Введение
Молекулярно-орбитальная теория, применяемая к комплексам переходных металлов, а также теория поля лигандов (LFT) описывают образование связей, расположение орбиталей и другие характеристики координационных комплексов. Она представляет собой применение молекулярно-орбитальной теории к комплексам переходных металлов. Ион переходного металла имеет девять валентных атомных орбиталей, состоящих из пяти nd, одной (n+1)s и трех (n+1)p орбиталей. Эти орбитали обладают достаточной энергией для образования химических связей с лигандами. Анализ в рамках LFT сильно зависит от геометрии комплекса, однако большинство объяснений начинаются с описания октаэдрических комплексов, в которых шесть лигандов координированы с металлом. Другие комплексы могут быть описаны на основе теории кристаллического поля. Теория инвертированного поля лигандов (ILFT) развивает LFT, снимая ограничения, касающиеся относительных энергий орбиталей металла и лигандов.
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.
История
Теория лигандного поля возникла в результате объединения принципов, изложенных в теории молекулярных орбиталей и теории кристаллического поля, которые описывают потерю вырождения d-орбиталей металлов в комплексах переходных металлов. Джон Стэнли Гриффит и Лесли Оргель отстаивали теорию лигандного поля как более точное описание таких комплексов, хотя истоки теории восходят к 1930-м годам и работам по магнетизму Джона Хасбрука Ван Влека. Гриффит и Оргель использовали электростатические принципы, установленные в теории кристаллического поля, для описания ионов переходных металлов в растворе, а также теорию молекулярных орбиталей для объяснения различий во взаимодействиях металл-лиганд, тем самым объясняя такие явления, как стабилизация кристаллического поля и видимые спектры комплексов переходных металлов. В своей работе они предположили, что основной причиной различий в цвете комплексов переходных металлов в растворе является незаполненные d-орбитали. В терминах молекулярной симметрии шесть неподеленных электронных пар от лигандов (по одной от каждого лиганда) формируют шесть симметрийно адаптированных линейных комбинаций (SALC) орбиталей, также иногда называемых орбиталями группы лигандов (LGO). Нередуцируемыми представлениями, которые они охватывают, являются a1g, t1u и eg. Металл также имеет шесть валентных орбиталей, охватывающих эти нередуцируемые представления: s-орбиталь обозначается a1g, набор из трех p-орбиталей обозначается t1u, а орбитали dz2 и dx2−y2 обозначаются eg. Шесть σ-связывающих молекулярных орбиталей образуются в результате комбинаций SALC лигандов с металлическими орбиталями той же симметрии.
π-связывание (пи-связывание)
π-связывание в октаэдрических комплексах происходит двумя способами: посредством любых p-орбиталей лигандов, не участвующих в σ-связывании, и посредством любых π или π* молекулярных орбиталей, присутствующих на лиганде. В стандартном анализе p-орбитали металла используются для σ-связывания (и не имеют подходящей симметрии для перекрытия с p-, π- или π*-орбиталями лигандов), поэтому π-взаимодействия происходят с соответствующими d-орбиталями металла, то есть dxy, dxz и dyz. Эти орбитали не участвуют в связывании при наличии только σ-связывания. Важным типом π-связывания в координационных комплексах является π-связывание от металла к лиганду, также называемое π-обратной связью. Оно возникает, когда LUMO (наинизшие незанятые молекулярные орбитали) лиганда являются антисвязывающими π*-орбиталями. Эти орбитали близки по энергии к dxy, dxz и dyz орбиталям, с которыми они комбинируются, образуя связывающие орбитали (то есть орбитали с более низкой энергией, чем указанный набор d-орбиталей). Соответствующие антисвязывающие орбитали имеют более высокую энергию, чем антисвязывающие орбитали, образованные σ-связыванием, поэтому после заполнения новых π-связывающих орбиталей электронами с d-орбиталей металла, величина ΔO увеличивается, и связь между лигандом и металлом усиливается. В результате лиганды оказываются с электронами на своих π*-молекулярных орбиталях, что ослабляет соответствующую π-связь внутри лиганда. Другой тип координационного π-связывания – связывание от лиганда к металлу. Эта ситуация возникает, когда заполнены π-орбитали p или π симметрии на лигандах. Они комбинируются с dxy, dxz и dyz орбиталями металла, передавая электроны в образующуюся π-связывающую орбиталь между ними и металлом. Связь металл-лиганд в некоторой степени усиливается этим взаимодействием, но соответствующая антисвязывающая молекулярная орбиталь, образованная связыванием от лиганда к металлу, не имеет большей энергии, чем антисвязывающая молекулярная орбиталь, образованная σ-связыванием. Однако она заполняется электронами с d-орбиталей металла, становясь HOMO (наивысшей занятой молекулярной орбиталью) комплекса. Поэтому ΔO уменьшается при связывании от лиганда к металлу. Большая стабилизация, возникающая в результате связывания от металла к лиганду, обусловлена переносом отрицательного заряда от иона металла к лигандам. Это облегчает принятие металлом σ-связей. Комбинация σ-связывания от лиганда к металлу и π-связывания от металла к лиганду представляет собой синергетический эффект, поскольку каждый из этих типов связывания усиливает другой. Поскольку каждый из шести лигандов имеет две орбитали π-симметрии, их общее количество составляет двенадцать. Симметрично адаптированные линейные комбинации этих орбиталей распадаются на четыре тройственно вырожденные неприводимые представления, одно из которых имеет симметрию t2g. dxy, dxz и dyz орбитали металла также обладают этой симметрией, поэтому π-связи, образующиеся между центральным металлом и шестью лигандами, также имеют ее (поскольку эти π-связи образуются путем перекрывания двух наборов орбиталей с симметрией t2g).
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.)