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16.3 : 1,3-丁二烯的 π 分子轨道

共轭二烯烃比累积二烯二烯烃和分离二烯二烯烃具有更低的氢化热,使得它们更稳定。 共轭体系的稳定性增强可以从它们的 π 分子轨道来理解。

最简单的共轭二烯烃是 1,3-丁二烯:一种四碳系统,其中每个碳都是 sp2 杂化的,并且具有包含不成对电子的未杂化的 p 轨道。 根据分子轨道理论,原子轨道结合形成分子轨道,使得形成的分子轨道的数量等于所涉及的原子轨道的数量。 1,3-丁二烯中四个原子 p 轨道的线性组合产生四个分子轨道,如下所示。

Figure1

键合分子轨道 ψ1 和 ψ2 的能量相对于原子轨道较低,而反键分子轨道 ψ3 和 ψ4 的能量较高。 不成对电子从能量最低的分子轨道开始填充。 由于每个轨道最多可容纳两个电子,因此四个不成对的电子分布在ψ1和ψ2之间。 根据电子分布,ψ2 是最高占据分子轨道(HOMO),ψ3 是最低未占据分子轨道(LUMO)。

每个分子轨道都是不同的,其差异归因于四个 p 轨道的相位。 一般来说,两个原子 p 轨道之间的同相重叠形成 π 键。 然而,异相重叠会产生节点,即电子密度为零的区域,两个原子之间没有键合相互作用。

在 1,3-丁二烯中,最低能量分子轨道 ψ1 由所有四个 p 轨道同相重叠形成,形成连续的 π 系统。 在 ψ2 中,两个中心碳之间的异相重叠产生了一个节点。 ψ3 中的节点数量增加到两个,ψ4 中的节点数量增加到三个。 综上所述,分子轨道的能量随着节点数量的增加而增加,而键合相互作用则减少。

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13 butadieneMolecular OrbitalsConjugated DienesBondingAntibondingHOMOLUMOPi SystemNode

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