双卤分子与几种电子供体间卤键的电子密度拓扑研究

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卤键是一种类似氢键的分子间弱相互作用。近些年来，在单晶结构和晶体工程的研究中，分子间相互作用所扮演的重要角色引起人们越来越多的关注。由于晶体的堆积是不同方向、不同强度的分子相互作用的结果，所以在进行晶体结构分析的时候，各种类型的分子间相互作用都必须加以考虑。氢键的重要性以及其普遍性已得到广大科研工作者的高度认可。目前，实验和理论研究已经证实存在如-X...Y-(X=Cl，Br,I；Y=N，O，S，π)和-X...Y-(X=Cl，Br,I；Y=Cl，Br,I)之间的相互作用。与氢键相对应，这类相互作用称之为卤键。卤键复合物在新超分子结构、高效功能材料、药物设计和物理有机化学等领域中同样扮演着重要的角色，这类研究已成为一个非常活跃的领域。量子化学的应用研究范围正在不断扩大，化学键和分子的电子结构仍然是量子化学研究的主要内容之一。近几年来，国际上应用量子拓扑学对化学键及化学反应机制的研究取得了很大的成就。本论文利用量子化学方法和电子密度拓扑分析方法研究了卤键体系的结构及性质，对分子间卤键的特性进行了详细的分析和形象的描述。论文中针对n型和π型(包括非芳香性和芳香性)两类卤键进行了详细的讨论与研究。研究结果有助于加深人们对卤键这种弱相互作用的理解和认识，为卤键在化学领域的广泛应用提供了基础。采用B3LYP/6-311++G(d，p)和MP2(full)/6-311++G(d，p)理论方法研究了双卤分子与H2CO、H2CS形成的n型卤键；与乙烯、乙炔之间形成的π型卤键；与呋喃、噻吩、吡咯形成的卤键。运用GTA-2000和AIM-2000程序对其进行了详细的电子密度拓扑分析，根据电荷密度、拉普拉斯量、π电子密度等值线图、π电子积分等拓扑性质讨论了卤键的存在及性质。对双卤分子与H2CO、H2CS形成的n型卤键的研究发现：该类卤键复合物中分别存在O…X-Y，S…X-Y之间的相互作用。对双卤分子与乙烯、乙炔间形成的π型卤键研究发现：双卤分子与乙烯、乙炔中的π电子之间存在Y-X...π之间的相互作用，复合物中卤原子X垂直指向CC键键鞍点处，形成T型卤键。对呋喃-XY卤键复合物的研究验证了实验发现的呋喃与双卤分子之间的π…X-Y型卤键型式，同时得到了另一种实验尚未发现的卤键型式：O…X-Y，后者的作用能比前者弱。卤键的形成使电子受体X-Y键伸长，振动频率发生红移。对噻吩-XY所形成的卤键复合物的研究发现噻吩与不同的电子受体双卤分子相互作用时，形成了两种类型的卤键复合物：S…X型和π…X型。两种类型的卤键键能分别在-2.40～5.56kcal/mol和-2.61～-5.56kcal/mol之间，是非常弱的相互作用。电子密度拓扑分析表明噻吩-XY间的卤键介于共价键与离子键之间，以静电作用为主。对吡咯-XY卤键复合物的研究发现吡咯与双卤分子之间形成了H-N...X和π…X两种类型的卤键。前者复合物具有Cs对称性，后者X-Y分子键轴几乎垂直指向吡咯与N相连的C-C键轴。绘制的π电子密度拉普拉斯量等值线图形象地说明了π型卤键的存在。本论文的创新之处： 1.采用电子密度拓扑分析方法对n型卤键和π型卤键进行了系统研究。发现卤键键鞍点处的电子密度拓扑性质与氢键的相似，比较了形成卤键后电子受体中卤原子的净电荷、偶极矩、能量和体积变化等方面与氢键的异同点。 2.运用我们自行编写的电子密度拓扑分析程序GTA-2000，将π型卤键体系中π电子与σ电子分开处理，绘制出π电子密度等值线图和Laplacian量等值线图，并利用AIM程序计算了π型卤键体系中各原子的π电子积分性质，形象地说明了π型卤键的存在和作用本质。 3.首次对呋喃、噻吩、吡咯与XY分子间的卤键进行了深入研究，验证了实验得到的π…X-Y卤键型式，并发现了实验上未曾得到的D…X-Y(D=O、S、N)型卤键复合物。从理论上解释了实验上只得到π…X-Y型呋喃-XY复合物的原因，分析了电荷转移和相互作用能之间的关系。

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作者
赵影;
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作者单位

河北师范大学;

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授予单位河北师范大学;
学科物理化学
授予学位硕士
导师姓名孟令鹏,郑世钧;
年度 2006
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类分子间的相互作用、超分子化学;
关键词
卤键; 弱相互作用; 电子积分; 电子密度拓扑分析; 氢键; 量子化学;

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