配位

價殼層電子對互斥理論

價殼層電子對互斥理論 (Valence Shell Electron Pair Repulsion,VSEPR)
臺灣師範大學化學系學士生 陳昱勝

一、簡介

價殼層電子排斥理論 (VSEPR) 是一個用來預測單一共價分子形狀的化學理論。透過計算中心原子的價電子數和配位數來預測出分子的幾何形狀。並利用路易士結構式來表示子中所有鍵和孤對電子的位置。

二、基礎理論:

  1. 只有中心原子的價層電子才能夠對分子的形狀產生有意義的影響。
  2. 一般而言,在分子或離子內的電子對會以電子對的方式存在分子或離子內。又電子間具斥力,所以,分子或離子內圍繞中心原子之電子對應盡量遠離,使電子對與電子對之間的斥力降至最低,而形成特定形狀。
  3. 分子中的電子對分為未鍵結電子對(lone pair,簡稱 \(\mathrm{l.p.}\))及鍵結電子對(bonding pair,\(\mathrm{b.p.}\))二種:
    (1) 未鍵結電子對:僅受一個原子核影響,電子雲佔較大的空間。
    (2) 鍵結電子對:二個原子核間的鍵結,電子雲呈橢圓形。
    (3) 電子對排斥力大小:\(\mathrm{l.p.}\)—\(\mathrm{l.p.}\) 斥力 \(>\) \(\mathrm{b.p.}\)—\(\mathrm{l.p.}\) 斥力 \(>\) \(\mathrm{b.p.}\)—\(\mathrm{b.p.}\)斥力。
  4. 對於VSEPR理論而言,在一個多電子對(如:雙鍵或三鍵)被視為是一個「單一」的配對。

反位效應(Trans effect)

反位效應(Trans effect)
國立新莊高級中學陳偉民退休教師

反位效應的發現應歸功於車雅夫(I. I. Chernyaev),他在1926年體認到有此效應,並為之命名。在無機化學中,反位效應是指對特定配位基而言,處於反位的配位有不穩化(labilization)的現象,因此這些特定配位基可視為反位導向配位基。這種效應歸因於電子效應,其中最著名的是發生於平面四邊形的錯合物,然而過渡金屬的八面體錯合物也常見這種效應。除了此種動力學上的反位效應外,反位配位基也會對分子的基態造成影響,其中最著名的是其對鍵長與穩定度的影響。對於後者,有些學者喜歡用反位影響一詞,以與動力學上的效應區隔,然而其他學者喜歡用結構反位影響熱力學反位效應等更為專用的名詞。

動力學的反位效應

反位效應(以提升反位配位基的取代率為衡量標準)的強度依下列順序漸增:

F, H2O, OH < NH3 < py 啶)< Cl < Br < I, SCN, NO2, SC(NH2)2, Ph(苯基)< SO32 < PR3(膦), AsR3(胂), SR2(硫醚), CH3 < H, NO, CO, CN, C2H4

反位效應的經典例證即為順鉑的合成。以PtCl42為原料,第一個NH3配位基隨機加到四個相等位置的任何一個,但是因為Cl的反位效應比NH3強,所以第二個NH3加到第一個氨的順位,如圖1

圖1以PtCl42−為原料,可合成順鉑

反過來說,如果以Pt(NH3)42+為原料,就會得到反位產物,如圖2

圖2以Pt(NH3)42+為原料,會合成反鉑

平面四邊形錯合物的反位效應可以用經由 加成/脫去 的反應機構解釋,反應機構中涉及雙三角錐的中間產物。具有高反位效應的配位基通常有高π酸性(以空的π軌域接受來自金屬的d軌域電子,如膦),或低配位基孤對-dπ排斥(如H),這類配位基在中間產物中通常喜歡佔據在有較強π鹼性的赤道位置。因為這個位置有兩個配位基可提供電子對,反之如果在軸線位置的話只有一個配位基可提供電子對。第二個赤道位置是由正要進來的配位基佔據;由於微觀可逆性原理(principle of microscopic reversibility),正要離去的配位基一定也是由赤道位置離去。動力學上最有利的結果就是位於最大反位效應配位基的反位配位基將會脫去,形成最後的產物,如圖3

圖3 平面四邊形反應效應之反應機構

結構反位效應

結構反位效應可以利用X-光結晶學(X -ray crystallography)實驗測量,可觀察到位於具反位影響力配位基之反位的配位基與金屬之間化學鍵會伸長(即減弱)。像H這種強力反位影響力的配位基可以造成達0.2Å的伸長量。也可以觀察到順位影響,但較反位影響小。順位與反位影響的相對重要性取決於中心金屬原子的電子組態,也可用原子的軌域解釋。