Self consistent field molecular orbital calculation for pyrrole

The electronic structure and spectrum of pyrrole have been studied using the semiempirical LCAO SCF MO method. With configuration interaction included, low excited singlet states are calculated to occur at 5.98 ev, 6,74 ev, 7,33 ev, and 8,20 ev, in good agreement with the experimental values of about 5.88 ev, 6.77 ev, and 7,21 ev. The dipole moment of the molecule is calculated to 1.84 D, to be compared with the experimental value 1.80 D. Tables of coreattraction integrals for combinations of carbon and nitrogen atoms are presented.

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Zusammenfassung Elektronenstruktur und -spektrum des Pyrrols wurden nach, der halbempirischen LCAO SCF MO-Methode untersucht. Unter Einschluß der Konfigurationenwechselwirkung wurden niedrigliegende angeregte Singulettniveaus bei 5,98, 6,74, 7,33 und 8,20 eV (über dem Grundzustand) errechnet, in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Werten von etwa 5,88, 6,77 und 7,21 eV. Das Dipolmoment des Moleküls ergibt sich zu 1,84 D, bei einem experimentellen Wert von 1,80 D.Tabellen von (sphärischen) Rumpf-Elektron-Integralen für alle vier Kombinationen von C und N werden angegeben.

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Résumé La structure et le spectre électroniques du pyrrole ont été étudiés à l'aide de la méthode sémiempirique LCAO SCF MO. L'interaction de configurations inclue, le calcul donne des états excités à 5,98, 6,74, 7,33 et 8,20 eV (au-dessus de l'état fondamental), en bon accord avec les valeurs expérimentales de 5,88, 6,77 et 7,21 eV. Le moment dipolaire calculé de la molécule est 1,84 D, l'expérience donnant 1,80 D. Des tables d'intégrales d'attraction entre un coeur sphérique et un électron d'un autre atome sont données pour les quatre combinaisons d'atomes C et N.

     

Ab initio Calculations on cytosine,thymine and adenine

An ab initio LCAO SCF calculation has been performed in a small contracted GTO basis set on three bases of ADN. A check of the representativity of the basis set is reported for formamide and pyrrole.

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Zusammenfassung Es wurde eine ab initio LCAO-SCF-Rechnung mit einem kleinen, kontrahierten GTO-Basissatz für drei ADN-Basen durchgeführt. Eine Prüfung des Einflusses dieses Basissatzes wird für Formamid und Pyrrol beschrieben.

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Résumé Un calcul ab initio dans une petite base de gaussiennes contractée a été fait pour trois bases de l'ADN. Un calcul-test sur la representativité de la base atomique est donné sur les exemples de la formamide et du pyrrole.

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This work was supported by grant 67-00-532 of the Délégation Générale à la Recherche Scientifique et Technique (Comité de Biologie Moléculaire).     

Calcul de constantes de couplage nucléaires spin-spin par la méthode des orbitales moléculaires à l'aide de fonctions d'onde non-empiriques

Résumé Un calcul complet de constantes de couplage nucléaires J _HH, J _XH et J _XX (X = C, N, P) a été fait pour une série de molécules organiques dont les fonctions LCAO SCF MO exactes sont connues. L'influence de la charge nucléaire efficace des orbitales atomiques de base a été étudiée dans le cas particulier du méthane et de l'éthane. La décomposition des constantes de couplage en éléments de symétrie est employée pour la comparaison des résultats théoriques et expérimentaux.

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Numerical calculations of spin-spin coupling constants with exact LCAO SCF MO functions

Complete calculations of nuclear spin-spin coupling constants J _HH, J _XH and J _XX (X = C, N, P) have been carried out for some organic molecules the exact LCAO SCF MO functions of which are known. The results obtained using atomic basis sets with different orbital exponents are discussed in the case of methane and ethane. Theoretical values are compared to experimental data in terms of components arising from the symmetry analysis of actual coupling constants.

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Zusammenfassung VollstÄndige Berechnungen der Spin-Spin-Kopplungskonstanten J _HH, J _XH und J _XX (X = C, N, P) werden für einige organische Moleküle durchgeführt, deren genaue LCAO-SCF-MO-Funktionen bekannt sind. Der Einflu\ der effektiven Kernladungszahlen der Basisfunktionen wurde im Falle von Methan und Äthan untersucht. Die theoretischen und experimentellen Werte werden nach ihrer Zerlegung in Symmetriekomponenten miteinander verglichen.

     

Determination of the charge distribution of methane by a method of density constraints

The molecular charge distribution of methane is expressed in terms of an orthonormal set of molecular orbitals which are determined solely by imposing a set of constraints on the derived one-electron charge density, the constraints being that the charge density reproduce the experimental expectation values of a set of one-electron operators. The molecular orbitals are expanded in terms of an SCF set of atomic orbitals on carbon and a single 1s STO on each hydrogen. The derived charge distribution is found to be equal to the SCF Hartree-Fock distribution in its prediction of one-electron expectation values. The energy, as determined by the associated wave function, is –40.156 a.u. This energy value is comparable to that obtained in a SCF LCAO MO calculation with a similar basis set and is 0.048 a.u. above the best calculated value of the Hartree-Fock limit.

