Chemistry 6440 / 7440
Introduction to
Molecular Orbitals
HBSLogo2
n1V_nbo_a59-V
Resources
Grant and Richards, Chapter 2
Foresman and Frisch, Exploring Chemistrywith Electronic Structure Methods(Gaussian Inc., 1996)
Cramer, Chapter 4
Jensen, Chapter 3
Leach, Chapter 2
Ostlund and Szabo, Modern QuantumChemistry (McGraw-Hill, 1982)
Potential Energy Surfaces
molecular mechanics uses empirical functions forthe interaction of atoms in molecules to calculatepotential energy surfaces
these interactions are due to the behavior of theelectrons and nuclei
electrons are too small and too light to bedescribed by classical mechanics
electrons need to be described by quantummechanics
accurate potential energy surfaces for moleculescan be calculated using modern electronicstructure methods
Schrödinger Equation
H is the quantum mechanical Hamiltonian for thesystem (an operator containing derivatives)
E is the energy of the system
 is the wavefunction (contains everything weare allowed to know about the system)
||2 is the probability distribution of the particles(as probability distribution, ||2 needs to becontinuous, single valued and integrate to 1)
Hamiltonian for a Molecule
kinetic energy of the electrons
kinetic energy of the nuclei
electrostatic interaction between the electronsand the nuclei
electrostatic interaction between the electrons
electrostatic interaction between the nuclei
Solving the Schrödinger Equation
analytic solutions can be obtained only forvery simple systems
particle in a box, harmonic oscillator,hydrogen atom can be solved exactly
need to make approximations so thatmolecules can be treated
approximations are a trade off betweenease of computation and accuracy of theresult
Expectation Values
for every measurable property, we canconstruct an operator
repeated measurements will give anaverage value of the operator
the average value or expectation value ofan operator can be calculated by:
Variational Theorem
the expectation value of the Hamiltonian is thevariational energy
the variational energy is an upper bound to the lowestenergy of the system
any approximate wavefunction will yield an energyhigher than the ground state energy
parameters in an approximate wavefunction can bevaried to minimize the Evar
this yields a better estimate of the ground state energyand a better approximation to the wavefunction
Born-Oppenheimer Approximation
the nuclei are much heavier than the electronsand move more slowly than the electrons
in the Born-Oppenheimer approximation, wefreeze the nuclear positions, Rnuc, and calculatethe electronic wavefunction, el(rel;Rnuc) andenergy E(Rnuc)
E(Rnuc) is the potential energy surface of themolecule (i.e. the energy as a function of thegeometry)
on this potential energy surface, we can treat themotion of the nuclei classically or quantummechanically
Born-Oppenheimer Approximation
freeze the nuclear positions (nuclear kinetic energy iszero in the electronic Hamiltonian)
calculate the electronic wavefunction and energy
E depends on the nuclear positions through the nuclear-electron attraction and nuclear-nuclear repulsion terms
E = 0 corresponds to all particles at infinite separation
Nuclear motion on theBorn-Oppenheimer surface
Classical treatment of the nuclei (e,g. classicaltrajectories)
Quantum treatment of the nuclei (e.g. molecularvibrations)
Hartree Approximation
assume that a many electron wavefunctioncan be written as a product of one electronfunctions
if we use the variational energy, solving themany electron Schrödinger equation isreduced to solving a series of one electronSchrödinger equations
each electron interacts with the averagedistribution of the other electrons
Hartree-Fock Approximation
the Pauli principle requires that a wavefunction for electronsmust change sign when any two electrons are permuted
since |(1,2)|2=|(2,1)|2(1,2)=(2,1) (minus sign for fermions)
the Hartree-product wavefunction must be antisymmetrized
can be done by writing the wavefunction as a determinant
determinants change sign when any two columns are switched
Spin Orbitals
each spin orbital I describes the distribution of oneelectron
