Gli orbitali di frontiera (FMO acronimo di frontier molecular orbitals) sono due diversi tipi di legame denominati HOMO e LUMO.
Con il termine HOMO (highest occupied molecular orbital) ci si riferisce all’orbitale molecolare occupato a più alta energia.
Con il termine LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) ci si riferisce all’orbitale molecolare non occupato a più bassa energia.
Gli orbitali HOMO e LUMO sono detti orbitali frontiera perché segnano il confine tra orbitali di legame e orbitali di antilegame.
Gli orbitali di frontiera sono di particolare importanza in un’ampia gamma di reazioni chimiche di vari composti, saturi o insaturi. Il chimico giapponese Ken’ichi Fukui vinse il premio Nobel per la chimica nel 1981 insieme con Roald Hoffmann, per gli studi sul meccanismo delle reazioni chimiche.
Spettroscopia UV/Visibile
La spettroscopia UV/Visibile è usata nell’ambito della chimica analitica per la determinazione quantitativa di molti analiti tra cui ioni di metalli di transizione, composti coniugati e macromolecole biologiche. Tale tipo di spettroscopia corrisponde a eccitazioni elettroniche tra i livelli di energia degli orbitali molecolari dei sistemi. In particolare è utilizzata per identificare sistemi coniugati per le transizioni che coinvolgono orbitali π e coppie solitarie
La transizione energetica più bassa è quella tra l’ orbitale molecolare più alto occupato a più alta energia e quello non occupato a più bassa energia.
L’assorbimento della radiazione eccita infatti un elettrone al LUMO e più il sistema è altamente coniugato, minore è il gap tra gli orbitali di frontiera, e quindi minore è la frequenza e maggiore è la lunghezza d’onda. I colori sono tipicamente dovuti a molecole organiche altamente coniugate. L’unità della molecola responsabile dell’assorbimento è detta cromoforo, di cui i più comuni sono i sistemi >C=C< (da π a π*) e >C=O (da n a π*).
Gli orbitali di frontiera nella reazione di Diels-Alder
Nella reazione di Diels-Alder un diene reagisce con un dienofilo per formare un nuovo anello a sei membri. Nella reazione si rompono tre legami π e si formano due legami σ e un legame π.
Molte reazioni coinvolgono un nucleofilo (donatore di coppie di elettroni) e un elettrofilo (accettore di coppie di elettroni) per formare un nuovo legame.
Affinché si formi il legame, l’orbitale contenente la coppia di elettroni del nucleofilo deve entrare in contatto con l’orbitale vuoto dell’elettrofilo che può accettare la coppia di elettroni. La coppia di elettroni del nucleofilo proviene dall’orbitale molecolare occupato a più alta energia (HOMO)
L’orbitale dell’elettrofilo che accetta la coppia di elettroni è l’orbitale molecolare non occupato a più bassa energia (LUMO)