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Zusammenfassung Die molekulare Ladungsverteilung des Methans wird mit Hilfe eines orthogonalen Satzes von Molekülorbitalen ausgedrückt, die lediglich durch eine Reihe von Nebenbedingungen an die Einelektronen-Ladungsdichte bestimmt sind. Die Nebenbedingungen bestehen darin, da\ die Ladungsdichte die experimentellen Erwartungswerte eines Satzes von Einelektronen-Operatoren reproduzieren soll. Die Molekülorbitale werden nach einem Satz von atomaren SCF-Orbitalen am Kohlenstoff sowie einem einzigen 1s STO an jedem Wasserstoffatom entwickelt. Man findet, da\ die erhaltene Ladungsverteilung der SCF-Hartree-Fock-Verteilung bezüglich der Bestimmung von Einelektronen-Erwartungswerten gleichkommt. Die Energie, die aus der zugehörigen Wellenfunktion bestimmt wird, ist –40,156 a.u. Dieser Energiewert ist mit demjenigen, der in SCF LCAO MO-Berechnungen mit einem Ähnlichen Basissatz bestimmt wird, vergleichbar und liegt 0,048 a.u. über dem besten berechneten Wert der Hartree-Fock-Grenze.

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Résumé La distribution de charge moléculaire du méthane est exprimée au moyen d'un ensemble orthonormé d'orbitales moléculaires déterminées uniquement à l'aide d'une série de contraintes sur les densités de charge obtenues, à savoir que ces densités reproduisent les valeurs expérimentales des valeurs moyennes de différents opérateurs monoélectroniques. Les orbitales moléculaires sont développées en orbitales atomiques SCF sur le carbone et en orbitale de Slater 1s sur chaque hydrogène. La distribution de charge obtenue est trouvée égale à la distribution SCF Hartree-Fock dans les prévisions des valeurs moyennes d'opérateurs monoélectroniques. L'énergie, déterminée à l'aide de la fonction d'onde associée, est –40.156 u.a. Cette valeur de l'énergie est comparable à celle obtenue dans un calcul SCF LCAO MO avec une base similaire et est située à 0,048 u.a. au dessus de la meilleure évaluation de la limite Hartree-Fock.

     

Theoretical study of cyclopropene and its C3H4 isomers

Ab initio SCF MO and CI calculations are reported for the three C₃H₄ isomers cyclopropene, methylacetylene and allene. The closed shell nature of each of these molecules allows for a good theoretical comparison of their stabilities and ionization potentials by the SCF method. It is pointed out that cyclopropene differs from most 22 electron systems with a triatomic skeleton in that it possesses a non-linear equilibrium structure; this fact is related to its unusual ground state electronic configuration, which corresponds to a highly excited state in simple triatomics such as CO₂ and N ₃ ^– . The electronic spectrum and the methylene rotational barrier of cyclopropene are also investigated.

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Zusammenfassung Es wird über Ergebnisse von ab initio SCF-MO- and CI-Berechnungen der drei C₃H₄-Isomere Cyclopropen, Methylacetylen und Allen berichtet. Da alle drei Moleküle closed shell Charakter besitzen, ist ein guter theoretischer Vergleich ihrer relativen Stabilität sowie ihrer Ionisierungspotentiale mit Hilfe von SCF-Rechnungen möglich. Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß sich Cyclopropen von den meisten dreiatomigen Systemen (Wasserstoffe werden nicht gezählt) mit 22 Elektronen dadurch unterscheidet, daß seine schweren Atome nicht in einer linearen Kette angeordnet sind. Diese Tatsache steht im Zusammenhang mit seiner ungewöhnlichen Elektronenkonfiguration im Grundzustand, welche bei einfachen dreiatomigen Molekülen wie CO₂ und N ₃ ^– einem hoch angeregten Zustand entspricht. Das Elektronenspektrum sowie die Methylen-Rotationsbarriere von Cyclopropen werden ebenfalls untersucht.

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Résumé Calculs ab initio SCF MO et CI pour les trois isomères C₃H₄; cyclopropène, methylacetylène et allène. Ces molécules étant à couches complètes, la méthode SCF permet une bonne comparaison de leurs stabilités et de leurs potentiels d'ionisation. On fait remarquer que le cyclopropène diffère de la plupart des systèmes à 22 électrons à squelette triatomique en ce qu'il présente une structure d'équilibre non linéaire; ce fait est relié à la configuration électronique particulière de l'état fondamental qui correspondrait à un état hautement excité dans des molécules triatomiques simples comme CO₂ et N ₃ ^– . Le spectre électronique et la barrière rotationnelle du méthylène dans le cyclopropène ont aussi été étudiés.

