无机化学

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M大学  无机化学家经常需要处理对空气和水极为敏感的化合物。无水无氧合成中最常用且最实用的两种方法是使用施伦克线（Schlenk line）或手套箱。本实验将演示如何在施伦克线上进行基本操作，重点介绍溶剂的制备与转移。通过合成一种活泼的三价钛茂金属配合物，我们将展示一种新的、简便的溶剂脱气方法，以及如何在施伦克线上使用套管和注射器转移溶剂。 钛(III)茂金属化合物3的合成过程如图所示 图1.1 化合物3与O具有高度反应性2，（参见化合物3氧化为Ti(IV)茂金属4的反应，如图所示 图1）。因此，必须在厌氧条件下进行该合成反应。目标化合物3的合成过程可通过颜色变化进行目视监测，在生成最终蓝色产物之前，还会经历一次额外的颜色变化。若在实验过程中观察到颜色由蓝色变为黄色（或绿色 = 蓝色 + 黄色），则表明 O2 进入烧瓶，且化合物3已发生不期望的氧化反应生成Ti(IV)类似物（化合物4）。 图1.

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学  手套箱为操作对空气和湿气敏感的固体与液体提供了一种简便的方法。手套箱正如其名：一个在一面或多面装有手套的箱体，使用户能够在惰性气氛下于箱内进行各种操作。 在惰性气氛下进行操作时，化学家可以选择使用施伦克（Schlenk）或高真空技术，或使用手套箱。施伦克技术尤其是高真空技术可对气氛实现更高程度的控制，因此适用于对空气和水分高度敏感的反应。然而，手套箱在惰性气氛中提供了更便捷的操作空间。称量试剂、过滤反应混合物、制备光谱样品以及晶体生长等常规操作，在手套箱中比在施伦克/真空多通管系统中更容易完成。手套箱设计的进步已提升了其性能，例如可在较低温度下进行反应以及在手套箱内开展光谱分析。

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯A&M大学化学系&M大学  升华是指固体不经过液态而直接转变为气态的相变过程，该过程发生在化合物三相点的温度和压力以下（图1）。升华过程可用于纯化有机和无机固体。在纯化过程中，固体被直接加热转化为气相，非挥发性杂质则残留下来，而气化的化合物随后在冷表面上重新凝结（沉积）为固体并被收集。本实验中，我们将利用升华来纯化二茂铁——一种三相点温度为183 °C的无机固体。1 图1. 典型相图。彩色线条表示相变所需的压力和温度条件。在三相点以上的压力和温度条件下，固体会发生蒸馏，如相图中绿色线条所示。蓝色线条表示发生升华现象的温度和压力条件。

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学  大多数有机分子是反磁性的，其所有电子在化学键中均成对存在；而许多过渡金属配合物则具有顺磁性，其基态含有未成对电子。回顾洪德规则：对于能量相近的轨道，电子将优先占据轨道以最大化未成对电子数目，之后才发生电子配对。过渡金属具有部分填充的d轨道，当配体与金属配位时，这些轨道的能量会受到不同程度的影响。因此，d轨道之间的能量相近但并不完全简并。这使得配合物可能呈现反磁性（所有电子均成对）或顺磁性（存在未成对电子）。 了解金属配合物中未成对电子的数量，可以为金属配合物的氧化态、几何构型以及配体场（晶体场）强度提供线索。这些性质对过渡金属配合物的光谱学特性和反应活性具有重要影响，因此对其理解至关重要。 计算未成对电子数量的一种方法是测量配合物的磁化率...

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学  X射线晶体学是一种利用X射线研究分子结构的技术。X射线衍射（XRD）实验通常使用单晶或粉末样品进行。 单晶 X 射线衍射（XRD）： 单晶X射线衍射（XRD）可用于确定绝对结构。通过单晶XRD数据，可以观察到原子的精确位置，从而确定键长和键角。该技术提供的是单个晶体内部的结构，不一定代表材料的整体情况。因此，必须结合其他体相表征方法，以确证化合物的结构和纯度。 粉末X射线衍射（XRD）： 与单晶X射线衍射（XRD）不同，粉末XRD检测的是大量多晶材料样品，因此被认为是一种体相表征技术。粉末衍射图谱被视为给定材料的"指纹"，可提供关于材料物相（多晶型）和结晶度的信息。通常，粉末XRD用于研究矿物、沸石、金属有机框架（MOFs）及其他扩展固体材料。粉末XRD还可用于确定分子物质的体相纯度。 此前，我们已了解如何培养可用于X射线衍射分析的晶体（参见视频 有机化学基础 系列）。在这里，我们将学习XRD的基本原理，然后对Mo进行单晶和粉末衍射数据的采集2(ArNC(H)NAr)4，其中 Ar =...

来源：David C. Powers，Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学&M

来源：Joshua Wofford， 塔玛拉·M·鲍尔斯，德克萨斯农工大学化学系&M 大学 

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学  化学的目标之一是利用能够解释变化趋势并揭示影响反应物反应性的性质的模型。自古希腊时代以来，物质就被分类为酸和碱，但酸和碱的定义在多年间经历了修改和扩展。1 古希腊人通过味道来描述物质，并将酸定义为具有酸味的物质，例如柠檬汁和醋。术语 "acid" 源自拉丁语中表示 "酸味" 的词语。碱则以其能够抵消或中和酸的特性而被定义。最早被认识的碱是来自火中灰烬的碱，它们与脂肪混合可制成肥皂。事实上，术语 "alkaline" 源自阿拉伯语中表示 "烘烤" 的词汇。实际上，自古以来人们就已知酸和碱可以结合生成盐和水。 最早被广泛使用的酸的定义由瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）提出，他于1894年将酸定义为在水中解离产生水合氢离子的物质，而碱则是能在水中解离产生氢氧根离子的物质。因此，该定义仅限于水溶液中的酸，并要求酸必须提供一个质子。2 例如，氯化氢（HCl）在水中是一种酸，因为它解离生成水合氢离子（H3O）+...

