《休克爾分子軌道法》課件

《休克爾分子軌道法》休克爾分子軌道法(HückelMolecularOrbitalTheory)是一個簡化的量子化學(xué)方法，用于計算共軛π電子體系的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。該方法基于以下假設(shè)：只考慮π電子，σ電子被忽略。原子軌道以線性組合的形式構(gòu)建分子軌道。課程目標(biāo)理解休克爾分子軌道法的基本原理掌握構(gòu)建簡單分子軌道圖的方法，了解分子軌道的性質(zhì)。掌握休克爾分子軌道法的應(yīng)用應(yīng)用休克爾分子軌道法分析簡單分子的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，解釋分子性質(zhì)。了解休克爾分子軌道法的局限性學(xué)習(xí)休克爾分子軌道法的局限性，并能與其他分子軌道理論方法進(jìn)行比較。什么是休克爾分子軌道法休克爾分子軌道法是一種近似方法，用于計算π電子體系的分子軌道能級和電子分布。它是一種簡單且有效的量子化學(xué)方法，用于預(yù)測分子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和反應(yīng)性。該方法主要適用于含有共軛雙鍵或環(huán)狀體系的π電子體系，如烯烴、炔烴、芳香化合物等。該方法基于以下假設(shè)：只考慮π電子，σ電子被忽略；原子核固定在空間中；π電子在整個分子中是離域化的，并以一個簡單的數(shù)學(xué)函數(shù)描述。歷史回顧11928德國物理化學(xué)家埃里?！ば菘藸柼岢鲂菘藸栆?guī)則，為共軛體系的π電子結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。21931休克爾將量子力學(xué)應(yīng)用于π電子體系，發(fā)展了休克爾分子軌道方法。31950-1960休克爾方法得到廣泛應(yīng)用，在有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。休克爾分子軌道方法，簡稱HMO方法，是量子化學(xué)中用于研究共軛π電子體系的一種近似方法。休克爾分子軌道法的基本原理線性組合將原子軌道組合成分子軌道，得到一個新的軌道能級分子軌道能級決定分子穩(wěn)定性成鍵與反鍵分子軌道可分為成鍵和反鍵，決定分子穩(wěn)定性構(gòu)建分子軌道圖的基本步驟確定原子軌道首先，需要確定參與形成分子軌道的原子軌道，例如，對于H2分子，參與形成分子軌道的原子軌道是氫原子的1s軌道。確定原子軌道數(shù)參與形成分子軌道的原子軌道數(shù)量等于形成分子軌道的原子數(shù)量，例如，對于H2分子，參與形成分子軌道的原子軌道數(shù)量為2。繪制原子軌道將參與形成分子軌道的原子軌道按照一定順序繪制在一條水平線上，例如，對于H2分子，將兩個氫原子的1s軌道繪制在一條水平線上。繪制分子軌道根據(jù)原子軌道之間的相互作用，在原子軌道之間繪制分子軌道，例如，對于H2分子，兩個1s原子軌道相互作用形成一個成鍵分子軌道和一個反鍵分子軌道。標(biāo)注分子軌道能級根據(jù)分子軌道能量高低，在分子軌道上標(biāo)注對應(yīng)的能級，例如，對于H2分子，成鍵分子軌道的能級低于反鍵分子軌道的能級。填充電子將分子中所有電子按照泡利不相容原理和洪特規(guī)則填充到分子軌道中，例如，對于H2分子，兩個電子填充到成鍵分子軌道中。單電子系統(tǒng)構(gòu)建分子軌道圖1步驟一：確定原子軌道單電子系統(tǒng)僅包含一個原子核和一個電子，所以只需要考慮一個原子軌道。2步驟二：構(gòu)建線性組合將原子軌道線性組合成分子軌道，這表示一個新的分子軌道可以表示為原子軌道的加減運(yùn)算。3步驟三：計算能量使用休克爾分子軌道方法計算分子軌道的能量，可以得到bonding和antibonding軌道。多電子系統(tǒng)構(gòu)建分子軌道圖1確定原子軌道明確每個原子的價電子構(gòu)型。2線性組合將原子軌道線性組合成分子軌道。3確定能級計算每個分子軌道的能量。4填充電子按照洪特規(guī)則和泡利不相容原理填充電子。多電子體系的分子軌道圖構(gòu)建需要考慮多個原子的相互作用，并將原子軌道進(jìn)行線性組合，進(jìn)而獲得每個分子軌道的能量，最終根據(jù)洪特規(guī)則和泡利不相容原理填充電子。