卤素及卤素离子的电子结构

卤素离子的质子亲和势是随卤素原子在元素周期表中的位置从上到下按F-,Cl-,Br-,I-依次降低.但人们熟知的卤素原子电负性却按F,Cl,Br,I依次减小,或者说卤素原子的电正性随上述顺序依次增大,对应于卤原子价轨道np的能量按F,Cl,Br,I依次升高;这个结果意味着卤素阴离子的电子给予能力,或者说它们的质子亲和势似乎应该随F-,Cl-,Br-,I-依次增大.这样就出现了两个完全相反的质子亲和势顺序.为了对这一结果作出解释,我们分别采用Kohn-Sham密度泛函理论(在SAOP/TZ2P和OLYP/TZ2P计算水平上),以及采用从头计算理论(在HF/TZ2P水平)中的分子轨道模型对卤素离子及卤素原子进行了详尽的理论分析.同时我们对在Hartree-Fock理论框架下轨道能量和质子亲和势的变化趋势之间存在的内在矛盾进行了阐述.研究表明质子亲和势按F-,Cl-,Br-,I-依次降低的原因是由于当卤素原子X得到一个电子成为卤素阴离子X-后,价轨道np的能量将会升高,从而表现出异常的不稳定性.更关键的是,这种由于库仑排斥造成的卤素离子价轨道的不稳定性对于本身半径比较小的氟原子尤为突出,但随着卤素的半径增大,这种不稳定效应逐渐减弱.结果较强的HOMO(F-)-LUMO(H+)轨道相互作用导致F-的质子亲和势大于其他体积较大的卤素离子.以上的定性分子轨道分析表明考虑净电荷对轨道能量的影响是十分重要的.这不仅清楚地解释了采用Kohn-Sham密度泛函理论可以得到正确的质子亲和势变化趋势,即F-Cl-Br-I-,而且还能解释为何在从头计算的Hartree-Fock分子轨道理论框架下,虽然X-的价轨道np能量随F-,Cl-,Br-,I-递减,似乎应该得到不正确的质子亲和势变化趋势,但实际上得到质子亲和势顺序仍然是正确的.之所以所有的分子轨道模型下都有同样的HOMO-LUMO相互作用能及质子亲和势顺序,其原因是电荷效应,即在HF,OLYP和SAOP计算中,卤素原子与卤素离子的价轨道能量差都是升高的.通过这些理论分析得到的结论有助于理解诸如亲核取代反应(SN2)以及碱催化的消去反应(E2)等基本有机化学反应的微观机理.