The electronic structures of aminopyridines and their mono- and di-protonated cations

Using a semi-empirical ASMO SCF method for valence electron systems previously proposed by the present authors, the electronic structures of aminopyridines and their mono- and di-protonated cations are calculated. It is explained that the mono-protonation occurs on the ring nitrogen atoms and the di-protonation takes place on the nitrogen atoms both in the ring and the amino group. The electron migration to the added protons are calculated to be about 0.7 e for all the cations treated. The calculated results for n – ^* and – ^* singlet transitions of aminopyridines and their protonated cations show fairly good agreement with the experimental results. The electronic structures of pyridone imines, the tautomeric isomers of aminopyridines, are also briefly discussed.

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Zusammenfassung Mittels eines semiempirischen ASMO SCF-Verfahrens wird die Elektronenstruktur von Aminopyridinen und ihrer mono- und diprotonierten Kationen berechnet. Die erste Protonierung findet am N-Atom im Ring und die zweite an der Aminogruppe statt. Für die Elektronenverschiebung zu den angelagerten Protonen ergibt sich in allen Fällen etwa 0,7 e. Die berechneten n - ^*- und - ^*- Singulettübergänge zeigen befriedigende Übereinstimmung mit dem Experiment. Schließlich wird noch die Elektronenstruktur von Pyridoniminen diskutiert.

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Résumé Calcul des structures électroniques des aminopyridines et de leurs cations mono- et di-protonés, en utilisant une méthode semi-empirique ASMO SCF pour les électrons de valence proposée précédemment par les auteurs. On explique la mono-protonation sur les atomes d'azote du cycle et la di-protonation sur les atomes d'azote du cycle et du groupe aminé. Le transfert d'électron sur les protons supplémentaires est de l'ordre de 0,7 e pour tous les cations étudiés. Les résultats calculés pour les transitions singulets n ^* et ^* des aminopyridines et de leurs cations sont en bon accord avec l'expérience. Les structures électroniques des pyridone imines, tautomères des aminopyridines, sont brièvement discutées.

     

Perturbation theory for excited states of molecules. I

The problem of perturbations of excited states is discussed and three methods are developed. The first of these uses a zero order wave-function made up of a linear sum of singly excited SCF configurations, whereas the second uses just one of these configurations. The third method is restricted to small -systems, the zero order wave-function being a linear sum of all possible determinants formed from the basis set used. The perturbations considered here are one-electron operators. Example calculations are performed on the butadiene molecule within the context of the -electron approximation.

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Zusammenfassung Für das Problem einer Störung von Einelektronen-Operatoren für angeregte Zustände werden drei Verfahren vorgeschlagen: Erstens die Verwendung einer Zustandsfunktion nullter Ordnung, die eine Linearkombination einfach angeregter SCF-Konfigurationen ist, zweitens die entsprechende Verwendung nur einer ausgewählten Konfiguration. Drittens läßt sich, wenn auch nur bei kleinen -Elektronensystemen, als nullte Näherung eine Linearkombination von allen möglichen angeregten Konfigurationen verwenden. Als Beispiel wird das -Elektronensystem des Butadiens gewählt.

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Résumé Discussion du problème de perturbation pour les états excités et développement de trois méthodes. La première utilise une fonction d'ordre zéro combinaison linéaire de configurations SCF monoexcitées, alors que la seconde utilise seulement une de ces configurations. La troisième méthode est restreinte à de petits systèmes , la fonction d'onde d'ordre zéro étant une combinaison linéaire de tous les déterminants construits dans la base utilisée. Les perturbations envisagées ici sont constituées par des opérateurs monoélectroniques. La molécule de butadiène sert d'exemple dans le cadre de l'approximation à électrons .

     

Configuration mixing involving σ and π orbitals

The effect (on the energy of the different states) of including doubly excited configurations in a - plus -configuration interaction treatment, is studied within the CNDO/2 framework. For moderately large molecules the problem of the choice of the type ( or ) of configurations taken into account is examined. When possible, comparison is made with similar non empirical calculations.

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Zusammenfassung Im Rahmen der CNDO/2 Methode wird der Einfluß (auf die Energien verschiedener Zustände) des Einschlusses doppelt angeregter Konfigurationen in einer - und -Konfigurationswechsel-wirkungs-Behandlung studiert. Für nicht allzu große Moleküle wird das Problem der Wahl der Art ( oder ) der berücksichtigten Konfigurationen untersucht. Soweit möglich, werden die Resultate mit denen ähnlicher nichtempirischer Rechnungen verglichen.

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Résumé L'effet (sur l'énergie des différents états) de l'introduction de configurations diexcitées dans une interaction de configuration plus , est étudié dans le cadre de la méthode CNDO/2. Pour des molécules de taille moyenne le problème du choix du type ou des configurations est examiné. Les résultats obtenus sont comparés aux calculs non-empirique similaires disponibles.

