Anorganische Molekülchemie - Cheatsheet.pdf

Definition und Klassifikation von Liganden in der Koordinationschemie

Definition:

Liganden sind Atome, Ionen oder Moleküle, die über koordinative Bindungen an ein Zentralatom/an ein Zentralion gebunden sind.

Details:

• Liganden können ein-, zwei-, oder mehrzähnig sein (monodentat, bidentat, polydentat).
• Oft nach Donoratomen klassifiziert:
  • O-Donoren: Wasser, Alkohole
  • N-Donoren: Ammoniak, Amine
  • P-Donoren: Phosphine
  • S-Donoren: Thiole
• Neutral oder geladen
• Bindungsmodus:
  • Terminal: binden an ein Zentralatom
  • Bridging: binden an mehrere Zentralatome
• Elektronenzahlregel: 18-Elektronen-Regel oft relevant

Bindungsmodelle: Crystal Field Theory vs. Ligand Field Theory

Definition:

Bindungsmodelle: Vergleich der Kristallfeldtheorie (CFT) und Ligandenfeldtheorie (LFT). Fokus auf die Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Metallionen und Liganden in Komplexverbindungen.

Details:

• Kristallfeldtheorie (CFT): Betrachtet elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Liganden und den d-Orbitalen eines Metallions. Annahme: Liganden als Punktladungen oder Dipole.
• d-Orbitale im freien Zentrum: Energieniveauentartung
• Oktaederfeld: Aufspaltung in \(e_g\) und \(t_{2g}\) Orbitale
• Parameter: \(\Delta_0\) (Kristallfeldaufspaltung), \(P\) (Paarungsenergie)
• Starke Ligandenfelder: \(\Delta_0 > P\), schwache: \(\Delta_0 < P\)
• Ligandenfeldtheorie (LFT): Erweiterung der CFT, berücksichtigt kovalente Bindungsanteile und Austauschwechselwirkungen.
• Beruht auf Molekülorbitaltheorie: Orbitalinteraktionen zwischen Metall und Liganden
• Erklärt magnetische Eigenschaften, spektrale Eigenschaften und Stabilität von Komplexen detaillierter als CFT
• Parameter und Konzepte: \(\Delta\) (Aufspaltungsparameter), Ligandenkonstante, Racah-Parameter (\(B\))

Elektronenkonfiguration und Farbspektren von Übergangsmetallkomplexen

Definition:

Elektronenkonfiguration der d-Orbitale in Übergangsmetallkomplexen, beeinflusst durch Ligandenfeld, bestimmt Absorption und Farbe.

Details:

• Elektronenkonfiguration im freien Atom: Basierend auf der Reihenfolge der Orbitalenergien
• Ligandenfeldtheorie (LFT): Beschreibt Aufspaltung der d-Orbitale (z.B. Oktaeder, Tetraeder)
• d-d-Übergänge: Elektronenübergänge zwischen aufgespaltenen d-Orbitalen
• Ligand-zu-Metall-Ladungstransfer (LMCT): Elektronenübergänge vom Ligand zum Metall
• Spektrochemische Serie: Reihenfolge der Liganden nach Feldstärke
• Farbe resultiert aus Absorption im sichtbaren Bereich: Komplementärfarbe wird wahrgenommen
• Tanabe-Sugano-Diagramme: Darstellung der Energiezustände und Übergänge in d-Metallkomplexen

Organometallische Verbindungen: oxidative Addition und reduktive Eliminierung

Definition:

Organometallische Verbindungen: oxidative Addition und reduktive Eliminierung sind grundlegende Reaktionen in der Katalyse, die die Veränderung des Oxidationszustands des zentralen Metallatoms betreffen.

Details:

• Oxidative Addition: Erhöhung des Oxidationszustands des Metalls um 2 Einheiten, Bindung zweier Gruppen an das Metallzentrum.
• Reduktive Eliminierung: Reduzierung des Oxidationszustands des Metalls um 2 Einheiten, Abspaltung zweier Gruppen vom Metallzentrum.

Redox-Eigenschaften und Katalyse in Übergangsmetallkomplexen

Definition:

Redox-Eigenschaften und Katalyse in Übergangsmetallkomplexen betreffen Elektronenübertragungsprozesse und deren Nutzung zur Beschleunigung chemischer Reaktionen.

Details:

• Übergangsmetalle weisen variable Oxidationsstufen auf.
• Redoxreaktionen: Lässt sich schreiben als: : Übergangsmetallkomplexe agieren als Katalysatoren (z. B. Homogenkatalyse, Heterogenkatalyse).
• Stark betroffen von Ligandumgebung und deren elektronischen Effekten.
• Beispiele: Fischer-Tropsch-Synthese (Fe, Co), Hydrierung (Pt, Pd), Olefinmetathese (Ru).
• Katalytische Aktivität hängt von der Stabilität verschiedener Oxidationsstufen ab, z. B. (Fe^{2+}/Fe^{3+}).
• Ligandenfeldtheorie erklärt Stabilität und Reaktivität.

Stabilitätskonstanten und Chelateffekte

Definition:

Stabilitätskonstanten: Maß für die Stabilität von Koordinationsverbindungen; Chelateffekt: Erhöhte Stabilität durch mehrzähnige Liganden

Details:

• Stabilitätskonstanten (K): \[K = \frac{[ML]}{[M][L]}\]
• Höhere Stabilitätskonstanten, höhere Stabilität des Komplexes
• Chelateffekt durch Liganden mit mehreren Ankergruppen
• Erhöhte Entropie durch Freisetzung mehrerer kleiner Liganden
• Beispiel: EDTA bildet sehr stabile Chelatkomplexe

Prinzipien der Reaktionsmechanismen und Kinetik in der anorganischen Chemie

Definition:

Kinetik und Mechanismus chemischer Reaktionen in anorganischen Systemen. Untersuchen der Reaktionspfade und Geschwindigkeitsgesetze.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit: \( v = k [A]^{m} [B]^{n} \)
• Übergangszustandstheorie: \( \frac{k}{T} = \frac{k_B}{h} e^{\frac{-\triangle G^e}{RT}} \)
• Arrhenius-Gleichung: \( k = A e^{\frac{-E_\text{a}}{RT}} \)
• Reaktionsmechanismen: Einzelschritt und Mehrstufenmechanismen
• Intermediäre und Übergangszustände: Stabilität und Nachweis
• Catalysis: Homogene und heterogene Katalysatoren
• Beispiel Reaktionen: Ligandenaustausch, Redoxreaktionen, Komplexbildung

Anwendungen von Übergangsmetallkomplexen in biologischen und industriellen Prozessen

Definition:

Übergangsmetallkomplexe finden breite Anwendung in biologischen und industriellen Prozessen, z.B. als Katalysatoren, in der Medizin und in Materialwissenschaften.

Details:

• Biologische Anwendungen: z.B. Hämoglobin (\text{Fe}), Vitamin B12 (\text{Co}), Enzyme.
• Industrielle Katalyse: z.B. Hydrierung (Wilkinson-Katalysator \text{RhCl(PPh3)3}), Olefinmetathese (Grubbs-Katalysator \text{Ru}).
• Medizinische Anwendungen: Cisplatin (\text{Pt}) als Chemotherapeutikum.
• Optisch aktive Materialien: Lanthanoid-Komplexe (\text{Eu}, \text{Tb}) für Leuchtstoffe.