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關(guān)于電負(fù)性均恒原理
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關(guān)于電負(fù)性均恒原理 Zhou2009 一 、基本概念 多年以前我在研究所,有機(jī)合成中常常需要考察分子的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,于是用量化程序算題、思考。當(dāng)然,課題涉及國(guó)防,這方面的工作沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表。但這些工作讓我討論過(guò)Sanderson電負(fù)性均恒原理,寫(xiě)了與此帖同名的文章:《關(guān)于電負(fù)性均恒原理》(見(jiàn)附錄)。現(xiàn)在進(jìn)一步討論這個(gè)原理,這是近幾年我關(guān)于這個(gè)問(wèn)題討論的匯總。 在密度泛函理論, Parr 等人指出:電負(fù)性是體系電子化學(xué)勢(shì)的負(fù)值。 同樣應(yīng)該有:在MO理論,電負(fù)性χ是原子AO或分子MO能級(jí)ε的負(fù)值。 能級(jí)ε是從軌道上面拿走一個(gè)電子所要付出的能量,電負(fù)性χ則是該軌道吸引電子的能力。這是一個(gè)客觀(guān)存在事實(shí)的兩個(gè)相反的視角,相反的視角轉(zhuǎn)化為負(fù)號(hào)。電負(fù)性這個(gè)視角,可以讓我們深入考察分子中原子的電負(fù)性,這接近化學(xué)實(shí)踐的認(rèn)知習(xí)慣,這本來(lái)就是人們感知的一種客觀(guān)存在。何況由于MO是LCAO,使得MO與AO有著天然地聯(lián)系。 不同電負(fù)性的原子組成分子時(shí),原子參加成鍵的軌道(以基組表示),通過(guò)得失部分電子調(diào)整著電子對(duì)核的屏蔽,從而調(diào)整著自己的電負(fù)性、調(diào)整著自己的能級(jí)。 電負(fù)性大的原子得到部分電子(電子布居增多)、對(duì)核的屏蔽增強(qiáng),使得電負(fù)性降低,電負(fù)性小的原子失去部分電子(電子布居減少)、屏蔽減弱,使得電負(fù)性升高,從而達(dá)到電負(fù)性均恒、不再有電子流動(dòng)。 這就是電負(fù)性均恒原理企圖概括的內(nèi)容,它實(shí)際上是能量最低原理的一種具體表現(xiàn)形式。水往低處流,直至均恒。電負(fù)性均恒原理實(shí)際上也就是能量均恒原理。 然而Sanderson電負(fù)性均恒原理認(rèn)為:初始電負(fù)性不同的原子化合成分子時(shí),它們的電負(fù)性會(huì)發(fā)生平均化,各原子實(shí)際所具有的電負(fù)性,為所有原子電負(fù)性的幾何平均,即分子中所有原子的電負(fù)性都是相等的。 實(shí)際上,這僅是一種經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)。只對(duì)雙原子分子和幾個(gè)特定的小分子才是這樣,對(duì)廣大的分子,這種認(rèn)為分子中所有原子的電負(fù)性都相等的并不成立。 我們現(xiàn)在知道,分子中原子參加成鍵的軌道電負(fù)性,可以由其上電荷(電子布居)加以區(qū)分,同種原子如果其上布居的電荷不同,則其在分子中的實(shí)際電負(fù)性也不同。 我當(dāng)年手頭只有當(dāng)時(shí)流行的量子化學(xué)程序CNDO/2,計(jì)算了一些小的有機(jī)分子,發(fā)現(xiàn)分子中所有原子的電負(fù)性都是相等的這個(gè)設(shè)想并不成立。 并舉乙醇為例說(shuō),在H’CH2CH2OH”中,H’是要與基團(tuán)-CH2CH2OH實(shí)現(xiàn)電負(fù)性均衡, H”是要與基團(tuán)-OCH2CH3實(shí)現(xiàn)電負(fù)性均恒,而基團(tuán)-OCH2CH3的電負(fù)性公認(rèn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基團(tuán)-CH2CH2OH”的電負(fù)性,所以H’上的凈電荷為+0.0099,H”上的凈電荷為+0.1395。原子參加成鍵的軌道上的電荷數(shù)值決定著它的電負(fù)性,所以H’、H”在分子中的實(shí)際電負(fù)性是完全不相等的。H”的實(shí)際電負(fù)性遠(yuǎn)大于H’的實(shí)際電負(fù)性。