inner-sphere Elektronentransfer

Für einen inner-sphere Elektronentransfer ist ein Ligandentransfer nicht unbedingt
nötig, z.B. Oxidation von [Cr(H2O)6]2+ mit [IrCl6]2[IrCl6]2- + [Cr(H2O)6]2+
{[Cl5Ir-Cl-Cr(H2O)5]} + H2O
[IrCl6]3- + [Cr(H2O)6]3+
Diese Brückenspezies ist stabil genug für eine Abtrennung und Untersuchung ihres
Zerfalls:
dieser erfolgt zu 39% ohne Cl- Transfer, zu 61% mit Cl- Transfer.
Außerdem konkurrieren in dieser Reaktion inner-sphere und outer-sphere
Mechanismus mit ähnlichen Geschwindigkeiten (siehe: Riedel/Janiak, Moderne
Anorganische Chemie, de Gruyter 2007).
Intervalenz-Elektronentransfer
= Intramolekularer Elektronentransfer in einem gemischtvalenten
verbrückten Komplex, entdeckt am stabilen Creutz-Taube-Komplex-Ion:
Hier sind zwei Ruthenium-Ionen in gleicher chemischer Umgebung, aber
formal unterschiedlicher Ladung über Pyrazin verbrückt (siehe: Joan Ribas
Gispert, Coordination Chemistry, Wiley VCH 2008):
Creutz-Taube Komplex-Ion
Gemischtvalenz von multinuklearen Verbindungen
• Z.B. Berliner Blau FeIII[FeIIIFeII (CN)6]3
• Hier sind die Fe(II)- und Fe(III)-Zentren über Cyanid-Liganden
verbrückt.
• Dadurch wird der Transport von Elektronen zwischen den
Eisenzentren über die Cyanidbrücken ermöglicht und es
resultiert die intensiv blaue Farbe.
• In gemischtvalenten Komplexen liegen häufig Metallzentren
mit d5- und d6- Elektronenkonfiguration vor.
• Ru(II)- Ru(III)-Komplexe wurden vielfach untersucht (z.B. das
Creutz-Taube-Ion)
•
Der Brückenligand verursacht durch seine Ausdehnung einen räumlichen
Abstand zwischen den Metallzentren, dies verhindert den direkten
Elektronentransfer.
•
Aufgrund seiner Eigenschaften wie Geometrie und elektronische Struktur
ermöglicht der Brückenligand einen Transport von Elektronen über sein
eigenes Bindungssystem.
•
Beim Ladungstransport über Brückenliganden sind zwei Mechanismen
möglich:
•
Der Elektronentransfer kann einerseits über energetisch tiefliegende,
unbesetzte Molekülorbitale (LUMO) des Brückenliganden stattfinden,
•
oder andererseits durch Lochtransfer über energetisch höher liegende,
besetzte Molekülorbitale (HOMO) des Brückenliganden.
Robin-Day-Klassifizierung der
gemischtvalenten Komplexe:
Klasse I: Kaum Wechselwirkung zwischen den
Reaktionszentren, durch großen Abstand,
unterschiedliche chemische Umgebung: der
gemischtvalente Komplex zeigt nur die Eigenschaften der
isolierten Zentren
Klasse II: Schwache elektronische Wechselwirkungen
zwischen den Redoxzentren verändern ihre Eigenschaften
(sie bleiben aber “valence localized“ (Beispiel:
Berlinerblau)
Klasse III: Die Metallionen sind exakt identisch (wie beim
Creutz-Taube Ion), die elektronische Kopplung zwischen
den Redoxzentren ist sehr groß, die Eigenschaften des
gemischtvalenten Komplexes sind sehr verschieden von
denen der isolierten Zentren (valence delocalization).
Creutz-Taube Ion µ-Pyrazin-bis(pentaamminruthenium)(5+)
“The most important result of the present
calculation is that the CT ion’s electronic structure
can be quite well explained based on a fully
symmetric and fully delocalized structure. A
three-site, allyl-like model, including crystal-field
interaction between the Ru and NH3, but strong
covalency between the Ru and the pyrazine can
explain the orbital energies and optical behavior
quite well.“ (Ondrechen et al., 1984)
The odd electron is in a d-orbital capable of
delocalisation into the pyrazine π* orbitals.
Angewendete Methoden:
99Ru Mössbauer spektroscopy, near IR absorption,
EPR spectroscopy (=Electron Paramagnetic
Resonance), MCD spectroscopy (=Magnetic
Circular Dichriosm) u.a.
