π-σ轨道作用能分解法和限制万轨道作用的几何优化

简要地介绍能量分解法的发展历史，强调能量分解的特点是给量子化学的计算提供明确的化学意义，介绍本实验室建立的能量分解法和限制轨道作用的几何优化法。在这两个方法的基础上，论证了丌．电子离域是失稳定的；颠倒了经典有机结构理论中基本的因果关系——共轭效应和构象之间的因果关系；为芳香能的计算提供了一个新的模型和新的方法，表明芳香能的计算不再需要参考分子；定量地区别静电作用和电子离域在化学键形成中的作用；定量地讨论取代基效应和张力芳环的扭曲驱动力。     

环戊二烯分子内π电子的离域是失稳定的--分子内π和σ轨道分离法

为环戊二烯分子中非平面片断的片断轨道的建立提供了一个新的方法和计算程序 .分子内的Morokuma作用能的计算表明 ,“π电子的离域是失稳定的”与“离域的π体系是失稳定的”是两个完全不同的概念 .π电子离域的结构效应完全取决于 σ体系对离域的作用 .在环戊二烯分子中 ,π电子的离域和离域的π体系均是失稳定的 .在苯分子中 ,π电子的离域是失稳定的 ,它的离域π体系也是失稳定的 .但在 D6 h中 ,离域 π体系是“较小失稳定”的 .应该强调 π与 σ电子间空间作用对分子性能的重大影响 ,以改变经典有机结构理论重 π轻 σ电子效应的研究模式     

轨道去除方法及其应用

介绍了能对正碳离子及硼烷化合物中的电子离域现象作定量研究和分析的轨道去除方法 .一般的分子轨道方法能得到电子离域体系的波函数 ,而轨道去除方法则能得到电子离域效应被湮灭之后的假想定域体系的波函数 .通过对两者的对比分析 ,可定量而又清晰地了解分子内的电子离域是如何影响分子结构、能量及其他分子性质的 .具体讨论了正碳离子中烷基的超共轭现象和三卤化硼的Lewis酸性 .结果表明 ,轨道去除方法可非常有效地解释一些传统的化学问题     

环戊二烯分子内π电子的离域是失稳定的——分子内π和σ轨 …

为环戊二烯分子中非平面片断的片断轨道的建立提供了一个新的方法和计算程序。分子内的Ｍｏｒｏｋｕｍａ作用能的计算表明,“π电子的离域是失稳定的”与“离域的π体系是失稳定的”是两个完全不同的概念。π电子离域的结构效应完全取决于σ体系对离域的作用。     

共轭效应和芳香性本质的争论和它们的历史发展

“共轭效应是稳定的”是有机化学的最最基本原理之一。但是,自30年代起,键长平均化,4N＋2芳香性理论,苯环D~6~h构架的起因,分子的构象和共轭效应的因果关系,π-电子离域的结构效应等已经受到了广泛的质疑。其中,最引人注目的是Vollhardt等合成了中心苯环具有环己三烯几何特征的亚苯类化合物,Stanger等合成了键长平均化,但长度在0.143～0.148nm的苯并类衍生物。最近(1999年),Stanger又获得了在苯环中具有单键键长的苯并类化合物。在理论计算领域,争论主要表现在计算方法上,集中在如何将作用能分解成π和σ两部分。随着论战的发展,作用能分解法在有机化学中的应用不断地发展和完善,Huckel理论在有机化学中的绝对权威也受到了挑战。为此,简要地介绍了能量分解法的发展史,对kollma法的合理性提出了质疑。此外特别介绍了我们新的能量分解法,及在共轭效应和芳香性的研究中的新观点和新的思维模式。     

