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冠醚类金属配合物与分子开关的理论研究

作　者: 苗媛
导　师: 王学业
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理化学
关键词: 密度泛函理论(DFT) 分子识别变构开关自然键轨道(NBO) 预组织性
分类号: O641.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

超分子化学是当前乃至未来相当长时间内化学中最热门、发展最快的领域之一。本文运用密度泛函（DFT）理论方法计算的方法对3个冠醚类化合物结构、性能进行了理论研究。3个分子识别的体系分别为:（1）低对称性冠醚及其与碱金属Na⁺,K⁺的分子识别;（2） 2, 2’-联吡啶基-3, 3’-15-冠-5与碱金属离子Na⁺,K⁺及由过渡金属组成的W（CO）₄分子碎片的分子识别;（3）含有偶氮功能基团的冠醚分子以及它们的顺式结构体与碱金属Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺的分子识别。首先,采用密度泛函理论方法（DFT）,运用B3LYP杂化函数在6-31G（d）水平上,对4种分别以15-冠-5和18-冠-6为骨架的缩环冠醚14-冠-5、17-冠-6和扩环冠醚16-冠-5、19-冠-6及其它们与碱金属阳离子Na⁺和K⁺配位生成的配合物的电子几何结构优化结果进行讨论。利用福井函数（Fukui functions）对4种低对称冠醚的亲核性能进行了比较。用量子化学参数,如能隙（ΔE）,前线轨道HOMO能级和LUMO能级等,分别对低对称性冠醚和对称性冠醚的配位能力进行了分析比较。此外,配位反应在298K的焓变也通过一些热力学数据进行了分析讨论。结果表明:冠醚分子中相邻的两个氧原子之间的亚甲基链的长度对冠醚分子的结构性能和化学性质起到至关重要的作用。理论计算结果与实验结果吻合。第二,在B3LYP/6-31G（d）和SDD （Stuttgart-Dresden）基组水平上,对2, 2’-联吡啶基-3, 3’-15-冠-5（L）与碱金属Na⁺,K⁺及W（CO）₄分子碎片所形成的配合物进行几何结构全优化计算,同时对配合物的能量进行了基组误差（BSSE）分析,并对它们的优化结构进行了NBO讨论。结果表明,类冠醚分子L中有两处配位位点,一处是2, 2’-联吡啶基部分,另一处是冠醚环部分。当联吡啶位点与W（CO）₄分子作用后,诱导构型发生变化,使得冠醚基团部分处于预组织度更高的配位构象,易于同碱金属Na⁺,K⁺发生配位反应。在变构分子中,一个位点上的配位产生一个构象变化,它会影响（开或关）下一个位的配位力。第三,采用密度泛函理论方法（DFT）,运用B3LYP杂化函数在6-31G（d）和LANL2DZ水平上,对三种不同尺寸的含有偶氮功能基团的冠醚分子Cr（O₆）, Cr（O₇）和Cr（O₈）以及它们的顺式结构分子与碱金属Li⁺、Na⁺、K⁺和Rb⁺离子形成的配合物的电子和几何结构进行了理论研究。首先通过对所有的目标分子进行的几何全优化,得到了它们相应的几何参数如:键长、键角和扭转角等,并对它们进行了理论分析。其次,对所得的配合物的优化结构进行了NBO分析。最后,利用含时密度泛函（TDDFT）对cis-偶氮冠醚分子进行了光谱分析。结果表明,偶氮冠醚对碱金属离子呈现出可转换的“开—关”配位,反式异构体“关”状态下对金属离子不呈现任何配位能力,而顺式的“开”状态下的冠醚分子呈现出很好的配位性能,其性能类似于简单冠醚分子。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 研究的发展背景与意义  10-12
    1.1.1 超分子化学的发展  10
    1.1.2 超分子相互作用的本质  10-11
    1.1.3 主-客体化学  11
    1.1.4 分子组装过程  11
    1.1.5 分子预组织性和互补性  11-12
    1.1.6 超分子化学的意义  12
  1.2 低对称冠醚的概述  12-13
    1.2.1 对称性冠醚化学的研究概况  12-13
    1.2.2 低对称性冠醚化学的概念及其研究概况  13
  1.3 变构开关  13
  1.4 光致变构开关  13-15
  1.5 研究的内容,目的和意义  15-17
    1.5.1 研究内容  15-16
    1.5.2 研究的目的和意义  16-17
第二章低对称性冠醚及其碱金属配合物的DFT 研究  17-29
  2.1 引言  17
  2.2 计算模型和方法  17-18
  2.3 结果与讨论  18-27
    2.3.1 局部反应性  18-19
    2.3.2 优化构型  19-24
      2.3.2.1 冠-n(n=5 或6)体系的几何构型  19-21
      2.3.2.2 M+冠-n（n=5 或6）体系的几何构型  21-24
    2.3.3 前线分子轨道  24-25
    2.3.4 能量计算  25-27
      2.3.4.1 结合能  25-27
      2.3.4.2 阳离子交换反应焓和吉布斯自由能  27
  2.4 小结  27-29
第三章 2, 2'-联吡啶基-3, 3'-15-冠-5 的“变构分子开关”的DFT 理论研究  29-41
  3.1 引言  29-30
  3.2 计算模型和方法  30
  3.3 结果与讨论  30-40
    3.3.1 优化构型  30-35
      3.3.1.1 自由配体 L 的结构优化  30-32
      3.3.1.2 局部反应  32-33
      3.3.1.3 配合物的优化结构  33-35
    3.3.2 NBO 分析  35-38
    3.3.3 结合能和稳定性  38-39
    3.3.4 阳离子交换反应焓和吉布斯自由能  39-40
  3.4 小结  40-41
第四章含有偶氮功能基团冠醚的DFT 理论研究  41-52
  4.1 引言  41
  4.2 计算模型和方法  41-42
  4.3 结果与讨论  42-51
    4.3.1 优化构型  42-47
      4.3.1.1 基态分子的几何构型  42-44
      4.3.1.2 配合物的优化结构  44-47
    4.3.2 NBO 分析  47-49
    4.3.3 结合能和稳定性  49-50
    4.3.4 吸收光谱  50-51
  4.4 小结  51-52
结论与展望  52-53
参考文献  53-60
致谢  60-61
附录A(攻读学位期间发表论文目录)  61

冠醚类金属配合物与分子开关的理论研究

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