Definion :afinitegroupofmetalatomsthatareheldtogether ... · 3...

Post on 30-Sep-2020

4 views 0 download

Transcript of Definion :afinitegroupofmetalatomsthatareheldtogether ... · 3...

1  

   Defini&on:  "a  finite  group  of  metal  atoms  that  are  held  together  mainly,  or  at  least  to  a  significant  extent,  by  bonds  directly  between  metal  atoms,  even  though  some  non-­‐metal  atoms  may  also  be  in&mately  associated  with  the  cluster"  –  F.A.  Co)on  

M-­‐M  bonds  and  Cluster  chemistry  

2  

Two  extreme  types  of  metal  clusters:      •  Molecular  clusters  are  composed  of  3  or  more  metal  atoms  stabilized  by  small  molecules  acAng  as  ligands,  and  characterized  by  metal-­‐metal  bonds,  either  localized  or  delocalized  over  the  metal  framework.  

3  

•"Naked  clusters"  -­‐  have  no  ligands,  electronically  unsaturated,  naked  metal  parAcles  formed  in  atomic  beams;  are  extremely  reacAve  unless  stabilized  by  a  support  or  an  inert  matrix,  e.g.  [Pb5]2-­‐.  In  this  part  of  the  course,  we  focus  on  transiAon  metal  clusters  with  2  or  more  M-­‐M  bonds,  and,  parAcularly,  late  TM  clusters  with  CO  ligands.  

4  

Importance:    (a)      EvoluAon  of  properAes  as  cluster  size  increases  (e.g.  structure,  magneAc  behaviour,  ionizaAon  potenAal):      Transi&on  from  molecular  →  bulk  metal  domain.    •  metal-­‐ligand  charge  transfer  interacAons  are  limited  to  the  metal  atoms  which  are  at  the  surface  of  the  metal  cluster;  inner-­‐core  metal  atoms  behave  as  a  metal  parAcle.  •  properAes  of  a  solid  gradually  evolve  as  atoms  are  brought  together  to  form  increasingly  larger  units.  

5  

(b)      InterpretaAon  of  data  obtained  from  metal  surfaces  which  are  acAve  heterogeneous  catalysis  sites  (cluster-­‐surface  analogy).    •  models  for  chemi-­‐  and  physi-­‐sorpAon  of  small  molecules  onto  metallic  surfaces  -­‐  e.g.  fluxionality  of  the  coordinated  fragments,  mechanism  of  hydrogen  diffusion  inside  a  metallic  network,  the  distorAons  in  metal  close-­‐packing  induced  by  intersAAal  heteroatoms,  etc.  

6  

7  

•  chemical  reac&vity  of  coordinated  ligands  in  molecular  metal  clusters  has  been  used  for  studying  the  reacAon  mechanisms  at  the  metal  centres,  and  for  mimicking  elementary  processes  relevant  to  homogeneous  and  heterogeneous  catalysts.  

8  

c)  FascinaAng  structures  (!).    •  first  reports  of  organometallic  transiAon  metal  clusters:  Fe2(CO)9  (1905),  Fe3(CO)12  (1907)  and  Co2(CO)8  (1910)    •  computer  analysis  of  X-­‐ray  crystallographic  data  →  novel  structural  features  

9  

•  variety  of  metal  frame  shapes,  bonding  modes  for  any  given  ligand  and  stereochemistry  observed  was  only  possible  in  the  presence  of  several  metal  atoms    •  solid  state  chemists  and  physicists  also  became  interested  –  clusters  as  par&culate  metals  enclosed  in  a  ligand  sphere.  

10  

•  1000s  of  examples  of  ligated  metal  clusters  have  been  reported.  Most  common  clusters  are  formed  by:    -­‐ early  transiAon  metals  stabilized  by  halide  or  oxygen  atoms  (aggregates)  

-­‐ metals  of  group  6-­‐10  stabilized  by  CO  molecules  

-­‐  transiAon  or  post-­‐transiAon  metals  having  halogen  atoms,  phosphine  groups,  and  main  group  elements  as  ligands      •  primary  analyAcal  tool  is  X-­‐ray  diffrac&on,  bond  lengths  which  are  shorter  than  the  sum  of  the  covalent  radii  being  a  reliable  indicaAon  of  M-­‐M  bonding.  

11  

•  one  of  the  first  reported  X-­‐ray  structural  determina&ons  of  TMCCs  was  of  Fe2(CO)9  (1939),  revealed  CO  ligands  bridging  the  M-­‐M  bond.  

12  

•  historically,  first  unsupported  M–M  bonds  were  found  in  the  analogous  complexes  Re2(CO)10  and  Mn2(CO)10  (1957).  Confirmed  the  existence  of  unsupported  M-­‐M  bonds.  

13  

•  also  very  early  on,  the  structure  of  the  pentacoordinate  Fe5(μ5-­‐C)(CO)15  (1962)  and  [Re2Cl8]2-­‐  .  

•  Interes&ng  structures  s&mulated  research;  lack  of  syntheses  frustrated  research.  Recent  systema&c  syntheses  have  led  to  the  explosion  in  cluster  chemistry.  

14  

STRUCTURE  AND  BONDING    (1) TYPES  OF  CLUSTERS  

(i)  π-­‐Donor  clusters:  early  transi&on  metals  (oxida&on  state  +2  or  +3)  with  π-­‐donor  ligands  (O2–,  S2–,  Cl–,  Br–,  I–,  OR–,  etc.).  Typically  triangular  or  octahedral  geometries.  

