인모노나이트라이드

Phosphorus mononitride
질화인
이름
IUPAC 이름
Azanylidynephosphane
기타이름
질화인
식별자
3D 모델(Jsmol)
펍켐 CID
  • InChI=1S/NP/c1-2
    Key: AOPJVJYWEDDOBI-UHFFFAOYSA-N
  • N#P
특성.
PN
어금니 질량 44.981 g/mol
달리 명시된 경우를 제외하고는 표준 상태(25°C [77°F], 100kPa)에 있는 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.

인 모노나이트라이드는 화학식이 PN인 무기 화합물입니다. 인과 질소만 포함된 이 물질은 2진 질화물로 분류됩니다. 루이스 구조의 관점에서 보면, 각 원자에 하나씩 쌍이 있는 P-N 삼중 결합으로 나타낼 수 있습니다. N2, CO, P2, CS 및 SiO와 등전자적입니다.

이 화합물은 표준 조건에서 매우 불안정하여 빠르게 자가 중합되는 경향이 있습니다. 10 K (-263.1 °C)의 아르곤 및 크립톤 매트릭스 내에서 분리될 수 있습니다.[1] 불안정하기 때문에 다른 분자와의 반응에 대한 문서화는 제한적입니다.[2] 지금까지 대부분의 반응성은 전이 금속 센터에서 조사 및 연구되었습니다.

인 모노나이트라이드는 성간 매질에서[5] 최초로 확인된 인 화합물이었고 심지어 목성과 토성의 대기에서 중요한 분자로 여겨집니다.[6][7]

발견과 성간 발생

1934년 노벨상 수상자인 게르하르트 헤르츠베르크와 동료들에 의해 분광학적으로 기체상 인 모노나이트라이드의 존재가 확인되었습니다.[8] J. Curry, L. Herzberg, G. 허즈버그는 이전에 인에 노출되었던 공기가 채워진 튜브 내에서 방전된 후 2375-2992Å의[9] UV 영역에서 새로운 밴드를 관찰한 후 우연히 발견했습니다.

1987년 오리온 KL 성운, 아퀼라의 W51M 성운, 그리고 Turner, Bally, Ziurys에 의해 Saggitarius B2에서 동시에 인 모노나이트라이드가 검출되었습니다. 전파망원경의 데이터를 통해 J = 2-1, 3-2, 5-4, 6-5 전이와 관련된 회전선을 관찰할 수 있었습니다.

이후 수십 년 동안 성간 PN 관측의 급속한 확장이 뒤따랐고 PO와 함께 자주 감지되었습니다. 예를 들어, 은하[13] 중심부 내 L1157의[11][12] 충격 영역 내, CRL 2688의 탄소가 풍부한 봉투(HCP와 함께), 산소가 풍부한 봉투(VY Canis Majoris,[14] TX Camelopardalis, R. Cassiopeiae, NML Cygni)가 있습니다.[15]

Rosetta 탐사선의 분광학적 측정과 함께 알마 데이터에 따르면 PN은 혜성 67P/추류모프-게라시멘코에서 훨씬 더 풍부한 PO와 함께 운반됩니다. [16] 이러한 관측은 생물 이전 물질이 어떻게 행성으로 수송될 수 있는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. PN과 PO가 같은 영역에서 관찰되는 경우에는 후자가 더 풍부합니다. [17] 많은 다른 성간 구름에 걸쳐 이 두 성간 분자 사이의 분자 비율의 일관성은 두 분자 사이에 공유된 형성 경로의 신호로 생각됩니다.[18] PN은 주로 고온의 난류 지역에서 감지되며, 여기서 먼지 알갱이의 충격 유발 스퍼터링이 형성에 기여하는 것으로 생각됩니다. 그러나 이는 비교적 "냉온 및 정온" 상태인 대규모 밀집 코어에서도 확인되었습니다.[19]