     

Electronic spectrum and π-electron delocalization of imidazole

The electronic spectra of imidazole chains involving one, two, and three molecules have been calculated within the framework of the semiempirical SCF LCAO MO CI method. The first - ^* singlet transition is in very good agreement with that known from experiment. The results indicate the possibility of existence of band structure, giving a bandwidth of the order of 0.6 eV. There is, however, no correlation between electrical parameters and the spectral data as could be expected from the Evans and Gergely model of delocalization of -electrons across the hydrogen bonds. Such a delocalization produces only a small extra effect on the system compared with the isolated molecule.

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Zusammenfassung Die Elektronenspektren von Imidazolketten aus ein, zwei und drei Molekülen sind im Rahmen der semiempirischen SCF LCAO MO CI-Methode berechnet worden. Der erste ^* Singulettübergang stimmt sehr gut mit dem Experiment überein. Es wird auf die Möglichkeit einer Bandstruktur mit einer Breite von 0,6 eV geschlossen. Allerdings besteht keine Korrelation zwischen elektrischen Parametern und Spektraldaten, wie es das Delokalisationsmodell für -Elektronen von Evans und Gergely erwarten läßt. Solch eine Delokalisation über Wasserstoffbrücken hinweg zeigt lediglich kleine Rückwirkungen auf das System mit dem isolierten Molekül.

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Résumé Calcul du spectre électronique de chaînes comportant une, deux et trois molécules d'imidazole, dans le cadre de la méthode SCF LCAO MO CI. La première transition singulet ^* est en très bon accord avec celle observée. Les résultats indiquent qu'une structure de bande, de largeur 0,6 eV environ, est possible. Il n'y a cependant aucune corrélation entre les paramètres électriques et les données spectrales comme on aurait pu en attendre du modèle d'électrons délocalisés à travers les liaisons hydrogène dû à Evans et Gergely. Une telle délocalisation n'introduit qu'une faible perturbation dans le système par rapport à la molécule isolée.

     

Influence de la liaison hydrogène intramoléculaire sur les bandes π → π * de certaines molécules organiques. Théorie électronique

Résumé Une théorie électronique est proposée pour expliquer l'influence de la liaison hydrogène intra-moléculaire sur les transitions ^* des molécules organiques. La liaison hydrogène est décrite comme une liaison partiellement covalente. Les molécules sont étudiées à l'aide de la méthode semi-empirique de Pariser-Parr-Pople. L'accord entre les déplacements observés et calculés est, dans l'ensemble, satisfaisant. Les perturbations introduites par la liaison hydrogène dans les spectres ^* proviennent essentiellement du transfert d'électrons entre le groupe accepteur de proton et le groupe donneur de proton. Dans les molécules étudiées les perturbations sont de type inductif.

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The manifestations of intramolecular hydrogen bonding in ^* electronic transitions of organic molecules are explained by an electronic theory. The hydrogen bond is supposed to be partly covalent. Pariser-Parr-Pople semi empirical scheme is used. The agreement between observed and calculated shifts is satisfactory. Hydrogen bonding induces spectral shifts due essentially to electron transfer from proton acceptor to proton donor. Perturbations are of inductive type in the molecules under study.

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Zusammenfassung Es wird eine Elektronentheorie vorgeschlagen, um den Einfluß der intramolekularen Wasserstoffbindung auf ^*-Übergänge organischer Moleküle im Rahmen der PPP-Methode zu erklären. Die Wasserstoffbindung wird als partiell kovalente Bindung beschrieben. Die Übereinstimmung der experimentellen und theoretischen Ergebnisse bezüglich der Verschiebung ist zufriedenstellend. Die Störungen, die sich durch die Wasserstoffbindung in den gp ^*-Spektren ergeben, rühren von gs-Übergängen von Proton-Akzeptoren zu Proton-Donatoren her. Störungen in den betrachteten Molekülen sind von induktivem Typus.

     

On certain charge distribution anomalies in conjugated heteroatomic molecules

It is shown by examination of the diagonal elements of the Hartree-Fock matrix in the Pople-Pariser-Parr electron method that there exists a simple justification of the auxiliary electronegativity parameters sometimes used in Hückel approximation calculations.

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Zusammenfassung Die Untersuchung der Diagonalelemente der HF-Matrix der PPP-Methode liefert eine Rechtfertigung für die Anwendung des induktiven Heteroatomparameters in der Hückel-Methode für den Fall, daß das Heteroatom 2-Elektronen beisteuert.

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Résumé L'examen des éléments diagonaux de la matrice de Hartree-Fock dans la méthode Pople-Pariser-Parr montre qu'il existe une justification simple des paramètres d'électronégativité auxiliaries utilisés parfois dans la méthode de Hückel.

