118
Valence Bond theory Laboratoire de Chimie Théorique Sorbonne Université - CNRS Benoît BRAÏDA* Label chimie théorique d’Ile de France 2018 * [email protected]

Braida VB theory Master label idf 2018 · 2018. 1. 31. · Valence Bond theory Laboratoire de Chimie Théorique Sorbonne Université - CNRS Benoît BRAÏDA* Label chimie théorique

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Valence Bond theory

Laboratoire de Chimie Théorique Sorbonne Université - CNRS

Benoît BRAÏDA*Label chimie théorique d’Ile de France 2018

* [email protected]

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• VB theory :– Concepts and interpretation of the Chemical Bond : 3e-bonds, “charge shift” bonding, metallic bonding, exo-bond (C2), radical character of molecules… – Development of a VB-QMC method– Collaborations: China (W. Wu), Israel (S. Shaik), France (P. C. Hiberty)

• Maximum Probability Domains :– Development of algorithms and a program to efficiently optimise these domains– Applications on chemical bonding– Collaborations: LJLL/ISCD (P. Frey,…), Belgium (P. Bultinck), Spain (A. M. Pendas)

• Short CV :– Ingénieur ESPCI (1998)– PhD in Theoretical Chemistry (2002), Orsay– Pré/Post-Doc: Amsterdam (E. J. Baerends), Barcelona (E. Canadell)– Maître de Conférences, LCT-UPMC (2003-…)

Benoît BRAÏDA

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VB lectures

• Part. 0 - Purpose and History

• Part. 1 - Basics of VB theory and VB formalism

• Part. 2 - Ab initio VB

• Part. 3 - VB diagrams model for reactivity

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VB references

• Book :

• Reviews articles : https://wiki.lct.jussieu.fr/workshop/index.php/VB_tutorial

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Part 0. Motivation and history

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Heuristic models

• Lewis’ model :

- Lewis (1916) : electron pairing

- Langmuir (1919) : octet rule

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Heuristic models

• Lewis’ model :

- Lewis (1916) : electron pairing

- Langmuir (1919) : octet rule

• Mesomery / resonance :

- Arndt, Robinson, Ingold (1924) : mesomery

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Heuristic models

• Arrow-pushing language :

➡ describe the rearrangement of electrons during a reaction (mechanisms)

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Heuristic models

• Have shaped chemist’s mind

• Now form the chemist’s basic language

• Allow to organize and rationalize a incredibly large quantity of chemical facts

Chemist’s models:

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Quantum Chemistry

- accurate barriers ∆E≠ ;

- details about reaction mechanisms

∆E≠1

∆E≠2

• Accurate quantum theory based calculations can provide :

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Quantum Chemistry

• Nouvelle

F----H----Cl

F–H + Cl•F• + H–Cl

• Accurate quantum theory based calculations can provide :

- complete exploration of the PES and reaction dynamics

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Quantum Chemistry

• ... but it does not (directly) provide :

- human type comprehension of the computation outcome

- general laws and trends over a family of compounds/reactions

- description in terms of chemists’ local picture

++

∆E≠ = 22 kcal.mol-1 ⤇ low barrier, easy

? have to do the computation...

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Chemists’ «schizophrenia»

• Quantitative theory based on a delocalized particles vision :

- delocalized particles (e-, n+)- indistinguishable and all-interacting (no chemical bond)

C

H

H

H

H

••

••••••

• Concepts and heuristic models based on a localized vision :

- Localized electron pairs- Chemical bond concept

Lewis model, arrow-pushing language, VSEPR, hybridization,...

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Chemists’ «schizophrenia»

Ψ+

∆Hrnx

∆H‡

etc.

Quantum Calculations

Chemical Question

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Chemists’ «schizophrenia»

Ψ+

∆Hrnx

∆H‡

etc.

Quantum Calculations

«I am very glad the computer understands this. But I would like to understand it too» (Eugene Wigner)

Chemical Question

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Chemists’ «schizophrenia»

Ψ+

∆Hrnx

∆H‡

etc.

