Theoretical studies on fullerene C4o′s derivatives C4o X2 (X =H, F, Cl, Br)

应用密度泛函理论在B3LYP/6 31G*水平上对C40X2 (X=H,F,Cl,Br)进行研究.研究结果表明,C40X2 (X=H,F,C1,Br)在热力学上是稳定的,卤化衍生物的稳定性随卤素原子序数的增大而降低,最有利的衍生化方式是1-4加成,1-2与1-4加成的卤化和氢化衍生物在所研究的分子中较为稳定.这些研究有助于理解富勒烯衍生物的衍生化模式.     

C_(80)X_(12)(X=H,F,Cl,Br)的结构和稳定性

为了考察勒烯衍生物结构与稳定性关系,采用密度泛函理论方法对C80X12(X=H,F,Cl,Br)进行了系统计算究.结表明,在C80X12(X=H,F)异构体中,最低能量异构体都违反五元环分离规则.然而,在C80X12(X=Cl,Br)异构体中,最低能量异构体都满足五元环分离规则.由于van der Waals半径较小,H或F加成到碳笼上时外部原子之间排斥作用小,因此在其优结构中,H或F优先加成到2个五元环共用碳原子上.相反,对于氯化、溴化勒烯,为了避免外部加成原子之间在重空间排斥作用,其优结构中Cl或Br优先加成到1,4-位点上.计算结还显,氢化、卤化反应热(C80+6X2→C80X12)遵循如下顺序,即C80F12>C80Cl12>C80H12>C80Br12.这些结表明勒烯衍生物稳定性和衍生化模与加成原子尺和电性有关.     

卤化氢HX（X=F,Cl,Br,I）与C2H2相互作用本质的量子化学研究

在MP2水平上,采用全电子基组,对C2H2与HX(X=F,Cl,Br,I)相互作用进行了研究.构型优化同时进行频率验证,得到4个T型结构的稳定复合物,相互作用能在-12.761～-7.086kJ/mol之间.自然键轨道(NBO)与分子中的原子(AIM)理论分析表明,形成复合物分子间的电荷转移量都很少,最大仅为0.009a.u.,作用强度与氢键类似.对称性匹配微拢理论(SAPT)能量分解数据表明,对于C2H2…HX(X=F,Cl,Br,I)体系,从F到I,静电作用逐渐减弱,色散作用逐渐增强;相互作用能中对吸引能的贡献主要为静电能和色散能,二者之和占到80%以上,诱导能所占的比例很小,卤化氢与乙炔分子间相互作用的本质为静电作用和色散作用.     

苯-卤素(X2, X=F, Cl, Br, I)相互作用本质的对称性匹配微扰理论研究

在MP2水平下对被定义为"电荷转移复合物(CTC)"的苯(C6H6)-卤素分子X2(X＝F, Cl, Br, I)相互作用体系进行了量子化学研究. 在优化所得C6H6-X2(X＝F, Cl, Br, I)复合物的平衡几何结构中, 卤素分子X2接近垂直指向苯环上碳-碳双键的中心. 自然键轨道(NBO)分析结果表明, 苯-卤素体系中电荷转移的数量很少. 对称性匹配微扰理论(Symmetry-adapted perturbation theory, SAPT) 能量分解结果显示, 在4个复合物体系中, 静电作用的贡献相对较小(只占总吸引作用的20%左右), 对于C6H6-F2体系, 色散作用是其主要吸引作用, 对于C6H6-Cl2, C6H6-Br2和C6H6-I2 体系, 诱导作用则是其主要的吸引作用, 从F到I, 色散作用逐渐减弱, 诱导作用逐渐增强, 表明在电子相关水平上将苯-卤素体系称为"电荷转移复合物"的说法并不确切.     

卤代硅烷(R3SiX)与NR''3形成五配位硅化合物的加成反应

对R3SiX(R=H、CH3;X=F、Cl、Br、I)与NR'3(R'=H、CH3)的加成物用量子化学密度泛函方法在B3LYP/6-31g(d,p)基组下(X原子采用cep-121g基组)进行了两种加成方式的研究.一种是NR'3沿Si-X键轴向位置的加成,另一种是NR'3沿Si-X键侧向接近的加成.计算结果表明,前者更稳定且更容易形成加成物;Si上斥电子基团不利于Si-N键的形成,而N上斥电子基团则有利于Si-N键的形成;NH3-H3SiX系列和N(CH3)H3-H3SiX系列均能以两种方式进行加成,NH3-H2(CH3)SiX系列仅能沿Si-X键轴向进行加成,而NH3H(CH3)2SiX和NH3-(CH3)3SiX系列两种方式都不能进行加成;在同系列加成产物中,以X=Cl时所得加成物最稳定.讨论了所有加成物中各键的性能、NBO电荷变化、取代基对加成物结构和稳定性的影响,并对H3SiX(X=F、Cl、Br、D与NH3及N(CH3)3加成物在有机溶剂中导电的可能性进行了讨论.     