     

Charge influence in semi-empirical calculations of heteroatomic ionic and neutral molecules

Iterative extended Hükel calculations for all valence electrons and iterative PPP calculations in the variable electronegativity formalism for -electrons were performed on benzene, pyridine, fluorobenzene, and the pyrylium ion. The charge distributions for all compounds were found more uniform and plausible with the iteration procedures than without. Polarization effects from the-electrons were found to be of importance for the -electrons. The lone-pair picture of the highest occupied MO in pyridine is preserved in the iterative extended Hückel method, and two lone-pairs were obtained on the fluorine atom of fluorobenzene. The results indicate that this atom is not hybridized.

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Zusammenfassung Benzol, Pyridin, Fluorbenzol und Pyriliumion wurden mit einer iterativen EH-Methode und einer iterativen PPP-VE-Methode berechnet. Es zeigte sich, daß Ladungsverteilungen bei Benutzung des Iterationsverfahrens besser beschrieben werden. Polarisationseffekte der-Elektronen auf die -Elektronen stellen sich als wichtig heraus. Auch in der IEH-Methode bleibt das oberste besetzte MO des Pyridins ein einsames Elektronenpaar. Am Fluoratom im Fluorbenzol werden zwei einsame-Elektronenpaare erhalten. Die Resultate führen zu der Annahme, daß dieses Atom nicht hybridisiert ist.

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Resumé Des calculs par les méthodes itératives de Hückel étendu pour tous les électrons de valence et de PPP avec électronégativité variable pour les électrons ont été effectués pour le benzène, la pyridine, le fluorobenzène et l'ion pyrylium. Les distributions de charge pour tons ces composés sont plus uniformes et plus plausibles avec les procédés itératis que sans. Les électrons ont un effet de polarisation important sur les électrons . La plus haute orbitale occupée dans la pyridine reste identifiable comme la paire libre dans la méthode de Hückel étendue, et l'on obtient deux paires libres sur l'atome de fluor du fluorobenzène. Cet atome n'est pas hybride.

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Sponsored in part by King Gustaf VI Adolfs 70-Years Fund for Swedish Culture, Knut and Alice Wallenberg's Foundation, and in part by the Swedish National Research Council.     

Semi-empirical calculation of the energy of formation of hydrocarbons and radicals

A method of calculating the energy of formation of hydrocarbons and radicals having at the same time, single, double and triple bonds, conjugated or not, is developed. The -bond energy and the -bond energy are considered independently. The -bond energy is represented by a sum of terms, each of which is associated with a bond of the molecule. The -bond energy is calculated by an extension of the Pariser, Parr and Pople method. The agreement with experimental results is satisfactory.

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Zusammenfassung Es wird eine Methode entwickelt, für konjugierte und nicht konjugierte Kohlenwasserstoffe und Radikale mit einfachen, Doppel- und Dreifachbindungen die Bildungsenergie zu berechnen. Die Anteile der - und -Elektronen an der Bildungsenergie werden getrennt berechnet. Die Bindungsenergie der -Elektronen wird durch eine Summe von jeweils mit einer Molekülbindung verknüpften Termen dargestellt, die der -Elektronen mit einer erweiterten PPP-Theorie. Die Rechenergebnisse stimmen mit den Experimenten gut überein.

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Résumé Nous proposons une méthode de calcul de l'énergie d'atomisation ou de formation d'hydrocarbures et de radicaux pouvant contenir à la fois des liaisons simples, doubles et triples, conjuguées ou non. Nous calculons séparément la contribution des électrons et des électrons à l'énergie de liaison. L'énergie de liaison est représentée par une somme de termes dont chacun est associé à une liaison de la molécule. L'énergie de liaison est calculée à l'aide d'une extension de la méthode de Pariser, Parr et Pople. Les résultats du calcul sont en accord satisfaisant avec les données expérimentales.

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Chargé de Recherches du Fonds National Belge de la Recherche Scientifique.     

π-electron approximation in pyridine and related compounds

A semi-empirical LCAO calculation including a- and -electrons has been performed for pyridine and related heterocyclics. The diagonal matrix elements of Hamiltonian are evaluated from atomic spectroscopic data through the use of a formula derived from the SCF equations. The non-diagonal matrix elements are estimated through the Wolfsberg-Helmholz formula. All overlap integrals have been included. The results disagree with what one can expect from a-electron treatment, mainly with respect to population analysis, but they seem strongly supported by the conclusions of ab initio calculations for other compounds and the trend of dipole moment in the sequence pyridine, quinoline, acridine.

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Resume Für Pyridin und verwandte Heterozyklen wurde eine LCAO-Rechnung mit und-Elektronen durchgeführt. Die Diagonalelemente des Hamiltonoperators wurden mittels atomspektroskopischer Daten berechnet unter Benutzung einer aus SCF Rechnungen abgeleiteten Formel, die Nicht-Diagonalelemente mit der Wolfsberg-Helmholz-Formel. Alle Überlappungsintegrale wurden berücksichtigt. Die Ergebnisse stimmen mit solchen aus-Elektronen-Behandlungen nicht überein (besonders die Dichteverteilung), scheinen aber stark durch ab initio-Rechnungen für andere Verbindungen und das Verhalten des Dipolmoments in der Folge Pyridin, Chinolin, Acridin gestützt zu werden.

