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前线轨道理论

指数 前线轨道理论

前线分子轨道理论(Frontier molecular orbital theory)是分子轨道理论的一种具体应用,阐述HOMO/LUMO(最高占用分子轨道/最低未占分子轨道)对分子特性的影响。该理论最早是由福井謙一于1952年提出的。尽管在最初遭到了批评,但福井謙一因对反应机理的贡献,与羅德·霍夫曼分享了1981年的诺贝尔化学奖。福井謙一的主要贡献在前线分子轨道方面,特别是HOMO和LUMO对反应机理的影响。这些理论能够较好地解释分子轨道对称守恒原理的结论。.

19 关系: 反应机理反键轨道丁二烯乙烯分子轨道对称守恒原理分子轨道理论周环反应环加成反应环丁烯环戊二烯福井谦一立体选择性罗德·霍夫曼电环化反应狄尔斯-阿德耳反应顺丁烯二酸酐诺贝尔化学奖过渡态HOMO/LUMO

反应机理

-- 化学中,反应--用来描述某一化学变化所经由的全部基元反应。虽然整个化学变化所发生的物质转变可能很明显,但为了探明这一过程的反应机理,常常需要实验来验证。 机理详细描述了每一步转化的过程,包括过渡态的形成,键的断裂和生成,以及各步的相对速率大小,等等。完整的反应机理需要考虑到反应物、催化剂、反应的立体化学、产物以及各物质的用量。 反应机理中各步的顺序也是很重要的。有些化学反应看上去是一步反应,但实际上却经由了多步,例如如下反应: 该反应中,实验测得的速率方程为:\ R.

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反键轨道

原子轨道在线性组合成分子轨道时(即两个波函数相加得到的分子轨道),能量较高的分子轨道叫反键轨道。反键轨道总是与成键轨道成对出现,其余为非键轨道。 反键轨道中,核间的电子的機率密度小。电子填入反键轨道中会使分子的稳定性降低。 Category:分子轨道理论.

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丁二烯

1,3-丁二烯简称丁二烯,是分子式為C4H6的有機化合物,一種重要的化工原料,可作為單體用於製造合成橡膠(丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶)。當這個詞丁二烯被使用的情況下,大多數時候是指1,3 - 丁二烯。 這個名稱丁二烯還可以指同分異構體,1,2 - 丁二烯,它是一個累积二烯烃。然而,這丁二烯難以製備,並且沒有工業價值。.

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乙烯

乙烯是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合物。两个碳原子之间用双键连接。 乙烯為合成纖維、合成橡膠、合成塑料(聚乙烯及聚氯乙烯)、合成乙醇(酒精)的基本化工原料,也用於制造氯乙烯、苯乙烯、環氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸藥等,且可用作水果和蔬菜的催熟剂,是一種已證實的植物激素,也是石油化工發展水準之指標。.

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分子轨道对称守恒原理

分子轨道对称守恒原理(伍德沃德-霍夫曼规则),是凭借轨道对称性来判断周环反应产物立体化学性质的一套规则,由罗伯特·伯恩斯·伍德沃德和罗德·霍夫曼于1965年提出。它主要用于分析电环化反应、环加成反应和σ迁移反应,运用前线轨道理论和能级相关理论来分析周环反应,总结出其立体选择性规则,并根据这些规则判断周环反应是否可以进行,以及反应的立体化学特征。 分子轨道对称守恒原理认为:化学反应是分子轨道进行重组的过程。在协同反应中,由原料到产物,分子轨道的对称性始终不变,是守恒的,因为只有这样,才能用最低的能量形成反应中的过渡态。符合分子轨道对称守恒原理的反应途径被称为是“对称性允许”的,不符合该原理的反应途径则被称为是“对称性禁阻”的。用扩展休克尔方法进行的理论计算支持了该原理所进行的预测,但在某些特殊情况(如施加应力)下,得到的产物不符合分子轨道对称守恒原理。.

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分子轨道理论

分子轨道理论(),簡稱MO理论,是处理双原子分子及多原子分子结构的一种有效的近似方法,是化学键理论的重要内容。它与价键理论不同,后者着重于用原子轨道的重组杂化成键来理解化学,而前者则注重于分子轨道的了解,即认为分子中的电子围绕整个分子运动。 计算化学中常以原子轨道线性组合近似来计算分子轨道波函数: 式中的cij系数可由将等式代入薛定谔方程以及应用变分原理求得。简单地讲,该方法意即,分子轨道由原子轨道组合而成。原子轨道波函数各乘以某一系数相加或相减,得到分子轨道波函数。组合时原子轨道对分子轨道的贡献体现在系数上,组合前后轨道总数不变。 利用分子轨道理论与价键理论通常只是从一个问题的两个方面去看问题,常常会得到相同的结论。只是有时分子轨道理论的思想与计算过于复杂,在研究简单问题时,价键理论反而更显得简单明了。或者说,价键理论对于分子定态的性质(键长,键角等)的解释和分子轨道理论相近,而分子轨道理论在研究和电子激发相关的性质时(分子颜色,光电子能谱等)更为有效。.

