JAPC  >> Vol. 7 No. 3 (August 2018)

    化学键的量子化学研究(三)
    A Quantum Chemistry Study of the Chemical Bond (3)

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作者:  

周光耀:北京科音自然科学研究中心,北京

关键词:
化学键电子共享多中心键σ-超共轭Chemical Bond Electron Sharing Multi-Center Bond σ-Hyper Conjugative Effect

摘要:

通过量子化学计算,进行分子轨道和电子密度差分析,从Hellman-Feynman静电定理的视角,严格定义了多中心键。多中心键也是原子之间共享电子引起的结合力。讨论了一些形式上的多中心键。

Through quantum chemical calculations, molecular orbital and electron density difference analyses were performed. From the perspective of the Hellman-Feynman electrostatic theorem, multi-center bond is strictly defined. Multi-center bonds are also the binding forces caused by the sharing of electrons between atoms. Some formal multi-center bonds are discussed.

1. 前言

化学键的物理定义应是:原子(或基团)之间对成键区的电子共享产生了结合力。这结合力对抗了体系中电子之间、核之间的斥力,达到一定程度的稳定平衡,产生了化学键。

关于成键区的概念和实际区划,见Levine的《量子化学》 [1] 的论述和图示,它是根据Hellman-Feynman静电定理实际计算得出的。前文 [2] 讨论并应用过这个静电定理。

成键区、反键区的电子区划,只是在作理论说明时才展示的,在进行量子化学计算时,计算程序是会自然而然按此进行的,并不要求人为指定或干预。

本文的一些约定:

本工作用Gaussian16程序 [3] 进行量子化学计算,各种计算方法会在文中说明,而基组统一用6-311++G**。另外的基组则在文中说明。进一步用Multiwfn 3.1 [4] 和gaussview 6进行数据处理和作图。

作电子密度差 Δ ρ 时,原子ρ的数据取自Multiwfn程序自带的球对称化原子波函数文件。等值线起始值为±0.0004,用几何级数来生成等值线,步长为2,设定等值线条数为10。虚线为ρ减少的区域,实线为ρ增加的区域。此外的方法和参数值则在文中说明。

距离不标出单位时是Å,电荷和能量数值不标出单位时是a.u.

2. 多中心键的定义

2.1. 多中心键的定义

要讨论多中心键,首先必须给它以明确的定义,并且要有确定的方法来界定、检测它的性质特征。

通常多中心键被定义为由多个原子共用若干个电子形成的共价键。这是广义的概念,太宽泛,易于把许多形式上的多中心也包含进去。

H 3 + 是一个公认的三中心二电子(3c2e)键 [5] ,此外没有任何其它的键,其实,从 H 3 + 就可以抽象归纳出多中心键定义和特性。它天生就是可以用来定义多中心键的一个客观实体。

H 3 + 并结合着其它多中心键,可以抽象出多中心键的定义和性质如下:

多中心键是三个或更多原子围成了一个空间,这些原子分别提供带电子的轨道或者空轨道,这些原子在围成的空间轨道融合,各原子共享着中央成键区电子产生的结合力、形成化学键。它作为共价键的一个键种,是一个单键,这个键上允许的电子数最多只为2,成键区的电子还要小于2。

2.2. 多中心键与 Δ ρ

通常,电子密度差 Δ ρ 可以用来确定是否存在真正的多中心键。在双原子之间成键时, 在双原子键轴中央会出现明显的增值,从而画出了一个键的脉络、路径,这是原子(基团)势场中电子排布的实情反映,被科学抽象为一条原子之间的连线—键。

在多中心键, Δ ρ 的具体表现是:三个或更多原子在所围成的中央成键区同时共享着的电子, Δ ρ 在这个中央成键区电子密度增加,而且中央区是电子密度最高处。

H 3 + ,用ωB97XD方法 [6] 进行计算,并作相关的 Δ ρ 图像(自由H原子wfn的电子占据取0.6666667)。这时原子所围成势场中央空间的 Δ ρ 呈现聚集密度增加的状态,并且从电子密度增加的情形可以看出多中心键构成的脉络、路径。图1(A)就是 H 3 + 共享电子在原子势场中央密度增加的情形。