S.B. Piepho,
J.Am.Chem.Soc. 1990,
112, 4197-4206
The mixed-valence
band is arising from
the b2g*(d,π)
b3u*(d, π*) excitation
Oft erfolgt der Vorgang der
Brückenbildung schnell und
reversibel
vorgelagertes
Brückenbildungsgleichgewicht
K
Re d  (1)  X  Ox (2) 
Re d  (1)  X  Ox (2)
Re d  (1)  X  Ox (2)  Ox (1)  X  Re d  (2)
 Pr odukte
schnell
Geschwindigkeitsbestimmender Schritt:
Elektronenübertragung auf der Brücke
Es ergibt sich eine zusammengesetzte
Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung (fast immer der
Fall).
schnell
langsam
Reaktionsgeschwindigkeit
hängt von der Art der
Brücke ab (von ihrer
Wirksamkeit als
Vermittler des
Elektronentransfers)
Quelle: Tobe
Es gibt Systeme, in denen mehrfache
Brücken gebildet und sogar
übertragen werden, wie z.B. die
Reaktion zwischen cis-Tetraaquadiazido-Chrom (III) und HexaaquaCr(II).
Oxidations- und
Reduktionsmittel ändern ihre
Oxidationsstufen um die
gleiche Zahl von Einheiten.
Oxidations- und
Reduktionsmittel ändern
ihre Oxidationsstufen um
eine unterschiedliche Zahl
von Einheiten.
Dies erfolgt nie in einem
Schritt: Zumindest eine der
Komponenten muss eine
instabile Oxidationsstufe
durchlaufen.
Nichtkomplementäre Redoxreaktionen
Zur Aufklärung des Mechanismus ist es nötig, die
reaktive Zwischenverbindung (enthält die instabile
Oxidationsstufe) zu identifizieren.
Frage:
Wieviele e- werden gleichzeitig übertragen?
Allgemein gilt: Der Bildungsprozess der
instabilen Zwischenverbindung ist
reversibel, es stellt sich ein vorgelagertes
Gleichgewicht ein, dem ein zweiter
Reaktionsschritt folgt.
2 Fe( II )  Tl ( III )  2 Fe( III )  Tl ( I )
Zwei denkbare Reaktionswege a) oder b), welcher trifft zu?
a)
K
Fe( II )  Tl ( III ) 
Fe( III )  Tl ( II )
Fe( II )  Tl ( II )  Fe( III )  Tl ( I )
Folge von Einelektronenübergängen, instabile
Zwischenverbindung ist Tl(II).
b)
K
Fe( II )  Tl ( III ) 
Fe( IV )  Tl ( I )
Fe( II )  Fe( IV )  2 Fe( III )
Zweielektronenübergang, gefolgt von
Einelektronenübergang, instabile
Zwischenverbindung ist Fe(IV).
Zugabe von
Fe(III)
verlangsamt
die Reaktion,
Zugabe von
Tl(I) aber nicht.
Nichtkomplementäre Redoxreaktionen sind gewöhnlich langsam,
weil eine der Komponenten gezwungen ist, eine ungewöhnliche
Oxidationsstufe anzunehmen:
Diese ist energetisch ungünstig, und ihr Bildungsprozess ist
reversibel,
Zwischenverbindung liegt in nur geringer
Konzentration vor
Langsame Reaktion
Wenn durch einen Katalysator die ansonsten notwendige
Bildung einer instabilen Oxidationsstufe vermieden wird, kann
das die Reaktion sehr beschleunigen!
Daher sind nichtkomplementäre Redoxreaktionen stark von
Verunreinigungen durch Metallionen abhängig.
Oxidation von Cr(III) zu Cr(VI) durch
Peroxodisulfat erfolgt sehr langsam.
2
8

2
4
S 2O  2 e  2 SO
Peroxodisulfat ist ein sehr starkes
Oxidationsmittel, aber es wirkt als
Zweielektronen-Oxidationsmittel.
Oxidation von Spezies, die
Einelektronenübergänge
bevorzugen, erfolgt langsam.
AgNO3 als Katalysator
2
8
2
4
Ag ( I )  S 2O  Ag ( III )  2 SO
Ag ( III )  Ag ( I )  2 Ag ( II )
Ag(II) betätigt sich dann als
Einelektronen-Oxidationsmittel:
Cr ( III )  Ag ( II )  Cr ( IV )  Ag ( I )
Cr ( IV )  Ag ( II )  Cr (V )  Ag ( I )
Cr (V )  Ag ( II )  Cr (VI )  Ag ( I )
Quantitative Bestimmung von Chrom(III)
Photochemische Redoxreaktionen
Man kann einer Reaktion auf unterschiedliche Art
Aktivierungsenergie zuführen:
thermische Energie
durch Erhöhung der Temperatur.
„statistisch breite“ Methode
Breite Streuung individueller molekularer Energien.
Strahlungsenergie
Photochemische Anregung, kann viel präziser sein.
