返回
有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）
有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）
2024-07-01 04:08:34  作者:对你偏  网址:https://m.xinb2b.cn/know/pav181554.html

1864年冬的某一天，德国化学家凯库勒坐在壁炉前打了个瞌睡，原子和分子们开始在幻觉中跳舞，一条碳原子链像蛇一样咬住自己的尾巴，在他眼前旋转。猛然惊醒之后，凯库勒明白了苯分子是一个环——就是现在充满了我们的有机化学教科书的那个六角形的圈圈。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(1)

教科书中写道：苯分子里6个碳原子都以sp2杂化方式分别与2个碳原子形成碳碳σ键、与1个氢原子形成碳氢σ键。另外苯环上6个碳原子各有1个未参加杂化的2p轨道，他们垂直于环的平面，相互平行重叠形成大π键。因为大π键的存在，苯的结构更加的稳定。但是苯分子到底是什么样的电子结构，科学界一直以来有很大的争议。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(2)

2020年3月5日，国际顶级期刊《Nature》的子刊《Nature Communications》在线发表了题为“The electronicstructure of benzene from a tiling of the correlated 126-dimensional wavefunction”的研究文章，采用理论框架（包括轨道理论）获得化学层面的数据，应用DVMS在126个维度下绘制波函数，成功揭示了苯的电子结构。通讯作者和通讯单位分别是悉尼新南威尔士大学ARC杰出科学中心的Timothy W. Schmidt和堪培拉大学的Terry J. Frankcombe。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(3)

研究预览

苯的电子结构是各种电子结构观点的练兵场，其中价键理论将电子定位在叠加共振结构中，而分子轨道理论描述了离域电子。但是，从轨道的角度来解释电子结构，忽略了在同类自旋交换时，波函数是反对称的；此外，分子轨道并不能直观地描述电子间的相互关系。

在此文章中，该团队证明了苯的126维电子波函数可以通过相似自旋的排列被分割成若干块。利用相关的波函数，这些磁瓦被投射到每个电子的三个维度上，以揭示凯库勒结构的叠加。但是，相反的自旋有利于交替使用凯库勒结构。这一结果简明扼要地描述了苯中电子关联的主要作用，并强调当能量上有利地避免电子间的相互作用时，电子将不会在空间上成对。

内容详解

六元环芳香族化合物，普遍存在于生物界中，他们是DNA和蛋白质的重要组成部分。苯是典型的芳香族分子，与其他不饱和烃相比，具有特殊的化学稳定性。1825年法拉第第一次报道了它，自此之后它的电子结构已经被讨论了一个多世纪。凯库勒提出了许多结构公式，其中最令人满意的是单键和双键交替的结构，然而，这种结构并不具备满足实验证据所要求的六倍对称性。为了解释这一点，凯库勒提出了这些结构之间的振荡，尽管他对电子或量子力学一无所知。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(4)

图1 苯的DVMS结构

1897年电子的发现促使刘易斯在1902年提出了双电子化学键，尽管这个想法直到1916年才发表。随着量子力学的引入，鲍林证明了两个具有相同能量的凯库勒结构会产生共振，从而产生更低的能量形式。赫克尔提出了一种不同的方法，电子将占据分子轨道(MOs)，在多个原子中心离域。

随着化学电子结构理论在随后几十年的发展，在分子轨道方法（MO）和价键理论（VB）之间产生了竞争。前者强调简单的计算；后者则重在化学知识的直觉。一直以来化学教科书中提到的σ——π结构是一种比较好的解释苯的结构，被认为是凯库勒比分子轨道更加切合真实情况。经过充分的计算，科学界早就认为，MO方法和VB方法收敛于对电子结构的相同描述，因此它们与计算形式一样有效。总的来说，MO方法被认为更加的合适，毕竟计算比较简单。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(5)

图2 用DVMS分析波函数

该团队报道了一种识别和可视化波函数块的方法，这个过程被称为dynamic Voronoi Metropolis sampling （DVMS），它使用迭代算法来识别由节点描绘的三维空间中的区域，在不同符号块之间有边界的情况下，在相似符号块的情况下使用Voronoi图。DVMS程序复制了诸如核心电子、单键、多键(香蕉型)和孤对电子等基序，该方法的唯一输入是正确的反对称性波函数，因此与理论方法无关。

在本文的工作中，该团队使用DVMS程序重新研究了苯的电子结构，结果发现，一个单行列式波函数可以复制凯库勒结构，但当两个自旋集同时存在时，它们对凯库勒结构和凯库勒结构的位置是不确定的。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(6)

图3 采样法分析波函数

每个自旋的电子在碳之间交替地单键或双键，符合凯库勒结构。为了表示波函数的范围，它可以被横切:波函数的等值面在每个电子的维度上被绘制出来，依次在Voronoi位点上保持其他电子，这导致了图1b所示。每个蓝色的波瓣表示每个C-C成键电子的范围，而C-H成键电子用灰色表示。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(7)

图4 重叠和交错凯库勒结构的平衡总体

本质上，电子对通过彼此的电子相互排斥，降低分子的能量，从而更稳定。当能量上能避免电子间的相互作用时，电子将不会在空间上成对。正是通过允许电子去偶，相关效应才得以显现。如苯，更倾向于形成电子密度均匀分布于碳-碳键之间的交错凯库勒结构。

有机化学苯研究背景（重新研究苯的电子结构）(8)

