Hückels metod. Matti Hotokka

Relevanta dokument
Kemiska bindningar. Matti Hotokka

Molekylorbitaler. Matti Hotokka

V. AVANCERAD KVANTKEMI

Kemisk bindning I, Chemical bonds A&J kap. 2

Kapitel 8 och 9. Kemisk bindning: allmänna begrepp och orbitaler

Repetition F3. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel 8 och 9. Kemisk bindning: allmänna begrepp och orbitaler

Aromatiska föreningar

.Kemiska föreningar. Kap. 3.

Föreläsning 5. Molekylers rymdgeometri, Dipolmoment, VSEPR-teori och hybridisering

Kapitel 8 och 9. Kemisk bindning: allmänna begrepp och orbitaler. Krafter som håller grupper av atomer samman och får dem att fungera som en enhet.

IV. Atomer och molekyler

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Atomer och molekyler, Kap 4. Molekyler. Kapitel 4. Molekyler

1. INLEDNING 2. TEORI. Arbete A4 Ab initio

Allmän kemi. Läromålen. Molekylers geometri. Viktigt i kap VSEPR-modellen Molekylers geometri

Kemisk bindning II, A&J kap. 3

Kap. 3. Kemisk bindning: kovalenta bindningar

Kovalenta bindningar, elektronegativitet och elektronformler. Niklas Dahrén

Tentamen i Materia, 7,5 hp, CBGAM0

Kap. 8. Bindning: Generella begrepp, fortsättning

Vibrationspektrometri. Matti Hotokka Fysikalisk kemi

Föreläsning 12. Alkener III Kapitel 12 F12

Tentamen. TFYA35 Molekylfysik, TEN1 24 oktober 2016 kl Skrivsal: G34, G36, G37

ORGANISK KEMI Del A-2009

Molekylmekanik. Matti Hotokka

Väteatomen. Matti Hotokka

FACIT till ÖVNINGSUPPGIFTER Sven Larsson FYSIKALISK KEMI. Kap. 1 BAKGRUND

Namnge och rita organiska föreningar - del 3 Halogenalkaner, cykliska kolväten och arener. Niklas Dahrén

Kovalenta och polära kovalenta bindningar. Niklas Dahrén

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

Olika kovalenta bindningar. Niklas Dahrén

Är abstraktion hemskt eller hemskt bra? Ett problem kan bli en möjlighet inom kemiundervisningen.

System. Repetition. Processer. Inre energi, U

Skriv reaktionsformler som beskriver vad som bör hända för följande blandningar: lösning blandas med 50 ml 0,05 H 3 PO 4 lösning.

Atom- och molekylorbitaler

r 2 C Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

Varför kan kolatomen bilda så många olika föreningar?

Mendelevs periodiska system

KVANTFYSIK för F Inlämningsuppgifter I6

Föreläsning 2. Kolväten Kapitel 3 och delar av 4. 1) Introduktion 2) Mättade kolväten 3) Omättade kolväten 4) Aromatiska föreningar

Kap. 8. Bindning: Generella begrepp

TENTAMEN I FYSIKALISK KEMI KURS: KEM040 Institutionen för kemi Göteborgs Universitet Datum: LÄS DETTA FÖRST!


d=236

X. Molekyler. Kvantfysikens grunder,

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

ORGANISK KEMI Fö

ORGANISK KEMI. Enkel Dubbel Trippel. En liten jämförelse mellan:

Inför provet Kolföreningarnas kemi

Räkneuppgifter, kemisk bindning Kvantmekanik och kemisk bindning I, 1KB501

Molekylmekanik. - T. Clark, A Handbook of Computational Chemistry, Wiley, L. Simmons, Fysiikka korkeakouluja varten, WSOY, 1970.

Projekt Finit Element-lösare

Namnge och rita organiska föreningar - del 2 Alkaner, alkener, alkyner. Niklas Dahrén

Nämn ett ämne som kan omvandlas till diamant a, granit b, meteoritmineral c, kol d, grafit

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

TENTAMEN I ALLMÄN OCH ORGANISK KEMI: FACIT

Uppsala Universitet Institutionen för fotokemi och molekylärvetenskap EG FH Konjugerade molekyler

Hjälpmedel: Det för kursen ociella formelbladet samt TeFyMa. 0 x < 0

Med ett materials elektriska egenskaper förstår man helt allmänt dess ledningsförmåga, konduktans, och resistans Ohms lag:

Allmänt Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur. l A Allmänt. 8.1.

