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分子轨道理论又称分子轨道法(molecular orbital theory)或mo法,1932年由美国化学家马利肯(r.s.mulliken)及德国物理学家洪特(f.hund)提出。是现代共价键理论之一。它的要点是:从分子的整体性来讨论分子的结构,认为原子形成分子后,电子不再属于个别的原子轨道,而是属于整个分子的分子轨道,分子轨道是多中心的;分子轨道由原子轨道组合而成,形成分子轨道时遵从能量近似原则、对称性一致(匹配)原则、最大重叠原则,即通常说的“成键三原则”;在分子中电子填充分子轨道的原则也服从能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。
1927年,我们所熟知的价键理论被提出,随后,受到洪特,马利肯,斯莱德和john lennard-jones的影响,分子轨道开始产生。因此,在最初的时候,分子轨道理论被称为洪特-马利肯理论。而“轨道”一词的概念则是在1932年首先被马利肯提出。
到了1933年,分子轨道理论已经被广泛的接受,并且被认为是一个有效而且有用的理论。事实上,根据德国物理化学家休克尔的描述,第一篇使用分子轨道理论的文献是由莱纳德琼斯发表于1929年。而第一个使用分子轨道理论的定量计算文献则是在1938年由库尔森发表的使用自洽场理论解决氢分子的电子波函数的工作。
到1950年,分子轨道彻底被定义为自洽场哈密顿算符的本征函数,这就是分子轨道理论发展成为一个严谨科学理论的标志。hf方法(hartree-fock method)是分子轨道理论的一种比较严谨的处理方法,尽管在一开始,hf方法是用来计算原子的电子结构的一种方法,但是在分子计算当中,分子轨道按照原子轨道的一组基集被拓展,发展出罗特汉方程,以此为基础,又发展出了各种各样的从头算量子化学计算方法。与此同时,分子轨道理论也被应用在了一种采用了更多近似方法的半经验计算当中,被称为半经验量子化学计算方法。 

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轨道简介

1、原子在形成分子时,所有电子都有贡献,分子中的电子不再从属于某个原子,而是在整个分子空间范围内运动。在分子中电子的空间运动状态可用相应的分子轨道波函数ψ(称为分子轨道)来描述。分子轨道和原子轨道的主要区别在于:
(1)在原子中,电子的运动只受1个原子核的作用,原子轨道是单核系统;而在分子中,电子则在所有原子核势场作用下运动,分子轨道是多核系统。
(2)原子轨道的名称用s、p、d…符号表示,而分子轨道的名称则相应地用σ、π、δ…符号表示。
2、分子轨道可以由分子中原子轨道波函数的线性组合(linear combination of atomic orbitals,lcao)而得到。有几个原子轨道就可以可组合成几个分子轨道,其中有一部分分子轨道分别由对称性匹配的两个原子轨道叠加而成,两核间电子的概率密度增大,其能量较原来的原子轨道能量低,有利于成键,称为成键分子轨道(bonding molecular orbital),如σ、π轨道(轴对称轨道);同时这些对称性匹配的两个原子轨道也会相减形成另一种分子轨道,结果是两核间电子的概率密度很小,其能量较原来的原子轨道能量高,不利于成键,称为反键分子轨道(antibonding molecular orbital),如 σ*、π* 轨道(镜面对称轨道,反键轨道的符号上常加“*”以与成键轨道区别)。还有一种特殊的情况是由于组成分子轨道的原子轨道的空间对称性不匹配,原子轨道没有有效重叠,组合得到的分子轨道的能量跟组合前的原子轨道能量没有明显差别,所得的分子轨道叫做非键分子轨道。
3、电子在分子轨道中的排布也遵守原子轨道电子排布的同样原则,即pauli不相容原理、能量最低原理和hund规则。具体排布时,应先知道分子轨道的能级顺序。当前这个顺序主要借助于分子光谱实验来确定。


线性组合原则

原子轨道组合形成分子轨道时所遵从的能量近似原则、对称性匹配原则和轨道最大重叠原则称为成键三原则。 

对称性匹配原则

只有对称性匹配的原子轨道才能组合成分子轨道,这称为对称性匹配原则。原子轨道有s、p、d等各种类型,从它们的角度分布函数的几何图形可以看出,它们对于某些点、线、面等有着不同的空间对称性。对称性是否匹配,可根据两个原子轨道的角度分布图中波瓣的正、负号对于键轴(设为x轴)或对于含键轴的某一平面的对称性决定。


能量近似原则

在对称性匹配的原子轨道中,只有能量相近的原子轨道才能组合成有效的分子轨道,而且能量愈相近愈好,这称为能量近似原则。


轨道最大重叠原则

对称性匹配的两个原子轨道进行线性组合时,其重叠程度愈大,则组合成的分子轨道的能量愈低,所形成的化学键愈牢固,这称为轨道最大重叠原则。在上述三条原则中,对称性匹配原则是首要的,它决定原子轨道有无组合成分子轨道的可能性。能量近似原则和轨道最大重叠原则是在符合对称性匹配原则的前提下,决定分子轨道组合效率的问题。

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前线轨道理论,是一种分子轨道理论,是日本理论化学家福井谦一赖以成名的理论,这一理论将分子周围分布的电子云根据能量细分为不同能级的分子轨道,福井认为有电子排布的,能量最高的分子轨道(即最高占据轨道homo)和没有被电子占据的,能量最低的分子轨道(即最低未占轨道lumo)是决定一个体系发生化学反应的关键,其他能量的分子轨道对于化学反应虽然有影响但是影响很小,可以暂时忽略。homo和lumo便是所谓前线轨道。

福井谦一提出这一理论,它的依据是:在分子中,homo上的电子能量最高,所受束缚最小,所以最活泼,容易变动;而lumo在所有的未占轨道中能量最低,最容易接受电子,因此这两个轨道决定着分子的电子得失和转移能力,决定着分子间反应的空间取向等重要化学性质

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原子位置在亲电或亲核取代反应的相对活性是一个重要的问题。已经提出了各种理论指标,如电荷密度分布,定域能方法等。前线轨道理论认为,最高已占分子轨道上的电子在各个原子上有一定的电荷密度分布,这个分布的大小次序决定亲电试剂进攻各个原子位置的相对难易程度,即亲电反应最易发生在homo最大电荷密度的原子上 。


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对于两个分子a和b间的反应,前线轨道理论给出的图像见下图。即分子 a和 b的homo中的电子分别流向对方的未占lumo,从而引起化学键的生成和断裂,发生化学反应。只有分子a(或b)的homo与分子b(或a)的lumo的能量比较接近,对称性也互相匹配时,才容易发生电子流动,图2a为分子a和b相同时的情形,图2b为a和b不相同时以a的homo中的电子流向b的lumo为主的情形  。著名的分子轨道对称守恒原理也可借助于前线轨道理论加以阐明。必须指出,前线轨道理论不仅适用于π轨道,也适用于σ轨道,因此它在有机化学、无机化学,以及表面吸附与催化、量子生物学等领域都有应用。



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本文内容转自:

一、百度百科分子轨道理论:https://baike.baidu.com/item/分子轨道理论/10600165?fr=aladdin

二、百度百科前线轨道理论:https://baike.baidu.com/item/前线轨道理论/7055235?fr=aladdin

三、高等有机化学课件,谢斌教授。


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