in a Hartree-Fock wavefunction, each electron must bein a different spin orbital (or else the determinant is zero)
an electron has both space and spin coordinates
an electron can be alpha spin (, spin up) or beta spin(, spin down)
each spatial orbital can be combined with an alpha orbeta spin component to form a spin orbital
thus, at most two electrons can be in each spatial orbital
Fock Equation
take the Hartree-Fock wavefunction
put it into the variational energy expression
minimize the energy with respect to changes in the orbitals whilekeeping the orbitals orthonormal
yields the Fock equation
Fock Equation
the Fock operator is an effective one electronHamiltonian for an orbital 
 is the orbital energy
each orbital  sees the average distribution ofall the other electrons
finding a many electron wavefunction is reducedto finding a series of one electron orbitals
Fock Operator
kinetic energy operator
nuclear-electron attraction operator
Fock Operator
Coulomb operator (electron-electron repulsion)
exchange operator (purely quantum mechanical-arises from the fact that the wavefunction mustswitch sign when you exchange to electrons)
Solving the Fock Equations
 
1.obtain an initial guess for all the orbitals i
2.use the current I to construct a new Fockoperator
3.solve the Fock equations for a new set of I
4.if the new I are different from the old I, goback to step 2.
Hartree-Fock Orbitals
for atoms, the Hartree-Fock orbitals can be computednumerically
the  ‘s resemble the shapes of the hydrogen orbitals
s, p, d orbitals
radial part somewhat different, because of interactionwith the other electrons (e.g. electrostatic repulsionand exchange interaction with other electrons)
Hartree-Fock Orbitals
for homonuclear diatomic molecules, theHartree-Fock orbitals can also be computednumerically (but with much more difficulty)
the  ‘s resemble the shapes of the H2+orbitals
, bonding and anti-bonding orbitals
LCAO Approximation
numerical solutions for the Hartree-Fockorbitals only practical for atoms and diatomics
diatomic orbitals resemble linear combinationsof atomic orbitals
e.g.  sigma bond in H2
  1sA + 1sB
for polyatomics, approximate the molecularorbital by a linear combination of atomicorbitals (LCAO)
Basis Functions
’s are called basis functions
usually centered on atoms
can be more general and more flexible thanatomic orbitals
larger number of well chosen basis functionsyields more accurate approximations to themolecular orbitals
Roothaan-Hall Equations
choose a suitable set of basis functions
plug into the variational expression for theenergy
find the coefficients for each orbital thatminimizes the variational energy
Roothaan-Hall Equations
basis set expansion leads to a matrix form ofthe Fock equations
F Ci = i S Ci
F – Fock matrix
Ci – column vector of the molecular orbitalcoefficients
I – orbital energy
S – overlap matrix
Fock matrix and Overlap matrix
Fock matrix
overlap matrix
Intergrals for the Fock matrix
Fock matrix involves one electron integrals of kineticand nuclear-electron attraction operators and twoelectron integrals of 1/r
one electron integrals are fairly easy and few innumber (only N2)
two electron integrals are much harder and muchmore numerous (N4)
Solving the Roothaan-Hall Equations
1.choose a basis set
2.calculate all the one and two electron integrals
3.obtain an initial guess for all the molecularorbital coefficients Ci
4.use the current Ci to construct a new Fockmatrix
5.solve F Ci = i S Cfor a new set of Ci
6.if the new Ci are different from the old Ci, goback to step 4.
Solving the Roothaan-Hall Equations
also known as the self consistent field (SCF) equations,since each orbital depends on all the other orbitals, andthey are adjusted until they are all converged
calculating all two electron integrals is a majorbottleneck, because they are difficult (6 dimensionalintegrals) and very numerous (formally N4)
iterative solution may be difficult to converge
formation of the Fock matrix in each cycle is costly,since it involves all N4 two electron integrals
Summary
start with the Schrödinger equation
use the variational energy
Born-Oppenheimer approximation
Hartree-Fock approximation
LCAO approximation