sigma 给予与 pi 反馈
/ pi (pie), sigma (SIG-muh) /
一次好的握手是双向的:你伸出手,对方也握紧你,正因为彼此都用了力,握得才牢。某些配体与金属之间的键,正是这样一次双向握手。一个方向是 sigma 给予,配体把一对孤对电子献给金属;另一个方向是 pi 反馈,金属把电子推回给配体。两者合起来造出的键,比任何单向电流都强得多,整套想法被称为协同成键(synergic bonding)。
拿一氧化碳做模型。CO 的碳上有一对孤对电子,正对着金属;这对电子沿键轴流入金属的空轨道,这就是 sigma 给予。但 CO 还有刚好在其充满能级之上的空反键 pi 轨道,而处于低氧化态的过渡金属拥有形状和对称性恰好合适的充满 d 轨道,可以从侧面与之交叠。电子密度从那些充满的金属 d 轨道滑入 CO 的空 pi 轨道,这就是反馈。两股电流彼此加强:给予使金属略微缺电子,于是它拉得更紧;反馈又使金属略微富电子,于是配体更乐意给予。同样这套图像也描述了烯烃、氮气以及许多其他 pi 接受体配体的结合方式。
这种协同正是无机化学一大片领域的秘密引擎。它解释了为什么低价金属钟爱 CO、为什么金属羰基物稳定,也解释了为什么红外光谱是如此有力的探针:反馈把电子填进会削弱碳氧键的轨道,于是 C-O 伸缩频率下降,下降幅度可测量,并可用来排出金属反馈的强弱。同样要诚实地说,这是一种分子轨道描述,是关于电子去向的模型,sigma 与 pi 各占多少比重可以争论;但作为一个工作图像,它对键强、几何构型和光谱的预测出奇地好。
比较阳离子 [Mn(CO)6]+、中性的 Cr(CO)6 和阴离子 [V(CO)6]-。随着金属上电子密度增加,反馈增强,C-O 伸缩频率沿这一系列稳步下降——这干净地证明了金属确实在把电子推进 CO 里。
金属上电子密度越大,反馈越多,C-O 伸缩频率越低。
反馈是关于电子流向的模型,而非字面上可测的电流;我们测到的是它的后果,比如移动了的 C-O 伸缩频率。