Electronic structures of the Meisenheimer and Janovsky complexes

In order to study the electronic spectra and stabilities of the Meisenheimer and Janovsky complexes, the -electron structures of the 1,3,5-trinitro-, 1,3-dinitro-, 1,5-dinitro-, 2,4-dinitro-, and 3-nitropentadienyl anions were calculated by the method of composite molecules. The Pariser-ParrPople type SCF-CI calculation was also performed for the 1,3,5-trinitropentadienyl anion. The lower electronic transitions of these ions are assigned as due to charge-transfer from the pentadienyl group to the nitro group. Calculated transition energies and intensities agree well with the observed values so far as comparison can be done. Relative stabilities of these ions can well be predicted in terms of intramolecular charge-transfer in the ground state, the extent of which is mostly determined by the mode of substitution of nitro groups. The calculated bond order can well explain the bond lengths in the pentadienyl part determined by the X-ray crystal analysis technique.

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Zusammenfassung Zur Untersuchung von Spektrum und Stabilität der Meisenheimer- und Janovsky-Komplexe wurden die -Systeme der Mono-, Di- und Trinitropentadienylanionen mit der MIM-Methode behandelt. Für das 1,3,5-Trinitropentadienyl-Anion wurde auch eine PPP-CI-Rechnung durchgeführt. Die niedrigeren elektronischen Übergänge entsprechen einem Pentadienyl Nitro-Ladungsübergang. Die gemessenen Übergangsenergien und Intensitäten passen in die berechneten Spektren. Die relativen Stabilitäten, die vom intramolekularen Ladungsübergang, d. h. von der Nitro-Substitution bestimmt werden, können gut vorausgesagt werden, ebenso die Bindungslängen.

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Résumé Afin d'étudier les spectres électroniques et les stabilités des complexes de Meisenheimer et Janovsky, les structures d'électrons ont été calculées par la méthode des molécules composées pour les anions 1,3,5-trinitro-1,3-dinitro, 1,5-dinitro-, 2,4-dinitro-et 3-nitropentadienyle. Un calcul de type Pariser-Parr-Pople SCF CI a aussi été effectué pour l'anion 1,3,5-trinitro-pentadiényle. La transition électronique la plus basse de ces ions est attribuée à un transfert de charge du groupe pentadiényle au groupe nitro. Les énergies de transition calculées ainsi que les intensités sont en bon accord avec l'expérience lorsque la comparaison peut être faite. Les stabilités relatives de ces ions peuvent être prédites en termes de transfert de charge intramoléculaire dans l'état fondamental, dont l'importance est principalement dûe au type de la substitution nitro. Les indices de liaison calculés expliquent bien les longueurs de liaison de la partie pentadiényle déterminées par analyse aux rayons X.

     

Reversible energy transfer

Analysis of the transient and steady-state kinetics of reversible energy transfer shows that while the interpretation of lifetime measurements is difficult unless the donor and acceptor lifetimes are appreciably different, quantum yield measurements are relatively easy to interpret.

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Zusammenfassung Die Analyse der Kinetik der Übergangszustände und der stationären Zustände der reversiblen Energieübertragung zeigt, daß im Gegensatz zu einer schwierigen Interpretation der Messungen der Lebensdauer — es sei denn die Lebensdauer von Donor und Acceptor sind wesentlich voneinander verschieden — die Messungen der Quantumausbeute verhältnismäßig einfach zu interpretieren sind.

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Résumé L'analyse de la cinétique de l'état transitoire et de l'état stationnaire du transfert réversible d'énergie montre que, si l'interprétation des mesures de durée de vie est difficile, à moins queles durées de vie du donneur et de l'accepteur soient très différentes, il est par contre relativement facile d'interpréter les mesures de rendement quantique.

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Dedicated to the memory of Professor K. H. Hansen.     

Porphyrins

Extended Hückel calculations are reported for tetravalent porphin complexes of Si(OH)₂, Ge(OH)₂, GeCl₂, and SnCl₂ and divalent complexes of Ge, Sn, and Pb. Divalent Ge porphin is expected to be planar and have the extra two electrons in the ring. Divalent Sn and Pb porphins are expected to be non-planar and have the extra two electrons on the metal. The possibility of a charge transfer transition a ₁(p _z )e _g ^* () is noted, and its identication in available spectra of Sn and PbTPP is made. The electronic structure of the tetravalent species is similar to other metalloporphyrins except for the possibility of low lying ligand to porphin charge transfer states in the hydroxy complexes.

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Zusammenfassung Für die vierwertigen Porphin-Komplexe des Si(OH)₂, Ge(OH)₂, GeCl₂ und SnCl₂ und die zweiwertigen Komplexe des Ge, Sn und Pb werden Berechnungen nach der erweiterten Hückel-methode durchgeführt. Von dem zweiwertigen Ge-Porphin wird erwartet, da\ es planar ist und da\ sich die beiden zusÄtzlichen Elektronen im Ring befinden, wÄhrend von den zweiwertigen Sn- und Pb-Porphinen zu erwarten ist, da\ sie nicht planar sind und die beiden zusÄtzlichen Elektronen sich am Metall befinden. Auf die Möglichkeit eines Charge-Transfer-übergangs a ₁(p _z )e _g ^* () wird hingewiesen, und dieser übergang wird in gemessenen Spektren von Sn und PbTPP identifiziert. Die Elektronenstruktur der vierwertigen Verbindung ist denjenigen anderer Metallporphyrine Ähnlich, au\er der Möglichkeit niedrig liegender Ligand-Porphin-Charge-Transfer-ZustÄnde in den Hydroxy-Komplexen.

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Résumé Calculs de type Hückel étendu pour des complexes tétravalents de la porphine avec Si(OH)₂, Ge(OH)₂, GeCl₂ et SnCl₂ et des complexes divalents avec Ge, Sn et Pb. La porphine de Ge divalente est prévue plane avec les deux électrons supplémentaires dans le cycle. Les porphines divalentes de Sn et Pb sont prévues non planes avec les deux électrons supplémentaires sur le métal. On remarque la possibilité d'une transition de transfert de charge a ₁(p _z)e _g ^* () et on l'identifie dans les spectres disponsibles pour Sn et PbTPP. La structure électronique des espèces tétravalentes est semblable à celle des autres métalloporphyrines à l'existence possible près dans les complexes hydroxy d'états de transfert de charge de basse énergie entre le ligand et la porphine.

