pi 受体配体
/ PY-acceptor (pi as in 'pie') /
最有意思的配体既给又取。pi 受体配体一面像往常一样向金属给出一对孤对、做正面的 sigma 键,一面又在侧面挂着空的 pi 对称轨道,金属便把自己的一些 d 电子反推进这些空轨道。于是金属又把电子还给配体——一条双向道。典范的 pi 受体是一氧化碳、氰根和氮分子;膦和烯烃则做得温和一些。
追踪一下电子的流向,因为它有个名字:pi 反馈成键(或反馈给电子)。首先配体把一对孤对正向 sigma 给入金属。然后填满的金属 t2g 轨道(dxy、dxz、dyz,指向配体之间)与配体的空 pi 反键轨道侧向交叠,把电子密度反推进去。这种反馈抽走金属的 t2g 并使之稳定(能量降低),这与 pi 给体所做的恰恰相反。由于 delta-o 是 t2g 与 eg 之间的间隙,压低 t2g 就加大了 delta-o。所以 pi 受体是强场配体:它们使分裂变大、有利于低自旋配合物。这种协同是自我强化的——sigma 给予让金属富电子,反馈又予以缓解,二者相互增强。
pi 受体牢牢占据光谱化学序列的强场端,并解释了它最大的谜题:为何中性的 CO 比带负电的卤素分裂得更强。它们也是有机金属化学的核心——金属羰基之所以存在正是因为 CO 反馈成键,而且你简直可以用红外光谱亲眼看到这种反馈,因为填入 CO 的 pi 反键轨道会削弱它的三键、降低其伸缩频率。反馈越强、C-O 键越弱、频率越低:这是窥见一个轨道概念的直接实验窗口。
自由的一氧化碳在约 2143 cm-1 处伸缩。结合在 Ni(CO)4 中时频率降到约 2060 cm-1,而在反馈更强的阴离子羰基中还会进一步下降。这一可测的下降,就是电子密度从金属流入 CO 的 pi 反键轨道——pi 反馈成键被当场抓获。
C-O 伸缩频率的下降,是金属反馈强弱的一把直接标尺。
反馈需要金属的 t2g 中确实有 d 电子可供给出,所以它在富电子、低氧化态的金属上最强;高氧化态、缺电子的金属几乎没有可反馈的,这正是金属羰基偏好低氧化态的原因。