     

A correlation of the refractive index to the melting point and molecular weight of some organic compounds

Zusammenfassung Die Beziehungen zwischen Kristallbau, Form und Anordnung der Moleküle einerseits, Refraktion und Doppelbrechung anderseits werden unter Hinweis auf die einschlägige Literatur kurz besprochen. Kristalloptische Messungen können Auskunft über die Anordnung von Molekülen bekannter Struktur im Kristall geben und sie sind wertvoll für das Studium der Molekülorientierung in Fasern, Kunststoffen, Kautschuk, Proteinen und bei der Muskelkontraktion. Kenntnis des kristalloptischen Verhaltens erleichtert ferner die Untersuchung der Kristallstruktur mit Röntgenstrahlen.

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Résumé D'une part, les relations entre la structure cristalline, la forme et l'arrangement des molécules, d'autre part, la réfraction et la biréfringence, sont brièvement passés en revue avec une allusion à la littérature correspondante. Les mesures cristallo-optiques peuvent donner des renseignements sur l'arrangement des molécules de structure connue dans le cristal et elles sont précieuses pour l'étude de l'orientation des molécules dans les fibres, les matières artificielles, le caoutchouc, les protéines et pour l'étude de la contraction musculaire. La connaissance des propriétés cristallo-optiques simplifie en outre la recherche de la structure cristalline avec les rayons X.

     

Quantum mechanical calculations on barriers to internal rotation

SCF LCAO MO calculations are reported for the borazane molecule BH₃NH₃, for different values of the dihedral angle (0°, 20°, 40°, 60°). The lower energy was found equal to -82.59651 a.u. for the staggered form. The theoretical barrier height, 0.00524 a.u.=3.29 kcal/mole, is very close to the one, 0.00577 a.u., computed by Clementi for the ethane molecule. A study of the electronic density maps seems to indicate that some care should be exercised in the use of the population analysis. According to the criterion of Bader andal., the bond density map seems characteristic of ionic binding.

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Zusammenfassung Die Ergebnisse von SCF LCAO MO Rechnungen für Borazan werden mitgeteilt, und zwar für verschiedene Verdrillungswinkel. Die tiefste Energie zeigt die Konformation mit den auf Lücke stehenden H-Atomen. Die Energieschwelle für die innere Rotation ist mit 3.29 Kcal/mol fast genau so groß wie die (von Clementi berechnete) für Äthan.Das Bindungsdichte-Diagramm deutet bei Anwendung des Baderschen Kriteriums auf eine ionische Bindung hin. Eine Untersuchung der Elektronendichte legt ferner die Vermutung nahe, daß die Resultate einer Populationsanalyse mit Vorsicht betrachtet werden müssen.

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Résumé La molécule de borazane a été etudiée par la méthode SCF LCAO MO pour différentes valeurs de l'angle dièdre (0°, 20°, 40°, 60°). L'énergie la plus basse, égale à -82.59651 u.a., a été obtenue pour la conformation decalée. La barrière de rotation théorique, égale à 0.00524 u.a. = 3.29 kcal/mole, est très proche de la valeur 0.00577 u.a. obtenue par Clementi pour la molécule d'éthane. L'étude simultanée de l'analyse de population et des contours de densité isoélectronique semble indiquer qu'une certaine prudence s'impose dans l'interprétation des populations. La liaison B-N apparait comme ionique si l'on on utilise les critères de Baderet al.

     

Gaussian expansions of minimal STO basis for calculations in molecular quantum mechanics

By means of minimal basis SCF calculations for HF, H₂O, NH₃ and CH₄ different expansions of Slater orbitals (STO) in terms of Gaussian orbitals (GTO) are tested in order to find an appropriate compromise between sufficient accuracy of the results and reasonable computing times. The least squares fit of the GTO expansion to STO does not appear to have any advantages over the expansion based on a variational procedure. It turns out that for hydrogens an expansion of the 1s orbital in terms of three GTO is quite sufficient, whereas for first row atoms an expansion of the 1s orbital in terms of three to five GTO, of the 2s orbital in terms of two GTO and of the 2p orbitals in terms of three GTO seems to be adequate.

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Zusammenfassung An Hand von SCF-Rechnungen mit minimaler Basis für die Moleküle HF, H₂O, NH₃ und CH₄ wurden verschiedene Entwicklungen von Slater-Orbitalen (STO) nach Gauß-Orbitalen (GTO) getestet, um einen geeigneten Kompromiß zwischen ausreichender Genauigkeit der Ergebnisse und vertretbaren Rechenzeiten zu finden. Es zeigt sich, daß die Entwicklung der STO nach GTO mit Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate keine Vorteile gegenüber der auf einem Variationsverfahren basierenden Entwicklung aufweist. Für H-Atome erweist sich eine Entwicklung des 1s-Orbitals nach drei GTO als ausreichend, für Atome der 1. Periode erscheint eine Entwicklung des 1s-Orbitals nach drei bis fünf GTO, des 2s-Orbitals nach zwei GTO und der 2p-Orbitale nach drei GTO als geeignet.