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Paper XX: Ake, R. L, Gouterman, M.: Theoret. chim. Acta (Berl.) 17, 408–416 (1970).     

On the mechanism of proton transfer reactions in the excited hydrogen bonded complexes

The results of systematic experimental studies on the hydrogen bonding and proton transfer reactions between excited naphthol molecule and aliphatic amine molecule in nonhydroxylic solvents are described and interpreted.The mechanism of the proton transfer process is discussed on the basis of the - interaction in the hydroxy group of naphthol and the charge transfer interaction between the proton acceptor and the donor in the excited electronic state.

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Zusammenfassung Die Ergebnisse systematischer experimenteller Untersuchungen über Wasserstoffbrückenbindung und Protonenaustausch zwischen angeregten Naphtholmolekülen und aliphatischen Aminen werden beschrieben und interpretiert. Es werden Lösungsmittel ohne Hydroxylgruppen benutzt.Der Mechanismus der Protonenaustauschreaktion wird diskutiert auf der Basis einer --Wechselwirkung in der Hydroxylgruppe des Naphtholmoleküls und einer charge-transfer-Wechselwirkung zwischen Protonen-Akzeptor und -Donor. Dabei befindet sich der Donor in einem angeregten Elektronenzustand.

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Résumé Les résultats d'études systématiques expérimentales sur la liaison hydrogène et les réactions de transfert de proton entre des molécules de naphtol excitées et des amines aliphatiques sont décrits et interprétés. Des solvants non-hydroxyliques sont employés.Le mécanisme du transfert de proton est discuté sur base d'une interréaction - dans la groupe hydroxyle du naphtol et d'un transfert de charge entre l'accepteur et le donneur du proton, le donneur étant en état excité.

     

A theory of the optical properties of vitamin B 12 and its derivatives

LCAO-MO calculations have been made on the -electron system of corrin, using both Hückel and Pariser-Parr-Pople methods, with particular emphasis on the way in which the energies of the excited configurations vary with the valence state ionization potentials of the four ligand nitrogen atoms. Configuration interaction between the second and third excited states is particularly sensitive to the effective nuclear charges of these nitrogen atoms, and hence to the covalency of the bond between the metal and the axial ligands. The dipole and rotational strengths calculated by assuming that the molecular conformation in solution is the same as that found in the crystal lead to the conclusion that the wide variations in the absorption and circular dichroism spectra may be due to electronic changes. Low temperature solution spectra of dicyanocobinamide and methylcobalamin are presented and assignments discussed.

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Zusammenfassung HMO und PPP-Rechnungen wurden am Corrin-System durchgeführt. Energieänderungen angeregter Konfigurationen in Abhängigkeit von den Valenzzustands-Ionisationspotentialen der vier äquatorialen N-Atome werden untersucht. Die Konfigurationenwechselwirkung ist empfindlich gegen die effektive Kernladungszahl der N-Atome, und daher abhängig von der Bindung zwischen Zentralatom und den axialen Liganden. Unter der Voraussetzung, daß die Konformation des Moleküls in Lösung die gleiche ist wie im Kristall, ergibt sich, daß die großen Unterschiede der Spektren der Komplexe mit verschiedenen axialen Liganden auf elektronische Unterschiede zurückgeführt werden können. Die Zuordnung der gemessenen Tieftemperatur-Lösungs-Spektren von Dicyanocobinamid und Methylcobalamin wird diskutiert.

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Résumé Des calculs LCAO-MO des électrons de la corrine selon les méthodes de Hückel et de Pariser-Parr-Pople ont été effectués avec une insistance particulière sur la manière dont les énergies des configurations excitées varient avec les potentials d'ionisation des états de valence des quatre atomes d'azote liants. L'interaction de configuration entre le deuxième et le troisième état excité est particulièrement sensible aux charges nucléaires effectives de ces atomes d'azote, et par là au degré de covalence de la liaison entre le métal et les ligands axiaux. Les intensités dipolaires et rotatoires calculées en supposant que la conformation moléculaire en solution est la même que celle trouvée dans le cristal conduit à la conclusion que les grandes variations des spectres d'absorption et de dichroïsme circulaire sont dues à des variations de facteurs électroniques. Les spectres des solution de dicyanocobinamide et de méthylcobalamine à basse température sont présentés et les identifications sont discutées.

     

Microchemical balance design

Summary Current design of microchemical balances is reviewed with particular reference to developments during the last five years. Problems of beam design are considered and the necessity of obtaining a satisfactory compromise between strength and lightness is emphasised. Improvements in bearings, particularly knife edges, are also discussed. Reference is made to the design of arrestment mechanisms and cases and to the growing popularity of aperiodic microbalances. The limitations inherent in the use of riders are considered and the recent introduction of the riderless microgram balance is described. The paper concludes with a brief mention of current trends in design, referring particularly to the growing interest in both fifth place weighings and in higher precision weighing calling for accuracies of a tenth or a hundreth of a microgram.

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Zusammenfassung Eine Übersicht über den derzeitigen Stand der Konstruktion mikrochemischer Waagen unter besonderer Berücksichtigung der Entwicklung in den vergangenen fünf Jahren wird gegeben. Probleme der Balkenkonstruktion werden erörtert und die Notwendigkeit eines zufriedenstellenden Kompromisses zwischen Stärke und geringem Gewicht des Balkens hervorgehoben. Verbesserungen der tragenden Elemente, besonders der Schneiden werden ebenfalls besprochen. Über die Konstruktion der Arretierungsmechanismen, der Waagengehäuse und über die steigende Bevorzugung aperiodischer Mikrowaagen wird berichtet. Die Nachteile bei der Verwendung von Reitern und die daher neuerdings eingeführten reiterlosen Mikrogramm-Waagen werden beschrieben. Schließlich werden die modernen Richtungen beim Waagenbau kurz erwähnt, wobei besonders auf das steigende Interesse an Wägungen bis zur fünften Stelle und an Wägungen höherer Präzision Bezug genommen wird, bei denen auf die Genauigkeit von einem Zehntel oder einem Hundertstel Mikrogramm Wert gelegt wird.

