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.     

同核双卤分子X_2(X=F,Cl,Br,I)与C_2H_2相互作用本质的量子化学研究

用对称性匹配微扰理论(SAPT)对C_2H_2与X2(X=F,Cl,Br,I)相互作用进行了量子化学研究.优化所得的4个稳定复合物相互作用能在-3.276 8~-10.639 5 k J/mol之间.自然键轨道(NBO)理论分析表明,形成复合物分子间的电荷转移量都很少,在0.002 3~0.013 2之间.SAPT2能量分析显示,从F到I,静电能和诱导能先增大后减小,交换能和色散能逐渐增强,相互作用能依次增强.复合物稳定构型的相互作用能中静电能占主导作用,对吸引能的贡献比例在C_2H_2 F2中最大(57.3%),在C_2H_2 I2中最小(49.7%);其次为色散能,在吸引能中所占的比例在21.9%(C_2H_2 F2)~31.2%(C_2H_2 I2)之间;诱导能在吸引能中所占的比例最小,均小于20.7%.     

卤素及卤素离子的电子结构

卤素离子的质子亲和势是随卤素原子在元素周期表中的位置从上到下按F-,Cl-,Br-,I-依次降低.但人们熟知的卤素原子电负性却按F,Cl,Br,I依次减小,或者说卤素原子的电正性随上述顺序依次增大,对应于卤原子价轨道np的能量按F,Cl,Br,I依次升高;这个结果意味着卤素阴离子的电子给予能力,或者说它们的质子亲和势似乎应该随F-,Cl-,Br-,I-依次增大.这样就出现了两个完全相反的质子亲和势顺序.为了对这一结果作出解释,我们分别采用Kohn-Sham密度泛函理论(在SAOP/TZ2P和OLYP/TZ2P计算水平上),以及采用从头计算理论(在HF/TZ2P水平)中的分子轨道模型对卤素离子及卤素原子进行了详尽的理论分析.同时我们对在Hartree-Fock理论框架下轨道能量和质子亲和势的变化趋势之间存在的内在矛盾进行了阐述.研究表明质子亲和势按F-,Cl-,Br-,I-依次降低的原因是由于当卤素原子X得到一个电子成为卤素阴离子X-后,价轨道np的能量将会升高,从而表现出异常的不稳定性.更关键的是,这种由于库仑排斥造成的卤素离子价轨道的不稳定性对于本身半径比较小的氟原子尤为突出,但随着卤素的半径增大,这种不稳定效应逐渐减弱.结果较强的HOMO(F-)-LUMO(H+)轨道相互作用导致F-的质子亲和势大于其他体积较大的卤素离子.以上的定性分子轨道分析表明考虑净电荷对轨道能量的影响是十分重要的.这不仅清楚地解释了采用Kohn-Sham密度泛函理论可以得到正确的质子亲和势变化趋势,即F-Cl-Br-I-,而且还能解释为何在从头计算的Hartree-Fock分子轨道理论框架下,虽然X-的价轨道np能量随F-,Cl-,Br-,I-递减,似乎应该得到不正确的质子亲和势变化趋势,但实际上得到质子亲和势顺序仍然是正确的.之所以所有的分子轨道模型下都有同样的HOMO-LUMO相互作用能及质子亲和势顺序,其原因是电荷效应,即在HF,OLYP和SAOP计算中,卤素原子与卤素离子的价轨道能量差都是升高的.通过这些理论分析得到的结论有助于理解诸如亲核取代反应(SN2)以及碱催化的消去反应(E2)等基本有机化学反应的微观机理.     

同核双卤分子X2(X=F,CI,Br,I)与C2H2相互作用本质的量子化学研究

用对称性匹配微扰理论(SAPT)对C2H2与X2(X=F,CI,Br,I)相互作用进行了量子化学研究.优化所得的4个稳定复合物相互作用能在-3.276 8～-10.639 5 kJ/mol之间.自然键轨道(NBO)理论分析表明,形成复合物分子间的电荷转移量都很少,在0.002 3～0.013 2之间.SAPT2能量分析显示,从F到I,静电能和诱导能先增大后减小,交换能和色散能逐渐增强,相互作用能依次增强.复合物稳定构型的相互作用能中静电能占主导作用,对吸引能的贡献比例在C2H2…F2中最大(57.3％),在C2H2…I2中最小(49.7％);其次为色散能,在吸引能中所占的比例在21.9％(C2H2…F2)～31.2％(C2H2…I2)之间;诱导能在吸引能中所占的比例最小,均小于20.7％.     