至于表面上形式上多中心的 Δ ρ ,三个或更多原子所围成的中央电子密度是减少的,即成键区基本没有多少共享的电子。这是由于三个或更多原子的电子已经分别两两配对成键,没有再分别提供带电子的轨道或者空轨道,而已经成键的键电子彼此之间在多原子所围成的中央构成较大的斥力,这使得 Δ ρ 在中央区密度较周边要低,通常中央区密度明显减少以致 Δ ρ 为负值,特殊情况下为小的正值但还是较周边低。图1(B)是C4H8 Δ ρ ,4个C原子之间成键电子增加,而4个C原子所围成的中央空间是电子密度的减少区域。4个C原子都没有向中央提供带电子的轨道或空轨道,反而是C-C键的键电子彼此之间的较大排斥,形成中央电子密度的减少。可见, Δ ρ 可以成为多中心键的参考判据之一。

2.3. 多中心键的搜索程序AdNDP

AdNDP (Adaptive natural density partitioning适应性自然密度划分) [7] 是专门用来搜索分子体系多中心轨道的程序,已经集成在Multiwfn之中了,它用穷举法找到分子中所有可能的各种多中心轨道作为候选轨道列表,从中可能找到多中心键。图1(C)就是由AdNDP作的三中心键的电子占据情形,电子密度高处在3中心的中央,等值面取值0.2,它展示了这个三中心键共享电子中央成键区的大致区划。

但AdNDP方法找到众多的多中心的候选轨道列表时,并不能确定哪些是真正的多中心键,哪些只是形式上的多中心,而且绝大多数只是形式上的多中心。需要根据定义来判别和用 Δ ρ 观察在多中心的中央是否有电子密度增加来印证。AdNDP方法把一个多中心键看着是一个定域化的键轨道,这个键轨道最多只能有两个电子。

一旦确定了哪个、哪几个轨道是多中心键,AdNDP方法可以把多中心键的轨道定域地计算、表达出来,比等效的MO理论方法的电子完全离域更适合表达多中心键。

3. 多中心键的一些实例

3.1. L i 5 + 团簇

用DFT-D之B2PLYPD3方法 [8] 计算 L i 5 + 团簇 [9] ,在这时得到的MO已经可以看到两个4中心2电子键(4c2e)。在multiwfn程序中运行AdNDP寻找多中心键的键轨道,得到两个简并的4中心2电子键。在作4中心键时,逐步加大等值面初始值时,轨道图像向4 Li所围成空间中央收缩,图1(D)是等值面值取值0.07时的图像,两个键轨道图上下拼在一起了,中间三Li用虚线连接是为了视觉的立体感,不代表有某种成键。这里,只有两个4c2e键,没有其它任何种类的键。

3.2. 二硼烷B2H6

二硼烷B2H6是一个多中心键的著名实例,它的结构历来有大量的工作。现在从实验和理论计算都

Figure 1. (A) Δ ρ of H 3 + , (B) Δ ρ of C4H8, (C) AdNDP of H 3 + , (D) AdNDP of L i 5 +

图1. (A) H 3 + Δ ρ ,(B) C4H8 Δ ρ ,(C) H 3 + 的AdNDP轨道,(D) L i 5 + 的AdNDP轨道

一致确定它是两个硼原子与四个H原子成键所在平面垂直于两个硼原子及另外二个H原子所在平面,见图2,并认为后者为两个三中心二电子键 [10] ,或者说是一个四中心四电子键 [11] 。

本题用CCSD方法(考虑电子相关)作全优化计算,并作B2H6与两个BH2基团、另外两个H原子的 Δ ρ 。进一步取其中的多中心键这平面截面的等值线,见图2(A)。这个图表明,二B在多中心键架构中,由一个BH2基团单电子p型轨道演化成两个近似sp3型杂化轨道,用上了原本存在空轨道,去形成多中心键。图2(A)正是历来称为H桥键的具体电子形象根据。但作为一种多中心键,不必一定囿于B、H有连线那样的桥键,而是三中心吸引共同的键电子而已。