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Zusammenfassung L'ensemble des systèmes électroniques et de la pyridine et de ses homoogues supérieurs a été étudiée par une méthode LCAO semi-empirique. Les élements de matrice diagonaux de l'hamiltonien sont évalués à partir de données de spectroscopie atomique, en faisant appel à une formule dérivée des équations du champ self-consistant. Les éléments de matrice non diagonaux sont calculés par la formule de Wolfsberg-Helmholz. Toutes les intégrales de recouvrement ont été introduites. Surtout en ce qui concerne l'analyse de population, les résultats sont en désaccord avec ce que l'on peut attendre d'un calcul limité au système d'électrons; par ailleurs, ils paraissent confirmés par les conclusions de calculs ab initio relatifs à d'autres composés et par l'évolution du moment dipolaire dans la série pyridine, quinoléine, acridine.

     

Some effects of protonation on the electronic structure of pyridine and cytosine

The effects of protonation on the charge distributions of pyridine and cytosine are investigated with the help of the Iterative Extended Hückel technique. The polarization of the -electrons is then included explicitly in a Pariser-Parr-Pople computation of the - ^* transition energies of the pyridinium and cytosinium ions.

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Zusammenfassung Mit Hilfe der IEH-Methode wird die Auswirkung der Protonierung auf die Ladungsverteilung bei Pyridin und Cytosin untersucht. Die Polarisierung der -Elektronen wird dann in eine PPP-Rechnung der - ^*-übergangsenergie beim Pyridinium- und Cytosiniumion übernommen.

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Résumé On étudie, à l'aide de la méthode de Hückel étendue iterative, les effets de la protonation sur la répartition des électrons dans les molécules de pyridine et de cytosine. On introduit ensuite explicitement la polarisation des électrons dans le calcul des énergies de transition - ^* des ions pyridinium et cytosinium par la méthode de Pariser, Parr et Pople.

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This work was supported by grant n GM-12229 of the U.S. Public Health Service (National Institute of General Medical Sciences).     

Sigma-polarization in 5-membered heterocyclic ring systems

Extended Hückel calculations on the 5-membered heterocyclic molecules furan, pyrrole, imidazole, pyrazole, 1,2,3-triazole, and the four possible oxadiazoles suggest a significant polarization of the -framework. This -polarization appears to follow simple electronegativity considerations. The calculated -polarizations are independent of, and may be opposed to, the corresponding -polarizations. For furan and pyrrole the above results reproduce the different direction of the experimental dipole moments of these two molecules. A good correlation is observed between the total (+) calculated electron densities and the experimental proton and carbon-13 chemical shifts in all of the systems studied.

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Zusammenfassung Rechnungen mit der erweiterten Hückel-Methode über die Fünferheterozyklen Furan, Pyrrol, Imidazol, Pyrazol, 1,2,3-Triazol und die vier möglichen Oxadiazole lassen eine beträchtliche Polarisation des -Gerüsts vermuten. Die -Polarisation scheint einfachen Elektronegativitätsbetrachtungen zu folgen. Die -Polarisation ist unabhängig von der entsprechenden -Polarisation und kann entgegengesetzt gerichtet sein. Für Furan und Pyrrol reproduzieren die oben genannten Ergebnisse die verschiedenen Richtungen der experimentellen Dipolmomente beider Moleküle. Eine gute Korrelation wird zwischen der gesamten ( +)-Elektronendichte und der experimentellen chemischen Verschiebung für Protonen und C¹³ in allen Systemen beobachtet.

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Résumé Des calculs par la méthode de Hückel étendue portant sur les molécules à cycle pentagonaux: furane, pyrrole, imidazole, 1,2,3 triazole et les quatre oxadiazoles, suggèrent l'existence d'une polarisation significative du squelette . Cette polarisation apparaît en accord avec de simples considérations d'électronégativité. Les polarisations calculées sont indépendantes des polarisations correspondantes et peuvent leur être contraires. Pour le furane et le pyrrole les résultats ci-dessus reproduisent les directions différentes des moments dipolaires expérie mentaux des deux molécules. On observe une bonne corrélation entre les densités totales (+) calculées et les déplacements chimiques expérimentaux du proton et du carbone 13 dans tous les systèmes étudiés.

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This work was supported by a grant from the University of Puerto Rico. It was presented at the Fourth Caribbean Chemical Symposium, January 3–7, 1967, Kingston, Jamaica.The Puerto Rico Nuclear Center is operated by the University of Puerto Rico through a contract with the U. S. Atomic Energy Commission.     