DFT能量分解和氮苄叉基苯胺分子π电子离域能的研究

为了探索密度泛函理论(DFT)方法中氮苄叉基苯胺分子π电子离域的本质, 介绍了将非平面分子氮苄叉基苯胺分子的DFT能量分成π和σ的方法, 并将π和σ电子能量分成单电子能部分: 动能ΔEπK(θ), ΔEσK(θ)和位能ΔEπP(θ), ΔEσP(θ); 双电子相互作用部分: 库仑作用ΔEππJ(θ), ΔEσσJ(θ), ΔEπσJ(θ)和交换相关作用ΔEππXC(θ), ΔEσσXC(Δ)以及ΔEπσXC(θ), 分析了垂直离域能ΔEV的稳定性及π电子离域对π和σ体系的影响. 在B3LYP/6-31G*, 6-311G*, 6-31G(2d), 6-311G(2d)水平下的计算结果表明, 与经典观点不同, π电子的离域是失稳定的, 且平面时失稳定性最强; 分析各个能量分量表明, 在π电子的离域过程中, π和σ体系均对基组较敏感, π体系本身单电子能的影响大于σ体系, π电子离域对双电子部分作用的影响主要体现在π-σ的耦合作用上.     

铵离子与芳香π体系间阳离子-π相互作用的研究

本文通过电荷密度的拓扑性质和结合能的能量分解两个方面研究了NH₄⁺与甲苯、对甲基苯酚以及甲基吲哚间阳离子-π相互作用的大小及其作用本质。结果表明：芳香环上键临界点和笼临界点的分布方式的多样性反映了芳香环上的不同取代效应。其次，能量分解结果显示，虽然静电能和诱导能在阳离子（NH₄⁺）－π相互作用中占主导地位，但色散能和交换排斥能也是不可忽视的。另外，静电能和芳香π体系的键临界点上的电荷密度之间存在着很好的正相关性，这有助于进一步深刻理解阳离子－π体系中的静电相互作用。     

杂化电子的离域和轨道杂化的起因

从杂化电子离域的角度讨论轨道杂化的产生,提出电子交换是轨道杂化的根本原因。同时提出分子相对离域能和绝对离域能的概念及计算方法,说明相邻原子轨道之间的电子离域对体系稳定的重要性,并用电子离域的观点对杂化分子的许多现象进行了解释。     

用分子片轨道逐步剔除法研究电子离域

估计分子中不同类型的电子离域作用（如p-π → d-π和p-π → σ~*）的相 对强弱对理解分子中化学键的本质有关键的作用。剔除某一分子片轨道（d-π或σ ~*）后分子体系能量的改变可用来计算电子离域到该轨道的离域能。由于轨道之间 的相互作用,使离域能的计算与轨道剔除的次序有关。为克服这种不确定性,可以 逐步轮流增加某一对特定轨道（d-π和σ~*）的库仑积分,以使这对轨道在分子波 函数中的比重逐步减少,即将这对轨道轮流逐步剔除。这样可将轨道间的相互影响 减小以至消除,从而得到各轨道的精确的离域能。以H_3PO中P-O键为例说明了轨道 逐步剔除方法的应用。     

简单Hückel分子轨道理论判断H4分子及离子的几何构型

简单Hückel分子轨道理论是结构化学课程内容的主要知识点之一,主要用于计算π电子成平面分布的离域体系的电子结构和轨道能量。本文把该理论推广到H_4非离域体系,定性地计算H_4非离域体系的轨道能量,帮助学生理解Walsh规则应用举例中难以理解的H_4构型为直线型,但H_4~+为四面体构型的原因。     

