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Calcul quantique de l’anisotropie diamagnétique des
molécules organiques II. - Principaux groupes
d’hydrocarbures aromatiques
Gaston Berthier, Margel Mayot, Bernard Pullman
To cite this version:
CALCUL
QUANTIQUE
DE L’ANISOTROPIEDIAMAGNÉTIQUE
DESMOLÉCULES ORGANIQUES
II. - PRINCIPAUX GROUPES D’HYDROCARBURESAROMATIQUES
Par MM. GASTON
BERTHIER,
MARGEL MAYOT et BERNARD PULLMAN.Sommaire.- La méthode décrite dans l’article précédent est utilisée pour la détermination théorique
de l’anisotropie diamagnétique des principaux groupes d’hydrocarbures conjugués : molécules
polybenzé-niques condensées, phényléthylènes, polyphényles, dérivés quinodiméthaniques des hydrocarbures
aroma-tiques, hydrocarbures aromatiques non benzénoïdes tels les fulvènes, l’azulène, etc. La signification des
résultats du calcul est analysée en relation avec les indications des mesures magnétiques et, également,
en relation avec les autres caractéristiques de la structure électronique de ces hydrocarbures.
12,
1951,
L’existence de relations entre les
propriétés
magnétiques
des moléculesorganiques
et leurstructure
électronique
a été mise en évidence parPascal
[1], qui
a établi unesystématique permettant
de calculer la
susceptibilité diamagnétique
moyenne d’une molécule K par additivité dessusceptibi-lités
Kn
des atomesqui
lacomposent :
03A3À étant la somme des incréments caractérisant les
différents « accidents » structuraux
présents
dans la molécule. Lesincréments X
sont engénéral
positifs; cependant
ceuxqui
traduisent l’existenced’un noyau
aromatique
sontnégatifs, correspondant
ainsi à une exaltation du
diamagnétisme.
Il estintéressant de connaître non pas seulement la
susceptibilité
moyenne K mais aussi les suscepti-bilitésKi, K2, K,
suivant trois axes de référenceOx,
Uy,
Oz liés à lamolécule;
c’estparticulièrement
lecas des molécules
conjuguées
parcequ’il
existe dans cescomposés,
en raison de leurplanéité,
unedirec-tion
privilégiée,
la direction Ozperpendiculaire
auplan
de la molécule. On constate que lasuscepti-bilité est
beaucoup plus grande
dans la direction Oz que dans leplan
de la molécule. Ces variations desusceptibilité, qui
constituentl’anisotropie
diama-gnétique,
ont étéattribuées,
comme les autrespropriétés spécifiques
descomposés aromatiques,
à laprésence
d’électrons mobiles non localisés sur desliaisons
particulières,
appelés
électrons[2].
Compléments
surl’application
de la méthode des orbitales moléculaires à l’étude dudiama-gnétisme
deshydrocarbures
aromatiques.
-La méthode que nous avons
exposée
dans lepremier
article de cette série
permet
de calculer lapart à K,
qui
résulte dans lasusceptibilité diamagnétique
selon l’axe Oz d’une molécule donnée de la
non-localisation des électrons autour d’atomes
déter-minés et de leur circulation sur des orbitales de dimensions moléculaires. On a
la
sommation
étant étendue à l’ensemble des orbi-tales moléculairesoccupées
dans l’état fondamental. Dansl’expression
de d Kfigurent
d’unepart
les surfaces s des différentspolygones
formés par les liaisonsfigurant
dans le schéma de lamolécule,
et d’autrepart
l’intégrale
d’échange p
de la liaisonCarom-Carom.
Comme l’on supposegénéralement
dans les calculs que les
intégrales d’échange
affectéesaux différentes liaisons sont toutes
égales
entreelles,
nous avonspris
d’une manièreanalogue
pouraires de ces différents
polygones
celles depolygones
réguliers
ayant
des côtés deI,3g Á.
