M-X + Y → M-Y + X•••

分類

配位子交換反応
Ligand Substitution Reaction

解離型機構 (D)金属-配位子結合の解離により置換反応が進行。配位数の変化
SN1機構に類似。
例）Ni(CO)4とホスフィンの交換
会合型機構 (A)金属-配位子結合の生成から起こる。
SN2機構に類似。（有機反応では遷移状態だが、金属では中間体）。
例）16電子錯体で見られる。例えばPt(PEt3)2Cl2のClの配位子交換Interchange機構 (I)
会合型機構と解離型機構の中間結合形成IAと解離IDが同時に進行し、Encounter 錯体を形成。
電荷を有する錯体で観察される。
カチオン性錯体とアニオン性配位子との間でイオン対型Encounter錯体を形成。中性錯体ではほとんど見られない。

・ BDE (bond dissociation energy)が M-Y > M-Xの時に熱力学的有利。
・ 基本的に、解離する配位子の安定性に依存する（求核置換反応との類似性）。
・ 解離する配位子が高い塩基性を示すときは進行しにくい。
例）ヒドリドやアルキルなど。
・ 配位結合している配位子やハライドなどの弱塩基性の配位子は進行しやすい。

会合型機構解離型機構

錯体

16電子、17電子錯体

18電子錯体速度論

配位子に1次配位子に0次活性化パラメーター

大きな負のDS‡

小さな正の DS‡

電子効果

より塩基性の高い配位子で有利
電子欠損性金属中心で有利

より塩基性の高い配位子で有利
電子欠損性金属中心で有利（脱離）配位子の影響影響は小さい

立体効果

立体障害の小さな金属中心で有利

配位子の結合エネルギーに大きく依存
立体障害の大きな金属中心

・ 17電子錯体は19電子錯体を形成するが、実験的データは会合型機構を支持している。
・ 一般的に会合型機構は2次、解離型機構は１次速度論に従う。
・ 会合型機構：２分子の会合であるので大きな負の活性化エンタルピーDS‡。
・ 解離型機構：遷移状態は金属-配位子の結合長の変化であるので小さな正のDS‡。

16電子、17電子錯体
平面四角型16電子Pt(II)錯体・・・典型的な会合型機構の例
Pd(II), Ni(II), Au(III), Rh(I), Ir(I)
溶媒が関与しない場合と溶媒の配位の後に配位子交換が起こる場合の2通り。

k1は溶媒の関与する項、k2は溶媒が関与しない項

会合型機構の立体化学
一般的に会合型機構は立体保持(retention of stereochemistry)で進行。

TBP中間体の寿命が長い場合： Berry pseudorotation により配位子の交換が進行。
Berry pseudorotation は 5 配位 d8 錯体で進行しやすい。

5 配位中間体 (TBP) は平面四角型 d8 錯体のシス-トランスの異性化反応を促進する。

会合型機構：配位子、金属の影響解離する配位子の影響

配位子の影響白金 ： 塩基性でソフトな配位子の置換が速い
M-L結合力に依存

中心金属の影響・ Ni > Pd > Pt
・ 18電子錯体（5配位TBP中間体）のとりやすさを反映。
・ M-Lの結合力・・・5配位中間体からのM-L結合の切断が律速、不可逆の場合

トランス効果

トランス効果 ： d8 平面四角型錯体のトランス位の置換反応強いトランス効果を示す配位子：
ヒドリド、アルキル配位子： 強いs-供与性配位子 トランス位の金属―配位子結合を不安定化
オレフィン： 強いp-受容性配位子 １８電子三方両錘形中間体を安定化
R3Si- > H- > CH3- ≈ CN- ≈ olefins, CO > PR3 ≈ NO2- ≈ I- ≈ SCN- > Br- > Cl- > RNH2 ≈ NH3 > OH> NO3- ≈ H2O
トランス影響 (trans influence) : 熱力学的、トランス位の配位子の金属との結合力