Quantum Calculations

«I am very glad the computer understands this. But I would like to understand it too» (Eugene Wigner)

Chemical Question

Interpretative model

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Chemists’ «schizophrenia»

• How to build a bridge between quantum mechanics and chemists’ vision ?

• How to to organize and rationalize the enormous and ever-increasing quantity of data produced ?

The challenges :

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Chemists’ «schizophrenia»

• How to build a bridge between quantum mechanics and chemists’ vision ?

• How to to organize and rationalize the enormous and ever-increasing quantity of data produced ?

The challenges :

➡ Need for interpretative methods to act as interface between experiments and computations, to create order, and by doing this to open new thoughts

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• Birth and origins:

G.N. Lewis L. Pauling

VB: a quantum dressing of Lewis model

1916 1928-34

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• ~1930-1950s: Rise and glory

L. Pauling

VB dominated the mental map of chemistry

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• ~1940-1960: The MO-VB rivalry

October 2003Volume 36Number 10

ACHRE4

A Publication of the

American Chemical Society

http://pubs.acs.org/acr

achre4_102103 9/29/03 12:25 PM Page 1

Successes of MO theory vs. VB «failures»

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• ~1960-1980: The downfall

MO programs are developed, VB had nothing

Sir John A. Pople

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• ~1980-2010: small but active community

New models, methods, programs, applications

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• 2012-...: awakening of the sleeping beauty?

All elements for a Valence Bond revival are ready

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• 1992+2013: Two nobel prices

Developments of VB theory

Rudolph A. MarcusET theory

Ariel WarshelEVB

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Part 1. Basics of VB theory

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Heitler-London

• Notations :

ab =(1, s

1)

(2, s2)

a(1)⊗α (s1) b(1)⊗β(s1)a(2)⊗α (s2 ) b(2)⊗β(s2 )

1= (x1, y1, z1) : spatial coordinates for electron 1s1 : spin coordinate for electron 1 ⎧⎨⎩

Ha HbDihydrogen molecule H2 :a b

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Heitler-London

• Notations :

bb =(1, s

1)

(2, s2)

b(1)⊗α (s1) b(1)⊗β(s1)b(2)⊗α (s2 ) b(2)⊗β(s2 )

1= (x1, y1, z1) : spatial coordinates for electron 1s1 : spin coordinate for electron 1 ⎧⎨⎩

Ha HbDihydrogen molecule H2 :b

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Stop me at any time !

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Heitler-London

|a b | |b a |+ΨHL =

• Heitler-London (1927) :

- Electrons in atomic orbitals

- Shared electron pair (covalent bond)

➡ basis of VB theory

Ha HbDihydrogen molecule H2 :

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Heitler-London

• Heitler-London (1927) :

➡ basis of VB theory

Ha HbDihydrogen molecule H2 :

• Hund-Mulliken (1927) :

➡ basis of MO theory(HF wave function)

|σg σg |ΨHM =

σ u ∝ a − bσ g ∝ a + b

- Electrons in atomic orbitals

- Shared electron pair (covalent bond)

|a b | |b a |+ΨHL =

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Heitler-London• Quasi-Classical (QC) state :

EQC =ab H él ab

ab ab= haa + hbb + Jab

EQC ~ cte along the dissociation curve

-20

-40

-60

-80

-100

E (kcal/mole)

RHH

Ψexact

ΨQC =|a b |

➡ no spin exchange ⤇ no bonding

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Heitler-London• Heitler-London (HF) wf :

-20

-40

-60

-80

-100

E (kcal/mole)

RHH

Ψexact

ΨHL

EHL = (haa + hbb + JabEQC

! "## $## + 2habSab + Kab

<0! "## $## )

➡ Physical origin of the chemical bond : spin exchange between AOs

ΨHL = ab + ba

Overlap (distance) dependant

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Heitler-London

ab ΨS =

+[α(s1) β(s2) – α(s2) β(s1)], antisymetric ⇒ Singlet

ΨT = [α(s1) β(s2) + α(s2) β(s1)],

symetric ⇒ Triplet (MS=0)