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Résumé En vue de trouver un compromis approprié entre la précision et la durée des calculs, différents développements des orbitales de Slater (STO) en termes d'orbitales gaussiennes (GTO) sont testés au moyen de calculs SCF en bases minimales pour HF, H₂O, NH₃ et CH₄. L'ajustement par les moindres carrés du développement des STO en GTO ne présente apparemment d'avantages sur le développement fondé sur un procédé variationnel. Il apparaît que pour l'hydrogène un développement de l'orbitale 1s en fonction de trois gaussiennes est largement suffisant, alors que pour les atomes de la première rangée il semble nécessaire de développer l'orbitale 1s en 3 à 5 GTO, l'orbitale 2s en 2 GTO et les orbitales 2p en 3 GTO.

     

Ab initio study of the molecular geometry and properties of nitrosyl fluoride

Ab initia SCF MO calculations employing a basis set of multi-component Gaussian orbitals are carried out for the FNO molecule at various internuclear angles and FN bond separations. The resulting total energy at the experimental FNO geometry is estimated to be in the range of 0.15 to 0.25 hartrees above the Hartree-Fock limit; the calculations find an internuclear equilibrium angle which is 1.1 higher than the experimental value (110) and a FN bond distance which is 0.02 bohrs greater than that found experimentally (2.872 bohrs). The molecular charge density contours indicate that nitrosyl fluoride can be considered quite concisely as a loosely bound combination of a fluorine atom and an NO radical. Finally, a model is constructed on the basis of the SCF calculations which is capable of explaining rather anamolous features of the FNO molecular geometry and properties in a consistent manner.

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Zusammenfassung Für das FNO-Molekül wurden bei verschiedenen Molekülwinkeln und FN-AbstÄnden ab initio SCF-MO-Berechnungen durchgeführt, wobei als Basis Atomfunktionen, welche sich jeweils aus einer grö\eren Anzahl von Gau\funktionen zusammensetzen, verwendet wurden. Dabei ergibt sich für das Molekül in der experimentellen Gleichgewichtsstruktur eine Gesamtenergie, welche als ungefÄhr 0,15 bis 0,25 Hartree über der Hartree-Fock Energie liegend abgeschÄtzt wird; die Berechnungen ergeben einen Wert für den Molekülwinkel, der 1,1 grö\er ist als der experimentelle (110) und eine um 0,02 Bohr grö\ere FN-BindungslÄnge als experimentell ermittelt worden ist (2,872 Bohr). Die berechnete Elektronendichteverteilung im Molekül deutet darauf hin, da\ FNO als Gebilde betrachtet werden kann, das aus einem Fluoratom und einem NO-Badikal besteht, welche nur locker aneinander gebunden sind. Auf Grund der SCF-Rechnungen wird weiterhin ein Modell entworfen, welches in der Lage ist, die Besonderheiten in der Struktur und den Eigenschaften des FNO-Moleküls auf konsequente Weise zu erklÄren.

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Résumé La molécule FNO est calculée par la méthode ab-initio SCF MO, utilisant une base d'orbitales gaussiennes multiples, pour différents angles et différentes distances FN. L'énergie totale obtenue pour la géométrie expérimentale est considérée comme se trouvant à 0,15-0,25 hartrees au dessus de la limite Hartree-Fock; les calculs fournissent un angle d'équilibre supérieur de 1,1 à la valeur expérimentale (110) et une distance F-N supérieure de 0,02 bohrs à la distance expérimentale (2,872 bohrs). Les contours de densité de charge montrent que le fluorure de nitrosyle peut Être considéré avec précision comme une combinaison entre un radical NO et un atome F faiblement lié. Sur la base des calculs SCF on construit un modèle capable d'expliquer raisonnablement des caractères anormaux de la géométrie et des propriétés de FNO.

     

Zur gruppentheoretischen Bestimmung der Molekülzustände

Zusammenfassung Man kann mit Hilfe einer neuen Reduktionsformel auf der Basis von Slaters antisymmetrischen Spineigenfunktionen Rasse und Multiplizität der Molekülzustände auch ohne die Theorie der Permutationsgruppen ermitteln. Die Anwendung dieser Formel ermöglicht eine einheitliche Bestimmung der Molekülzustände in der Methode der Valenzstrukturen und der Methode der Molekülzustände.Die Erweiterung der für lineare Moleküle geltenden Regeln von E. Wigner und E. E. Witmer auf nicht lineare Moleküle wird beschrieben.Die räumlichen Strukturen der Hydride leichter Elemente lassen sich in der Theorie der Spinvalenz auf elementarer Stufe verstehen.

