电场对Ni3（dpa）4Cl2金属串配合物结构影响的理论研究

应用密度泛函UBP86方法对具有分子导线潜在应用性的金属串配合物Ni3(dpa)4Cl2进行研究,分析了外电场对配合物的几何构型和电子结构的影响.结果表明,零电场条件下存在沿着Ni63+轴及轴向配体Cl的Ni—Ni及Ni—Cl离域作用.沿金属轴Cl4→Cl5方向施加外电场,可使高电势端的Ni2—Cl4键长增大而Ni1—Ni2键长减小,低电势端的Ni3—Cl5键长减小而Ni1—Ni3键长增大;分子能量降低,偶极矩线性增大;HOMO与LUMO能隙减小,前线占据轨道分布向低电势方向移动且轨道能升高,空轨道分布则向高电势方向移动且轨道能降低,其中沿着金属轴方向离域的前线轨道分布及其轨道能随电场的变化尤为显著.在电场作用下,电荷分布发生改变,低电势端Cl5的负电荷向高电势端Cl4转移,但金属和桥联配体的电荷变化很小;同样,在电场作用下,配合物存在明显的结构变化和电子转移现象,呈现出类似导电过程中电子定向转移的变化规律.     

电场对金属串配合物M3(dpa)4Cl2 (M=Co,Rh, Ir; dpa=dipyridylamide)结构的影响

应用密度泛函理论PBE0 方法研究具有分子导线潜在应用的金属串配合物M₃(dpa)₄Cl₂ (1: M=Co, 2: M=Rh, 3: M=Ir; dpa=dipyridylamide)在电场作用下的几何和电子结构. 结果表明: 配合物基态均是二重态. 1和2的M₃⁶⁺金属链形成三中心三电子σ键, 3 中M₃⁶⁺形成三中心四电子σ键且存在弱的δ键. 随金属原子周期数增大其M―M键增强、LUMO与HOMO能隙减小、金属原子的反铁磁耦合减弱以至消失且自旋密度向配体的离域增强. 在Cl4→Cl5 电场作用下, 低电势端的M3－Cl5 键缩短, 高电势端的M2―Cl4 键增长, M―M平均键长略为缩短, M―M键增强, 有利于分子线的电子传递; 分子能量降低, 偶极矩线性增大. 低电势端Cl5的负电荷向高电势端Cl4 转移, 且3 中金属原子的正电荷由高电势端向低电势端的转移较明显, 自旋电子由低电势端向高电势端金属原子移动, 但桥联配体dpa^-与M和Cl 所在的分子轴间没有电荷转移. 电场使LUMO与HOMO能隙减小, 有利于分子的电子输运. 随金属原子周期数增大, 电场作用下M―M平均键长变化减小, LUMO、HOMO的能级交错现象减少.     

金属四重键化合物M2X4(PMe3)4(M=Cr,Mo,W;X=F,Cl,Br,I)结构和电子光谱的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法,在TZ2P-STO基组水平下,对金属四重键化合物M2Cl4(PMe3)4(M=Cr,Mo,W)和Mo2X4(PMe3)4(X=F,Cl,Br,I)的几何结构进行优化,分析了电子结构,并运用TDDFT方法对其低占据激发态进行了计算.考虑相对论效应的ZORA方法能够较好地重现M2X4(PMe3)4的几何结构.M2X4(PMe3)4的电子结构分析表明其d电子的组态为σ2π4δ2,前线轨道能级顺序为πlig<πd/σd<δd<δd*.金属原子和卤素配体的改变虽然使轨道能量发生变化,但没有影响轨道的排布顺序.TDDFT方法对M2X4(PMe3)4δd→δd*和πd→δd*跃迁能量的计算较为准确,对πlig→δd*(LMCT)跃迁能量的计算误差较大.金属原子、卤素配体以及相对论效应对激发能的影响可以根据分子轨道能级的变化给予解释.     