2(1+ Sab2 )

ba

ab –

2(1− Sab2 )

ba

[a(1)b(2) + a(2) b(1)] ⊗

[a(1)b(2) – a(2) b(1)] ⊗

Note that :

... all triplets have the same energy as Ĥ is spin-independent

ΨT ∝ ab = [α(s1) α(s2) ] => MS = +1 [a(1)b(2) – a(2) b(1)] ⊗

ΨT ∝ ab = [β(s1) β(s2) ] => MS = –1 [a(1)b(2) – a(2) b(1)] ⊗

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Heitler-London

E(S) = 1(1+ Sab

2 )(haa + hbb + Jab + 2habSab + Kab )

E(T ) = 1(1− Sab

2 )(haa + hbb + Jab − 2habSab − Kab )

EQC ≈ E(RHH →∞)

EQC ≈ E(RHH →∞) <0

>0

S→T gap ≈ 2De

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c1( )|ba|

The VB wave function

Linus Pauling (1931) :

-20

-40

-60

-80

-100

E (kcal/mole)

RHH

Ψ«exact»

ΨHL

ΨVB

How to improve upon the HL wave function ?

Covalent + ionic superposition

ΨVB = + +c2( )|ab | |aa | |bb |

➡ ΨVB : quantum dressing of Lewis’ model

+

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VB vs. MO

➡ Exercise 1 :

Expand the Hartree-Fock wave-function for H2 (Hund-Mulliken) : in in the basis of VB determinants (built on atomic orbital). We will use : . Make the correspondance with Pauling’s VB wave-function for H2.

ΨHF =12σ gσ g

σ g = N '(a + b)

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VB vs. MO•Difference between HL and HF ?

ΨHF = |σg σg |

= |ab | + |b a | + |aa | + |bb |

H•—•H H–H+ + H+H–

50% covalent 50% ionic

-20

-40

-60

-80

-100

E (kcal/mole)

RHH

Ψexact

ΨHL

ΨHF

50% covalent50% ionic

100% covalent

σ u =1

2(1+ S)(a − b) =

σ g =1

2(1+ S)(a + b) =

a b

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VB vs. MO•Difference between HL and HF ?

-20

-40

-60

-80

-100

E (kcal/mole)

RHH

Ψexact

ΨHL

ΨHF

50% covalent50% ionic

100% covalent

wrong dissociation limit

Optimal ≈ 80% covalent 20% ionic

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Writing VB wave functions

C

H

H

H

H

••

••••••

- We want to construct a VB w.f. which corresponds to Lewis’ picture

- Which orbitals to use ?

• Extension to the general case :

Lewis :

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Writing VB wave functions

C

H

H

H

H

••

••••••

- We want to construct a VB w.f. which corresponds to Lewis’ picture

- Which orbitals to use ?Lewis :

Hybrid OrbitalsAtomic Orbitals

2s

2p Unitary

transformation

Four equivalent directional sp3 orbitals

ci

• Extension to the general case / 1) general localized orbital:

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Writing VB wave functions

C

H

H

H

H

••

••••••

- We want to construct a VB w.f. which corresponds to Lewis’ picture

- Which orbitals to use ?Lewis :

••

••

••

• •HL :c1

c2

c3

c4

h1

h2

h3

h4

ΨHL = (c1h1 + h1c1)(c2h2 + h2c2 )(c3h3 + h3c3)(c4h4 + h4 c4 )

Electrons occupy localized orbitals (atomics, hybrids,...)

