La Teoría de Hückel: Antecedentes

Transcripción

1 La Teoría de Hückel: Antecedentes c = Las ecuaciones seculares: s [ H as ESas ] (un conjunto de ecuaciones simultáneas para todos los átomos) s () a, s las etiquetas de los átomos c s los coeficientes de orbitales atómicos que forman un orbital molecular, Ψ = Σ c s φ s H as la integral del hamiltoniano S as la integral de traslape (la probabilidad que un electrón tiene en la región de traslape entre dos átomos). De estas ecuaciones es posible construir a un determinante secular y encontrar un conjunto de niveles de energía molecular y los coeficientes c s de las funciones de onda moleculares. La Teoría de Hückel está basada en varias suposiciones:. S aa = S bb = = (los orbitales atómicos están normalizados) 2. S ab = S ba = = (la aproimación del traslape cero) 3. H aa = α la integral de Coulomb (la energía de un electrón en el átomo a) α = constante para los elementos del mismo tipo H ab = H ba =ß la integral de resonancia (la energía de un electrón en la región de traslape, = la ganancia de energía al unirse) H ac = H ca = ninguna unión entre átomos del no-vecinos Esta teoría trabaja bien para los hidrocarburos conjugados. (Para las moléculas planares, todas las uniones de C C se suponen inicialmente que son iguales, todos los átomos de C no tienen carga neta).

2 Ejemplo: Butadieno Construyendo el determinante de Hückel: Las ecuaciones seculares: (átomo ) (átomo 2) (átomo 3) (átomo 4) c [H ES ] + c2 [H 2 ES 2 ] + c3 [H 3 ES 3 ] + c 4 [H 4 ES 4 ] = (2) c [H 2 ES 2 ] + c2 [H 22 ES 22 ] + c3 [H 23 ES 23 ] + c 4 [H 24 ES 24 ] = c [H 3 ES 3 ] + c2 [H 32 ES 32 ] + c3 [H 33 ES 33 ] + c 4 [H 34 ES 34 ] = c [H 4 ES 4 ] + c2 [H 42 ES 42 ] + c3 [H 43 ES 43 ] + c 4 [H 44 ES 44 ] = Aplicando las aproimaciones de la teoría de Hückel: (Saa = Sbb = =, Sab = Sba = =, H aa = α, H ab = H ba = ß, H ac = H ca = ) c [α E] + c 2 β + c 3 + c 4 = (3) c β + c 2 [α E] + c 3 β + c 4 = c + c 2 β + c 3 [α E] + c 4 β = c + c 2 + c 3 β + c 4 [α E] = Divida por ß α E Sustituya = β c + c 2 + c 3 + c 4 = (4) c + c 2 + c 3 + c 4 = c + c 2 + c 3 + c 4 = c + c 2 + c 3 + c 4 = que es igual a c + c 2 = (5) c + c 2 + c 3 = c 2 + c 3 + c 4 = c 3 + c 4 = determinante de Hückel = El Hückel determinante para un sistema de todos-carbono. Los elementos del determinante son: a las diagonales, si hay una unión entre dos átomos a y b, si no hay ninguna unión (6)

3 Resuelva el determinante (con álgebra lineal) encuentre encuentre las energías de los orbitales moleculares E = α β encuentre los coeficientes de los orbitales moleculares c i para cada orbital. Resultados: Energías: E.6 α.6 β.6 α.6 β -.6 α +.6 β -.6 α +.6 β La substitución de cada j en las ecuaciones seculares (5) da los coeficientes c i,j de las funciones de onda para éstos niveles de energía para todos los átomos (tome i las etiquetas de los átomos, j las etiquetas de los niveles de energía). Orbitales moleculares del Butadieno: Energies (más alto a más bajo) Funciones de onda Las formas E 4 = α.6 β Ψ 4 =.37 Φ.6 Φ Φ 3.37 Φ 4 E 3 = α.6 β Ψ 3 =.6 Φ.37 Φ 2.37 Φ Φ 4 E 2 = α +.6 β Ψ 2 =.6 Φ +.37 Φ 2.37 Φ 3.6 Φ 4 E = α +.6 β Ψ =.37 Φ +.6 Φ Φ Φ 4 (Nota: en el Proyecto 2 el programa de Hückel encuentra las E y los c i.)