2022년, 연구원들은 알마 종합 고해상도 은하 외 분자 인벤토리(ALCHEMI) 프로젝트의 데이터를 사용하여 은하계 내 거대 분자 구름인 NGC 253에서 인 모노나이트라이드의 증거를 보고했습니다. 이 발견은 인 모노나이트라이드를 최초의 은하계 외 인 함유 분자로 표시합니다.[17] 2023년 Ziurys와 동료들은 회전 분광법을 사용하여 WB89-621(은하 중심으로부터 22.6kpc)에서 PN과 PO의 존재를 보여주었습니다. 이전에 인은 은하수 내부에서만 관찰되었습니다(12kpc). 초신성은 은하의 외부 영역에서 발생하지 않기 때문에, WB89-621에서 이러한 인을 포함하는 분자의 검출은 비폭발적이고 낮은 질량의 점근성 거대 가지 별과 같은 인 형성의 추가적인 대체 소스의 증거를 제공합니다. 수준은 태양계와 유사한 값으로 감지되었습니다.[21]

전자 구조, 스펙트럼 및 결합 특성

PN 2D 전자 밀도 라플라시안 등고선도. CCSD/aug-cc-pCVQZ 레벨에서 Kupka 등과 유사하게 계산됩니다.[22][23][24]
N2 2D 전자 밀도 라플라시안 등고선도. CCSD/aug-cc-pCVQZ 레벨에서 Kupka 등과 유사하게 계산됩니다.[22][23][24]

기체 인과 질소로부터 PN 형성은 흡열성입니다.

½ P2 + ½ N2 = PN (ER = 117 ± 10kJ/mol)[25]

Gingerich의 초기 질량 분석 연구는 146.6 ± 5.0 kcal/mol (613 ± 21 kJ/mol; 6.36 ± 0.22 eV)의 PN 해리 에너지 D를0 산출했습니다.[26]

높은 양성자 친화도(PA = 191 kcal/mol (800 kJ/mol))를 가질 것으로 예측됩니다.

Herzberg의 원래 연구에서 나온 24개의 밴드에 대한 초기 회전 분석은 N2(1.094Å)과2 P(1.856Å) 사이의 중간인 1.49Å의 PN 핵간 거리를 제안했습니다. 관련된 전자 전이인 π → σ는 등전자 CS 및 SiO 분자와 유사한 것으로 나타났습니다. 이후의 회전 스펙트럼 연구는 이러한 결과와 잘 정렬되었으며, 예를 들어 마이크로웨이브 분광계에서 밀리미터파 회전 PN 스펙트럼을 분석하면 1.49085(2)Å의 결합 거리가 산출되었습니다.[29][30]

고온에서 기체 PN에 대한 적외선 연구는 진동 주파수(ω)를 1337.24 cm로 할당하고 원자간 분리는 1.4869 Å입니다.

표로 작성된 실험 및 계산된 결합 길이와의 단순 비교는 Pyykö의 삼중 결합 공유 반지름에 따라 PN 삼중 결합과 잘 일치합니다.[32]

NBO 분석은 PN 삼중 결합과 각 원자에 하나의 단독 쌍을 갖는 단일 중성 공명 구조를 지원합니다. 그러나 자연 개체군 분석에 따르면 질소는 유의하게 음전하(-0.82603)이고 인은 유의하게 양전하(-0.82603)인 것으로 나타났습니다. 이는 전자 밀도 등고선도를 반영하는 큰 쌍극자 모멘트 및 부분 이온 특성과 일치합니다.[33][34][35][36][37][24]

10 K (-263.1 °C)의 크립톤 매트릭스에서 단량체 PN은 1323 cm에서-1 단일 IR 밴드를 생성합니다.[1]

Auer와 Neese는 CCSD(T)/p4 이론 수준에서 각각 51.61 및 -344.71의 계산된 기체상 P 및 NNMR 화학 이동을 생성했습니다.[38] 그러나 다른 기능과 기본 세트는 화학적 차폐에 대해 극적으로 다른 예측을 산출하며 지금까지 인 모노나이트라이드에 대한 실험적인 NMR 이동은 여전히 파악하기 어렵습니다.[22]

