Главная » Просмотр файлов » M. Hargittai, I. Hargittai - Symmetry through the Eyes of a Chemist

M. Hargittai, I. Hargittai - Symmetry through the Eyes of a Chemist (793765), страница 54

Файл №793765 M. Hargittai, I. Hargittai - Symmetry through the Eyes of a Chemist (M. Hargittai, I. Hargittai - Symmetry through the Eyes of a Chemist) 54 страницаM. Hargittai, I. Hargittai - Symmetry through the Eyes of a Chemist (793765) страница 542019-04-28СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 54)

According to the latest results, this prototype Dields–Alder reaction follows the concerted mechanism, for which the barrierheight of the transition-state is about 13 kJ/mol lower than that of thestepwise mechanism [78].7.3.2. Intramolecular Cyclization(a) Orbital Correlation for the Butadiene/Cyclobutene Interconversion. The electrocyclic interconversion between an open-chainconjugated polyene and a cyclic olefin is another example for theapplication of the symmetry rules.

The simplest case is the interconversion of butadiene and cyclobutene:3447 Chemical ReactionsThis process can occur in principle in two ways. In one the two endsof the open chain turn in the opposite direction into the transition state.This is called a disrotatory reaction.The other possibility is a conrotatory process in which the two endsof the open chain turn in the same direction.The ring opening of substituted cyclobutenes proceeds at relativelylow temperatures and in conrotatory fashion [79], as illustrated by theisomerization of cis- and trans-3,4-dimethylcyclobutene [80]:This stereospecificity is well accounted for by the correlationdiagrams constructed for the unsubstituted butadiene/cyclobuteneisomerization in Figs. 7-18 and 7-19.

Since two double bonds in butadiene are broken and a new double bond and a single bond are formedduring the cyclization, two bonding and two antibonding orbitals mustbe considered on both sides. The persisting symmetry element is aplane of symmetry in the disrotatory process. The correlation diagram(Figure 7-18) shows a bonding electron pair moving to an antibonding7.3. Examples345Figure 7-18. Correlation diagram for the disrotatory closure of butadiene.

Adaptation of Figure 10.14 from reference [81] with permission.level in the product, and, thus, the right-hand side corresponds toan excited-state configuration. The disrotatory ring opening is thusa thermally forbidden process.Figure 7-19 shows the same reaction with conrotatory ring closure.Here, the symmetry element maintained throughout the reaction isthe C2 rotation axis. After connecting orbitals of like symmetry, it is3467 Chemical ReactionsFigure 7-19. Correlation diagram for the conrotatory ring closure in the butadienecyclobutene isomerization. Adaptation of Figure 10.12 from reference [82] withpermission.seen that all ground-state reactant orbitals correlate with ground-stateproduct orbitals, so the process is thermally allowed.(b) Symmetry of the Reaction Coordinate–Cyclobutene Ring Opening.It is interesting to consider the butadiene–cyclobutene reaction froma somewhat different viewpoint, viz., to determine whether thesymmetry of the reaction coordinate does indeed predict the properreaction.

Let us look at the reaction from the opposite direction, i.e.,7.3. Examples347the cyclobutene ring opening process. From the symmetry point ofview, this change of direction is irrelevant.The symmetry group of both cyclobutene and butadiene is C2v butthe transition state is of C2 symmetry in the conrotatory and Cs inthe disrotatory mode. Pearson [83] suggested that this reaction mightbe visualized in the following way. In the cyclobutene–butadienetransition, two bonds of cyclobutene are destroyed, to wit the ringclosing ␴ and the opposite ␲ bonds. Hence, four orbitals are involvedin the change, the filled and empty ␴ and ␴∗ orbitals and the filled andempty ␲ and ␲∗ orbitals.

These orbitals are indicated in Figure 7-20.Their symmetry is also given for the three point groups involved.Figure 7-21 demonstrates the nuclear movements involved in theconrotatory and disrotatory ring opening. These movements define thereaction coordinate, and they belong to the A2 and B1 representationof the C2v point group, respectively.The two bonds of cyclobutene can be broken either by removingelectrons from a bonding orbital or by putting electrons into an antibonding orbital.