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A unified determination of molecular states based on Slater's antisymmetric spin-orbitals, which avoids the use of the permutation group, has been achieved by means of a new reduction formula.The extension of the Wigner-Witmer rules for diatomic molecules to non-linear molecules is given.Spin valence theory provides a basis for the simple explanation of the structure of some hydrids.

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Résumé A l'aide d'une nouvelle formule de réduction et sur base des spin-orbitales antisymétriques de Slater, on peut obtenir les représentations irréductibles et les multiplicités des états moléculaires, sans faire usage de la théorie des groupes de permutations.Les règles de Wigner et Witmer pour les molécules linéaires sont étendues sur les molécules non-linéaires.La structure stérique de quelques hydrures des éléments légers peut être comprise simplement au cadre de la théorie de la spin-valence.

     

Ab initio SCF and CI calculations on the barrier to internal rotation of 1,3-butadiene

Ab initio SCF and CI calculations employing a set of gaussian lobe functions have been carried out for the ground and excited states of five geometrical C₄H₆-structures occurring in the course of rotation from cis-butadiene to the trans-isomer. The rotational potential curves are discussed for the ground and excited states. Particularly the potential curve of the lowest triplet state is considered in this connection thereby substantiating quantitatively the proposed mechanism for induced dimerisation of C₄H₆. Possible assignments of the lowest singlet excited states in trans-butadiene are discussed.

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Zusammenfassung Mit einem Satz von Gaußfunktionen wurden ab initio SCF und CI Rechnungen für den Grundzustand und angeregte Zustände von fünf C₄H₆-Konformeren, die durch Drehung von cis-Butadien in trans-Butadien entstehen, durchgeführt. Die Potentialkurve für die innere Rotation von 1,3-Butadien wird für den Grundzustand und die Anregungszustände diskutiert. Besonders wird in diesem Zusammenhang die Potentialkurve des niedrigsten Triplettzustandes betrachtet, da hierbei der vorgeschlagene Mechanismus der induzierten Dimerisierung von Butadien quantitativ bestätigt wurde. Weiterhin werden mögliche Zuordnungen für die niedrigsten Singulettzustände von trans-Butadien diskutiert.

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Résumé Calculs SCF et CI ab initio en orbitales gaussiennes pour les états fondamentaux et excités de cinq structures géométriques de C₄H₆ intervenant au cours de la rotation du cis-butadiène à l'isomère trans. Les courbes de potentiel correspondant à la rotation pour l'état fondamental et les états excités sont l'objet d'une discussion. En particulier on examine la courbe correspondant à l'état triplet le plus bas confirmant ainsi quantitativement le mécanisme proposé pour la dimérisation induite de C₄H₆. Discussion des attributions possibles des états excités singulets les plus bas dans le trans-butadiène.

     

Environmental effects in the MO treatment of the trimethylamine-trimethylboron addition reaction

An attempt has been made to estimate charge redistribution effects in the Lipscomb MO treatment of the trimethylamine-trimethylboron addition reaction. The zeroth-order results which show substantial electron shifts and features suggesting charge imbalance in the amine and alkylboron accompanying reaction are modified by a self-consistent, linear -upon-orbital charge adjustment method. The form and parametrization are derived from known atom behavior upon charging and from attempts at separation of charge effects in limited SCF calculations for simpler molecules. Whereas the charge imbalances appear to be satisfactorily remedied, the method as presently parametrized does not simultaneously improve correlations with the limited set of experimental observables for this reaction system.

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Zusammenfassung Ein Versuch zur AbschÄtzung der Ladungsumverteilung bei der Dimethylamin-Trimethylboran Addition wurde mittels des MO-Verfahrens nach Lipscomb gemacht. Die Ergebnisse der nullten Ordnung, die wesentliche Elektronenverschiebungen zeigen und darauf hindeuten, da\ die Reaktion zu unwahrscheinlichen Ladungsverteilungen im Amin und Alkylboran führt, werden durch eine lineare Beziehung zwischen und der Orbitalladung modifiziert. Form und Parameter erhÄlt man aus dem Verhalten von Atomen gegenüber Zusatzladungen und aus Separationsversuchen von Ladungseffekten bei einfachen SCF-Rechnungen an kleineren Molekülen. Zwar verschwindet die problematische Ladungsverteilung, aber der Grad der übereinstimmung mit einigen anderen experimentell beobachteten Grö\en bleibt bei den gegenwÄrtigen Parametern unverÄndert.