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Résumé On examine les modèles courants de microbalances en insistant particulièrement sur les mises au point effectuées pendant les cinq dernières années. On considère les problèmes concernant la conception du fléau et l'on met l'accent sur la nécessité d'obtenir un compromis satisfaisant entre les qualités de robustesse et de légèreté. On discute également des améliorations concernant la suspension des plateaux et en particulier des arêtes des couteaux. On cite les dispositifs employés pour les mécanismes de blocage ainsi que pour les cages, et fait allusion à la popularité croissante des microbalances apériodiques. On considère les inconvénients résultant de l'emploi de cavaliers et l'on décrit à cette occasion la balance sans cavalier, sensible au microgramme qui vient d'être récemment réalisée. Dans la conclusion, on indique brièvement les tendances actuelles concernant les modèles de balances en insistant particulièrement sur l'intérêt croissant porté aux pesées au centième de milligramme d'une part et aux pesées de précision dans lesquelles on requiert l'exactitude du dixième ou du centième de microgramme d'autre part.

     

Cinétique de l'adsorption de certains stéroïdes à l'interface eau-huile neutre

Résumé Dans ce travail est entrepris l'étude de la cinétique d'adsorption de stéroïdes à l'interface eau-huile, en utilisant des mesures de tension interfaciale, par la médiation d'une de l'«équation d'état» dont les fondements théoriques sont précisés.Le processus d'adsorption de 8 stéroides qui possèdent des groupements polaires (fonctions cétone ou hydroxyle) est entièrement déterminé par la diffusion. Cela nous permet de déterminer les coefficients de diffusion des 8 stéroïdes dans l'huile de vaseline à partir des courbes de vieillissement des interfaces (première communication).Dans la seconde communication, il est montré qu'il est possible de se placer dans des conditions expérimentales telles que l'influence de la diffusion soit négligeable et donc que la vitesse d'adsorption soit identifiable au flux de molécules qui franchissent la barrière d'énergie située aux abords de l'interface.

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Zusammenfassung Die Adsorptionskinetik an Phasengrenzflächen wird im allgemeinen durch die Diffusion der grenzflächenaktiven Stoffe an die Grenzfläche und durch Adsorptions-Desorptionsvorgänge der an die Grenzfläche herandiffundierten Moleküle bestimmt. Unter ausgewählten experimentellen Bedingungen wird einer der beiden Prozesse dominant.In Teil I der Arbeit wird die diffusionsbestimmte Adsorptionskinetik von Steroiden an Öl/Wasser-Grenzflächen durch Messung von Grenzflächenspannungen in Abhängigkeit von der Zeit untersucht.Im Teil II der Arbeit wird am Beispiel des unpolaren 5 -Androstans gezeigt, daß hier die Adsorptionsgeschwindigkeit durch eine Aktiverungsschwelle beim Übertritt des Androstans aus der Lösung an die Öl/Wasser-Grenzfläche bestimmt wird. Zur Auswertung wird die Zustandsgleichung für Grenzflächenfilme herangezogen.

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Avec 12 figures et 2 tableaux     

SCF-MO-LCGO studies on hydrogen bonding. The water dimer

The hydrogen bond in the water dimer is studied within the SCF-MO-LCAO framework, using a large Gaussian basis set to approximate the wavefunction. A geometry search restricted to structures with linear and bifurcated hydrogen bonds is performed and the associated potential energy curves are displayed. The minimum energy geometry of the water dimer is found to form a linear hydrogen bond with a hydrogen bond distance of 2.04 Å and a binding energy of 4.84 kcal/mole relative to the monomer (exp. 5.0 kcal/mole). No semistable structures are found. The charge density and charge density difference maps are discussed for the structure with a linear hydrogen bond for different subsystem (water) separations, including the minimum energy geometry. The dipole moment of the dimer is computed to be 1.69 a.u. The shift of the IR bands on hydrogen bond formation is explained qualitatively by comparing the potential energy curves of the hydrogen in the OH-bonds of the monomer and the dimer, and the intensity increase of the fundamental OH-stretching band is computed. The shift of the proton magnetic resonance signal is discussed qualitatively by inspecting the charge density change on hydrogen bond formation, and the average diamagnetic shielding is calculated.

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Zusammenfassung Die Wasserstoffbrückenbindung im dimeren Wasser ist im Rahmen des SCF-MO-LCAO-Verfahrens untersucht worden, wobei die Wellenfunktion durch Gaußfunktionen angenähert wurde. Die Untersuchungen beschränkten sich auf Strukturen mit linearen und gegabelten Wasserstoffbrücken. Die zugehörigen Potentialkurven wurden berechnet und graphisch dargestellt. Danach besitzt das dimere Wasser in der energetisch stabilsten Form eine lineare Wasserstoffbrückenbindung mit einem Brückenbindungsabstand von 2,04 Å. Die Bildungsenergie aus zwei monomeren Wassermolekülen beträgt 4,84 Kcal/Mol. Es wurden keine semistabilen Strukturen anderer Geometrie gefunden. Für das dimere Wasser mit linearer Wasserstoffbrückenbindung sind für verschiedene Brückenbindungsabstände die Elektronendichten und die Elektronendichtedifferenzen, bezogen auf zwei ungestörte Wassermoleküle als Vergleichssystem, graphisch dargestellt und diskutiert worden. Das Dipolmoment des dimeren Wassers wurde zu 1,69 a.u. berechnet. Die Verschiebung der IR-Banden, die bei der Bildung der Wasserstoffbrückenbindung experimentell beobachtet wird, kann qualitativ aufgrund der entsprechenden Potentialkurven erklärt werden. Die dabei gleichfalls beobachtete Intensitätszunahme wurde berechnet. Die Verschiebung des Proton-Kernresonanzsignals konnte qualitativ an Hand der berechneten Ladungsdichtedifferenzen diskutiert und die diamagnetische Abschirmkonstante bestimmt werden.