卤代硅烷(R3SiX)与NR’3形成五配位硅化合物的加成反应

对R3SiX(R=H、CH3; X=F、Cl、Br、I)与NR’3 (R’=H、CH3)的加成物用量子化学密度泛函方法在B3LYP/6-31g(d,p)基组下(X原子采用cep-121g基组)进行了两种加成方式的研究. 一种是NR’3沿Si—X键轴向位置的加成, 另一种是NR’3沿Si—X键侧向接近的加成. 计算结果表明, 前者更稳定且更容易形成加成物; Si上斥电子基团不利于Si—N键的形成, 而N上斥电子基团则有利于Si—N键的形成; NH3-H3SiX系列和N(CH3)3-H3SiX系列均能以两种方式进行加成, NH3-H2(CH3)SiX系列仅能沿Si—X键轴向进行加成, 而NH3-H(CH3)2SiX和NH3-(CH3)3SiX 系列两种方式都不能进行加成; 在同系列加成产物中, 以X=Cl时所得加成物最稳定. 讨论了所有加成物中各键的性能、NBO电荷变化、取代基对加成物结构和稳定性的影响, 并对H3SiX(X=F、Cl、Br、I)与NH3及N(CH3)3加成物在有机溶剂中导电的可能性进行了讨论.     

C56X10(X=F,Cl, Br,I)的结构稳定性和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)方法对C56X10(X=F, Cl, Br, I)的结构稳定性和电子性质进行了计算研究. 结构稳定性计算表明: 对于C56X10(X=F, Cl, Br, I), 能隙、反应热、最大振动频率和最小振动频率都随着X原子序数的增加而减小, 表明C56X10(X=F, Cl, Br, I)的稳定性随着X原子序数的增加而逐渐降低, 其中C56F10最为稳定. 前人在实验上已成功合成出C56Cl10, 因此, 我们推测C56F10有望在实验上成功合成. 前线轨道计算发现, C56相邻的五边形公共顶点以及两个六边形-五边形-六边形公共顶点是笼子中化学活性最强的部位, 有利于卤族元素的外部吸附. 此外, 计算结果还显示, C56X10(X=F, Cl, Br, I)的电负性随着X原子序数的增大而逐渐减弱, C—X基团的电负性因位置的不同而不同.     

C_(56)X_(10)(X=F,Cl,Br,I)的结构稳定性和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)方法对C56X10(X=F,Cl,Br,I)的结构稳定性和电子性质进行了计算研究.结构稳定性计算表明:对于C56X10(X=F,Cl,Br,I),能隙、反应热、最大振动频率和最小振动频率都随着X原子序数的增加而减小,表明C56X10(X=F,Cl,Br,I)的稳定性随着X原子序数的增加而逐渐降低,其中C56F10最为稳定.前人在实验上已成功合成出C56Cl10,因此,我们推测C56F10有望在实验上成功合成.前线轨道计算发现,C56相邻的五边形公共顶点以及两个六边形-五边形-六边形公共顶点是笼子中化学活性最强的部位,有利于卤族元素的外部吸附.此外,计算结果还显示,C56X10(X=F,Cl,Br,I)的电负性随着X原子序数的增大而逐渐减弱,C—X基团的电负性因位置的不同而不同.     

传统氢键(X—H…Y)还是X—H…π相互作用？ ——无机苯与卤化氢相互作用本质的量子化学研究

在MP2/6-311＋＋G**水平对无机苯(B3N3H6)与卤化氢HX (X＝F, Cl, Br, I)相互作用体系进行了系统研究. 结果表明在B3N3H6-HX (X＝F, Cl, Br, I)体系的平衡几何结构中, HX的H原子倾向于指向B3N3H6环上的N原子, 且从HF到HI相互作用强度依次减弱. 与苯-卤化氢体系比较, 除与HF相互作用B3N3H6较C6H6强外, 其余体系B3N3H6均较C6H6弱(结合能数值相差4 kJ/mol左右). 对称匹配微扰理论(SAPT)能量分解结果说明静电、诱导和色散力对描述B3N3H6-卤化氢体系的相互作用都很重要, 从HF到HI静电能占总吸引作用能的百分比逐渐减少, 色散能占总吸引作用能的百分比逐渐增加, 这种变化趋势与苯-卤化氢体系比较类似, 表明B3N3H6与卤化氢的相互作用随着卤素原子序数的递增, 传统氢键作用趋势减弱, X—H…π相互作用趋势增强.     