二茂锆衍生物的量子化学计算Ⅱ.二茂锆卤素衍生物的EHMO计算

采用EHMO法计算了Cp₂ZrX₂(Cp:环戊二烯基;X:F,CI,I)的分子轨道能量组成并计算了这类络合物在可见-紫外光区的电子跃迁.为了检验我们的计算结果,测定了Cp₂ZrCl₂在可见-紫外光区的吸收光谱.计算结果如下:(1)三种络合物的能级图都非常相似,HOMO都是10b₂,LUMO都是13_α1.能级差按F,Cl,I的顺序减少,分别为1.51,1.47和1.37eV.(2)能量最低的一组空轨道主要是由Zr的d轨道组成,它们的能量都和Zr的d轨道能量接近.在填满轨道中,没有以Zr的d轨道为主体的分子轨道,这一点与通常认为这类络合物是d⁰体系的看法一致.卤素配位体的改变对能级高低和轨道组成有一定影响.(3)随卤素配位体的改变,Zr原子上的正电荷和卤素配位体上的负电荷,按F,Cl,I的顺序减少,而两个环戊二烯配位体上的负电荷则变化不大.(4)计算了这类络合物在可见-紫外光区的电子跃迁,发现在可见光区有一个吸收带,在紫外光区有三个吸收带.对产生这些谱带的跃迁性质进行了探讨.(5)实验测定了Cp₂ZrCl₂在四氢呋喃溶剂中的紫外吸收光谱,得到三个吸收带.计算结果与实验数据十分符合.     

2,3-二氮杂二环-[2,2,2]-辛-2-烯与卤素分子间电荷转移相互作用的量子化学研究

对2,3-二氮杂二环-[2,2,2]-辛-2-烯 (DBO) 与Cl2、Br2和I2 3种卤素分子形成的s型电荷转移复合物进行了不同方法的理论计算。结果表明, MP2方法结合LanL2DZ*基组可以很好地描述DBO与卤素分子间的相互作用。其中, DBO与I2的结合能为33.6 kJ/mol, 与DBO…Br2的结合能接近, 明显大于DBO…Cl2相应的值。几何结构变化以及布居分析均与这一结果吻合。针对DBO的结构, 对DBO与I2间 形成p型电荷转移复合物以及DBO…(I2)2的可能性进行了理论分析和预测。     

LDHs主体层板与卤素阴离子超分子作用的理论研究

构建了LDHs主客体作用模型, 采用混合密度泛函B3LYP方法, 在6-31G(d)水平上进行结构优化和频率分析, 然后分别用6-31G(d)和6-311++G(d, p)基组计算主客体相互作用能, 从几何参数、电荷布居、前线轨道、能量以及热力学参数等角度探讨LDHs主体层板与卤素阴离子(F?, Cl?)间的超分子作用. 计算结果表明, LDHs主体层板复合卤素阴离子是一个自发过程. LDHs主客体间存在着较强的超分子作用, 主要包括静电和氢键作用, 相互作用能分别为?592.45和?444.01 kJ·mol?1. LDHs主体层板与卤素阴离子的前线轨道发生作用, 电子容易从卤素阴离子的HOMO向层板的LUMO转移, 形成的组装产物Mg6Al(OH)14+?F?比Mg6Al(OH)14+?Cl?稳定.     

杯[4]吡咯-阴离子体系相互作用的理论研究——杯[4]吡咯-卤素阴离子体系的密度泛函研究

用密度泛函B3LYP/LANL2DZ方法对自由杯[4]吡咯的最低能量构象和卤素阴离子-杯[4]吡咯复合物进行了计算研究.结果表明,杯[4]吡咯与卤素离子能通过彼此间的相互作用形成复合物,并且这种相互作用在本质上应为分子间的氢键相互作用;杯[4]吡咯与卤素阴离子形成的复合物在构型变化、电荷转移、前线轨道及其作用方式、成键布居以及能量和热力学参数等方面均按元素周期律有规律地变化,杯[4]吡咯与卤素阴离子间的相互作用沿元素周期依次减少.     

SN2反应X-l+CH3XrXlCH3+X-r(Xl=Xr=F, Cl, Br, I)的价键方法研究

应用最近发展的价键组态相互作用(VBCI)方法计算了SN2反应X-l+CH3Xr→XlCH3+X-r(Xl=Xr=F, Cl, Br, I)的反应能垒和价键相关参数. 计算结果表明, VBCI能垒与采用分子轨道理论的CCSD(T)方法计算的能垒相一致. 讨论了SN2反应的反应参数.