Молекулярные орбитали: ВЗМО и НСМО — Органическая химия для олимпиад

Молекулярные орбитали: ВЗМО и НСМО

8 заданий

π-Орбитали бутадиена

linkОпора

Сопряжение (урок 156) можно описать на языке орбиталей. Четыре атомные \(p\)-орбитали бутадиена, комбинируясь, дают четыре молекулярные π-орбитали, которые различаются числом узлов — плоскостей, где орбиталь меняет знак. Чем больше узлов, тем выше энергия орбитали.

Как построить π-МО сопряжённой системы

  1. n атомных \(p\)-орбиталей → n молекулярных.
  2. Энергия растёт с числом узлов: ψ1 — 0, ψ2 — 1, ψ3 — 2, ψ4 — 3.
  3. Четыре π-электрона заполняют ψ1 и ψ2: ВЗМО — ψ2, НСМО — ψ3.
  4. Зазор ВЗМО–НСМО уменьшается с длиной сопряжения.
ОрбитальУзловЭлектронов (бутадиен)
ψ430
ψ3 (НСМО)20
ψ2 (ВЗМО)12
ψ102
π-Орбитали бутадиена: энергия растёт снизу вверх, электроны занимают ψ₁ и ψ₂
π-Орбитали бутадиена: энергия растёт снизу вверх, электроны занимают ψ₁ и ψ₂

Примеры

1. Этилен. Две \(p\)-орбитали дают две молекулярные: связывающую π без узлов (она занята двумя электронами и является ВЗМО) и разрыхляющую π* с одним узлом (пустая, НСМО).

\[\text{этилен: } \pi\ (\text{ВЗМО, 0 узлов, 2 электрона}),\qquad \pi^{*}\ (\text{НСМО, 1 узел, пустая})\]

2. Длина сопряжения и поглощение света. Октатетраэн поглощает около 300 нм, бутадиен — 217 нм: каждая новая π-связь сближает ВЗМО и НСМО, и для перехода электрона нужен квант меньшей энергии, то есть с большей длиной волны.

\[\Delta E = E_{\text{НСМО}} - E_{\text{ВЗМО}} = \frac{hc}{\lambda}:\qquad \text{чем меньше } \Delta E,\ \text{тем больше } \lambda\]

errorЧем длиннее сопряжение, тем больше длина волны поглощения

Меньший зазор между ВЗМО и НСМО означает меньшую энергию поглощаемого кванта, а меньшей энергии отвечает большая длина волны. Поэтому у длинных полиенов, таких как β-каротин, поглощение сдвигается в видимую область, и они окрашены.

edit_noteПопробуйте сами

Сколько π-МО у гекса-1,3,5-триена и какая из них ВЗМО?

expand_moreПоказать решение

Шесть; ВЗМО — ψ3 (два узла).

Орбитали и реакция Дильса — Альдера

Орбитали из первой части урока объясняют, почему реакция Дильса — Альдера (урок 160) идёт при нагревании, а димеризация двух алкенов — нет. В реакции ВЗМО диена отдаёт электроны на НСМО диенофила, и реакция разрешена, если на обоих концах, где образуются связи, орбитали перекрываются лопастями одного знака.

Как проверить реакцию по граничным орбиталям

  1. Возьмите ВЗМО одного партнёра и НСМО другого.
  2. На концах, где образуются связи, фазы должны совпадать.
  3. [4+2]: ВЗМО диена (ψ2) и НСМО алкена (π*) — совпадают: термически разрешено.
  4. [2+2]: ВЗМО алкена (π) и НСМО алкена (π*) — не совпадают: термически запрещено, фотохимически — разрешено.
ВЗМО диена над НСМО диенофила: на обоих концах лопасти одного цвета
ВЗМО диена над НСМО диенофила: на обоих концах лопасти одного цвета

Примеры

1. Бутадиен и этилен. ВЗМО диена ψ₂ и НСМО этилена π* на обоих концах совпадают по фазе, поэтому [4+2]-циклоприсоединение термически разрешено и идёт при нагревании.

ВЗМО диена над НСМО диенофила: на обоих концах лопасти одного цвета
ВЗМО диена над НСМО диенофила: на обоих концах лопасти одного цвета

2. 1-Метоксибутадиен и акролеин. Метоксигруппа повышает энергию ВЗМО диена, альдегидная группа понижает НСМО диенофила; зазор между ними меньше, чем у бутадиена с этиленом, и реакция идёт быстрее.

Донор в диене и акцептор в диенофиле сближают граничные орбитали
Донор в диене и акцептор в диенофиле сближают граничные орбитали

errorОблучение меняет правило отбора

При поглощении света электрон переходит с ВЗМО на НСМО, и заполненной становится орбиталь с другой симметрией. Поэтому [2+2]-циклоприсоединение двух алкенов, запрещённое при нагревании, становится разрешённым при облучении: так из этилена фотохимически получают циклобутан.

edit_noteПопробуйте сами

Почему малеиновый ангидрид — хороший диенофил, а этилен — плохой?

expand_moreПоказать решение

Акцепторы понижают НСМО малеинового ангидрида — зазор с ВЗМО диена меньше.

push_pinГлавное

Четыре \(p\)-орбитали бутадиена дают четыре π-МО: ψ1 (0 узлов), ψ2 (1 узел, ВЗМО), ψ3 (2 узла, НСМО), ψ4 (3 узла). В реакции Дильса — Альдера ВЗМО диена перекрывается с НСМО диенофила: концы совпадают по фазе — термически разрешено. Для [2+2] двух алкенов фазы на концах не совпадают — термически запрещено (идёт при облучении). Доноры повышают ВЗМО диена, акцепторы понижают НСМО диенофила — зазор меньше, реакция быстрее. Чем длиннее сопряжение, тем меньше зазор ВЗМО–НСМО и тем длиннее волна поглощения.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Органическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Курс органической химии для подготовки к региональному и заключительному этапам Всероссийской олимпиады школьников и к перечневым олимпиадам первого уровня.