- Para la reacción vía esfera interna deben ser ambos t2g o eg. .- La transferencia electrónica t2g t2g es más rápida que la eg eg. Pasos fundamentales para la reacción vía esfera externa: .- Formación del complejo precursor. Ox + Red OxRed .- Activación química del precursor, transferencia electrónica y relajación del complejo sucesor: OxRed Ox-Red+ .- Disociación para formar productos separados: Ox-Red+ Ox- + Red+ Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Ejemplos: ràpida [Co(NH3)5OH2]3++[Fe(CN)6]4[Co(NH3)5OH2]3+[Fe(CN)6]4K = 1500 M-1 [Co(NH3)5OH2]3+[Fe(CN)6]4- [Co(NH3)5OH2]2+[Fe(CN)6]3k = 1.9 x 10-1 s-1 t1/2 = 4 s Productos Oxidante Conf. TCC Reductor Conf. TCC [Fe(OH2)6]3+ (t2g)3(eg)2 [Fe(fen)3]3+ (t2g)5 [Ru(NH3)6]3+ (t2g)5 [Ru(fen)3]3+ (t2g)5 [Co(OH2)6]3+ (t2g)6 [Co(NH3)6]3+ (t2g)6 [Co(en)3]3+ (t2g)6 [Fe(OH2)6]2+ (t2g)4(eg)2 [Fe(fen)3]2+ (t2g)6 [Ru(NH3)6]2+ (t2g)6 [Ru(fen)3]2+ (t2g)6 [Co(OH2)6]2+ (t2g)5(eg)2 [Co(NH3)6]2+ (t2g)5(eg)2 [Co(en)3]2+ (t2g)5(eg)2 Velocidad Transición de reacción electrónica (s-1) (t2g t2g)* 4.0 3 x 107 (t2g t2g)* 8.2 x 102 (t2g t2g)* 1 x 107 (t2g t2g)* 5 (t2g t2g)* 1 x 10-9 (t2g t2g)* 1 x 10-4 (t2g t2g)* Observación importante: .- Agente oxidante y reductor pueden ser diferentes. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Ejemplo de una coordenada de reacción para el complejo de Co. (solo se representa el paso de activación y transferencia) Energía libre II I III coordenada de reacción Caso A I Co2+ (t2g)5(eg)2 Co3+ (t2g)6 II (t2g)6(eg)1 (t2g)5(eg)1 III (t2g)5(eg)1 (t2g)6 Co3+ (t2g)6(eg)1 (t2g)5(eg)2 Co2+ II III Caso B I Co2+ (t2g)5(eg)2 Co3+ (t2g)6 (t2g)5(eg)2 (t2g)4(eg)2 (t2g)4(eg)2 (t2g)5(eg)2 (t2g)6 Co3+ (t2g)5(eg)2 Co2+ Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Pasos fundamentales para la reacción vía esfera externa: .- Formación del complejo precursor. Ox-X + Red(H2O) Ox-X-Red + H2O .- Activación química del precursor, transferencia electrónica y relajación del complejo sucesor: Ox-X-Red Ox--X-Red+ .- Disociación para formar productos separados: Ox--X-Red+ + H2O Ox(OH2)- + RedX+ Ejemplos: Oxidante [Ru(NH3)5Cl]2+ [Ru(NH3)5Br]2+ [Ru(NH3)5I]2+ Reductor Cr2+ [(t2g)2(eg)1] (eg eg)* Velocidad (s-1) 3.5 x 104 2.2 x 103 5.0 x 102 Se aprecia la influencia del ligando puente. Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Preparación y reacciones de los compuestos de coordinación. Reacciones de sustitución en disolución acuosa: (no se consideran por ahora las de transferencia electrónica). .- El ión metálico no debe poseer gran afinidad por el agua. Ej: Al(III), Fe(III) y Cr(III) forman enlaces metal oxígeno fuertes. .- El grupo ligando debe ser soluble en agua. .- Normalmente implica reacción de una sal metálica soluble y un agente coordinante. Algunos ejemplos: 1.- CuSO4 en un beacker + agua [Cu(OH2)4]2+ + NH3 azul 2.- 3.- [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O azul oscuro H2O 2 horas K3[RhCl6] + 3K2C2O4 K3[Rh(C2O4)3] + 6KCl vino tinto 100ºC amarillo H2O [Co(NH3)5Cl]Cl2 + 3en [Co(en)3]Cl3 + 5NH3 púrpura calor anaranjado Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. 4.- H 2O K2[PtCl4] + en rojo [Pt(en)Cl2] + 2KCl amarillo H2 O [Pt(en)Cl2] + 2NH3 amarillo [Pt(en)(NH3)2]Cl2 incoloro Reacciones de sustitución en solventes no acuoso: (no se consideran por ahora las de transferencia electrónica). .- El ión metálico posee gran afinidad por el agua. .