Sur les rôles respectifs des électrons σ et π dans les propriétés des dérivés halogénés des molécules conjuguées. Application à l'étude de l'uracile et du fluorouracile

Résumé Une étude des importances relatives des déplacements d'électrons et dans les hydrocarbures conjugués halogénés est faite par plusieurs procédés de calcul dont les valeurs sont comparées. Les contributions et aux valeurs des moments dipolaires de 21 molécules ont été calculées.L'effet de la substitution d'un fluor sur la molécule d'uracile est considéré en détail avec une étude particulière des propriétés acides dont les déplacements d'électrons ne peuvent à eux seuls rendre compte.

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The relative importance of - and -electron displacements is studied in halogen-substituted conjugated molecules by different methods. The dipole moments of 21 molecules are calculated.The effect of substituting a fluorine atom on the uracil molecule is considered in details with particular emphasis on the acidic properties which cannot be interpreted by -displacements alone.

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Zusammenfassung Die wechselseitige Bedeutung von - und -Elektronenverschiebungen wird an halogensubstituierten, konjugierten Kohlenwasserstoffen mit verschiedenen Methoden studiert. Die Beiträge der - und -Elektronen zum Dipolmoment werden für 21 Moleküle berechnet.Der Effekt der Fluorsubstitution am Uracil wird besonders eingehend betrachtet im Hinblick auf die Azidität, die nicht durch -Elektronenverschiebung allein erklärt werden kann.

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Ce travail a bénéficié de la subvention no. CR-66-236 de l'Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale.     

Calculation of electronic spectra of aza-benzenes and aza-naphthalenes by a simplified version of the Pariser- Parr-Pople method

The simplified version given by Heilbronner and others of the P-treatment was used to calculate transition energies and intensities of the — * bands in the electronic spectra of 31 azines (aza-benzenes and aza-naphthalenes). A comparison with experimental data results in a better agreement than for the complete treatment.

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Zusammenfassung Nach dem von Heilbronner u. Mitarb. angegebenen vereinfachten P-Verfahre n berechneten wir Übergangsenergien und -intensitäten der — *-Elektronenbanden von 31 Azinen (Aza-Benzole und Aza-Naphthaline). Die Übereinstimmung mit dem Experiment ist besser als beim vollständigen Verfahren.

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Résumé Nous utilisons la version simplifiée de la méthode P, d'après Heilbronner et al., pour le calcul des énergies et intensités des transitions électroniques — * de 31 azines (aza-benzènes et aza-naphthalènes). L'accord avec l'expérience y est mieux que pour la méthode complète.

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Work supported by the Italian C.N. R.     

The electronic structure of tetra-azapentalene

The ultraviolet absorption spectra in various solvents and a study of the electronic structure of 1, 3a, 4, 6a-tetra-azapentalene are reported. The ASMO-SCF-CI method in the Pariser-Parr-Pople approximation has been used with different alternatives for evaluating the _pq and the (A: pp) integrals. Only two out of the six different set of calculations have given an acceptable prediction of the first * transition; moreover the introduction of penetration integrals is found necessary for a correct prediction of the sequence of the N-N bond lengths based on the sequence of the bond orders.

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Zesummenfassung Die UV-Absorptionsspektren von 1, 3a, 4, 6a-Tetraazapentalen in verschiedenen Lösungsmitteln werden angegeben. Die Elektronenstruktur dieser Verbindung wurde mittels SCF-CI-Rechnungen mit den Näherungen von Pariser-Parr-Pople and verschiedenen Sätzen von _pq und (A: pp)-Integralen ermittelt, wobei zwei der sechs Sätze einen annehmbaren -*-Über-gang liefern. Sollen sich die Werte der N-N-Bindungsordnungen in Übereinstimmung mit denentsprechenden Bindungslängen ergeben, so können die Durchdringungsintegrale nicht vernachlässigt werden.

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Resume Les spectres d'absorption ultraviolet dans des differents solvents et un étude sur la structure électronique du 1, 3a, 4, 6a-tetra-azapentalene sont exposés. La méthode ASMO-SCF-CI dans l'approximation de Pariser-Parr-Pople, a été employée avec plusieures alternatives pour 1e calcul des intégrales _pq et (A: pp). Entre les six differents calculs accomplis, deux seulement ont donné une prédiction acceptable pour la prémière transition* On a trouvé que pour une correcte prédiction de la séquence des longueures N-N sur la base des indices de liaison il faut introduir dans les calculs les integrales de pénetration.

     

S.C.F.M.O. study of Hafner's hydrocarbons

SCF MO calculations have been made for Hafner's hydrocarbons using neglect of differential overlap after the manner ofPople andPariser andParr. ^* transitions have been calculated by a limited configuration interaction method. The results show that agreement between predicted spectra and observed spectra is quite good for the heptalene derivative and reasonably good for the pentalene derivative. It is suggested that both molecules are aromatic in contradiction to predictions by Craig's rule.

