配位場理論

配位場理論（英語：Ligand field theory，首字母縮略字：LFT）是晶場理論和分子軌域理論的結合，用以解釋配位化合物中的成鍵情況。 與晶場理論不同的是，配位場理論考慮配位基與中心原子之間一定程度的共價鍵合，可以解釋晶場理論無法解釋的光譜化學序列等現象。一般LFT選取的模型都為八面體構型，即六個配位基沿坐標軸正負指向中心原子，以方便理解。

成鍵

σ配位鍵

八面體錯合物中，六個配位基從x、y和z正負軸指向中心原子，因此凡是有σ對稱性的外層軌域都可能與配位基孤對電子的外層σ軌域重疊形成σ鍵。s軌域、$p_{x}$、$p_{y}$、$p_{z}$和d軌域中的$d_{x^{2}-y^{2}}$、$d_{z^{2}}$六個軌域具有σ對稱性，可以與六個配位基的σ軌域形成六個σ成鍵軌域和六個σ^*反鍵軌域。$d_{xy}$、$d_{xz}$和$d_{yz}$軌域（$t_{2g}$軌域）能階不變，成為非鍵軌域。

八面體錯合物[Ti(H₂O)₆]³⁺的σ分子軌域能階圖。

6個成鍵軌域分別記為$a_{1g}$、$t_{1u}$和$e_{g}$軌域，反鍵軌域則與其對應，記為$a_{1g}^{*}$、$t_{1u}^{*}$和$e_{g}^{*}$。一般配位基的電負度較大，6個σ軌域能階較中心原子低，配位基提供的孤對電子主要進入成鍵軌域中，而中心原子的d電子則主要進入$t_{2g}$非鍵和$e_{g}^{*}$反鍵軌域。由於$e_{g}^{*}$含有較多的d軌域成分，類似於晶場理論中的$e_{g}$軌域，因此，$e_{g}^{*}$和$t_{2g}$軌域之間的能階差便成為分裂能，用配位場理論也得到了與晶場理論相似的結果。

π配位鍵

當中心原子和配位基形成π配位鍵時，根據配位體性質的不同，有兩種不同的π相互作用，會導致分裂能發生較大的變化。分別為：與配位基未參與σ成鍵的p軌域成鍵，以及與配位基的π或π^*分子軌域結合。

中心原子含有π對稱性的軌域包括$d_{xy}$、$d_{xz}$和$d_{yz}$，雖然它們不能與配位基σ軌域組合，但是可以和配位基π對稱性的軌域組成分子軌域，形成π配位鍵。在單純形成σ配鍵時，這些軌域只是非鍵軌域，能階變化很小。

當充滿電子的配位基p軌域和金屬原子成鍵，例如F⁻、Cl⁻、OH⁻等配位基與金屬原子形成的錯合物，配位基的電子填充成鍵π分子軌域，中心原子的d($t_{2g}$)軌域電子進入反鍵π^*軌域，能量升高，是錯合物的HOMO軌域。與單純包含σ配鍵的錯合物相比，Δ值變小，錯合物易形成高自旋型，電子從配位基流向中心原子，形成「正常的」π配鍵。

相反，當配位基有低能階的空π^*軌域和金屬原子成鍵，例如CO、CN⁻、PR₃等，原來的非鍵$t_{2g}$軌域變為π成鍵軌域，而$e_{g}$依然是反鍵σ^*軌域。相比之下，Δ值增大，電子進入成鍵π分子軌域，看上去電子是從中心原子流向配位基，因此稱之為反饋π鍵。

晶場理論只從靜電作用考慮，認為$e_{g}$軌域直接指向配位基，而$t_{2g}$則插入配位基間的空擋中，得出$e_{g}$軌域能階高於$t_{2g}$軌域的結論。而配位場理論（分子軌域理論）則以中心原子和配位基原子軌域疊加來考慮：

• 在純σ錯合物中，$e_{g}$是σ^*反鍵軌域，$t_{2g}$是非鍵軌域；
• 對於π軌域充滿電子形成的錯合物，$e_{g}$保持σ^*反鍵軌域，$t_{2g}$變為π^*反鍵軌域，Δ變小；
• 對於有空π^*軌域的配位基形成的錯合物，$e_{g}$仍保持σ^*反鍵軌域，$t_{2g}$變為π成鍵軌域，Δ值增大。因而從配位場理論也可得到類似的結論。

高和低自旋及光譜化學序列

參見：磁化學

配位基的電子充填六個成鍵軌域，金屬的d電子進入非鍵軌域或反鍵軌域中，非鍵與反鍵之間的能階差稱為分裂能Δ_o（o代表八面體），受以下兩個因素影響：

• 配位基與中心原子之間的σ配鍵強弱

若配位基為強的σ電子給予體，則Δ值較大。

• 配位基與中心原子之間的π相互作用

若配位基為強的π電子接受體，可形成強的反饋π鍵，則Δ值增大。

電子組態為$d^{4}$-$d^{7}$的金屬錯合物自旋態會受分裂能大小影響。電子填充到非鍵和反鍵軌域中時，若電子優先成對排到非鍵軌域中，則稱為低自旋態；若電子優先進入反鍵軌域，而後成對，則稱為高自旋態。較大的分裂能常導致低自旋態，而較小的分裂能則常導致高自旋態。具體請參見晶場理論#高自旋和低自旋。

光譜化學序列由光譜數據衍生出，根據分裂能Δ的大小來衡量配位基的「強度」。由配位場理論可知，弱場配位基都是π電子給予體（如I⁻），強場配位基都是π電子接受體（如CN⁻和CO），而配位基如H₂O或NH₃則處於中間，π相互作用很弱。

I⁻ < Br⁻ < S²⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < NO₃⁻ < N₃⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < CH₃CN < py (吡啶) < NH₃ < en (乙二胺) < bipy (2,2'-聯吡啶) < phen (1,10-鄰菲囉啉) < NO₂⁻ < PH₃ < CN⁻ < CO

歷史

配位場理論是20世紀三四十年代時，在晶場理論的基礎上，同時結合分子軌域理論建立起來的。晶場理論假設配位鍵由中心原子與配位基之間的靜電吸引組成，忽視其中的共價性，因此無法解釋光譜化學序列和中性配位基（如N₂和CO）形成的錯合物。配位場理論則彌補了這些不足。

參見

• 晶場理論
• 分子軌域理論

外部連結

• Crystal-field Theory, Tight-binding Method, and Jahn-Teller Effect （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） in E. Pavarini, E. Koch, F. Anders, and M. Jarrell (eds.): Correlated Electrons: From Models to Materials, Jülich 2012, ISBN 978-3-89336-796-2