- El grupo ligando es insoluble en agua. Algunos ejemplos: 1.CrCl3.6H2O en un beacker + agua H 2O [Cr(OH2)6]3+ + 3en verde en cambio: [Cr(OH2)3(OH)3]3+ + 3enH+ violeta éter CrCl3 + 3en púrpura [Cr(en)3]Cl3 amarillo Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. 2.- FeCl2 en un beacker + agua EtOH [Fe(OH2)6]2+ + 3bipi [Fe(bipi)3]2+ + 6H2O rojo intenso Reacciones de sustitución en ausencia de disolventes: (no se consideran por ahora las de transferencia electrónica). .- Reacción entre una sal anhidra y un grupo ligando líquido. .- Común para la síntesis aminas o dimetilsulfóxido. Algunos ejemplos: 1.NiCl2 + 6NH3(líquido) amarillo 2.CrCl3 + 5NH3(líquido) de complejos [Ni(NH3)6]Cl2 violeta [Cr(NH3)5Cl]Cl2 NH3(líquido)/Na CrCl3 [Cr(NH3)6](NO3)3 amarillo [Cr(NH3)5NH2]Cl2 HNO3 con Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. 3.Co(ClO4)2 + 6DMSO [Co(DMSO)6](ClO4)2 rosado Reacciones de disociación térmica de complejos sólidos: .- Equivale a una reacción de sustitución en estado sólido. .- Pérdida de ligandos acuo o ammin generalmente. Algunos ejemplos: 1.- calor [Cu(OH2)4]SO4.H2O azul 2.- [CuSO4] + 5H2O incoloro 100ºC [Rh(NH3)5OH2]I3 3.- [Rh(NH3)5I]I2 + H2O 250ºC trans-[Pt(NH3)2Cl2] + 2NH3 amarillo [Pt(NH3)4]Cl2 4.[Cr(en)3](NCS)3 5.- 130ºC trans-[Cr(en)2(NCS)2]NCS + en anaranjado 210ºC [Cr(en)3]Cl3 cis-[Cr(en)2Cl2]Cl + en Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Reacciones de oxido reducción: .- Convenientes como alternativa cuando un estado de oxidación particular reacciona lentamente. Ej: Co(II) y Co(III). .- Las oxidaciones de complejos metálicos son más frecuentes que las reducciones. Ejemplos: 1.4[Co(H2O)6]Cl2 + 4NH4Cl + 20NH3 + O2 4[Co(NH3)6]Cl3 + 26H2O Esta reacción progresa en dos etapas que se describen a continuación: [Co(OH2)6]Cl2 + 6NH3 [Co(NH3)6]Cl2 + 6H2O 4[Co(NH3)6]Cl2 + 4NH4Cl + O2 4[Co(NH3)6]Cl3 + 4NH3 + 2H2O 2.NH3(líquido) K2[Ni(CN)4] + 2K K4[Ni(CN)4] 3.Fe(CO)5 + 4KOH K2[Fe(CO)4] + K2CO3 + 2H2O Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Reacciones de sustitución sin ruptura del enlace metal-grupo ligando: .- La evidencia se obtiene a partir del marcaje de átomos. Algunos ejemplos: [(NH3)5Co-O-CO2]+ + 2H+ [(NH3)5Co-OH2]3+ + CO2 [(NH3)5Co-O-SO2]+ + 2H+ [(NH3)5Co-OH2]3+ + SO2 [(NH3)5Co-O-NO]+ + 2H+ [(NH3)5Co-OH2]3+ + NO [(NH3)5Co-18OH]2+ + N2O3 [(NH3)5Co-18ONO]2+ + HNO2 Zn [(NH3)3Pt-NO2]+ [(NH3)3Pt-NH3]2+ HCl/H2O Preparación de compuestos ópticamente activos: .- La etapa fundamental es la separación de los isómeros ópticos (resolución). Ejemplo: H+/H2O2 [Co(OH2)6]Cl2 +3en morado d,l-[Co(en)3]Cl3 + H2O amarillo mostaza Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Resolución de los isómeros: d,l-[Co(en)3]Cl3 d-tartrato de sodio y potasio d-[Co(en)3](d-tartrato)Cl.5H2O l-[Co(en)3](d-tartrato)Cl.5H2O -insoluble-soluble-se separan por filtración simple- KI KI d-[Co(en)3]I3 l-[Co(en)3]I3 Síntesis de compuestos de coordinación usando reacciones de transferencia electrónica: Ejemplo: H2O Rh(py)3Cl3 Na3[RhCl6] + nC5H5N H2O/EtOH trans-[Rh(py)4Cl2]Cl Tema 5: Preparación y reacciones de los complejos metálicos. Mecanismo de la síntesis: Na3[RhCl 6] -NaCl rápida Rh(I) + 4py py [Rh(H 2O)Cl 5]2- "complejo Rh(I)" + CH3CHO lenta [Rh(py) 4]+ + H2O H 2O py py Cl Cl py py rápida Cl Cl Cl Cl Cl I Rh rápida Cl py H 2O 2+ py III Rh py Cl H 2O + Rh(I) + 4Cl + py py Cl py III Rh rápida - H 2O +Cl- py I Rh III Rh py H 2O py Cl py py Cl III Rh H 2O Cl