國立臺灣師範大學博碩士論文全文系統

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研究生：	潘奕文
論文名稱：	含主族元素 (Se、Te) 與過渡金屬 (Cr、Mo、W 、 Mn) 團簇化合物之合成與反應性及電化學研究
指導教授：	謝明惠
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	化學系 Department of Chemistry
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
中文關鍵詞：	cluster
論文種類：	學術論文
相關次數：	點閱：93 下載：0
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[1] 碲(Te)-鉻(Cr)-鉬(Mo)、鎢(W)系統的研究
將 [Te2Cr3(CO)10]2− (1) 與 4 當量 Mo(CO)6 於 Acetone 中加熱迴流，不同的反應時間可得到不同結果：加熱反應一天可得已知之開放型結構 [Te2Mo4(CO)18]2− (2)；反應時間延長至兩天不但可得含 2 個 hydride 之主結構為四面體的 [H2Te2Mo4(CO)12]2− (3)，亦可獲得含 2 個 hydride 之主結構為八面體的擴核新結構 [H2Te3Mo5(CO)14]2− (4)；更將 Te-Cr-Mo 系統拓展至 Te-Cr-W 系統，提高反應溫度與時間可得到已知開放型結構 [Te2W4(CO)18]2− (7) 及另外兩個新的化合物類似於 Te-Cr-Mo 系統之具有 2 個 hydride結構 [H2Te2W4(CO)12]2− (7) 與 [H2Te3W5(CO)14]2− (8)。另外，我們也利用 DFT 理論計算來佐證推測之反應路徑。

[2] 碲(Se)-鉻(Cr)系統的研究
成功得到新的開放型橋接結構 [Se{Cr(CO)5}3]2− (1)，與有機試劑 CF3SO3Me 反應可得 [MeSe{Cr(CO)5}3]− (2)，與異核金屬試劑 HgCl2 反應可得以 Hg 橋接之雙聚合物 [HgSe2{Cr(CO)5}4]2− (3)；在鹼性 MeOH 或 EtOH 中加熱反應可分別得已知 [Se2Cr3(CO)10]2− (4) 及新型有機金屬團簇化合物 [Me2Se2Cr2(CO)7]2− (5)。嘗試與小分子氣體在不同條件下進行反應，可得到多種新穎之自組裝性產物，分別為 [Se3{Cr(CO)5}4]2− (6)、[Se2{Cr(CO)5}3]2− (7) 以及 [Se2Cr4(CO)18]2− (8)；並藉 DFT 理論計算佐證產物生成的可能原因及推測之反應機制。

[3] 硒(Se)-鉻(Cr)-錳(Mn)系統的研究
將 [Se2Cr3(CO)10]2− 與 1.8 當量 Mn(CO)5Br 於 Acetone 中反應，可得到兩個史無前例之 Mn 原子引入 Se-Cr 羰基化合物之結構 [Me2CSe2{Mn(CO)4}{Cr(CO)5}2]− (1) 與 [Se2Mn3(CO)10{Cr(CO)5}2]2− (2)，將化合物 2 於 MeCN 中通入 CO 氣體下加熱反應，則會得到 [Se2Mn3(CO)9]2− (3)。針對[Se2Cr3(CO)10]2−、化合物 2 及化合物 3 進行磁性分析。此外，更對化合物 2 及 3 進行電化學分析，藉由 DFT 理論計算輔佐更深入探討其氧化還原過程。

[4] 碲(Te)-鉻(Cr)-錳(Mn)系統的研究
本研究室成功得到文獻中罕見具有 Cr-Mn金屬鍵之封閉型雙三角錐結構 [Te2CrMn2(CO)9]2- (2)，以及文獻上第一個由主族元素及 Cr-Mn 鍵生成之四角錐結構化合物 [Te2CrMn2(CO)10]2- (3)，兩者可藉由 CO 氣體的通入與加熱脫除進行可逆反應。對兩者作磁性及電化學分析，發現兩者具有電化學之轉換關係，藉由固定電位方法找出開關電位之正確位置，並藉 DFT 理論計算的輔佐，推導兩者在化學上與電化學上之轉變的反應機制。

[1] Te-Cr-Mo, W system
The reaction of [Te2Cr3(CO)10]2- (1) and 4 eq Mo(CO)6 gave various complexes under different reaction conditions. A known open-cluster [Te2Mo4(CO)18]2− (2) can be obtained in refluxing acetone for 1 day, and a hydrido-tetrahedral cluster [H2Te2Mo4(CO)12]2− (3) and a novel expanding hydrido-octahedral cluster [H2Te3Mo5(CO)14]2− (4) can be obtained in refluxing acetone solution for 2 days. Moreover, we explored the related Te-Cr-W system. With higher temperatures and prolonged time, two analogous hydrido-clusters [H2Te2W4(CO)12]2− (7) and [H2Te3W5(CO)14]2− (8) were obtained. These reactions were further investigated by molecular orbital calculations at the B3LYP level of the density functional theory.