金属四重键化合物M2X4（PMe3）4（M=Cr，Mo，W;X=F，CI，Br，I）结构和电子光谱的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法，在TZ2P-STO基组水平下，对金属四重键化合物M2Cl4（PMe3）4（M=Cr，Mo，W）和Mo2X4（PMe3）4（X=F，Cl，Br，I）的几何结构进行优化，分析了电子结构，并运用TDDFT方法对其低占据激发态进行了计算．考虑相对论效应的ZORA方法能够较好地重现M2X4（PMe3）4的几何结构．M2X4（PMe3）4的电子结构分析表明其d电子的组态为σ^2π^4δ^2，前线轨道能级顺序为πlig〈πd／σd〈δd〈δd^＊．金属原子和卤素配体的改变虽然使轨道能量发生变化，但没有影响轨道的排布顺序．TDDFT方法对M2Xa（PMe3）4δd→δd^＊和π→δd^＊跃迁能量的计算较为准确，对πlig→δd^＊（LMCT）跃迁能量的计算误差较大．金属原子、卤素配体以及相对论效应对激发能的影响可以根据分子轨道能级的变化给予解释．     

金属串配合物(n,m)[Cr3(PhPyF)4Cl2](n=2, 3, 4; m=2, 1, 0)的配位结构及其与电场的关系

应用密度泛函理论BP86 方法研究具有分子导线潜在应用的金属串配合物(n, m)[Cr₃(PhPyF)₄Cl₂](HPhPyF=N, N'-苯基吡啶基甲脒; n=2, 3, 4; m=2, 1, 0)的配位结构及其受电场作用的影响, n、m分别表示PhPyF-的苯环在左侧和在右侧的配体个数. 结果表明: (1) 零电场下, 四个PhPyF-的(2, 2)、(3, 1)和(4, 0)三种配位方式能量差别很小, 为竞争态, (2, 2)最稳定. (4, 0)结构中两端轴向配体Cl 均可与Cr 配位, 且Cl₄―Cr1 键比Cl5―Cr3键更强, 若作为分子器件可与电极结合, 这与(4, 0)[CuCuM(npa)₄Cl][PF₆](M=Pd, Pt; Hnpa=2-萘啶苯胺)靠近苯环一端的轴向配体无法与M配位不同. (2) 在(2, 2)、(3, 1)和(4, 0)中, Cr₃⁶⁺链均具有三中心三电子离域σ键, 但离域性逐渐减弱. 随四个PhPyF-配位方式趋于一致, 分子极性逐渐增大, 由Cl₄指向Cl5(Z)方向, Cr1的α自旋密度增大, Cr2 的β和Cr3 的α自旋密度减小. (3) 分子的几何结构和电子结构在电场下发生规律性变化, 在-Z方向电场作用下, (3, 1)、(4, 0)电子移动方向与极性方向相同, 使分子的键长、自旋密度、电荷和能隙变化显著性均大于Z方向电场, 且极性越大变化越显著, 有利于提高分子导电性.     

层状金属配位聚合物[{MX2(bipy)}n](M=Ni,Cu,Hg;X=F,Cl,Br,I;)bipy=4,4''-bipyridyl)的电子结构和导电机理研究

用紧束缚(EHT)晶体轨道方法对层状金属配位聚合物[{HgX2(bipy)}(a)](X=Cl,Br;bipy=4,4'-bipyridyl)进行了能带结构计算,并利用键向量方法对这一系列聚合物能带特征和成键性质进行了讨论.研究表明,Fermi能级附近的能带主要是金属汞原子和卤素原子及氮原子之间形成的d-pσ*反键和d-pσ成键作用,这两者作用的强弱对导电性起决定作用.本文还对系列聚合物[(HgX(bipy)}n](M=Ni,Cu,Hg;X=Cl,Br;bipy=4,4'-bipyridyl)可能具有的导电机理和规律进行了探讨.     

CH_2=CClF→(hv) ·CH=CClF+H光解反应的理论研究

采用UHF,CIS和CASSCF方法,在aug-cc-pvdz基组水平上对CH2=CClF?h?v→?CH=CClF+H的光解反应通道及其后续反应作了研究.计算表明:分子吸收一个光子后,在第一电子激发态(S1)经过一个过渡态解离与Cl原子同侧的C—H键,这与用CIS方法计算垂直激发得到的π→σ*C-H跃迁及其对Frank-Condon点的计算中分子的单占轨道和键电荷密度变化所预测的结果是一致的.光解产物?CH=CClF(基态)还可再发生反应,经过渡态解离C—Cl键或是C—F键.     

