分子模擬中Surface選項的概述

一.分子模擬中Surface選項的概述:

在分子模擬軟體(例如:SPARTAN View軟體)的下拉功能表的Surface選項中，所列出的Potential、 Spin、 HOMO、 LUMO‧‧‧等選項之顯示，乃是在建立該分子模擬時，點選加入的項目，經計算所得的結果。我們可藉由分子的Surface圖中，進一步了解分子的特性、反應位置等內容。

1. Potential surface:茲以醋酸分子的Potential Map 為例，從該分子的電荷分佈情形，可以洞察其物理和化學性質。分子上正電荷或負電荷分佈較高的位置，往往有較大的反應性。正電性位置會吸引鹼或親核子的攻擊反應，負電性位置是酸或親電子劑的攻擊目標。靜電電位圖(Electrostatic Potential Maps)，紅色表示最大負電性位置，藍色表示最大正電性位置，介於兩者之間的顏色所表示的Electrostatic Potential大小是: 紅〈橙〈黃〈綠〈藍色。

2. Spin Density Surface:電子具有自旋(spin)的性質，其自旋包含兩種狀態：spin up和spin down。大多數分子的spin up電子和spin down電子數目相同，其電子雲圖形相同。但是自由基(free radicals)具有奇數個電子，其spin up電子數和spin down電子數不同，因此它的spin up電子雲也和spin down電子雲不一樣。

另外，'正常的’(normal)分子，若吸收紫外線的副輻射，會造成電子跳至未佔有軌域，呈現激動狀態，其spin up電子雲和spin down電子雲也不一樣(如圖一)。


圖一	圖二

我們可以根據Spin Density Surface的特性，用以判斷較不常用分子，是否具有不成對電子(unpaired electron)的存在。

3. 分子軌域中，HOMO(Highest-occupied molecular orbital)最高被佔有軌域，和LUMO(Lowest-unoccupied molecular orbital)最低未被佔有軌域(如圖二)。

在SPARTAN View軟體所顯示的HOMO或LUMO的surface圖形，可以幫助我們了解化學反應進行過程中，反應物分子彼此接近的方向，以及進行反應的適當位置。茲以亞甲基(Singlet Methylene CH₂)的HOMO(如圖三)和LUMO(如圖四)為例。(Singlet Methylene)的LUMO是在碳原子上2p原子軌域上，其方向與亞甲基分子平面成垂直。反應進行時，donor molecule HOMO向亞甲基LUMO接近，與其2p軌域互相作用。


圖三	圖四

二.分子理論的概述:

1. Dipole Moment and Molecular Polarity 偶極矩和分子極性:偶極矩可以用來測量分子中電荷分離的情形，當電負度不同的原子化合成分子時，會形成極性共價鍵。分子內鍵極性向量和，與鍵極性及分子幾何結構有關，若極性鍵向量和為零，則分子不具極性。若極性鍵向量和不為零，則形成極性分子。兩極性分子互相接近時，則極性分子間部份正電性(δ+)一端與另一分子部份負電性(δ-)一端相吸引。例如:HCl 分子，氫原子的電負度(electronegativity)為2.2，氯原子的電負度為3.2，因此HCl 分子的氫端帶有部份正電性(δ+)，而氯端帶有部份負電性(δ-)，是一極性分子。當兩HCl 分子互相接近時，兩個極性分子會互相吸引。偶極矩可由 μ(debyes)= 4.8∣q_Ar_AB∣的計算求得，其中 q_A 為A原子的電荷， r_AB 為A和B兩原子間的距離(單位:埃) 。

2.化學鍵長(bond lengths):共價鍵中質子與電子之間的吸引力與排斥力的強度依賴原子相互靠近的程度，如果原子相距太遠，吸引力就太小而不能形成鍵，如果靠得太近，核間的排斥力就會太強而將原子分開。這樣所存在的最佳位置，原子間的靜吸引力最大，分子最穩定，這個核間的最佳距離稱為鍵長(bond length)。每一個共價鍵都有一個特定鍵長，保持最穩定的結構，鍵長可由原子半徑粗略估算，例如:氫的原子半徑為37pm，氯的原子半徑為99pm，則在氯化氫分子中H-Cl鍵長大約為136pm。本輔助教材中HCl氣態分子經由計算軟體的PM3方法計算所得為127pm。

待續...

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