HCHO+X(X=F、Cl、Br)的反应机理

采用CCSD/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311++G(d,p)方法研究了HCHO与卤素原子X(X=F、Cl、Br)的反应机理. 计算结果表明, 卤素原子X(X=F、Cl、Br)主要通过直接提取HCHO中的H原子生成HCO+HX(X=F、Cl、Br). 另外还可以生成稳定的中间体, 中间体再通过卤原子夺氢和氢原子直接解离两个反应通道分别生成HCO+HX(X=F、Cl、Br)和H+XCHO(X=F、Cl、Br). 其中卤原子夺氢通道为主反应通道, HCO和HX(X=F、Cl、Br)为主要的反应产物; 且三个反应的活化能均较低, 说明此类反应很容易进行, 计算结果与实验结果符合很好. 电子密度拓扑分析显示, 在HCHO+X反应通道(b)中出现了T型结构过渡态, 结构过渡态(STS)位于能量过渡态(ETS)之后. 并且按F、Cl、Br的顺序, 结构过渡态出现得越来越晚.     

取代环戊二烯基三羰基合铬(钼)卤化物η5-RC5H4(CO)3MX的合成及结构

由η^5^-RC5H4(CO)3MNa(1)(R=MeCO, MeO2C, EtO2C; M=Cr, Mo)与I3、三卤化磷(PX3, X=Cl, Br, I)、苯基二氯化膦或甲基二碘化胂反应, 可得金属卤化物η^5-RC6H4(CO)3MX(2a-2l)(M=Cr, X=I; M=Mo, X=Cl, Br, I)。鉴于1(R=MeO2C, M=Mo)与PCl3反应的中间物η^5-MeO2CC5H4(CO)3MoPCl2业已被析离, 并可转变为相应的氯化物η^5-MeO2CC5H4(CO)3MoCl(2g), 因此1与三卤化磷、苯基二卤化膦或甲基二碘化胂生成金属卤化物的反应很可能经缩合及中间物分解两步简单反应, 2f(R=MeCO, M=Mo, X=I)为单斜晶系, a=0.6663(2), b=1.2364(6), c=1.5464(5)nm; β=99.02(3)°;V=1.2581nm^3; Dc=2.186g/cm^3; Z=4; F(000)=776; 空间各P21/c。     

C59XH(X=N,B)自由基加成区域选择性的理论研究

用半经验的AMl方法,对C59XHCl2n(X=N,B;n=1～2)和C60H2Cl2n(n=1～2)的异构体进行几何构型全优化和振动频率计算,结合密度泛函B3LYP／6—31G^*单点能计算确定各异构体的相对稳定性．对比C59XH(X=N,B)和C60H2的H2加成方式,计算结果表明H2或Cl2加在碳笼官能化部分的邻近位置在能量上都是有利的：C59NH和C59BH自由基多加成物区域选择性的差别可归因于N原子和B原子电子性质的不同;立体效应是导致H2和Cl2加成方式不同的主要原因．     

硫原子上亲核取代反应的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-311 G(2df,p)的水平上,对反应X- CH3SCl(X=F,Cl,Br,I)进行了理论研究.计算结果表明:X-(X=Cl,Br,I)与CH3SCl作用时,实际发生的是在硫原子上而不是在碳原子上的亲核取代反应,而且属于加成-消去机理.但是F-与CH3SCl作用则容易发生脱质子反应.     

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。     

B…HY/BrY(B=C4H4,C6H6,Y=F,Cl,Br)分子间作用的电子密度拓扑研究

运用MP2/aug-cc-pVDZ对B…HY氢键复合物和B…BrY卤键复合物(B=C4H14,CdH6,Y=F,Cl,Br)的几何构型及相互作用能进行了研究.研究发现对于相同的路易斯碱来说,B…HY和B…BrY的几何构型非常类似,B…BrY卤键键能大于B…HY氢键键能.电子密度拓扑分析表明C4H4(S)…BrY,C4H4(T).…BrF之间的卤键作用介于离子键和共价键之间,其余的氢键和卤键作用均为闭壳层相互作用.形成氢键和卤键后,卤化氢和双卤分子的原子积分性质都发生了变化,B…HY中H原子能量增加,而B…BrY中Br原子能量减少.     

富勒烯衍生物C50X(X=SiH2, PH, S)的结构及稳定性的理论研究

用从头算HF/3-21G方法研究了C50的环加成衍生物C50X(X=SiH2, PH, S)所有可能的异构体的结构与稳定性, 计算结果表明, SiH2基团、PH基团与S原子在C50上环加成的优先加成位置相同, 都为C3—C4类键和C4—C4类键, 并且相应形成[5,6]-闭环和[5,5]-闭环结构的最稳定异构体; 决定C50X(X=SiH2, PH, S)各异构体稳定性的主要因素, 因加成位置以及发生加成反应的C—C键的单双键类型的不同, 可能是张力、共轭效应或者二者的共同作用. 进一步比较了C50X(X=SiH2, PH, S)与C50X(X=CH2, NH, O)的结构和稳定性等, 并总结出规律性的结论, 即加成原子的大小和加成位置C—C键的类型是影响形成开环或闭环结构的C50环加成衍生物的两种主要因素.     