用BH2分子片来作 Δ ρ ,一方面可以将B-H键的电子变化抵消掉,只显示多中心键。另一方面,两个BH2分子片按B2H6中的坐标安排,二B的单电子轨道本应是相互指向的。如果B、B之间成键,那么它们之间电子密度就会明显增加。现在B、B之间有明显的电子密度减少,表明B、B之间没有形成一个电子配对的正常的共价键,而是二B各自分化成了两个sp3型杂化轨道去成键。但从现在B、B之间的距离看,它恰好在B-B正常键的长度,这是多中心键以及超共轭的结果。

从总体来看,全空间的电子在二B二H围成的四中心的中间聚集,四中心所围成的菱形空间就是成键区,这似乎可以看作是一个四中心四电子键 [11] 。

B2H6的MO7,见图2(B)。这里中间的青色表达了四中心原子对电子的吸引,所以它们是同一个相位的。同时也表明了这个多中心键体系与另外四个通常的B-H键是相互排斥的,它们是反相位的。

B2H6的MO5,见图2(C)。它明确地表明这个四中心是由两个三中心键组成的,而且这两个三中心键是相位是完全相反的,是相互排斥的,这里表达了两个3c2e键的键电子的排斥。和分子中所有键一样,对于邻近的键,有的MO会表明它们的MO是相位相符在一起的,因为这一方的原子也会吸引对方的电子,表明它们之间是有引力的。另有的MO会表明它们的MO是反相位在一起的,因为这一方的键上的配对电子会排斥对方的键上配对电子,表明它们之间是相互排斥的。分子的结构正是这吸引和排斥的平衡,对立的统一。

MO5表明两个三中心键是反相位、独立存在的,一个三中心键共享两个电子,它们之间像通常两个邻近键那样有相互作用,既有同相位MO7,又有反相位MO5。

还可以用AdNDP方法寻找对应多中心键的AdNDP轨道,得到两个简并的3中心2电子键(3c2e),其中一个见图2(D),等值面取值0.21,它展现了这个3c2e键的大致的共享电子的成键区。此图表明三中心共享中央电子,是这种形式意义上的氢桥。

3.3. 三硼烷B3H9

三硼烷B3H9是另一个多中心键例子 [12] 。用MP2进行计算,优化的结构见图3(A)。

三个B形成一个等边三元环,但相互并未成键,所形成的三个BHB是各自独立的三中心键。图中

Figure 2. (A) Δ ρ of B2H6, (B) MO7 of B2H6, (C) MO5 of B2H6, (D) AdNDP of B2H6

图2. (A) B2H6 Δ ρ ,(B) B2H6的MO7,(C) B2H6的MO5,(D) B2H6的AdNDP轨道

Figure 3. (A) Structure of B3H9, (B) Δ ρ of B3H9, (C) Δ ρ of Li4(CH3)4, (D) Section contours of Δ ρ of Li4(CH3)4

图3. (A) B3H9的结构,(B) B3H9 Δ ρ ,(C) Li4(CH3)4 Δ ρ ,( D) Li4(CH3)4 Δ ρ 之截面等值线

虚线只表示原子之间的关连,不代表键。这三个三中心键的平面与三个B不在同一个平面,其中两个三中心键折向平面上,二面角为20˚,另一个三中心键折向平面下,二面角为−29˚。

作了全分子对各原子的 Δ ρ 后,可以对任一个BHB三中心键的平面作等值线图,见图3(B)。此图中心部分表明了H的s轨道受二B的吸引向二B的中央方向变形、延伸,与二B的带半个电子的轨道形成2电子共享。而此图两边的部分表明了BH2所成的键,虽然H因有小的夹角不在这个平面,但它们的键电子还是被截取到了。更重要的是,在这个BHB三中心键,BH并不是电子连贯增加形成所谓桥键脉络,而是刚好相反中间出现电子密度减少的断痕。这断痕正是三中心键与邻近的正常BH键电子相互排斥、相应波函数反相位叠加的结果。这个图没有出现B-B键的痕迹,如果有B-B键,在这个键脊上电子会是增加的。如果真有B-B键存在的话,那B就没有轨道去与H共享电子了。

