共轭效应和芳香性本质的争论和它们的历史发展

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

dSH扭曲程序的建立以及在两种基组(NBO, LFMO)下对扭曲分子的能量分解

介绍了d_SH 扭曲法产生的背景, 为d_SH扭曲法研究Mills-Nixon效应提供了一个自动化程序和方法. 通过在程序中引入随机函数模拟并代替了人工调节构型参数的过程, 提高了效率并拓宽了程序的应用范围. 利用此程序算得三元苯并分子C₆B₃H₃ 和C₆O₃的一系列的扭曲结构, 并利用自然键轨道(NBO)和定域片断分子轨道(LFMO)两种基组分别进行了NBO能量分析和Morokuma SCF能量分解, 并以动态的方式分析了扭曲过程中垂直共振能及其各分量的变化趋势, 比较了不同基组和不同分析方法下的扭曲的驱动力和阻力. 由分析知, 由于NBO基组的非绝对定域性和NBO能量分析方法的一次性对角化直接导致NBO基组及其能量分析方法在d_SH扭曲能量分析中的不合理.     

π-σ轨道作用能分解法和限制π轨道作用的几何优化*

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

环戊二烯分子内π电子的离域是失稳定的——分子内π和σ轨 …

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

DFT能量分解和氮苄叉基苯胺分子π电子离域能的研究

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

呋喃和苯多烯醛分子中的共轭效应和共轭基干

呋喃和苯多烯醛系列的CNDO/2和微扰分子轨道法的计算表明, 共轭效应与共轭基干是两个不同的概念, 共轭效应包括了共轭基团之间的作用对分子性能全面的影响, 而共轭基干仅仅反映了共轭基团间的作用对前沿分子轨道的影响。这意味着, 相互之间有共轭作用的基团不一定属于同一个基干, 属于同一个共轭基干的基团之间, 必定有共轭作用。共轭基干更确切的反映了共轭基团间的作用对分子结构的依赖。     

呋喃多烯酸酯类三岔共轭体系的结构和性能之间的定量关系

本论文的目的有四个。其一是证明三岔共轭体系Ⅰ的结构和性能之间的关系遵循同系线性规律。其二要证明在Ⅰ的末端二个分支中,只有一个是端基,而另一个是代基。第三点要证明的是Ⅰ的结构和性能之间的关系可用扩大的同系方程来近似地表示。最后要证明的是,呋喃环的端基当量为2,环中的氧原子几乎没有参与共轭。     

氮桥双共轭分子的构象和分子的内力

同系线性规律定量地证明了,在3-(N-甲基-N-β-萘基氨基)丙烯醛(1)分子中,萘环竞争氮的孤对p电子的能力与丙烯醛(即,甲酰乙烯基)相当;在5-(N-甲基-N-β-萘基氨基)-2,4-戊二烯醛(2)分子中,戊二烯醛(即,甲酰丁二烯基)的竞争力大于萘环,氮主要与戊二烯醛共轭.X射线晶体结构数据表明,在1中,萘环平面与氮架平面之间的两面角τ_1=33.8°;在2中,τ_2=31.4°.按照通常概念,既然在1中,氮与萘环之间的共轭效应比在     

轨道定域化中π轨道的自动识别

π轨道的自动识别是片断轨道定的前提。本文介绍并比较了在程序中几种有效的识别方法－ｓ原子轨道系数法,ｐ原子轨道系数法、混合识别法,综合了它们各自的特点和使用范围,使计算机自动识别各类片断分子中的π轨道。     

π和σ体系彻底分离的高度定域的键轨道基组的建立

高度定域的、对称的、键轨道基组的建立是一个多步的计算程序：(1)以定域片断轨道[φk,φi,φj]为基,对分子作有条件的RHF运算,算得FUL和DSI°态的片断分子轨道[Φ°l',Φ°n,Φ°m]和[Φl,Φn,Φm]。在基组[φk,φi,φj]中,φi∈双占据和空σ片断分子轨道(FMOs)组,φj∈πFMO组,φk∈单占据σFMO组,它们都精确地定域在各自的片断内;(2)利用Φ°l'与Φ°l间的重叠积分值(Sl'l>0.5),可以从DSI°态中,自动地选出Ns个对称的、由单占据轨道线性组合而成的分子轨道Φ°l'=Σakl'φk(k=1,2,…,Ns),接着,用Φ°l'取代FUL态中同类的、非对称轨道组Φl=Σaklφk(k=1,2,…,Ns);(3)以上述新的轨道组[Φ°l',Φn,Φm]为基(其中,Φ°l'∈DSI°态,它们离域于整个分子;双占据及空σFMO组Φm和πFMO组Φm属于FUL态),按FUL态的条件,再次对分子作有条件的RHF运算,从中得到一组对称的、闭壳层正则FMOs,而且每一个FMO均有正确的电子占据数;(4)利用Perkin原理,将第3步所得的正则FMO组定域成一个对称的键轨道基组[Φl',Φn',Φm']。在这个基组中,π体系Φm'与σ构架Φn'是彻底分离的,而且这两个轨道组始终精确地定域在各自的片断内。