乙醛二聚体内蓝移型氢键的理论研究

利用理论方法研究了乙醛二聚体内的氢键. 在MP2/6-31＋G(d), B3LYP/6-31＋G(d), B3LYP/6-311＋＋G(d,p)和B3LYP/6-311＋＋G(3df,2p)水平上, 利用常规方法和均衡校正方法对3种稳定的乙醛二聚体进行了几何优化和振动频率计算. 计算结果表明: 在二聚体A和C中乙醛中C—H键强烈收缩, 存在显著的C—H…O蓝移型氢键. 自然键轨道(NBO)分析表明, 电子供体轨道和电子受体轨道之间相互作用的稳定化能、分子内电子密度重排、轨道再杂化和结构重组是决定氢键红移和蓝移的主要因素. 其中, 轨道间稳定化能属于键伸长效应, 分子内电子密度重排、轨道再杂化和电子受体内部结构重组属于键收缩效应. 在二聚体A和C中, 由于键收缩效应处于优势地位导致C—H…O蓝移氢键存在.     

环硼氮烷与HCl,CHCl_3构成的分子间氢键的理论研究

用MP2方法和B3LYP方法,在6-31G(d,p)基组下对复合物环硼氮烷-HCl体系和环硼氮烷-CHCl3体系进行优化,研究了其分子间氢键的本质.计算结果表明,氯仿与环硼氮烷分子之间的相互作用使C-H键长缩短,振动频率增大(蓝移),而HCl与环硼氮烷分子之间的相互作用使H-Cl键长增长,振动频率减小(红移).自然键轨道(NBO)分析表明,影响氢键红移和蓝移主要有3个因素:n(Y)→σ*(X-H)超共轭作用、X-H键轨道再杂化和质子供体电子密度重排.其中,超共轭作用属于键伸长效应,电子密度重排和轨道再杂化属于键收缩效应.环硼氮烷-HCl体系的构型1和2伸长效应处于优势地位导致形成红移氢键;环硼氮烷-CHCl3体系中,由于键收缩效应处于优势地位导致形成蓝移氢键.     

N-H…O红移氢键和蓝移氢键的理论研究

用理论方法研究了复合物HCHO…HNO, HCOOH…HNO, HCHO…NH₃, HCOOH…NH₃, HCHO…NH₂F和HCOOH…NH₂F分子间氢键. 在MP2/6-31+G(d,p), MP2/6-311++G(d,p), B3LYP/ 6-31+G(d,p)和B3LYP/6-311++G(d,p)水平上, 利用标准方法和均衡校正方法对6种复合物进行了几何优化和振动频率计算. 计算结果表明: 在复合物HCHO…HNO和HCOOH…HNO中, HNO中N—H键强烈收缩, 存在显著的N—H…O蓝移氢键. 在复合物HCHO…NH₃, HCOOH…NH₃, HCHO…NH₂F和HCOOH…NH₂F中, NH3和NH₂F中N—H键伸长, 存在N—H…O红移氢键. 利用自然键轨道(NBO)分析表明, 电子供体轨道和电子受体轨道之间相互作用的稳定化能、电子密度重排、轨道再杂化和结构重组是决定氢键红移和蓝移的主要因素. 其中, 轨道间稳定化能属于键伸长效应, 电子密度重排、轨道再杂化和结构重组属于键收缩效应. 在复合物HCHO…HNO和HCOOH…HNO中, 由于键收缩效应处于优势地位导致N—H…O蓝移氢键存在. 在复合物HCHO…NH₃, HCOOH…NH₃, HCHO…NH₂F和HCOOH…NH₂F中, 键伸长效应居于主导地位,N—H…O红移氢键出现.     

CH_3SH和CH_3SLi分子间的锂键和氢键共存型相互作用

在CH3SLi+CH3SH势能面上求得锂键和氢键共存型复合物的两种稳定构型.频率分析表明,与单体相比复合物中S(5)—Li(6)键伸缩振动频率发生红移,而C(8)—H(10)键伸缩振动频率发生蓝移.经B3LYP/6-311++G**,MP2/6-311++G**及MP2/AUG-CC-PVDZ水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的复合物Ⅰ中相互作用能分别为-58.99,-57.87和-62.89kJ·mol-1.采用自然键轨道(NBO)理论,分析了复合物中单体轨道间的电荷转移,电子密度重排及其与相关键键长变化的本质等.采用分子中的原子(AIM)理论分析了复合物中氢键和锂键的电子密度拓扑性质.在极化连续模型(PCM)下,考察了溶剂化效应.结果表明,所考察的水、二甲亚砜、乙醇和乙醚等四种溶剂均使单体间的相互作用能增大,且溶剂对复合物中的锂键结构及其振动频率具有显著的影响,而对复合物中的氢键的振动频率影响不大.     