Materialfysik Ht Materials elektriska egenskaper 8.1 Bandstruktur

Namnge och rita organiska föreningar - del 1 Introduktion till att rita och namnge organiska föreningar. Niklas Dahrén

3.14. Periodiska systemet (forts.)

c = λ ν Vågrörelse Kap. 1. Kvantmekanik och den mikroskopiska världen Kvantmekanik 1.1 Elektromagnetisk strålning

TENTAMEN I KVANTFYSIK del 1 (5A1324 och 5A1450) samt KVANTMEKANIK (5A1320) med SVAR och LÖSNINGSANVISNINGAR Tisdagen den 5 juni 2007

Atomteori. Biologisk kemi 7,5 hp KTH Vt 2012 Märit Karls. Titta på: Startsida - Biologisk Kemi (7,5hp) [PING PONG]

Kemiska reaktioner: Olika reaktionstyper och reaktionsmekanismer. Niklas Dahrén

Organiska föreningar del 3: Rita och namnge alkaner, alkener och alkyner. Niklas Dahrén

Dipoler och dipol-dipolbindningar Del 2. Niklas Dahrén

TAMS79: Föreläsning 10 Markovkedjor

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u= u MeV = O. 2m e c2= MeV. T β +=

Bose-Einsteinkondensation. Lars Gislén, Malin Sjödahl, Patrik Sahlin

Organiska föreningar del 2: Introduktion till att rita och namnge organiska föreningar. Niklas Dahrén

r 2 Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

ORGANISK KEMI KOLFÖRENINGARNAS KEMI

Kraftfält i molekyldynamik

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Atom- och kärnfysik med tillämpningar -

Repetition F6. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

15. Strålande system

Lösning till Tentamen i Kemi (TFKE16),

Materiens Struktur. Lösningar

Alla svar till de extra uppgifterna

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

Kapitel 2. Kovalent bindning

Kvantkemi. - M. W. Hanna, Quantum Mechanics in Chemistry, Benjamin, Menlo Park, CA, 1969.

10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Räkneuppgifter i Kemisk struktur och bindning Del 2. Bioinformatik Xbio3

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

Hur mycket betyder Higgs partikeln? MASSOR! Leif Lönnblad. Institutionen för Astronomi och teoretisk fysik Lunds Universitet. S:t Petri,

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

10. Den semiklassiska modellen för elektrondynamik

2. Materials bindning 2.1 Grundämnen och enskilda atomers struktur [mest Callister Ch. 2, Mitchell Ch. 2; också egen forskning]

tal. Mängden av alla trippel av reella tal betecknas med R 3 och x 1 x 2 En sekvens av n reella tal betecknas med (x 1, x 2,, x n ) eller

Transkript:

Hükels metod Matti Hotokka

Konjugerade dubbelbindningar Alternerande enkla oh dubbla bindningar Cykliska föreningar kallas aromatiska Plan geometri Butadien Bensen Naphtalen

Konjugerade dubbelbindningar Tillåter π-elektronerna att fritt röra sig i hela dubbelbindningssystemet (delokaliserade π- elektroner) Därmed är dubbelbindningarnas positioner i molekylen ospeifierade

Konjugerade dubbelbindningar Resonansstrukturer En realistisk bild av elektronfördelning från Hükel Resonansstrukturer försöker beskriva ett kvantmekaniskt fenomen med klassiska molekylfomler Den riktiga strukturen är medelvärdet av alla möjliga resonansstrukturer. Således är kol-kolbindningen i bensen mitt emellan enkel oh dubbel bindning.

Hükels teori Gäller endast för delokaliserade π-elektroner Räknar den rätta π-elektronfördelningen i konjugerade system Drastiska approximationer ingår

Allmän teori för molekyler Hamiltons operator hˆ( i) Hˆ n hˆ( i) n i i i, j j gˆ( i, j) h enelektronoperator 8 m Elektronens kinetiska energi e N 4 A 0 Zee r Elektronens attraktion till atomkärnorna ia gˆ( i, j) tvåelektronoperator ee r ij Elektron-elektronrepulsion

Allmän teori Shrödingers ekvation Inför MO-LCAO Resulterar i Hˆ Ĥ E i i i i i ii i i

Allmän teori Multipliera från vänster med φ oh integrera Notationer n n n n H H H ˆ ˆ ˆ dz dx dy z y x z y x H z y x H H j i ij j i ),, ( ),, ( ˆ ),, ( ˆ dz dx dy z y x z y x S j i ij j i ),, ( ),, (

Allmän teori Gör likadant med φ Sedan fortsätter man med φ 3, φ 4 osv. n n n n H H H ˆ ˆ ˆ

Allmän teori Då bildas ett ekvationsystem Beteknigarna n nn n n n n n nn n n n n S S S S S S S S S H H H H H H H H H j i ij H H ˆ j i ij S