这里的BHB三中心键,只是这三中心原子在中央共享H的s电子和两B的各半个电子,只能说是这种形式意义上的氢桥。

3.4. 四聚甲基锂Li(CH3)4

四聚甲基锂Li4(CH3)4例子 [13] 。它是个缺电子的具有多中心键的金属有机化合物。用MP2计算,只看四聚甲基锂电子密度ρ,与分子片Li4的ρ和4个CH3分子片的ρ的 Δ ρ ,这里只看到甲基单电子的变化形象,见图3(C),紫色为ρ的增加区,青色为ρ的减少区。

这个图可以看到4个CH3的单电子指向、移向Li4四面体的4个面,这是甲基单电子从内嵌到脱颖而出走向配位的形象,其它价键没有电子变化。图中有一个CH3在底部不能看见,但这使得另三个很明晰。为了使图像清晰,等值面取值±0.01。

图3(C)清晰地表明,是CH3的单电子移向Li4四面体的4个面形成配位,形成了四个四中心键。但是表面看C的电负性远大于Li,它的单电子如何会受吸引去配位呢?

从甲基单电子直指的一个三Li围成的正三角,看看Li在Li4四面体中的电负性变化。作在Li4(CH3)4 Δ ρ 中的三Li围成的正三角这个截面的等值线图,见图3(D)。此图Li-Li之间有明显的电子向键中间聚集,这使得Li处的电子明显减少,电负性增加。同时又看到,由于键电子之间的排斥,Li的电负性又过于小,键中间聚集的电子向外远离Li-Li键轴,进一步使得Li原子裸露,Li原子在环内裸露,Li此处电负性大增,环中心重新聚集了电子,这使得Li4紧密地聚集在一起,并且使得三Li围成的正三角面具有很强的吸电子能力,可以接受甲基单电子来共享。从图3(D)还可以看到,三Li围成的正三角中央虽也有电子增加,但仍是密度增值的最低处,不是三中心键。从图3(C)还可以看到,由于Li4有电子四面来配位,Li4中心电子减少,即此处吸引电子的能力相对于Li4有所下降。

4. 再谈多中心键的概念

一方面我们认识到各种化学键有着统一的本质,概念需要升华、扩大,提出化学键是原子(基团)共享成键区的电子产生结合力。另一方面,对于多中心键作为一个独立的键种,又应该严格界定。定义多中心键是三个或者三个以上原子(基团)共享电子而产生结合力。由于历史的缘故,原子被称为“多中心”了,其实共享的电子才是中心,本文只好称之为中央,外围是三个或者三个以上原子(基团)。但我们现在仍然称为多中心键,其意自明。外围的原子(基团)之间成键与否、成键多少,并没有规定。

由于多中心键至今有各种定义和理解,且常常是广义的,所以对于多中心键的讨论,在列举了上面的一些多中心键典型的例子之后,这节却还要讨论哪些不应属于多中心键,只是表面上的多中心。

判断分子中是否有多中心键,不外乎两个原则:

第一、当然是上述多中心键的定义:三个及以上原子形成的多中心键,核心是由其中有的原子提供带非键电子轨道、有的提供空轨道,从而融合了这些轨道来共享电子。

第二、看是否必须让多中心键概念扩大去包容。三个及以上原子成键,当它们是两两成键(σ键、π键等),并且用两两成键以及它们之间效应(诱导效应、共轭效应、σ-超共轭等)完全可以解释分子,又没有多余的非键电子或空轨道另外交盖融合时,不必纳入多中心键,或说是不必让多中心键的概念扩大到这些分子。多中心键只是多原子共享电子的一个键种,不是一种特殊的效应,不要把额外的性质都加入其中。

围成多中心的原子它们之间的已经成键的电子并不是多中心键的共享电子,它们各自作为键电子相互之间是有排斥力的,它们会分属于不同的MO,是正交的,不会混在一起作为多中心键的共享电子。

多中心键涉及到的原子有的是所谓缺电子的,也即是存在无电子占据的空轨道。空轨道表征着一种潜在吸引电子、接受电子成键的能力,以及它的方位范畴,是没有电子占据的客观存在的核势场。