A bond = two singlet-coupled electrons in two orbitals (+minor ionics)

• Extension to the general case / 1) general localized orbital:

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Writing VB wave functions

• Extension to the general case / 2) active electrons/orbitals:

Not all electrons are treated at the VB level : inactive/active separation

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Writing VB wave functions

• Extension to the general case / 2) active electrons/orbitals:

C Cla b

C Cla b

Not all electrons are treated at the VB level : inactive/active separation

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Writing VB wave functions

• Extension to the general case / 2) active electrons/orbitals:

Not all electrons are treated at the VB level : inactive/active separation

C Cla b

C Cla b

- an active space of electrons/orbitals treated at the VB level- the rest (called inactive or «spectators») at the MO level

• The active space chosen depending on the chemical problem

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Writing VB wave functions• Extension to the general case / 3) multi-structure:

C

O

NC

O

N

1 2

pO

pC

pN

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Writing VB wave functions• Extension to the general case / 3) multi-structure:

Ψ(1↔2) = C1(Ψ1) + C2(Ψ2)

➡ VB wave function : two resonating components, each one corresponding to one of the 2 structures

C

O

NC

O

N

1 2

pO

pC

pN

= C1 pN pN (pO pC + pC pO ) +C2 pO pO (pC pN + pN pC )

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We want to study the SN2 reaction using VB theory.

1. How many active electron and orbitals do we have to consider?

2. Write a complete basis of Lewis structure for this problem.

3. Write the mathematical expression of the corresponding VB structures

4. What structures describe the reactant electronic structure ? The product electronic structure ?

5. What will be the major structure(s) at the transition state geometry, for the SN2 reaction on the carbon? On the silicium?

Writing VB wave functions

➡ Exercise 2 :X: :Y+ (A—Y) X A Y (X—A) +

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Writing VB wave functions

➡ Exercise 2 :X: :Y+ (A—Y) X A Y (X—A) +

It is a 4e in 3 orbitals problem:

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Writing VB wave functions

➡ Exercise 2 :X: :Y+ (A—Y) X A Y (X—A) +

X A Y• • X A Y•• •••• X A Y•• ••

1 23

It is a 4e in 3 orbitals problem:

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Writing VB wave functions

➡ Exercise 2 :X: :Y+ (A—Y) X A Y (X—A) +

X A Y• • X A Y•• •••• X A Y•• ••1 23

X A Y••••

4 56

X A Y•••• X A Y•• ••

It is a 4e in 3 orbitals problem:

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Writing VB wave functions

➡ Exercise 2 :X: :Y+ (A—Y) X A Y (X—A) +

X A Y• • X A Y•• •••• X A Y•• ••1 23

X A Y••••

4 56

X A Y•••• X A Y•• ••

xx (ay + ay) aa(xy + xy) yy(xa + ax )

xxaa xxyy aayy

It is a 4e in 3 orbitals problem:

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Writing VB wave functions

➡ Exercise 3 :Are the lone pairs of water best described by a π and a sigma

lone pairs, of two equivalent “rabbit-ears” lone pairs?

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Writing VB wave functions

➡ Exercise 3 :

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VB vs. MO

➡ Exercise 3 (conclusion) :

H

H

n + λp

n - λpH

Hn

p

So why do we get two different images ?⇒ one if more handy than the other depending on what you want to look for !

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VB vs. MO

➡ Exercise 3 (extra) :

• The «rabbit-ear» image is a faithful representation of the electron density in the isolated molecule :

OHH

n-p n+pmax ρ max ρ max ρ

sp3

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VB vs. MO

➡ Exercise 3 (extra) :• The MO image more readily account the two different IP

in the water molecule :

⇒ Canonical MOs allows to account to what will happen to a molecule when a perturbation is applied (Koopman’s theorem, FO theory)

OHH

n

p

IP1

IP2

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VB vs. MO

ΨVB

ΨVB2

ΨVB1 =

ΨVB2 =

+

+

IP

HH

HH

ΨVB1 =

lasy reasoning (very common !) :

➡ Exercise 3 (extra) :• Can VB predict two IPs for the water molecule ?

