p -ЭЛЕКТРОННОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ
, квантовохим.
метод изучения энергетич. состояний ненасыщенных соед., в к-ром св-ва молекулы
соотносятся со строением системы-орбита-лей.
В рамках молекулярных орбиталей методов все орбитали молекулы, ядерная
конфигурация к-рой имеет плоскость симметрии, можно разделить на-орбитали,
меняющие знак при отражении в плоскости симметрии, и-орбитали,
не меняющие знака. Для многих классов соед., напр. ненасыщенных углеводородов,
высшие занятые и низшие виртуальные (незанятые) орбитали относятся к-типу,
а усредненное поле, создаваемое-электронами,
можно считать локально постоянным. Это позволяет пренебречь взаимным влиянием
и -электронных подсистем
при изучении низколежащих по энергии электронных состояний.
Для молекул, обладающих плоскостью симметрии,
выделение-
и-орбиталей
не составляет трудностей. Напр., для плоской молекулы этилена-орбитали
считаются построенными из гибридных sp2-орбиталей атома
С и 1s-орбиталей атомов Н, а-орбитали
- из негибридизированных 2р-орби-талей атомов С. Для молекул, не имеющих
плоскости симметрии, строгое выделение системы-орбиталей
невозможно. В этом случае для-Э.
п. используют такие орбитали, к-рые более всего напоминают р-орбитали
атомов. Напр., для пропилена-орбитали
можно описать с помощью тех же орбиталей, что и в случае этилена, и sp3-орбиталей
атома С метильной группы. В качестве p-ороиталей
рассматривают негибридизированные 2p-орбитали атомов С.
Мол. системы, для к-рых возможно разделение
орбиталей наи-орбитали,
наз. часто-электронными
системами или просто-системами.
Как правило,-орбитали
носят локализованный характер, обычно они двухцентровые.-Орбитали
существенно менее локализованы и могут иметь трех-, четырех- или многоцентровый
характер, что в химии связывают с понятием сопряжения связей (бутадиен,
бензол и т. п.). При изменении строения молекулы (напр., введении заместителей)
изменения св-в связывают именно с-орбиталями,
а изменением-орбиталей
пренебрегают. Взаимное влияние-орбиталей
и остальных мол. орбиталей учитывают как изменение св-в молекулы при введении
заместителя (поляризацию) или как дополнит. сопряжение, используя методы,
напр., возмущений теории. Надежность результатов, получаемых в p-Э.
п., определяется тем, насколько удалены друг от друга локализованные мол.
орбитали, взаимодействующие с системой
-орбиталей, а также тем, насколько различаются эти мол. орбитали по энергии.
Как правило, в-Э.
п. для расчетов основного состояния молекулы используют полуэмпирические методы квантовой химии, основанные на пренебрежении дифференциальным
перекрыванием атомных орбиталей. Расчет низколежащих возбужденных состояний
возможен с использованием конфигурационного взаимодействия метода в
том его варианте, в к-ром однократно возбужденные электронные конфигурации
получают заменой занятых-орбиталей
на аналогичные вакантные. К таким методам относится, напр., метод Паризе
ра-Парра-Попла (метод ППП). Взаимодействие
и-орбиталей
проявляется как зависимость молекулярных интегралов и геометрии
молекулы от-электронной
плотности.
В связи с развитием расчетных методов-Э.
п. вытесняется полуэмпирич. методами без выделения-системы
или неэмпирическими методами. Однако для мол. систем большого размера
(полиацетилены, поликонденсиров. системы) учет всех взаимод. затруднен.
Для них обычно используют упрощенные варианты-Э.
п. Напр., в т. наз. приближении Хаббарда ненулевыми мол. интегралами считаются
лишь одноцентровые интегралы межэлектронного отталкивания. Еще более простым
является приближение Хюккеля, в к-ром двухэлектронными взаимод. вообще
пренебрегают, а в матрице эффективного гамильтониана, определяющего-орбиталь,
сохраняются лишь диагональные элементы и те из недиагональных, к-рые можно
соотнести с валентным штрихом в структурной ф-ле молекулы (см. Хюккеля метод).
Упомянутые упрощенные варианты-Э.
п. предполагают определение полуэмпирич. параметров по результатам расчета
энергии-системы,
потенциалов ионизации или энергий возбуждения простых молекул (без заместителей).-Э.
п. служит для описания наиб. изменчивой, легко поляризуемой и относительно
независимой части электронного распределения молекулы. Корреляционные соотношения позволяют соотнести энергию-системы
и распределение электронной плотности с хим. св-вами молекулы.
У многих мол. систем среди низших возбужденных
состояний есть такие, для описания к-рых необходим учет-возбуждений,
напр. если в-систему
включается гетероатом с неподеленными парами электронов. В таких случаях-Э.
п.
становится слишком грубым. То же можно
утверждать и для мол. систем с заметным переносом заряда при возбуждении.
У молекул, традиционно относимых к-системам,
высшие занятые-орбитали
могут лежать по энергии выше низших занятых-орбиталей
(пример - бензол). При внеш. воздействии на такие молекулы необходим учет
изменения не только
-орбиталей, но и-орбиталей
(напр., при анализе магн. восприимчивости).
С 80-х гг. стали заметны две тенденции
в развитии методов изучения-электронных
систем. Первая - отказ от учета особой роли-орбиталей
и анализ молекулы как целого или же выделение группы низколежащих орбиталей
(или групп орбиталей) молекулы независимо от типа их симметрии. Вторая
тенденция - переход к чисто топологич. моделированию высших занятых и низших
виртуальных мол. орбиталей; топологич. моделирование связано с методами
типа метода Хюккеля и теориями реакционной способности, основанными на
корреляционных соотношениях или принципах сохранения орбитальной симметрии
(см. Вудворда-Хофмана правила).
Лит.: Дьюар М., Теория молекулярных
орбиталей в органической химии, пер. с англ., М., 1972; Полуэмпирические
методы расчета электронной структуры, пер. с англ., т. 1-2, М., 1980; Травень
В. Ф., Электронная структура и свойства органических молекул, М., 1989.
В. И. Пупышев.
|