nido-C2B9H112-碳硼烷异构体结构和稳定性的密度泛函研究

采用密度泛函方法对11顶点巢式碳硼烷C2B9H112-异构体进行了几何结构优化,分析了稳定性、电荷分布及分子轨道.结果表明,9个异构体都有对应的稳定构型,保持了巢式骨架结构.C取代开口五元环上B的异构体更稳定,且随取代数目增加和C原子间距增加而增加,C—C键和C—B键作用增强.C取代内层B使异构体稳定性降低,C—C键和C—B键长随之增长.负电荷主要集中在C原子上,开口五元环上的C原子上负电荷要比内层C原子更多,成为亲核取代反应中心.异构体分子前线轨道具有和η5-C5H5-相似的π键性质,ΔELUMO-HOMO反映的化学稳定性与结构能量稳定性趋势一致.     

Au12M (M=Na,Mg, Al,Si, P,S, Cl)团簇的结构、稳定性和电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了Au12M(M=Na,Mg,Al,Si,P,S,Cl)团簇的结构、稳定性和电子性质.对团簇的平均结合能、镶嵌能、垂直离化势、最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)的能级差、电荷布居分析、自然键轨道(NBO)进行了计算和讨论.对于Au12M(M=Na,Mg,Al)团簇,它们形成了内含M原子的最稳定的笼状结构.然而对于Au12M(M=Si,P,S,Cl)团簇,它们却形成了以M元素为顶点的稳定锥形结构.在这些团簇中发现Au12S团簇相对是最稳定的,这是由于Au12S团簇形成了稳定的满壳层的电子结构.自然电荷布居分析表明:对于所有的Au12M(M=Na,Mg,Al,Si,P,S,Cl)团簇电荷总是从Au原子转向M原子.自然键轨道和HOMO分析表明Au12M团簇中发生了Au原子的s-d轨道和M原子的p轨道间的杂化现象.     

Ir(CO)Cla(Ph2Ppy)2HgClb(HgCl2)c(a,b=1,2;c=0,1)的Ir-Hg相互作用和氧化还原反应性质

应用密度泛函理论(DFT)的PBEO方法,金属原子采用SDD基组,H、C、O和N原子采用6-31G*基组,P和Cl原子采用6-311G*基组,对单核配合物Ir(CO)Cl(Ph2Ppy)2(1),双核配合物Ir(CO)(Cl)2(Ph2Ppy)2HgCl(2)、Ir(CO)Cl(Ph2Ppy)2HgCl2(3)和Ir(CO)(Cl)2(HgCl2)(Ph2Ppy)2HgCl(4)进行结构优化,并在优化的基础上采用基组重叠误差(BSSE)校正计算相互作用能,通过自然键轨道(NBO)和前线轨道分析研究Ir-Hg相互作用和氧化还原反应的实质.通过计算发现,Ir(CO)Cl(Ph2Ppy)2与HgCl2发生氧化还原反应得到的产物2和4比非氧化还原产物3稳定.Ir-Hg相互作用强度顺序为3＜4＜2,且随着Ir-Hg相互作用强度增大,HOMO轨道中Ir和Hg成分逐渐趋于接近.配合物2和4都具有一对Ir-Hg成键与反键轨道,其成键轨道的组成分别为0.5985sd0.06Hg+0.8012sd2.48Ir和0.5794sd0.05Hg+0.8151sd2.48Ir,但3中Ir与Hg的相瓦作用较弱,只存在弱相互作用(电荷转移作用),表现为nIr→nHg的直接作用和σIr-P(1)→nHg、σIr-C(1)→nHg的间接作用.     

共轭性对7-吡啶吲哚类衍生物的结构与电子光谱性质的影响

运用密度泛函理论(DFT)方法对7-吡啶吲哚衍生物的结构及电子光谱性质进行了理论研究.在B3LYP/6-31G(d)水平上得到了7-吡啶吲哚(M)以及5种共轭衍生物(a-e)的几何构型、电子布局以及前线分子轨道;应用含时密度泛函理论(TD-DFT)在B3LYP/6-31+G(d)水平上计算了5种衍生物的电子光谱性质.结果表明,共轭体系的π键成分增大,能级差减小,激发能降低,分子的最大激发波长向长波方向移动,即发生红移.但是,如果分子中的空间位阻增大,则共轭程度降低,发生蓝移.前线分子轨道分析表明该类化合物吸收光谱主要对应分子中的HOMO→LUMO电子跃迁,且为π-π*跃迁.为新型含吲哚基团的光电功能材料的设计合成提供了理论参考.     