Allerdings muss das Molekül
imstande sein, das Lichtquant h
auch zu absorbieren, d.h. es muss
einen erreichbaren angeregten
Zustand geben, der sich im
richtigen energetischen Abstand
zum Grundzustand befindet.
Photochemische Reaktionen: Allgemeine
Definition
•
Unter photochemischen Reaktionen versteht man
Reaktionen, die nicht ausschließlich (wie es bei
thermischen Reaktionen der Fall ist) im
elektronischen Grundzustand ablaufen
•
Sondern bei denen entlang der
Reaktionskoordinate auch elektronisch angeregte
Zustände involviert sind.
•
Viele Metallkomplexe absorbieren im UV-,
sichtbaren und NIR Bereich und können nach
Anregung photochemische Reaktionen ergeben.
Vereinfachtes Orbitaldiagramm eines oktaedrischen
Übergangsmetallkomplexes mit verschiedenen elektronischen
Übergängen (siehe Wöhrle/Tausch/Stohrer, Photochemie,
Wiley-VCH 1998)
Substitutions- und Isomerisierungsreaktionen aus
angeregten Zuständen
• π π* Übergänge im Liganden und auch d-d Übergänge im Metall
(bzw. Metallion) führen nicht zu einer Änderung der Oxidationszahl des
Metalls, nur zu einer Änderung der Elektronendichteverteilung.
• Übergänge von bindenden (bei Metallen auch nicht bindenden) in
antibindende Zustände schwächen die Metall-Ligand Bindung. Damit
treten Substitutions- und Isomerisierungsreaktionen auf.
Die Selektivität der photochemischen Anregung kann dazu
verwendet werden, darüber zu bestimmen, welches Produkt
entsteht:
CoNH  N 
2
3 5
3
d6 Co3+ Komplex (high spin)
Absorptionspeak für grünes Licht: d-d Übergang
Absorptionspeak für UV: Ligand zu Metall charge-transfer Übergang
(e- wechselt vom N3- zum
Co3+)
CoNH  N 
2
3 5
3
 H 2O  grünes Licht  CoNH3 4 H 2ON3   NH3
Bestrahlt man mit UV, so entstehen Co(II) und ·N3 (2 N3
2
3 N2)
Durch Änderung der Frequenz kann man statt einer Ligandensubstitutions-Reaktion
eine Redoxreaktion erhalten.
Photochemische Einelektronenanregung führt zu einer
Spezies, die sowohl ein besseres Oxidationsmittel als auch
ein besseres Reduktionsmittel ist als die ursprüngliche nicht
angeregte Spezies.
Besseres Oxidationsmittel,
weil leeres Orbital niedriger
Energie vorhanden.
Besseres Reduktionsmittel,
weil hochenergetisches
antibindendes Elektron
vorhanden.
Quelle: Porterfield
Redox-Photochemie von Co3+ Komplexen (d6)
Co(III) Komplexe erfahren
charakteristischerweise
LMCT-Übergänge
(ligand-to-metal charge transfer)
Dabei entstehen gegen
Substitution labile Co2+ Komplexe
Photoredoxreaktion
oft von Substitution
begleitet
diphos=bis-Diphenylphosphinoethan
H
L4Ir
H
+
h
H
L4Ir +
H
-
+
+
L4Ir + H2
Hier werden keine freien H Radikale erzeugt, die extrem starke Base Hkann das Proton aus der anderen Ir-H Bindung abspalten.
• Ein interessanter Komplex, der Charge-Transfer
Photoaktivierung erleiden kann, ist der 2,2‘ Bipyridyl-Komplex
des Ruthenium(II) (d6)
• Es gibt ihn mit derselben Stöchiometrie auch in den
Oxidationsstufen -1, 0, +1 und +3
G 0   N L  z  e  E 0
F  96485 C  mol 1  N L  e
Differenz der
Standardpotentiale in Volt
Die Spezies Ru(bipy)32+* ist
der angeregte Zustand, der
aus einem MLCT Übergang
hervorgeht
t2 g   *
-2.1 V
Obwohl der Ru2+ Komplex in
wässriger Lösung gegen
Disproportionierung stabil ist,
disproportioniert der angeregte
Zustand spontan zu der stark
oxidierenden (3+) - Spezies und
der stark reduzierenden (1+) Spezies.
Man kann den angeregten Zustand
(Triplett-Zustand) Ru(bipy)32+* auch
chemisch herstellen,
indem man Ru(bipy)33+ in wässriger
Lösung mit Hydrazin N2H4 reduziert.