H’、H”雖然在同一個(gè)分子中實(shí)現(xiàn)了電負(fù)性均恒,但它們面對(duì)的基團(tuán)卻是完全不同的,實(shí)際電負(fù)性仍是不相等的。 當(dāng)時(shí),在進(jìn)一步計(jì)算基團(tuán)電負(fù)性序列之后,得出結(jié)論:“電負(fù)性均恒原理應(yīng)該完整地表述為:在基態(tài)分子中,任一個(gè)鍵兩邊參與成鍵的基團(tuán)(包含只有一個(gè)原子的基團(tuán))的鍵軌道實(shí)際所具有的電負(fù)性是相等的;電負(fù)性均恒并不是指分子中每個(gè)原子的電負(fù)性都趨向均恒,它們的電負(fù)性雖然有變化,但一般仍是不相等的。” 基于這種“分子中任一個(gè)鍵兩邊參與成鍵的基團(tuán)(包含只有一個(gè)原子的基團(tuán))的鍵軌道實(shí)際所具有的電負(fù)性是相等的”,曾經(jīng)根據(jù)誘導(dǎo)電荷,計(jì)算了大量原子和基團(tuán)的電負(fù)性,這些電負(fù)性的數(shù)值與歷來(lái)各種計(jì)算電負(fù)性、與Pauling電負(fù)性有線(xiàn)性關(guān)系,符合良好。 二、電負(fù)性均恒原理表述的進(jìn)一步具體深化 在計(jì)算考察了雙原子分子、多原子分子后,認(rèn)為原子在分子中通過(guò)電子轉(zhuǎn)移、中移調(diào)整了自己的電負(fù)性,對(duì)分子的一個(gè)MO來(lái)說(shuō),它的能級(jí)ε或電負(fù)性χ不是抽象的,是基組承載的,正是各個(gè)原子具體電負(fù)性貢獻(xiàn)的統(tǒng)一結(jié)果,形成了一個(gè)共同的ε或χ。因此進(jìn)一步提出: 在分子的一個(gè)MO中,各個(gè)原子的電負(fù)性是相等的、均恒的,它的值就是這MO的電負(fù)性(能級(jí)ε的負(fù)值)。這是在MO理論中電負(fù)性均恒原理的基本表述。 在密度泛函理論也有類(lèi)似的內(nèi)容:電負(fù)性均恒原理認(rèn)為, 在形成分子時(shí), 由于各原子間的電子轉(zhuǎn)移和重新分布, 調(diào)整后的各原子的有效電負(fù)性最終達(dá)到一致, 都等于分子的總體電負(fù)性χ:χa=χb=χc=…=χ 當(dāng)然,這里邏輯地包含一些更為具體的內(nèi)容: 1、所說(shuō)的分子中原子的電負(fù)性,是指原子參與組成該MO時(shí)的(基組的、廣義雜化的)電負(fù)性; 2、分子的各種軌道,包括σ、π、lp、δ等各層軌道,包含簡(jiǎn)并軌道,都各自實(shí)現(xiàn)著電負(fù)性均恒; 3、但這是否又回到了“分子中所有原子的電負(fù)性都是相等的”?在MO層次? 也不是,因?yàn)橛捎趯?duì)稱(chēng)性不同,一個(gè)MO常常并不會(huì)包含分子的所有原子,僅只是部分原子,還有許多原子在另外的MO; 4、如果某兩個(gè)原子在一個(gè)或多個(gè)MO中之間都顯現(xiàn)成鍵,那它們的電負(fù)性是分別在各MO相等的; 5、處在不同MO的原子電負(fù)性自然是不同的。如在H’CH2CH2OH”中(HF/6-311++G**),共有13個(gè)MO,其中成O-H”鍵的H”主要在MO7,成C-H’鍵的H’主要在MO10,表明H’、H”在分子中電負(fù)性是完全不同的,H”的實(shí)際電負(fù)性遠(yuǎn)大于H’的實(shí)際電負(fù)性,不能籠統(tǒng)地說(shuō)分子中各原子的電負(fù)性都是相同的; 6、分子中,任一個(gè)鍵兩邊參與成鍵的基團(tuán)(包含只有一個(gè)原子的基團(tuán))的鍵軌道實(shí)際所具有的電負(fù)性是相等的,只有在分子結(jié)構(gòu)中所處位置完全對(duì)等的同種原子電負(fù)性才相等; 7、這里還有一個(gè)問(wèn)題是:當(dāng)MO的相位中有節(jié)面時(shí),又是怎樣的呢? 首先,在一個(gè)同相位MO片中的原子應(yīng)認(rèn)為電負(fù)性是均恒的。 其次,MO的相位有節(jié)面,代表處于不同相位之間原子或MO片之間是反相位的、是排斥的,它常是在描寫(xiě)鍵電子之間的電子排斥,以形成較高的MO能級(jí)。可以想見(jiàn),節(jié)面兩邊的排斥是平衡的,平衡的排斥會(huì)傳遞給節(jié)面兩邊的MO片,使兩邊的MO片能級(jí)同樣升高、電負(fù)性下降,但各MO片之間電負(fù)性仍是均恒的。當(dāng)然,這還有待用數(shù)據(jù)證明。 我們也許不習(xí)慣接受分子的一個(gè)MO中原子的電負(fù)性是相等的,就是該原子所在的MO的電負(fù)性,但是如果說(shuō)分子的一個(gè)MO中原子電負(fù)性都不相等、有各種各樣的值,則是更難以想象的!