有机化学基本理论问题新的研究方法、新的观念和新 的思维模式

有机化学基本理论研究的总结和回顾。15年来,在国家自然科学基金委员会的支持下,为了认识电子离域的本质,在量子化学领域,我们建立和发展了新的作用能分解方法和大型计算程序,发展和完善了轨道定域化程序。我们的方法可以为任何一个共轭分子(无论是平面的还是非平面的,是含共轭双键的还是含累积双键的),提供一个π与σ体系彻底分离的片断分子轨道基组。这个轨道基组不仅满足分子特殊的对称性,而且还具有确切的电子占据数。与Hückel理论完全不同,我们强调：π电子的离域除了对它原先的定域π体系有强烈的失稳定作用外,它还可通过π-σ空间作用,对σ构架产生强烈的稳定作用。据此,我们提出了芳环化合物新的分类准则,揭示了芳香环流起因的必要条件,定义环的刚度为芳香性一个新判据。发现,分子内基团间的局部作用(CT和EX)同它们对分子整体性能的影响是完全相反的。就构象而言,稳定的CT作用是相斥的,失稳定的EX作用是相吸的;就电子转移而言,大的EX作用是电荷转移的助动力。其助动性在于,它能降低因CT作用而产生的给体自身对电荷转移的阻力。论证了,在二苯乙烯类分子中,π-π共轭,π-σ超共轭和σ-σ非键轨道作用都是失稳定的。与σ-σ和π-σ作用相比,π-π作用对于分子构像的影响是非常微弱的。与经典的思维模式相反,有机分子总是倾向于较小的失稳定,而不是较大的稳定。为了维持尽可能最稳定的电子总能量,在σ-σ作用的驱动下,共轭基团应该尽量地偏离共平面。阻止分子扭曲的(非电子作用力)是核排斥力。因此,一个空间拥挤的构象可以是能量有利的构象。在我们的研究中,经典有机结构理论的整体因果关系已经全面地被颠倒。     

芳香共轭烯醛同系物的质谱断裂机理及其谱线的峰高方程

本文对有机化合物质谱的定量解释提出了一些新的假定,以及相应断裂机理和谱线峰高方程,采用了改进的HMO和图论方法计算了分子离子和其各种碎片的π电子能量以及分子离子中各原子核间的超离位度。定量解释了苯甲醛、3-苯丙烯-[2]-醛、5-苯戊二烯-[2,4]-醛、7-苯庚三烯-[2,4,6]-醛、11-苯十一碳五烯-[2,4,6,8,10]-醛等五个芳香共轭烯醛化合物的质谱,理论计算的峰高值与实验结果符合得较好,各谱线峰高方程的相关系数都在0.96以上,为今后质谱学的定量计算,提供了一种新的途径。     

电子亲合力与诱导效应的定量关系

本文提出了电子亲合力与诱导效应之间的定量关系。通过计算说明了电子亲合力与诱导效应的定量相关比电负性与诱导效应的定量相关好得多；并应用其定量关系式预测尚未实测到的取代基的电子亲合力值；根据计算结果, 可从不同实验方法测得的电子亲合力值中选择正确的实验值。该定量关系式能更加准确和定量地表征出诱导效应的作用。     

氧分子1s电子的定域和离域性研究

由于电子能谱的发展,使得对原子和分子中电子的结合能能精确测定。氧分子的电子能谱已经比较详细地研究过,这样就能借助较精确的计算来解释氧分子的能谱,这对于研究分子的电子状态是很有帮助的。如其中一个重要问题就是分子中内层电子是离域的还是定域的,用电子能谱这个手段就可能解决这个问题。Basus等用接近精确的 Hartree-Fock方法计算了氧分子,结论是氧分子的1s电子是定域的。本文的目的是用另一种计算方法,即 SCF-Xα-SW法,来研究氧分子1s电子的定域和离域问题。     

自然键轨道方法研究分子的芳香性

用自然键轨道方法研究了环状共轭分子的芳香性,提出了用自然键轨道的准离域能作为量度分子芳香性的标准,用INDO方法和DV-Xα方法计算了20多个环状有机或无机分子的自然键轨道的准离域能。根据准离域能标准判断的分子芳香性大小顺序与文献的结果基本一致,表明本文提出的芳香性量度标准的有效性和可用性。     

