硼烷结构的电子计数规则

基于分子轨道理论计算,已有各种讨论硼烷结构的电子计数方法。本文扼要介绍了Wade规则与两个新的电子计数规则,并简单介绍了新计数规则在研究复杂硼烷结构中的应用。     

Ih对称性硼、碳原子簇化合物的从头计算(Ⅱ)─C12B20、C12B20H32的电子结构及稳定性

用价轨道双ζ型基,在B₃₂H₃₂^2-等研究的基础上继续对C₁₂B₂₀、C₁₂B₂₀H₃₂及其正离子进行从头计算,并对照C₂B₃₀、B₃₂和B₃₂H₃₂^2-的计算结果讨论其成键特性、稳定性及得电子反应活性。     

两个闭式十一顶钌硼烷簇合物[(PPh3)(p-BrC6H4CO2)2RuB10H8]和[(PPh3)2Ru(p-BrC6H4CO2)(PPh3)RuB10H9]的合成与晶体结构

[RuCl₂(PPh₃)₃],B₁₀H₁₀^2-与p-BrC₆H₄COOH在CH₂Cl₂中回流, 得到两个闭式十一顶钌十硼烷簇合物: [(PPh₃)(p-BrC₆H₄CO₂)₂RuB₁₀H₈] (1) 和 [(PPh₃)₂Ru(PPh₃)(p-BrC₆H₄CO₂)RuB₁₀H₉] (2), 并进行了元素分析、红外光谱、¹H核磁共振谱、¹³C核磁共振谱、X-射线单晶衍射表征. 簇合物1属于单斜晶系，空间群为C2/c, a = 2.569(4) nm, b=1.546(2) nm, c=1.927(3) nm, β=95.11(2)°, Z=8, V=7.622(21) nm³, D_c=1.533 Mg/m³, F(000)=3472, S=1.009, R=0.0418, wR=0.0775; 簇合物2属于三斜晶系, 空间群为P-1, a = 1.3142(3) nm, b=1.3761(3) nm, c=1.8503(4) nm, α=90.445(4)°, β=105.950(4)°, g=108.980(4)°, Z=2, V=3.0251(12) nm³, D_c=1.434Mg/m³, F(000)=1316, S=1.007, R=0.0464, wR=0.1175. 单晶结构分析表明, 两个簇合物的中心都具有一个闭式1:2:4:2:2堆砌结构的十一顶{RuB₁₀}金属硼烷骨架, 硼笼开口处具有船式构象的环状的六个硼原子对Ru(1)原子呈h⁶船式配位. 在簇合物1中, 钌原子有三个簇外配体, 一个三苯基膦, 两个对溴苯甲酸根. 对溴苯甲酸根上另外的两个氧原子分别取代了B(2)和B(3)上的氢原子, 从而在簇合物的两侧形成两个对称的Ru-O-C-O-B五员环. 簇合物2是一个双金属钌硼烷簇合物, Ru(2)通过一个Ru-Ru键和两个{RuH_mB}桥键与簇合物中心{RuB₁₀}相连, 从而在簇外形成了一个变形的Ru(1)-Ru(2)-B(3)-B(6)四面体结构.     

四角锥形结构化合物BeB4X4(X=H，F，Cl)，HBB4H4与BB4H4+中B4平面环的半芳香性

选用6-311++G(3df,2p)基组,在二级微扰的理论下,对四角锥形结构化合物BeB4X4(X=H,F,Cl),HBB4H4与BB4H4+的分子振动频率,及原子间的相互作用进行了计算,作用能的计算使用了CCSD(T)方法。结果显示HBB4H4与BB4H4+是违反韦德规则的另两个特例,它们表现稳定的原因与芳香性有关。     

双帽Keggin型杂多阴离子[PM12O40(VO)2]n-(M=Mo,n=5; M=V, n=9)的离散变分方法研究

使用密度泛函理论的离散变分方法(DFT-DVM)研究了双帽Keggin型杂多阴离子[PM12O40(VO)2]n-(M=Mo, n=5; M=V, n=9),即[PMo12O40(VO)2]5- (a)和[PV12O40(VO)2]9- (b)的电子结构,讨论了双帽的形成对Keggin型杂多阴离子的电子结构和催化性质的影响,并与其Keggin型杂多阴离子(PM12O40)n-(M=Mo, n=3; M=V, n=15)的计算结果进行了对比分析,计算结果表明,双帽的形成对Keggin型杂多阴离子的电子结构产生了很大的影响,因而它们在催化活性上可能会表现出较大的差异.     

