计算化学半经验方法
由于表达式的比例系数中含有,因而称为方
法。此后Johnson对此进行了发展并实现了程序 化。
方法主要用于原子簇和配合物的计算。是计
算大分子、含重原子的大分子及研究催化剂、催 化反应、材料科学、固态物理和表面化学等的重 要工具。
2. 独立电子近似:共轭分子中,每个π电子是各 自独立地在分子实的势场中运动,用LCAO作 为π分子轨道的近似。
3. 用变分法解HFR方程中又作了一些近似:
相同原子轨道重叠积分为1,即: 1
不同原子轨道重叠积分近似为零,即:
0
单电子哈密顿实的对角元为:
非对角元,i,j若为相邻,令:
(j=i+1 )
Woodward和Hoffmann利用EHMO等方法作出 了合理解释,并提出了分子轨道对称性守恒原理。 1981年Hoffmann因此获诺贝尔化学奖。
方法
方法1951年由Slater提出。从Schrödinger 方程
出发,波函数用单Slater行列式表示,应用变分法 得到相应的HFR方程:
式中,动能h和库仑作用能的非交换部分Vc可用量 子化学方法严格计算,但库仑作用能的交换部分计 算很困难,采用Thomas-Fermi模型的统计平均方法 求解:
到这里为止和严格从头计算是一样的,但为了简化计算可 以在此计算公式基础上,根据已有化学知识开始考虑可能 的近似。
(一)价电子近似
由于在原子形成分子过程中,原子中的内层 电子变化很小,因此可以把原子中电子看成 二组,内层电子(原子实core电子)和价电子 ,然后把内层电子和价电子分开处理,这种 近似称为价电子近似。
半经验的近似计算法
由于从头计算对较大的分子体系计算时,随着体 系增大,相同基组下基函数数目增大,而要增加 的积分数目是与 N4(N是电子数)成正比,所以 要花大量时间去计算多中心积分。
半经验计算方法是求解HF方程时采用各种近似, 或者直接使用拟合的经验参数来近似求解自洽场 分子轨道方程 1.波函数 2.Hamilton算符 3.积分
完全忽略电子之间的相互作用,没有双电子积 分项,不能提供电子的激发能。
但就单电子项的效应在许多化学问题中处于支 配地位这一点来说,已经证实了该方法是一个 很有、越先进的 方法最恰当,而应该是对解决问题的程度来衡量。
例如:Woodward在合成维生素B12时发现,共 轭己三烯的衍生物环化时,并不产生预期的多种 异构体,而是具有明显的立体专一性。
EHMO方法于在六、七十年代国际上有相当多的 人应用。由于Fock矩阵数据主要来自实验(电离 势),若参数k调节得好一些,可以得到相当好 的定性结果。
尽管70年代开始出现从头算程序,但对于生物大 分子、稀土重原子等体系,在从头算仍然很困难 的情况下,EHMO仍有许多用武之地。
EHMO的主要弱点:
i,j若不相邻,则:
0(ji+1 )
双电子矩阵元忽略不记
、是实验值,一般近似地取原子轨道能量, 对共轭体系, 取双键所增加能量的二分之一。
HMO对hii和hij所作的假定是有别于其他理论的 特殊基本假定,它是考虑了分子中相互作用的最 主要因素,忽略了次要因素。
Hückel用HMO处理了比H2大得多的共轭分子体 系,成功地讨论了共轭分子的稳定性和电子结 构,预言了烯烃的加氢或环合的可能性。许多 定性结果令人满意。
HMO在实际应用中得到了4N+2规则,前线轨道 理论等重要规律性结论。
可以说HMO理论对于定性规律性结论仍然能发 挥作用,故HMO方法仍是大学教科书的内容。
EHMO方法(Extended Hückel Molecular Orbital )
20世纪50年代,计算机的出现为量子化学提供 了强有力的工具。1963年,Hoffman在HMO方 法基础上提出EHMO方法,在预见相对构象能 和有利的反应途径方面很成功。
EHMO是对HMO的扩展,在以下方面作了改 进:
1. 可用于非共轭体系。方程中要考虑全部价电子,在 LACO中应包括所有的价轨道。
2. 对所有重叠积分都要进行计算,计算时原子轨道一般取 Slater函数;
3. Fock矩阵元 只计算第一项单电子积分,双电子积分全部忽略不记。 考虑到所有原子之间的相互作用,所以单电子交换积分 不是简单地取、或0,而用
Roothaan Equation: FC = SCE
单电子作用 矩阵元
双电子作用 矩阵元
是双电子积分的一般表达式
若i,j,k,l来自四个不同原子的基函数,则称为双电子四中心 积分,同样若属二个原子,则是双中心积分,同样若属一 个原子,则是单中心积分;而hij是单电子积分,可能属单 中心,也可能是双中心积分。
几种主要的半经验 方法简介
HMO方法
早在20世纪30年代, Hückel运用原子轨道线性 组合的分子轨道,经过某些近似,成功地处理了 有机共轭分子。
将共轭分子的C-C 键骨架近似固定,只讨论在 骨架上移动的π电子。
HMO方法在三个基本近似的基础上又引入了许 多近似:
1. π电子近似: π电子可以从各原子实和内层电 子和电子所构成的分子骨架中分离出来,单独 处理,也叫Hückel近似。实践证明:在平面共 轭分子中,π电子近似是合理和可用的。
在各种近似的基础上形成了三类半经验计算方法:
1. 单电子近似 :完全不考虑双电子作用而挑选 的等效Hamilton算符,如EHMO方法
2. 用统计平均模型计算交换位能的X方法 3. 以零微分重叠(ZDO)近似为基础的计算方法:
如CNDO/2,INDO,NDDO,改进的MINDO, MNDO以及AM1,PM3等
代替。式中hii和hjj近似地取i和j原子轨道的能量,常数K取 1.75-2.0之间的值(要计算重叠积分)
即对Fock矩阵的设定:
对角元Fii一般取i原子轨道电离势的负值。 非对角元Fij是两个相应对角元平均值乘以重叠积 分和比例系数k:
Fij= k F—ii+—Fjj Sij 2
计算采用解HFR本征方程FC = SCE。从实验数 据获得一个初始Fock矩阵,经过一系列数学处 理,可解出本征值E和本征矢系数C,然后进入 下一轮跌代,反复此过程直至自恰。