最早记载的 配合物 是18世纪初用作颜料的 普鲁士蓝 K〔FeⅡ(CN)6FeⅢ〕。1798年又发现了CoCl3·6NH3是CoCl3与NH3形成的稳定性强的化合物 ,对其组分和性质的研究开创了配位化学领域。1893年, 瑞士 化学家A. 韦尔纳 首先提出这类化合物的正确化学式和配位理论,在 配位化合物 中引进副价概念,提出元素在主价以外还有副价,从而解释了配位化合物的存在以及它在溶液中的 离解
配位化合物 中 , 中心原子 配位体 之间以 配位键 相结合。解释配位键的理论有 价键理论 晶体场理论 分子轨道理论
配位化学与有机、分析等化学领域以及 生物化学 药物化学 化学工业 有密切关系,应用很广:①金属的提取和分离。从矿石中分离金属,进一步提纯,如溶剂 萃取 、离子交换等都与金属 配合物 的生成有关。② 配位催化作用 。过渡金属化合物能与 烯烃 炔烃 和一氧化碳等各种不饱和分子形成 配位化合物 ,使这些分子活化,形成新的化合物,因此,这些配位化合物就是反应的催化剂。③ 化学分析 配位反应 重量分析 容量分析 分光光度分析 中都有广泛应用,主要用作 显色剂 指示剂 沉淀剂 滴定剂 萃取剂 掩蔽剂 ,可以增加分析的灵敏度和减少分离步骤。④生物化学。生物体中许多 金属元素 都以 配合物 的形式存在,例如 血红素 是铁的配合物;叶绿素是镁的配合物; 维生素B12 是钴的配合物。⑤医学。可用 乙二胺四乙酸二钠盐 与汞形成配合物,将人体中 有害元素 排出体外。顺式二氯·二氨合铂(Ⅱ)已被证明为抗癌药物。
最早有记载的 配合物 是18世纪初用作颜料的 普鲁士蓝 ,化学式为 KFe[Fe(CN)6]。1798年发现CoCl3·6 NH3 。CoCl3和NH3都是稳定的化合物,在它们结合成新的化合物后,其性质与组分化合物不同。这一发现开创了配位化学的研究。
19世纪就发现了更多的钴氨配合物和其他配合物。1893年 瑞士 化学家A.韦尔纳首先提出这类化合物的正确化学式及 配位理论 。他在配合物中引进副价的概念,提出元素在主价以外还有副价。例如,在一系列铂(Ⅳ)的配合物中铂的主价为+4,副价为+6,由此可解释这些铂配合物的存在和 离解 (表 1)。生成的离子数目由溶液电导和 游离氯 离子的分析确定。由于 韦尔纳 的出色工作,他于1913年获得 诺贝尔化学奖
价键理论
主要是由L.C.鲍林发展起来的。该理论认为 配合物 是在 路易斯碱 配体 )和 路易斯酸 (金属或金属离子)之间反应生成(见 酸碱理论 ),在配体和金属之间有 配位键 生成(不必全是配位键)。配体上的 电子对 转到金属的杂化 原子轨道 上。
晶体场理论
认为金属- 配体 键是由 点电荷 之间的反应生成,把配体看作点电荷或 偶极子 ,因而影响金属离子的部分已占的d 轨道能量 ,并用来说明其成键结构。
分子轨道理论
认为电子围绕整个 配合物 体系的 分子轨道 运动,它综合了 价键 晶体场理论 ,是当前用得最广泛的理论。
与金属离子和 配体 有关。由于 配合物 的生成主要是在荷 正电 的金属离子和配体 阴离子 偶极分子 之间进行的,金属离子的 离子势 阳离子 电荷与其半径之比)愈大,相同配体的配合物愈稳定。 配合物的稳定性 还与配体阴离子的 可极化性 有关。在一定限度内,阴离子的可极化性愈大,配体也愈易成为电子 给体 。例如,对于第四周期从 Mn Zn 的二价金属离子,其配合物稳定性按F< OS >P次序变化。对于d或d结构的贵金属,其配合物的稳定性,按P>S》N>O>F《Cl<Br<I的次序变化。
影响配合物稳定性的还有 螯合作用 ,即双齿以上的配体在多于一个的位置上与金属离子连接成环。通常,螯合程度增加时, 配合物 的稳定性也就增加,例如 乙二胺 配合物的稳定性要比 氨配合物 大。
中心原子 分类有单核 配合物 多核配合物 ;按 配体 分类,常见的有 水合 配合物、卤合配合物、 氨配合物 、氰配合物、金属 羰基 合物等;按成键类型分类有经典配合物(σ 配键)、簇状配合物(金属- 金属键 )、 烯烃 等不饱和配体的配合物(π- σ键 和π-π 反馈键 )、铁茂等夹心、穴状、笼状配合物( 离域 共轭配键)等;按学科类型分类有无机配合物、 有机金属化合物 、生物 无机化合物 等。各种分类之间又有交叉。
水合配合物