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VB vs. MO

HH

HH

HH

HH +

HH

HH –

ΨVB

ΨVB1

ΨVB2

++ΨVB1 =

ΨVB2 =+

IP1

IP2

+

++

• Correct reasoning :➡ Exercise 3 (extra) :

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Part 2. Ab initio Valence Bond

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VB methods including correlation

*van Lenthe; Balint-Kurti, J. Chem. Phys. 1983, 78, 5699

• Basically a MCSCF method with nonorthogonal orbitals :

ΨVBSCF = CKΦK

K∑

ΦK (1,..., N ) = A{ ϕ i(1)i=1

N

∏ ΘK } : VB structures

{ϕ i} : set of non-orthogonal localized orbitals

expanded onto a set of basis functions χm{ } : ϕ i(1) = dmi χm(1)

m∑

ΘK spin function

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

with :

• The VBSCF* method :

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VB methods including correlation

*van Lenthe; Balint-Kurti, J. Chem. Phys. 1983, 78, 5699

• Basically a MCSCF method with nonorthogonal orbitals :

ΨVBSCF = CKΦK

K∑

ΦK (1,..., N ) = A{ ϕ i(1)i=1

N

∏ ΘK } : VB structures

{ϕ i} : set of non-orthogonal localized orbitals

expanded onto a set of basis functions χm{ } : ϕ i(1) = dmi χm(1)

m∑

ΘK spin function

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

with :

All w.f. parameters : structure coef. {CK} and orb. coef. {dim} are optimized simultaneously minimizing ΨVBSCF H ΨVBSCF

• The VBSCF* method :

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VB methods including correlation

• The VBSCF method :

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VB methods including correlation

HF : 50% 25% 25%

HL : 100% 0% 0%

VBSCF : 80% 10% 10%

➡ The VBSCF method ensures a correct balance beween covalent and ionic configurations («left-right» static correlation)

• The VBSCF method :

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VB methods including correlation

• Accuracy :

∆E (kcal.mol-1)

RHF –37

VBSCF +15

Exact +39

Some important physical ingredient is missing...

←Too ionic

←Why ???

• The VBSCF method :

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VB methods including correlation

• What the VBSCF method does :

Same set of orbitals for all VB structures :

optimized for a mean situation

• The VBSCF method :

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VB methods including correlation

• What the VBSCF method does :

• A better wave function would be :

Same set of orbitals for all VB structures :

optimized for a mean situation

Each structure has its own specific set of orbitals

optimized for each situation

• The VBSCF method :

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VB methods including correlation

• The BOVB* method :

• BOVB uses :

* Hiberty, P. C. ; Humbel, S. ; Byrman, C. P. ; van Lenthe J. H. J. Chem. Phys. 1994, 101, 5969

ΨBOVB = CKΦK

BOVB

K∑

ΦKBOVB(1,..., N ) = A{ ϕ K

i(1)i=1

N

∏ ΘK } : VB structures

{ϕ Ki} : set of non-orthogonal (del)localized orbitals for the structure K

expanded onto a set of basis functions χm{ } : ϕ Ki(1) = dm

i,Kχm(1)m∑

ΘK spin function

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

with :

All w.f. parameters : structure coef. {CK} and orb. coef. sets {dim}K are optimized simultaneously minimizing ΨBOVB H ΨBOVB

same number of structures as VBSCF, but different orbitals for the different structures :

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VB methods including correlation

• Accuracy :

∆E (kcal.mol-1)

RHF –37VBSCF 15

L-BOVB 28.2SD-BOVB 33.6

Exact +39

• The BOVB method :

Basis set incompleteness

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VB methods including correlation

• The VBSCF method

• The BOVB method

• The VBCI method

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VB computations in practice

What do you get out of the calculation ?

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VB computations in practice

(good) numbers...

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VB computations in practice

...but also insight !

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Ozone and other 1,3 dipoles

Let’s start with a questionfreshman chemistry student are asked for:

What is the electronic structure of Ozone?

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Ozone and other 1,3 dipoles

Reference chemistry textbooks (Klein):

Same description in other reference organic chemistry textbooks (Vollhardt, Carey-Sundberg,…) and in wikipedia

Let’s start with a questionfreshman chemistry student are asked for:

What is the electronic structure of Ozone?