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.     

CH3SH和CH3SLi分子间的锂键和氢键共存型相互作用

在CH₃SLi＋CH₃SH势能面上求得锂键和氢键共存型复合物的两种稳定构型. 频率分析表明, 与单体相比复合物中S(5)—Li(6)键伸缩振动频率发生红移, 而C(8)—H(10)键伸缩振动频率发生蓝移. 经B3LYP/6-311＋＋G**, MP2/6-311＋＋G**及MP2/AUG-CC-PVDZ水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的复合物?中相互作用能分别为－58.99, －57.87和－62.89 kJ•mol^－1. 采用自然键轨道(NBO)理论, 分析了复合物中单体轨道间的电荷转移, 电子密度重排及其与相关键键长变化的本质等. 采用分子中的原子(AIM)理论分析了复合物中氢键和锂键的电子密度拓扑性质．在极化连续模型(PCM)下, 考察了溶剂化效应. 结果表明, 所考察的水、二甲亚砜、乙醇和乙醚等四种溶剂均使单体间的相互作用能增大, 且溶剂对复合物中的锂键结构及其振动频率具有显著的影响, 而对复合物中的氢键的振动频率影响不大.     

三接触弯曲构型的蓝移氢键CH3…Y的理论研究

运用量子化学从头算方法, 在MP2/6-311＋＋G(d,p), MP2/6-311＋＋G(2df,2p), MP2/6-311＋＋G(3df,3pd)和QCISD/6-311＋＋G(d,p)水平上, 研究了CH₃F, CH₃Cl和CH₃Br作为质子给体与Cl^－, Br^－作为质子接受体形成的氢键CH₃…Y. 计算结果表明: 6种复合物中C—H键收缩, 伸缩振动频率增大, 形成蓝移氢键. 分子中原子(Atoms in Molecules, AIM)分析表明, 这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同, 在Y…H之间不存在键临界点, 而在Y与C之间存在键临界点, 因此这些相互作用严格地不能称为氢键. 自然键轨道(Natural bond orbital, NBO)分析表明, 在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)®σ*(C—H)减小到可以忽略; 质子接受体的电子密度没有转移到σ*(C—H)上, 而是转移到了σ*(C—X) (X＝F, Cl, Br)上; 存在一定程度的重杂化; 分子内超共轭相互作用减小使得σ*(C—H)的电子密度减少. 这些因素共同导致C—H伸缩振动频率的蓝移.     

三接触弯曲构型的蓝移氢键CH3…Y的理论研究

运用量子化学从头算方法, 在MP2/6-311＋＋G(d,p), MP2/6-311＋＋G(2df,2p), MP2/6-311＋＋G(3df,3pd)和QCISD/6-311＋＋G(d,p)水平上, 研究了CH₃F, CH₃Cl和CH₃Br作为质子给体与Cl^－, Br^－作为质子接受体形成的氢键CH₃…Y. 计算结果表明: 6种复合物中C—H键收缩, 伸缩振动频率增大, 形成蓝移氢键. 分子中原子(Atoms in Molecules, AIM)分析表明, 这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同, 在Y…H之间不存在键临界点, 而在Y与C之间存在键临界点, 因此这些相互作用严格地不能称为氢键. 自然键轨道(Natural bond orbital, NBO)分析表明, 在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)®σ*(C—H)减小到可以忽略; 质子接受体的电子密度没有转移到σ*(C—H)上, 而是转移到了σ*(C—X) (X＝F, Cl, Br)上; 存在一定程度的重杂化; 分子内超共轭相互作用减小使得σ*(C—H)的电子密度减少. 这些因素共同导致C—H伸缩振动频率的蓝移.     

C6H5—H…X分子间氢键的理论计算

利用密度泛函理论B3LYP方法, 在6-311+G(3df,2p)水平上对C6H5—H…X型分子间氢键进行了几何构型优化、氢键相互作用能、电子密度分布等计算. 其中C6H6为质子供体, HCOH、H2O、NH3、CH2NH和HCN为质子受体. 从电荷布居分析、自然键轨道等角度详细地讨论了C6H5—H…X 体系中, 共轭π键、O和N的不同键型结构对氢键形成的影响以及孤电子对与C—H 反键轨道之间的相互作用(n→σ*)等.     