[2] Se-Cr system
A new open chromium-containing carbonyl selenide [Se{Cr(CO)5}3]2− (1) was obtained from the reaction of Se powder with Cr(CO)6 in a molar ratio of 2:3 in basic methanol. The reaction of 1 with CF3SO3Me produced [MeSe{Cr(CO)5}3]− (2), while the reaction with HgCl2 afforeded the dimeric Hg-bridged metal cluster [HgSe2{Cr(CO)5}4]2− (3). When 1 was treated with NaOH/ROH (R= Me, Et) solution, the known product [Se2Cr3(CO)10]2− (4) and a butterfly complex [Me2Se2Cr2(CO)7]2− (5) were obtained, respectively. Moreover, the stability of 1 and its related reactions were investigated by molecular orbital calculations at the B3LYP level of the density functional theory.

[3] Se-Cr-Mn system
We have discovered two unprecedented manganese-incorporated selenium-chromium carbonyl complexes from the reaction of [Et4N]2[Se2Cr3(CO)10] with Mn(CO)5Br in acetone. One is a novel complex [Me2CSe2{Mn(CO)4}{Cr(CO)5}2]− (1) which presumably via C=O activation of acetone and the other is a cluster-expanded structure [Se2Mn3(CO)10{Cr(CO)5}2]2− (2) which can readily convert to [Se2Mn3(CO)9]2─ upon heating and bubbled with CO. In addition, the magnetic properties of [Se2Cr3(CO)10]2−, 2 and 3 were investigated by the SQUID measurement, and the electrochemical properties of 2 and 3 were studied by CV and DPV techniques. Moreover, the electrochemistry were further examined by molecular orbital calculations at the B3LYP level of the density functional theory.

[4] Te-Cr-Mn system
[Te2CrMn2(CO)9]2- (2) and [Te2CrMn2(CO)10]2- (3) that containing rare Cr-Mn bond were successfully synthesized. They can be converted to each other by bubbling CO gas or heating. There chemical and electrochemical redox reactions were studied which were further elucidated by molecular orbital calculations at the B3LYP level of the density functional theory.

Chapter 1    異核金屬鉬,鎢引入碲-鉻羰基化合物之合成與反應路徑的探討……..    1
1    摘要……………………………………………………….........................    1
2-1    前言……………………………………………………..................……...    2
2-2    研究目標…………………………………….…………………................    6
3    結果與討論.................................................................................................    7
3-1    [Et4N]2[Te2Mo4(CO)18] ([Et4N]2[2]) 與 [Et4N]2[H2Te2Mo4(CO)12] ([Et4N]2[3]) 之生成...................................................................................    8
3-2    [Et4N]2[H2Te3Mo5(CO)14] ([Et4N]2[4]) 之生成.........................................    11
3-3    [Et2N]2[2] 與 Mo(CO)6 之反應 (16小時)……………………………..    13
3-4    [Et4N]2[2] 與 Mo(CO)6 之反應 (24小時)..............................................    15
3-5    [Et2N]2[2] 與 Mo(CO)6 之反應 (42小時)..............................................    16
3-6    [Et4N]2[3] 外加過量 Te 及 Mo(CO)6 之反應………………………...    17
3-7    外加 10 當量 H2O 於 [Et4N]2[1] 與 Mo(CO)6 之反應......................    18
3-8    外加 10 當量 D2O 於 [Et4N]2[1] 與 Mo(CO)6 之反應......................    19
3-9    [Et4N]2[Te2CrW3(CO)18] ([Et4N]2[6]) 之生成...........................................    20
3-10    [Et4N]2[Te2W4(CO)18] ([Et4N]2[7])與[Et4N]2[H2Te2W4(CO)12]  ([Et4N]2[8]) 之生成...................................................................................    21
3-11    [Et4N]2[H2Te3W5(CO)14] ([Et4N]2[9]) 之生成..........................................    24
3-12    [Et4N]2[7] 與 W(CO)6 之反應 (60 小時)……......................................    26
3-13    [Et4N]2[8] 外加過量 Te 及 W(CO)6 之反應...........................................    27
3-14    Te-Cr-Mo 系統與 Te-Cr-W 系統相關化合物之晶體及結構探討........    29
3-15    DFT 理論計算結果分析與 NMR 光譜討論..........................................    32
4    結論……………………………………………………………………….    35
5    實驗部份………………………………………………………………….    36
5-1    [Et4N]2[Te2Cr3(CO)10] ([Et4N]2[1])之合成.................................................    37
5-2    [Et4N]2[Te2Mo4(CO)18] ([Et4N]2[2]) 與 [Et4N]2[H2Te2Mo4(CO)12] ([Et4N]2[3]) 之生成....................................................................................    37
5-3    [Et4N]2[3] 與 [Et4N]2[H2Te3Mo5(CO)14] ([Et4N]2[4])之生成..................    38
5-4    [Et2N]2[2] 與 Mo(CO)6 之反應 (16小時)……………………………..    39
5-5    [Et4N]2[2] 與 Mo(CO)6 之反應 (24小時)..............................................    39
5-6    [Et2N]2[2] 與 Mo(CO)6 之反應 (42小時)..............................................    40
5-7    [Et4N]2[3] 外加過量 Te 及 Mo(CO)6 之反應………………………....    40
5-8    外加 10 當量 H2O 於 [Et4N]2[1] 與 Mo(CO)6 之反應.......................    40
5-9    外加 10 當量 D2O 於 [Et4N]2[1] 與 Mo(CO)6 之反應......................    41
5-10    [Et4N]2[Te2CrW3(CO)18] ([Et4N]2[6]) 之生成...........................................    41
5-11    [Et4N]2[Te2W4(CO)18] ([Et4N]2[7])與[Et4N]2[H2Te2W4(CO)12]  ([Et4N]2[8]) 之生成....................................................................................    42
5-12    [Et4N]2[H2Te3W5(CO)14] ([Et4N]2[9]) 之生成...........................................    43
5-13    [Et4N]2[7] 與 W(CO)6 (1：2) 之反應 (60 小時)……...........................    44
5-14    [Et4N]2[8] 外加過量 Te 及 W(CO)6 之反應…......................................    44
5-15    晶體解析.....................................................................................................    45
5-16    理論計算方法.............................................................................................    45
6    参考資料.....................................................................................................    47