N8H8链状异构体结构与稳定性的理论研究

采用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-311＋＋G(d,p)基组上计算得到了21种N₈H₈链状异构体, 并研究了这些异构体间可能的互变异构情况. 为了得到更为精确的能量信息, 计算了QCISD(T)/6-311G(d,p)基组水平上各物质的能量. 所得的21种异构体分为4类(4种类型链状化合物): A为直链, B有一个支链, C有2个支链, D有3个支链; D类只有一种, A类稳定构型2种, B类稳定构型12种, C类稳定构型6种; 相对稳定的分别为: B2-1构型, B2-3构型和C23-2构型. 我们研究发现N₈H₈链状异构体中含有明显N＝N双键特征有利于化合物稳定性的提高.     

4-二羟基硼苯丙氨酸(BPA)及其多羟基衍生物BPA(OH)n(n=1,2,4)的电子结构的理论研究

使用密度泛函方法对硼中子捕获疗法药物4-二羟基硼苯丙氨酸(BPA)及其多羟基衍生物BPA(OH)和BPA(OH)2, BPA(OH)4的电子结构进行了理论计算, 探讨了BPA药物作用的可能机制及其羟基衍生物具有良好水溶性的主要因素. 研究结果表明, BPA的HOMO主要分布在苯环上, 而BPA(OH), BPA(OH)2和BPA(OH)4的HOMO主要位于多羟基基团与BPA母体的结合部位的C, N和O原子附近, 羟基衍生物的这种HOMO轨道特性、 结构中极性基团数量的增多及分子极性的增大等可能是它们具有良好水溶性的主要因素. 计算结果与实验结果一致.     

半夹芯16电子化合物CpCo(S2C2B10H10)中B(3,6)位的选择性分步取代反应

16e半夹芯化合物CpCo(S2C2B10H10)(Cp:cyclopentadienyl)(1)与炔烃HC≡CC(O)Fc(Fc:ferrocenyl)在物质的量之比为1∶1时反应生成化合物CpCo(S2C2B10H9)(CH=CHC(O)Fc)(2)。在化合物2中,一分子HC≡CC(O)Fc偶合到原料化合物1的碳硼烷笼子的B(3)位点,导致B(3)位的氢原子迁移到炔烃的内部碳原子上形成烯烃取代基。2能继续与另外一分子HC≡CC(O)Fc反应,生成B-双取代产物CpCo(S2C2B10H8)(CH=CHC(O)Fc)2(3)。3仍然是1个16e化合物,并且在B(3,6)位点有2个反式烯烃取代基CH=CHC(O)Fc。在过量炔烃存在情况下,该反应生成化合物3及炔烃环三聚产物1,3,5-{HC=CC(O)Fc}3(4)。化合物2、3、4用红外,核磁,元素分析,质谱和单晶X-射线衍射分析等方法进行了表征。     