图5 苯共振图示

在交错构象中，每个碳-碳键区域有3个电子，但在重叠构象中，其中3个碳-碳键含4个电子，3个碳-碳键含2个电子。在21种构象中，53%是交错型的。更重要的是该团队发现自旋向上的电子是双键，而自旋向下的电子是单键。凯库勒结构隐藏在反对称分子轨道波函数中，自旋不配对和交错构象的存在是关键。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15039-9

  • 周五健康科普贴（这一次星动日的健康暖心包）
  • 2024-07-01这一次星动日的健康暖心包说到年轻人的养生之道除了枸杞加雪碧其实还应该有定期的健康体检更了解自己才能遇见更健康的自己本次中国移动全球通星动日活动特地带来了健康暖心包爱康体检宝1800元礼包内含多张超值抵扣券&联仁健康守。
  • 三更灯火五更鸡是什么含义（古人言一更人二更火）
  • 2024-07-01古人言一更人二更火古人言：一更人、二更火、三更鬼、四更贼、五更鸡，是什么意思？“天干物燥，小心火烛”，这是一句在古装剧中，经常可以见到的台词这句话代表了一个古代的特殊职业，这种人在古代被叫做更夫更夫是古代专职夜间巡逻，。
  • 平板电脑怎么分屏
  • 2024-07-01平板电脑怎么分屏1.打开设置.在桌面上点击设置按钮,这是设置分屏的地方,也是很多功能设置的位置,直接点击打开即可.2.然后点击通用.在ipad中,很多功能都是在通用中进行设置的,因此需要点击通用,这样才能设置.3.接。
  • 网易云音乐热度计算方式（网易云音乐推出摸鱼计算器）
  • 2024-07-01网易云音乐推出摸鱼计算器18日，网易云音乐上线摸鱼计算器，并表示，“摸鱼”虽好，可不要贪摸哦，正确听歌有助于提升工作效率！网易云音乐摸鱼计算器是一款轻松趣味的测试游戏用户输入每天的上班下班时间，就能够得到自己今年的摸鱼时间和。
  • 香港实行何种汇率制度（香港联系汇率制度再考察）
  • 2024-07-01香港联系汇率制度再考察核心观点2022年5月以来，港元汇率频频触及弱方兑换保证本文介绍香港联系汇率制度的运作原理，分析本次港元触及弱方兑换保证的原因，探讨其背后值得关注的根本性问题一、香港联系汇率制度的运作原理中国香港在1。
  • 一家洗浴中心投资（一晚上50块的招待所）
  • 2024-07-01一晚上50块的招待所国庆出去玩，我只花了50元就住了一晚国际大牌连锁酒店，这家酒店名叫OYO那一晚的体验一言难尽，听着大渡河的咆哮声，我两点才睡着旅行归来，我在无意间刷新闻时才发现，我入住的这家OYO竟然是一家印度连锁酒。
  • 科比精神励志名言：科比励志名言
  • 2024-07-01科比精神励志名言：科比励志名言总是有人要赢的那为什么不能是我呢——科比这句话是科比说过的，不得不佩服老大的心理素质我记得当时有一场比赛是球星马特巴恩斯关于他和科比的一件旧事关于他在2009-2010赛季，魔术和湖人的一场比赛中，在。
  • 回笼觉对身体有什么危害（听说睡回笼觉对身体危害很大）
  • 2024-07-01听说睡回笼觉对身体危害很大“真害怕，一觉醒来就到了吃晚饭的时间”“我担心睡醒之后不知道扣了几天的奖金了”很多人都喜欢睡回笼觉，据说每天关掉闹钟的那5分钟里，是睡得最香的时候有些人就会说回笼觉睡得越多，对身体的危害就越大，这是真。
  • 终结的炽天使阿朱罗丸哪集穿女装（阿朱罗丸的真实身份）
  • 2024-07-01阿朱罗丸的真实身份《终结的炽天使》这部动漫已经停在了第二季，虽然漫画依旧更新着，但也是十分拖沓不知道小伙伴们是不是还记得，主角百夜优一郎的鬼咒装备阿朱罗丸其实笔者第一次看动漫的时候，还以为这是一位可爱的小姐姐，但是事后。
  • 物流信息系统有哪些功能（物流信息系统介绍）
  • 2024-07-01物流信息系统介绍在物流范畴内，建立的信息收集、整理、加工、储存、服务工作系统，称为物流信息系统就拿现代销售来说，一套完整的销售物流信息系统一般应具备以下基本功能：定时掌握系统现状通过计算机网络掌握各流通中心、仓库及销。
  • 近期东北虎怎么保护（多国专家分享虎保护经验）
  • 2024-07-01多国专家分享虎保护经验东北虎巡护员在森林中测量虎脚印（资料图）世界自然基金会供图中新网长春12月29日电(记者郭佳)中国、俄罗斯、印度的多位野生虎保护专家、虎保护地管理者和反盗猎管理者，29日在线上对野生东北虎保护地的百余。
  • 古装良心剧（古装剧的呕心之作）
  • 2024-07-01古装剧的呕心之作古装剧一直以来是观众特别爱看的，无论是历史还是演义，或者戏说，都散发着无穷的艺术魅力观众虽然喜欢古装剧，但拍摄古装剧对编导们的要求是很高的，没有深厚的艺术修养和文史积累是拍不出优秀古装剧的，因为从剧本。