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Zusammenfassung SCF MO-Rechnungen mit zero differential overlap nach der Methode vonPople, Pariser undParr wurden fürHafner's Kohlenwasserstoff angestellt. Mittels begrenzter Konfigurationswechselwirkung (wurden)die ^*-Übergänge berechnet, wobei die Ergebnisse im Fall des Heptalen-Derivates verhältnismäßig gut, in dem des Pentalen-Derivates jedoch nur ungefähr mit dem Experiment übereinstimmen. Darüber hinaus sprechen die Resultate im Gegensatz zur Craig'schen Regel dafür, daß beide Moleküle aromatischen Charakter haben.

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Résumé Nous avons effectué des calculs SCF MO pour les hydrocarbures deHafner, en négligeant le recouvrement différentiel d'aprèsPople etPariser etParr. Quelques transitions ^* ont été calculées par interaction de configurations limitée. L'accord avec l'expérience est assez bon pour le dérivé de l'heptalène, et raisonable pour le dérivé du pentalène. Les deux molécules semblent être aromatiques, contrairement à la règle de Craig.

     

An application of RPA theory to conjugated systems in the excited states

RPA theory has been applied to the calculations of the electronic spectra of some conjugated systems, considering only -electrons explicitly. Electron repulsion integrals have been calculated using Slater AO's with appropriate orbital exponents. The present calculation shows that the correlation effect between -electrons is rather small for the lowest — ^* transitions. Good results have been obtained, when we calculate the electron repulsion integrals using orbital exponents evaluated by Slater rule. Effective electron interaction in the excited states has been discussed, using the calculated results. The calculated oscillator strengths were considerably improved by RPA,

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Zusammenfassung Die RPA wurde auf die Berechnung der UV-Spektren des -Elektronensystems konjugierter Moleküle angewendet, wobei die Coulombintegrale für Slaterorbitate mit Exponenten gemäß der Slaterregeln ermittelt wurden. Es zeigt sich, daß die Korrelationseffekte für die tieferen Übergänge ziemlich gering sind und daß sich insbesondere die Oszillatorenstärken sehr gut ergeben. Schließlich wurden eine effektive Elektronenwechselwirkung in angeregten Zuständen diskutiert.

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Résumé La théorie RPA fondée sur l'équation du mouvement a été appliquée à des calculs de la structure électronique et des spectres de systèmes conjugués en ne considérant explicitement que les électrons . Les intégrales de répulsion électronique ont été calculées en utilisant des OA de Slater avec des exposants orbitaux appropriés. Nos calculs montrent que les effets de corrélation entre électrons sont plutôt faibles pour les plus basses transitions — ^*. De bons résultats ont été obtenus en calculant les intégrales de répulsion électronique en utilisant les exposants orbitaux évalués par la règle de Slater. L'interaction électronique effective dans les états excités est discutée sur la base des résultats obtenus.

     

The electronic structure and spectrum of tropone

The electronic structure and spectrum of tropone were studied by paying special attention to an assignment of the 300 m band. The band was shown to have a single ^* character overlapped by an n ^* transition from the following experimental and theoretical studies: (i) From the comparison of the observed transition energies and intensities with theoretical values obtained by the Pariser-Parr-Pople calculation in which the values of W _X ^2p (valence state ionization potential of the oxygen atom) and k (bond alternation parameter) taken as guiding parameters were changed widely and their adequateness was carefully examined, (ii) From the correlation among the electronic absorption spectra of tropone, troponeimine, and heptafulvene. (iii) From the finding that the 300 m band increases its intensity with the increasing polarity of the solvent. (iv) From the position and intensity of a band newly observed in the vacuum ultraviolet region.

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Zusammenfassung An Tropon wurden Elektronenstruktur und Spektrum untersucht, speziell die 300 m-Bande. Diese entsteht aus einem einzigen - ^*-Übergang, überlagert von einer schwachen n-^*-Bande, und nicht aus 2 - ^*-Banden. Als Stütze dienen: 1. eine PPP-Rechnung, bei der das Valenzzustandsionisationspotential von Sauerstoff und der Bindungsalternierungsparameter sorgfältig variiert wurden, 2. die Korrelation der Spektren von Tropon, Troponimin und Heptafulven, 3. der Lösungsmitteleinfluß auf die Bande, 4. eine neuaufgefundene UV-Bande.

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Résumé La structure électronique et le spectre de la tropolone ont été étudiés en accordant une attention particulière à l'identification de la bande à 300 m. Cette bande a été caractérisée comme résultant d'une transition ^* recouverte par une transition n ^*, à l'aide des arguments théoriques et expérimentaux suivants: 1. à partir de la comparaison des énergies et des intensités de transition observées, avec les valeurs théoriques obtenues par un calcul Pariser-Parr-Pople où les valeurs de W _X ^2p (potentiel d'ionisation de l'état de valence de l'atome d'oxygène) et de k (paramètre d'alternance des liaisons), considérés comme paramètres régulateurs, ont été largement variées et soigneusement analysées. 2. à partir de la corrélation entre les spectres d'absorption électronique de la tropolone, de la tropolonéimine et de l'heptafulène. 3. à partir du fait que la bande à 300 m voit son intensité croitre avec la polarité du solvent. 4. à partir de la position et de l'intensité d'une bande nouvelle observée dans la région de l'ultra-violet lointain.

