Кіріспе
Молекулалық орбитальдық теория өтпелі металл кешендеріне қолданылады. Лиганд өрісі теориясы (LFT) координациялық кешендердің байланысын, орбитальдық орналасуын және басқа да сипаттамаларын сипаттайды. Ол өтпелі металл кешендеріне молекулалық орбитальдық теорияны қолдану болып табылады. Өтпелі металл ионында бес nd, бір (n+1)s және үш (n+1)p орбитальдарынан тұратын тоғыз валентті атомдық орбиталы бар. Бұл орбитальдар лигандтармен байланыс түзету үшін қажетті энергияға ие. LFT талдауы кешеннің геометриясына өте тәуелді, бірақ көптеген түсіндірмелер алты лиганд металлмен координацияланатын октаэдрлі кешендерді сипаттаудан басталады. Басқа кешендерді кристалл өрісі теориясына сүйене отырып сипаттауға болады. Кері лиганд өрісі теориясы (ILFT) металл және лиганд орбиталық энергиялары туралы жасалған болжамдарды жою арқылы LFT-ді кеңейтеді.
Ligand field theory (LFT) describes the bonding, orbital arrangement, and other characteristics of coordination complexes. It represents an application of molecular orbital theory to transition metal complexes. A transition metal ion has nine valence atomic orbitals consisting of five nd, one (n+1)s, and three (n+1)p orbitals. These orbitals have the appropriate energy to form bonding interactions with ligands. The LFT analysis is highly dependent on the geometry of the complex, but most explanations begin by describing octahedral complexes, where six ligands coordinate with the metal. Other complexes can be described with reference to crystal field theory. Inverted ligand field theory (ILFT) elaborates on LFT by breaking assumptions made about relative metal and ligand orbital energies.
Тарих
Лиганд өрісі теориясы молекулалық орбиталь теориясы мен кристалл өрісі теориясында баяндалған қағидаларды біріктіру нәтижесінде туындады, олар өтпелі металл кешендеріндегі металлдың d орбиталдарының дегенерациясының жоғалуын сипаттайды. Джон Стэнли Гриффит пен Лесли Оргел осындай кешендерді дәлірек сипаттау ретінде лиганд өрісі теориясын жақтады, бірақ теорияның бастауы 1930 жылдарға дейін Джон Хасбрук Ван Влектің магнетизм жөніндегі жұмысына қатысты. Гриффит пен Оргел ерітіндідегі өтпелі металл иондарын сипаттау үшін кристалл өрісі теориясында орнатылған электростатикалық қағидаларды пайдаланды және металл-лиганд өзара әрекеттесуіндегі айырмашылықтарды түсіндіру үшін молекулалық орбиталь теориясын қолданды, соның арқасында кристалл өрісінің тұрақтандыруы және өтпелі металл кешендерінің көрінетін спектрлері сияқты байқаулар түсіндірілді. Олар өз мақаласында ерітіндідегі өтпелі металл кешендеріндегі түс айырмашылықтарының басты себебі – d орбиталық қабатшаларының толық еместігі екенін ұсынды. Молекулалық симметрия тұрғысынан алғанда, лигандтардан (әр лигандтан біреу) алынған алты жалғыз электрондық орбитальдар орбитальдардың алты симметрияға бейімделген сызықтық комбинациясын (SALC) құрайды, олар кейде лиганд тобының орбиталдары (LGO) деп те аталады. Бұл аралықтарды қамтитын өзгермейтін өкілдіктер a1g, t1u және eg болып табылады. Металлдың да осы өзгермейтін өкілдіктерді қамтитын алты валентті орбиталы бар. s орбиталы a1g деп белгіленеді, үш p орбиталының жиынтығы t1u деп белгіленеді, ал dz2 және dx2−y2 орбиталдары eg деп белгіленеді. Алты σ байланыс молекулалық орбиталдары лиганд SALC-терінің металл орбиталдарымен бірдей симметриялы комбинацияларынан пайда болады.