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• Ozone: • cleaves multiple CC bonds• very strong oxydent (E°=+2,07V)• addition of H on terminal atoms: very exothermic

• Contrasted reactivity of 1,3 dipoles:

Do they really have the same electronic structure?…

• Sulfur dioxide: • unreactive toward mult. CC bonds• weak oxydent (E°=+0,50V)• addition of H on terminal atoms: slightly exothermic

Ozone and other 1,3 dipoles

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VB description of 1,3 dipoles

• The π system is active (and σ inactive)

➡ this is a 4e in 3 orb. case O

O O

p1

p2p3

• A complete basis of features 6 VB structures:

O

O O

O

O O

O

O OD Z1 Z2

O

O OZ3 Z4

O

O OMI

O

OO

All keptin the calculations

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VB description of 1,3 dipoles

• The π system is active (and σ inactive)

➡ this is a 4e in 3 orb. case O

O O

p1

p2p3

• A complete basis of features 6 VB structures:

O

O O

O

O O

O

O OD Z1 Z2

O

O OZ3 Z4

O

O OMI

O

OO

Major

Minor Neglectedin the discussion

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VB description of 1,3 dipoles

• The π system is active (and σ inactive)

➡ this is a 4e in 3 orb. case O

O O

p1

p2p3

• A complete basis of features 6 VB structures:

O

O O

O

O O

O

O OD Z1 Z2

O

O OZ3 Z4

O

O OMI

O

OO

Major

ψ BOVB = cDΦD + cZ1ΦZ1+ cZ2ΦZ2

+ ...

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ψ BOVB = cDΦD + cZ1ΦZ1+ cZ2ΦZ2

+ ...

with: Φi the VB structures

Chirgwin-Coulson weights Norbek-Gallup(“inverse”) weights

CC

Quantifying with the VB weights:

with: MKL the overlaps between structures K and L

VB description of 1,3 dipoles

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B

A C

B

A C

B

A C

OO O

OS O

OS S

44.4% 56.1% 61.0%

24.4% 17.7% 19.5%

26.2%24.4% 19.5%

Quantifying with the VB weights (in %): (BOVB/cc-pVTZ)

VB description of 1,3 dipoles

☞Major

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B

A C

B

A C

B

A C

15.9 (15.0) 22.7 (25.7) 34.6 (37.7)

35.3 (38.4) 30.1 (35.7) 28.5 (29.0)

31.6 (28.7)35.3 (38.4) 28.5 (29.0)

SSS

SOS

SOO

Quantifying with the VB weights (in %): (BOVB/cc-pVTZ)

☞Major}

VB description of 1,3 dipoles

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OO O

≈50% diradical

OS O

OS S

⏟B

A C

SOO

B

A C

B

A C

B. Braida, S. E. Galembeck, P. C. Hiberty JCTC, 2017

VB description of 1,3 dipoles

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VB computations in practice

• Resonance energy / «diabatic states» :

It is possible to compute a VB w.f. which does not correspond to a real quantum state : a single structure of a subset of structures

➡ computation of Resonance Energies (R.E.) :

Ψ(1↔2) = C1(Ψ1) + C2(Ψ2)

1) Optimize Ψ(1↔2)

2) Optimize Ψ1 separately

3) R.E.= E(Ψ1)− E(Ψ(1↔2) )C

O

NC

O

N

1 2

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VB computations in practice

• Resonance energy / «diabatic states» :

It is possible to compute a VB w.f. which does not correspond to a real quantum state : a single structure of a subset of structures

➡ computation of Resonance Energies (R.E.) :

Ψ(1↔2) = C1(Ψ1) + C2(Ψ2)

1) Optimize Ψ(1↔2)

2) Optimize Ψ1 separately

3) R.E.= E(Ψ1)− E(Ψ(1↔2) )C

O

NC

O

N

1 2

~30 kcal/mol !=> no free rotation

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VB computations in practice

• Chemical insight / «diabatic states» :

It is possible to compute a VB w.f. which does not correspond to a real quantum state : a single structure of a subset of structures

