Кіріспе
Эрих Гюкельдің молекулалық орбитальдар теориясы
1930 жылы Эрих Гюкель ұсынған Гюкель әдісі немесе Гюкель молекулалық орбитальдар теориясы – молекулалық орбитальдарды атомдық орбитальдардың сызықтық комбинациялары ретінде есептеудің қарапайым әдісі. Теория этилен, бензол, бутадиен және пиридин сияқты π-делокальданған молекулалардағы π-электрондары үшін молекулалық орбитальдарды болжауға мүмкіндік береді. Ол циклдік, жазық молекулалар немесе π-электрондары бар иондардың ароматикалық екендігін анықтайтын Гюкель ережесінің теориялық негізін құрайды. Кейіннен бұл әдіс көміртек және сутек атомдарынан басқа гетероатомдарды қамтитын пиридин, пиррол және фуран сияқты конъюгацияланған молекулаларға да қолданылды. Роалд Хоффман σ-электрондарын есепке алу үшін әдістің одан әрі дамытылған нұсқасын – кеңейтілген Гюкель әдісін (EHM) жасады. Кеңейтілген Гюкель әдісі жалпы органикалық молекулалар үшін (тек жазық жүйелер үшін ғана емес) белгілі бір дәрежеде сандық дәлдік береді және Вудвард-Хоффманн ережелерінің есептеулік негіздемесін ұсыну үшін қолданылды. Бастапқы әдісті Хоффманның кеңейтілген нұсқасынан ажырату үшін Гюкель әдісі қарапайым Гюкель әдісі (SHM) деп те аталады. Органикалық химияның маңызды құралы болғанына қарамастан, Гюкельдің идеялары екі онжылдық бойы толыққанды бағаланбады. Паулинг пен Уэланд оның тәсілін сол кезде "қиын" деп сипаттады, ал олардың бәсекелес резонанс теориясы физиканың негізгі білімі жоқ химиктер үшін түсінуге оңай болды, тіпті олар кванттық суперпозиция тұжырымдамасын ұға алмаса және оны таутомеризммен шатастырса да. Оның қарым-қатынас дағдыларының жетіспеуі де әсер етті: Роберт Робинсон оған достық өтініш жібергенде, ол органикалық химияға қызығушылық танытпайтындықтан, мақтанды жауап берді. Қарапайымдылығына қарамастан, Гюкель әдісі бастапқы түрінде көптеген кең таралған молекулалар үшін сапалық тұрғыдан дұрыс және химиялық тұрғыдан пайдалы болжамдар жасайды, сондықтан ол тиімді және кеңінен оқытылатын оқу құралы болып табылады. Ол көптеген кіріспе кванттық химия және физикалық органикалық химия оқулықтарында сипатталған, ал органикалық химиктер әлі күнге дейін π-байланыстың шамамен түсінуі үшін Гюкель теориясын қолданады.
The Hückel method or Hückel molecular orbital theory, proposed by Erich Hückel in 1930, is a simple method for calculating molecular orbitals as linear combinations of atomic orbitals. The theory predicts the molecular orbitals for π electrons in π delocalized molecules, such as ethylene, benzene, butadiene, and pyridine. It provides the theoretical basis for Hückel's rule that cyclic, planar molecules or ions with π electrons are aromatic. It was later extended to conjugated molecules such as pyridine, pyrrole and furan that contain atoms other than carbon and hydrogen (heteroatoms). A more dramatic extension of the method to include σ electrons, known as the extended Hückel method (EHM), was developed by Roald Hoffmann. The extended Hückel method gives some degree of quantitative accuracy for organic molecules in general (not just planar systems) and was used to provide computational justification for the Woodward–Hoffmann rules. To distinguish the original approach from Hoffmann's extension, the Hückel method is also known as the simple Hückel method (SHM). Although undeniably a cornerstone of organic chemistry, Hückel's concepts were undeservedly unrecognized for two decades. Pauling and Wheland characterized his approach as "cumbersome" at the time, and their competing resonance theory was relatively easier to understand for chemists without fundamental physics background, even if they couldn't grasp the concept of quantum superposition and confused it with tautomerism. His lack of communication skills contributed: when Robert Robinson sent him a friendly request, he responded arrogantly that he is not interested in organic chemistry. In spite of its simplicity, the Hückel method in its original form makes qualitatively accurate and chemically useful predictions for many common molecules and is therefore a powerful and widely taught educational tool. It is described in many introductory quantum chemistry and physical organic chemistry textbooks, and organic chemists in particular still routinely apply Hückel theory to obtain a very approximate, back of the envelope understanding of π bonding.