只能設(shè)想它們是統(tǒng)一的、均恒的,共同形成了統(tǒng)一的MO。 這樣,原子軌道(基組)、電負(fù)性、電子根據(jù)電負(fù)性調(diào)整布居、達(dá)到每個(gè)MO電負(fù)性均恒,是否可以將來(lái)走出一條解量子化學(xué)的簡(jiǎn)單得多的創(chuàng)新之路呢?也是一種密度泛函? 三、對(duì)量化應(yīng)用的一點(diǎn)啟發(fā) 我曾經(jīng)在帖子中說(shuō): 當(dāng)我們從量子化學(xué)的高度演繹而下與化學(xué)實(shí)踐相結(jié)合的時(shí)候,其實(shí)我們首先遇到的應(yīng)是歸納而上的物理有機(jī)電子結(jié)構(gòu)理論,量化如果能夠計(jì)算出合用的電荷數(shù)值,去完善物理有機(jī)電子結(jié)構(gòu)理論,不就上下貫通、通盤(pán)就活了嗎?如通過(guò)量化計(jì)算得到的σ誘導(dǎo)電荷與引起誘導(dǎo)的基團(tuán)(或原子)的電負(fù)性大小有良好的相關(guān)性時(shí),量化與物理有機(jī)不是就有共同的語(yǔ)言、互相補(bǔ)充、融為一體了嗎? Ψ*Ψ=ρ,不僅溝通了電子的波粒二象性,溝通了微觀(guān)世界和宏觀(guān)世界,而且溝通了量子化學(xué)與物理有機(jī)等。 常見(jiàn)到蟲(chóng)友提問(wèn)的具體課題,足以難倒量化計(jì)算(者)目前所能達(dá)到的水平,要么太精細(xì)微妙了(如雙光子吸收),要么涉及的化學(xué)體系環(huán)境太復(fù)雜了(如溶劑等),都尚缺乏足夠的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。 實(shí)際上量子化學(xué)在系列性質(zhì)的遞變上、系列的相互比較的規(guī)律性上才更易顯出高明,在與物理有機(jī)歸納出來(lái)的橫向經(jīng)驗(yàn)理論結(jié)合上量子化學(xué)才更易顯出高明。 比如,哪怕算一個(gè)H’CH2CH2OH”分子,哪怕用最簡(jiǎn)單的半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)程序CNDO/2,就足以證明Sanderson電負(fù)性均恒原理說(shuō)“分子中所有原子的電負(fù)性都是相等的”并不成立,這就是量子化學(xué)! 在這里,由于電荷是量子化學(xué)計(jì)算出來(lái)的,對(duì)H’,是整個(gè)基團(tuán)-CH2CH2OH的電子對(duì)H’的作用,對(duì)H”,是整個(gè)基團(tuán)-OCH2CH3的電子對(duì)H”的作用,已經(jīng)包含了量子化學(xué)方法所能考慮到的不同水平的電子相互作用,并且會(huì)隨著量子化學(xué)方法的提高(如電子相關(guān))而更加完善。 在這里,所說(shuō)的電荷,并沒(méi)有刻意說(shuō)是原子的點(diǎn)電荷。電荷來(lái)源于空間分布的電子密度。 一方面由于電負(fù)性均恒原理在量子化學(xué)領(lǐng)域并沒(méi)有顯式地明確提出來(lái),只是在暗場(chǎng)被遵循著,因?yàn)樗瞧者m的能量最低原理在分子中電負(fù)性上的具體體現(xiàn)。同時(shí)與電負(fù)性相關(guān)的電荷在量子化學(xué)也一直沒(méi)有理順。 而另一方面在理論有機(jī)這樣的實(shí)驗(yàn)化學(xué)理論,又沒(méi)有好的方法計(jì)算分子中參加成鍵的原子電負(fù)性,電荷也停留在“形式電荷”水平,從而不能證明電負(fù)性均恒原理到底應(yīng)該是怎樣的。 以至于,我雖然發(fā)現(xiàn)了Sanderson電負(fù)性均恒原理的錯(cuò)處,并提出了正確的表述,雖然當(dāng)時(shí)國(guó)際上許多學(xué)者通過(guò)CA看到文摘來(lái)信索要全文,但是至今并沒(méi)有得到公認(rèn)。多數(shù)人還是引用Sanderson電負(fù)性均恒原理的表述,少數(shù)人也同時(shí)引用一下我的文章,而且不管是非相提并論。可見(jiàn)正確的東西要得到承認(rèn)是不容易的。常要等待、繼續(xù)工作。 也正因?yàn)槿绱耍?dāng)年我不能在工業(yè)性質(zhì)的研究所繼續(xù)作量化計(jì)算、運(yùn)用,下海了… 使量子化學(xué)成為未了情… 2011/11/18[ Last edited by zhou2009 on 2011-11-20 at 11:18 ] |
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