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Wade 规则及其相关研究132021078 沈秋蓉沈秋蓉1 硼烷成键特征硼烷成键特征3C-2e键键 B6H62-的分子轨道的分子轨道模型模型汇报内容汇报内容 Wade规则规则2 硼烷成键特征硼烷成键特征3C-2e键键原子簇合物的介绍 原子簇化合物既包括金属原子簇化合物，又包括非原子簇化合物既包括金属原子簇化合物，又包括非金属原子簇化合物。所谓原子簇化合物，其广义是指：金属原子簇化合物。所谓原子簇化合物，其广义是指：原子间通过键合，组成以分立的多面体或缺顶多面体骨原子间通过键合，组成以分立的多面体或缺顶多面体骨架为特征的原子簇状物。一般含有三个或以上的骨架原架为特征的原子簇状物。一般含有三个或以上的骨架原子才称得上是原子簇，子才称得上是原子簇，其骨架成键原子以离域的多中心其骨架成键原子以离域的多中心键的形式存在为特征。键的形式存在为特征。比较典型的非金属簇化合物是硼烷和碳硼烷及其簇阴比较典型的非金属簇化合物是硼烷和碳硼烷及其簇阴离子，尽管它们的结构都比较复杂，但是它们的空间构离子，尽管它们的结构都比较复杂，但是它们的空间构型都具有一定的对称性，因此它们的成键规律有一定的型都具有一定的对称性，因此它们的成键规律有一定的共性。共性。34 硼烷成键特征硼烷成键特征3C-2e键键硼烷结构研究历程Your TextYour TextYour TextYour Text50年代年代70年代年代80年代年代90年代年代Lipscomb对大量的各类硼烷结构的测量，发展了三中心双电子键的新概念Wade提出解释硼烷结构的Wade规则唐敖庆、徐光宪建立硼烷成键分子轨道与其多面体骨架的关系李良超在前人的基础上提出经验公式，解释了巢型硼烷的成键特征硼烷成键特征硼烷成键特征3C-2e键键3C-2e键硼原子的外层电子构型是2s2p1，它的4个价轨道上只有3个电子，因此在硼原子中都存在“缺电子”的轨道，它也被称为“缺电子原子”。对于最简单的乙硼烷结构，一直是人们既感兴趣又有争议的一个问题。关于其几何构型，曾经提出过两种不同的建议：一种是乙烷式构型，另一种是乙烯桥式构型。5硼烷成键特征硼烷成键特征3C-2e键键乙烷式构型乙烷式构型有7个共价单键，需要14个价电子，实际上乙硼烷只有12个价电子缺电子3C-2e键6乙烯桥式构型每个B原子的4个价轨道采用不等性sp3杂化，并且每个B原子均用它的两个杂化轨道和两个电子分别与两个端氢原子的1s轨道相互作用，形成普通的二中心 键，此时每个B原子上还有2个杂化轨道和1个价电子，可以用来继续与其他原子作用成键。硼烷成键特征硼烷成键特征3C-2e键键乙烯桥式构型当两个BH2基之间位置靠近时，氢原子也位于包含有每个B原子的这两个杂化轨道的平面上，它们之间能够彼此相互作用形成了两个B-H-B三中心双电子键B-H-B的3C-2e键3C-2e键D2h点群7硼烷成键特征硼烷成键特征2C-3e键键硼烷的成键形式1 端稍BH键 BH 2C2e2 桥式BHB键 3C2e 3 BB键 BB 2C2e 4 开式BBB硼桥键*3C2e 5 闭式BBB硼桥键 3C2e3个B原子的杂化轨道之间进行重叠8 Wade规则规则英国结构化学家KWade于1971年运用分子轨道法处理硼烷结构，提出Wade规则，预言硼烷、硼烷衍生物及其他原子簇化合物结构要点（1）硼烷和碳硼烷呈三角面多面体构型（2）每一个骨架B连结一个H（或其他单键配体）端基，一对电子定域在上面，剩余电子是骨架成键电子（3）每一个B提供三个原子轨道（AO）给骨架成键，多面体的对称性由这些AO产生的（n+1）个骨架成键分子轨道（MO）所决定（n是多面体顶点数）骨架成键分子轨道MO=骨架成键电子对数bBnHn+m共有价电子数3n+n+m，形成n个BH用去电子数2n，则：b=（3n+n+m-2n）/2=（2n+m）/29 Wade规则规则结论英国结构化学家KWade于1971年运用分子轨道法处理硼烷结构，提出Wade规则，预言硼烷、硼烷衍生物及其他原子簇化合物结构 bn1 闭式结构 通式 BnHn2 或 BnHn2 bn2 巢式结构 通式 BnHn4 或 BnHn4 bn3 蛛网式结构 通式 BnHn6 或 BnHn6 bn4 敞网式结构 通式 BnHn8 或 BnHn810 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型 原子簇化合物的原子轨道线性组合成分子轨道原子簇化合物的原子轨道线性组合成分子轨道的一般处理方法是的一般处理方法是：首先确定簇化合物的几何图形及其骨架的对称性；首先确定簇化合物的几何图形及其骨架的对称性；其次是将簇化合物的骨架原子轨道按其对称性分其次是将簇化合物的骨架原子轨道按其对称性分类，组成骨架分子轨道，并给出它的定性分子轨道能类，组成骨架分子轨道，并给出它的定性分子轨道能级图及其电子组态；级图及其电子组态；再次是将骨架分子轨道与配体群轨道组合成簇化再次是将骨架分子轨道与配体群轨道组合成簇化合物分子轨道。