α және β мәндері
α мәні – 2p орбиталындағы электронның энергиясы, шексіздіктегі байланысы жоқ электронға қатысты. Бұл сан теріс, себебі электрон оң зарядталған ядроға электростатикалық байланыста бола отырып тұрақтанады. Көміртегі үшін бұл шама шамамен –11.4 eV. Гюкель теориясы көбінесе тек локалданған жүйеге қатысты энергияға қызығушылық танытатындықтан, α мәні көбінесе маңызды емес және ешқандай қорытындыға әсер етпей, нөлге теңелуі мүмкін. Шамамен айтқанда, β физикалық тұрғыдан оқшауланған 2p атомдық орбиталда орналасқаннан гөрі, жақын орналасқан атомдардың 2p орбиталдарынан құралған π молекулалық орбиталда орналасуға рұқсат етілген электронның тұрақтану энергиясын көрсетеді. Бұл сан теріс, бірақ оның абсолюттік мәнімен жиі айтылады. Гюкель теориясында |β| мәні құрылымдық жағынан ұқсас қосылыстар үшін шамамен тұрақты, бірақ таңқаларлық емес, құрылымдық жағынан өзгеше қосылыстар |β| үшін өте әртүрлі мәндер береді. Мысалы, этиленнің π байланыс энергиясын (65 ккал/моль) пайдаланып, екі рет толған π орбиталының (2α + 2β) энергиясын екі оқшауланған p орбиталындағы (2α) электрондардың энергиясымен салыстырғанда, |β| = 32.5 ккал/моль мәнін алуға болады. Екінші жағынан, бензолдың резонанстық энергиясын (36 ккал/моль, сутегілену жылуынан алынған) пайдаланып, бензолды (6α + 8β) гипотетикалық "ароматсыз 1,3,5 циклогексатриенмен" (6α + 6β) салыстырғанда, |β| = 18 ккал/моль деген әлдеқайда кіші мән шығады. Бұл айырмашылықтар таңқаларлық емес, себебі этиленнің (1.33 Å) бензолға (1.40 Å) қарағанда байланыс ұзындығы әлдеқайда қысқа. Бір-бірімен әрекеттесетін p орбиталдары арасындағы қысқа қашықтық өзара әрекеттесудің үлкен энергиясын көрсетеді, ол жоғары |β| мәнінде көрініс табады. Дегенмен, нафталин және антрацен сияқты әртүрлі полициклдік ароматты көмірсутектердің сутегілену жылуының өлшемі |β| үшін 17 мен 20 ккал/моль арасындағы мәндерді көрсетеді. Алайда, тіпті бірдей қосылыс үшін де |β| дұрыс тағайындалуы даулы болуы мүмкін. Мысалы, сутегілену жылуы арқылы эксперименттік түрде өлшенген резонанстық энергия "ароматсыз 1,3,5 циклогексатриеннің" бір және қос байланыстарынан бензолдың делокальданған байланыстарына өтуі тиіс байланыс ұзындықтарындағы бұрмаланулармен төмендейді деп айтылады. Осы бұрмалану энергиясын ескере отырып, геометриялық өзгеріссіз делокализация үшін (бензол үшін "тік резонанстық энергия" деп аталады) |β| мәні шамамен 37 ккал/моль болады. Екінші жағынан, электронды спектрлерді эксперименттік өлшеу бензол үшін 3 ЭВ (~70 ккал/моль) дейін жететін жоғары |β| мәнін ("спектроскопиялық резонанстық энергия" деп аталады) берді. Осы ұсақ, біліктіліктер мен түсініксіздіктерді ескере отырып, Гюкель теориясын нақты сандық болжамдар жасау үшін пайдалануға болмайды – тек жартылай сандық немесе сапалық үрдістер мен салыстырулар ғана сенімді және берік.
Оптикалық белсенділікті талдауда қолдану
Молекуланың оптикалық белсенділігін талдау, белгілі бір дәрежеде оның хиральдық қасиеттерін зерттеуге байланысты. Дегенмен, ахиральды молекулалар үшін оптикалық белсенділікті есептеуді жеңілдету мақсатында псевдоскалярларды қолдану, кеңістіктік орташаның болмауына байланысты мүмкін емес. Дәстүрлі хироптикалық ерітінділерді өлшеудің орнына, Хюккель теориясы σ-электрондарынан, әсіресе жазық, симметриялық жағдайларда бөліп, π-бағытталған жүйелерге назар аударуға көмектеседі. Жеке жазық молекуланың әрбір толқындық функциясын бірінен соң бірін көбейту арқылы алынған ауысу дипольдық моменттері, екі ортогональды бағыттардың биссектрисасында орналасқан, ең жоғары оптикалық белсенділік бағыттарына үлес қосады. Тензордың іздерінің мәні нөлге тең болғанына қарамастан, цис-бутадиен айтарлықтай диагональдық емес компоненттерді көрсетеді, ол ахиральды молекуланың оптикалық белсенділігін алғаш рет бағалау ретінде есептелді. Мысал ретінде 3,5-диметилен-1-циклопентенді пайдалану арқылы, электрлік дипольдық, магниттік дипольдық және электрлік квадрупольдық моменттердің өзара әрекеттесуі оптикалық айналуға (OR) әкеледі, оны тензорлық компоненттермен де, химиялық геометриялармен де сипаттауға болады. Екі молекулалық орбитальдың фазалық үйлесімділігі теріс зарядты тудырады, ал фазалық қарама-қарсылық зарядты азайтады. Бұл процесті π және π* орбитальдық коэффициенттері арқылы сандық түрде бағалауға болады.