4 Las moléculas con heteroátomos: Cada elemento químico X se caracteriza por su valor del parámetro de Hückel α, por ejemplo α C, α N, a P Cada unión entre 2 átomos se caracteriza por su valor de ß, por ejemplo ß CC, ß CN, ß NN Por consiguiente las ecuaciones seculares (3) para una molécula con heteroátomos se parece a: X c [α X E] + c 2 β CX + c 3 + c 4 = c β CX + c 2 [α C E] + c 3 β CC + c 4 = c + c 2 β CC + c 3 [α C E] + c 4 β CC = c + c 2 + c 3 β CC + c 4 [α C E] = (3a) Divida por ß CC α E Sustituya, β C = suponga α X = α C + h X β CC, β CX = h CX β CC c [ + h X ] + c2 h CX + c3 + c4 = - - (4a) c h CX + c2 + c3 + c4 = - c + c2 + c3 + c4 = c + c2 + c3 + c4 = o bien c [ + h X ] + c2 h CX = (5a) c h CX + c2 + c3 = c2 + c3 + c4 = c3 + c4 = Determinante de Hückel + h h CX X h CX = en las diagonales para los átomos de C, + h X para heteroátomos, h X = (α X α C )/β CC ; para las unines de C C, h CX o h XX para uniones C X o X X, h CX = β CX /β CC (X heteroátomo) donde no hay ninguna unión (6a)

5 Información dada por la teoría de Hückel:. Energías de los orbitales moleculares (resolviendo el determinante de Hückel, vea arriba): cualquier i, relativo a α en unidades de ß (la salida del programa de Hückel), o los valores absolutos de energías E = α i ß 2. La funciones de onda de estos orbitales. 3. La energía total electrónica de las moléculas = la suma de las energías absolutas de los orbitales ocupados multiplicada por el número de electrones en cada orbital. 4. La diferencia en energía entre los orbitales = las posiciones de las bandas de absorción electrónicas. En particular, la diferencia en el energías entre el orbital molecular más alto ocupado (HOMO) y el orbital molecular más bajo desocupado (LUMO) da la energía (o la longitud de onda) de la primera banda de absorción observada en la espectroscopia de UV (la brecha HOMO-LUMO, Eg). 5. Potencial de Ionización (IP) es la energía requerida para quitar un electrón del orbital molecular más alto ocupado eperimentalmente observable en la espectroscopía foto electrónica. Es igual a la energía absoluta del HOMO. 6. Densidades electrónicas π y cargas: La densidad electronica en un átomo i = la suma de los cuadrados de los coeficientes de los MO para este átomo sobre todos los niveles de energía ocupados k multiplicados por el número de electrones n k en cada nivel: ρ ι = Σ κ n k (c ik ) 2 Para el butadieno: Ψ 4 =.37φ.6φ 2 +.6φ 3.37φ 4 Ψ 3 =.6φ.37φ 2.37φ 3 +.6φ 4 Ψ 2 =.6φ +.37φ 2.37φ 3.6φ 4 Ψ =.37φ +.6φ 2 +.6φ φ 4 desocupados ocupados la densidad electrónica π en átomo = = = 2 electrones en el orbital

6 Carga: q = ρ. Nótese que si la densidad electrónica π en un átomo es> entonces hay un eceso de densidad electrónica en este átomo, es decir el cargo en este átomo es negativa; lo opuesto cuando la densidad electrónica π en un átomo es <. Las densidades electrónicas permiten calcular: a) las constantes hiperfinas de splitting α para ESR: α = Q ρ Q = 22.5 Gauss, ρ la densidad electrónica π en un átomo de carbono. b) los momentos dipolo µ de las moléculas: µ = Σ i r i q i donde q i la carga en el átomo i, r i el vector de la posición de átomo i relativa al origen. Nótese que µ es un vector y caracteriza tanto la magnitud y como la dirección. La unidad del momento dipolo es el Debye: D = Coulomb m. 7. Los órdenes de unión π. el orden de unión π entre los átomos i y j = la suma de productos de los coeficientes de MO para estos dos átomos sobre la energía de todos los niveles de energía ocupados k multiplicados por el número de electrones n k en cada nivel: P ij = Σ k n k (c i k c j k ) 2 Para el butadieno: el orden de unión entre los átomos y 2 o 3 y 4 = =.89 el orden de unión entre los átomos 2 y 3 = (-.37) =.45 El orden de unión dado por la teoría de Hückel para las moléculas con uniones dobles es un número entre y, no incluye el orden de unión σ. 8. Las longitudes de unión. l ij (pm) = 5 6 P ij Correlación empíricamente encontrada. Entre más alto el orden de unión, más fuerte y más corto es la unión.