Consider the ␴ → ␲∗ and the ␲ → ␴∗ transitions.Figure 7-20. The molecular orbitals participating in the cyclobutene ring opening.3487 Chemical ReactionsFigure 7-21. The symmetry of the reaction coordinate in the conrotatory and disrotatory ring opening of cyclobutene.According to Pearson [84], the direct product of the two representations must contain the reaction coordinate:␴ → ␲∗ : a1 · a2 = a2␲ → ␴∗ : b1 · b2 = a2A2 is the irreducible representation of the conrotatory ring openingmotion, so this type of ring opening seems to be possible. We can testthe rules further.

During a conrotatory process, the symmetry of thesystem decreases to C2 . The symmetry of the relevant orbitals alsochanges in this point group (see Figure 7-20). Both a1 and a2 becomea, and both b1 and b2 become b. Therefore, these orbitals are ableto mix. Also, the symmetry of the reaction coordinate becomes A.This is consistent with the rule saying that the reaction coordinate,except at maxima and minima, must belong to the totally symmetricrepresentation of the point group.The next step is to test whether the disrotatory ring opening ispossible.

The ␴ → ␲∗ and ␲ → ␴∗ transitions obviously cannot beused here, since they correspond to the conrotatory ring opening of A2symmetry. Let us consider the ␴ → ␴∗ and the ␲ → ␲∗ transitions:␴ → ␴∗ : a1 · b2 = b2␲ → ␲∗ : b1 · a2 = b2Both direct products contain the B2 irreducible representation. Itcorresponds to an in-phase asymmetric distortion of the molecule,7.3. Examples349which cannot lead to ring opening.

The symmetry of the disrotatoryreaction coordinate is B1 (Figure 7-21). Moreover, if we considerthe symmetry of the orbitals in the Cs symmetry point group ofthe disrotatory transition, it appears that ␴ and ␴∗ as well as ␲and ␲∗ belong to different irreducible representations. Hence, theirmixing would not be possible anyway. The prediction from thismethod is the same as the prediction from the orbital correlationdiagrams. While examination of the reaction coordinate gives moreinsight into what is actually happening during a chemical reaction, it is somewhat more complicated than using orbital correlationdiagrams.An ab initio calculation of the cyclobutene to butadiene ringopening [85] led to the following observation.

In the conrotatoryprocess, first the C–C carbon single bond lengthens followed bytwisting of the methylene groups. The C–C bond lengthening is asymmetric stretching mode with A1 symmetry and the methylene twistis an A2 symmetry process which was earlier supposed to be the reaction coordinate. This apparent controversy was resolved by Pearson[86], who emphasized the special role of the totally symmetric reaction coordinate. The effect of the C–C stretch is shown in Figure 7-22.The energies of the ␴ and ␴∗ orbitals increase and decrease, respectively, as a consequence of the bond lengthening. The A1 symmetryvibrational mode does not change the molecular symmetry.

Thecrucial ␴ → ␲∗ and ␲ →␴∗ transitions, which are symmetry related toFigure 7-22. The effect of C–C stretching on the energies of the critical orbitals inthe cyclobutene ring opening.3507 Chemical Reactionsthe A2 twisting mode, occur more easily. Apparently, the large energydifference between these orbitals is the determining factor in theactual process. The transition structure for this electrocyclic reactionhas been studied extensively by means of quantum-chemical calculations [87]. Their results fully support the conclusions of the abovereasoning.We have to stress again that there might be special reasons thatmake a disrotatory process or a stepwise mechanism favored over theconrotatory process; such as ring-strains and steric effects [88].7.3.3. Generalized Woodward–Hoffmann RulesThe selection rules for chemical reactions derived by using symmetryarguments show a definite pattern.

Woodward and Hoffmann generalized the selection rules on the basis of orbital symmetry considerationsapplied to a large number of systems [89]. Two important observations are summarized here; we refer to the literature for further details[90, 91].(a) Cycloaddition. The reaction between two molecules is thermallyallowed if the total number of electrons in the system is 4n + 2 (n is aninteger), and both components are either suprafacial or antarafacial. Ifone component is suprafacial and the other is antarafacial, the reactionwill be thermally allowed if the total number of electrons is 4n.(b) Electrocyclic reactions. The rules are similar to those given above.A disrotatory process is thermally allowed if the total number of electrons is 4n + 2, and a conrotatory process is allowed thermally if thenumber of delocalized electrons is 4n. For a photochemical reaction,both sets of rules are reversed.7.4.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
11,59 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6529
Авторов
на СтудИзбе
301
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее