МО циклооктатетраена

в предыдущих параграфах мы по занятым орбиталям опредлеляли, где будет больше или меньше пи электронов, например для алилльных катиона/аниона


вроде бы если сложить их для бензола с учетом коэффициентов получится ± равная плотность, что согласуется с реальностью.
меня заинтересовало, можно ли так же доказать, что в циклооктатетраене двойные связи никак не сопряжаются и в одних местах пи электроны есть, а в других - нет.
в учебнике для него такой диаграммы с орбиталями и nodal planes нет, я попытался составить для занятых орбиталей , но как их складывать и какие коэффициенты у орбиталей?

1 лайк

показать – скорее да, доказать – не смогу сходу ответить.

Если вы пытаетесь нарисовать для циклооктатетраена схему МО, похожую на схему для бензола – вы уже рисуете МО с учетом делокализации. Если двойные связи локализованы, будет просто четыре дважды вырожденных уровня (четыре копии МО этилена). И как бы, там по определению делокализации нет.

И наверное аргумент можно построить вокруг того, что энергия системы с локализованными МО меньше энергии системы с делокализованными МО.

Чуть позже сяду посчитать точные МОшки.

А пока предлагаю более матерым олимпиадникам (@SanzharB @Alibi @Madsoul @Mendy @Baha кто там еще есть) определить энергии (бонусный пирожок за коэффициенты) с помощью Метода/Теории Хюккеля. Я про решение определителя 8х8 говорю)

1 лайк

Всю жизнь слышу про метод Хюккеля, но ни разу про это не читал. Ни в книгах, ни на сборах

1 лайк

Так ты жизни не видел!

Здесь посмотри как работает для этилена

А потом можешь послушать лекцию или сразу перейти к заметкам

2 лайка

Если обозначить x как \frac{\alpha - E}{\beta}, то получается следующий 8x8 определитель

\begin{vmatrix} x & 1 & 0 & 0 & 0&0&0&1\\ 1&x&1&0&0&0&0&0\\ 0 &1&x&1&0&0&0&0\\ 0&0&1&x&1&0&0&0\\ 0&0&0&1&x&1&0&0\\ 0&0&0&0&1&x&1&0\\ 0&0&0&0&0&1&x&1\\ 1&0&0&0&0&0&1&x \end{vmatrix} = x^8-8x^6+20x^4-16x^2 = 0

Отсюда следует, что x = -2,-\sqrt{2},0, \sqrt{2}, 2 (как можно заметить, решений всего пять, а значит, имеются три вырожденных орбиталей). Теперь можно с легкостью найти энергии орбиталей:

E= \begin{cases} \alpha + 2\beta\\ \alpha + \sqrt{2}\beta\\ \alpha\\ \alpha -\sqrt{2}\beta\\ \alpha - 2\beta \end{cases} (увеличение \ энергии \ сверху \ вниз)

Коэффициенты определять немного запарно, но в принципе, их можно определить, если умножить вышеприведенный определитель на матрицу c_{k} (k = 1,2,3...8), а затем добавить условие \displaystyle\sum_{k=1}^{8}c_{k}^2 = 1. В конце остается лишь подставить все пять значений x, которые были получены выше в следующую систему уравнений:

\begin{cases} c_{1}x + c_{2} +c_{8} = 0\\ c_{1} + c_{2}x + c_{3} = 0\\ c_{2} + c_{3}x + c_{4} = 0\\ c_{3} + c_{4}x + c_{5} = 0\\ c_{4} + c_{5}x + c_{6} = 0\\ c_{5} + c_{6}x + c_{7} = 0\\ c_{6} + c_{7}x + c_{8} = 0\\ c_{7} + c_{8}x + c_{1} = 0\\ \displaystyle\sum_{k=1}^{8}c_{k}^2 = 1 \end{cases}

На этом моменте ̶я̶ ̶т̶у̶п̶о̶ ̶у̶с̶т̶а̶л̶ мне стало лень решать систему уравнений, поэтому скажу лишь то, что коэффициенты у меня получились 0, 0.354, и 0.5 (беру только абсолютные значения). Может найдутся люди, которым явно делать нечего, и добьют систему до конца (?)

7 лайков

Строго говоря решений 8 (количество равное степени многочлена). Но три из решений повторяются дважды.

К слову, уравнение x^8-8x^6+20x^4-16x^2=0 довольно несложно решить аналитически, без калькулятора, просто с ручкой и листочком) Бонусные пирожки тем, кто понял как.