合物分子轨道。11 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-是以三角形为基本结构单元构成的三角形八面体骨架，而BH单元占据三角形八面体的6个顶点簇阴离子B6H62-的骨架具有Oh对称性，因为6个B原子个占据正八面体的6个顶点，是一个无中心原子的正八面体B6H62-的立体构型簇化合物的几何图形和骨架对称性簇化合物的几何图形和骨架对称性12 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型 B的价电子组态为2s22p1，每个B原子有4个价电子轨道，预先按spz杂化形成2个spz杂化轨道（AO）spz杂化2spxpypzspz杂化轨道pxpy图 B原子spz杂化的形式13 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型 两个spz杂化轨道中一个spz杂化轨道沿Z方向和H成键为2C-2e的BH单位（处于八面体之外），另一个spz杂化轨道指向簇的中心，用于形成骨架。硼原子另外的px、py与spz杂化轨道垂直，其中一个是空轨道，px、py也可用于骨架成键。B62-的spz杂化轨道和两个切线轨道内向spz杂化轨道 外向spz杂化轨道 与与H H形成端形成端基基B-HB-H键键形成骨架形成骨架形成骨架形成骨架14 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的骨架属于Oh点群，有48个对称元素，群的阶是48Oh点群的特征标表：12+12+22+32+32+12+12+22+32+32=48121+128+126+=48骨架分子轨道骨架分子轨道15 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型确定一组可约表示选择分子的基矢，让群元素即各对称操作分别对基矢作用C4轴C3轴lB6H62-中的6个H可以组成6个16如图所示，正方形平面对角线上的两个B原子连线是C4轴；两个相对的正三角形面的中心连线是C3轴123456 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型确定一组可约表示C4轴C3轴l恒等操作E使所有轨道均未移位，即17123456l进行1次C4操作，有2个B不变，如图中的1和2位，l进行1次C3操作，6个B均发生变化，l进行1次C2操作，6个B均发生变化，l进行1次 操作，有4个B位子不变，如图中的3、4、5、6B原子不变l经历一次S4或S6操作后，所有的B原子均发生变化，因此Oh E8C36C26C43C2 i 6S4 8S63 6 6002200042 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型Oh点群的一组可约表示 确定一组可约表示可约表示的约化约化公式：不可约表示中操作R的特征标可约表示中操作R的特征标同阶操作的阶点群的阶第i个不可约表示出现的次数18 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型ai=举例举例Oh E8C36C26C43C2 i 6S4 8S63 6 6002200042aA1g=（161+126+23+43+261）=1aEg=（162+322+234）=1aT1u=（163+12616+234+3+261）=119均出现1次 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型利用特征表相加可以检验结果是否正确OhE8C36C26C43C2 i6S48S63 6 A1g1111111111Eg2-100220-120T1u30-11-1-3-1011A1g+T1u+Eg6002200042 6 0 0 2 2 0 0 0 4 220结果吻合！