简称 水合物 。为 金属离子 分子形成的 配合物 。几乎所有金属离子在水溶液中均可形成水合配合物,例如【 Cu ( H2O )4】和【 Cr (H2O)6】,常见的 配位数 是4和6。当其他 配体 加到金属离子水溶液中时,发生对水的置换作用,生成其他配合物。在这些 置换反应 中,金属的配位数一般保持不变。但并不总是如此,例如,将CN离子加到含有【Ni(H2O)6】的水溶液中,最后生成【Ni(CN)4】和【Ni(CN)5】;将 Cl 离子加到【Fe(H2O)6】中可产生【FeCl4】等。
卤合配合物
金属离子与 卤素 (氟、氯、溴、碘)离子形成的 配合物 。绝大多数金属离子均可生成卤合配合物,例如K2【PtCl4】和Na3【AlF6】。卤合 配合物的稳定性 变化范围很大,可按 软硬酸碱理论 的概念把金属离子和 配体 分类。金属离子分成硬酸和 软酸 。硬酸是指那些体积小、电荷高和没有容易变形或移动的价壳层电子的金属离子,例如Be、 Mg 、Al、Sc、La、Cr、Co和Fe等;软酸是指那些体积大、电荷低和具有容易变形或移动的价壳层电子的金属离子,例如Cu、Ag、 Au 、Cd、Hg、 Pd 和Pt等。配体也可分为不易被极化的 硬碱 和易被极化的 软碱 ,卤素中的F和Cl为硬碱,I为软碱,Br则介于二者之间。硬酸容易与硬碱结合,软酸容易与软碱结合。
硬酸类金属的卤合 配合物 在水溶液中的稳定性是按I<Br<Cl《F的次序递增,软酸类金属卤合配合物的稳定性则按F《Cl<Br<I的次序递增。
金属羰基合物
为金属与 一氧化碳 结合的产物。在金属 羰基 合物中金属的 氧化态 都很低,有的羰基合物中金属氧化态为零,如Ni( CO )4;有的呈负氧化态的,如Na【Co(CO)4】;有的呈正氧化态,如【Mn(CO)5Br】。这些都是单核羰基合物。还有多核金属羰基合物,如Fe2(CO)9和Fe3(CO)12(见 羰基金属 )。
簇状配合物
即簇状化合物。含有至少两个金属,并含金属- 金属键 配合物 ,例如Fe3(CO)12、Co4(C5H5)4H4、(W6Cl12)Cl6等。能够生成簇状化合物的金属主要是 过渡金属 (见 过渡元素 ),它们的生成趋势与该金属在 周期表 中的位置、氧化态以及 配体 性质等条件有关。一般地说,第一过渡系的 元素形成 簇状配合物的能力比相应的第二、第三过渡系元素差。在 同种元素 中,低氧化态的容易形成簇状配合物(见 原子簇金属化合物 )。
有机金属化合物
或称 金属有机化合物 ,为有机基团与金属之间生成碳- 金属键 的化合物。许多 有机金属化合物 往往以 配合物 的形式存在,这种配合物有两种类型:①金属与碳直接 键合 的σ 键(见 共价键 )有机金属化合物,包括 烷基 金属【如(CH3)6Al2】、芳基金属(如C6H5HgCl)、乙炔基金属(如HC呏C─Ag)等类化合物。大多数这类化合物,除有机 配体 外还可含有其他配体,例如CO、CN、PR3(R为烷基)等;② π键 有机金属化合物,包括 烯烃 炔烃 芳烃 环戊二烯 基等配合物,例如 蔡斯盐 K【PtCl2( C2H4 )】,其结构如。在Pt和 CH2 =CH2之间是π-σ及π-π键合。后又陆续制得银、铜、钯、钌等其他金属离子的烯烃 配合物 。又如 二茂铁 (C5H5)2Fe(见 结构式 a),金属原子被夹在两个平行的碳环体系之间,称为 夹心化合物 。除了 环戊二烯 基外,还有其他不饱和环状 配体 的夹心化合物,如 二苯铬 (C6H5)2Cr(b)。生成夹心化合物的元素,主要是 过渡元素 中的第Ⅳ到第Ⅶ副族元素和除铂以外的第Ⅷ族元素,以及 镧系元素 锕系元素 (见 金属有机物的键型 )。
生物无机化合物  生物配体与金属的 配合物 。它们在生物体中含量虽然不多,但在一系列 有机体 生命活动 中具有很重要的作用。多种金属 蛋白质 金属酶 ,常能催化某种反应,例如含锌的 碳酸酐酶 可催化 二氧化碳 水合反应 或其 逆反应 含铁蛋白质 肌红蛋白 血红蛋白 蚯蚓血红蛋白 )、含 铜蛋白质 (血青肌)和含钒蛋白质( 血钒蛋白 )能贮存和输送氧。其他重要的生物无机配合物还有 叶绿素 维生素B12 等(见 生物无机化学 )。
许多 配合物 可由其组成化合物直接加成制得,例如由气相的 BF3 和NH3反应制备【F3B·NH3】。