     

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.

     

The electronic absorption spectra and the electronic structures of cytosine,isocytosine, and their anions and cations

The electronic absorption spectra of cytosine and isocytosine have been measured in several solvents at room temperature, and the temperature and pH dependencies of the electronic absorption spectra in aqueous solution have also been examined, special attention being paid to the existence of tautomeric forms. Consequently, it is concluded that cytosine in aqueous solution takes 2-keto-6-amino (3H) form (I) at room temperature, but with rising temperature 2-keto-6-imino form (III) coexists with form I, the latter being determined to be more stable by 5.5 kcal/mole than the former, and that cytosine takes form I and form III in trimethyl phosphate and in acetonitrile, respectively. The change in stability of the tautomeric forms by different solvents has been discussed with regard to their calculated dipole moments due to-electrons and the polarity of the solvents.The-electron structures of several tautomeric forms of cytosine (5 tautomeric forms) and isocytosine (3 tautomeric forms) and of their ions have been calculated by combining the configuration interaction with the Pariser-Parr-Pople SCF MO method. The transition energies, oscillator strengths,-electron densities,-bond orders and dipole moments have been evaluated. Concerning the transition energy and oscillator strength, the comparison has been made between the theoretical and observed values, showing that the agreement between them is improved in the present calculation compared with previous calculations.

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Zusammenfassung Die Elektronen-Absorptionsspektren von Cytosin und Isocytosin wurden in verschiedenen Lösungsmitteln bei Raumtemperatur gemessen; in wäßriger Lösung wurden auch Temperatur und pH-Abhängigkeiten untersucht, wobei besonders auf die Existenz von Tautomeren geachtet wurde. Es ergab sich, daß Cytosin in wäßriger Lösung bei gewöhnlicher Temperatur in der 2-Keto-6-amino-Form vorliegt, aber bei steigender Temperatur daneben auch die 2-Keto-6-imino auftritt. Letztere dürfte etwa 5,5 Kcal/Mol stabiler sein. Cytosin in Trimethylphosphat und Acetonitril liegt in Form I bzw. Form II vor. Die unterschiedlichen Stabilitäten in verschiedenen Lösungsmitteln wurden in Hinblick auf die berechneten Dipolmomente, die vom-Elektronensystem und der Polarität des Lösungsmittels herrühren, diskutiert.Die-Elektronenstrukturen von fünf tautomeren Formen von Cytosin und von Isocytosin (drei tautomere Formen) sowie von deren Ionen wurden mittels einer Kombination von Konfigurationswechselwirkung und PPP-SCF-MO-Verfahren berechnet. Übergangsenergien, Oszillatorenstärken,-Elektronendichten und Bindungsordnungen sowie Dipolmomente wurden berechnet, wobei sich bei den beiden ersten Größen Verbesserungen gegenüber früheren Rechnungen ergaben.

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Résumé Les spectres d'absorption électronique de la cytosine et de l'isocytosine ont été obtenus à température ambiante dans différents solvants; en milieu aqueux la dépendance de la température et du pH a été étudiée, permettant des conclusions sur les problèmes de tautomérie. Il apparaît qu'en milieu aqueux, à température ordinaire, la cytosine se trouve sous la forme 2-céto, 6-amino, mais qu'à température plus élevée elle se trouve aussi sous la forme 2-céto,6-imino. Cette dernière est plus stable d'environ 5,5 Kcal/Mol. Un équilibre analogue se produit dans le triméthylphosphate et l'acétonitrile. Les différentes stabilités dans les différents solvants sont discutées en fonction des moments dipolaires calculés, qui proviennent du système d'électrons et de la polarité du milieu.La structure électronique de cinq formes tautomères de la cytosine et de trois formes tautomères de l'isocytosine ainsi que des ions correspondants a été calculée par une méthode S.C.F. M.O. P.P.P. avec I.C. Les énergies de transition, les forces d'oscillateur, les charges et les indices de liaison des électrons sont calculés, avec de meilleurs résultats que ceux obtenus précédemment pour les deux premières grandeurs.