Chapter 2    硒-鉻羰基化合物與親電子基試劑之反應與路徑的探討...………..…..    79
1    摘要……………………………………………………….........................    79
2-1    前言……………………………………………………..................……...    80
2-2    研究目標…………………………………….…………………................    83
3    結果與討論.………………... ……………….…………………...............    84
3-1    [Se{Cr(CO)5}3]2− (1) 之生成……………….............................................    85
3-2    [Me4N]2[1] 與有機試劑 CF3SO3Me 之反應...........................................    86
3-3    [Me4N]2[1] 與異核金屬 HgCl2 之反應...................................................    87
3-4    [Et4N]2[1] 於 NaOH/MeOH 條件之反應................................................    89
3-5    [Me4N]2[1] 於 NaOH/EtOH 條件之反應...............................................    90
3-6    [Me4N]2[1] 溶於 THF 中與 H2 之反應.................................................    93
3-7    [Me4N]2[1] 溶於 THF 中與 CO2 之反應..............................................    94
3-8    [Me4N]2[1] 溶於 MeCN 中與 CO2 之反應...........................................    96
3-9    Se-Cr 系統相關化合物之晶體及結構探討…..........................................    97
3-10    DFT 理論計算結果分析............................................................................    100
3-11    [HgSe2{Cr(CO)5}4]2− (3) 之生成反應機制的探討與 DFT 理論計算....    103
4    結論..............................................................................................................    106
5    實驗部份......................................................................................................    108
5-1    [Se{Cr(CO)5}3]2− (1) 之生成………………..............................................    108
5-2    [Me4N]2[1] 與 CF3SO3Me (1：0.7) 於 THF 之反應..............................    109
5-3    [Me4N]2[1] 與 HgCl2 (1：0.5) 於 THF 之反應......................................    109
5-4    [Et4N]2[1] 於 NaOH/MeOH 條件之反應.................................................    110
5-5    [Me4N]2[1] 於 NaOH/EtOH 條件之反應.................................................    110
5-6    [Me4N]2[1] 溶於 THF 中與 H2 之反應..................................................    111
5-7    [Me4N]2[1] 溶於 THF 中與 CO2 之反應...............................................    111
5-8    [Me4N]2[1] 溶於 MeCN 中與 CO2 之反應............................................    112
5-9    晶體解析………............................……......................................................    113
5-10    理論計算方法…............................……......................................................    114
6    参考資料………............................……......................................................    115