亚磺化脱卤研究 X: 全氟及多氟溴代烷的反应研究

本文报道溴代全氟烷和α,ω-二溴代全氟烷在亚磺化脱卤反应体系中与烯烃的反应及其与相应的碘代全氟烷的区别. 合成了全氟仲溴代烷CF3CFBrOCF2CF(CF3)O(CF2)2SO2F(7), 它与烯烃反应可得到1:1的加成物. 7的水解产物CF3CFBrOCF2CF(CF3)O(CF2)2SO3Na(11)与连二亚硫酸钠反应只得到氢化脱溴产物. 多氟溴化物CF3CBr2X(13X=F; 14X=Cl; 15X=Br)经亚磺化脱溴可得到相应的亚磺酸钠盐CF3CBrXSO2Na(16X=F; 17X=Cl; 18X=Br), 其中间体多氟烷自由基可用烯烃捕集, 得到高产率的1:1加成产物.     

亚磺化脱卤研究 X: 全氟及多氟溴代烷的反应研究

本文报道溴代全氟烷和α,ω-二溴代全氟烷在亚磺化脱卤反应体系中与烯烃的反应及其与相应的碘代全氟烷的区别. 合成了全氟仲溴代烷CF3CFBrOCF2CF(CF3)O(CF2)2SO2F(7), 它与烯烃反应可得到1:1的加成物. 7的水解产物CF3CFBrOCF2CF(CF3)O(CF2)2SO3Na(11)与连二亚硫酸钠反应只得到氢化脱溴产物. 多氟溴化物CF3CBr2X(13X=F; 14X=Cl; 15X=Br)经亚磺化脱溴可得到相应的亚磺酸钠盐CF3CBrXSO2Na(16X=F; 17X=Cl; 18X=Br), 其中间体多氟烷自由基可用烯烃捕集, 得到高产率的1:1加成产物.     

一系列水合和非水合铀酰卤族(F,Cl,Br)配合物在水溶液中的结构和紫外吸收光谱性质的密度泛函理论研究

本文考虑相对论效应并应用密度泛函理论(DFT)研究水溶液中UO2Xn(H2O)5-n(X=F,Cl,Br;n=1～4)和UO2Xn(X=F,Cl,Br;n=1～6)一系列水合和非水合铀酰化合物的结构和紫外吸收光谱性质。将这一系列物质命名为Xnm(X为F,Cl,和Br;n为卤素配体个数,m为水分子配体的个数)。在水溶液中,溶剂化效应采用类导体屏蔽模型(COSMO)并采用SAS溶剂接触曲面构造空穴模拟水溶剂对配合物的作用。配合物的紫外光谱性质采用考虑旋-轨耦合相对论效应的含时密度泛函(SO-TD-DFT)进行计算。U=O键随着F配体数目的增加而明显伸长,然而随Cl和Br配体数目的增加变化较小。随X配体数目的增加和水分子参与配位,铀与X的结合能逐渐减弱。配合物的紫外光谱计算表明铀酰氟的各种配合物并不出现特征吸收峰,而铀酰氯和铀酰溴的各种配合物均有特征吸收光谱。通过分子轨道分析可以很好解释光谱所体现的特征。     

取代环戊二烯基三羰基合铬(钼)卤化物η5-RC5H4(CO)3MX的合成及结构

由η~5-RC_5H_4(CO)_3MNa(1)(R=MeCO,MeO_2C,EtO_2C;M=Cr,Mo)与 I_2、三卤化磷(PX(?),X=Cl,Br,I)、苯基二氯化膦或甲基二碘化胂反应,可得金属卤化物η~5-RCH_4(CO)_3MX(2a—21)(M=Cr,X=I;M=Mo,X=Cl,Br,I).鉴于1(R=MeO_2C,M=Mo)与 PCl_3反应的中间物η~5-MeO_2CC_5H_4(CO)_3MoPCl_2业已被析离,并可转变为相应氯化物η~5-MeO_2CC_5H_4(CO)_3MoCl(2g),因此1与三卤化磷、苯基二卤化膦或甲基二碘化胂生成金属卤化物的反应很可能经缩合及中间物分解两步简单反应.2f(R=MeCO,M=Mo,X=I)为单斜晶系,a=0.6663(2),b=1.2364(6),c=1.5464(5)nm;β=99.02(3)°;V=1.2581nm~3;D_o=2.186g/cm~3;Z=4;F(000)=776;空间群P2_1/c.