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轨道对称性、自旋与分子手性

已有 5543 次阅读 2016-8-14 14:14 |系统分类:科研笔记

   我对前线轨道理论用于解释不对称反应时的轨道对称性之说一直存在困惑。以已二烯为例,前线轨道理论在讨论电环化反应中产物出现不对称性,是如图1这么处理的。


即,无论是加热时的基态反应还是光照下的激发态反应,产物的手性都取决于HOMO轨道的对称性。图中表示p轨道的两瓣,假设阴影代表电子所在,那么阴影只能与阴影叠加成键,空白也只能与空白叠加,这决定着反应是通过对旋还是顺旋发生,产物是何种手性。

从字面上看,上述反应的结果是不对称(产物的手性不对称),起因却是对称,对称是不对称他妈,这个这个有点好比石头缝里蹦出来只猴子

我学习有机化学时,教材选的是恽魁宏版,这是我比较推崇的四个版本之一,另三个分别是刑其毅、胡宏纹、徐积功版。这些版本对前线轨道理论的介绍都放在周环反应一章。而由于用前线轨道理论解释周环反应中的立体选择性时,涉及光对分子的激发,书中又都预先介绍了分子的激发态及激发态电子的自旋和多重态特性(图2)。


自旋是电子除电荷特性之外的另一种内禀属性。它不仅是结构化学的重要内容,也在凝聚态物理学中被用于解释磁电阻、超导等现象,尤其是巨磁阻效应的发现,自旋电子学应运而生,其在自旋器件及信息存储上的应用颇受关注。

扯远了,回到正题。

对于前线轨道理论,除了“对称是不对称他妈”之外,我的困惑还在于,在谈及电子由HOMOLUMO激发产生新的HOMO时,明明都已经提到自旋了,前线轨道理论解释手性产生的机制时,为啥又只讨论电子的成键功能,却回避了其自旋特性及对成键过程的影响?

这里斗胆对图1做个处理,将阴影设为自旋向上的电子,空白设为自旋向下的电子,那么己二烯的电子排布及成键情况如图3所示,


其特征为:

1)从图形看,其中ψ14,与图1相比,正好倒置调换了

2)自旋相反、符合泡利不相容原理的电子间可以成键,在分子链平面的一侧,相邻电子自旋反平行(不对称的电子)越多,分子越稳定

3)将相邻自旋相反的电子用绿线链接起来,绿线越长越不稳定;绿线与分子链交点越多,越不稳定

4)加热或光照反应时,根据泡利不相容原理,只有自旋方向相反的电子布居叠加才能成键。据此得出的对旋和顺旋,与之前的前线轨道理论处理结果一致

5)手性产物的不对称符合自旋不对称(反平行)要求,是物理规律的结果。不对称他妈是不对称。



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3 吕喆 田云川 zhoutong

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