Es entsteht zunächst Ru(bipy)32+*
Bei der Rückkehr zum (2+)Grundzustand wird ein
orangefarbenes Licht emittiert
(Chemilumineszenz bei λ=610 nm).
aus: D.F. Shriver and P.W. Atkins,
Inorganic Chemistry
Quelle: Wöhrle et al.
aus: Wöhrle/Tausch/Stohrer
Photochemie
Fluoreszenz-Sensor: Die Unterscheidung zwischen
Mg2+ und Ca2+ mittels eines modifizierten
Ruthenium-tris(bipyridyl)-Metallrezeptors. Die
Phosphonatgruppen komplexieren Mg2+ (selektiv
gegenüber anderen Alkali- und Erdalkaliionen durch
die hohe Ladungsdichte bei Mg2+) unter
Fluoreszenzverstärkung. (aus, E. Riedel, Moderne
Anorganische Chemie, de Gruyter 2007).
DNA Sensor
(aus: E. Riedel, Moderne Anorganische Chemie, de Gruyter 2007).
Der Ru(bipy)2(tactp)-Komplex zeigt erhöhte
Lumineszenzintensität bei Interkalation des tactp-Rests in
destabilisierte, fehlgepaarte DNA.
tactp=4,5,9,18-Tetraazachrysen[9,10 b]triphenylen
Solare Wasserstoffproduktion mit einem Hydrogenase TiO2
Hybrid-System
Schematic representation of visible light-driven H2 production with Db
[NiFeSe]-H attached on ruthenium-dye sensitized TiO2 nanoparticles, in the
presence of a sacrificial electron donor D.
Visible light irradiation (λ>420 nm) excites the Ru(bipy)3 photo-sensitizer,
which injects electrons into the conduction band of TiO2 and on to the
hydrogenase, resulting in H+ reduction.
F. A. Armstrong, E. Reisner et al., Chemical Society Reviews, 2008
Substitutionsreaktionen bei
Übergangsmetallkomplexen
Substitution=Ersatz eines Liganden aus der Koordinationsschale durch
einen anderen aus deren Umgebung.
Die Koordinationszahl ist vor und nach der Reaktion gleich, ändert sich nur
kurzzeitig während der Reaktion.
Molekularität der nucleophilen Substitution:
Man spricht von SN1 (monomolekularen) und SN2 (bimolekularen)
Reaktionen.
Die Molekularität kann definiert werden in Abhängigkeit vom zeitlichen
Verlauf der Bindungsbildung und Bindungsspaltung bei der Substitution.
Bindungsbildung und –Spaltung können synchron oder asynchron
verlaufen
•
Ein synchroner Prozess verläuft in einem Schritt und weist einen ÜZ,
aber keine Zwischenverbindung auf.
•
•
Der ÜZ bestimmt die energetischen Verhältnisse
(Reaktionsgeschwindigkeit) und den stereochemischen Verlauf der
Reaktion
Beim asynchronen Prozess gibt es zwei Möglichkeiten:
•
•
a) zuerst Bindungsspaltung, dann Bindungsbildung
b) zuerst Bindungsbildung, dann Bindungsspaltung
•
In beiden Fällen a) und b) tritt eine Zwischenverbindung auf!
• Wenn die Bindungsspaltung zuerst erfolgt, hat die Zwischenverbindung
eine niedrigere Koordinationszahl, der Vorgang wird als dissoziativ
bezeichnet
• Wenn die Bindungsbildung zuerst erfolgt, hat die Zwischenverbindung
eine höhere Koordinationszahl , der Prozess wird als assoziativ bezeichnet
Definition nach Langford und Gray
• D= dissoziativer Prozess
• A= assoziativer Prozess
asynchron
• I=synchroner Prozess (interchange)
Id
Ia
intimate = engerer Mechanismus
•
Id = (dissoziativ) im ÜZ tritt die eintretende Gruppe nicht direkt mit dem
Reaktionszentrum in Wechselwirkung
•
Ia=(assoziativ) im ÜZ erfolgt Bindungsbildung zwischen der
eintretenden Gruppe und dem Reaktionszentrum
•
Das Übergangsmetallatom oder –Ion mit seiner inneren und äußeren
Koordinationssphäre:
•
Die Liganden der inneren Koordinationssphäre sind jeweils durch ein
gemeinsames Elektronenpaar koordinativ gebunden
•
Die äußere Koordinationssphäre besteht aus potentielle Liganden, die nur
durch Dipol-Wechselwirkungen oder Ionen-Dipol Wechselwirkungen schwach
festgehalten werden
•
Metall – Ligand Abstand rM-L
•
Wir betrachten den Augenblick, wenn der eintretende Ligand E (entering) und
der austretende Ligand D (departing) den genau gleichen Abstand vom
Metallatom M haben rM-D=rM-E
Wenn sich E in der äußeren Koordinationssphäre befindet und
D in der inneren Koordinationssphäre, dann ist
rM E  2  rM D