=A1g+T1u+Eg B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型投影算符点群中某个不可约表示对称操作j不可约表示的对称操作R的特征标投影算符 原子轨道构成分子轨道的前提是对称性匹配，找到原子轨道的“对称性匹配的线性组合”（SALC）21 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型投影算符的算法l确定基矢r1l让各群元作用上去22C2轴zyxl以相应的特征标表 乘上去以以C C2v2v分子分子SOSO2 2为例为例 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型投影算符的算法l确定基矢r1l让各群元作用上去C2轴l以相应的特征标表 乘上去23r1 r2zyxC2r r1 1 r r2 2THANK YOUSUCCESS2024/3/18 周一24可编辑 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型投影算符的算法l确定基矢r1l让各群元作用上去C2轴l以相应的特征标表 乘上去25C2r r1 1 r r2 2Er r1 1 r r1 1r1 r2r1 r1zyx投影算符的算法 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型不可约表示不可约表示A A2 2和和B B1 1的投影算符？的投影算符？26(r1+r2)归一化，A1：(r1-r2)B2：(PB2)=r1=1Er11C2r11 r1+1 r1=r1r2+r1r2=2(r1 r2)(PA1)=r1=1Er1+1C2r1+1 r1+1 r1=r1+r2+r1+r2=2(r1+r2)不可约表示的特征标投影算符的算法 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型(PA2)=r1=1Er1+1C2r1-1 r1-1 r1=r1+r2-r1-r2=0(PB1)=r1=1Er11C2r+1 r1 1 r1=r1r2r1+r2=027没有这两种不可约表示的SALCA2的特征标有改动！有改动！B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的Oh点群28l如图，以r1为基矢，让群元作用在基矢上265431Er r1 1 r r1 1C3轴123456C3r r1 1：有4个C3轴，将图形旋转120，r r1 1转为r r3 3或r r4 4或r r5 5或r r6 6C3r r1 1 r r3 3C3r r1 1 r r4 4C3r r1 1 r r5 5C3r r1 1 r r6 6C4r r1 1：有3个C4轴，将图形旋转90，r r1 1可以转化成r r1 1，r r3 3，r r4 4，r r5 5，r r6 6C4r r1 1 r r1 1有改动！B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的Oh点群29l如图，以r1为基矢，让群元作用在基矢上265431123456 r1：有3个 ，将图形镜面反射，r1转变成r1（1325）或r2（3456）r1 r1r1 r2C2r r1 1：有6个C2轴，将图形旋转180，r r1 1可以转化成r r2 2，r r3 3，r r4 4，r r5 5，r r6 6C2轴C2r r1 1 r r2 2C2r r1 1 r r3 3C2r r1 1 r r5 5C2r r1 1 r r6 6C2r r1 1 r r4 4 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的Oh点群30l如图，以r1为基矢，让群元作用在基矢上265431123456对S4而言，r1 r2此时12所在的直线为C4轴可以忽略r1 r2此时12所在的直线为C4轴 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的Oh点群31l如图，以r r1 1为基矢，让群元作用在基矢上，可以得到如下结果：Oh E8C36C26C43C2 i 6S4 8S63 6 123456r r1 1r r1 12r2r6 62r2r3 32r2r1 12r2r5 52r2r4 42r2r2 2r r3 3r r5 5r r4 4r r6 6r r2 2r r1 12r2r2 2r r3 3r r5 5r r4 4r r6 62r2r1 1r r2 22r2r2 2r r3 3r r5 5r r4 4r r6 64r4r1 12r2r2 22r2r6 62r2r3 32r2r5 52r2r4 4后面的投影算符都可以根据这张表直接判断群元作用在基矢上的结果有改动！