例 表31 点群とそれに属する分子 点群の名称 群 元 素 この群に属する分子 h 2o, so 2, シスブタジエン 1,2ジクロロエチレン(シ ス) nh3, pcl3, ch3cl co, hcl トランス‐ブタジエン 1,2ジクロロエチレン(トランス) ナフタレン, アントラセン, ピレン, ピセン ベンゼン,がいたが、これは2pz 軌道で、分子面に垂直にでているよ。この軌道が横の2pz 軌道と重なって分子全体 で一つの分子軌道を形成するんだが、これをπ電子軌道と呼んでいる。このπ電子軌道の中には電子(π電 子) が合計6 個存在することになる。ここまではいいかい? • アリス:化学構造式のブタジエンの π 分子軌道 Huckel 近似が示唆する分子の性質 ブタジエンでの結果を検討しよう。 表示される固有値 X が大きい程、軌道エネルギーは低い。 エネルギーの高い軌道ほど 2Pz 軌道の係数の正負の反転が頻繁、 つまり波動関数に節が多くあることがわかる。 各炭素原子の 2Pz 原子軌道
水の分子軌道について 水の分子軌道の形状についての質問させていただきます Okwave
ブタジエン 分子軌道
ブタジエン 分子軌道-M ) * 9 % "&'!係数である。この軌道が次式の分子軌道の方程式を満たすものとする。 ˆ ( 1,2,3, ) F i i i i (2) 軌道エネルギーは次式となる。 ˆ i i i i i F dv dv (3) iは実数であるとして複素共役の記号*は付けていない。{ i}が相互に規格直交すれば、即ち、 1( ) i k ik 0 ( ) i k dv i k ならば(3)式の分母は不要であるが
P原子軌道 ブタジエンは図 3 にあるような分子で、 6 つの水素 1s 軌道と炭素原子の(1s 軌道 H C は考えないとして)2s、2px、2py 軌道各 2 H s原子軌道 個が分子面内にあるが、これらの原子軌 道から出来るs分子軌道は深いエネルギ H 図3 C C H H C H ブタジエンの 2pZ 原子軌道 ー準位にあるとして原子軌道同士の重なり 結合 ss 結合,p xp x 結合 共有結合軸方向に沿って形成 結合軸回りに回転可能 結合 二つのp軌道が互いに平行に接する 共有結合軸方向に垂直方向に形成 結合軸方向に回転不能( 結合が切断) 混成軌道 sp3混成 1本のs軌道と3本のp軌道から 結合を形成 正四面体,結合角109ブタジエンシクロブテンの軌道相関図。熱過程許容は右側になると判断。 B 6電子系の電子環状反応 (1) MO準位を6つずつ描いて、A のように軌道相関図を作成する(図4)。遷移状態として逆旋側に Hückel縮重を、同旋側にMöbius縮重を挟む(図1参照)。分子軌道の位相を重ね書きしてみると
シクロブタジエンの分子軌道(筆者作成) e=αの軌道が縮退しているため、基底状態が三重項となります。 ここで全電子エネルギーに注目すると、エチレン二分子の値よりも も不安定化する結果となっています。そのため、シクロブタジエンは安定に存在できない反芳香族性を有する分子子軌道は結合性分子軌道,逆 の場合は反結合性分子軌道 となる。ブタジエンのψ1,ψ2は結合性分子軌道であ り,ψ3,ψ4は反結合性分子軌道である。 一般にn個 の炭素原子からなる共役ポリエンでは, n個 の分子軌道関数ができ,エ ネルギーの低い方から順 にψ1,ψ2分子の面に垂直な軌道となっている。π電子の結合 はσ結合に比べ弱くエネルギー準位が深くないために隣の原子へ自由に飛び移る。 ヒュッケル法(Huc kel method) 分子の波動関数を = c1ϕ1 c2ϕ2 c3ϕ3 c4ϕ4 (1) 異なるπ軌道の重なり積分を0とする。(ϕk;ϕ ′ k) = kK′,
1,3ブタジエン (4π電子) エテン (2π電子) シクロヘキセン (環化付加物) DielsAlder反応は42環化付加反応である! 4つのπ電子を持つ共役した4つの原子の集団が, 2つのπ電子を持つ二重結合と反応する. 通常、ジエンに電子供与基(EDG)、ジエノファイルには電子吸引基(EWG) を持ブタジエンのπ分子軌道 E H 反結合性 H H H 反結合性 H H H H 分子軌道 H H H H H H H H H H 結合性 分軌道 H H H H 分子軌道 H H 練習問題(2Z,4Z)2,4hexadieneは、 131,3btdibutadieneと比べてと比べて 、sシス形配座のシス形配座の 割合が極めて低い。その理由は何か? 2つのメチル基の間の立体障害が大きい ため単結合と2重結合が交互につながっている共役分子を考え、分子面に垂直な炭 素の2Pz軌道だけからなるπオービタルのみを考える。その場合、波動関数Ψ はLCAOで表すと エチレン Ψ=c AA c BB ブタジエン Ψ=c AA c BB c CC c DD 永年行列式の規模が大きくなると計算するのが煩雑になるので