HNO与（HF）1≤n≤3分子间的蓝移与红移氢键

运用量子化学从头算方法研究了HNO与分子簇(HF)1≤n≤3形成的蓝移与红移氢键.在这些体系中,F…H-N都是蓝移氢键,重极化与重杂化和分子内超共轭导敛了氰键的蓝移;所有的X…H-F(X=O,N,F)氢键都是红移的,分子问超共轭导致了氢键的红移.在多分子体系形成的氢键链中,分子问超共轭作用呈现规律性递变,它导致了氢键强度与频率位移的规律性变化,电子密度拓扑分析结果反映和支持了这种规律性变化.     

Comparative analysis of blue‐shifted hydrogen bond versus conventional hydrogen bond in methyl radical complexes

Methyl radical complexes H₃C…HCN and H₃C…HNC have been investigated at the UMP2(full)/aug‐cc‐pVTZ level to elucidate the nature of hydrogen bonds. To better understand the intermolecular H‐bond interactions, topological analysis of electron density at bond critical points (BCP) is executed using Bader's atoms‐in‐molecules (AIM) theory. Natural bond orbital (NBO) analysis has also been performed to study the orbital interactions and change of hybridization. Theoretical calculations show that there is no essential difference between the blue‐shift H‐bond and the conventional one. In H₃C…HNC complex, rehybridization is responsible for shortening of the N? H bond. The hyperconjugative interaction between the single electron of the methyl radical and N? H antibonding orbital is up to 7.0 kcal/mol, exceeding 3.0 kcal/mol, the upper limit of hyperconjugative n(Y)→σ*(X–H) interaction to form the blue‐shifted H‐bond according to Alabugin's theory. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2007     

Electronic basis of improper hydrogen bonding: a subtle balance of hyperconjugation and rehybridization

The X[bond]H bond length in X[bond]H...Y hydrogen bonded complexes is controlled by a balance of two main factors acting in opposite directions. "X[bond]H bond lengthening" due to n(Y)-->sigma(H[bond]X) hyperconjugative interaction is balanced by "X[bond]H bond shortening" due to increase in the s-character and polarization of the X[bond]H. When hyperconjugation dominates, X[bond]H bond elongation is reflected in a concomitant red shift of the corresponding IR stretching frequency. When the hyperconjugative interaction is weak and the X-hybrid orbital in the X[bond]H is able to undergo a sufficient change in hybridization and polarization, rehybridization dominates leading to a shortening of the X[bond]H and a blue shift in the X[bond]H stretching frequency.     

复合物HNO···H2O2内N-H···O蓝移氢键的理论研究

A theoretical study on the blue-shifted H-bond N-H…O and red-shifted H-bond O-H…O in the complexHNO…H_2O_2 was conducted by employment of both standard and counterpoise-corrected methods to calculate thegeometric structures and vibrational frequencies at the MP2/6-31G(d),MP2/6-31 G(d,p),MP2/6-311 q G(d,p),B3LYP/6-31G(d),B3LYP/6-31 G(d,p) and B3LYP/6-311 G(d,p) levels.In the H-bond N-H…O,the calcu-lated blue shift of N-H stretching frequency is in the vicinity of 120 cm~(-1) and this is indeed the largest theoreticalestimate of a blue shift in the X-H…Y H-bond ever reported in the literature.From the natural bond orbital analy-sis,the red-shifted H-bond O-H…O can be explained on the basis of the dominant role of the hyperconjugation.For the blue-shifted H-bond N-H…O,the hyperconjugation was inhibited due to the existence of significant elec-tron density redistribution effect,and the large blue shift of the N-H stretching frequency was prominently due tothe rehybridization of sp~n N-H hybrid orbital.     

Improper or classical hydrogen bonding? A comparative cryosolutions infrared study of the complexes of HCClF(2), HCCl(2)F,and HCCl(3) with dimethyl ether

Complexes of haloforms of the type HCCl(n)F(3-)(n) (n = 1-3) with dimethyl ether have been studied in liquid argon and liquid krypton, using infrared spectroscopy. For the haloform C[bond]H stretching mode, the complexation causes blue shifts of 10.6 and 4.8 cm(-1) for HCClF(2) and HCCl(2)F, respectively, while for HCCl(3) a red shift of 8.3 cm(-1) is observed. The ratio of the band areas of the haloform C[bond]H stretching in complex and monomer was determined to be 0.86(4) for HCClF(2), 33(3) for HCCl(2)F, and 56(3) for HCCl(3). These observations, combined with those for the HCF(3) complex with the same ether (J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12290), have been analyzed using ab initio calculations at the MP2[double bond]FC/6-31G(d) level, and using some recent models for improper hydrogen bonding. Ab initio calculations on the haloforms embedded in a homogeneous electric field to model the influence of the ether suggest that the complexation shift of the haloform C[bond]H stretching is largely explained by the electric field effect induced by the electron donor in the proton donor. The model calculations also show that the electric field effect accounts for the observed intensity changes of the haloform C[bond]H stretches.     