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Résumé On a tenté l'estimation des effets de redistribution de charge dans le traitement O. M. de Lipscomb pour la réaction d'addition triméthylamine-triméthylbore. Les résultats d'ordre zéro qui révèlent des déplacements électroniques importants et suggèrent le non équilibre des charges sont modifiés par une méthode self-consistante d'ajustement linéaire des charges. La forme et les paramètres sont déduits de la connaissance du comportement atomique à la charge et de tentatives pour séparer les effets de charge dans des calculs SCF limités pour des molécules plus simples. Alors que les déséquilibres de charge sont compensés d'une manière satisfaisante, la méthode ainsi paramétrisée ne premet pas d'améliorer simultanément les corrélations avec l'ensemble limité d'observables expérimentales du système réagisant.

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Research performed under the auspices of the U.S. Atomic Energy Commission     

SCFMO calculations of heteroatomic systems with the variableβ approximation

The SCFMO method in the variable approximation has been extended to heteroatomic systems. The transition energies and bond lengths of a group of nitrogen- and oxygen-containing molecules have been calculated and the singlet transition energies are in good agreement with experiment.

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Zusammenfassung Die SCF MO Methode in der Näherung der variablen wurde auf Systeme mit Heteroatomen ausgedehnt. Die Übergangsenergien und Bindungslängen einer Gruppe von Molekülen mit Stickstoff- und Sauerstoffatomen wurden berechnet. Die Singulettübergaugsenergien befinden sich in guter Übereinstimmung mit dem Experiment.

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Résumé Nous avons étendu la méthode SCF MO dans l'approximation des variables aux systèmes hétéroatomiques et calculé les énergies de transition et les longueurs de liaison d'un groupe de molécules avec nitrogène et oxygène. Les énergies des transitions singulets s'accordent bien à l'expérience.

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Supported by the U. S. Atomic Energy Commission and National Science Foundation.     

Structure électronique des ions méthyloxocarbonium et isopropyloxocarbonium

Résumé Les structures électroniques des ions oxocarbonium (CH₃CO)⁺ et [(CH₃)₂CHCO]⁺, intermédiaires dans les réactions d'acylation de Friedel et Crafts, sont comparées à celle de l'acétonitrile CH₃CN, après une série de calculs effectués suivant la méthode LCAO MO SCF ab initio. La longueur de la liaison C-C a été optimisée: les valeurs obtenues sont en accord avec l'expérience. L'optimisation de la position des atomes d'hydrogène de (CH₃CO)⁺ a conduit à la géométrie habituelle du groupement méthyle. La charge positive des ions oxocarbonium est essentiellement localisée sur l'atome de carbone du groupement carbonyle. La liaison C-C de (CH₃CO)⁺ est fortement ionique, et plus faible que dans l'acétonitrile. Dans [(CH₃)₂CHCO]⁺, ce caractère ionique est encore accentué.

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Electronic structure of the ions methyloxocarbonium and isopropyloxocarbonium

The electronic structures of the ions (CH₃CO)⁺ and [(CH₃)₂CHCO]⁺, which are intermediary compounds in Friedel-Crafts acylation reactions, are compared to the structure of acetonitrile CH₃CN, through LCAO MO SCF ab initio calculations. The length of the C-C bond was optimized: the calculated and experimental values are in good agreement. The geometry of the methyl group in (CH₃CO)⁺, as given by optimization of the hydrogen positions, is the usual one. The positive charge in the oxocarbonium ions is essentially localized on the carbon atom of the carbonyl group. The C-C(O) bond has more ionic character and is weaker in the oxocarbonium ions than the C-C(N) bond in acetonitrile. This ionic character is stronger in [(CH₃)₂CHCO]⁺ than in (CH₃CO)⁺.

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Zusammenfassung Die elektronische Struktur der Ionen (CH₃CO)⁺ und [(CH₃)₂CHCO]⁺, Zwischenverbindungen in den Friedel-Crafts Acylierungsreaktionen, wurden durch LCAO MO SCF ab initio Berechnungen mit der Struktur des Acetonitrils CH₃CN verglichen. Die Länge der C-C-Bindung wurde optimisiert: die ausgerechneten und experimentellen Werte stimmen gut überein. Bei Optimisierung der Wasserstoffatomenlage fanden wir die übliche Geometrie der Methylgruppe. Die positive Ladung der Oxocarbonium Ionen liegt hauptsächlich auf dem Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe. Die C-C(O)-Bindung in den Oxocarbonium-Ionen ist schwächer, und besitzt einen stärkeren ionischen Charakter als die C-C(N)-Bindung im Acetonitril. Dieser ionische Charakter ist noch stärker in [(CH₃)₂CHCO]⁺ alsin(CH₃CO)⁺.

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Equipe de Recherche Associée au C.N.R.S. (ERA n8).     

Spin-orbit and spin-other-orbit interaction in diatomic molecules

The correct relativistic Pauli-Breit Hamiltonian for spin-orbit and spin-other-orbit interaction in atoms is adapted for use with diatomic molecules. The relation between the fundamental molecular Hamiltonian thus obtained and the phenomenological operator AL · S is investigated, and some theoretical considerations are made concerning Van Vleck's hypothesis of pure precession. A formula convenient for ab initio calculation of the spin-orbit coupling constant is derived, assuming the electronic functions to be represented by a Slater determinant of one-electron molecular orbitals. Finally a method for theoretical determination of the sign of the spin-orbit coupling constant is demonstrated by several examples.