Hückel (ヒュッケル) 法の要点 π 電子を提供する炭素原子の数を N とする (例 エチレン C 2 H 4 は N = 2, ブタジエン C 4 H 6 は N = 4, ベンゼン C 6 H 6 は N = 6) ハミルトニアン行列 H は N × N 対称行列 対角要素は全て α とおく i j, j i ( i ≠ j) 非対角要素は, 炭素 i, j分子には多くの軌道 *(原子軌道1 ,分子軌道)があると考え る。分子のエネルギーが最も低い状態(基底状態)では,電 子はエネルギーの低い軌道から順に2個ずつ入る(図1)。 電子に占められているエネルギーの最も高い分子軌道を最 高被占分子軌道図4.1,3ブタジエンとジエンの軌道相互作用 図5.dieneとdienophileのエネルギー相関図 2.DielsAlder反応 フロンティア軌道を用いた反応予測は芳香族の置換反応 のみでなく、DielsAlder反応のような2分子間の軌道の位 相の関係する反応に対しても有効である。DielsAlder反応 とはジエン(diene)と求ジエン
ヒュッケル法で求めたブタジエンの分子軌道について、 trans ブタジエンを例に対称性から考察してみる。 trans ブタジエンではC 2 軸、i, σ h を持ち、C 2h 点群に属する。 (1) ヒュッケル法で得られた4 つの分子軌道は安定な方から節の数が0,1,2,3 となっていることをヒ ントにして、その概形Eπ(ブタジエン)-2×eπ(エチレン)=4α4β2(2α2β) =0 つまり,シクロブタジエンでは非局在化安定化エネルギーはゼロである. 占有数 分子軌道係数 計算出力例 lcaomoの係数(分子軌道係数)を求めるには,永年行列式を解いてトランスブタジエンのπ""π* 遷移 点群は? 各軌道の既約表現は? x, y, z"偏光に対して,どの遷移が許容か? (前回の授業
I2) ヒュッケル分子軌道沵を用いて,H 3 がより安定なのは直線状態と三角形状態の どちらであるか決定せよ。H 3, H 3 –ではどうか。 x =(α−E) βとおくと、直線状態、三角形状態の軌道エネルギーは 直線状態 α β αβ α β 2 2 2 0 0 1 1 1 1 0 3 2 1 3 = − = − = = − = ∴ E E E x x x x x 三角形状態 αβ αβ 電子が入っていない(空の)最もエネルギーが低い軌道はπ*軌道になります。 つまり、エチレンの場合は、HOMO=π軌道、LUMO=π*軌道となります。 エチレンの HOMOとLUMOはこのように簡単に求めることができます。 しかし、π電子の数が増えていくとπ軌道の数新しい分子軌道を3つ作る 4 p軌道の相互作用:軸が平行であることが必要 軸が平行 5 演習問題アリルカチオンの以下の2つの配座異性体は どちらが安定か。 c cc h h h h h c cc h h h h h 6 アリルカチオンのπ分子軌道:エネルギー図 エネルギー c 2pz c c c h h h h h 1 2 3 7 アリルカチオンの安定
図241 1,3–ブタジエンとエテンの42付加環化反応における HOMO–LUMO相互作用 エテンと1,3–ブタジエンの分子軌道は図314と図52を参照すること. ほとんどのDiels–Alder 反応のジエノフィルは少なくとも一つ電子求引基をもってでは「結合性軌道・反結合性軌道とは何か」であるが、その名の通り結合性軌道は分子 1,3ブタジエンの軌道を示している下の図で青色で囲んでいる軌道がHOMOとなっている。 それに対し、LUMOは「Lowest Unoccupied Molecular Orbital」のことであり、最低空軌道と訳される。LUMOは電子がない空の軌道の∫ 12d < ∫ 2 2d < ∫ m 2d < 1 m 2;
ブタジエンは、共役二重結合を持つ最も単純な分子である。 1,3ブタジエンのπ分子軌道についても、C1~C4の2p z軌道がすべて相互作用して、 新しい分子軌道を4つ作ると考える。分子軌道の形とエネルギーは、下の図のようにな あることがわかっている。よってシクロブタジエンの全エネ ルギーはエチレン1 分子の全エネルギーのちょうど2 倍であるから、シクロブタジエンと2 つの 孤立したエチレン分子の安定性は等しい。 i3 ヒュッケル分子軌道法を用いて,トリメチレンメタンのs 電子全エネルギーを求めブタジエン: E π = 2 e 1 2 e 2 = 2(a 162 b) 2(a 062 b) = 4 a 448 b より、 E π (ブタジエン) - 2 E π (エチレン) = –048 b :非局在化による安定化 1プロペン (CH 2 =CH–C • H 2) の π分子軌道 3個の π軌道からなる系に相当。 連立方程式 (414) は次のようになる
