Литмир - Электронная Библиотека
Содержание  
A
A

Метод проецирования. Метод проецирования, предложенный в работах Полака [73] и позднее развитый Роби [74], основан на том, что одноэлектронная матрица плотности ρ1(x|x') в однодетерминантном приближении является ядром оператора проектирования на подпространство занятых молекулярных спин-орбиталей. Поэтому для любой нормированной спин-орбитали ψ проекционная норма

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_284.jpeg
(4.37)

удовлетворяет неравенству

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_285.jpeg
(4.38)

причем

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_286.jpeg
если спин-орбиталь ψ целиком принадлежит подпространству занятых молекулярных спин-орбиталей, и
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_287.jpeg
если спин-орбиталь ψ ортогональна к этому подпространству.

Следуя Полаку, локализованную на атоме А МО, описывающую неподеленную электронную пару или орбиталь внутренней оболочки атома, можно определять как линейную комбинацию орбиталей атома А (т. е. как гибридную АО этого атома):

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_288.jpeg
(4.39)

максимизирующую проекционную норму

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_289.jpeg
. Если бесспиновая одноэлектронная матрица плотности ρ(r|r') представлена в базисе АО g матрицей

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_290.jpeg
(4.40)

и базис g характеризуется матрицей перекрывания S, причем S'a = 0 для а, а' ∈ А, то столбец Ua, представляющий искомую гибридную АО ha, является собственным вектором матрицы Q(A) образуемой матричными элементами (SPS)aa' ∈ А, и этот собственный вектор отвечает максимальному собственному значению nа. Когда последнее равно двум, гибридная АО ha будет в точности совпадать с естественной МО, описывающей неподеленную электронную пару; когда na ≈ 2, гибридная АО ha будет аппроксимировать такую орбиталь.

Двух-, трех- ... и K-центровые МО, локализованные на атомных группах (связях) G = (A1,..., AK) и представленные линейными комбинациями вида

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_291.jpeg
(4.41)

определяются в методе проецирования аналогичным образом, т. е. посредством диагонализации матриц Q(G) при условии ортонормированности

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_292.jpeg
(4.42)

Согласно работам [73, 74], процедура локализации МО осуществляется в следующей последовательности:

1) сначала определяются одноцентровые

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_293.jpeg
, локализованные на остовных и валентных оболочках отдельных атомов;

2) одноцентровые

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_294.jpeg
исключаются из исходного базиса преобразованием

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_295.jpeg
(4.43)

и канонической ортонормировкой линейно-зависимого набора орбиталей g';

3) в полученном ортонормированием базисе, включающем меньшее число орбиталей, чем исходный базис АО g, определяются двухцентровые МО

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_296.jpeg
;

4) если число найденных

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_297.jpeg
и
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_298.jpeg
в сумме отлично от числа всех занятых канонических МО, аналогичным образом определяются многоцентровые
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_299.jpeg
последовательно для К = 3, 4,..., пока число локализованных МО не сравняется с числом занятых канонических МО.

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_300.jpeg

Таблица 6. Одноэлектронная матрица плотности для молекулы метана, представленная в ортогонализованном (по Лёвдину) базису АО

Следует отметить, однако, что такую последовательность построения локализованных МО не всегда можно считать оправданной. Например, нет оснований для поиска локализованных трехцентровых МО диборана в подпространстве занятых МО, более узком, чем рассматриваемое при построении двухцентровых МО этой молекулы.

Существенным недостатком метода проектирования является то, что он приводит к неортогональным наборам локализованных МО. В частности, орбиталь hа, принадлежащая атому А и перекрывающаяся с орбиталью hb, атома В, принадлежит отчасти и последнему атому, а перекрывание МО

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_301.jpeg
l, локализованной на связи АВ, и МО
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_302.jpeg
l локализованной на связи АС, означает, что
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_303.jpeg
l и
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_304.jpeg
делокализованы на связи АС и АВ соответственно. В работах [73, 74] предлагалось ортогонализовывать наборы
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_305.jpeg
по методу Лёвдина [62]. Однако локализация получаемых таким образом МО не будет оптимальной в смысле максимума проекционной нормы
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_306.jpeg
. Поэтому метод проектирования удобно применять в тех случаях, когда требуется выделить лишь одну локализованную МО, например МО, реализующую донорно-акцепторную связь в аддукте Н3В. NH3.

Представляется разумным формулировать метод проектирования в ортогонализованном по Лёвдину многоцентровом базисе АО, орбитали которого могут рассматриваться как "модифицированные АО", представляющие атомы в химическом соединении. К такому базису относятся фактически результаты полуэмпирических расчетов МО в приближении полного пренебрежения дифференциальным перекрыванием. Следует отметить, что ортогонализация многоцентрового базиса АО g обеспечивает ортогональность гибридных АО неподеленных электронных пар, но двухцентровые или многоцентровые локализованные МО, определяемые методом проектирования, остаются при этом неортогональными, если связиi на которых они локализованы, имеют общие атомы.

Рассмотрим теперь в качестве примера, иллюстрирующего метод проектирования, данные по локализации МО и гибридизации АО в молекуле метана, полученные нами на основе расчетов в приближении полного пренебрежения дифференциальным перекрыванием. В табл. 6 приведена одноэлектронная матрица плотности Р для молекулы метана, равновесная геометрия и ориентация в пространстве которой определяются данными табл. 7. Вычислим двухцентровую МО, локализованную на связи С-H1. Для этого выделим из матрицы Р блок, соответствующий орбиталям атома углерода и атома водорода H1:

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_307.jpeg

и приведем его унитарным преобразованием к диагональному виду

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_308.jpeg
(4.44)

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи - img_309.jpeg

Таблица 7. Декартовы координаты атомов в молекуле метана,Ао

Собственные значения nl равны 2,000; 1,150; 1,009; 1,009; 0,000. Таким образом, одна из одноцентровых орбиталей, представленная в базисе АО

29
{"b":"820476","o":1}