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Zusammenfassung Der korrekte Pauli-Breit-Hamiltonoperator für die verschiedenen Spin-Bahn-Wechselwirkungen in Atomen wird der Anwendung bei zweiatomigen Molekülen angepaßt. Die Beziehung zwischen den so erhaltenen molekularen Hamiltonoperator und dem phänomenologisch begründeten Operator AL·S wird untersucht, und einige Überlegungen zur Van Vleckschen Hypothese reiner Präzession werden dargestellt. Eine Formel für die ab initio-Besprechung der Spin-Bahn-Kopplungs-Konstanten wird abgeleitet, wobei angenommen wird, daß die elektronische Wellenfunktion durch eine Slater-determinante dargestellt wird, die aus Ein-Elektronen-MO's aufgebaut ist. Schließlich wird eine Methode zur theoretischen Bestimmung des Vorzeichens der Spin-Bahn-Kopplungs-Konstanten an verschiedenen Beispielen demonstriert.

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Résumé L'hamiltonien relativiste de Pauli-Breit pour l'interaction spin-orbite dans les atomes est adapté pour être utilisé dans les molécules diatomiques. La relation entre l'hamiltonien moléculaire ainsi obtenu et l'opérateur phénoménologique AL · S est étudiée, et l'on effectue certaines considérations théoriques sur l'hypothèse de précession pure de Van Vleck. On déduit une formule convenable pour le calcul ab initio de la constante de couplage spin-orbite en supposant les fonctions électroniques représentées par un déterminant de Slater. Enfin, plusieurs exemples permettent de démontrer une méthode pour la détermination théorique du signe de la constante de couplage spin-orbite.

     

An attempted application of the extended hückel molecular orbital approach to reactions involving charged species

The semi-empirical extended Hückel molecular orbital (EHMO) and non-empirical self consistent field molecular orbital (SCF-MO) methods have been used to study protonation reactions of acids, amides and esters. The work has been extended to the charged intermediates and subsequent products in their hydrolysis reactions.

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Zusammenfassung Ein semiempirisches, erweitertes Hückel-Verfahren sowie ab initio SCF-MO-Rechnungen wurden zur Untersuchung der Protonierung von Säuren, Amiden und Estern, deren ladungstragender Ab-kömmlinge und ihrer Folgeprodukte herangezogen.

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Résumé La méthode de Hückel étendue semi-empirique (EHMO) et la méthode du champ selfconsistant non empirique (SCF MO) ont été utilisées pour l'étude des réactions de protonation des acides, des amides et des esters. Ce travail a été étendu aux intermédiaires chargés et aux produits résultants lors de leur «hydrolyse».

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Contribution from the Department of Chemistry, University of Toronto, Toronto 5, Ontario, Canada.     

Steric effect in biphenyl according to SC LCAO MO and limited CI methods

The conformation of an isolated biphenyl molecule has been analyzed with the use of a combination of theCoulson andSenent and the SC LCAO MO methods. The predicted angle between the planes of the two benzene rings and all the predicted bond lengths are in very good agreement with experiment. Using the SC LCAO MO and limited CI methods the electronic spectrum has been reinterpreted; it has been shown that the recent interpretations given byGondo and independently byGrinter need a few corrections.

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Zusammenfassung Die Konformation des isolierten Biphenyls wurde mit Hilfe einer Kombination der Coulson-Senent- und der SC-LCAO-MO-Methode analysiert. Der berechnete Winkel zwischen den Benzolebenen und alle berechneten Bindungslängen stimmen sehr gut mit dem Experiment überein. Mit Hilfe der SC-LCAO-MO und der beschränkten CI-Methode wurde auch das Spektrum neuinterpretiert; es wurde gezeigt, daß die Interpretationen, die vonGondo undGrinter gegeben wurden, zum Teil korrigiert werden müssen.

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Résumé La conformation d'une molécule isolée de biphényle a été analysée à l'aide d'une combinaison des méthodes de Coulson-Senent et des orbitales moléculaires SCF LCAO. L'angle prévu entre les plans des deux cycles benzéniques et toutes les longueurs de liaisons prédites sont en très bon accord avec l'expérience. En utilisant les méthodes SCF LCAO MO et IC limitée, le spectre électronique a été réinterprété; nous avons montré que les interprétations récentes données parGondo et indépendamment parGrinter nécessitent quelques modifications.

     

Ab initio calculations on ethylene and fluoroethylene. A comparative study

Self-consistent-field calculations are reported on the ethylene and fluoroethylene molecules. A comparative analysis of the two molecules shows that the effects of substituting a hydrogen atom with a fluorine atom in ethylene are fairly local. Ionization potentials in the ethylene molecule are calculated. The effects of hydrogen p-functions are studied in both molecules, and these effects are found to be rather small, particularly in fluoroethylene. A number of molecular properties are reported for both molecules.