多烯链平均π电子离域能的递变函数研究

离域能或共振能ED是一个共轭多烯体系中π电子能Eπ与相应数目n个孤立乙烯双键中π电子能总和nEπ之差量[1],即ED=Eπ-nEπ(c=c),由于离域能随双键数目增加而逐渐增大,大小不同的多烯链化合物总离域能不便比较.蒋明谦曾提出了著名的有机结构型性能的同系线性规律,他用多烯链每一个碳碳键上的平均离域能(或每个碳碳双键上的平均离域能)对同系因子(1/α)2/n作图,发现二者均具有良好的直线关系,如H(CH=CH)nH系列,碳碳双键上的平均离域能与同系因子成线性关系,相关系数为0.994,H(CH=CH)nC+H2系列,碳碳键上的平均离域能与同系因子线性相关,相关系数亦为0.994[2].但对于不同系列而言,碳碳键上的离域能和碳碳双键上的离域能不便比较.     

LFMO和NBO的定域性和作用能解析

为分析苯并分子C12H6的垂直共振能(VRE), 建立了定域片断分子轨道(LFMO)和自然键轨道(NBO)两种基组, 并在两种基组之上进行NBO能量分析和Morokuma能量分解. 在NBO能量分析中, 两种基组的VRE都是稳定的; 而在Morokuma能量分解中, VRE的稳定性取决于基组. 在NBO能量分析中, Fock矩阵的一次性对角化忽视了σ体系和π体系之间的电子耦合作用. 故NBO基组和NBO能量分析方法在计算VRE时似乎都不合理.     

对取代苯Ph—X（X=—f,OH,NH2）的价键理论研究

采用键表酉群方法对Ｃ６Ｈ５Ｆ，Ｃ６Ｈ５ＯＨ和Ｃ６Ｈ５ＮＨ２中的电子离域现象进行了计算和分析，讨论了取代苯的价键描述特性，并计算了取代基的π电子离域能。结果表明离子结构成分与离域能有直接关系。即离子成分越，电子高域能越大。     

微扰分子轨道法在有机化学中的应用

经Dewar, Hoffmann, Epiotis, Houk, Wolfe和Kost等理论化学家的努力,PMO理论已经成为研究影响分子构型、构象和(立体专一性和区域专一性)反应产物的结构因素的一个有效的手段。Epiotis的非键轨道作用理论已经使有机化学家认识到, 一个拥挤的构象或过渡态不一定是一个能量上不利的状态。π轨道作用的分析表明, 共轭基团间的作用在本质上是相斥的, 全平面构象不是共轭效应最大的构象。WSW-like法不仅为定量PMO法提供了一组完整的、具有正确集据数的轨道基组, 而且它还成功地将轨道作用能转化为原子作用能。     

用量子化学从头计算研究苯的芳香性(英文)

用 LEMAO-3G 基组计算苯分子,优选轨道指数调节因子时,考虑到π键和σ键的差异而将ζ_(C2π)和ζ_(C2π)分开优选,得到苯的最佳调节因子组为:ζ(H1S)=1.26,ζ_(C1S)=1.0039,ζ_(C2π)=1.00761,ζ_(C2σ)=1.1043。据此算得苯分子的总能量为-229.167274a.u.,维里系数为1.00000。所得各价轨道的能量和 ESCA 数据基本相符,并与 Fischer-Hjalmars 等很接近于 Hartree-Fock 极限的计算值颇一致,而所用基组则和他们不同.分析上述结果可知:苯的芳香稳定性的原因,不仅在于其环形共轭体系中的离域作用,与之相对立而又相联系的诸轨道“收缩”或“定域”效应也起重大作用.而且σ轨道的离域与定域在其中起着比π轨道更大的作用.当σ-轨道因“动能压力”减小而显著收缩时,π电子轨道仅发生微小的收缩而呈较σ电子更弥散的状态.这一方面使π电子有较大的总能量,因而能很好地传递电子效应;另一方面使σ电子总能量降低更多,从而使苯分子总体有较大稳定性.