분자 빔 전기 공명 분광법은 PN35 열분해로부터 생성된 인 모노나이트라이드의 무선 주파수 스펙트럼을 결정하는 데 사용되었습니다. 실험 결과는 처음 세 가지 진동 수준에 대해 각각 2.7465 + - 0.0001 D, 2.7380 + - 0.001 D 및 2.7293 + - 0.0001 D의 실험적 PN 다이폴 모멘트(μ)를 보여주었습니다.[39]

PN의 점유 고유 결합 궤도(IBO). ORCA로 설정된 def2-TZVP 기반을 사용하여 PBE0-D3BJ 이론 수준에서 계산된 예(왼쪽): 2개의 단독 쌍 + 1개의 P-N 시그마 결합. (중간 + 오른쪽): 수직 파이본드 쌍을 퇴화시킵니다.[40][34][35]
PN의 원자가 가상 IBO. ORCA로 설정된 def2-TZVP 기반을 사용하여 PBE0-D3BJ 이론 수준에서 계산된 예(위): (LUMO와 관련하여) 파이 백본딩과 관련된 축퇴 파이 안티본딩 오비탈.[40][34][35]

구성 P 원자와 O 원자 사이의 전기 음성도 차이가 더 크고 결합 길이가 1.476 Å임에도 불구하고 쌍극자 모멘트는 PO (1.88 D)보다 큽니다. [41] 이것은 PN과 PO 분자 내에서 결합과 전하 분포의 상당한 차이의 결과입니다. 큰 PN 쌍극자 모멘트는 이러한 특성이 없는 N에2 비해 라디오-천문학 연구에 매우 유리합니다.[41]

PN의 분자 궤도를 고려하여 N 분자의2 결합에 직접적인 유사성을 유도할 수 있습니다. P-N σ 결합 궤도(HOMO)로 구성되며, 두 개의 수직 축퇴 P-N pi 결합 궤도가 있습니다. 마찬가지로 퇴화된 PN pi-항체 집합으로 구성된 PN의 LUMO는 적절한 대칭의 궤도와 역결합을 허용합니다.

그러나 N에 비해 PN의 HOMO는 에너지가 더 높으며(테스트 -9.2 eV vs -12.2 eV), LUMO는 에너지가 더 낮으므로(-2.3 eV vs -0.6 eV) 리간드로서 더 나은 σ 공여체이자 파이 수용체입니다.

분명히, PN의 더 작은 HOMO-LUMO 간격은 극성 특성과 낮은 해리 에너지와 결합되어 (성간 수준에서 포함됨) 디니트로젠보다 훨씬 더 큰 반응성에 기여합니다.[43]

준비/형성

인터스텔라 포메이션

PN의 형성 경로는 아직 완전히 이해되지 않았지만 다른 성간 분자와 경쟁하는 기체상 반응을 포함할 가능성이 있습니다. 다음은 경쟁 발열 반응과 함께 중요한 방식입니다.[44]

PO + N → PN + O

PO + N → P + NO (경쟁)

또 다른 중요한, 매우 발열 형성 반응:

PH + N → PN + H

탄소 함유 환경으로부터:[45]

P + CN → PN + C

N + CP → PN + C

중요한 파괴 경로:

PN + N → N2 + P

성간 PN의 풍부함은 우주선 이온화, 시각적 소멸 및 먼지 알갱이로부터의 흡착/탈착에 의해 추가적으로 교란됩니다.[45][46]

전기 방전

Moldenhauer와 Dörsam은 1924년에 N과2 인 증기를 통한 전기 방전을 사용하여 과도 PN을 처음 생성했습니다. 여기서 특징적인 제품은 인과 질소가 동등한 부분으로 포함된 눈에 띄게 견고한 분말이었습니다.[47] 이와 같은 방법으로 Gerhard와 동료들이 PN을 실제로 처음으로 관측하게 되었습니다.