➡ Valence Bond diagrams (Shaik and Pross) for reactivity :

Part 4. lecture

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Part 3. VB diagrams

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VB diagrams by Shaik and Pross

• A powerful VB model for rationalizing reactivity :

• Developed and applied since then to a huge number of organic chemical reactions, inorganic reactions, clusters and metalloenzymes

• Reviews : https://wiki.lct.jussieu.fr/workshop/index.php/VB_tutorial

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Principles• VB diagram for the SN2 reaction :

CXl + :Xr+Xl : C Xr CXl Xr

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Principles

ΨR = X:– + (R3C•–•X)C. R.

Réactifs Produits

E

ΨR ∝ xl xl (cxr + xrc )

CXl Xr

+2ßS

• VB diagram for the SN2 reaction :

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Principles

ΨR = X:– + (R3C•–•X)

X:– •CR3 •X = ΨP*

C. R.Réactifs Produits

E

CXl Xr

ΨR ∝ xl xl (cxr + xrc )

-2ßS

+2ßS

• VB diagram for the SN2 reaction :

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Principles

ΨR = X:– + (R3C•–•X) (X•–•CR3) + :X– = ΨP

X:– •CR3 •X = ΨP*ΨR* = X• R3C•–:X

C. R.Réactifs Produits

E

CXl Xr

ΨP ∝ (cxl + xlc )xr xr

-2ßS

+2ßS

• VB diagram for the SN2 reaction :

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Principles

ΨR = X:– + (R3C•–•X) (X•–•CR3) + :X– = ΨP

X:– •CR3 •X = ΨP*ΨR* = X• R3C•–:X

C. R.

G

Réactifs Produits

E

CXl Xr

~ -4ßS

• VB diagram for the SN2 reaction :

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Principles

~ IE(X-)—EA(R3CX)

ΨR = X:– + (R3C•–•X) (X•–•CR3) + :X– = ΨP

X:– •CR3 •X = ΨP*ΨR* = X• R3C•–:X

C. R.

ΔEc=fG

G

Réactifs Produits

E

G : reactants’ property (exp.)f : curvature factor

CXl Xr

~ -4ßS

• VB diagram for the SN2 reaction :

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Principles

~ IE(X-)—EA(R3CX)

ΨR = X:– + (R3C•–•X) (X•–•CR3) + :X– = ΨP

X:– •CR3 •X = ΨP*ΨR* = X• R3C•–:X

C. R.

ΔEc=fG

ΔE‡

G

B

Réactifs Produits

E

G : reactants’ property (exp.)f : curvature factor

B : resonance energy

∆E≠ = f G - BB

CXl Xr

~ -4ßS

• VB diagram for the SN2 reaction :

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Principles• Basic ingredients of the VB diagrams :

• G : promotion energy : R→R* is an excited diabatic state which prepare the reactants ground state for the bonding changes from R to P.

• f : measure the intrinsic «smoothness» of the electronic structure change in R and P

⇒ fG : gauges the total deformation and repulsive interactions R have to experience to achieve resonance with P

• B : resonance energy of the TS due to VB mixing at the crossing point

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Principles• Exercice 2 (SN2):

43

X A Y• • X A Y•• •••• X A Y•• ••1 23

X A Y••••

4 56

X A Y•••• X A Y•• ••

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Principles• Exercice 2 (SN2):

43

X A Y• • X A Y•• •••• X A Y•• ••1 23

X A Y••••

4 56

X A Y•••• X A Y•• ••

reactants products

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Principles• Exercice 2 (SN2):

43

X A Y• • X A Y•• •••• X A Y•• ••1 23

X A Y••••

4 56

X A Y•••• X A Y•• ••

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Principles• Two-state (VBSCD) vs. multi-state diagrams (VBCMD) :

Barrier Stepwise

R and P mix to form the barrier and the TS for an

elementary process

The intermediate has a different electronic structure than R and P

(«internal catalysis»)

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Illustrations• 1) Radical exchange reactions

Stability or unstability of X3• clusters (X= H, F, Cl, Br, I, Li, Na, etc.)

