Электронная структура бензола оказалась суперпозицией структур Кекуле

Австралийские химики теоретически рассчитали электронную структуру бензола. Согласно результатам, бензол представляет собой суперпозицию структур, предложенных Кекуле. Причем электроны с разными спинами оказывали предпочтения разным структурам.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Хоть Майкл Фарадей выделил бензол еще в начале 19 века, о его структуре до сих пор идут споры. Было предложено много вариантов, самым вероятным из которых стал считаться предложенный Кекуле.

Он утверждал, что молекула бензола состоит из шести атомов углерода заключенных в цикл и связанных чередующимися одинарной и двойной связями. Однако экспериментальные данные о симметрии молекулы не подтвердили его утверждение, и Кекуле предположил, что связи могут меняться — двойная может становиться одинарной, а следующая за ней одинарная — двойной, и так далее, хоть об электронах и тем более квантовой механике тогда еще не было известно.

Понятие об электронах, химической связи, а затем и появления квантовой механики как науки способствовали появлению теории Хюккеля о том, что электроны в бензоле находятся на молекулярных орбиталях, делокализованных над и под атомными центрами.

По мере развития электронной теории химического строения два подхода — молекулярных орбиталей и валентных связей, стали конкурирующими. Исследователи считают, что банановые (изогнутые) двойные связи лучше всего описывают структуры с σ- и π-связями, что принимают за доказательство того, что более достоверно описание бензола Кекуле, чем теория о делокализованых молекулярных орбиталей (МО).

В конце концов, обе теории приняли равновозможными в теоретических расчетах, но так как МО вычислительно проще, им и стали пользоваться. Однако описание электронной структуры молекулы в понятиях одноэлектронных спин-орбиталей имеет ряд существенных недостатков, связанных с отсутствием уникальности по отношению к антисимметричной волновой функции и необходимостью учета взаимодействия электронов друг с другом.

Исследовать электронную волновую функцию из 3N-измерений, где N — число электронов в системе (в случае бензола измерений 126) можно в рамках любой из теорий, включая МО. Электроны, описываемые волновой функцией принципиально не различимы, что значит, что в 3N-мерном пространстве этой волновой функции есть области, в которых можно переставлять электроны местами без последствий, функция не изменится. Так как такие области эквивалентны и вместе составляют все пространство волновой функции, то их можно представить как некие ячейки. Вся информация о волновой функции содержится в одной из таких перестановочных ячеек.

Юй Лю (Yu Liu) с коллегами из университета Нового Южного Уэльса предложили метод, который оказался способным определить эти области в молекуле бензола и представить их в трехмерном пространстве.

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

N+1