由一种 配体 取代另一种配体,也是常用的一种制备配合物的方法。例如用 乙二胺 置换【Co( NO2 )6】中的硝基,得到顺式-【Co(en)2(NO2)2】(en为乙二胺)。
当金属离子具有不同氧化态时,可用 氧化还原反应 制备不同 价态 金属的配合物。高氧化态金属 离子配合物 ,有时可在氧化剂存在下,由配体与低氧化态金属离子作用制得。例如在空气或氧存在下,氨与钴(Ⅱ)盐水溶液作用,生成钴(Ⅲ) 氨配合物 。低氧化态金属离子配合物,有时可在 还原剂 存在下,由配体与高氧化态 金属盐 作用制得。例如由CoCO3和 H2 及CO反应制备Co2(CO)8,H2是还原剂,CO是 配体 兼还原剂。
利用热 分解方法 ,通过有控制地加热一些 配合物 可制得另一些配合物,例如加热 【Cr(en)3】Cl3可以制得顺式-【Cr(en)2Cl2】Cl。
由于 水合金属离子 离解 ,生成质子,金属离子在水溶液中通常显酸性,例如: K
是酸离解常数,可用来衡量水合金属离子的酸性大小,它与金属离子电荷、半径和 电子构型 有关。一般地说,金属离子电荷高、半径小,电子构型有利于 极化作用 时,酸性就大;反之就小。这种离解反应还可继续进行,并伴随着聚合,生成 羟联 氧联 的双核、多核 配合物 ,例如:其他含有能离解出质子的 配体 ,还有NH3、 乙二胺 有机酸 等。
配体 取代 配合物 中另一种配体的反应。根据 取代反应 的快慢,常把配合物分为活性配合物和 惰性配合物 。金属水合配合物中水被取代的 反应速率 常作为活性或惰性的衡量标准。 取代基 可以是水分子或其他配体,如为前者,可用标记原子O(以符号O表示) 示踪 。例如:【Al(H 2 O) 6 】+6H 2 O=【Al(H 2 O) 6 】+6H 2 O
各种 水合金属离子 的配位水分子与溶液本体中水分子取代速率相差很大。例如 碱金属 水合离子 的取代反应速率常数为10 8 ~10 9 ,而铝和镓的水合离子则为1~10。离子的大小和所带电荷的多少对反应速率有明显的影响。电荷和结构相同的离子,半径愈大,交换得愈快;离子大小相同者,电荷愈高,交换得愈慢。其他 配体 取代水合金属离子中的配位水分子的反应速率很少取决于配体的性质,而常与水分子的交换速率一致,即取决于水合金属离子的性质。
指两配合物之间发生 电子转移 的反应。例如,将 【Fe(CN)6】(Fe为标记原子)溶液与【Fe(CN)6】混合,则前者失去一个电子,后者得到一个电子,其反应为:【Fe(CN)6】+【Fe(CN)6】─→
【Fe(CN)6】+【Fe(CN)6】
配位化学与无机、分析、有机以及 物理化学 关系密切,与生物化学、 药物化学 农业化学 等也有关。在化学和化工方面应用很广。
金属的提取和分离  一些重要的 湿法冶金 过程要利用金属 配合物 的形成,例如镍、铜和钴可用 氨水 溶液萃取。在 核反应 中产生的铍,可用噻吩甲酰三氟丙酮的苯溶液萃取。 氰化钠 的水溶液通常用于从矿石中分离金。 一氧化碳 可用于镍的纯化。
化学分析
配位反应在元素的 重量分析 容量分析 光度分析 中有广泛的应用,主要用作 显色剂 指示剂 沉淀剂 、滴定剂、 萃取剂 掩蔽剂 等。例如,以氟离子作为掩蔽剂,可与铁(Ⅲ)生成无色而稳定的【FeF6】,在用 碘量法 测铜时避免了铁(Ⅲ)离子的干扰;以 二乙酰二肟 作为沉淀剂,可使镍和钯同时生成 螯合物 沉淀,镍的沉淀溶于酸,钯的沉淀不溶,即可分离、鉴定镍和钯;以硫氰酸盐作为显色剂,可与Fe离子形成血红色的 配合物 ,即可鉴别Fe的存在。EDTA( 乙二胺四乙酸 )能与大多数的金属离子生成稳定性不一的配合物,是 滴定分析 中的一种优良的滴定剂,通过控制 溶液 的pH值和加入掩蔽剂、 解蔽剂 ,用EDTA可从各种金属离子的混合溶液中分别定量地滴定出它们的含量,省去分离干扰元素的步骤。
催化作用
过渡金属化合物能与 烯烃 炔烃 和一氧化碳等各种不饱和分子配位形成 配合物 ,使这些分子活化,生成新的化合物。例如烯烃的氢 甲醛 化反应中,烯烃与氢和一氧化碳按照与钴催化剂形成配合物的机理,最终生成醛(R为烷基):RCH=CH2+CO+H2─→RCH2CH2CHO
有些 金属催化剂 可把烯烃转变为 多聚体 。例如,将 氯化钛 (Ⅲ)和 烷基铝 配位后,作为催化剂,可使烯烃 定向聚合 高分子化合物