อัลโลโทรปของสารหนู

สารหนูในสถานะของแข็งสามารถพบได้ในรูปของไอโซโทป สีเทา สีดำ หรือสีเหลือง รูปแบบต่างๆ เหล่านี้มีโครงสร้างที่หลากหลาย โดยสารหนูสีเหลืองมีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาได้หลากหลายที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปฏิกิริยาของสารหนูสีเหลืองกับธาตุหมู่หลักและโลหะทรานซิชันจะทำให้เกิดสารประกอบที่มีโครงสร้างหลากหลายรูปแบบ โดยโครงสร้าง แบบ ผีเสื้อแบบแซนด์วิชและ แบบ เรียลการ์เป็นโครงสร้างที่พบได้มากที่สุด
สารหนูสีเทา

สารหนูสีเทา หรือที่เรียกว่า α- หรือสารหนูสีเทา เป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของธาตุที่อุณหภูมิห้อง[ 1 ]ไอโซโทปของสารหนูชนิดนี้มีลักษณะอ่อนนุ่มและเปราะ มีสีเทาอมเหล็กและเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี[ 2 ]โครงสร้างผลึกของ α-As เป็นแบบรอมโบฮีดรัล ประกอบด้วยวงแหวน As ที่หลอมรวมกัน ในรูปแบบเก้าอี้ ก่อตัวเป็นชั้นในลำดับ ABAB… ตั้งฉากกับ แกน c ทางผลึกศาสตร์ ภายในแต่ละชั้น ระยะห่างของพันธะ As-As ที่ใกล้ที่สุดคือ 2.517 Å สารหนูแต่ละตัวมีเพื่อนบ้านใกล้เคียงสามตัวในชั้นถัดไปที่ระยะห่าง 3.120 Å ดังนั้นสารหนูแต่ละตัวจึงอยู่ในตำแหน่งออกตาเฮดรัลที่บิดเบี้ยว ภายใต้สุญญากาศที่ 616 °C สารหนูจะระเหิดส่วนใหญ่ในรูปของโมเลกุล As โดยมีสัดส่วนของ As น้อย กว่า[ 1 ]การควบแน่นอย่างรวดเร็วของไอระเหยบนพื้นผิวที่เย็น (<200 K) ทำให้เกิดโมเลกุลอัลโลโทรปที่ไม่เสถียรที่เรียกว่าสารหนูสีเหลือง (As ) ซึ่งจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นอัลฟาฟอร์มหากปล่อยทิ้งไว้ที่อุณหภูมิห้อง การควบแน่นของไอระเหยของสารหนูบนพื้นผิวที่ร้อนจะสร้างสารหนูสีดำอสัณฐาน รูปแบบผลึกของสารหนูสีดำสามารถแยกได้ และรูปแบบอสัณฐานสามารถอบอ่อนเพื่อให้กลับไปเป็นรูปแบบสารหนูสีเทาโลหะ สารหนูสีเหลืองยังสามารถกลับไปเป็นอัลโลโทรปสีเทาได้อย่างง่ายดายโดยการใช้แสงหรือโดยการทำให้โมเลกุลกลับไปที่อุณหภูมิห้อง[ 1 ]
ปฏิกิริยา

มีการรายงานปฏิกิริยาในแหล่งกำเนิดที่เกี่ยวข้องกับสารหนูสีเทาค่อนข้างน้อย เนื่องจากความสามารถในการละลายต่ำ แม้ว่ามันจะทำปฏิกิริยาในอากาศเพื่อสร้างก๊าซ As₂O₃ ก็ตามมีของสารหนูสีเทาต่อโลหะทรานซิชันอยู่สองตัวอย่าง[ 3 ] [ 4 ]ในปฏิกิริยาเหล่านี้ คอมเพล็กซ์ไซโคลเพนตาไดอีนิลของโมลิบเดนัม ทังสเตน และโครเมียมจะดำเนินไปโดยการสูญเสียคาร์บอนมอนอกไซด์เพื่อทำปฏิกิริยากับสารหนูสีเทาและสร้างสารประกอบโมโน-, ได- และไตรอาร์เซนิก

