Kenichi Fukui Nobel Lecture



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Chemistry  1981

the  nitrogen  lone-pair  so  as  not  to  disturb  the 

π conjugation  will  evidently  be

more  advantageous  than  the  addition  to  higher  occupied 

π orbitals  which  may

intercept  the 

π conjugation.  Thus,  the  reason  why  proton  dare  not  add  to  the

positions  of  large  amplitude  of 

π HOMO  in  this  case  will  easily  be  understood.

It  is  not  completely  satisfactory  to  dispose  of  a  disagreement  between  the

HOMO-LUMO  argument  and  the  experimental  fact  formally  as  an  exception  to

the  theory.  A  so-called  exception  does  possess  its  own  reason.  To  investigate

what  the  reason  is  will  possibly  yield  a  novel  finding.

The  HOMO-LUMO  interaction  argument  was  recently  pointed  out

44 

to  be


in  an  auxiliary  sense  useful  for  the  interpretation  of  the  sign  of  a  reaction

constant  and  the  scale  of  a  substituent  constant  in  the  Hammett  rule

45 

which


has  made  an  immeasurable  contribution  to  the  study  of  the  substituent  effect  in

chemical  reactivity.  In  the  cyclic  addition,  like  Diels-Alder  reactions  and  1,3-

dipolar  additions,  the  relative  easiness  of  occurrence  of  reactions,  various

subsidiary  effects,  and  interesting  phenomena  like  regioselection  and  periselec-

tion  were  interpreted  with  considerable  success  simply  by  the  knowledge  of  the

height  of  the  energy  level  of  HOMO  and  LUMO,  the  mode  of  their  extension,

their  nodal  structure,  etc.

46

-  I  defined  these  in  a  mass:  the  "orbital  pattern".



Other  topics  that  have  been  discussed  in  terms  of  HOMO-LUMO  interac-

tions  are  thermal  formation  of  excited  states,

47

  singlet-triplet  selectivity,



48 

the


chemical  property  of  biradicals  and  excited  molecules,

49

  the  interaction  of  the



central  atom  and  ligands  in  transition  metal  complexes,

50 


the  interaction  of

three  or  more  orbitals

51 

and  so  forth.  Inagaki  et  al.  included  in  the  theory  the



polarization  effect  in  HOMO  and  LUMO  due  to  the  mixing  in  of  other  orbitals

and  gave  an  elucidation  for  a  number  of  organic  chemical  problems  which  were

not  always  easy  to  explain.  The  unique  stereoselection  in  the  transannular

cross-bond  formation,  the  lone-pair  effect,  the  d  orbital  effect,  and  the  orbital

polarization  effect  due  to  substituents  were  the  cases.

52

As  was  partly  discussed  above,  the  method  of  orbital  interaction  was  applied



not  only  to  the  ground  electronic  state  but  to  the  excited  states,  giving  an

explanation  of  the  path  of  even  complicated  photochemical  isomerizations.

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21 


In  a  majority  of  ca ses the  HOMO  and  the  LUMO  of  the  ground-state

molecule  were  also  found  to  be  the  essential  orbitals.  Even  the  ground-state

reaction  of  a  strong  electron  acceptor  (or  donor)  causes  a  mixing  in  of  an

ionized  electron  configuration  or  an  excited  electron  configuration  in  another

molecule.  In  consequence,  a  partial  HOMO-HOMO  or  LUMO-LUMO  inter-

action,  which  would  be  trivial  if  there  were  no  influence  of  the  acceptor  (or

donor),  becomes  important  in  stabilizing  the  interacting  system.*’

The  problems  so  far  discussed  have  been  limited  to  chemical  reactions.

However,  the  HOMO-LUMO  interaction  must  come  into  relation  also  with

other  chemical  phenomena  in  almost  the  same  mechanism  -  with  the  exception

of  one  different  point  that  they  usually  do  not  bring  about  so  remarkable  a

change  in  the  nuclear  configuration  as  in  the  case  of  chemical  reactions. 

N

OW

let  us  examine  the  possibility  of  applying  the  theory  to  so-called  “aromati-



city”-  one  of  the  simplest,  but  the  hardest-to-interpret  problems.  There  seem

to  be  few  problems  so  annoying  to  theoreticians  as  the  explanation  of  this




K. Fukui

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chemically  classical  concept.  I  greatly  appreciate  the  contribution  of  Dewar’s



theory

53,  54


  based  on  a  quantitative  energy  values  argument.  Here,  however,  I

want  to  give  a  quality  comment  through  a  totally  different  way  of  consider-

ation.

It  is  easily ascertained



55 

in  Fig.  4  that  in  benzene,  naphthalene,  phenan-

threne,  etc.,  any  virtual  division  of  the  molecule  into  two  always  produces  the

parts  in  which  their  HOMO  and  LUMO  overlap  in-phase  at  the  two  junctions.

Fig.  4.  The  HOMO-LUMO  phase  relationship  in  virtual  division  of  aromatic  hydrocarbons.

(SOMO:  a  singly  occupied  MO  of  a  radical)




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Chemistry  1981

But  these  circumstances  are  not  seen  in  anthracene  which  is  usually  looked

upon  as  one  of  the  typical  representatives  of  aromatic  compounds.  Hosoya

55

pointed  out  from  the  comparison  with  phenanthrene  indicated  in  Fig.  4,  that



the  ring  growth  of  type  (II)  was  less  stable  than  that  of  (I),

It  is  well  known  that  anthracene  occasionally  exhibits  a  reactivity  of  olefin-like

additions.

In  view  of  so-called  Hückel’s  (4n+2)-rule  mentioned  above,  an  anthracene

molecule  has 

14π electrons  and  fulfils  the  stability  condition  for  “aromaticity.”

Actually,  if  one  considers  a  molecule  of  anthracene  with  the  two  inside  bonds

deleted,


it  is  really  seen  that  the  HOMO  and  the  LUMO  of  the  two  parts  overlap  in  an

in-phase  manner  at  both  of  the  junctions:

In  this  way,  it  is  understood  that  the  two  bonds  which  were  deleted  above

exerted  a  certain  unfavourable  influence  for  aromaticity.  Such  an  influence

bears  a  close  resemblance  to  that  of  impurity  scattering  in  the  wave  of  a  free

electron  moving  in  a  metal  crystal.

This  discussion  seems  to  be  a  digression  but,  as  a  matter  of  fact,  it  relates  to

the essential question as to how an electron in a molecule can delocalize. As will

be  mentioned  later,  Anderson

56

solved  the  question  how  an  electron  in  a




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