Hükels approximationer Endast de delokaliserade π-elektronerna beaktas Endast en atomorbital per kolatom ingår Varje kolatom är sp -hybridiserad. De tre hybridorbitalerna bildar tre σ-bindningar oh endast p z -atomorbitalen kan användas för att konstruera π-orbitaler Endast en elektron per kolatom Kolatomens skenbara kärnladdning är + Integralerna har fasta värden

Hükels approximationer En sp -hybridiserad kolatom har en p z -orbital som bildar π-bindningar

Hükels approximationer Grannatomernas p z -orbitaler bildar π-bindningen π-bindningen tvingar molekylen till plan geometri

Hükels approximationer En sp -hybridiserad kolatom har en elektron i p z -orbitalen

Hükels approximationer Atomorbitalerna i MO-LCAO utveklingen kan numreras efter den kolatom från vilken den härstammar, A Numrera atomerna oh använd sedan atomernas nummer N A A

Hükels approximationer Integralerna är A oh B atomernas numer oh samtidigt orbitalernas nummer för A B H AB för A oh B är gannar 0 i annat fall för A S AB 0 i annat B fall Storheterna α oh β är negativa tal. Deras värde beror på egenskapen, som räknas. Typiska värden är - ev oh -5 ev.

Rita molekylskelettet Så här gör man

Så här gör man Rita molekylskelettet Numrera atomerna 4 3

Så här gör man Konstruera koeffiientmatrisen Skriv en α på diagonalen Skriv en β för varje granne Fyll med nollor 0 0 0 0 0 0 4 3 4 3 3 4

Så här gör man Konstruera det lineära ekvationsystemet 4 3 4 3 0 0 0 0 0 0

Så här gör man Lös från ekvationsystemet storheten ε N olika värden (N=antalet atomer = antalet molekylorbitaler, 4 i butadien) Storheten ε är molekylorbitalens orbitalenergi För varje värde av ε fås N koeffiienter A Koeffiienten A visar hur starkt atomorbitalen φ A bidrar till den aktuella molekylorbitalen Löses i regel med dator Resultatet kan visas som en tabell eller visualiseras

Hükels lösning För butadien MO MO MO3 MO4 ε α+β α+β α-β α-β AO 0.37 0.60 0.60 0.37 AO 0.60 0.37-0.37-0.60 AO3 0.60-0.37-0.37 0.60 AO4 0.37-0.60 0.60-0.37

Visualisering Rita molekylorbitalenergidiagram α-β α-β α+β α+β

Visualisering Plaera elektronerna i molekylorbitalerna α-β α-β α+β α+β 0 Butadien: 4 kolatomer i π- systemet, 4 π-elektroner 0 LUMO HOMO Okupationstal n i = antalet elektroner i molekylorbitalen I n = 0,,

Visualisering Visualisera molekylorbitalernas form MO MO MO3 MO4 α-β ε α+β α+β α-β α-β AO 0.37 0.60 0.60 0.37 AO 0.60 0.37-0.37-0.60 α-β AO3 0.60-0.37-0.37 0.60 AO4 0.37-0.60 0.60-0.37 α+β α+β 3 4

Visualisering Visualisera molekylorbitalernas form α-β α-β +0.37 Rita en sfär på varje atom. Sfärens radius (eller area) är proportionell till koeffiienten A. Även koeffiientens förteken visas med färg eller fyllnad. α+β +0.60-0.60-0.37 α+β

Naftalen Visualisering

Energirelaterade egenskaper Total energi Total elektronisk energi i det delokaliserade π- elektronsystemet Fås som summa endast i Hükels metod # MO E Tot n i i i Exempel, butadien: E tot = x(α+β) + x(α+β) = 4α+6β

Energirelaterade egenskaper Joniseringspotential E I (eller IP) Anger hur myket energi behövs för att avlägsna en viss elektron från molekylen Koopmans teorem: joniseringsenergin för en elektron i orbital nummer i är EI i Exempel: För att avlägsna en elektron från HOMO i butadien krävs E I = -(α+β)

Energirelaterade egenskaper α = -5.9 ev β = -4.0 ev

Energirelaterade egenskaper Elektronaffinitet E A Anger hur myket energi man vinner då man plaerar en extra elektron i den vakanta orbitalen i E A i Exempel: Energin man vinner då man plaerar en elektron i LUMO i butadien är E A = α-β.

Energirelaterade egenskaper Polarografiska redox-potentialer β = -.37 ev

Energirelaterade egenskaper Exitationsenergi Anger hur myket energi behövs för att flytta en elektron från en besatt orbital i till en vakant orbital j T.ex. i spektrofotometri E j i Exempel: För att flytta en elektron från HOMO till LUMO i butadien krävs ΔE = (α-β) (α+β) = -β.