分子軌道的性質(zhì)能量每個分子軌道都有特定的能量，這些能量是根據(jù)原子軌道的能量組合而成，能量水平會影響化學(xué)鍵的強(qiáng)度。形狀分子軌道形狀由原子軌道之間的重疊決定，重疊越大，軌道能量越低，形成的化學(xué)鍵越強(qiáng)。對稱性分子軌道具有特定的對稱性，影響著分子的反應(yīng)活性，對稱性匹配的反應(yīng)更容易發(fā)生。成鍵與反鍵分子軌道可以是成鍵軌道或反鍵軌道，成鍵軌道促進(jìn)化學(xué)鍵形成，反鍵軌道破壞化學(xué)鍵。分子軌道能級理解休克爾分子軌道法中，每個分子軌道對應(yīng)一個特定的能量值，這些能量值決定了分子軌道的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性。原子軌道的線性組合形成分子軌道，并導(dǎo)致分子軌道能級的分裂。原子軌道的能量決定了分子軌道能級分裂的程度。分子軌道的填充規(guī)則最低能量原理電子優(yōu)先填充能量最低的分子軌道。洪特規(guī)則當(dāng)多個能量相同的分子軌道時，電子將盡可能單獨占據(jù)每個軌道，自旋方向相同。泡利不相容原理一個原子軌道最多只能容納兩個電子，且自旋方向相反。穩(wěn)定性判斷和計算休克爾分子軌道法穩(wěn)定性判斷計算π電子數(shù)奇數(shù)自由基π電子數(shù)偶數(shù)閉殼層穩(wěn)定最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能量高不穩(wěn)定最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能量低穩(wěn)定根據(jù)休克爾分子軌道法的計算結(jié)果，可以判斷分子的穩(wěn)定性，并預(yù)測其化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)。代表性單電子體系氫原子是最簡單的原子，只有一個電子，可用于解釋休克爾分子軌道法的基本原理。氫分子（H2）是由兩個氫原子通過共價鍵結(jié)合而成的，可以利用休克爾分子軌道法進(jìn)行計算。氫原子和氫分子是理解休克爾分子軌道法的基礎(chǔ)，可以幫助我們理解更復(fù)雜的體系。代表性多電子體系多電子體系是指包含多個電子的分子體系，例如乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、苯(C6H6)等。這些體系的分子軌道理論更為復(fù)雜，需要考慮電子間的相互作用和電子排布。休克爾分子軌道法可以用于預(yù)測這些多電子體系的電子結(jié)構(gòu)、鍵長、鍵角、穩(wěn)定性和反應(yīng)活性等性質(zhì)。通過構(gòu)建分子軌道圖，我們可以分析分子軌道的能量、形狀和占有情況，從而理解化學(xué)鍵的形成機(jī)制和分子性質(zhì)。休克爾圖紙繪制技巧11.選擇合適的坐標(biāo)系根據(jù)分子對稱性選擇合適的坐標(biāo)系，如直角坐標(biāo)系或極坐標(biāo)系。22.確定原子軌道根據(jù)分子的化學(xué)式確定每個原子的原子軌道，并標(biāo)出原子軌道的能量水平。33.連接原子軌道根據(jù)原子軌道之間的重疊情況連接原子軌道，形成分子軌道。44.標(biāo)注分子軌道標(biāo)注每個分子軌道的能量水平，并確定每個分子軌道的成鍵或反鍵性質(zhì)。案例分析1：H2分子H2分子是最簡單的雙原子分子。在休克爾分子軌道理論中，我們可以用休克爾方法計算其分子軌道能級和電子構(gòu)型。構(gòu)建一個包含兩個氫原子的H2分子，并用HMO方法求解得到兩種分子軌道：成鍵軌道和反鍵軌道。成鍵軌道比反鍵軌道能量更低，因此H2分子中兩個電子填充在成鍵軌道上。H2分子由于擁有穩(wěn)定的成鍵軌道，因此具有較高的穩(wěn)定性，這個事實也解釋了H2分子的存在。HMO方法能夠解釋H2分子的成鍵和穩(wěn)定性，為進(jìn)一步研究雙原子分子提供了一定的理論基礎(chǔ)。案例分析2：O2分子氧氣分子O2分子是由兩個氧原子通過雙鍵連接形成的，它具有順磁性，因此存在兩個反向自旋的電子，位于兩個非鍵的π反鍵軌道中，因此具有順磁性。分子軌道O2分子具有16個價電子，它的電子構(gòu)型為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2p)2(π2p)4(π*2p)2。