PN은 또한 적당한 진공 하에서 기체 PCl과3 N의2 혼합물에 마이크로파 방전을 사용하여 실온에서 생산되었습니다. 이 제제는 PN의 고해상도 FTIR 스펙트럼을 달성하기 위해 사용되었습니다.[48]

플래시 열분해

Atkins와 Timms는 나중에 고진공 하에서 PN의35 플래시 열분해를 통해 PN을 생성하여 극저온 크립톤 매트릭스 내에서 PN 적외선 스펙트럼을 기록할 수 있게 했습니다. 고체 삼인산 펜타나이트라이드는 고진공 상태에서 800~900°C(1,070~1,170K)로 가열될 때 기체 상태의 유리 PN을 생성합니다.[1]

Atkins and Timms의 PN35 플래시 열분해 방법론. 매트릭스 분리 및 중합의 중간체를 묘사합니다.[1]

단량체 PN은 10 K(-263.1 °C)의 크립톤 또는 아르곤 매트릭스에서만 분리될 수 있습니다. 30 K (-243.2 °C) 이상으로 데워지면 D3h 대칭을 갖는 사이클로트리포스파젠이 형성됩니다 (크립톤 매트릭스가 녹기 전에 최대 50 K (-223.2 °C). (PN)3 삼량체와 평면 및 방향족이며 N-표지 실험을 통해 1141cm에서-1 평면 E' 모드 밴드가 나타났습니다.[25] 이량체나 다른 올리고머는 심지어 일시적으로 관찰되지 않습니다.

극저온 매트릭스 없이, 이러한 반응들은 (PN)n 폴리머의 즉각적인 형성을 초래합니다.[1]

Dimethyl phosphoramidate의 열분해 실험은 PN이 ·P=O 라디칼 및 HOP=O를 포함한 많은 다른 부성분과 함께 주요 분해 생성물로 형성됨을 보여주었습니다. 이는 디메틸메틸포스포네이트(dimethylmethylphosphonate)가 주요 분해 생성물이 되어 경로가 크게 달라지는 것과 대조적입니다.[49]

포스피노아지드 열분해를 PN으로, Qian, Wende, Schreiner 및 Mardyukov의 부산물. 낮은 열분해 온도에서는 다른 주요 제품이 형성됩니다.[2]

Qian 등은 2023년 (o-phenyldioxyl)phosinoazide를 850℃로 가열(N의 손실2 이후)할 때 CO 및 cyclopentadienone 부산물과 함께 PN을 주요 생성물로 생성할 것을 제안했습니다. 그러나 이 방법을 사용하여 아르곤 매트릭스에서 자유 PN을 관찰하려는 노력은 밴드 중첩으로 인해 실패했습니다.[2]

헥사클로로포스파젠의 탈할로겐화

Schnöckel 등의 용융 [25]은을 이용한 헥사클로로포스파젠의 탈할로겐화 반응

Schnöckel과 공동 연구자들은 나중에 녹은 은과 함께 헥사클로로포스파젠의 탈할로겐화를 수반하는 대체 합성을 보여주었습니다. 이 경로와 PN35 열분해 경로 모두에서 1,200 K(930 °C)에서도 미량의 P와2 P4 형성만 감지되어 열역학적 평형과는 거리가 먼 반응 온도가 발생함을 보여줍니다.[25]

디벤조-7 λ-포스파노르보나디엔 유도체로부터의 안트라센 방출

커민스와 동료들의 실온 PN 방출 시약인 NPA3.[42]

위에서 언급한 방법들은 표준 균질 용액 상태 화학과 호환되지 않는 매우 높은 온도를 요구합니다.

2022년, Cummins와 동료들은 상온(t=30분)에서 N, 안트라센 및 PN으로 빠르게 분해되는 분자 PN 전구체인 NPA를 제조하고 분리했습니다. 이 해리는 진공과 42°C의 가열을 결합하여 폭발적입니다.[42]

반응성

인 모노나이트라이드와 다른 분자의 반응은 드물고 수행하기가 다소 어렵습니다. 중간(3PN) 삼량체의 형성은 매우 유리합니다(그 자체는 행렬에서만 분리됩니다).

3PN ⇌ (PN)3 (-334 +/- 60 kJ/mol)[25]

비활성 가스 매트릭스 또는 특정 금속 착물을 통해 포획되지 않은 기체상 또는 용액 내에서 생성된 PN은 디엔 또는 알킨과 같은 포획제가 존재하는 경우에도 급속한 자가 중합을 초래합니다(그 반응성 프로파일을2 P와 같은 관련 분자와 구별함).[50]

Qian 등으로부터 10 K에서 포스피노니트렌으로의 광구동 가역적 PN 산화.

모노나이트라이드 인은 그 자체와 빠르게 중합하는 경향이 그 반응성을 지배하여 유기 분자와의 반응에서 생성물의 연구와 다양성을 크게 방해했습니다.

2023년에, o-벤조퀴논 지지 포스포니트렌과 o-벤조퀴논 안정화 인 모노니트라이드 사이의 가역적 광이성화를 입증한 Qian과 동료들에 의해 문서화된 반응성의 드문 사례가 보고되었으며, 이는 아르곤 매트릭스에서 분리될 수 있습니다.[2]

전이금속에서의 결찰, 안정화 및 반응성

잘 정의된 PN 반응성은 대부분 전이 금속 센터에서 수행되었습니다. 그것이2 N과 공유하는 전자 및 분자 궤도 유사성은 그것을 실행 가능한 결찰 종으로 만듭니다. 유리 PN은 불안정하지만 인 모노나이트라이드는 복합체 내에서 분리 가능한 말단 리간드로 존재할 수 있는 금속 배위 부위에서 준비되었습니다.[3][42] 대체적인 경우, PN 리간드는 풍부한 화학적 특징을 갖는 일시적이고 반응성이 높은 중간체로서만 존재할 수도 있습니다.[4] 말단 리간드로서 우선적인 P와 N 결합 모드를 모두 갖는 경우가 발견되었습니다.

Smith와 동료들의 [MoPN]- 및 [MoNP]- 제제 및 광 이성질화.[3]

Smith와 동료들은 금속 부위에서 PN 모이어티를 생성하기 위해 방법론을 사용하여 최초의 안정적인 M-PN(및 M-NP) 복합체를 분리했습니다. 그들은 Tris(amido) Mo(VI) 말단 인화물 복합체와 Tris(carbene) 붕산염 Fe(IV) 말단 질화물을 반응시켰으며, 이들은 환원 결합을 통해 상응하는 중성 가교 PhB(iPrIm2)3 Fe-NP-Mo(NN3) 복합체를 형성했습니다. 특히, 브리징 화합물의 Mo-N-P 결합 각도는 1.509(6) Å의 N-P 결합 길이로 거의 완벽하게 선형입니다(유리 PN에서 상당한 다중 결합 특성을 나타내는 약간 길쭉한 것에 불과함).[3] 강한 루이스 염기성 tert-부틸 이소시아나이드의 3 당량을 첨가하면 제2 배위구에서 [PhB(iPrIm2)3Fe-(CNTBu)]3+ 양이온으로서 철 부가물이 방출되는 것을 특징으로 하는 방법. 해당 말단 선형 Mo-PN 음이온은 고체 상태의 백색광에 노출됨으로써 분리되고 선형 Mo-NP 이성질체로 전환될 수 있습니다. 리간드의 M-NP 이성질체는 그 이성질체보다 더 많은 pi- acidic(N-P = 1.5913(1) Å 및 P-N = 1.5363(1) Å)인 것으로 결정되었습니다.

NPA3 전구체로부터의 반자성 철-NP 복합체.[42]

커민스와 동료들은 NPA3 유리 PN 방출 시약을 이용하여 안정적인 말단(dppe)(Cp*)Fe-NP 복합체를 BARF24 염으로 "함정"하고 분리했습니다. 이 경우 NP 결합 길이는 1.493(2) Å로 매우 짧았으며, 이는 철 중심으로부터의 최소 파이 백 결합과 일치하는 기체 PN으로부터 거의 방해받지 않았습니다. 연구에 따르면 NP 결합 모드(PN에 비해)는 이 철 복합체에서 36.6 kcal/mol(153 kJ/mol)에 의해 에너지적으로 선호되는 것으로 확인되었으며, 이는 이성질화(Pauli repulse effects에서 발생하는 것으로 생각됨)에 대한 상당한 장벽을 형성했습니다.[42] Cummins와 동료들이 수행한 트리스(amido) 바나듐 복합체에서의 인 모노나이트라이드 화학에 대한 연구는 현재까지 전이 금속에서의 PN 반응성 예의 대부분을 제공합니다. 이 시스템에서 PN은 각각의 디벤조-7 λ-포스파노르보나디엔 유도체 전구체로부터 바나듐 중심에서 합성적으로 생성됩니다. 그러나 말단 리간드로서 안정적이지 않고, 대신 바로 삼량체화를 거칩니다. 특히, 이 삼량체 종 사이에는 이량체 및 관찰되지 않은 단량체 중간 단편과 함께 열역학적 평형이 존재합니다.[4][50]

Cummins 및 동료들로부터의 트리스(amido) 바나듐 PN 삼량체, 이량체 및 상응하는 단량체 V-NP 반응성 중간체의 합성.[4][50][42]



흥미롭게도, V-NP 단편은 알켄 및 알킨 트래핑제와 단일항 포스핀리덴 반응성([2+1] 첨가)을 거치며 각각 포스피란 및 포스페렌을 생성합니다. 이러한 첨가로부터 생성된 생성물은 평형 상태(cis-4-옥텐 및 비스-트리메틸실릴아세틸렌의 경우)에 존재하며, 여기서 cis-4-옥텐 컨포머의 보유가 관찰됩니다. 가열하면 V-NP 이량체를 생성하기 위해 가역적으로 첨가됩니다. 이러한 반응성은 대신 공식적인 사이클로딩 화학을 겪는 리간드로서 P와2 극명한 대조를 보여줍니다.[4]

바나듐 트리스(amido) 복합체에서 발생하는 PN의 반응성 가역적인 단일항 포스핀리덴 반응성과 평형.[4]
PN 그룹은 Bertrand 등의 카벤 사이에서 안정화되었습니다.[52]

기타 관련 PN 모이어티

Bertrand와 동료들은 중성 카벤 NHC와 CAAC 리간드에 의해 지지되는 공기 안정적인 PN 그룹을 준비했습니다. 그러나 N-P 결합 길이는 P-N 결합 길이가 1.7085 Å인 평면 트랜스-벤드 지오메트리를 특징으로 하기 때문에 중요한 다중 결합 특성을 지원하지 않습니다.[52]

첫 번째 NP 삼중 결합을 갖는 이민포스페늄 테트라클로로알루미네이트 염.[53]

1988년 Nieke와 동료들은 선형 PN 삼중 결합을 포함하는 분자의 첫 번째 예를 제공했습니다. inimophosphenium tetrachloroaluminate salt는 상응하는 클로로(imino)phosphane으로부터 AlCl3 매개 염화물 추출로부터 제조되었으며, 1.476 Å의 매우 짧은 결합 길이를 특징으로 합니다.[53]


적용들

(PN)n과 같은 PN 반응 생성물의 견고한 특성은 내열 세라믹 또는 화재 억제 재료로 사용될 수 있습니다.[54]

PN 및 (PN)n 중합체와 같은 반응 생성물에 대한 연구는 비료 생산에서 전구체/중간체와의 관련성에 주목하면서 오랫동안 관심을 가져 왔습니다.[51]

참고 항목

참고문헌

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