B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的Oh点群(PA1g)=r1=8（r1+r2+r3+r4+r5+r6）对A1g而言：（r1+r2+r3+r4+r5+r6）32它一定是与全对称原子轨道匹配，显然所有基轨道必须是正的符号，并且具有相同的权重系数，因此前面的系数相等，其投影算符是：归一化，A1g：系数与阶的比值开根号这是简便方法，也可以用投影算符公式 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型B6H62-的Oh点群对Eg而言：(PEg)=r r1 1=2Er r1 1-8 r r1 1+2 3 r r1 1+2ir r1 1-8S6 r r1 1+2 3 r r1 1 =2r r1 1-(2r r3 3+2r r4 4+2r r5 5+2r r6 6)+2(r r1 1+2r r2 2)+2r r2 2-(2r r3 3+2r r4 4+2r r5 5+2r r6 6)+2(2r r1 1+r r2 2)=8r r1 1+8r r2 2-4(r r3 3+r r4 4+r r5 5+r r6 6)=4(2r r1 1+2r r2 2-r r3 3-r r4 4-r r5 5-r r6 6)归一化，Eg：(2r1+2r2-r3-r4-r5-r6)二维表示，需要两个正交的函数，它们合起来组成Eg表示的基33OhE8C36C26C43C2 i6S48S63 6 Eg2-100220-120找另一个正交函数 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型(2r1+2r2-r3-r4-r5-r6)(2r3+2r5-r4-r1-r6-r2)34l从群元中选择一个操作元素作用在该函数上，可以得到三种结果：得到该函数的 1倍B6H62-的Oh点群对Eg而言：得到该函数的正交函数得到该函数与其正交函数的线性组合l选择 作用在这个函数上选择一个特殊的元素，避免得到它的 1倍 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型(2r r1 1+2r r2 2-r r3 3-r r4 4-r r5 5-r r6 6)(2r r3 3+2r r5 5-r r4 4-r r1 1-r r6 6-r r2 2)l从第二个函数中减去第一个函数的适当倍数：归一化，Eg：(r3-r4+r5-r6)352r3+2r5-r4-r1-r6-r2+(2r1+2r2-r3-r4-r5-r6)=3r3-3r4+3r5-3r6=3(r3-r4+r5-r6)r3-r4+r5-r6考虑 到Eg的原子轨道构型，这里应该只剩下4个原子轨道，因此尽量消除两个轨道得到的是该函数与它正交函数的线性组合B6H62-的Oh点群对Eg而言：B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型36B6H62-的Oh点群对T1u而言：可以不必使用Oh点群的48个所有操作，代之处理纯转动操作(PT1u)=r1=3Er1-6C2 r1+6C4r1-3C2r1=3r1-(2r2+r3+r4+r5+r6)+(2r1+r3+r4+r5+r6)-(r1+2r2)=4r1-4r2 r1-r2归一化后，T1u：(r1-r2)三维表示中，还有两个归一化(r3-r4)(r5-r6)有改动！B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型（r1+r2+r3+r4+r5+r6）A1g：(r3-r4+r5-r6)Eg：2r1+2r2-r3-r4-r5-r6)T1u：(r1-r2)、(r3-r5)、(r4-r6)图 B6H62-骨架B62-的 群轨道骨架B62-的 群轨道37 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型（r1+r2+r3+r4+r5+r6）A1g：(r3-r4+r5-r6)Eg：(2r1+2r2-r3-r4-r5-r6)T1u：(r(r1 1-r r2 2)、(r(r3 3-r r5 5)、(r(r4 4-r r6 6)a1g匹配s轨道，t1u匹配px、py、pz，eg匹配dx 2-y2和dz2，a1g为骨架成键 分子轨道，t1u*和eg*为骨架反键分子轨道，能级次序为a1gt1u*eg*。