金属(离子)与有机分子复合物的成键本质及光谱性质的理论研究

摘要

金属(离子)与有机分子形成的化合物因其在化学化工、生命科学以及材料科学等领域的广泛应用前景一直是有机金属领域的研究重点之一。深入认识金属(离子)与有机分子之间化学键的成键本质，无疑会有助于相关领域的研究工作。 本论文利用量子化学密度泛函方法，从理论上研究了金属离子与有机小分子间的相互作用及其对红外光谱的影响，并用自然键轨道理论(NBO)重点讨论了电荷的重新分布与轨道的再杂化作用对复合物中某些键的强度和振动频率的影响。在文章最后，还对双氢键体系作了初步的研究。论文工作主要包括以下四部分内容： (1)用密度泛函B3LXP方法对复合物M+-C2H2(M=V，Fe，Co，Ni)和M+-C6H6(M=V，Si，Ni)进行了几何构型优化和频率分析，发现M+-C2H2(M=V，Fe，Co，Ni)中的C-H键比在乙炔单体中有所伸长，对应的伸缩频率发生红移。而在复合物M+-C6H6(M=V，Si，Ni)中，C-H键的键长则比在单体苯中稍微地减小了，C-H伸缩频率发生了蓝移。NBO分析表明，M+-C2H2复合物中C-H键的红移与M+-C6H6中C-H键的蓝移均归因于两个因素的作用：电荷的重新排布和轨道再杂化。 (2)用密度泛函B3LXP方法对复合物M+/M2+-丙酮进行了几何构型优化、频率分析和单点能计算。研究发现，在所有复合物中，金属离子与丙酮的相互作用本质是静电力；且在复合时，C=O伸缩振动频率均比在丙酮单体中发生了红移。NBO分析表明，电荷的重新排布和轨道再杂化不仅可以解释C=O振动频率变化的方向(红移)还能解释不同复合物中C=O红移程度的相对大小。而Lee等人的理论则不能解释Mg2+/Ca2+/Al+/Mg+/Ca+-丙酮中C=O红移值的相对大小。 (3)在B3LYP水平上对复合物Au+(CO)n(n=1-4)进行了几何构型优化和频率分析。优化所得各复合物的稳定构型分别为：Au+(CO)和Au+(CO)2呈一直线型结构，Au+(CO)3为一平面正三角形，Au+(CO)4为正四面体结构。频率分析表明，复合物中CO的伸缩振动频率比一氧化碳单体的伸缩频率发生了蓝移。为进一步解释CO伸缩频率的蓝移，对单体一氧化碳及所有复合物作了NBO分析。结果表明，CO伸缩频率的蓝移主要是因为由轨道再杂化引起的蓝移作用超过了由电荷重新分布引起的红移作用，即电荷的重新分布和轨道再杂化同样可以解释复合物An+(CO)n中CO的蓝移。 (4)对双氢键体系LiH-C2HX(X=H、F、Cl)和C6H5OH-BTMA进行了几何构型优化和频率分析。研究发现，复合物C6H5OH-BTMA中的O-H伸缩频率比苯酚单体中的O-H伸缩频率发生了红移。而在复合物LiH-C2HX(X=H、F、Cl)中，Li-H和C-H键的伸缩频率则分别发生了蓝移和红移。为进一步探讨引起O-H、C-H和Li-H伸缩频率红移和蓝移的原嚣，我们对所有体系作了NBO分析。结果表明，不论是O-H和C-H的红移还是Li-H的蓝移，它们都是电荷的重新分布和轨道再杂化共同作用的结果。 当金属离子有机分子复合时，两者之间产生了少量的电荷转移，使得有机分子的电子结构、几何构型和振动频率发生了改变。NBO分析表明，不论是复合物中振动频率的蓝移还是红移，它们都是由电荷的重新排布和轨道的再杂化作用共同引起的，这为进一步研究金属离子与有机分子的成键本质提供了理论指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2论文研究的主要内容

参考文献：

第二章理论基础和计算方法

2.1密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)

2.2自然键轨道(NBO)分析方法

参考文献：

第三章 复合物M+-C2H2(M=V，Fe，Co，Ni)和M+-C6H6(M=V，Si，Ni)中C-H伸缩频率红移和蓝移的化学起因

3.1研究背景

3.2计算方法

3.3结果和讨论

3.4结论

参考文献：

第四章 复合物M+/M2+-丙酮(M=Mg2+，Ca2+，Al+，Mg+，Ca+，Li+，Na+，K+，Rb+，Cs+)中C=O伸缩频率红移的化学起因

4.1研究背景

4.2计算方法

4.3结果与讨论

4.4结论

参考文献：

第五章 复合物Au+(CO)n(n=1-4)中CO蓝移的理论研究

5.1研究背景

5.2计算方法

5.3结果与讨论

5.4结论

参考文献：

第六章双氢键体系C6H5OH-BH3N(CH3)3和LiH-C2HX(X=H、F、Cl)的理论研究

6.1研究背景

6.2计算方法

6.3结果与讨论

6.4结论

参考文献：

第七章论文总结及展望

附录 硕士期间发表的论文

致谢