สารหนูดำ

สารหนูสีดำหรือสารหนูอสัณฐาน ( สูตรเคมี As ) ถูกสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกโดยการระเหิดของสารหนูสีเทา ตามด้วยการควบแน่นบนพื้นผิวที่ร้อน โครงสร้างนี้เชื่อกันว่าเป็นสารหนูที่คล้ายกับฟอสฟอรัสแดงโครงสร้างของสารหนูสีดำในเฟสผลึก แม้ว่าจะไม่ได้สังเคราะห์ในรูปแบบบริสุทธิ์ แต่ก็มีความคล้ายคลึงกับฟอสฟอรัสสีดำ และมีโครงสร้างแบบออร์โธรอมบิกที่สร้างจากวงแหวน As สารหนูสีดำได้รับการสังเคราะห์ขึ้นเฉพาะในกรณีที่มีสิ่งเจือปนอะตอม ได้แก่ ปรอท[ 5 ] ฟอสฟอรัส และออกซิเจน แม้ว่าจะพบสารหนูสีดำในรูปแบบบริสุทธิ์ในภูมิภาคโคปิ อาโป ของชิลีการลอกชั้นของแร่ที่พบในถ้ำของชิลี อาร์เซโนแลมไพรต์ เผยให้เห็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีความไม่สมมาตรในเฟสสูงและมีศักยภาพเป็นวัสดุกึ่งตัวนำ[ 6 ]
สารหนูสีเหลือง

การควบแน่นอย่างรวดเร็วของไอระเหยของสารหนูบนพื้นผิวที่เย็นส่งผลให้เกิดสารหนูสีเหลือง (As ) ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของสารหนูสี่อะตอมเรียงตัวกันในรูปทรงเรขาคณิตแบบทรงสี่หน้าคล้ายกับฟอสฟอรัสขาวแม้ว่าจะเป็นสารหนูที่ละลายน้ำได้เพียงรูปแบบเดียวที่รู้จัก แต่สารหนูสีเหลืองก็ไม่เสถียร กล่าวคือ ที่อุณหภูมิห้องหรือเมื่อมีแสง โครงสร้างจะสลายตัวอย่างรวดเร็วเพื่อรับเอาโครงสร้างที่มีพลังงานต่ำกว่าของสารหนูสีเทา ด้วยเหตุนี้ จึงต้องใช้ความระมัดระวังอย่างมากในการรักษาสารหนูสีเหลืองให้อยู่ในสถานะที่เหมาะสมสำหรับการทำปฏิกิริยา รวมถึงการป้องกันแสงอย่างเข้มงวดและการรักษาอุณหภูมิให้ต่ำกว่า −80 °C [ 1 ]สารหนูสีเหลืองเป็นไอโซโทปที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการศึกษาปฏิกิริยา เนื่องจากความสามารถในการละลาย (ต่ำ แต่ค่อนข้างมากเมื่อเทียบกับไอโซโทปโลหะ) และลักษณะที่เป็นโมเลกุล เมื่อเปรียบเทียบกับฟอสฟอรัส ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เบากว่า ปฏิกิริยาของสารหนูยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอ งานวิจัยที่ศึกษาปฏิกิริยากับสารหนูส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการกระตุ้นสารประกอบของโลหะหมู่หลักและโลหะทรานซิชัน ในกรณีของสารเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชัน As ได้แสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพในกลุ่ม d ของตารางธาตุ
ปฏิกิริยาต่อสารประกอบหมู่หลัก
การกระตุ้นสารประกอบกลุ่มหลักครั้งแรกโดยสารหนูสีเหลืองได้รับการรายงานในปี 1992 โดย West และคณะ โดยเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของ As กับสารประกอบไดซิลีน เตตระเมซิทิลไดซิลีน เพื่อสร้างส่วนผสมของสารประกอบที่มีโครงสร้างแบบ ผีเสื้อ ของอะตอมสารหนูที่เชื่อม ต่อกัน [ 7 ]ที่น่าสังเกตคือ ส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ที่ได้ในปฏิกิริยานี้แตกต่างจากปฏิกิริยาที่คล้ายกันกับ P ซึ่งผลิตสารประกอบแบบผีเสื้อเพียงอย่างเดียว เน้นย้ำว่าปฏิกิริยาของสารหนูสีเหลืองและฟอสฟอรัสขาวไม่สามารถถือว่าเหมือนกันได้ สารประกอบ As ที่มีการแทนที่ด้วยสารอินทรีย์ตัวแรก ถูกผลิตขึ้นโดย Scheer และคณะในปี 2016 ผ่านปฏิกิริยากับอนุมูล Cp PEt [ 8 ]คล้ายกับสารประกอบแบบผีเสื้อที่กลุ่มของ West ได้รับ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ในปฏิกิริยานี้มีโครงสร้าง As ที่เชื่อม ต่อกันซึ่งสามารถกลับคืนสู่ As และอนุมูลหลักได้เมื่อมีแสงหรือความร้อน คุณสมบัติดังกล่าวทำให้สารเชิงซ้อน Cp PEt As เป็นโมเลกุล "กักเก็บ" ที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสารหนูสีเหลือง เนื่องจากมีความเสถียรเมื่อเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องในที่มืด แต่สามารถปล่อย As ออกมาได้ ในสารละลายที่มีความร้อนหรือปฏิกิริยาเคมีแสง

