Intervalenz-Elektronentransfer

2. Für einen inner-sphere Elektronentransfer ist ein Ligandentransfernicht 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-sphereMechanismus mit ähnlichen Geschwindigkeiten (siehe: Riedel/Janiak, Moderne Anorganische Chemie, de Gruyter 2007).

3. Intervalenz-Elektronentransfer = Intramolekularer Elektronentransfer in einem gemischtvalenten verbrückten Komplex, entdeckt am stabilen Creutz-Taube-Komplex-Ion, das als Modellfall einer Brückenspezies dienen kann: Hier sind zwei Ruthenium-Ionen in gleicher chemischer Umgebung, aber formal unterschiedlicher Ladung über Pyrazin verbrückt (siehe: Joan RibasGispert, Coordination Chemistry, Wiley VCH 2008): Creutz-Taube Komplex-Ion (benannt nach Carol Creutz, PhD Studentin von Henry Taube)

4. 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)

5. 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 “valencelocalized“ (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 (valencedelocalization). ---------------------------------------------------------------------- Robin, Melvin B.; Day, Peter "Mixed Valence Chemistry", Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry, 1967, volume 10, pages 247-422.

6. 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. The oddelectronis in a d-orbital capableofdelocalisationintothepyrazineπ* orbitals.“ (Ondrechen et al., 1984) Methoden: 99Ru Mössbauerspektroscopy, near IR absorption, EPR spectroscopy (=ElectronParamagneticResonance), MCD spectroscopy (=MagneticCircularDichriosm) u.a.

7. Oft erfolgt der Vorgang der Brückenbildung schnell und reversibel vorgelagertes Brückenbildungsgleichgewicht schnell langsam schnell Geschwindigkeitsbestimmender Schritt: Elektronenübertragung auf der Brücke Es ergibt sich eine zusammengesetzte Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung (fast immer der Fall).

8. Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Art der Brücke ab (von ihrer Wirksamkeit als Vermittler des Elektronentransfers) Quelle: Tobe

9. Es gibt Systeme, in denen mehrfache Brücken gebildet und sogar übertragen werden, wie z.B. die Reaktion zwischen cis-Tetraaqua-diazido-Chrom (III) und Hexaaqua-Cr(II).

10. 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.

11. 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.

12. Zwei denkbare Reaktionswege a) oder b), welcher trifft zu? a) Folge von Einelektronenübergängen, instabile Zwischenverbindung ist Tl(II). b) Zugabe von Fe(III) verlangsamt die Reaktion, Zugabe von Tl(I) aber nicht. Zweielektronenübergang, gefolgt von Einelektronenübergang, instabile Zwischenverbindung ist Fe(IV).

13. 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.

14. Oxidation von Cr(III) zu Cr(VI) durch Peroxodisulfat erfolgt sehr langsam. Peroxodisulfat ist ein sehr starkes Oxidationsmittel, aber es wirkt als Zweielektronen-Oxidationsmittel. Oxidation von Spezies, die Einelektronenübergänge bevorzugen, erfolgt langsam. AgNO3 als Katalysator

15. Ag(II) betätigt sich dann als Einelektronen-Oxidationsmittel: Quantitative Bestimmung von Chrom(III)

16. 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 auch zu absorbieren, d.h. es muss einen erreichbaren angeregten Zustand geben, der sich im richtigen energetischen Abstand zum Grundzustand befindet.

17. 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.

18. Für diesen einfachen Fall ergeben sich die folgenden Übergänge: • d d Übergänge (solange die d-Orbitale nicht mit 10 Elektronen gefüllt sind) • MC = metalchargetransfer • d * Übergänge • MLCT= metaltoligandchargetransfer • d Übergänge LMCT= ligandtometalchargetransfer •  * Übergänge im Liganden • LC= ligandchargetransfer Vereinfachtes Orbitaldiagramm eines oktaedrischen Übergangsmetallkomplexes mit 6 gleichen Liganden. Die Pfeile symbolisierten die verschiedenen elektronischen Übergänge (Quelle: Wöhrle/Tausch/Stohrer, Photochemie, Wiley-VCH 1998)

19. Substitutions- und Isomerisierungsreaktionen aus angeregten Zuständen • ππ* 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.

20. Die Selektivität der photochemischen Anregungkann dazu verwendet werden, darüber zu bestimmen, welches Produkt entsteht: d6 Co3+ Komplex (highspin) Absorptionspeak für grünes Licht: d-d Übergang Absorptionspeak für UV: Ligand zu Metall charge-transferÜbergang (e- wechselt vom N3- zum Co3+) Bestrahlt man mit UV, so entstehen Co(II) und ·N3 (2 N3 3 N2) Durch Änderung der Frequenz kann man statt einer Ligandensubstitutions-Reaktion eine Redoxreaktion erhalten.

21. 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

22. 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

24. diphos=1,2-Bis(diphenylphosphino)ethan (zweizähnigerChelatligand) + + H L4Ir H - H L4Ir H + L4Ir + H2 + Hier werden keine freien H Radikale erzeugt, die extrem starke Base H- kann das Proton aus der anderen Ir-H Bindung abspalten.

25. Differenz der Standardpotentiale in Volt 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

26. Die Spezies Ru(bipy)32+* ist ein angeregter Zustand, der aus einem MLCT Übergang hervorgeht 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. -2.1 V

27. Man kann den angeregten Zustand (Triplett-Zustand) Ru(bipy)32+* auch chemisch herstellen, indem man Ru(bipy)33+ in wässriger Lösung mit Hydrazin N2H4reduziert. 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

28. Quelle: Wöhrle/Tausch/Stohrer Photochemie, Wiley-VCH, 1998

29. aus: Wöhrle/Tausch/Stohrer Photochemie

30. Fluoreszenz-Sensor:Die Unterscheidung zwischen Mg2+ und Ca2+ mittels eines modifizierten Ruthenium-tris(bipyridyl)-Metallrezeptors. Die Phosphonatgruppenkomplexieren Mg2+ (selektiv gegenüber anderen Alkali- und Erdalkaliionen durch die hohe Ladungsdichte bei Mg2+) unter Fluoreszenzverstärkung. (aus, E. Riedel, Moderne Anorganische Chemie, de Gruyter 2007).

31. 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

32. 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 TiO2nanoparticles, 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