[η5:σ-Me2C(C5H4)(C2B10H10)]Ru(NCCH3)2与中间炔的反应—— 钌环丁二烯和钌杂环戊三烯配合物的合成与结构

钌可以促使炔烃通过亚乙烯基钌卡宾金属配合物或钌金属杂环配合物的形式发生碳-碳偶联反应, 它的化学性质很大程度上取决于配体的电子和立体特征. 普通环戊二烯基钌配合物可以促使炔烃三聚生成苯环衍生物或使两分子炔烃和一分子含C=X键(X = C, O, S, N等)的不饱和底物发生环加成反应得到杂环化合物. 含桥联碳硼烷–环戊二烯基配体的钌乙腈配合物[η⁵:σ-Me₂C(C₅H₄)(C₂B₁₀H₁₀)]Ru(NCCH₃)₂ (1)表现出与环戊二烯基钌不同的反应性质. 例如, 配合物1与三甲基硅基取代的端炔或中间炔反应可生成含有单或双亚乙烯基有机钌卡宾配合物; 与末端芳炔则通过三分子炔和桥联配体中的环戊二烯基发生加成反应得到含有独特三环结构的有机钌配合物. 以上结果表明, 配体的位阻效应和炔烃的种类都可以影响产物的类型. 本文进一步研究了此钌乙腈配合物1与烷基或芳基取代的中间炔及中间二炔的反应. 配合物1与3-己炔或二苯乙炔在甲苯中于 80 ℃反应可以生成对空气和水稳定的η⁴-钌-环丁二烯配合物[η⁵: σ-Me₂C(C₅H₄)(C₂B₁₀H₁₀)]Ru(η⁴-C4Et4) (2) 或 [η⁵:σ-Me₂C(C₅H₄)(C₂B₁₀H₁₀)]Ru(η4-C₄Ph₄) (3), 此反应相信是通过一个钌杂环戊三烯中间体进行的. 由于这个中间体既不能在反应中被分离到也不能在核磁反应中被监测到, 我们接下来尝试了1和1,6-二炔的反应. 在 1与2,7-壬二炔或3,8-十一碳二炔的反应中成功分离到钌杂环戊三烯配合物[η⁵: σ-Me₂C(C₅H₄)(C₂B₁₀H₁₀)]Ru[=C₂- (Me)₂C₂(CH₂)₃] (4) 或 [η⁵: σ-Me₂C(C₅H₄)(C₂B₁₀H₁₀)]Ru[=C₂(Et)₂C₂(CH₂)₃] (5). 化合物4与5 在甲苯回流温度仍然稳定. 由于位阻效应, 它们也不与苯乙炔、3-己炔、苯基异氰酸酯、二硫化碳以及叔丁基异腈反应. 以上新化合物通过了核磁和元素分析表征, 其中化合物2和4的结构得到了单晶X射线衍射确定. 在化合物2的晶体结构中, 钌原子通过η⁵-键与环戊二烯基配位, σ-键与硼笼相连, 以及η⁴-键与环丁二烯配位, 形成一个平面三角形结构. 在化合物4的晶体结构中, 钌原子通过η⁵-键与环戊二烯基配位, σ-键与硼笼相连, 以及与两个碳卡宾原子配位, 形成一个扭曲四面体构型. 钌与碳卡宾原子之间的键长显示其为Ru=C双键. 在以上实验结果基础上我们提出了1与炔烃反应生成2和3的反应机理: 钌-乙腈配合物通过与炔烃的配体交换反应得到钌-二炔配合物, 进一步氧化偶联得到钌杂环戊三烯中间体, 还原消除反应得到最终产物?钌-环丁二烯配合物. 在1与二炔的反应中, 4和5中的并环结构可以阻止还原消除反应, 从而起到稳定钌杂环戊三烯中间体的作用. 上述实验结果表明, 桥联碳硼烷配体和底物(炔烃)的空间位阻效应都对反应有很大的影响.     

银硫二元团簇[Ag.(Ag2S)n] +(n=1,2)的从头算研究

用ab initio分子轨道限制Hartree-Fock(RHF)和密度泛函(DFT)方法对团簇[Ag     

Ab initio studies on isomers of macropolyhedral borane ions [B20H18]n (n = 0, -2, -4)