Quant
àl’inté-grale
d’échange fi,
qui
figure
dansl’expression
de 4 Kcomme dans celles de
beaucoup
d’autresgrandeurs
physiques
que la méthode des orbitales moléculairespermet
d’atteindre,
sa valeurdépend
duphénomène
étudié et des
approximations
utilisées dansl’établis-sement de
l’équation
séculaire. Onexprime
souventles valeurs obtenues
pour 0394K
en fonction de lasusceptibilité
calculée du benzène0394Kbenz,
cequi
revient à supposer le
même [3
dans le benzène etle
composé
étudié. L’étudethéorique
despropriétés
deshydrocarbures conjugués,
etspécialement
celle
des
spectres
d’absorption,
ayant
mis en évidencedes variations
significatives
de 03B2
d’une molécule àl’autre,
il nous a semblé utiled’exprimer
lessus-ceptibilités
non seulement en fonction de celle dubenzène mais aussi en fonction de la
quantité
03B2
elle-même.
Dans le
développement
de la méthode de calcul dessuceptibilités
diamagnétiques
dont nous avonsrappelé
leprincipe
dans lepremier
article,
il avait été tout d’abordsupposé
par London que lesfonc-47
718
tions d’onde
monoatomiques à partir
desquelles
sont construites les fonctions d’onde moléculaires
sont
orthogonales.
Brooks[3]
a ultérieurementmontré que l’on
peut
introduire sans difficulté dans la méthode de London lesintégrales
de recou-vrementSkI,
en utilisant unprocédé
entièrementanalogue
à celuiproposé
par Wheland pour lecalcul des
énergies
de résonance[4].
Si l’on suppose d’unepart
lesintégrales
coulombiennes desdiffé-rents atomes toutes
égales
et d’autrepart
lesinté-grales d’échange
des différentes liaisons propor-tionnelles auxintégrales
de recouvrementcorres-pondantes
(et
c’est enparticulier
le cas dans la méthode de calculdéveloppée
dans lepremier
article),
l’introduction desintégrales
de recouvre-ment ne modifie en rien la forme deséquations
séculaires,
mais lesénergies correspondant
auxracines y
de ceséquations
sont alors données parl’expression
’Y étant la nouvelle
intégrale d’échange
03B3=03B2-Su
et Sl’intégrale
de recouvrement pour la liaisonCarom-Carom
(on adopte S
=0,25).
Si lesracines y
del’équation
séculaire et les valeurs
correspondantes
de laquantité ai
=-Ls’
figurant
dans E sont données eni 2013 .sy
-fonçtion
duparamétre ro
par lesdéveloppements
il suflit de
remplacer
ret y
par lesdéveloppements
Sy
précédents
dans la relation x=1-Sy pour
obtenir les valeurs de À’ et03BC’
qui
permettent
de passer desvaleurs
approchées
de y
aux valeursapprochées
deIl est alors aisé de calculer
Sur la
comparaison
de la théorie avecl’expé-rience. - Les mesures
expérimentales
ne fournissentpas directement la valeur de
K,
mais seulementla
susceptibilité
totaleK3
de la molécule selon l’axe Oz. Aucontraire,
K,
etK2 représentent
l’apport
des électrons autres que les électrons à la
suscepti-bilité dans le
plan
de lamolécule,
puisque
cesderniers
n’y
contribuentpratiquement
pas[2
b].
Quand K,
etK2
sont peudifférents,
onpeut
admettreque cet
apport
estapproximativement isotrope
etque par suite la contribution Ki des électrons autres
que les électrons 7r à la
susceptibilité
selon l’axe Ozest
égale
à lasusceptibilité
moyenne dans leplan
de lamolécule;
la contribution AK’ des électrons 03C0est alors
égale
selon Mme Lonsdale[2 cj
àl’aniso-tropie
diamagnétique
K, - ’ 2
(K,
+.K2).
Une telleapproximation
ne sembleplus
utilisablequand
lessusceptibilités KI
etK2
sont assezdifférentes,
parexemple
dans le cas deshydrocarbures présentant
des liaisons
multiples
assez localisées(phényl-polyènes).
Onpeut
alorsprendre
pourexpression
générale
del’anisotropie diamagnétique
laquantité
oii K est la
susceptibilité
diamagnétique
moyenne de la molécule etkl
unesusceptibilité théorique
calculée par additivité à
partir
dessusceptibilités
atomiques.