但是像上面说的Li4这样的四面体,它的中部虽然有电子聚集,这电子却是四个Li-Li键的电子向内布居电子叠加的结果,还是属于四个Li-Li键的,不能算是四中心键。

4.1. 为什么σ-超共轭本身不构成多中心键

本来,与 H 3 + 这个三中心键最好对照应是C3H6,C3H6所围成的空间,三C都没有向围成的空间提供电子或空轨道,它应不是一个三中心键。但是C3H6与组成它的原子的 Δ ρ ,其中央虽然是密度的低谷却仍然为微微增加的正值。原来C3H6是一个σ-超共轭体系,这在历史上早已有研究的了 [14] [15] 。

波函数y和电子密度r是用来接近真实地反映、描述电子在核势场空间的客观状态、分布的。任何原子、分子的化学存在和性质,都必定会有体系的波函数y和电子密度r为之反映、对应,对于简单分子,这种对应还可以是简单明晰的。

图4(A)是C3H6的MO7的形象:每个分子片HCH上的两个σ-CH键是反相位的,它与苯的C上的p型轨道相类似,表明这两个σ键电子之间是相互排斥的,但三个HCH却相互之间形成同相位共轭,像苯上C的p型轨道那样共轭。此图等值面取值0.09,如果取值再小一点,上下正负值是分别连成一个整体的,像苯的p型轨道连成一体一样。因为是σ-键构成的共轭,故称之为σ-超共轭,具有σ-芳香性。C3H6是σ,σ-超共轭。

用CCSD方法分别计算,CH3-CH3的C-C键长1.5334,σ-超共轭的C3H6中宿短至1.5128,非σ-超共轭(反芳香性)的C4H8中键电子排斥撑长至1.5593。

然而这个σ-超共轭的C3H6是否会形成多中心键呢?

图4(B)是C3H6在分子平面的电子密度 Δ ρ 截面等值线图。这个图像通过了三个HCH的电子密度的截面,从而截去了HCH的电子分布,只剩下三个C成键电子。此图按通常初始等值线画图时,三C的中央也是分布了少许电子的,因为σ-超共轭拉拢了三C的成键,电荷也弥漫覆盖到中央了。但三C的中央却仍是电子密度相对较小处,没有构成三中心键。而对于三中心键 H 3 + 电子密度ρ的AdNDP图像,即图1(C), H 3 + 的中央却是电子密度最大处。

Figure 4. (A) σ-hyper conjugative of C3H6, (B) Δ ρ of C3H6, (C) Section of Δ ρ of C3H6, (D) σ-hyper conjugative of B2H6

图4. (A) C3H6的σ-超共轭,(B) C3H6 Δ ρ ,(C) C3H6 Δ ρ 截面,(D) B2H6的σ-超共轭

用CCSD方法优化计算C3H6与各原子的 Δ ρ ,在分子平面上方约0.8 Bohr处作 Δ ρ 截面等值线图,见图4(C)。这时只观察三个CH2的σ-超共轭构成C3H6前后σ-超共轭的ρ的变化,此时截到的主要只是σ-超共轭上瓣的部位,而基本离开了C-C键的电子内容。此图表明,虽然电子在C-C的上方的中间是增加的,表明形成了σ-超共轭。然而三C的σ-超共轭围成的中央却是电子减少的,不构成多中心键。

此时,当逐步提高等值线初始值时,电子收缩向各个中心原子,这样就不构成多中心键,见图4(A)。而电子收缩到多中心的中央才是多中心键。这是多中心键电子成键关系的动态判据。

文献 [16] 研究了二硼烷B2H6的σ-芳香性。其实分子中两个相对的BH2分子片它们也构成σ-超共轭,就像是两个并行的p轨道形成共轭一样。两个BH2使分子具有芳香性的σ-超共轭,在分子的MO6就有它们的表征,见图4(D),等值面取0.05。只是这个BH2的σ-超共轭所在的平面与那两个三中心键的平面是垂直的,是正交的,是不同MO,BH2的σ-超共轭不属于三中心键。

CH2、BH2这样的分子片部件,还可以与共轭π键对叠起来成为σ,π-超共轭,图5(A)是用MP2方法优化计算的自由基CH2=CH-CH2的MO8图像,它反映了自由基处的CH2与C=C的π键相位相符的σ,π-超共轭形象。由于有超共轭,自由基处的C-C单键由1.49869宿短至1.47873了。