Various isomers of macropolyhedral borane ions [B20H18]n (n = 0, -2, -4) are investigated by using the density functional theory methods at RB3LYP/6-31+G* and RB3LYP/6-31G* levels to obtain the optimized geometries, harmonic vibrational frequencies, electron structures, and the stability order. The calculated results show that optimized bond lengths are consistent with the available experimental values and the natural populations, taking [a2 -B20H18]4- (4) as an example, are also in agreement with NMR spectra. The calculated vibrational frequencies are all real, so all of these isomers could be stable, among which [a2 -B20H18]2- (3) and [a2 -B20H18]0 (7) are considered for the first time in this paper. On the basis of the contour maps of molecular orbitals, the delocalized characteristic of molecular orbitals and the possible redox mechanism of these ions are also discussed. Moreover, the analysis on counting of skeletal bonding electrons shows that the isomers (1)-(6) obey the electronic requirement predicted by the mno rule, whereas the newly predicted isomer (7) does not match the mno rule.     

BmN (m=2～9)团簇结构的特征与稳定性

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法，在6-311G*水平上对BmN(m =2～9)团簇的几何构型、电子结构、振动频率、自然键轨道(NBO)等性质进行了理论研究. 通过对基态结构的异构化能、核独立化学位移(NICS)和能量二次差分的讨论，得到了BmN(m =2～9)团簇结构的稳定性信息.     

CnAl (n=2-11)团簇的结构特征与稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-311++G**水平上对CnAl(n=2-11)团簇的几何构型和电子结构进行了结构优化和振动频率计算. 结果表明, n=2的CnAl团簇基态结构为Al原子与两个C原子相连形成的环状结构, n=3-11均为Al原子端基配位的线状结构. 通过对基态结构的能量分析, 得到了n为偶数的CnAl团簇比n为奇数团族稳定的结论.     

(BCO)+n(n=1-12)团簇的结构与稳定性

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-31G*水平上对(BCO)⁺_n(n=1-12)团簇的几何结构、电子结构、振动频率等性质进行了理论研究. 结果表明, (BCO)⁺_n团簇的基态结构均为羰基端配位(μ₁-CO)结构, 且含三元环和五元环数目越多或四元环和六元环的数目越少, 相应的结构越稳定. 能量分析得到, n 为奇数的(BCO)⁺_n团簇比n为偶数的稳定.     

[M6Om(C25N4H18)n]2-(M=W, Mo; n=1, 2; m=17,18)的二阶非线性光学性质的理论研究

运用密度泛函理论(DFT)的BP86方法, 对[M6Om(C25N4H18)n]2-(M=W, Mo; n=1, 2; m=17,18)进行了几何结构优化, 其中Mo系列结构化合物优化的几何结构与实验值吻合较好. 在净电场为零的条件下, 运用DFT/LB94方法计算了体系的二阶非线性光学系数β值: 体系1和2的βvec值分别为154.4×10-30和124.8×10-30 esu. 表明它们具有较大的二阶非线性光学系数, 且Mo系列比W系列的β值大. 而体系3和4的βvec值分别为218.0×10-30和191.8×10-30 esu. 体系3和4的βvec值分别比体系1和2的大, 表明增加给体的数目有利于提高NLO响应, 但都小于它们的2倍.     

Density functional theory and Hartree-Fock studies: geometry, vibrational frequencies and electronic properties of Anderson-type heteropolyanion, [XM6O24]n- (X=TeVI, IVII and M=Mo, W) and [SbVW6O24]7-

The geometry, IR and Raman spectra and electronic properties of Anderson-type heteropolyanions with main-group high oxidation state heteroatom, [Te(VI)Mo(6)O(24)](6-), [I(VII)Mo(6)O(24)](5-), [Sb(V)W(6)O(24)](7-), [Te(VI)W(6)O(24)](6-) and [I(VII)W(6)O(24)](5-) have been investigated using Hartree-Fock (HF) and density functional theory (DFT) methods. HF method has good results in geometry parameters but poorer than DFT method in the results of vibrational frequencies. Also we have investigated the effect of LanL2DZ augmented in the vibrational frequencies. With attention to relative charge and size of the cavity occupied by XO(6) subunit in these anions, we suggest that the general formula [XO(6)(n-)@M(6)O(18)] to describe electronic properties of these anions.     