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Résumé Etude de la liaison hydrogène du dimère de l'eau dans le cadre SCF-MO-LCAO en utilisant une grande base de fonctions gaussiennes. La géométrie est recherchée parmi les structures à liaisons hydrogène linéaires et fourchues avec production des courbes d'énergie potentielle associées. La géométrie du dimère d'énergie minimum est du type liaison hydrogène linéaire de longueur 2,04 Å et d'énergie 4,84 Kcal/mole (exp. 5,0 Kcal/mole). On ne trouve pas de structures semi-stables. Les cartes de densité de charge et de densité différentielle sont discutées pour différentes distances de séparation du système à liaison hydrogène linéaire. Le moment dipolaire du dimère est évalué à 1,69 u.a. Le déplacement des bandes I.R par formation de liaison hydrogène est expliqué qualitativement en comparant les courbes d'énergie potentielle de la liaison OH dans le monomère et le dimère, et l'on calcule l'augmentation d'intensité de la bande fondamentale de vibration OH. Le déplacement du signal de résonance magnétique du proton est discuté qualitativement par inspection des variations de densité de charge par formation de la liaison hydrogène, et l'on a calculé l'écran diamagnétique moyen.

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These studies were started while the author was visiting the IBM Research Laboratories, San Jose, California 95114, USA.     

A non-empirical study of the hydrogen bond between peptide units

A detailed study of hydrogen bonding in the linear dimers of formamide has been performed in a non-empirical SCF framework. The stabilization energy is studied as a function of the distance between the monomers and a decomposition of the energy into the coulomb, exchange and polarization and charge transfer contributions is given as well as a study of the underlying changes in the electron distribution. The angular displacements around the carbonyl oxygen are studied in the antiparallel dimer and show a very shallow minimum. The effects of hydrogen bonding on the NH stretching are satisfactorily accounted for.

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Zusammenfassung Die Wasserstoffbindung in den linearen Dimeren des Formamids wird im Rahmen der nichtempirischen SCF-Theorie behandelt. Die Stabilisierungsenergie wird als Funktion des Abstands der Monomeren untersucht. Dabei wird auch die Zerlegung der Energie in Coulomb-, Austausch-, Polarisations- Ladungsübertragungs-Anteile gegeben. Die dabei stattfindenden Änderungen in der Elektronenverteilung werden untersucht. Die winkelabhängigen Verschiebungen um das Sauerstoffatom der Carbonyl-Gruppe werden für das antiparallele Dimere untersucht und zeigen ein schwaches Minimum. Der Einfluß der Wasserstoffbindung auf die NH-Streckung wird befriedigend wiedergegeben.

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Résumé Une étude détaillée de la liaison hydrogène dans les dimères linéaires de la formamide est faite par une méthode SCF non-empirique. L'énergie de stabilisation est étudiée en fonction de la distance entre les monomères et de l'angle des liaisons C=O et HN. Une décomposition de l'énergie en ses composantes coulombienne, d'échange et de polarisation plus transfert de charge a été faite ainsi qu'une étude concomittante des déplacements électroniques correspondants.

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After this article was completed, we received in communication a preprint by P. A. Kollman and L. C. Allen where they make a partition of the hydrogen-bond energy into electrostatic and delocalization contributions. These corresponds to our E ¹ and E _P+CT.     

SCFMO calculation of the 1∶1 charge-transfer complex between benzene and p-benzoquinone by the variable integrals method II

The charge-transfer complex system between benzene and p-benzoquinone is treated as a single conjugated system of -electrons and its electron states are calculated by the Variable Integrals Method II. For three models of the charge-transfer complex, potential energy curves, stabilization energies, orbital energy diagrams, electron densities, bond orders, dipole moment and electronic transition energies are discussed. The agreement between theory and experiment is satisfactory as for as the electronic spectra are concerned.

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Zusammenfassung Der Ladungsübertragungs-Komplex zwischen Benzol und p-Benzochinon wird als ein einziges konjugiertes -Elektronensystem behandelt. Seine -Elektronenzustände werden nach der Methode II der Variablen Integrale berechnet. Für drei Modelle des Komplexes werden die Potentialkurven, die Stabilisierungsenergien, die Diagramme der Orbitalenergien, die Elektronendichten, die Bindungsordnungen, die Dipolmomente sowie die elektronischen Übergangsenergien untersucht. Die Übereinstimmung mit dem Experiment ist für die Elektronenspektren zufriedenstellend.

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Résumé Calcul des états électroniques par la méthode des intégrales variables II pour le complexe de transfert de charge entre le benzène et la p-benzoquinone considéré comme un système conjugé unique. Discussion de trois modèles de complexe de transfert de charge: courbes d'énergie potentielle, énergies de stabilisation, diagrammes d'énergie orbitale, densités électroniques, moment dipolaire et énergies de transition électronique. L'accord entre théorie et expérience est satisfaisant tout au moins pour les spectres électroniques.

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Presented at the 2nd Symposium on Structural Organic Chemistry, Osaka, November, 1969.     

A study of interaction of two ethylene molecules by the semiempirical complete configuration interaction method in π-electron approximation

The semiempirical complete configuration interaction method in -electron approximation has been used to calculate the energies of states of a system composed of two interacting ethylene molecules and having the D _2h symmetry. Oscillator strengths for the allowed transitions have been also calculated. If conjugation effects between the ethylene molecules are disregarded the hypochromism found by Nesbet is not obtained in this higher approximation. Consideration of conjugation effects results in hypochromism of the longest-wavelength allowed transition. The bathochromic shift of this band occurs at smaller distances between the two ethylene molecules than the hypochromic effect. Some general features of transannular interaction and the rôle of conjugation effects in the hypochromism of helical polynucleotides are discussed. The qualitative similarity of the cyclobutadiene energy spectra calculated by the semiempirical and by the theoretical methods of complete configuration interaction is pointed out.