但是,这种链状σ,π-超共轭已经有足够的价键关系来说明了,并不需要用多中心键来概括它。

当然它还有MO5图像,主要描写C=C的π键以及这个键与自由基处的CH2的排斥。有超共轭吸引又有排斥,就是这样对立的统一。

图4(A)的C3H6的MO7的σ超共轭吸引形象,其实C4H8也有,但CH2、BH2这样的分子片之间也有相互排斥的一面,还有许多MO在表达着排斥,如果吸引占上风,就是σ-超共轭,有可测的σ-芳香性,如C3H6。如果排斥占上风,就不构成σ-超共轭,如C4H8

σ-超共轭以及具有σ-芳香性,是键与键之间的关系、效应。而多中心键只是一个单一的键,它本身没有σ-超共轭以及σ-芳香性的问题。

构成多中心键的原子之间可能还另外形成σ-超共轭,但这是多中心键之外、同时存在的两桩事,它们处在不同的相互正交的MO,如B2H6中,两个三中心键是MO5、MO7,而两个BH2形成的σ-超共轭是MO6,它们是正交的。

4.2. 为什么苯分子不构成多中心键

苯分子,6个C形成6个σ键和6个共轭π键。这里是否有6中心键呢?

用MP2方法优化计算的苯分子。用苯分子与组成它的各个原子作 Δ ρ ,取苯分子截面作等值线图,见图5(B)。这个图鲜明地展现了6个C-C键和6个C-H键电子在键间增加的情况。同时也鲜明地展现了在6个C-C键电子相互之间强烈排斥的情况下,6个C所围成的环中央电子密度明显减少成为负值区。

这里只有C-C键和C-H键之间的电子增量,它们都是典型的σ键。没有在环中央电子增加的6中心键,也没有必要认定这里有一个6中心键,这里只是一个形式上的6中心。

Figure 5. (A) σ,π-hyper conjugative of CH2=CH-CH2, (B) σ- Δ ρ of C6H6, (C) π- Δ ρ of C6H6, (D) MO10 of (FHF)−1

图5. (A) CH2=CH-CH2的σ-超共轭,(B) C6H6的σ- Δ ρ ,(C) C6H6的π- Δ ρ ,(D) (FHF)−1的MO10

再看苯的6个共轭π键是否形成了多中心键呢?在上面苯分子的 Δ ρ 平面的上方约1.5 Bohr处,作一个平行于苯平面截面的等值线图,见图5(C)。

图5(C)因为远离6C平面,C未标出,可参照图5(B)定C的位置。此图表明,在垂直于苯平面6个p轨道共轭时原子之间因p轨道重叠电子增加了,而6个共轭π键之间也会相互排斥,以至于6个共轭π键所围成的中央电子是减少的,这里不存在中央电子增加的6中心键,也没有必要认定这里有一个6中心键,这里只是一个形式上的6中心。

这里,苯分子,6个σ键和6个共轭π键,就足以说明体系的成键性质了,无需将多中心键概念扩充至此,在这个体系没有什么新的性质需要用多中心键才能概括出来。

4.3. 为什么多中心键没有σ和π的内容和形式

双原子生成的σ键是圆柱状的,多中心键从多个中心来共享同一电子,自然就不会再有σ圆柱状的。即使是σ键演化成为多中心键,如 H 3 + 可以认为是σ键分子H2与H+生成的,但这时已经没有σ键了。

而三个以及更多原子直线、折线两两成σ键,如果没有缺电子空轨和非键电子,它们并不构成多中心键。比如分子(F-H-F)−1,这里是否为三中心键呢?无论从MO看还是从AdNDP的图形看,它们既有二F-H的相位相同的图形,似乎是一个三中心键,但还有二F-H的相位相反的图形,说明两个F-H键是独立的,二键之间的键电子是相互排斥的,这在多中心键中是不会有的。图5(D)是(F-H-F)−1用CCSD计算的结果,它的MO10二F-H键反相位。在(F-H-F)−1中,各种电子的关系以及成键都可以用双中心键以及它们之间的作用说明白,不需要多中心键的概念。