Octacarbonyl Anion Complexes of Group Three Transition Metals [TM(CO)8]− (TM=Sc,Y, La) and the 18‐Electron Rule

We report the gas‐phase synthesis of stable 20‐electron carbonyl anion complexes of group 3 transition metals, TM(CO)₈^? (TM=Sc, Y, La), which are studied by mass‐selected infrared (IR) photodissociation spectroscopy. The experimentally observed species, which are the first octacarbonyl anionic complexes of a TM, are identified by comparison of the measured and calculated IR spectra. Quantum chemical calculations show that the molecules have a cubic (O_h) equilibrium geometry and a singlet (¹A_1g) electronic ground state. The 20‐electron systems TM(CO)₈^? are energetically stable toward loss of one CO ligand, yielding the 18‐electron complexes TM(CO)₇^? in the ¹A₁ electronic ground state; these exhibit a capped octahedral structure with C_3v symmetry. Analysis of the electronic structure of TM(CO)₈^? reveals that there is one occupied valence molecular orbital with a_2u symmetry, which is formed only by ligand orbitals without a contribution from the metal atomic orbitals. The adducts of TM(CO)₈^? fulfill the 18‐electron rule when only those valence electrons that occupy metal–ligand bonding orbitals are considered.     

Stability and three-dimensional aromaticity of closo-NB(n-1)H n azaboranes,n = 5-12

Computations on all the possible positional isomers of the closo-azaboranes NB(n)()(-)(1)H(n)() (n = 5-12) reveal substantial differences in the relative energies. Data at the B3LYP/6-311+G level of density functional theory (DFT) agree well with expectations based on the topological charge stabilization, with the qualitative connectivity preferences of Williams, and with the Jemmis-Schleyer six interstitial electron rules. The energetic relationship involving each of the most stable positional isomers, 1-NB(4)H(5), NB(5)H(6), 2-NB(6)H(7), 1-NB(7)H(8), 4-NB(8)H(9), 1-NB(9)H(10), 2-NB(10)H(11), NB(11)H(12), was based on the energies (DeltaH) of the model reaction: NBH(2) + (n-1)BH(increment) --> NB(n)()H(n)()(+1) (n = 4-11). This evaluation shows that the stabilities of closo-azaboranes NB(n)()(-)(1)H(n)() (n = 5-12) increase with increasing cluster size from 5 to 12 vertexes. The "three-dimensional aromaticity" of these closo-azaboranes NB(n)()(-)(1)H(n)() (n = 5-12) is demonstrated by their the nucleus-independent chemical shifts (NICS) and their magnetic susceptibilities (chi), which match one another well. However, there is no direct relationship between these magnetic properties and the relative stabilities of the positional isomers of each cluster. As expected, other energy contributions such as topological charge stabilization and connectivity can be equally important.     

CnAl2 (n=1-10)团簇的结构特征与稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-311G*水平上对CnAl2 (n=1-10)团簇的几何构型和电子结构进行了结构优化和振动频率计算. 结果表明, 富铝的CAl2团簇基态结构为折线型面状结构, 多碳和双聚体的CnAl2团簇基态结构均为Al原子端基配位的线状结构. 通过对基态结构的能量分析, 得到了n为偶数的CnAl2团簇比n为奇数稳定的结论.     

PdYn±(n=0, 1, 2, 3)分子离子的结构与稳定性

在Pd和Y原子相对论有效原子实势和基函数SDD下, 使用密度泛函理论B3LYP方法对PdYn±(n=0, 1, 2, 3)分子离子的势能曲线与稳定性进行计算研究, 结果表明, PdY分子和PdY−, PdY2−, PdY3−与PdY+分子离子的基态电子状态分别为X2Σ、X1Σ、X2Σ、X1Σ、X1Σ, 能稳定存在, 势能函数可用Murrell-Sorbie函数表达, 并计算得到相应的力常数与光谱数据; PdY2+和PdY3+分子离子的基态分别为X2Σ和X1Σ, 是亚稳定态, PdY3+分子离子的三重态是排斥态, 不能稳定存在.