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Zusammenfassung Mittels der halbempirischen Methode der vollständigen Konfigurationswechselwirkung wurden die Eigenwerte der Energie eines Systems von gp-Elektronen, bestehend aus zwei äthylenmolekülen mit der Symmetrie D _2h , sowie die Oszillatorstärke erlaubter Übergänge berechnet. Bei Vernachlässigung der Konjugationseffekte tritt der hypochrome Effekt Nesbets in dieser höheren Näherung nicht auf. Berücksichtigung von Konjugationseffekten ergibt eine Intensitätsschwächung der Bande des langwelligsten erlaubten Überganges. Bei dieser Bande überwiegt bei kleinem Abstand der Äthylenmoleküle der bathochrome Effekt. Einige allgemeine Aspekte transannularer Wechselwirkung und die Rolle von Konjugationseffekten im Hypochromismus spiraliger Polynukleotide werden erörtert. Die qualitative Ähnlichkeit von Cyclobutadienspektren, die einerseits nach der halbempirischen, andererseits nach der theoretischen Methode der vollständigen Konfigurationswechselwirkung berechnet wurden, wird aufgezeigt.

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Résumé A l'aide de la méthode semiempirique de l'interaction de configuration complète, les valeurs propres de l'énergie d'un système d'électrons gp, consistant en deux molécules d'éthylène et ayant la symétrie D _2h , et les forces oscillatrices des transitions permises ont été calculées. Si l'on néglige les effets de conjugaison, l'effet hypochrome de Nesbet n'apparaît pas dans cette approximation élevée. Si l'on tient compte des effets de conjugaison, il en résulte une diminution de l'intensité de la transition permise de plus grande longueur d'onde. Dans le cas de cette bande, l'effet bathochrome l'emporte, quand la distance entre les molécules d'éthylène est petite. Quelques aspects communs des interactions transannulaires et le rôle des effets de conjugaison dans l'hypochromisme des polynucléotides en hélice sont discutés. On montre la ressemblance qualitative entre les spectres du cyclobutadiène, calculés et par la méthode semiempirique et par la méthode théorique de l'interaction de configuration complète.

     

Ground states of σ-bonded molecules

Calculations of the bond orders, net charge densities and energy levels for the -electrons in a number of conjugated hydrocarbons by the valence-electron SCF MO method and by the -electron SCF MO method are compared. The distinctions between alternant and non-alternant hydrocarbons, and in bond orders among single, aromatic, and double bonds, established by -electron methods is maintained to a high degree of approximation in the full valence-electron calculations. An excellent correlation exists between the -electron energy levels calculated by the two methods. The valence-electron calculations indicate that the hyperconjugative release of electrons in neutral molecules such as propene and toluene is negligible, but that this release can be substantial in carbonium ions.

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Zusammenfassung Ladungsdichten, Bindungsordnungen und Orbitalenergien von -Elektronen in einer Reihe von konjugierten Kohlenwasserstoffen werden nach -SCF MO-Methoden sowie nach einer Valenzelektronen-SCF MO-Methode berechnet. Der für die -SCF MO-Methoden typische Unterschied von alternierenden und nichtalternierenden Kohlenwasserstoffen und die Möglichkeit der Klassifizierung der - Bindungsordnungen nach einfachen, aromatischen oder Doppel-Bindungen bleiben bei der vollständigen Behandlung aller Valenzelektronen weitestgehend erhalten. Auch die Orbitalenergien der beiden Methoden korrelieren ausgezeichnet. Die Valenzelektronen-Rechnung zeigt, daß der Einfluß der Hyperkonjugation auf die Ladungsdichte in Molekülen wie Propen und Toluol vernachlässigbar ist, nicht dagegen bei Carboniumionen.

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Résumé Comparaison des indices de liaison, des charges nettes et des niveaux d'énergie obtenus pour un certain nombre d'hydrocarbures conjugués par la méthode SCF MO à électrons de valence et la méthode SCF MO à électrons . Les distinctions entre hydrocarbures alternants et non alternants, et, d'après les indices de liaison, entre des liaisons simples, aromatiques ou doubles, établies par les méthodes à électrons , se maintiennent très bien dans les calculs à électrons de valence. Une excellente corrélation existe entre les niveaux d'énergie des électrons calculés selon les deux méthodes. Les calculs d'électrons de valence montrent que le transfert d'électrons par hyperconjuguaison dans des molécules neutres comme le propène ou le toluène est négligeable, alors qu'il peut s'avérer important dans ions carbonium.

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Part II: Baird, N. C., and M. J. S. Dewar: J. Amer. chem. Soc. 89, 3966 (1967).

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This research was supported by the Air Force Office of Scientific Research through Grant Number AF-AFOSR-1050-67.

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Robert A. Welch Postdoctoral Fellow. 1 Theoret. chim. Acta (Berl.), Vol. 9     

Quantenmechanische Zweizentren-Coulomb-Modelle für Acetylen, Äthylen und Äthan

Zusammenfassung Aus zweiatomigen Bahnfunktionen (H ₂ ⁺ -artigen Funktionen) wurde eine 10-reihige Heisenberg-Slater-Determinante für die Valenzelektronen des Acetylens und eine 14-reihige Heisenberg-Slater-Determinante für die Valenzelektronen des Äthans aufgebaut. Unter Optimierung der effektiven Kernladungszahl Z₀ wurden die aus den Determinanten resultierenden Energiehyperflächen abgetastet. Ähnlich wurde der Grundzustand des Äthylens als Mischung zweier symmetrieadaptierter Linearkombinationen aus 12-reihigen Heisenberg-Slater-Determinanten angesetzt, wobei sich zu-sätzlich Höhe und Gestalt des Behinderungspotentials und die Frequenz der Verdrillung aus dem resultierenden Eigenwertproblem in Näherung ergaben.