Il est facile de voir quel’allisotropie J1. K"
ainsi définie s’identifie
avec 0394K’,
sic’est-à-dire si Ki
représente
l’apport
des électronsautres que les électrons 7z à la
susceptibilité
moyenne de lamolécule,
carPacault
[5]
J
pose :n étant le nombre de « doubles liaisons
aroma-tiques »
dans lecomposé
considéré;
Ki
représente
donc la somme des
suceptibilités
des différentsatomes
composant
lamolécule,
lasusceptibilité
de l’atome de carbone «aromatique )
étant obtenueen
ajoutant
à sasusceptibilité atomique
propre lamoitié de l’incrément caractérisant la double liaison C = C dans la
systématique
de PascalShiba et Hazato
[ 6 j ] préfèrent
utiliser l’incrément caractérisant l’existence deplusieurs
doublesliai-sons
conjuguées
qui
reste dans tous les cas voisinsde
- 10,5. J 0-6
[7],
etposent :
Dans un calcul du même
type, Pauling
[2 b]
avaitutilisé
KCm’om
= - 4,5.10-6.
L’existence desysté-matiques
numériquement
différentes montrequ’il
n’est pas aisé de relier les résultats des mesures de
susceptibilité
diamagnétique
aux indications de lathéories,
lesanisotropies
que définissent cesLes résultats. -- Le tableau
ci-après
contient les résultats du calcul pour lesprincipaux
groupesd’hydrocarbures
aromatiques simples
dansl’approxi-mation S = o et S =
0,25
et les valeursqu’on
peut
déduire des mesures
expérimentales
par les diffé-rentsprocédés
indiqués plus
haut. Pour le calcul desanisotropies
diamagnétiques
par la méthode de Pacault àpartir
dessusceptibilités
moyennes, nousavons
appliqué
la formuleKi
== 2:KA
enprenant
successivement comme
susceptibilité
du carbonearomatique
-1-6
(Pacault)
et -.3,36. Io-6
(Hazato-Shiba)
et en utilisant autant quepossible
lesvaleurs
indiquées
par Mme Lonsdale[2
c,8]
pour lessusceptibilités
moyennes, de manière à avoir unensemble de données
expérimentales homogène.
Discussion des résultats. - a. Chaines ouvertes. -- Il est facile de voir deproche
enproche,
quel’équation
séculairecorrespondant
à une chaîneconjuguée
de formequelconque, quels
que soient lesparamètres
utilisés pour caractériser lesdiffé-rentes
liaisons,
estindépendante
duchamp
magné-tique
tantqu’on néglige
les interactions entre atomes non directement liés. La méthode des orbitales mollé-culaires dansl’approximation
de London ne sauraitdonc rendre
compte
des variations desusceptibilité
manifestées par certains
polyacides
non saturés(acide
maléique) [8].
Étant
donnée l’absence dedonnées
expérimentales
concernant les chaînesouvertes
purement
carbonées,
on nepeut
affirmerque les électrons des liaisons
multiples
sontdirec-tement
responsables
de cephénomène
en raison deleur
conjugaison,
et conclure ainsi à une insuffisance de la méthode.b.
Hydrocarbures polybenzéniques
condertsés. --Comme l’avaitdéjà remarqué
London,
théorie etexpérience
s’accordent pour attribuer engénéral
aux
hydrocarbures
condenséspolybenzéniques
uneanisotropie supérieure
à cetle queposséderait
lecomposé hypothétique
possédant
le même nombre de noyauxbenzéniques indépendants (1). Cependant,
bien que
l’anisotropie
calculéesoit
inférieure àcelle que
posséderait
lemonocycle disposant
du même nombre d’atomes(f1K
= 2,18 60394Kbenz
pour lenaphtalène
et 2,820394Kbenz
pour lemonocycle
à1 o atomes de
carbone),
elle restecependant
supé-rieure à
l’anisotropie expérimentale.
Cetteexagéra-tion de l’effet
diamagnétique
est due selon Brooks[3]
au fait bien connu que la méthode des orbitales(1) Il n’en est peut-être plus de même pour les hydrocar-bures hautement condensés, comme le montre l’exemple du
coronène, auquel la théorie attribue, selon Squire [10], une
susceptibilité à K égale à 4,56 fois celle du benzène seulement.
Ajouté à la correction des épreuves. - Nous
avons refait le calcul de Squire relatif au coronène et nous avons trouvé que la susceptibilité théorique de cette molécule àK est en
réalité égale à 10 fois celle du benzène ,(voir à ce sujet le 3e e
article de cette série).
moléculaires attribue une
trop
grande
importance
à la contribution des formesioniques.
Quoi
qu’il
en
soit,
la méthode sembleindiquer
correctement l’ordre danslequel
doivent se classer lesisomères,
comme le montrel’exemple
de l’anthracène et duphénanthrène;
il faut remarquer à cesujet
que lecalcul des
anisotropies
àpartir
dessusceptibilités
moyennes fournit pour l’anthracène et ie phénan-thrène des nombres trèsvoisins,
mais que la suscep-tibilité moyenne de l’anthracènepeut
atteindre avecun échantillon
parfaitement
pur -1.34,2.10-6
[9],
valeur
qui
correspond
à uneanisotropie
notablementsupérieure (3,28 0394Kbenz
par la méthode dePacault).
c.
Phéngléthylènes, phénylpolyènes et potyphényie.s.
- On constate dans ce
groupe de corps formés de
noyaux
benzéniques
linéairementconjugués,
soit directement(polyphényles),
soit par l’intermédiaired’une chaîne
carbonée,
que la contribution desélectrons 7r à la
susceptibilité
àK est inférieure àcelle
qu’on
obtient pour un nombreégal
de noyauxbenzéniques
indépendants.
Dans cettesérie,
l’évo-lution despropriétés
diamagnétiques
est doncinverse de celle des
propriétés
liées auxénergies
derésonance
[11].
La même conclusion résulte de lacomparaison
de deux isomères de ce groupe : lestilbène dont la
conjugaison
estplus
forte,
présente
un 0394K
plus
faible que leCI. ,’CI.-diphényléthylène
dontla
conjugaison
estplus
faible. Le cas despoly-phényles
mérite une attentionparticulière
du faitque la méthode de Lonsdale fait
correspondre
àces corps une
anisotropie
diamagnétique
supérieure
à celle d’un nombreégal
de noyauxindépendants,
en désaccord avec les indications de la théorie
(2);
ce désaccord n’estpeut-être
pasréel,
car il existe dans le cas despolyphényles
des diférences desusceptibilités diamagnétiques
dans leplan
de la moléculeplus
accentuées que pour leshydrocarbures
condensés(K1= g6,8 , i o-6
etK2 =
88, 1 . 10-6 pour leterplényle).
Unexemple
d’évolutionanalogue
est fourni par la
comparaison
du stilbène et du tolane : onpeut
rendrecompte
des différences depropriétés
produites
par leremplacement
de la double liaison centrale du stilbène par unetriple
liaison en
employant simplement
desintégrales
de résonance différentes
de fi
pour les liaisons extra-nucléaires(pc-c=o,c) p
etPc = c == 1, 7 S
parexemple)
[13].
La structureélectronique
des noyauxbenzéniques
du dérivéacétylénique
diffère alors moins que celle des noyaux du dérivééthylénique,
de la structure d’un benzène isolé en raison de la
plus
faiblecapacité
de résonance de latriple
liaison;
il en résulte que la contribution des électrons 7z.,
du tolane à la
susceptibilité
de la molécule estplus
voisine de celle de noyaux
benzéniques indépendants
etsupérieure
à celle obtenue pour le stilbène.722
d.
Quinodiméthanes.
- Les valeursthéoriques
obtenues pour ce groupe de corps sont très
infé-rieures à celles des
hydrocarbures
dont ilsdérivent,
comme l’avaient
déjà remarqué
Ëvans,
de Heer etGergely
dans le cas duparaquinodiméthane [14].