但π键似乎也会参加构成多中心键,这里情形如何呢?可以算算相关的例子具体看一看。

例如乙炔和H+生成的三中心键,用CCSD方法,它的三中心键的AdNDP结果见图6(A)。计算表明,原来乙炔的C≡C三键键长为1.20774,在三中心键中这个键变长至1.22975了。从图细看,H+是s型球形空轨道,它是从π键的端头成键的,π键端头分开、还原成为两个p型轨道与H+的s相迎成为三中心键,这一个π键被分解了,还原出的两个p型轨道重新杂化,其大瓣奔向H+

此例虽然分解了一个π键,但是键长伸长还不是很多,因为新生成的三中心键又拉住了它们。表面看起来是一个π键参与成键,实际是π键分化为两个p型轨道用端头去成键,此处已谈不上π键了。分化了一个π键,还剩一个双键。

再看一个1,5-环辛二烯(COD)与H+构成的两个三中心键例子。H+是s型球形空轨道,如果去与π键并列叠加、共套驾軛,由于对称性不同、正交,不能组合成键。

先用MP2优化计算1,5-环辛二烯,是一个椅式构型,见图6(B)。用同样方法优化计算1,5-环辛二烯内嵌H+,它的两个三中心键的其中一个AdNDP结果见图6(C)。从图细看,这里的π键也是分化为两个p型轨道并用大的瓣头去成键,这里已经没有真实意义上的π键了,这从分化为两个p型轨道的另一个

Figure 6. (A) AdNDP of HC≡CH…H+, (B) Structure of COD, (C) AdNDP of COD…H+, (D) AdNDP of [H3OH2]+

图6. (A) HC≡CH…H+的AdNDP轨道,(B) COD的结构,(C) COD…H+的AdNDP图,(D) [H3OH2]+的AdNDP图

小的瓣看得更明显。1,5-环辛二烯的双键原来长1.34567,与H+构成的两个三中心键之后键长伸长至1.37625了,三中心键还拉住了键长不使过分伸长。只是H+一下子要生成两个三中心键,吸电子能力有所减弱,再加上环内电子排斥较大,电子被排斥得有些向环外了。

回头再看图6(B),1,5-环辛二烯,从二烯上四C所连的H的取向看,四C上构成π键的p型轨道原本就平伏在四C所构成的平面,p型轨道的一瓣两两相交相吸,环辛二烯不是一个大圆环,而是一个椅状。二烯相距2.55631,而另外环上两端C相距3.76776。这时π键键长为1.34567,而CH2=CH2中π键键长为1.33892,环辛二烯中已稍微变长,π键已微有削弱。

无论是由σ键或者是π键一旦演化成为的多中心键,已经没有σ键或者是π键的内容了,不宜再说是σ或者是π多中心键了。

4.4. 链状分子不构成多中心键

三个以及更多原子直线或者折线成键的链状分子,如果没有另外的未成键的带电子的轨道和空轨道在一起成键,它们已经是两两分别成键各自共享各自的键电子的,不构成多中心键。

当在一个分子体系中存在多中心键时,比如(H3OH2)+,它的三中心键的AdNDP见图6(D)。不要因为有了这一个三中心键,就把整个分子体系都说成多中心键。其实这个三中心键和其它各键都是独立存在又相互影响的。

5. 结论

第一、化学键的品种之一多中心键,它的本质仍然是构成多中心键的原子共同对成键区的电子共享产生结合力,形成了化学键。

第二、多中心键应该严格定义。一些分子中原子之间已经分别两两成键(σ键、π键等),以及这些键之间还有相互作用、效应关系(诱导效应、共轭效应、超共轭等),体系成键关系明确,没有需要用多中心键才能概括的内容,不必归纳入多中心键。

致谢

本文的计算由北京科音研究中心的卢天博士提供计算资源,并对此研究工作进行了讨论,特此致谢!

文章引用:
周光耀. 化学键的量子化学研究(三)[J]. 物理化学进展, 2018, 7(3): 121-130. https://doi.org/10.12677/JAPC.2018.73015

参考文献

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