含铜银金的分子与小分子作用成键本质的理论研究

摘要

铜银金的化合物,因为其独特的化学物理性质在化工生产中起了非常重要的作用。对于本论文的理论研究将揭示超共轭在铜银金化合物与小分子H2O/H2S、C2H2/C2H4形成的非共价相互作用中起到的非常重要的作用。
　　最近, Anthony C. Legon等人报道了两种简单的复合物 H2O···AgCl和H2S···AgCl的光谱结构,这两种复合物是由 H2O/H2S跟 AgCl形成的。不久之后,他们组又报道了类似于银键复合物光谱结构的铜键复合物 H2O···CuCl和H2S···CuCl。这两种体系中的硫原子,银原子和氯原子这三个原子基本上是共线的,这里自然而然提出一个问题是:超共轭效应是否也同样存在CuCl/AgCl···H2O/H2S这些体系中。后来, Anthony C. Legon等人又报道了两种简单的复合物 C2H2···AgCl和 C2H4···AgCl,我们将把超共轭的研究拓展到铜银金分子与π分子形成的复合物体系。
　　论文中我们运用分子内原子理论(AIM)和自然键轨道理论(NBO)对这类复合物体系进行了理论表征,并研究体系的成键本质。计算在 MP2/aug-cc-pVTZ水平上进行。论文的主要工作和结论简述如下:
　　(1)基于Anthony C. Legon等人报道的两种简单的复合物H2O···AgCl/CuCl和H2S···AgCl/ CuCl的光谱结构,我们进行了理论研究。尽管所有的Cu/Ag/Au键的复合体系结构上相似于相应的氢键/卤键分子结构,但是Cu/Ag/Au键复合体系却表现出了一系列不同于氢键/卤键的特征例如振动频率还有键能。Cu/Ag/Au键复合体系中的分子间的相互作用能在9.03-21.64 kcal/mol之间,然而氢键卤键中的相互作用能却在0.745-3.398 kcal/mol之间。同时AIM分析结果表明Cu/Ag/Au键本质上是部分共价部分静电的相互作用。Cu/Ag/Au键的典型特征是:除了预期的σ-供体相互作用之外,还有超共轭相互作用的参与。
　　(2)在本论文中,同时拓展研究了π型体系和过渡金属分子之间的相互作用,我们选择了C2H2···CuCl、C2H2···AgCl、C2H2···AuCl、C2H4···CuCl、C2H4···AgCl、C2H4···AuCl这些过渡金属体系。NBO分析结果表明有0.0380e-0.1752e的电荷以超共轭的形式发生在π→σ*这个相互作用中。最后,共存在 Cu/Ag/Au键复合体系中三种离域的相互作用(π→TM,π*←TM和π→σ*),决定了这些体系的不同寻常的性质。这种n→σ*的超共轭相互作用加强了Cu/Ag/Au键中的σ-供体相互作用。在这些体系中我们可以进一步的发现超共轭的重要性,在所有的铜银金键与π体系的复合体系中起的超共轭相互作用同样是没法忽略的。
　　(3)我们拓展研究了有关铜银金键与氢键之间协同作用,我们发现新型的分子间相互作用铜银金键与传统的非共价相互作用氢键之间存在的协同作用,同时所有的铜银金键的键能在三聚物中都比相应的二聚物中的键能有了不同程度的增加,氢键的键能也发生了不同程度的增加。我们采用了协同作用值Ecoop作为最有效的评估分子间相互作用的协同作用大小的值。
　　不论是在π型体系和过渡金属分子之间还是在σ型分子与过渡金属之间的相互作用,通过我们的分析研究,发现NBO分析结果揭示了在Cu/Ag/Au键复合体系中超共轭的重要作用。正如Igor V. Alabugin在最近的综述中写道,“伴随着强大的理论计算技术的出现,这将会发掘出超共轭的重要性,同时超共轭的重要作用也会在越来越多的化学现象中浮现。”同时,新型的分子间相互作用铜银金键与传统的非共价相互作用氢键之间存在明显的协同作用。

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第一章 绪论

1.1 目的与意义

参考文献

第二章 理论计算方法简介

2.1 理论模型

2.2 理论计算方法

2.3基组的选择

2.4计算量子化学中经常用到的软件

参考文献

第三章H2O/ H2S 分子 与 AgCl/CuCl之间的二重相互作用:类似于金键的铜/银键

3.1 前言

3.2 理论计算方法

3.3 结果与讨论

3.4. 结论

参考文献

第四章C2H2/C2H4 分子 与 AgCl/CuCl之间的π型相互作用:类似于金键的铜/银键

4.1 前言

4.2 理论计算方法

4.3 结果与讨论

4.4. 结论

参考文献

第五章 铜银金键与氢键之间协同作用的理论研究

5.1 前言

5.2 理论计算方法

5.4. 结论

参考文献

第六章 论文总结与展望

附录 硕士期间发表的论文

致谢