Cu/Ag/Au键共振特征的理论研究及Cu/Ag/Au共振成键模型的构建

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Cu/Ag/Au复合物在催化、药物、纳米材料等领域有着广泛的应用。Cu/Ag/Au复合物的成键特征对研究催化剂、药物和纳米材料性质的影响有重要意义。Cu/Ag/Au键是近几年提出的新概念,与氢键、卤键等非共价相互作用一样,使得二配位的Cu/Ag/Au复合物呈直线型。目前,对Cu/Ag/Au键的研究多集中在其静电与共价谁占主导、共价作用什么成分占主导的问题。最近,Weinhold和Klein提出氢键B···H–A可以理解为由超共轭作用(nB→σ*H A)引起的分子间B: H–A B+–H:A-共振杂化体,即一类特殊的3c/4e超键体系。那么,比氢键强的Cu/Ag/Au键是否也可以用3c/4e超键理解呢?另外,Shahi和Arunan提出在氢键、锂键、氯键中共价和离子键级是守恒的,对于Cu/Ag/Au键,键级是否守恒?Legon等人在实验上观测到几个Cu/Ag/Au复合物,如OC···M–X (M=Cu, Ag, Au),H2O/H2S···M–Cl (M=Cu, Ag), C2H2/C2H4···M–Cl (M=Cu, Ag), C2H2···Ag–CCH等,并对其结构用转动光谱进行了精确地表征。Wang等人观测到LAuCCH-(L=Cl, I, CCH)复合物,发现AuC是单键且比常见的AuC多键强,另外,L配体对Au–C键有明显的影响。基于这些实验上的工作,我们选取了两个体系,一是类氢键体系B···M–X(M=Cu, Ag, Au, B为路易斯碱,X为常见配体)小分子复合物,二是LMCCH(M=Cu, Ag, Au, L为常见配体)的小分子复合物,研究Cu/Ag/Au键的共振特征,探讨键级守恒的问题,建立了Cu/Ag/Au键的共振成键模型。基于这些研究目标,论文工作具体如下两方面:(1)以复合物B···M–X (B=CO, H2O, H2S, C2H2, C2H4, M=Cu, Ag, Au, X=F, Cl, Br, CH3,CF3)为研究体系,进行自然键轨道(NBO)分析,发现主要的相互作用为超共轭(nB→σ*M X)相互作用,另外在含π配体的体系中还存在不可忽略的π-反馈(dM→π*B)作用;随后进行的自然共振理论(NRT)分析结果显示,复合物B···M–X可以表示成几个结构的共振杂化体。复合物B···M–X (B=H2O, H2S)中由于nB→σ*M X作用有B: M–X和B+–M:X两种共振结构;相比之下,复合物B···M–X (B=CO, C2H2, C2H4)除了有nB→σ*M X作用产生的B: M–X和B+–M:X共振结构之外,还有π反馈产生的共振结构。共振结构的多样性及相近的共振权重,说明Cu/Ag/Au键中的共振特征很重要且比氢键中明显。从NBO/NRT结果来看,Cu/Ag/Au键形成了3c/4e超键,即由超共轭引起的B: M–X B+–M:X-共振杂化。除此之外,Cu/Ag/Au键中还存在不同程度的π反馈作用。基于这种共振成键特征,我们研究了配体效应和键级守恒。Cu/Ag/Au键有明显的配体效应,且这种配体效应起源于其共振成键;NRT键级数据说明,在只有3c/4e超键存在的Cu/Ag/Au键体系中,键级是守恒的,可以用bB···M+bMX=1来表示;而在另外还有π反馈作用存在的Cu/Ag/Au键体系中,由于π反馈作用对键级的贡献,使得B···M和MX键级大于1。(2)对复合物LMCCH(L=F-, Cl-, Br-, CCH-, C2H2, C2H4)的研究体系的NBO/NRT分析,结果显示:Cu/Ag/Au成键同样形成了由超共轭nL→σ*M–CCH作用引起的3c/4e超键,并有不同程度的π反馈作用,即具有明显的共振特征。因为Cu/Ag/Au键明显的共振特征,配体L与CCH有明显的竞争作用,造成M CCH键有明显的配体效应。另外,NRT键级计算结果显示,该体系中L–M和M–CCH键级之和略大于1,这可以由体系中存在的π反馈解释,并且π反馈作用越大键级之和越大。结合对上述两个体系的NBO/NRT分析,构建Cu/Ag/Au键成键模型:Cu/Ag/Au键中存在由超共轭引起的3c/4e超键,和不同程度大小的π反馈作用。
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