苯的分子轨道实验研究

1、苯分子轨道和电子结构化学化工学院课件内容实验目的实验原理 实验重难点实验内容数据统计思考题解答一、实验目的（1）学会用休克尔分子轨道法分析和计算苯）学会用休克尔分子轨道法分析和计算苯分子分子轨道分布状况。轨道分布状况。（2）学会用计算的化学方法研究简单分子的）学会用计算的化学方法研究简单分子的电子结构。电子结构。 二、实验原理 A、离域、离域键：键：形成形成键的电子不局限于两个原子的区域，而键的电子不局限于两个原子的区域，而 是在参加成键的多是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动，这个原子形成的分子骨架中运动，这 种由多个原子形成的种由多个原子形成的型化学键称为离域型化学键称为离域键。键。

2、 B、共轭效应：、共轭效应：由于形成了离域由于形成了离域键，增加了键，增加了电子的活动范围，使得分子具有电子的活动范围，使得分子具有特殊的物理化学性质，这特殊的物理化学性质，这 种效应称为共轭效应或离域效应。种效应称为共轭效应或离域效应。 C、分子轨道法（、分子轨道法（MO法）：法）：当原子组合成为分子时，原当原子组合成为分子时，原 来专属于某一原子所有来专属于某一原子所有的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道。分子所共有的分子轨道。 D、微观系统状态随时间的深化规律由微观

3、系统状态随时间的深化规律由薛定谔方程薛定谔方程描述（描述（H - E）=0， 其中其中H是是量子哈密顿算符。量子哈密顿算符。休克尔分子轨道法休克尔分子轨道法休克尔为了讨论共轭体系的分子轨道，1931Huckel应用LCAO-MO（分子轨道的原子线性组合）法，采用简化处理，解释了大量有机共轭分子性质，该方法称为休克尔分子轨道法，简称HMO法。该方法针对平面共轭体系的主要特点，能给出离域键体系的基本性质。 休克尔分子轨道法用了下列基本假设休克尔分子轨道法用了下列基本假设：1、 -分离近似：分离近似：对于共轭分子，构成分子骨架的电子与构成共轭体系的电子由于对称性不同，在讨论共轭分子的结构时，可以近似

4、的看成互相带独立的，把 电子和电子分开处理。 2 2、独立、独立电子近似：电子近似：分子中的电子由于存在相互作用，运动不是独立的，但若将其它电子对某电子的作用加以平均，近似地看成是在核和其它电子形成的固定力场上运动，则该电子的运动就与其它电子的位置无关，是独立的。 3、LCAO-MO近似：近似：对于体系，可将每个分子轨道看成是由各个碳原子提供的对称性匹配的p轨道i进行线性组合得的。 =C11 + C22 + + CNN 4、huckel近似：近似：认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同。 HMO法的基本内容 假定原子中各原子核、内层电子及定域键组成了电子运动的“实”或“骨架场”，每一个在

5、电子骨架及其余电子的有效势场中运动。由此，原则上可写出一个电子的Hamilton算符及轨道方程：)11 (EH 采用变分法，将电子分子轨道表为所有碳原子的pz原子轨道的线性组合：) 21 (2211NNccc代入(7-1)式,按线性法处理得有关系数线性齐次方程组:0)()()() 31 (0)()()(1222111121212111NNNNNNNNNNcESHcESHcEHcESHcESHcEH 式中已假设原子轨道是归一化的, Hrs,Srs代表能量积分及重叠积分:)41 (,*dSdHHsrrsrrs进一步的近似假定:(1) Hrr =(r=1,2,N),称之为库仑积分;(2) Hrs =

6、对应于原子r和s邻近;否则=0. 称为共振积分;(3) Srs =0(rs),即为忽略重叠近似.)51 (0)(0000)(00)(21NcccEEE做上述处理后及久期方程可化为：进一步做变换：x=(-E)/,式 (7-5)的非零解方程化为:)61(0000011001xxx由上述方程通过求x得N个Ei值并回代到久期方程,再结合归一化条件得分子轨道组合系数cik及i .123456)12(61665544332211iiiccccccc4. 共轭环烯烃 (1) 苯分子由分子骨架图可得:HMO:轨道系数方程: 0)0)(00)(00)()22(00)(00)(00)(65165165465454

7、3543432432321321621621cxcccEcccxccccEccxccccEccxccccEccxccorccEcccxccccE)32(0100011100001100001100001110001xxxxxx0496246xxx2, 1, 1, 2654321xxxxxx久期方程: 展开此行列式得:x的6个解为:分子轨道能量:2,2654321EEEEEE020202020202651654543432321621cccccccccccccccccc16565454343213220202022ccccccccccccccc654321cccccc分子轨道系数 将每一轨道能量

8、值或x值 代入(2-2)并结合归一化条件,可以求出相应分子轨道的组成系数.例如，对于x=2时，(2-2）式具体形式为： 去掉第1个方程，并将c1移到等号右边，得：解得：6/1654321cccccc结合归一化条件得：分子轨道波函数为：)(612)22(121)(41)(41)22(121)(61265432166654321556532446532336543212265432111EEEEEE能量 分子轨道苯的分子轨道（紫颜色线为节面）苯的分子轨道能级三、实验重难点难点：对实验原理休克尔分子轨道法的理解重点：掌握软件G98b和Gview的操作方法四、实验内容1、构建分子结构2、编写输入文件3

9、、结果查看，数据统计4、用同样的方法计算丁二烯的分子轨道和电子结构五、数据统计 轨道对象17 2021222324轨道图形轨道能量 键键长长C-HC-C 电电荷荷CH六、思考题解答（部分思考题答案见实验原理部分）1、用分子轨道理论解释苯分子离域键的形成。 按照分子轨道理论，苯分子中六个碳原子都形成sp2杂化轨道，六个轨道之间的夹角各为120，六个碳原子以sp2杂化轨道形成六个碳碳键，又各以一个sp2杂化轨道和六个氢原子的s轨道形成六个碳氢键，这样就形成了一个正六边形，所有的碳原子和氢原子在同一平面上。每一个碳原子都还保留一个和这个平面垂直的p轨道，它们彼此平行，这样每一个碳原子的p轨道可以和相邻的碳原子的p轨道平行重叠而形成键。由于一个p轨道可以和左右相邻的两个碳原子的p轨道同时重叠，因此形成的分子轨道是一个包含六个碳原子在内的封闭的或称为是连续不断的共轭体系，轨道中的电子能够高度离域，使电子云完全平均化，从而能量降低，苯分子得以稳定。2、写出苯分子所有的共振式（）式和（）式结构相似，能量最低，其余共振式的能量都比较高。能量最低而结构又相似的共振式