Введение
Теория молекулярных орбиталей Эриха Гюкеля
Метод Гюкеля, или теория молекулярных орбиталей Гюкеля, предложенная Эрихом Гюкелем в 1930 году, является простым методом вычисления молекулярных орбиталей как линейных комбинаций атомных орбиталей. Теория предсказывает молекулярные орбитали для π-электронов в π-делокализованных молекулах, таких как этилен, бензол, бутадиен и пиридин. Она предоставляет теоретическую основу для правила Гюкеля, согласно которому циклические, плоские молекулы или ионы с π-электронами являются ароматическими. Позже метод был расширен на конъюгированные молекулы, такие как пиридин, пиррол и фуран, содержащие атомы, отличные от углерода и водорода (гетероатомы). Более существенное расширение метода, включающее σ-электроны, известное как расширенный метод Гюкеля (EHM), было разработано Роальдом Хоффманом. Расширенный метод Гюкеля обеспечивает некоторую степень количественной точности для органических молекул в целом (а не только для плоских систем) и использовался для получения вычислительного обоснования правил Вудварда-Хоффмана. Чтобы отличать оригинальный подход от расширения Хоффмана, метод Гюкеля также известен как простой метод Гюкеля (SHM). Хотя, несомненно, являясь краеугольным камнем органической химии, концепции Гюкеля в течение двух десятилетий оставались незаслуженно непризнанными. Поулинг и Уэланд в то время охарактеризовали его подход как "сложный", а их конкурирующая теория резонанса была относительно легче для понимания химиками, не имеющими фундаментальных знаний в физике, даже если они не могли уловить концепцию квантовой суперпозиции и путали ее с тавтомерией. Его неумение налаживать контакты также сыграло свою роль: когда Роберт Робинсон прислал ему дружеский запрос, он высокомерно ответил, что не интересуется органической химией. Несмотря на свою простоту, метод Гюкеля в своей первоначальной форме делает качественно точные и химически полезные предсказания для многих распространенных молекул и, следовательно, является мощным и широко используемым образовательным инструментом. Он описан во многих вводных учебниках по квантовой химии и физической органической химии, и органические химики в частности до сих пор регулярно применяют теорию Гюкеля для получения очень приблизительного понимания π-связывания.
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.
Значения α и β
Значение α – это энергия электрона в 2p-орбитали относительно несвязанного электрона в бесконечности. Эта величина отрицательна, поскольку электрон стабилизируется, будучи электростатически связанным с положительно заряженным ядром. Для углерода это значение составляет приблизительно –11,4 эВ. Поскольку теория Гюкеля обычно интересуется только энергиями относительно референтной локализованной системы, значение α часто несущественно и может быть установлено равным нулю без влияния на какие-либо выводы. Грубо говоря, β физически представляет энергию стабилизации, испытываемую электроном, которому разрешено делокализоваться в π-молекулярной орбитали, образованной из 2p-орбиталей смежных атомов, по сравнению с локализацией в изолированной 2p-атомной орбитали. Таким образом, это также отрицательное число, хотя о нем часто говорят в терминах его абсолютной величины. Значение для |β| в теории Гюкеля приблизительно постоянно для структурно похожих соединений, но, что неудивительно, структурно непохожие соединения дают очень разные значения для |β|. Например, используя энергию π-связи этилена (65 ккал/моль) и сравнивая энергию двукратно занятой π-орбитали (2α + 2β) с энергией электронов в двух изолированных p-орбиталях (2α), можно получить значение |β| = 32,5 ккал/моль. С другой стороны, используя резонансную энергию бензола (36 ккал/моль, полученную из теплот гидрирования) и сравнивая бензол (6α + 8β) с гипотетическим "неароматическим 1,3,5-циклогексатриеном" (6α + 6β), получается гораздо меньшее значение |β| = 18 ккал/моль. Эти различия не удивляют, учитывая значительно более короткую длину связи этилена (1,33 Å) по сравнению с бензолом (1,40 Å). Более короткое расстояние между взаимодействующими p-орбиталями объясняет большую энергию взаимодействия, что отражается в более высоком значении |β|. Тем не менее, измерения теплоты гидрирования различных полициклических ароматических углеводородов, таких как нафталин и антрацен, все указывают на значения |β| между 17 и 20 ккал/моль. Однако даже для одного и того же соединения правильное определение |β| может быть спорным. Например, утверждается, что резонансная энергия, измеренная экспериментально с помощью теплот гидрирования, уменьшается из-за искажений длин связей, которые должны произойти при переходе от одинарных и двойных связей "неароматического 1,3,5-циклогексатриена" к делокализованным связям бензола. Принимая во внимание эту энергию искажения, значение |β| для делокализации без геометрических изменений (называемое "вертикальной резонансной энергией") для бензола составляет около 37 ккал/моль. С другой стороны, экспериментальные измерения электронных спектров дали значение |β| (называемое "спектроскопической резонансной энергией") до 3 эВ (~70 ккал/моль) для бензола. Учитывая эти тонкости, квалификации и неоднозначности, теорию Гюкеля не следует использовать для получения точных количественных прогнозов – только полуколичественные или качественные тенденции и сравнения являются надежными и устойчивыми.
Применение в анализе оптической активности
Анализ оптической активности молекулы в определенной степени зависит от изучения ее хиральных характеристик. Однако для ахиральных молекул применение псевдоскаляров для упрощения расчетов оптической активности невозможно из-за отсутствия пространственного усреднения. Вместо традиционных хироптических измерений в растворе, теория Гюкеля позволяет сосредоточиться на ориентированных π-системах, отделяя их от σ-электронов, особенно в плоских, симметричных случаях. Переходные дипольные моменты, вычисленные путем последовательного перемножения волновых функций отдельных плоских молекул, определяют направления максимальной оптической активности, располагаясь на биссектрисах двух ортогональных направлений. Несмотря на нулевой след тензора, цис-бутадиен демонстрирует значительные внедиагональные компоненты, которые были рассчитаны как первая оценка оптической активности для ахиральной молекулы. В качестве примера используется 3,5-диметилен-1-циклопентен. Взаимодействие переходных электрических дипольных, магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов приводит к оптическому вращению (ОР), которое может быть описано как тензорными компонентами, так и химической геометрией. Совмещенное перекрытие двух молекулярных орбиталей приводит к появлению отрицательного заряда, а рассогласованное – к его уменьшению. Это движение может быть количественно оценено с помощью коэффициентов соответствующих π и π*-орбиталей.