L’exemple
desnaphtoquinodiméthanes
isomèresmontre d’une manière
frappante
qu’il n’y
a pas derelation
explicite
entre ledegré
de délocalisation des doubles liaisonsextracycliques,
c’est-à-direl’importance
relative des «structures quinoïdes
»,et les
susceptibilités
calculées àK. Les donnéesexpérimentales disponibles
concernent engénéral
lesquinones
et non lesquinodiméthanes;
Évans
etcoll. ont montré
qu’il
semble pour le moins difficiled’obtenir un accord entre les
anisotropies
expéri-mentales des
quinones,
assez voisines de celles deshydrocarbures
nonsubstitués,
et les valeurs calculéesau moyen des
paramètres
caractérisant la liaison C = 0. Enfait,
il n’est pas exclu
qu’une partie
del’anisotropie
diamagnétique
desquinones
soit dueà la même cause que celle des chaînes ouvertes
oxygénées,
si bien quecompte
tenu des difficulté inhérentes à tout choix deparamètres,
l’étudethéorique
despropriétés
diamagnétiques
desquinones
s’avèreparticulièrement
difficile.e.
Hydrocarbures aromatiques
non benzénoïdes.-Les
composés
de ce groupe sont àl’exception
dubiphénylène,
deshydrocarbures
non alternants.On sait que les
renseignements
donnés par la méthodedes orbitales moléculaires sont dans ce cas moins
sîlrs que pour les
hydrocarbures
alternants[15],
mais que néanmoins la méthode décrit defaçon
satisfaisante l’évolution des
principales propriétés
dans ces
composés
[16].
On constate d’abord que l’introduction de
l’inté-grale
de recouvrement S entraîne des modificationsbeaucoup plus
prononcées
dans les valeurs relativesdes
susceptibilités
calculées 0394K,
que pour leshydro-carbures
benzéniques.
L’effetdiamagnétique
se trouveaugmenté
pour leshydrocarbures
à noyaupentagonal
et diminué pour ceux à noyauhepta-gonal.
Ces variations semblent dues au fait quel’introduction de cette
intégrale
augmente
l’impor-tance de la contribution des niveaux
occupés
lesplus
hauts à lasusceptibilité
totaleàK,
contributionqui
estpositive.
dans le cas descycles
pentagonaux
etnégative
dans celui descycles heptagonaux;
d’une manièrecorrélative,
lasusceptibilité
relative
de
l’azulène,
qui
est formé parla jonction
d’un noyaupentagonal
à un noyauheptagonal,
est trèspeu modifiée.
Comme
précédemment,
lessusceptiblités
descomposés qui
mettent enconjugaison
un noyauet une chaîne ouverte ou
plusieurs
noyaux parl’intermédiaire d’une
chaîne,
sontfaibles;
lasuscep-tibilité 0394K,
très faible pour le fulvène(et
mêmenégative
pourl’heptafulvène quand
on tientcompte
de
S),
augmente
avecl’adjonction
de noyauxbenzé-niques
mais restetoujours
inférieure à celle des isomèresbenzéniques,
comme le montre lacompa-raison du benzofulvène et du
naphtalène,
du dibenzo-fulvène et de l’anthracène ou duphénanthrène.
Au contraire les
susceptibilités
1 K descomposés
formés
uniquement
de noyaux accoléspeuvent
êtreimportantes
etdépassent
même dans le cas del’azulène les valeurs obtenues dans les
hydro-carbures
benzéniques
condenséspossédant-
le même nombre de noyaux, à condition de supposer quel’intégrale d’échange 03B2
servant d’unité reste sensi-blement constante dans tous cescomposés.
Enfait,
lacomparaison
desprévisions
théoriques
avec les résultatsexpérimentaux
montre que cetteappro-ximation,
déjà
insuffisante en cequi
concerne les moléculespolybenzéniques,
estparticulièrement
mauvaise dans le cas des
hydrocarbures
nonbenzé-noïdes comme les fulvènes
[16]
ou l’azulène[17];
ainsi les données
expérimentales
relatives àl’énergie
de résonance ou au
spectre
d’absorption
conduisent à utiliser pour l’azulèneun p
bien inférieure à celuide son isomère
benzénique,
lenaphtalène,
et parconséquent
àprévoir
commesusceptibilité àK
del’azulène une valeur
probablement
inférieure à celledu
naphtalène.
