哈工大结构化学--前线分子轨道法及应用

前线分子轨道法及应用在结构化学课的第三章“分子轨道理论”中，我们循着大师们探索的步伐，学习他们的智慧所探索出的分子内部的奥秘。小小的分子由分子核外部旋转不息的电子构成，像一个个微小的星系，构成了现实世界的点点滴滴。它们之中有的相对稳定，有的却十分活泼，相对于恒星数以万亿年的生命周期也不过是一瞬罢了，但相对与人类自身来说，却是值得我们仔细探究的千变万化。研究分子轨道理论，目的是为了发现它的电子排布规律并以此来判断物质的静态性质和化学反应发生合理方向和可控性。日本理论化学家福井谦一在1951年提出的前线分子轨道理论能广泛地应用于许多反应机理，与美国的伍德沃德和霍夫曼在1965年提出的分子轨道对称性守恒原理结论基本一致，它在实践中的广泛应用证明了这个理论的可靠性，得到了广泛的认可，而福井谦一也获得了1981年的诺贝尔化学奖。前线分子轨道理论概括起来有以下4个要点：1、基元反应时，起作用的是一个分子的最高被占分子轨道（HOMO）与另一分子的最低未被占分子轨道（LUMO），最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道统称为前线分子轨道；2、一个分子的HOMO与另一个分子的LUMO对称性要匹配才能发生作用；3、相互作用的前线分子轨道能量要想近（0.6ev）；4、在前线分子轨道中电子的转移要化学合理，即转移的结果要与旧键断裂、新键生成相适应。前线分子轨道可以用来分析双分子化学反应进行的难易原因及反应所需的条件和反应的方式。如前线分子轨道理论可以用来解释两个乙烯环加成环丁烷的反应条件及轨道叠加情况。CH2=CH2+CH2=CH2→CH2-CH2CH2-CH2该反应在加热条件下反应很难进行，但在光照条件下可以进行。如下图所示，加热条件下，乙烯的LOMO与另一分子的LUMO对称性不匹配，反应不能发生。但当光照时，不分乙烯分子被激发，电子由∏轨道跃迁到对应的反键轨道上，使其变成LOMO，则与另一乙烯分子的LUMO对称性匹配，反应顺利进行。