例平面四角型錯体での解離型機構
配位力が弱い配位子と強いトランス効果を持つ配位子

フェニル基：トランス効果大、DMSO：弱いLewis塩基DMSOの h2-配位により配位不飽和種が安定化
配位数の変化を伴わない例

アリール基のトランス影響、tBu基の効果

17電子錯体の配位子置換反応

会合機構で進行。
一般的に、17電子錯体の置換反応の速度は18電子錯体に比べて103～107程度高い。
・ V(CO)6の反応速度はCr(CO)6の約1010倍。
・ V(CO)6とPPh3の交換反応は-70ºC、90分で完結。V(CO)6-はPPh3の置換反応に不活性。

活性化パラメーター

19電子種
M-L半結合を形成
不対電子は配位子の成分が大きい軌道に入る
・・・ラジカルアニオン配位子が結合した１８電子錯体とみなせる。

V(CO)6 とPPh3 との交換反応
・ 2次の反応速度式
・ 負の大きな活性化エントロピー (DS‡ = -28 ± 2 eu)
・・・ホスフィンの塩基性が反応速度に影響 → 会合型機構を支持。

J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 71

17電子錯体は光分解、酸化反応で生成18電子錯体の配位子交換反応
・ 解離型機構で進行・ 16電子錯体による会合型機構に比べると遅い。
例） Rh(acac)(ethylene)錯体 (16 電子) とethyleneの交換速度: 104 s-1
CpRh(ethylene)2 錯体 (18 電子)とethylene の交換速度 : 10-10 s-1
・ 速度式

Ni(CO)4の例
・ 錯体に1次で、Lに無関係・・・COの解離が律速・ 活性化エンタルピー DH‡ はNi-COのBDE (25 kcal/mol)に近い・ 活性化エントロピー DS‡ = 1 eu・・・回転自由度が増加に起因活性化エンタルピーと配位子の脱離エンタルピーの関係
配位子交換の活性化エンタルピー ： 20~25 kcal/mol
CpRh(ethylene)2 (31 kcal/mol), Cr(CO)6 (37 ± 2 kcal/mol)
・・・置換反応には高温が必要 >100 ºC (Rh), 80~140 ºC (Cr)

解離型機構の立体化学ラセミ化が進行
ピラミッド中間体の反転
Brunner, H. Adv. Organomet. Chem. 1980, 18, 151

アルカン錯体の配位子交換反応
解離型機構で進行

R. G. Bergman, C. B. Moore, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 8288

配位子の影響

W(CO)5(OAc)-と13COとの交換反応
W(CO)5(OAc)-はW(CO)6よりも反応が速い。
アセテート配位子による二座配位の効果によりcis位の交換反応が進行する。

Mn(CO)5Brとホスフィンの交換反応
cis位のCOとの交換がtrans位よりも10倍程度速い。
cis位配位子の影響
NO3- > OAc-, HCO2-, RCO-, > NHR- > OR- > Cl- > Br- > I- > carbene > PPh3 > H-, CO・ キレート配位子、p-供与性の配位子は16電子中間体を安定化。
・ キレート配位子 (NO3-, OAc-, HCO2-) は単座から二座に変化し空き配位座を埋める。
・ 16電子TBP中間体では、弱いs-供与、弱いp-受容性配位子がbasal平面にある場合の方が安定。（逆の場合は不安定化する）
例）Cl配位子：弱いs-供与性・・・ハライドのシス位の方が、トランス位よりも置換活性。
CO配位子：強いp-受容性・・・COのトランス位の方が、シス位よりも置換活性。

配位子交換反応の促進
UV照射下ラジカル開始剤によりヒドリドの引き抜きが起こり、Re(CO)5 (17e)が低濃度で生成し、置換反応が起こる場合もある

電子移動

MeCN錯体よりPPh3錯体の方が17e/18eの酸化還元対が正電位側酸化によるCO脱離

J. K. Kochi, J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 61

Ring Slip