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周环反应

化学反应中,能形成环状过渡态的协同反应统称为周环反应。协同反应是一种基元反应,其含义是反应过程中,若有两个或两个以上的化学键破裂和形成时,都必须相互协调地在同一步骤内完成。因此,周环反应遵循微观可逆性原理。 周环反应具有如下的特点:.

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环加成反应

环加成反应(英文:Cycloaddition)是两个或多个不饱和化合物(或同一化合物的不同部分)结合生成环状化合物,并伴随有系统总键级数减少的化学反应。它可以是周环反应或非协同的分步反应。逆过程称为环消除反应。 环加成反应的两种主要类型是狄尔斯-阿尔德反应和1,3-偶极环加成反应。 根据前线轨道理论,两个分子之间的环加成反应符合以下几点:.

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环丁烯

环丁烯是四个碳的环烯烃,分子式为C4H6。.

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环戊二烯

环戊二烯(Cyclopentadiene),或称茂,是五个碳的环状二烯烃,分子式为C5H6。环戊二烯室温下为无色液体,具有强烈的刺激性气味,并且通过自身狄尔斯-阿尔德反应迅速聚合生成二聚环戊二烯。二聚环戊二烯加热分解为环戊二烯。不溶于水,易溶于乙醚、苯等溶剂。 环戊二烯可以作为双烯体,与对苯醌等亲双烯体发生狄尔斯-阿尔德反应。 质子核磁共振谱表明,环戊二烯分子内不停发生着氢迁移,使得五个环碳原子是等同的。 同样是出于这个原因,取代环戊二烯在发生DA反应时,通常会得到众多异构体产物的混合物。 环戊二烯基(,又称茂基)的碳有一定的酸性,生成的阴离子有六个π电子,具芳香性。环戊二烯与环戊二烯基负离子可以与金属配位生成金属茂配合物。 一个典型的例子是二茂铁。环戊二烯基(Cyclopentadienyl)简写为Cp。 环戊二烯一般得自炼焦时的副产物粗苯或石油热解时的低沸点部分。.

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福井谦一

福井谦一(,)日本理论化学家,美国科学院外籍院士,欧洲艺术科学文学院院士。文化勳章、勳一等旭日大綬章表彰。文化功勞者。贈從二位。 福井教授由于在1951年提出直观化的前线轨道理论,因而於1981年成為亞洲首位诺贝尔化学奖得主、第6位日本人諾貝爾獎得主。.

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立体选择性

立体选择性,立体化学术语。 当一个反应生成A, B两个立体异构体,而A产量比B多的时候称相应的反应具有立体选择性。典型的立体选择性反应,比如有维蒂希反应,Horner-Wadsworth-Emmons反应,羟醛反应等等。.

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罗德·霍夫曼

罗德·霍夫曼(Roald Hoffmann,),生于波兰第二共和国佐洛乔夫(现属乌克兰),美国化学家,1981年因为通过前线轨道理论和分子轨道对称守恒原理来解释化学反应的发生而获得诺贝尔化学奖。现任教于康奈尔大学。.