Теперь вернемся к волновым функциям. Давайте запишем волновые функции как вектора коэффициентов \left(c_1, c_2, c_3, c_4, c_5, c_6, c_7, c_8 \right), что при умножении на базис, т.е. АО углерода:

\vec{\phi} = \begin{pmatrix} \phi_1 \\ \phi_2 \\ \phi_3 \\ \phi_4 \\ \phi_5 \\ \phi_6 \\ \phi_7 \\ \phi_8 \end{pmatrix}

Будет давать нашу искомую МО:

\psi = c_1 \phi_1 + c_2 \phi_2 + c_3 \phi_3 + c_4 \phi_4 + c_5 \phi_5 + c_6 \phi_6 + c_7 \phi_7 + c_8 \phi_8

Так вот, коэффициенты МО (по возрастанию энергии)

\begin{align} \Psi_1 &= \left(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1\right) \\ \Psi_2 &= \left(\sqrt{2}, 1, 0, -1, -\sqrt{2}, -1, 0, 1\right) \\ \Psi_3 &= \left(-1, -\sqrt{2}, -1, 0, 1, \sqrt{2}, 1, 0\right) \\ \Psi_4 &= \left(0, -1, 0, 1, 0, -1, 0, 1\right) \\ \Psi_5 &= \left(-1, 0, 1, 0, -1, 0, 1, 0\right) \\ \Psi_6 &= \left(-\sqrt{2}, 1, 0, -1, \sqrt{2}, -1, 0, 1\right) \\ \Psi_7 &= \left(-1, \sqrt{2}, -1, 0, 1, -\sqrt{2}, 1, 0\right) \\ \Psi_8 &= \left(-1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1\right) \end{align}
6 лайков

Теперь посмотрим что мы можем получить с помощью метода Хартри-Фока в минимальном базисе. Сначала глянем на бензол (посмотрим только на занятые)

Как и ожидаем (практически). NRT анализ показывает что две основные резонансные структуры имеют вес по 39.72% (всего 79.44%).

Теперь поглядим на циклооктатетраен. В первую очередь заметим, что молекула не плоская – это уже определяет другую форму МО. Посмотрим на ВЗМО и НСМО


Видим разные комбинации четырех МО этилена. а NRT анализ показывает одну основную резонансную структуру с весом 78.81%

Интереса ради решил построить виртуальный скелет правильного октагона[1]

Получаем вот такое ВЗМО

и вот заполненная \pi орбиталь:

Посмотрим на ее коэфициенты:

\left( -0.438259, -0.296369, 0.019131, 0.323424, 0.438259, 0.296369, -0.019131, -0.323424 \right)

Заметим, что 0.438259/0.296369 \approx \sqrt{2} :slight_smile:

Кстати, если вы переживаете, что ВЗМО несколько отличается от \Psi_4 или \Psi_5 – ВЗМО на картинке есть линейная комбинация c_1 \Psi_4+c_2 \Psi_5, где c_1=c_2=1/\sqrt{2}. Если знать основы квантмеха, несложно показать, что при вырожденности состояний, каждое состояние может описываться любой линейной комбинацией. Но это уже другая история.


  1. вольфрам – это сила. Предложил ему vertex coordinates of regular octagon with side 1.397 и он справился на ура ↩︎

7 лайков

подскажите, где можно изучить как нормально решать такие системы(матрицами/определителями), а то подстановкой полчаса решал для бутадиена, так и не решил.

Вас интересует поиск энергий или именно коэффициентов для определенных энергий?

коэффициентов. Ну альфа и бета

А разве не легче решить матрицу для сопряженной пи системы и сразу найти х и приступить к поиску вкладов каждой орбитали? Возможно я что то не так понял просто

нет я на предыдущей стадии развития я хз как решать систему типо из n уравнений через матрицу, и пытаюсь понять где можно лучше всего изучить, ну и в целом про определители эти.

Есть “Крайткий курс высшей математики”. Авторы: Б.П. Демидович и В.А. Кудрявцев.

А есть еще “Linear algebra and its applications”. Авторы: D.C. Clay, S.R. Lay, J.J. McDonald.

А так, в любой книге по линалу будет показано, как решать системы уравнений, используя матрицы.

3 лайка

У вас вопрос как получить вот этот определитель в методе Хюккеля?

\begin{vmatrix} x & 1 & 0 & 0 & 0&0&0&1\\ 1&x&1&0&0&0&0&0\\ 0 &1&x&1&0&0&0&0\\ 0&0&1&x&1&0&0&0\\ 0&0&0&1&x&1&0&0\\ 0&0&0&0&1&x&1&0\\ 0&0&0&0&0&1&x&1\\ 1&0&0&0&0&0&1&x \end{vmatrix}

Или как из этого определителя можно получить x^8-8x^6+20x^4-16x^2 ?

Или как из этого уравнения получить x=\pm2,\pm \sqrt{2},0?

именно. Остальное понятно.

лекцию слушал, заметки читал?

только вчера начал изучать по эткинсу, ну там чуть более чем ничего. Думал отдельно подтянуть линал для квантов. Ну лекции тоже посмотрю