π-байланыс (pi-байланыс)
π байланысы октаэдрлік кешендерде екі жолмен жүзеге асады: σ байланысында қолданылмаған кез келген лигандтың p орбиталдары арқылы және лигандтағы кез келген π немесе π* молекулалық орбиталдары арқылы. Көбінесе талдау кезінде металдың p орбиталдары σ байланысы үшін пайдаланылады (сонымен қатар лигандтың p немесе π немесе π* орбиталдарымен қабаттасуға қажетті симметрияға ие емес), сондықтан π өзара әрекеттесулер тиісті металл d орбиталдарымен, атап айтқанда dxy, dxz және dyz орбиталдарымен жүзеге асады. Бұл орбиталдар тек σ байланысы болғанда байланыспайтын орбиталдар болып табылады. Координациялық кешендердегі маңызды π байланысы – металдан лигандқа π байланысы, сондай-ақ π кері байланысы деп те аталады. Ол лигандтың LUMO (ең төменгі бос молекулалық орбиталдары) антибайланыс π* орбиталдары болған кезде пайда болады. Бұл орбиталдар энергия жағынан dxy, dxz және dyz орбиталдарына жақын болады және олармен бірігіп, байланысу орбиталдарын (яғни аталған d орбиталдары жиынтығынан төмен энергиялы орбиталдарды) құрайды. σ байланысынан алынған антибайланыс орбиталдарының энергиясы жаңа π байланыс орбиталдары металлдың d орбиталдарынан электрондармен толтырылғаннан кейін ΔO-ның артуына және лиганд пен металл арасындағы байланыстың күшеюіне әкеледі. Лигандтар π* молекулалық орбиталдарында электрондармен толады, сондықтан лиганд ішіндегі сәйкес π байланысы әлсірейді. Координациялық байланыстың тағы бір түрі – лигандтан металлға байланыс. Бұл жағдай лигандтардағы π симметриялы p немесе π орбиталдары толтырылған кезде туындайды. Олар металдың dxy, dxz және dyz орбиталдарымен бірігіп, олар мен металл арасындағы π симметриялы байланысу орбиталына электрондарды донорлық етеді. Бұл өзара әрекеттесу металл-лиганд байланысын күшейтеді, бірақ лигандтан металлға байланысқа қатысты антибайланыс молекулалық орбиталы σ байланысынан алынған антибайланыс молекулалық орбиталынан жоғары емес. Ол металлдың d орбиталдарынан электрондармен толтырылады, бірақ кешеннің ЖОО (ең жоғары толымды молекулалық орбиталы) болады. Сондықтан лигандтан металлға байланыс пайда болғанда ΔO төмендейді. Металдан лигандқа байланыстың нәтижесінде туындайтын үлкен тұрақтандыру металл ионынан лигандтарға теріс зарядтың берілуіне байланысты. Бұл металдың σ байланыстарын оңай қабылдауына мүмкіндік береді. Лигандтан металлға σ байланысы мен металдан лигандқа π байланысының үйлесімі синергиялық эффектіні тудырады, өйткені әрқайсысы екіншісін күшейтеді. Әрбір алты лигандта π симметриясының екі орбиталы болғандықтан, барлығы он екі орбитал бар. Олардың симметрияға бейімделген сызықтық комбинациялары төрт үш есе дегенерацияланбаған өкілдікке түседі, олардың бірі t2g симметриялы. Металдың dxy, dxz және dyz орбиталдары да осы симметрияға ие, сондықтан орталық металл мен алты лиганд арасындағы π байланыстары да осы симметрияға ие (өйткені бұл π байланыстары t2g симметриялы екі орбиталь жиынтығының қабаттасуы арқылы қалыптасады).
π bonding is a synergic effect, as each enhances the other. As each of the six ligands has two orbitals of π symmetry, there are twelve in total. The symmetry adapted linear combinations of these fall into four triply degenerate irreducible representations, one of which is of t2g symmetry. The dxy, dxz and dyz orbitals on the metal also have this symmetry, and so the π bonds formed between a central metal and six ligands also have it (as these π bonds are just formed by the overlap of two sets of orbitals with t2g symmetry.)