Blue‐shifted and red‐shifted hydrogen bonds: Theoretical study of the CH3CHO· · ·HNO complexes

The blue‐shifted and red‐shifted H‐bonds have been studied in complexes CH₃CHO…HNO. At the MP2/6‐31G(d), MP2/6‐31+G(d,p) MP2/6‐311++G(d,p), B3LYP/6‐31G(d), B3LYP/6‐31+G(d,p) and B3LYP/6‐311++G(d,p) levels, the geometric structures and vibrational frequencies of complexes CH₃CHO…HNO are calculated by both standard and CP‐corrected methods, respectively. Complex A exhibits simultaneously red‐shifted C? H…O and blue‐shifted N? H…O H‐bonds. Complex B possesses simultaneously two blue‐shifted H‐bonds: C? H…O and N? H…O. From NBO analysis, it becomes evident that the red‐shifted C? H…O H‐bond can be explained on the basis of the two opposite effects: hyperconjugation and rehybridization. The blue‐shifted C? H…O H‐bond is a result of conjunct C? H bond strengthening effects of the hyperconjugation and the rehybridization due to existence of the significant electron density redistribution effect. For the blue‐shifted N? H…O H‐bonds, the hyperconjugation is inhibited due to existence of the electron density redistribution effect. The large blue shift of the N? H stretching frequency is observed because the rehybridization dominates the hyperconjugation. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2006     

HNO与(HF)1≤n≤3分子间的蓝移与红移氢键

运用量子化学从头算方法研究了HNO与分子簇(HF)1≤n≤移氢键, 重极化与重杂化和分子内超共轭导致了氢键的蓝移; 所有的X…H—F(X=O, N, F)氢键都是红移的, 分子间超共轭导致了氢键的红移. 在多分子体系形成的氢键链中, 分子间超共轭作用呈现规律性递变, 它导致了氢键强度与频率位移的规律性变化, 电子密度拓扑分析结果反映和支持了这种规律性变化.     

NH3BH3的双接触蓝移双氢键的理论研究

运用量子化学从头算方法研究了NH3BH3与含大的分子内超共轭的质子给体CHF3, H2CO, HCOOH, HCOCl和HNO形成的双接触弯曲双氢键B—H2…H—X(X＝C, N)的分子结构、电子密度拓扑性质与频率位移特征. 计算结果表明, 在所有体系中, 由于双氢键的形成, B—H键拉长且伸缩振动频率红移, 而X—H键长减小且伸缩频率蓝移. 弯曲的双接触构型导致分子间超共轭减小、X—H键的大的正重极化与正重杂化以及分子内超共轭减小三个因素导致了X—H键蓝移; B—H键红移的主要原因是B—H键的负的重极化与负的重杂化.     

(CH3)2S与HOCl分子间的卤键和氢键相互作用

在DFT-B3LYP/6-311++G**水平上分别求得(CH3)2S…ClOH卤键复合物和(CH3)2S…HOCl氢键复合物势能面上的稳定构型. 频率分析表明, 与单体HOCl相比, 在两种复合物中, 10Cl—11O和12H—11O键伸缩振动频率发生显著的红移. 经MP2/6-311++G**水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的气相中相互作用能分别为-11.69和-24.16 kJ·mol-1. 自然键轨道理论(NBO)分析表明, 在(CH3)2S…ClOH卤键复合物中, 引起10Cl—11O键变长的因素包括两种电荷转移: (i) 孤对电子LP(1S)1→σ*(10Cl—11O); (ii) 孤对电子LP(1S)2→σ*(10Cl—11O), 其中孤对电子LP(1S)2→σ*(10Cl—11O)转移占主要作用, 总的结果是使σ*(10Cl—11O)的自然布居数增加0.14035e, 同时11O原子的再杂化使其与10Cl成键时s成分增加, 即具有与电荷转移作用同样的“拉长效应”; 在(CH3)2S…HOCl氢键复合物中也存在类似的电荷转移, 但是11O原子的再杂化不同于前者. 自然键共振理论(NRT)进行键序分析表明, 在卤键复合物和氢键复合物中, 10Cl—11O和12H—11O键的键序都减小. 通过分子中原子理论(AIM)分析了复合物中卤键和氢键的电子密度拓扑性质.