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学  1951年，Kealy和Pauson报道了 自然 一种新型有机金属化合物二茂铁的合成。1 在最初的报告中，Pauson 提出了一种二茂铁的结构，其中铁原子通过单键（σ键）与每个环戊二烯配体的一个碳原子相连图1，结构I).1,2,3 这一初步报告引发了科学界对二茂铁结构的广泛关注，许多著名科学家都参与了这一新颖分子结构的解析工作。威尔金森（Wilkinson）和伍德沃德（Woodward）迅速提出了另一种结构构型，即铁原子“夹在”两个环戊二烯配体之间，并与全部10个碳原子等距成键。图1，结构II).4 在此，我们将合成二茂铁，并根据实验数据（红外光谱和 1氢核磁共振（H NMR）来确定观察到的是哪种结构。此外，我们将通过采集循环伏安图来研究二茂铁的电化学性质。在本实验过程中，我们将介绍18电子规则，并讨论过渡金属配合物的价电子计数方法。 图 1.

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯A&M大学化学系&M 大学 金属羰基配合物被用作合成有机金属配合物以及催化剂的金属前体。红外（IR）光谱是表征含一氧化碳化合物最常用且信息量最丰富的分析方法之一。群论，即利用数学方法描述分子对称性的理论，可用来预测分子中具有红外活性的碳-氧振动模式的数量。通过实验观察红外光谱中碳-氧伸缩振动的数目，是确定金属羰基配合物几何构型与结构的直接方法。 在本视频中，我们将合成钼羰基配合物 Mo(CO)4[P(OPh)3]2，该配合物可存在顺式（cis-）和反式（trans-）两种异构体（图1）。我们将利用群论和红外光谱法来确定所分离出的是哪一种异构体。 图 1. Mo(CO)4[P(OPh)3]2 的 cis- 和...

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学 本实验方案旨在指导合成两种含有配体1,1'-双(二苯基膦基)二茂铁（dppf）的金属配合物：M(dppf)Cl2，其中M = Ni或Pd。尽管这两种过渡金属配合物均为四配位，但它们在金属中心呈现出不同的几何构型。结合分子轨道（MO）理论、1H...

来源：Corey Burns，Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M大学 桨轮型配合物是一类由两个金属离子（1st, 2nd，或 3rd 行过渡金属，由四个桥联配体（最常见的是甲脒或羧酸根）将其连接在一起）图1）。改变金属离子和桥联配体的种类可获得大量桨轮型配合物。桨轮型配合物的结构允许金属-金属键的形成，这种键对其结构和反应性起着至关重要的作用。由于桨轮型配合物具有多样的电子结构，以及这些结构所表现出的M-M键性质的相应差异，这类配合物已被应用于多个领域，例如均相催化以及作为金属-有机框架（MOFs）的构筑单元。理解桨轮型配合物中M-M键的电子结构，对于认识其结构特征，以及在配位化学和催化中的应用至关重要。 图1. 桨轮型配合物的通用结构，其中 M 可以为 1st, 2nd，或 3rd 过渡金属

来源：Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学 当今现代社会需要消耗大量能源。尽管我们通过煤炭和石油等化石燃料获取能源，但这些资源不可再生，因此供应有限。为了维持全球的生活方式，我们必须从可再生能源中获取能源。就资源丰富程度而言，最具前景的可再生能源是太阳，它所提供的太阳能足以完全满足地球能源需求的数倍以上。 那么，我们如何从太阳中获取能量呢？自然界最先解决了这一问题：光合作用是植物将水和二氧化碳转化为碳水化合物和氧气的过程。该过程发生在植物的叶片中，依赖于使叶片呈现绿色的叶绿素色素。正是这些有色分子吸收了太阳光的能量，而被吸收的能量则驱动了化学反应的进行。 1839年，时年19岁的法国物理学家埃德蒙·贝克勒尔（Edmond Becquerel）在其父亲的实验室中进行实验，制造出了首个光伏电池。他将连接有铂电极的酸性氯化银溶液暴露于光照下，产生了电压和电流。1 许多发现与进展是在19世纪后期取得的th 以及前半部分的20th...

来源：Deepika Das，Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学化学系&M 大学 生物无机化学是研究金属在生物学中作用的学科领域。大约一半的蛋白质含有金属，据估计多达三分之一的蛋白质依赖含金属的活性位点来发挥功能。含有金属的蛋白质被称为金属蛋白质，在生命所必需的多种细胞功能中发挥着至关重要的作用。数十年来，金属蛋白质一直吸引并启发着合成无机化学家，许多研究团队致力于通过配位化合物的研究，模拟蛋白质中含金属活性位点的化学行为。 O的运输2 是生物体至关重要的生命过程。O2-运输金属蛋白负责结合、运输和释放氧气，这些氧气随后可用于呼吸等生命过程。携氧的钴配位化合物[N,N[双(水杨醛)乙二胺合钴(II)] [Co(salen)]2 已对此进行了广泛研究，以深入了解金属配合物如何可逆地结合O₂2.1

来源：David C. Powers，Tamara M. Powers，德克萨斯农工大学&M