Chapter 3    硒-鉻-錳羰基化合物的磁性與其電化學及理論計算的探討…….……..    135
1    摘要………………………………………………………..........................    135
2-1    前言……………………………………………………..................….…...    136
2-2    研究目標…………………………………….………………….................    137
3    結果與討論.……………………………….…………………....................    138
3-1    [Et4N][Me2CSe2{Mn(CO)4}{Cr(CO)5}2] ([Et4N]2[1]) 與 [Et4N]2[Se2Mn3(CO)10{Cr(CO)5}2] ([Et4N]2[2]) 之生成….......................    138
3-2    [Et4N]2[2] 與 CO 之反應………………….………………….................    139
3-3    [PPN]2[Se2Mn3(CO)9] ([PPN]2[3]) 與[PPN][Se2Mn3(CO)9]  ([PPN][4]) 之生成………………….………………….................................................    140
3-4    Se-Cr-Mn 系統相關化合物之晶體及結構探討........................................    141
3-5    [Se2Cr3(CO)10] 2− 之磁性分析………………….…………………...........    142
3-6    [Se2Mn3(CO)10{Cr(CO)5}2]2− (2) 之磁性分析.…………………..............    144
3-7    [Se2Mn3(CO)9] 2− (3) 之磁性分析.………………….................................    144
3-8    磁性分析配合 DFT 理論計算之探討.………………….........................    146
3-9    化合物 2 之電化學分析………................................................................    151
3-10    化合物 3 之電化學分析與固定電位實驗…………...............................    153
3-11    化合物 3 之電化學分析與 DFT 理論計算探討…………....................    158
4    結論.………………….................................................................................    160
5    實驗部份…………….................................................................................    161
5-1    [Et4N][Me2CSe2{Mn(CO)4}{Cr(CO)5}2] ([Et4N]2[1]) 與 [Et4N]2[Se2Mn3(CO)10{Cr(CO)5}2] ([Et4N]2[2]) 之生成...........................    161
5-2    [Et4N]2[2] 與 CO 之反應..........................................................................    163
5-3    [PPN]2[Se2Mn3(CO)9] ([PPN]2[3]) 與[PPN][Se2Mn3(CO)9]  ([PPN][4]) 之生成..........................................................................................................    163
5-4    理論計算方法..............................................................................................    164
5-5    電化學方法..................................................................................................    164
5-6    磁性分析方法..............................................................................................    165
6    参考資料……………….……..... ...............................................................    167

Chapter 4    碲-鉻-錳羰基化合物的磁性與其電化學及理論計算的探討….………..    181
1    摘要………………………………………………………..........................    181
2-1    前言……………………………………………………...................……...    182
2-2    研究目標…………………………………….………………….................    185
3    結果與討論.………………. ………………………………..……..……...    186
3-1    [Et4N]2[Te2¬¬Cr2Mn2(CO)18] ([Et4N]2[1]) 之合成………………..….…......    186
3-2    [PPN]2[Te2¬¬Cr2Mn2(CO)18] ([PPN]2[1]) 之陽離子置換反應………....…..    187
3-3    [PPN]2[Te2¬¬CrMn2(CO)9] ([PPN]2[2]) 之生成……………..……..............    187
3-4    [PPN]2[Te2¬¬CrMn2(CO)10] ([PPN]2[3]) 之生成……………..…….............    190
3-5    [PPN]2[3] 之加熱反應……………..………………..……... …….……...    191
3-6    Te-Cr-Mn 系統相關化合物之晶體及結構探討........................................    192
3-7    [Te2¬¬CrMn2(CO)9]2− (2) 之磁性分析與 DFT 理論計算之探討….……..    194
3-8    [Te2¬¬CrMn2(CO)10]2− (3) 之磁性分析與 DFT 理論計算之探討….…….    196
3-9    [Te2¬¬CrMn2(CO)9]2− (2) 之電化學分析與 DFT 理論計算探討…….…..    199
3-10    [Te2¬¬CrMn2(CO)10]2− (3) 之電化學分析與 DFT 理論計算探討…….….    202
3-11    以固定電壓方法進行電化學反應…………………………………….….    205
3-12    電化學反應與 DFT 理論計算之探討……………………………….….    207
4    結論…………………………………………………………………….….    210
5    實驗部份……………………………………………………………….….    212
5-1    [Et4N]2[Te2¬¬Cr2Mn2(CO)18] ([Et4N]2[1]) 之合成……………………….…    212
5-2    [PPN]2[Te2¬¬Cr2Mn2(CO)18] ([PPN]2[1]) 之陽離子置換反應………….…    213
5-3    [PPN]2[Te2¬¬CrMn2(CO)9] ([PPN]2[2]) 之生成…………………………....    213
5-4    [PPN]2[Te2¬¬CrMn2(CO)10] ([PPN]2[3]) 之生成…………………….……..    214
5-5    [PPN]2[3] 之加熱反應……………………………………………….…...    214
5-6    理論計算方法……………………………………………………….…….    215
5-7    電化學方法………………………………………………………….…….    215
5-8    磁性分析方法……………………………………………………….…….    216
6    参考資料……………….……..........….…………………………………..    218

Chapter 5    Conclusion…………………………………………………………………    228
                                

1.6. 参考資料
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