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Quantum mechanical two center models for acetylene, ethylene and ethane

Diatomic Orbitals (H ₂ ⁺ -like functions) were used as molecular orbitals to form a 10-row Heisenberg-Slater-determinant for the valence electrons of acetylene and a 14-row determinant for the valence electrons of ethane. Optimizing the effective nuclear charge Z₀, points of the energy surfaces for a rectangular grid were calculated from the determinantal approximations for the two molecules. The ground state of ethylene was similarly treated as a mixture of two symmetry-adapted linear combinations of 12-row determinants. The resulting eigenvalue problem gave an approximation for height and shape of the barrier of internal rotation and for the twisting frequency of ethylene.

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Résumé Orbitales diatomiques (analogue á H ₃ ⁺ fonctions) sont utilisés pour construire un déterminant d'Heisenberg-Slater á 10 rangs pour les électrons de valence d'acétylène et un déterminant á 14 rangs pour les électrons de valence d'éthane. En optimalisant la charge effective nucleaire Z₀ des points de la surface d'énergie se sont dérivés de l'approximation déterminantal pour les deux molécules. D'une façon analogue l'état fondamental d'éthylène s'était traité en le considerant comme une mixture de deux combinaisons linéaires symétry adaptés de déterminants d'Heisenberg-Slater á 12 rangs. Le problème résultant de valeur propre servait comme approximation pour l'hauteur et la forme de la barière de rotation interne et pour la fréquence de torsion d'éthylène.

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Auszugsweise auf dem Symposium über Theoretische Chemie in Zürich, 28. März bis 1. April 1966, vorgetragen.

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Herrn Professor Dr. K. H. Hansen sind wir für Diskussionen über die Anwendung der Gruppentheorie auf das Äthylen-Problem und Herrn Dipl.-Chem. W. Strehl für Diskussionen über numerische Probleme und für zwei Unterprogramme zu Dank verpflichtet.

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Der Deutschen Forschungsgemeinschaft sei für ein Stipendium für K. H. gedankt, der Kommission für Elektronisches Rechnen der Bayerischen Akademie der Wissenschaften für die Gewährung von Rechenzeit und die Betreuung bei Rechnungen auf dem TR 4 und schließlich dem Zentralen Recheninstitut der Universität Frankfurt a. M. für die Finanzierung von Rechenzeit auf der IBM 7090 des Deutschen Rechenzentrums Darmstadt.     

Theoretical studies on the electronic spectra of substituted aromatic molecules

A simple Pariser-Parr-Pople-electron SCF method (i.e. one in which parameter variation with charge densities and bond orders is neglected) is used to predict the first three electronic transitions and the ionization potentials of polysubstituted benzenes and five-membered ring heterocyclics containing nitrogen, oxygen, and sulfur. The parameters were chosen to fit results for the monosubstituted benzenes and then tested on the polysubstituted compounds, using charge transfer data and oxidation potentials to estimate the ionization potentials. No serious deviations other than those which could be ascribed to steric effects for the ortho disubstituted compounds were found, indicating that penetration integrals and non-nearest-neighbor effects can be absorbed into the semi-empirical parameters. For the five-membered ring heterocyclics it is shown that it is unsatisfactory to use the simple parent compounds, pyrrole, furan, and thiophene as reference molecules in choosing parameters, since satisfactory choices for these molecules often give quite unrealistic results for the corresponding benzo and dibenzo derivatives. Sets of parameters which give consistent results for the parent and the benzo and dibenzo derivatives are given for the nitrogen, oxygen and sulfur heterocyclics.

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Zusammenfassung Mittels eines PPP-SCF-Verfahrens (mit von der Dichtematrix unabhängigen Parametern) werden die drei ersten Elektronenübergänge und Ionisationspotentiale von mehrfach-substituierten Benzolen sowie von heterocyclischen Fünfringen mit N, O und S berechnet. Die Parameter wurden an den einfach-substituierten Benzolen adjustiert. Bei Übertragung auf polysubstituierte Verbindungen ergaben sich nur bei den ortho-disubstituierten Abweichungen, die auf den spezifischen sterischen Verhältnissen beruhen dürften. Daraus wird der Schluß gezogen, daß Durchdringungsintegrale und Effekte übernächster Nachbarn in die Parameter eingeschlossen werden können. Im Fall der Fünfringe zeigt sich, daß man besser nicht die einfachen und unsubstituierten Ringe für die Parameterwahl benützt, weil man sonst oft für Benzo- und Dibenzoabkömmlinge unrealistische Resultate erhält. Dagegen lassen sich Parametersätze finden, die für alle drei Typen befriedigende Ergebnisse liefern.

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Résumé Une méthode SCF Pariser-Parr-Pople pour électrons, sans variation des paramètres avec les charges et les indices de liaison, est utilisée pour prédire les trois premières transitions électroniques et les potentiels d'ionisation des benzènes polysubstitués et des hétérocycles pentagonaux contenant de l'azote de l'oxygène et du soufre. Les paramètres ont été ajustés sur les benzènes mono-substitués et testés sur les composés polysubstitués, en utilisant les données du transfert de charge et les potentiels d'oxydation pour évaluer les potentiels d'ionisation. Peu d'écarts importants ont été obtenus, en dehors de ceux que l'on peut attribuer à des effets stériques dans les composés di substitués en ortho; ceci indique que les intégrales de pénétration et les effets des voisins lointains peuvent être introduits dans les paramètres semi-empiriques. En ce qui concerne les hétérocycles à cinq atomes, on montre qu'il n'est pas satisfaisant d'utiliser les composés parents simples: pyrrole, furane et thiophène, comme molécules de référence pour le choix des paramètres, car on obtient ainsi des résultats souvent non réalistes pour les dérivés benzo et di benzo correspondants. On donne des paramètres permettant d'obtenir des résultats satisfaisants dans ces cas.

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NASA Research Trainee 1967.     

Semi-empirical molecular orbital calculations on some tautomers of cytosine

The stability of a series of cytosine tautomers has been investigated using both all valence electron and -electron SCF methods. The effect of general and selective scaling of the bond lengths was studied in the CNDO/2 calculations. The enol tautomer of cytosine exceeded the keto form in stability in these calculations. -electron SCF CI calculations were performed on the cytosine tautomers using two different parameterization schemes. The calculated transitions obtained for the enol form showed a close proximity to that of the keto and imino structures. Comparison was made with the experimental electronic spectrum in water and acetonitrile. No clear distiction between the keto and enol forms could be made on the basis of these calculations.