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Zusammenfassung Für Äthylen und Fluoroäthylen werden SCF-Rechnungen durchgeführt. Eine vergleichende Analyse der beiden Moleküle zeigt, daß die Effekte der Substitution eines Wasserstoffatoms durch Fluor in Äthylen ziemlich lokal begrenzt sind. Die Ionisationspotentiale für Äthylen werden berechnet. Die Auswirkung von Funktionen am Wasserstoffatom werden in beiden Molekülen untersucht; sie sind relativ gering, besonders im Fluoroäthylen. Eine Reihe von molekularen Eigenschaften wird für beide Moleküle angegeben.

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Résumé Calculs SCF sur l'éthylène et le fluoroéthylène. Une analyse comparée des deux molécules montre que les effets de la substitution d'un atome d'hydrogène par un atome de fluor dans l'éthylène sont pratiquement locaux. Les potentiels d'ionisation de la molécule d'éthylène sont calculés. L'effet de l'introduction de fonctions p sur l'hydrogène est étudié dans les deux molécules; on le trouve faible, en particulier dans le fluoroéthylène. Etude de quelques autres propriétés moléculaires.

     

Non-empirical interpretation of nitrogen 14 nuclear quadrupole coupling constants

The ¹⁴N nuclear quadrupolar coupling constants have been calculated for a series of nitrogen containing molecules from ab initio SCF-LCAO-MO wavefunctions built on basis sets of Gaussian type atomic functions. The various nuclear and electronic (from MO's, atoms, basis functions) contributions to the total field gradient have been analyzed and their relation to molecular and electronic structure is discussed.The effect of the nature of the basis set on the accuracy of the computed field gradients has also been studied.

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Zusammenfassung Die ¹⁴N-Kernquadrupol-Kopplungskonstanten sind für eine Reihe von N-haltigen Verbindungen aus ab initio-Wellenfunktionen, die auf Gauß-Orbitalen basieren, berechnet worden. Die einzelnen Kern- und Elektronenbeiträge zum Feldgradienten wurden untersucht und diskutiert, desgleichen der Einfluß des Typus der Basis auf die Genauigkeit der Resultate.

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Résumé Les constantes de couplage quadrupolaire nucléaire de ¹⁴N ont été calculées pour une série de composés azotés à partir de fonctions d'onde ab initio SCF-LCAO-MO (Hartree-Fock) construites sur une base de fonctions atomiques gaussiennes. Les diverses contributions nucléaires et électroniques (provenant des orbitales moléculaires, des atomes, des fonctions atomique de base) au gradient de champ total ont été analysées et reliées aux caractéristiques structurales des molécules considérées.L'effet de la nature de la base de fonctions atomiques sur la précision des gradients de champs calculés a aussi été étudié.

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We thank Drs. H. Basch, J. L. Calais, J. F. Harrison and P. Pyykkö for sending us test calculations for checking our program and Drs. H. Basch and G. Berthier for communicating to us the molecular wavefunctions of some of the nitrogen containing heterocycles.     

Torsionsabhängige Beiträge zur Spin-Bahn-Kopplung in organischen Molekülen

Zusammenfassung Die Spin-Bahn-Kopplung der niedrigen elektronischen Anregungszustände von organischen Molekülen wird untersucht. Es wird gezeigt, daß die Zerstörung der aromatischen Ebene durch Torsionen oder Schwingungen zu nicht-verschwindenden Zweizentrenbeiträgen führt. Am Beispiel des Triphenylmethyl-Kations wird mit Hilfe der LCAO MO SCF-Methode die Größenordnung der auftretenden Wechselwirkungen ermittelt. Diese haben wahrscheinlich großen Einfluß auf die strahlungslosen Prozesse in Molekülen mit leicht beweglichen Gruppen.

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Spin-orbit coupling of the lower excited electronic states of organic molecules has been investigated. It is shown that any destruction of the aromatic plane through torsions or vibrations leads to non-vanishing contributions from two-centre integrals. The order of magnitude of this type of interactions is determined for the triphenylmethyl-cation with the aid of the LCAO MO SCF method. These interactions probably have much influence on radiationless transitions in molecules containing mobile groups.

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Résumé Etude du couplage spin-orbite dans les états électroniques exités les plus bas des molécules organiques. Toute non planéité aromatique créée par torsions ou vibrations entraîne une contribution non nulle de la part des intégrales bicentriques. L'ordre de grandeur de ce type d'interaction est detérminé, à l'aide de la méthode L.C.A.O. M.O. SCF, pour le cation triphenylméthyle. Ces interactions ont probablement beaucoup d'influence sur les transitions non radiatives dans les molécules contenant des groupements mobiles.