呋喃与HCl和CHCl3构成的分子间氢键的理论研究

量子化学从头算方法MP2研究了呋喃-HCl体系和呋喃-CHCl₃体系的分子间氢键的本质. 主要研究了这两个体系中新的氢键类型C(Cl)—H…O和C(Cl)—H…π的相互作用. 研究表明, 氯仿与呋喃分子之间的相互作用使氯仿中C—H键长缩短, 振动频率增大(蓝移), 而HCl与呋喃分子之间的相互作用使H—Cl键长增长, 振动频率减小(红移). 利用自然键轨道(NBO)分析表明电荷从质子受体转移到C—H反键轨道和Cl原子的孤对电子轨道上.     

CH2=CCIFhv→·CH=CCIF+H光解反应的理论研究

采用UHF,CIS和CASSCF方法,在aug-cc-pvdz基组水平上对CH2=CCIFhv→·CH=CClF+H的光解反应通道及其后续反应作了研究.计算表明:分子吸收一个光子后,在第一电子激发态(S1)经过一个过渡态解离与Cl原子同侧的C-H键,这与用CIS方法计算垂直激发得到的π→σ*C-H跃迁及其对Frank-Condon点的计算中分子的单占轨道和键电荷密度变化所预测的结果是一致的.光解产物·CH=CCIF(基态)还可再发生反应,经过渡态解离C-Cl键或是C-F键.     

锰（Ⅲ）5,10,15-三（五氟苯基）-Corrole配合物的DFT计算

在6-31G*水平上采用DFT(UB3LYP)方法对锰(Ⅲ)5,10,15-三(五氟苯基)-corrole[(TPFC)MnⅢ]及其咪唑轴向配位加合物(TPFC)MnⅢ(Im)进行了几何结构全优化.计算结果表明,咪唑的配位作用不会改变其基态的高自旋(s=2)特性.(TPFC)MnⅢ与咪唑配位形成轴向加合物后,其中心金属Mn原子偏离平面结构,与corrole大环N4平均平面的距离达到0.02734 nm.NBO分析显示(TPFC)MnⅢ和(TPFc)MnⅢ(Im)中心金属锰的电子组态为(dxz)1(dyz)1(dz2)1(dx2-y2)1(dxy)0(TPFC)MnⅢ(Im)前线分子轨道能级明显上升,从其β-(LUMO+3)轨道可见咪唑配位N原子的py轨道与中心金属Mn原子撕道形成了d-pπ轨道.TD-DFT计算发现,(TPFC)MnⅢ和(TPFC)MnⅢ(Im)电子光谱Q带的"四轨"特征比B带明显;(TPFC)MnⅢ的CT带主要源自β-(HOMO-1)→β(LUMO+5)和β-HOMO→β-(LUMO+4)的跃迁,(TPFC)MnⅢ(Im)的CT带则主要源自β-(HOMO-1)→β-(LUMO+3)和β-HOMO→β-(LUMO+4)的跃迁.     

Lindqvist型[M6-nMonO19]p-阴离子（M=W,Nb,Ta）电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法探讨了取代Mo原子对[W6-nMonO19]2-,[Nb6-nMonO19]p-和[Ta6-nMonO19]p-体系的M—Ot(M=W,Nb,Ta)键的活化作用.计算结果表明,随着取代Mo原子数的增多,[M6-nMonO19]2-(M=W,Nb,Ta)中M—Ot键的键能逐渐减小,因此Mo原子的引入使M—Ot键活化.在[W6-nMonO19]2-中,Mo—Ot键的键能小于W—Ot键的键能,因此,Mo—Ot键比W—Ot键易断裂,与实验结果一致.而在[Nb6-nMonO19]p-和[Ta6-nMonO19]p-体系中,Mo—Ot键的键能大于M—Ot(M=Nb,Ta)键的键能.Nb和Ta原子的端氧Ot的电荷大于Mo原子的端氧Ot的电荷,初步预测,当[Nb6-nMonO19]p-和[Ta6-nMonO19]p-与有机胺反应时,Nb—Ot和Ta—Ot键优先断裂,易与有机胺的氮原子成键.     

