金属锰咔咯配合物的溶剂效应、轴向配位及双氧锰咔咯取代基效应的理论研究

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咔咯锰配合物在催化方面有良好的应用前景,目前有关催化氧化方面的研究比较多,实验上已经发现取代基、溶剂和配体轴向作用对咔咯锰的催化氧化性能存在影响,但具体作用机理还未清晰,仍需更深入的研究。  本论文采用密度泛函理论,计算了咔咯锰-氧配合物在不同溶剂中的溶剂化效应、不同的含N杂环配体与咔咯锰氧和咔咯锰配合物的轴向作用,从理论方面试图解释溶剂和配体对咔咯锰的催化氧化性能作用的机制。同时也计算了双氧-锰咔咯相关配合物以及取代基的影响,为实验能够提供新的理论依据。研究工作主要包括以下三部分内容:  1、应用密度泛函理论方法的B3LYP方法结合PCM模型对咔咯锰-氧配合物进行溶剂化效应理论计算。对Mn-O键的强度,前线轨道和偶极矩等进行分析。结果显示,随着溶剂极性的增加,Mn-O键的强度下降,前线轨道的能隙降低,而偶极矩增大。从理论上可以说明不同极性的溶剂对咔咯锰-氧配合物的Mn-O之间的键的强度存在影响,变化呈现规律性。  2、采用密度泛函理论的BP86和B3LYP方法对咪唑、甲基咪唑、异丙基咪唑和吡啶的含N杂环配体分别与咔咯锰-氧配合物和咔咯锰配合物的轴向作用进行量子化学计算。计算结果表明配体能与五重态下的咔咯锰形成有效的轴向配位作用,结合能次序为:咪唑>4-甲基咪唑>吡啶,与实验结果一致。咪唑上取代基的位置对配位键能有很大的影响,取代基的空间效应比电子效应更显著,解释了实验上带供电子取代基的4-甲基咪唑的配位能力不如咪唑。另外,配体不能与基态(三重态)下咔咯锰-氧的Mn原子形成有效的轴向配位作用是因为自然键轨道分析表明Mn没有空的3d轨道来接受配体的电子,二级微扰稳定化能显示配体可与三重态下的咔咯锰-氧形成弱的相互作用。  3、采用密度泛函理论的B3LYP对咔咯锰-氧配合物在轴向连接不同的O2-、OH、H2O形成的OMnX(Cor)(X=H2O,OH,O2-)的结构进行理论计算,并考虑中位和β-位连有不同的取代基对结构的影响。对结构、电荷、电子组态进行分析,结果显示两Mn-O的键长接近,O上电荷分布近似相等,而且外围取代基对Mn-O键的强度、电荷分布、轨道能级存在影响。单重态下的OMnO(Cor)的电子组态为(πxz)2(πyz)2(dx2-y2)2(πpx-px)2(πpy-py)2(a1u)2(a2u)2,三重态下的为(πxz)2(πyz)2(dx2-y2)2(πpx-px)2(πpy-py)2(a1u)2(a2u)1(πcor)1,五重态下的电子组态为(πxz)2(πyz)2(dx2-y2)1(πpx-px)2(πpy-py)1(a1u)2(a2u)2(π*xz)1(π*yz)1,Mn-O键的强度下降。
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