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Zusammenfassung Die StabilitÄt einer Reihe von Cytosin-Tautomeren wurde mit einer Allvalenzelektronen- und mit einer -Elektronen-SCF-Methode untersucht. Die Auswirkung einer allgemeinen als auch selektiven Skalierung der BindungslÄngen wurde bei den CNDO2-Berechnungen untersucht. Das Enoltautomere des Cytosins übertrifft nach diesen Rechnungen die Ketoform an StabilitÄt. Bei den -Elektronen-SCF-CI-Rechnungen wurden zwei Methoden der Parametrisierung angewandt. Die für die Enolform berechneten übergÄnge zeigten eine gro\e Ähnlichkeit zu denjenigen der Keto- und Iminostrukturen. Die berechneten Werte wurden mit dem experimentellen Spektrum von Cytosin in Wasser sowie Acetonitril verglichen. Auf Grund der Berechnungen konnte keine klare Unterscheidung zwischen der Keto- und der Enolform getroffen werden.

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Résumé Etude de la stabilité d'une série de tautomères de la cytosine par les méthodes SCF à électrons de valence et à électrons . L'effet d'ajustement global ou selectif des longueurs de liaison a été étudié dans le cadre CNDO/2. Le tautomère énolique de la cytosine s'avère dans ces calculs plus stable que la forme cétonique. Des calculs d'électrons SCF CI ont été effectués sur les tautomères de la cytosine en utilisant deux schémas différents pour la paramétrisation. Les transitions calculées obtenues pour la forme énolique montrent une grande analogie avec celles des structures cétoniques et iminiques. La comparaison a été faite avec le spectre électronique expérimental dans l'eau et l'acétonitrile. Aucune distinction claire entre les formes cétoniques et énoliques n'a pu Être faite à partir de ces calculs.

     

The shape of molecules

The two most important molecular shape models are the Valence-Shell-Electron-Pair-Repulsion scheme and the Walsh-Mulliken Diagrams. These models, with illustrative examples, are described and a rigorous quantum mechanical definition of each is stated. A physical-mathematical proof ot their equivalence and of their origin is given along with an analysis of the failures to be expected. The theoretical prediction of bond angles is contrasted with the corresponding prediction of bond lengths, and the low information content inherent to the specification of bond angles shows their determination to be considerably easier than bond lengths.

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Zusammenfassung Die beiden wichtigsten Modelle zur Molekülgeometrie sind das Modell der Valenzelektronen-Paar-Abstoßung und das Walsh-Mulliken-Diagramm. Beide Modelle werden anhand illustrativer Beispiele vorgestellt, eine quantenchemische Definition beider wird gegeben. Ihre physikalische Äquivalenz wird bewiesen; diese Analyse zeigt auch die Grenzen der Modelle. Die theoretische Voraussage von Winkeln wird der von Bindungslängen gegenübergestellt. Da der Informationsgehalt der Winkelspezifikation niedriger ist, ist diese Angabe wesentlich leichter als die der Bindungslängen.

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Résumé Les deux modèles de forme moléculaire les plus importants sont le schéma de répulsion électronique des paires d'électrons des couches de valence et les diagrammes de Walsh-Mulliken. Ces modèles sont décrits, avec des examples illustratifs, et l'on donne une définition quantique rigoureuse de chacun d'entre eux. Une preuve physicomathématique de leur équivalence et de leur origine est fournie avec une analyse des échecs à attendre. La prédiction théorique des angles de valence est opposée aux prédictions théoriques des longueurs de liaison; le faible contenu informationnel inhérent à la spécification des angles de liaison montre que leur détermination est considérablement plus aisée que celle des longueurs de liaison.

     

LCAO-MO-SCF-Indizes chemischer ReaktionsfÄhigkeit und krebserregende Eigenschaft polyzyklischer Kohlenwasserstoffe

Zusammenfassung Die K-L-Region-Hypothese von A. und B. Pullman wird an 41 polyzyklischen Kohlenwasserstoffen untersucht. Statische Indizes und Aktivierungsenergien verschiedener Modelle des übergangszustandes werden für Substitutionen und Ortho-Additionen an der reaktionsfÄhigsten Bindung jedes Moleküls sowie für Para-Additionen an den reaktionsfÄhigsten Para-Atomen, die zu einem Ring oder verschiedenen Ringen gehören, mit einem PPP-SCF-MO--Elektronen-Verfahren berechnet. Der Grundgedanke der Pullmanschen Hypothese behÄlt in der SCF-Theorie seine Berechtigung. Eine Entscheidung über die Art der krebsauslösenden Reaktion — Substitution, 1- oder 2-Stufen-OrthoAddition; Ausdehnung des konjugierten Systems oder nicht; elektrophiler, nukleophiler oder radikalischer Zellpartner — lÄ\t sich nicht treffen.

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LCAO-MO-SCF indices of chemical reactivity and carcinogenic activity of polycyclic hydrocarbons

The K-L-region hypothesis of A. and B. Pullman is investigated for 41 polycyclic hydrocarbons. Static indices and activation energies of different models of the transition state are calculated (i) for substitutions and ortho-additions at the most reactive bond of each molecule, (ii) for para-additions at the most reactive para-atoms belonging to a single ring or to different rings. The PPP-SCF-MO -electron method is used. In SCF theory the fundamental idea of the K-L-region hypothesis remains valid. A conclusion concerning the type of chemical reaction causing cancer — substitution, 1- or 2-step ortho-addition; extension of the -electron system or not; electrophilic, nucleophilic or radical cellpartner — can not be given.