     

Electronic transitions in mono-olefinic hydrocarbons

Mulliken-Wolfsberg-Helmholz calculations have been performed on ethylene and methyl-substituted ethylenes. The Mulliken assignment (i.e., that the transition between 5–7 eV isR(3s)N in nature) is validated. Spin-orbit coupling calculations indicate that the weakest olefin band at 2700 Å is too intense to be triplet singlet, as is usually assumed. However, behaviour of a predicted low-energyR ^*(3s, 2s)N transition agrees well with the characteristics of these weak bands in the absorption spectra of liquid olefins. That these trends are believable is supported by the accuracy with which the computations predict the experimental changes of ionization potential andVN transition energy caused by increased methylation. In particular, it is predicted that the excitation energy of theVN transition should be strongly dependent on molecular geometry — in agreement with experiment. It is suggested, on the basis of intensity calculations, that theR(3s)N transition gains part of its intensity, at least,via vibronic stealing from theVN transition. Computations on cyclic olefins predict the possibility of several low-lying ^* transitions; the unusual broadening of theVN transition in these molecules may possibly be associated with this complexity. Computations on methylene cycloalkanes and cycloalkylidene-cycloalkanes reveal that-strain can lead to low-lying ^* (valence-shell) transitions. In general, it is found that the 3s atomic orbital can mix appreciably, in both bonding and antibonding combinations, with valence-shell orbitals.

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Zusammenfassung Mulliken-Wolfsberg-Helmholz-Rechnungen werden für Äthylen und eine Reihe methylsubstituierter Äthylene durchgeführt. Die Mullikenzuordnung [d. h. der Übergang zwischen 5 –7 eV entsprichtR(3s)N] wird daraufhin für zutreffend erklärt. Spin-Bahn-Kopplungs-Berechnungen deuten darauf hin, daß das schwächste Olefinband bei 2700 Å zu intensiv ist, um — wie gewöhnlich angenommen —in Triplett-Singulett-Übergang zu sein. Andererseits stimmt das Verhalten eines energetisch tief liegendenR ^*(3s, 2s)N-Übergangs gut mit den Charakteristika dieser schwachen Banden im Absorptionsspektrum der flüssigen Olefine überein. Daß diese Interpretation möglich ist, wird auch durch die Genauigkeit unterstützt, mit der eine Berechnung die experimentell gefundene Änderung von Ionisations- undVN-Übergangsenergie bei zunehmender Methylierung ergibt. Insbesondere wird auch vorhergesagt, daß die Anregungsenergie desVN-Übergangs stark von der molekularen Geometrie abhängt — in Übereinstimmung mit dem Experiment. Es wird deshalb auf Grund einer Intensitätsberechnung vorgeschlagen, daß derR(3s)N-Übergang zumindest einen Teil seiner Intensität durch eine Schwingungs-Anleihe vomVN-Übergang gewinnt. Berechnungen für cyclische Olefine weisen auf verschieden niedrig liegende ^*-Übergänge hin; die ungewöhnliche Verbreitung derVN-Bande bei diesen Molekülen kann möglicherweise damit zusammenhängen. Berechnungen der Methyl-cycloalkane und der Cycloalkylidin-cycloalkane zeigen, daß eine Spannung im-Gerüst zu einem tief liegenden ^*-(Valenz-) Übergang führen kann. Im allgemeinen zeigt sich, daß 3s-Zustände merklich an Valenzzuständen beteiligt sein können, und zwar sowohl bei bindenden als auch bei lockernden Molekülzuständen.

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Résumé Des calculs Mulliken-Wolfsberg-Helmholz ont été effectués sur l'éthylène et sur la série des éthylènes méthyl-substitués. Ces calculs confirment l'assignation de Mulliken: la transition entre 5–7 eV est de natureNR(3s). Des calculs de couplage spin-orbite montrent que la bande oléfinique la plus faible à 2700 Å est trop intense pour être une transition singulet-triplet comme on le suppose généralement. Cependant, le comportement d'une transition théorique de faible énergieNR ^* (3s, 2s) est en accord avec les caractéristiques de ces faibles bandes dans le spectre d'absorption des oléfines liquides. La vraisemblance de ce point de vue est renforcée par la précision avec laquelle les calculs prédisent l'évolution des potentiels d'ionisation, et des énergies des transitionsNV par méthylation croissante. En particulier, il est prévu que l'énergie d'excitationNV dépend fortement de la géométrie moléculaire ce qui est en accord avec l'expérience. On suggère sur la base de calculs d'intensité que la transitionNR (3s) tire une partie de son intensité au moins par transfert vibronique à partir de la transitionNV. Des calculs sur des oléfines cycliques prédisent la possibilité de plusieurs transitions ^* de faible énergie; l'élargissement inhabituel de la transitionN V dans ces molécules pourrait provenir de cette situation. Des calculs sur les méthylène-cycloalkanes et les cycloalkylidène cycloalkanes révèlent la possibilité pour une tension de provoquer l'existence de transitions ^* (couche de valence) de faible énergie. On trouve qu'en général les orbitales atomiques 3s peuvent se mélanger d'une manière appréciable aux orbitales de la couche de valence donnant des combinaisons liantes et antiliantes.

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Supported by The United States Air Force and The United States Atomic Energy Commission-Biology Branchvia Grants to the Louisiana State University.