Other reactions of main group compounds with yellow arsenic have been shown to involve units of arsenic with more than four atoms. In reaction with the silylene compound [PhC(NtBu)SiN(SiMe)], an aggregation of As was observed to form a cage compound of ten arsenic atoms, including a seven-membered arsenic ring at its center.[9]
Reactivity towards transition metal compounds

Group 4 and 5 metals
Among the early (group 4 and 5) transition metal elements, few examples of arsenic activation has been reported to date. Carbon monoxide complexes of zirconium with derivatized cyclopentadienyl ligands were shown to react with yellow arsenic in boiling xylene to release CO and bind the As moiety in η1:1-fashion.[11] Trace amounts of a zirconium dimer bridged by a (μ,η2:2:1-As5)-moiety were also reported in this study, which described the complexes as possible reagents for As transfer. In group 5, arsenic activation has been more widely explored, with complexes of both niobium and tantalum known.[10][12] Investigation of the electron density topology in a phosphorus/arsenic/niobium-containing system demonstrated the unique η2-bonding configuration in these complexes, in which an arsenic-phosphorus double bond binds side-on to a niobium center.
Group 6 metals

ปฏิกิริยาของสารหนูสีเหลืองกับโลหะทรานซิชันหมู่ 6 ส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่านการกำจัดคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วยความร้อนในสารประกอบคาร์บอนิลของโครเมียมและโมลิบเดนัม ตัวอย่างที่น่าสนใจ ได้แก่ การก่อตัวของสารประกอบแบบสามชั้น [(Cp R Mo) (μ,η 6 -As )] และ [{Cp R Cr} (μ,η 5 -As )] ผ่านปฏิกิริยาของไดเมอร์โมลิบเดนัมและโครเมียมที่สอดคล้องกันกับสารหนูสีเหลือง[ 14 ] [ 13 ]โครงสร้างที่น่าทึ่งเหล่านี้มีวงแหวนระนาบสามวงเรียงตัวขนานกัน ส่งผลให้ สารประกอบโครเมียมมีจุดกรุ๊ป D ในอุดมคติ ปฏิกิริยาทั้งสองนี้จำเป็นต้องใช้สภาวะปฏิกิริยาที่รุนแรง เช่น ไซลีนเดือด เพื่อเอาชนะอุปสรรคสูงใน การกระตุ้น As ในทางกลับกัน การใช้ลิแกนด์ที่มีความต้องการทางสเตอริกมากขึ้นบนศูนย์กลางโลหะทำให้เกิดปฏิกิริยาในสภาวะที่อ่อนโยนกว่ากับโมลิบเดนัมและโครเมียม ตัวเร่งปฏิกิริยา Mo(N( tBu )Ar) ของ Cummins ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีว่าสามารถแยกพันธะสาม NN ในไดไนโตรเจน ทำปฏิกิริยากับสารหนูสีเหลืองเพื่อสร้างหมู่สารหนูปลายทางที่มีพันธะสามกับศูนย์กลางโลหะ ซึ่งเป็นหนึ่งในสารประกอบเพียงไม่กี่ชนิดที่ทราบว่ามีอะตอมสารหนูปลายทาง[ 15 ]สารประกอบเชิงซ้อนที่มีพันธะหลายพันธะระหว่างโลหะยังช่วยให้พารามิเตอร์การกระตุ้น As4 อ่อนโยนขึ้นที่มีพันธะห้าพันธะระหว่างโครเมียมกับโครเมียมที่รายงานโดย Kempe ทำปฏิกิริยากับสารหนูสีเหลืองเพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนแบบมงกุฎซึ่งอะตอมสารหนูทั้งสี่อะตอมก่อตัวเป็นโครงสร้างทรงสี่หน้าโดยประมาณ โดยแต่ละอะตอมของโครเมียมจะเชื่อมต่อกับอะตอมสารหนูสามอะตอม[ 16 ]
โลหะหมู่ 8 และ 9