Au
point
de vueexpérimental,
on a mesurérécemment les
susceptibilités
diamagnétiques
moyennes dequelques
dérivésf ulvéniqucs [18] ;
les valeurs obtenuescorrespondent
pour lediphényl-benzofulvène et le
diphényidibenzofulvène
à uneanisotropie
dK"égale respectivement
à--107.10-6
et- 176. 10-6;
l’augmentation expérimentale
del’anisotropie
avecl’adjonction
d’un noyauhenzé-nique supplémentaire
au noyaufulvénique
est à peuprès
de l’ordre degrandeur
del’augmentation
prévue
théoriquement
du benzo au dibenzofulvèneeux-mêmes. Au contraire la
susceptibilité
moyenneexpérimentale
obtenue pour ledibiphénylène
éthy-lène[19]
fournit uneanisotropie égale
àquatre
fois celle dubenzène,
alors que lasusceptibilité théorique,
calculée dans
l’hypothèse
d’uneconjugaison
libreentre les deux moitiés de la molécule
supposée
plane,
est bien inférieure à ce chiffre. La valeurthéorique
étant vraisemblablement inférieure à la contribution de deux noyauxfluorényles
indé-pendants,
cet écartpeut
être considéré commeindiquant
une destructionpartielle
de la liberté deconjugaison
des électrons par défaut deplanéité
de la molécule réelle
[20].
Les résultats obtenus pour le
pentalène,
l’hepta-lène,
le fulvalène et lebiphénylène
sontplus
surpre-nants,
puisqu’ils indiquent
une diminution de lasusceptibilité diamagnétique
de la molécule selon l’axe Oz par effets de laconjugaison.
Les troispremiers
de ces corps,
qui
n’ont pas encore étépréparés,
possèdent également
d’autresparticularités
de strie-tureélectronique remarquables [15, 16].
Quant
aula valeur
théorique
obtenue
comme définitive : lafaible valeur des
indices
de ces liaisons(0,263)
àlaquelle
correspond
unelongueur
notablementplus
grande
que dans le benzène(1,46
Å)
[21],
nécessitel’emploi
d’intégrales d’échange appropriées
dontl’effet,
en réduisant l’interaction entre les deux noyauxbenzéniques,
tendrait àrapprocher
lasusceptibilité
calculée de celle de deuxnoyaux
indépendants.
Manuscrit reçu le 5 décembre i gso.
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[18] LUMBROSO H., PACAULT A. et PULLMAN B. 2014 Bull.
Soc. Chim., I950, 17, 34.
[19] PACAULT A. et CHAUVELIER J. 2014 Bull. Soc. Chim.,
I950, 17, 367.
[20] Voir à ce sujet : BERGMANN E. D., BERTHIER G. et PULLMAN A. et PULLMAN B. 2014 Bull. Soc. Chim.,
I950, 17, I079.
[21] WASER J. et SCHOMAKER V. 2014 J. Amer.
Soc., I943,
65, 307.
MESURE DES PETITES AMPLITUDES DES VIBRATIONS
MÉCANIQUES
Par M. HENRI DEVÈZE.
Faculté des Sciences. Toulouse.
Sommaire. 2014 Emploi d’un palpeur, à quartz piézo-électrique, porté par un comparateur de précision.
L’amplitude des oscillations d’un barreau d’invar excité par magnétostriction a pu être mesurée à moins de I 03BC près.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME
12,
JUILLET-AOUT-SEPTEMBRE1951,
Principe.
- Unpalpeur
estcomposé
d’un cristal dequartz
commandé par unetige portée
par un
comparateur
deprécision.
L’extrémité librede la
tige
estprésentée
defaçon
à être trèslégère-ment
percutée
par le solide en vibration.Le
palpeur
est tout d’abord excité par les vibra-tionsd’amplitude
à mesurer,puis
par des vibra-tions de très faibleamplitude;
d’oùl’amplitude
des vibrations du solide par différence des lectures autambour et au vernier du
comparateur.
Description
dupalpeur.
-- Nous utilisons uncomparateur
deprécision
convenablementadapté
(fig. 1).
La vis
micrométrique
estportée
par lapoupée Pi
solidaire d’un bâti en fonte. Le pas de la vis est
de i mm; le tambour