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Résumé On étudie l'hypothèse des régions K et L de A. et B. Pullman pour 41 hydrocarbures polycycliques. Les indices statiques et les énergies d'activation dans différents modèles de l'état de transition sont calculés pour 1) les substitutions et les additions ortho sur la liaison la plus réactive de la molécule; 2) les additions para sur les atomes para appartenant à un seul cycle ou à plusieurs cycles. On utilise la méthode PPP-SCF-MO pour électrons . Dans la théorie SCF l'idée fondamentale des régions K et L apparaÎt justifiée. Mais on ne peut fournir de conclusion concernant le type de réaction chimique à l'origine de la cancérisation:- substitution, addition ortho en une ou deux étapes, extension du système d'électrons ou pas, caractère électrophile, nucléophile ou radicalaire du partenaire dans la cellule.

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Herrn Professor Dr. K. Bechert danke ich für seine hilfreichen RatschlÄge und sein Interesse an dieser Arbeit, Herrn Dr. P. Flesch für wertvolle Diskussionen und der Stiftung Volkswagenwerk für finanzielle Unterstützung.     

Spezielle organische Mikrotechnik: Eine neue Temperaturmessung bei der Vakuumdestillation im Kugelrohr

Zusammenfassung Es wird eine Apparatur beschrieben, die zur Temperaturmessung bei der Destillation kleiner Substanzmengen im Kugelrohr dient. Das Prinzip hierbei ist die Messung der Thermospannung eines Platin-Konstantan-Elements, das mittels einer Doppelkapillare mit Schliff und Gummiverbindung in das Destillierrohr eingeführt wird. Durch den seitlichen Ansatz wird die Verbindung mit der Vakuumpumpe hergestellt und durch Verwendung von verschieden langen Schliffhülsen kann jede Kugelrohrgröße, der Substanzmenge angepaßt, angewendet werden. Als Galvanometer ist jedes Mikrovoltmeter verwendbar, das der Temperaturdifferenz 3,38 MV je 100° noch genügt, also noch Hundertstel Millivolt schätzen läßt. Als Beziehungstemperatur wird die mit einem Thermometer gemessene Temperatur der kalten Lötstelle in einer Thermosfalsche gewählt. Wie die angeführten Beispiele zeigen, eignet sich der Apparat besonders zur Messung von Siedepunkten geringer Ölmengen im Vakuum und zur Fraktionierung von Gemischen, deren Komponenten nahe beisammenliegende Siedepunkte haben.

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Résumé (W) L'auteur décrit un appareil de mesure de la température pour la distillation de petites quantités de substance dans un tube à boules. En principe, on mesure la tension d'un thermo-élément platine-constantan qui est introduit dans le tube à distillation par un double capillaire; celui-ci est fixé à la fois par un rôdage et par un caoutchouc. On établit la liaison avec une pompe à vide par une ouverture latérale; en utilisant des douilles rôdées de différentes longueurs, on peut adapter des tubes à boules de grosseurs variant suivant la quantité de substance dont on dispose. On peut employer n'importe quel microvoltmètre comme galvanomètre à condition qu'il donne une différence de 3,38 MV pour chaque 100° de température ce qui permet d'estimer encore un centième de millivolt. Comme étalon de température, on mesure avec un thermomètre la température de la soudure froide plongeant dans un thermos. Comme les exemples l'indiquent, l'appareil se prête particulièrement bien à la mesure du point d'ébullition de petites quantités d'huiles dans le vide et au fractionnement de' mélanges dont les composants possèdent des points d'ébullition très voisins.

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Mit 4 Abbildungen.     

Schnellbestimmung von Hexachlorcyklohexan neben DDT mit Hilfe der Mikrobrechungsindexbestimmung nach Kofler

Zusammenfassung Eine Bestimmung von HCH und DDT aus Pulvergemischen und Streupudern wird beschrieben. Die beiden Insektizide werden über einer Säule, die mit Aluminiumoxyd neutral beschickt ist, mit Äther oder n-Hexan eluiert und das Eluat im Vakuum vorsichtig getrocknet. Aus der Schmelze des Rückstandes wird mit Hilfe der Glaspulvermethode die prozentuelle Zusammensetzung an Hand von Eichkurven ermittelt.

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Summary A method is described for determining HCH and DDT obtained from mixed powders and dusting powders. The two insecticides are passed through a column packed with neutral aluminium oxide, and then eluted with ether or n-hexane, and the eluate then carefully dried in vacuo. The percentage composition is found by means of standard curves when the glass powder method is applied to the melt of the residue.

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Résumé On décrit un dosade de HCH et de DDT sur le mélange des poudres et sur des poudres d'épandage. On réalise l'élution des deux insecticides avec l'éther ou le n-hexane, sur une colonne remplie d'oxyde d'aluminium neutre et l'on sèche avec prudence l'éluat dans le vide. On obtient la composition en pour-cent sur la partie fondue du résidu, au moyen de la méthode à la poudre de verre et en se servant de courbes d'étalonnage.

     

Nachweis von Zinn in Mineralien,Legierungen sowie in mit Zinnsalzen beschwerter Seide

Zusammenfassung Die Überführung von Zinn in benzollösliches Zinn(IV)jodid und die daran angeschlossene Fluoreszenzreaktion von Zinn(IV)hydroxyd und Morin gestatten den schnellen und eindeutigen Nachweis von Zinn in Minerahen, Legierungen und Seide.Die Durchführung des Nachweises in der Arbeitsweise der Tüpfelanalyse wird beschrieben.

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Summary The conversion of tin into the benzene soluble tin(IV)iodide and the subsequent fluorescence reaction of tin(IV)hydroxyde with morin permit the rapid and reliable detection of tin in minerals, alloys and silk.The procedure of the test in spot technique is described.

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Résumé La transformation de l'étain en iodure d'étain-IV soluble dans le benzène et la réaction de fluorescence que l'on peut en dériver entre l'hydroxyde d'étain-IV et le morin, permettent la recherche rapide et spécifique de l'étain dans les minéraux, les alliages et la soie. On décrit l'introduction de la recherche dans le mode opératoire de l'analyse à la touche.

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Herrn Univ.-Prof. Dr.Adolf Franke zum 80. Geburtstag gewidmet!

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Wit danken an dieser Stelle dem Conselho Nacional de Pesquisas für die Unterstfitzung bei Durehfiihrung dieser Untersuchungen.