ブタジエンはπ電子が4つあるのに、なぜ1の状態をとるときに横に書くスピンは2つなんですか? また、基底状態のときは、1と2の両方の状態をとるということですか? 教えてください! 1 回答 ベストアンサー 黒龍 2年以上前 π電子によって2つの結合性軌道と2) " &( * ) ,$& *%9 ( & /58 ∫ 1H 1d ∫ 2H 2d ∫ mH md 2pブタジエン分子の基底状態 分子軌道の模式図 最低励起エネルギーはψ 3 ←ψ 2 の電子遷移によるから ∆ E = α– 0618β– α– 0618β= – 1236β
図4 ブタジエンのp分子軌道 エネルギー (1 5)b 2 1 ( 1 5)b 2 1 (1 5)b 2 1(1 5)b 2 1 p分子軌道 4 もなって低くなっていることに対応している。 例題 アリルラジカルの分子軌道をヒュッケル法で 求めるには、(9)式で3×3 行列式を解けばよい。 0 0 0 =E E E b a b a b a b これを解いて、分子軌道エチレンとブタジエンの軌道間相互作用が問題になるが、まずは、それぞれの分子軌道の形とエネルギ ー準位を知る必要がある。エチレンの分子軌道は、2組のメ チレン ch 2 の分子軌道から組み立てることができる(参考 書:大野公一、量子化学、岩波書店、 1996 年)。前回学んだ ah 2 型 ブタジエンの分子軌道についてなんですが、ウォーレンの教科書には画像のように書いてあります。 ですが、一番上の(エネルギーの高い)軌道は節面が3つできるように全ての隣り合う位相は逆にな るのではないでしょうか? のように節面が二つで左右非対称の形で書いてあ
==ヒュッケルの分子軌道計算プログラム== by KENZOU (0505) ==== Molecular Orbital Calculation program ==== In1= 1.エネルギー縮退のない分子 ブタジエン アリルラジカル ビシクロブタジエン ビシクロヘキサジエン スチレン ナフタレンブタジエンの分子軌道 ブタジエンになると、p軌道が4つになり電子も4つになります。p軌道の方向で組み合わせを考えると4種類あることがわかります。下の青の軌道( π1、π2)は、少なくとも2つの軌道が重なりますが、上の赤い軌道(π * 3、π * 4)では、重なりが無く不安定だということがシクロブタジエン C4H4 上の図のように分子軸を取り番号付けをする。 永年行列式は次のようになる。 x 1 0 1 1 x 1 0 0 1 x 1 1 0 1 x = 0 永年方程式は x (x 3 – 2x) – x 2 – x 2 = x 2 (x 2 – 4 ) = 0 より x = 0, ±2 を得る。 エネルギーの低い順に分子軌道を求めよう。 x
ブタジエン( ch2=chch=ch2 ) 本来,電子の運動は,分子全体に広がっている.エネルギーを詳しく議論するには,分子軌道で議論しなければならないが,分子の形や大まかな性質を考える場合には,混成軌道の考えかたのほうが簡単である.11章分子構造 分子軌道法 Eπ(ブタジエン)-2 ×Eπ(エチレン)=4α4β2(2α2β) =0 つまり,シクロブタジエンでは非局在化安定化エネルギーはゼロである. 占有数 9 Electron Population on atom atom Population 1 2 3 4 BondOrder Matrix 21 31 32 41 42 43 05.分子軌道法への応用 まず通常の量子力学における分子軌道法に従い、シクロブタジエン分子の分子軌道を導 出してみよう。まず分子全体の波動関数を個々の原子の波動関数の線形結合にて、 ψ=cc1ϕ1 22ϕc3ϕ3c44ϕ と表現する。 (,) (,) (,) ϕ ϕ''δ ϕϕα ϕϕ kk
そこで,群論使って軌道の対称性から電子遷移 の可否を偏光も含めて考える。 エチレンの π$$π* 遷移$ 点群はD 2h x y z x y z π π* 点群D 2hの対称要素は何があるか? (クイズ) 制限時間5分 点群D 2hの対称要素は何があるか? (クイズ) 制限時間?分 E C 2 z C 2 y C 2 x i
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