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电环化反应

电环化反应是周环反应的一类,反应中共轭体系两端的原子环合形成新的σ键,形成比原来分子少一个π键的产物。它的逆反应也属于电环化反应,有时为了区分,将前者成环反应称为“电环合反应”。电环化反应是立体选择性的反应,通常使用的反应底物是环烯烃和对应的共轭烯烃。它于1960年前后被发现。 为了使π电子环合成为σ键,烯烃末端碳原子的键必须旋转,而旋转的方向可以是两个键朝同一方向旋转,或两个键朝不同方向旋转,分别称为顺旋和对旋。顺旋又可分为顺时针顺旋和反时针顺旋两种,对旋又可分为内向对旋和外向对旋两种,但这个因素一般很少考虑。 根据分子轨道对称守恒原理,为了发生电环化反应,共轭烯烃HOMO两端的两个p轨道必须发生同位相的重叠。由于链形烯烃总π电子数会对HOMO的对称性造成影响,加热或光照也会使分子轨道能级图上的电子排布发生改变,因此电环化反应存在以下选择性的规则,可用于预测某一反应的产物: 光照时HOMO一个电子被激发到LUMO上去,使得反应的选择性颠倒,禁阻变为允许,允许变为禁阻。以上规则只表明反应按照协同反应机理进行时的活化能高低,并不排除反应按照其他机理进行。 电环化反应是可逆反应,正逆反应途径是相同的,因此需要注意基态时,反应平衡朝哪一个方向进行更为有利。 苯并环丁烷发生的电环化反应是电环化反应中研究较多的一类。以下图为例,苯并环丁烷加热顺旋开环,生成一个具有类醌结构的不稳定的双烯体。它可以和强亲双烯体(如顺丁烯二酸酐)发生狄尔斯-阿尔德反应生成内型的加合物。苯并环丁烷的开环反应产率因此与取代基R具有很大的关系,例如,在110°C和甲苯作溶剂的条件下,随着R由甲基、异丁基甲基变为三甲基硅基甲基,产率也随着上升。 Nazarov成环反应是二乙烯基酮环化成为环戊烯酮的电环化反应。很多带正电荷或负电荷的共轭烯烃也可以发生电环化反应,比如,环丙烷正离子广义上也属于4n+2体系,因此也可以在加热时发生对旋开环,生成烯烃。 很多看上去张力很大的化合物,在光照条件下,受分子轨道对称性的限制实际上是稳定的。下面的化合物经过电环化反应与四乙酸铅处理,可以得到无取代的杜瓦苯:.

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狄尔斯-阿德耳反应

#重定向 狄尔斯–阿尔德反应.

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顺丁烯二酸酐

顺丁烯二酸酐(MA),简称顺酐,或稱马来酸酐,是顺丁烯二酸的酸酐,室温下为有酸味的无色或白色固体,分子式为。顺丁烯二酸酐以前用苯的催化氧化制备,但由于价格的缘故,现在大多用正丁烷氧化法制取: 顺丁烯二酸酐可发生的反应有:.

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诺贝尔化学奖

诺贝尔化学奖(Nobelpriset i kemi)是诺贝尔奖的奖项之一,由瑞典皇家科学院從1901年开始负责颁发。每年于12月10日,即阿尔弗雷德·诺贝尔逝世周年纪念日颁发。 根據诺贝尔的遺囑,化学奖是为了表彰「在化學領域作出最重要發現或發明的人」。.

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过渡态

-- --是基元反应反应坐标中能量最高的一点所对应的分子构型。处于过渡态的分子也称为活化络合物。理论上,活化络合物是极不稳定的,它向反应物和生成物转化的概率相等;绝对的不可逆反应中,在过渡态这一时刻,所有的碰撞分子都会转化为产物。根据量子力学理论,活化络合物布居为零,过渡态是能量最高的一点,任何扰动都会导致它的改变,故无法分离出来,也是无法观测到的。 过渡态这一概念,对于理解有机反应机理具有很重要的作用。过渡态理论认为,化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞就可以完成的,而是在反应物到生成物的过程中,经过了一个高能量的过渡态。这与爬山类似,山的最高点便是过渡态。过渡态是一种不稳定的反应物原子组合体,不可逆反应中,它可以很快地分解为产物。通常反应中间体的能量与过渡态相差不大,两者很难区分。借助于飞秒红外光谱,目前已经可以观测到接近过渡态时的分子构型结构。 Hammond假设认为,反应过渡态的结构与反应的吸放热性质有关,吸热反应中过渡态结构与产物更相似,放热反应则相反。过渡态与中间体能量相差不大时,两者的构型差别很小。 以下是氢氧根离子与溴乙烷发生双分子亲核取代反应中的过渡态示意图。.

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HOMO/LUMO

HOMO和LUMO分别指最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital)和最低未占分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)。根据前线轨道理论,两者统称前线轨道。HOMO与LUMO之间的能量差称为「能带隙」,有时可以用来衡量一个分子是否容易被激发:带隙越小,分子越容易被激发。 在有机半导体和量子点中的HOMO与无机半导体中的价带类似,而LUMO则与导带类似。 当分子二聚或高聚时,两个分子的分子轨道之间的相互作用会引起HOMO与LUMO的分裂。当分子相互作用时,每一个能级分裂成彼此能量相距很小的振动能级。当有足够的分子使得这种相互作用足够强烈时(如在高聚物中),这些振动能级的差距变得很小,使得它们的能量几乎可以看成是连续的。这时我们就不再叫它们能级了,而是改称能带。.

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