Energirelaterade egenskaper Delokaliseringsenergi DE Anger hur myket energi man vinner genom att delokalisera π-elektronerna jämfört med det hypotetiska fallet att man har rena enkla oh dubbla bindningar i molekylen. Molekylen med de hypotetiska dubbla bindningarna anses bestå av separerade etenmolekyler. Dess energi är antalet formella dubbelbindningar gånger etenmolekylens totalenergi Den riktiga totalenergin räknas med Hükel

Energirelaterade egenskaper Etenmolekylens energi MO MO n i 0 ε i α+β α-β AO 0.7 0.7 AO 0.7-0.7 E tot = x(α+β)

Energirelaterade egenskaper Delokaliseringsenergi DE = E(Hükel) - nxe(eten) Butadien Exempel: Delokaliseringsenergi i butadien DE = (4α+6β) - x(α+β) = β

Energirelaterade egenskaper Aromatiska föreningar E(Hükel) = 6α+8β 3xE(Eten) = 6α+6β DE = β E(Hükel) = 5α+3.4β xe(eten) + en fri p z = 4α+4β + α DE = -0.76β Energetiskt ofördelaktig Ingen delokalisering, inte plan molekyl

Energirelaterade egenskaper Hükels 4n+ regel för ykliska molekyler Om antalet delokaliserade π-elektroner är 4n+, n=0,,,... är molekylen aromatisk T.ex. n=0: eten; n=: bensen; n=: naftalen I annat fall är dubbelbindningarna lokaliserade oh molekylen är inte plan

Elektronfördelning Nettopopulation Anger hur många elektroner i medeltal finns i närheten av atom A p AA # MO i n i ( A ) Observera: Endast i Hükels modell gäller N A p AA # elektroner

Elektronfördelning Nettopopulation Exempel: butadien Okupationstal MO MO MO3 MO4 n i 0 0 ε α+β α+β α-β α-β AO 0.37 0.60 0.60 0.37 AO 0.60 0.37-0.37-0.60 AO3 0.60-0.37-0.37 0.60 AO4 0.37-0.60 0.60-0.37 p (0.37) (0.60) 0(0.60) 0(0.37) p (0.60) (0.37) 0( 0.37) 0( 0.60) p p 33 44 (0.60) (0.37) ( 0.37) ( 0.60) 0( 0.37) 0(0.60) 0(0.60) 0( 0.37)

Elektronfördelning Överskjutningspopulation Anger antalet π-elektroner i bindningen mellan atomerna A oh B p AB # MO i n i A B

Elektronfördelning Överskjutningspopulation Exempel: butadien MO MO MO3 MO4 n i 0 0 ε α+β α+β α-β α-β AO 0.37 0.60 0.60 0.37 AO 0.60 0.37-0.37-0.60 AO3 0.60-0.37-0.37 0.60 AO4 0.37-0.60 0.60-0.37 p 0.370.60 0.600.37 00.60( 0.37) 00.37( 0.60) 0.9 p p 3 34 0.600.60 0.37( 0.37) 0.4 0.600.37 ( 0.37) ( 0.60) 0.9

Elektronfördelning Bindningsordning Anger bindningens styrka (antalet elektronpar mellan atomerna) Enkel bindning t.ex. C-C i etan, bindningsordning, dubbelbindning t.ex. C=C i eten, trippelbindning t.ex. C C i etyn 3, aromatisk kol-kolbindning t.ex. i bensen.5 Består i Hükel av överskjutningspopulationen för π-elektronerna oh en etta för σ-bindningen BO AB p AB

Elektronfördelning Bindningsordning Exempel: butadien.9.4.9 33.8 pm (33.0 pm) S. Borman, C&EN 84 (006). 35.4 pm (37.0 pm) 33.8 pm (33.0 pm) Observerade bindningsavstånd (hypotetiska avstånd med lokaliserade dubbelbindningar I parentes).

Elektronfördelning Bruttopopulation p A Anger i prinip totala antalet elektroner i närheten av atom A Meningslös storhet i Hükel emedan överskjutningen S AB = 0 för A B enligt de grundläggande antagandena pa paa Bgranne p AB

Elektronfördelning Nettoladdning q A Anger den slutliga laddningsbalansen hos atom A I Hükel har endast π-elektronerna omfördelats. Endast en elektron per kolatom bidrar till π- systemet, alla de övriga elektronerna har kolatomen A nära sig. Därför är kolatomens kärnladdning = + (kärnans laddning +6 plus 5 elektroners laddningar á -; den sjätte elektronen finns i π-systemet). Antalet π-elektroner nära atomen A är p AA oh deras laddning p AA. q A p AA

Elektronfördelning Nettoladdningar Exempel: butadien p = ; q = -+ = 0 0 0 0 0