图 B6H62-骨架B62-的 分子轨道示意图骨架B62-的 群轨道38*代表反键 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型任何被对称元素操作移位的向量对特征标的贡献为零，不变为+1，不移动但改变方向的为-1规则B两个px，py的切线方向原子轨道生成12个切向的骨架成键分子轨道，以此12个分子轨道为基集合，可以得到Oh点群的可约表示OhE8C36C26C43C2i6S48S63 6 12 000-400000=T2g+T1u+T1g+T2u骨架B62-的 群轨道39 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型对上面的轨道利用投影算符，可以得到12个 群轨道的波函数，进而得到B6H62-骨架B62-的 群轨道示意图=T2g+T1u+T1g+T2uB6H62-骨架B62-的 群轨道示意图40 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型t t2g2g和和t t1u1u对称对称 群轨道是成键分子轨道，群轨道是成键分子轨道，t t2u2u和和t t1g1g对称对称 群轨道是反键分子轨道，群轨道是反键分子轨道，t t2g2gt t1u1ut t2u2ut t1g1g图 B6H62-骨架B62-的 分子轨道示意图41 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型骨架B62-有7个成键骨架轨道，分别为a1g（一重简并）、t2g（三重简并）和t1u（三重简并），11个反键轨道，分别是t1u、eg、t2u和t1g，其中由AO组成的t1u和由 AO组成的t1u有相同的对称性，它们之间相互作用而引起 和 轨道相互混合，使t1u轨道能量升高，而t1u轨道能量降低。图 骨架B62-的分子轨道能级图42 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型 除此之外，6个配体H6在空间的分布也具有Oh对称性，它们的6个 轨道（1s轨道）也组成属于Oh群的不可约表示a1g、t1u和eg型配体群轨道。将骨架B62-和配体(H)6的同一不可约表示的群轨道组合成B6H62-的成键分子轨道2a1g、1eg、2t1u43 B6H62-的分子轨道模型的分子轨道模型 B6H62-的36+6+2=26个价电子依次填充在13个价成键分子轨道上，其电子组态是：（1ag）2（1t1u）6（2a1g）2（1eg）4（t2g）6（2t1u）6 6个B-H键用去12个电子，余下的14个电子全部用于骨架成键，在轨道中的排布为（a1g）2、（t2g）6、（t1u）6共有7对骨架成键电子对，这些电子全部填充在能量比较低的分子轨道上，因此B6H62-很稳定。又因为它的价电子全部都配对，故B6H62-是抗磁性的。44 参考文献参考文献1李良超.群论在现代化学中的应用M.北京：化学工业出版社，1988：370-3752F.A.克顿.群论在化学中的应用M.福建科学技术出版社，1997:154-1673唐敖庆.原子簇的结构规则和化学键M.刘万春，游牧曾译山东：山东科学技术出版社，1998：11-124徐志固.现代配位化学M.化学工业出版社，1987:337-3385张乾二.多面体分子轨道M.第二版，科学出版社，2008：137-1406李晓艳，曾艳丽.乙硼烷分子的结构和化学键讨论J.大学化学，2005（10）：36-377李前树，唐敖庆.确定硼烷和杂硼烷价成键轨道对称性的拓扑方法J.化学学报，1992（50）：105-1108陈希，张博.硼烷结构的电子计数规则J.大学化学，2008（4）：38-439唐敖庆，李前树.硼烷与杂硼烷的结构规则J.化学通报，1984（4）：12-1910李良超，易行焕.巢型硼烷的成键特征J.大学化学，1996（5）：14-174546THANK YOUSUCCESS2024/3/18 周一47可编辑