15  

Electron  dona&ng  characteris&cs  of  common  π-­‐donor  bridging  ligands  

16  

Examples:    [Nb6Cl12]2+,  [Ta6Cl12]2+  octahedral  M6,  edge-­‐bridging  Cl  (1)    [Mo6Cl8]4+,  [W6Cl8]4+  octahedral  M6,  face-­‐capping  Cl  (2)    [Re3Cl12]3-­‐  triangular  Re3,  3  x  μ-­‐Cl,  9  x  terminal  Cl  (3)  

17  

18  

•  COs  frequency  as  a  ligand  for  stabilizing  low  oxidaAon  state  clusters  arises  because  of  its  flexibility  -­‐  coordinaAon  as  terminal,  μ-­‐  and  μ3-­‐  are  all  common  and,  because  they  are  all  2e  donors  (unlike  Cl),  intramolecular  exchange  processes  frequently  have  very  low  acAvaAon  energies.    •  H-­‐  is  not  a  π-­‐acceptor  ligand,  but  there  are  many  carbonyl  clusters  that  also  have  H-­‐  as  a  ligand,  so  these  clusters  are  usually  considered  together.  

19  

Ligand  bonding  modes    •  see  more  extensive  discussion  on  bonding  modes  of  CO,  hydrido  and  acetylenic  ligands  (later  in  course).    •  Cl  ligand  is  a  1  e  donor  when  terminal,  or  uses  a  lone  pair  to  become  a  3e  donor  when  edge-­‐bridging,  or  a  5e  donor  using  an  addiAonal    lone  pair  when  face  bridging.  

20  

Bonding  modes  and  electron  count  for  some  common  ligands  

21  

(2)  CLUSTER  GEOMETRY  –    •  high  symmetry  -­‐  usually  define  regular  polyhedra  as  triangle,  tetrahedra,  octahedra,  etc    •  metal  posiAons  usually  define  deltahedra,  i.e.  Triangular  faces;  other  arrangements,  e.g.  square-­‐planar,  trigonal  prismaAc,  square  anAprisms  occur  to  lesser  extent  

22  

•  many  represent  fragments  of  close-­‐packed  arrays  of  metal  atoms,  hcp  ccp  or  bcc  

23  

•  form  inters&&al  complexes  containing  hydrogen,  carbon,  nitrogen,  sulfur,  phosphorus,  and  arsenic,  as  well  as  other  metal  atoms  in  the  case  of  high-­‐nuclearity  clusters,  in  the  intersAces  

24  

3  metal  atom  clusters    •  great  majority  are  triangular.  Structural  differences  require  only  small  changes  in  total  energies  of  molecules  e.g.  Fe3(μ-­‐CO)2(CO)10  and  Ru3(CO)12.  

•  linear  e.g  [Mn3(CO)14]-­‐  or  bent.  Bond  opening  on  a  triangular  cluster  results  in  a  linear  geometry  

25  

4  metal  atom  clusters:    •  many  are  tetrahedral  with  6  M–M  bonds,  e.g.  CpWIr3(CO)11  

26  

•  bu)erflies  can  be  regarded  as  resulAng  from  a  bond  opening  on  the  tetrahedron    e.g.  CpWIr3(CO)8(F3CC≡CCF3)2  

27  

•  interplanar  angle  in  bu)erflies  can  be  near  180°,  as  in  [Re4(CO)16]2-­‐    •  Fe4(μ4-­‐C)(μ-­‐CO)(CO)12  contains  a  carbide  atom  in  the  middle  of  the  cluster,  approximately  colinear  with  the  wing-­‐Ap  atoms,  providing  an  excellent  model  for  a  carbon  atom  on  a  metal  surface.  

28  

•  square-­‐planar  geometries  -­‐  for  carbonyl  clusters,  onen  contain  a  capping  ligand    e.g.  Fe4(μ4-­‐NEt)(μ3-­‐η2-­‐ONEt)(μ-­‐CO)3(CO)8  

29  

•  bond  rupture  in  a  bu)erfly  arrangement  leads  to  a  spiked  triangle  geometry,  as  in  Re4(μ-­‐H)3H(CO)15  

30  

31  

32  

33  

34  

35  

36  

37  

38  

39  

40  

41  

42  

43  

44  

Examples  of  prepara&ons  

45  

46  

47  

48  

49  

50  

51  

52  

53  

Ouch!  

54  

55  

56  

57  

58  

59  

.  

.  

60  

61  

62  

63  

64  

65  

66  

67  

68  

69  

70  

n+1  n+1  

n+1  

71  

72  

73  

74  

75  

76  

77  

78  

79  

80  

81  

82  

83  

84  

Os6(CO)18  

85  

n  =    3        

 4        

 5        

 6        

 7  

EAN                                                                                                                                        PSPET  

18x3  =  54-­‐6  =  48    48-­‐(12x3)  =  12  à  6  pairs    (arachno)        18x4  =  72-­‐12  =  60    60-­‐  (12x4)  =  12à  6  pairs  (nido)        18x5  =  90  –  18  =  72    72-­‐(12x5)  =    12  à  6  pairs  (closo)        18x6  =  108  -­‐24  =  84      n  +  2  

87  

88  

89  

90  

91  

92  

93  

94  

95  

96  

97  

98  

CHEM  3032  –  Cluster  Chemistry  

99  

100  

101  

102  

103  

104  

105  

106  

107  

108  

109  

110  

111  

112  

113  

114  

115  

116  

117  

118  

119  

120  

121  

122  

123  

124  

125  

126  

127  

128