X• + X-X → [X--X--X]• → X–X + X•

G

Strong bonds (H3): Large barrier

X• + (X•—•X)

X• + (•X •X)

Rule 1 : ⇒G ≈∆ EST (X – X)∝ 2De

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Illustrations

Stability or unstability of X3• clusters (X= H, F, Cl, Br, I, Li, Na, etc.)

X• + X-X → [X--X--X]• → X–X + X•

G

Strong bonds (H3): Large barrier

X• + (X•—•X)

X• + (•X •X)

Rule 1 : ⇒G ≈∆ EST (X – X)∝ 2De

G

Weaker bonds (Cl3): Smaller barrier

• 1) Radical exchange reactions

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Illustrations

Stability or unstability of X3• clusters (X= H, F, Cl, Br, I, Li, Na, etc.)

X• + X-X → [X--X--X]• → X–X + X•

G

Strong bonds (H3): Large barrier

X• + (X•—•X)

X• + (•X •X)

Rule 1 : ⇒G ≈∆ EST (X – X)∝ 2De

G

Weaker bonds (Cl3): Smaller barrier

G

Weak bonds (Li3): Stable cluster

• 1) Radical exchange reactions

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Illustrations

Positive charge localization on Si vs. delocalization on C⇒ Si small ion allowing close approach of anions and a significant electrostatic stabilization of its ionic structure

• 2) SN2(C) vs. SN2(Si) - Origin of hypercoordination :

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Illustrations• 2) SN2(C) vs. SN2(Si) - Origin of hypercoordination :

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Illustrations• 3) F– + HF vs. F• + HF: impact of a single electron:

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Illustrations• 3) F– + HF vs. F• + HF: impact of a single electron:

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Illustrations• Allowed/forbidden cycloadditions

[4+2] [2+2]

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Illustrations

R* R*

Rule 1 : G =∆ EST (D)+∆ EST (O) G = 2∆ EST (O)

with : ∆ EST (O)>∆ EST (D)! "### $###

➡ G lower for [4+2] cycloaddition

[4+2] [2+2]

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Illustrations

[4+2] [2+2]

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Illustrations

B large (6πe, aromatic) B small (4πe, antiaromatic)

➡ G lower and B larger for [4+2] cycloaddition ∆ E = fG − B

[4+2] [2+2]

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Illustrations

[4+2][2+2+2]

Higher thermodynamic driving but much higher barrier... ☞

Formally Allowed

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Illustrations

➡ G much higher for [2+2+2] cycloaddition

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Illustrations

• G involve S➞T decoupling of the two π bonds :

• Estimation using the formula (∆E≠=fG–B) and f=0.3 (typical value) lead to a barrier difference of 40 kcal.mol-1 for Si vs C : not bad !

Formally Forbiden

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Illustrations

• G involve S➞T decoupling of the two π bonds :

It is even faster than the (formally allowed) Diel-Alder reaction with G=179 kcal.mol-1 !

Formally Forbiden

• Allowed/forbidden cycloadditions

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Conclusion

• A general and powerful model for reactivity :

- Nucleophilic, electrophilic, radical, pericyclic…

- Simple: could be applied «on the back of en envelop»

- Insightful: allows to create order among great families of reactions

• Both interpretative and quantitative :

- qualitative reasonings : a few rules and elementary interactions

- quantitive proof : by high level VB calculations

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VB theory

• provides a wave-function ansatz which enables to compute high level wf that are quantum dressing of Lewis’ model ;

• retrieves fundamental chemical concepts, such as : resonance/mesomery, hybridization, arrow-pushing language, and provides a theoretical support for them ;

• incorporates interpretative tools which are both directly connected to quantum mechanics and to the local vision of chemists’ (VB weights, resonance energies, VB diagrams)

➡ VB theory :

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To go further...

https://wiki.lct.jussieu.fr/workshop/index.php/VB_tutorial