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10.7:

原子価結合理論

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Valence Bond Theory

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Coordination complexes exhibit different geometries like octahedral, tetrahedral, and square planar, depending on the metal orbitals participating in the coordinate covalent bonds. Valence bond theory, or VBT, explains this based on the metal’s hybridization of s, p, and d orbitals. Hybridization provides vacant orbitals of equivalent energies that can coordinate to the filled ligand orbitals. Consider an octahedral complex, hexafluorocobaltate(III). The Co3+ ion has  partially filled 3d6 orbitals and vacant 4s, 4p, and 4d orbitals.  To form the complex, the metal's six empty orbitals, 4s, 4p, and two 4d, are hybridized to six sp3d2 orbitals, which are pointing towards the corners of an octahedron. The hybrid orbitals accept lone pairs from the six fluoride groups to form the paramagnetic complex. In the hexamminecobalt(III), the amino groups cause the 3d electrons of cobalt to rearrange, creating two vacant 3d orbitals.  These combine with the 4s and 4p orbitals to generate six d2sp3 hybrid orbitals, which then coordinately bind to the six ammonia groups to form the diamagnetic complex.  Now, consider a tetrahedral complex — tetrachloronickelate.  Ni2+ ion has a 3d8 configuration. The empty 4s and 4p orbitals hybridize to give four sp3 orbitals that point towards the corners of a tetrahedron.  Here, four pairs of electrons, one from each chloride group, occupy the hybrid orbitals to form the paramagnetic complex.  Lastly, examine a square planar complex like tetrachloroplatinate. The Pt2+ ion has a d8 configuration. The chloride groups force the metal’s 3d electrons to rearrange, creating a vacant orbital. The vacant orbital combines with the 4s and two 4p orbitals to give four dsp2 hybrid orbitals directed towards the corners of a square. Upon accepting the electron pairs from the chloride ligands, the diamagnetic complex is formed.  Although the coordination complexes vary in their colors and magnetic behavior, VBT does not explain their electronic spectra and the variation in their magnetic behavior with temperature.

10.7:

原子価結合理論

配位化合物や錯体は、構成する金属原子・イオン・配位子によって、さまざまな色や形、磁気的挙動を示します。このような配位錯体の結合や構造を説明するために、ライナス・ポーリングは「混成」と「原子軌道の重なり」という概念を用いて、「原子価結合理論」(VBT)を提唱しました。VBTによると、中心となる金属原子やイオン(ルイス酸)が混成して、適切なエネルギーの空軌道を得ます。これらの軌道は、満たされた配位子軌道(ルイス塩基)から電子対を受け取り、金属-配位子間の配位共有結合を形成します。混成の種類と混成軌道の数によって、錯体の形状が決まります。

幾何配置  Hybridization  
直線状 sp
四面体型 sp3
 平面四角形  dsp2
八面体型  d2sp3 or sp3d

四面体型錯体では、金属上の3つの空のp軌道と1つの空のs軌道が混成して4つのsp3混成軌道が形成されます。これが満たされた配位子の軌道と重なり、共有結合を形成します。同様に、八面体型錯体の場合は、中心の金属イオン上の空いている原子軌道を混ぜ合わせることで6つの混成軌道が作られる(d2sp3またはsp3d2混成化)。直線状の錯体の場合、1つのsと1つのp軌道が重なり、2つのsp混成軌道が形成されます。

Inner and Outer Orbital Complexes

近接する配位子場の強さは、中心金属イオン上の原子軌道の混成に影響を与えます。例えば、[Co(NH3)6]3+のような八面体型錯体の例を考えたいです。Co3+イオンは、3d軌道に6個の電子を持ち、4sおよび4p軌道が空いています。強い配位子場を形成するNH3配位子が入ると、不対になっている3d電子が再配置され、他の3d電子と電子対を形成します。これにより、2つの空の3d軌道が作られ、それが1つの4sと3つの4p軌道と組み合わさって、6つの等価なd2sp3混成軌道が形成されます。この6つの混成軌道は、アンモニア配位子の満たされた原子軌道と重なり、八面体の複合体を形成します。金属の内側のd(3d)軌道が混成に関与しているので、[Co(NH3)6]3+は内軌道錯体です。不対電子が存在しないため、反磁性を示し、低スピン錯体とも呼ばれます。

Image1

      [Co(F)6]3+のような別の八面体型錯体では、フッ化物イオンの配位子場が弱いため、金属の3d6電子は再配列しません。混成のための空軌道を提供するために、一番外側の空の4d軌道のうちの2つが、1つの4sと3つの4p軌道と結合して、6つの空の混成軌道を形成します。一番外側のd軌道を使うので、この混成はsp3d2混成と呼ばれ、この錯体は外軌道錯体と呼ばれます。また、不対電子が存在すると常磁性体となるため、これらの錯体は高スピン錯体とも呼ばれます。

Image2

高スピンまたは外軌道錯体は、低スピンまたは内軌道錯体に比べて、(sp3d2 軌道のエネルギーが高いために)より不安定で安定性が低いです。