氧氣氧氣是地球上重要的氣體，它是生物呼吸必不可少的物質(zhì)，也是許多工業(yè)生產(chǎn)的重要原料。案例分析3：CO分子CO分子由一個碳原子和一個氧原子組成，具有線性結(jié)構(gòu)。休克爾分子軌道法可以預(yù)測CO分子的化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)性，例如極性、鍵長和鍵能。CO分子具有反磁性，這表明所有的電子都處于成對狀態(tài)，并且CO分子中的碳原子具有部分正電荷，而氧原子具有部分負(fù)電荷，這使得CO分子具有極性。案例分析4：苯分子苯分子結(jié)構(gòu)苯分子由6個碳原子和6個氫原子組成，呈平面六邊形結(jié)構(gòu)，碳原子之間通過σ鍵和π鍵相互連接。苯分子軌道能級圖苯分子軌道能級圖顯示，苯分子具有6個π分子軌道，其中3個成鍵軌道，3個反鍵軌道。苯分子模型苯分子模型可以幫助理解苯分子空間結(jié)構(gòu)，展示碳原子之間的σ鍵和π鍵。案例分析5：C60富勒烯C60富勒烯是一個由60個碳原子組成的球狀分子，也稱為“足球烯”。它是世界上最大的單分子，具有獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在材料科學(xué)、納米技術(shù)和藥物化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。休克爾分子軌道法可以用于計算C60富勒烯的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，例如鍵長、鍵角和能級。優(yōu)缺點分析優(yōu)點簡單易懂，應(yīng)用廣泛對許多有機(jī)體系進(jìn)行有效的預(yù)測解釋了很多化學(xué)現(xiàn)象，如共軛體系缺點只適用于π電子體系，不適用于σ電子體系不能用于預(yù)測復(fù)雜分子體系的性質(zhì)與實驗結(jié)果偏差較大休克爾分子軌道法的局限性只考慮π電子，忽略σ電子只適用于共平面π體系模型過于簡化，未考慮電子間的相互作用不能準(zhǔn)確預(yù)測所有體系的能量其他分子軌道理論方法擴(kuò)展休克爾分子軌道法擴(kuò)展休克爾分子軌道法是一種半經(jīng)驗方法，它考慮了所有原子軌道，并使用斯萊特型原子軌道作為基組。非經(jīng)驗分子軌道法非經(jīng)驗分子軌道法使用嚴(yán)格的量子力學(xué)方法，無需任何經(jīng)驗參數(shù)，但計算量很大。密度泛函理論密度泛函理論是一種基于電子密度來計算系統(tǒng)能量的方法，它可以用于計算分子軌道。與實驗結(jié)果的對比休克爾分子軌道法理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果具有一定吻合性。例如，對于簡單的雙原子分子（如H2、N2、O2），休克爾方法能夠較好地預(yù)測鍵長、鍵能和電離能等性質(zhì)。然而，對于復(fù)雜分子或含有重原子的體系，其預(yù)測精度有所下降。90%一致性休克爾方法與實驗結(jié)果在許多情況下保持高度一致性，表明其在預(yù)測分子性質(zhì)方面具有一定可靠性。10%偏差由于休克爾方法的簡化性，其在某些情況下與實驗結(jié)果存在偏差，需要通過更高級的理論方法來修正。休克爾分子軌道法在化學(xué)中的應(yīng)用11.預(yù)測化學(xué)反應(yīng)休克爾分子軌道法可以預(yù)測反應(yīng)中生成物的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性，進(jìn)而解釋反應(yīng)機(jī)理。22.解釋光譜性質(zhì)休克爾分子軌道法可以解釋有機(jī)化合物的紫外可見光譜、核磁共振譜和拉曼光譜等。33.設(shè)計新材料休克爾分子軌道法可以幫助設(shè)計具有特定性質(zhì)的新材料，例如新型催化劑、導(dǎo)電材料等。44.研究復(fù)雜體系休克爾分子軌道法可以應(yīng)用于研究復(fù)雜體系，例如DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。課程小結(jié)1休克爾分子軌道法簡便易行、直觀清晰，幫助理解分子軌道理論。2應(yīng)用廣泛解釋化學(xué)鍵、預(yù)測分子性質(zhì)，用于有機(jī)