外电场对N@C60, P@C60, As@C60分子结构和性质的影响

用量子力学方法研究了N@C60, P@C60, As@C60分子的几何和电子特征. 计算结果表明, 形成富勒烯包合物后, 碳笼只有微小的变形, 3种内包原子在笼中处于不同的位置, 碳笼与内包原子之间有明显的电荷转移和自旋轨道相互作用, 生成能分别为6.32, 70.88, -53.05 kJ/mol. 内包原子的3个单占据分子轨道(SOMO)能量变化很大, 并由于和碳笼作用而发生劈裂. 在外电场作用下, 分子的电子密度沿电场方向发生转移.分子的能量随外加电场的增强而降低. 分子轨道能级、能隙及SOMO轨道的能量和能级劈裂也发生了变化.     

电场中B2分子特性研究

利用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-3l1＋G(2d)方法研究在不同方向电场(0～＋0.02 a.u.)作用下的B2分子的基态键长、总能量、偶极矩、最高占据轨道(HOMO)能量、最低空轨道(LUMO)能量、能隙及势能曲线的变化规律. 结果表明: 在一定外加电场范围内, 随电场强度的增大, 分子键长变大; 总能量降低; 偶极矩增大; HOMO能级、LUMO能级均降低; 能隙依赖外电场方向, 平行分子轴(Z)方向电场使能隙递减, 垂直分子轴(X)方向电场使能隙递增; 分子势能降低, 平行分子轴线(Z)方向电场对分子势能的影响随着核间距的增大而增大, 原有的“势能平台”遭到破坏.     

过渡金属M (M=Cu,Ag, Au)对X…Cl (X = F,Cl, Br)卤键相互作用强度的影响

采用量子化学方法,通过MCH2X…ClF(M=Cu,Ag,Au;X=F,Cl,Br)和CH3X…ClF两类复合物的对比,探讨了过渡金属对卤键相互作用强度的影响.CH3X…ClF复合物只有卤键相互作用,而优化MCH2X…ClF复合物除了得到一种只含有卤键相互作用的构型外,还得到一种含有过渡金属和Cl原子相互作用的稳定构型.含有过渡金属的复合物稳定性明显增加,Ag取代的复合物稳定性增加最为明显,Cu次之,Au最不明显.X原子最负分子表面静电势(MEP)减小是复合物稳定性增加的根本原因.利用自然键轨道(NBO)及分子中原子(AIM)分析进一步对体系的分子间相互作用进行了探讨.二阶稳定化能与键鞍点处拓扑性质的计算结果与相互作用能符合得很好.     

配合物[M(CO)3(PPh2py)2](M=Fe,Ru)异构体的理论研究

对PPh2py配合物[M(CO)3(PPh2py)2](M=Fe, Ru)的三种构型的异构体1-6进行了研究. 其中PPh2py以两个P原子与M配位形成HH构型1(Fe)和4(Ru), 以一个P和一个N原子与M配位形成HT构型2(Fe)和5(Ru), 以两个N原子与M配位形成HH’构型3(Fe)和6(Ru). 结果表明, (1) PPh2py中P原子对HOMO轨道的贡献最大, PPh2py作为电子给体时易以P原子与金属原子结合. (2)从分子能量和相互作用能数据表明, 配合物中HH构型最稳定, HH'构型最不稳定, 这与合成产物为HH构型的结果一致. (3) 键长和Wiberg键级均表明P—M键比N—M键结合力强. P、M原子间存在σ键, 而N、Fe原子间仅存在nN→n*M或nN→σ*M-P的电荷转移作用. (4) HH构型中M对HOMO的贡献最大, PPh2py向M的电荷转移最强, 使M的负电荷最大, 故HH构型最易作为电子给体以M原子与第二个金属配位形成双核配合物.     

C72衍生物C72X4（X=H,F,Cl）的理论研究

在混合密度泛函B3LYP理论下,用6-31G*基函数对富勒烯C72及其衍生物C72X4(X=H,F,Cl)进行了几何构型优化。计算了分子静电势、前线轨道能级差、反应能、核独立化学位移(NICS)和振动频率。计算结果表明,C72(#11188)球外负静电势出现在一对相邻五边形公共顶点以及两个六边形-五边形-六边形公共顶点区域,这些点即为化学反应中最可能的活性点;C72X4均是势能面上的稳定驻点;C72X4的能隙比C72大,这些加成反应都是放热的,并且具有很强的芳香性。因此它们都有可能合成出来。