The metals of groups 8 and 9 feature the most extensive library of reactivity with yellow arsenic documented in the scientific literature, with particular focus on reactions of iron and cobalt complexes with As. Much like the chromium and molybdenum sandwich complexes, (CpRFe(CO)] complexes of iron react with yellow arsenic to produce analogous bimetallic products featuring "triple-decker" geometry. These reports also detail the isolation of a key intermediate, pentaarsaferrocene ([CpRFe(μ5-As)]).[18] This intermediate, isolobal to ferrocene, replaces one of the cyclopentadienyl ligands with a cyclic As ligand that features As-As bond lengths of 2.312 Å (in line with delocalized As-As double bonds). This "sandwich-forming" reactivity can be meaningfully tuned by introducing bulkier ligands. Modifying the cyclopentadienyl groups with much bulkier derivatives produces a vastly different set of products. First, a butterfly complex with a central As unit is formed. Irradiation with light leads to further CO elimination and the formation of a bridged butterfly complex, which then rearranges into a unique complex featuring a central As moiety. This ligand, formally tetraanionic, forms an eight-membered ring bridging four iron atoms in total.[17]
Much of the same reactivity, including formation of butterfly and sandwich compounds, has been described for cobalt complexes in the presence of yellow arsenic. Beyond these compounds, the history of reactivity of cobalt and yellow arsenic dates back to 1978, when Sacconi and coworkers reported the reaction of cobalt tetrafluoroborate and yellow arsenic in the presence of 1,1,1-tris(diphenylphosphinomethyl)ethane. The resulting complex features a cyclic As moiety bridging two cobalt centers, of which the former is assigned formally as a 3π-electron system.[19] The reaction of [Cp*Co(CO)] dimer with yellow arsenic was shown by Scherer et al. to produce a wide variety of isolable products, featuring a mixture of linking arsenic moieties including cyclobutane-like and butterfly type complexes.[20] Analogous reactions with rhodium complexes are also known.[21]
Group 10 and 11 metals
Among the group 10 and 11 elements, nickel and copper feature most prominently in literature reactions with yellow arsenic. Nickel tetrafluoroborate salts react analogously to cobalt complexes in the presence of triphos to form a sandwich structure with a central cyclic As moiety. Much like iron, the reaction of nickel cyclopentadienyl carbonyl complexes with As yields a variety of bi- and multi-metallic products depending on the size of the attending ligands, though the nature and geometric structure of these compounds differ from those observed with iron.[19] These include trimers with bridging As and As moieties in cubane structural arrangements when smaller Cp ligands are employed, and distorted hexagonal prism complexes with two nickel fragments and four arsenic atoms when bulkier Cp groups are introduced.
The reaction of the copper complex [L2Cu(NCMe)] (L2 = [{N(CHiPr-2,6)C(Me)}CH]) with yellow arsenic yields the As-bridged dimer [{L2Cu}- (μ,η2:2-As)].[22] The four-atom arsenic moiety in this complex was deemed to be "intact" yellow arsenic through the use of density functional theory calculations determining the change in bond critical points between the free and bound arsenic molecules. Specifically, only a small shift was observed in the bond critical points between arsenic atoms involved in binding to copper; the remaining bond critical points were very similar to free yellow arsenic.