線性金屬配合物Cr3(dpa)4Cl2及其氧化態(tài)的Cr—Cr鍵的理論研究

麥思卉， 莫小嬋， 吳偉青， 蔡雪萍， 彭 琦， 許 旋

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 廣東省高校電化學(xué)儲(chǔ)能與發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 電化學(xué)儲(chǔ)能材料與技術(shù)教育部工程研究中心, 廣東廣州 510006)

線性金屬配合物Cr3(dpa)4Cl2及其氧化態(tài)的Cr—Cr鍵的理論研究

麥思卉， 莫小嬋， 吳偉青， 蔡雪萍， 彭 琦， 許 旋*

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 廣東省高校電化學(xué)儲(chǔ)能與發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 電化學(xué)儲(chǔ)能材料與技術(shù)教育部工程研究中心, 廣東廣州 510006)

線性金屬配合物； M—M鍵； 成鍵分析； 密度泛函理論； 自然鍵軌道理論

含多吡啶胺配體的線性金屬配合物因其獨(dú)特的電磁等性質(zhì)和分子導(dǎo)線和分子開(kāi)關(guān)的潛在應(yīng)用價(jià)值,已引起關(guān)注[1-13].二吡啶胺配體dpa是對(duì)稱的三齒配體, 所含3個(gè)N原子能與過(guò)渡金屬形成三核配合物[14]. 因吡啶環(huán)的柔性小, dpa可作為橋聯(lián)配體固定三核配合物, 配合物中通常具有M—M鍵或M—M相互作用. 多個(gè)研究組[1-4，7-10]對(duì)含dpa配體的三核配合物[M3(dpa)4X2](M=Ni, Cr, Co, Rh, Ru等; X=Cl, Br, NCS, NCO, NO3)進(jìn)行了廣泛的合成和表征, 并研究配合物的結(jié)構(gòu)及磁性，發(fā)現(xiàn)配合物中3個(gè)金屬原子呈直線排列并被4個(gè)dpa配體螺旋盤(pán)繞, 軸向配體X與兩端的金屬原子以直線成鍵.

1 計(jì)算方法

用密度泛函B3LYP、PBE0和BP86方法, 結(jié)合2組不同的基組對(duì)D4對(duì)稱點(diǎn)群的[Cr3(dpa)4Cl2]配合物1進(jìn)行幾何優(yōu)化, 以選擇最適合該體系的方法和基組: (a)Cr用LANL2DZ基組, Cl用6-311G*基組, N, C和H用6-31G*基組. (b)Cr用SDD基組, Cl用6-311G*基組, N、C和H用6-31G*基組. 由于Cr(II)的價(jià)態(tài)是3d44s0, 應(yīng)考慮所有的自旋態(tài)的穩(wěn)定性, 故對(duì)配合物1的單重態(tài), 三重態(tài), 五重態(tài)和七重態(tài)進(jìn)行了幾何優(yōu)化, 并對(duì)優(yōu)化的構(gòu)型計(jì)算其振動(dòng)頻率.

所有方法和基組優(yōu)化的結(jié)果中均發(fā)現(xiàn)體系1的五重態(tài)最穩(wěn)定(表1), 與實(shí)驗(yàn)結(jié)論[8]相同.五重態(tài)中, 各種泛函和基組計(jì)算的Cr—N、Cr—Cl鍵長(zhǎng)均較接近(表2); 但BP86泛函在(a)基組水平下計(jì)算的Cr—Cr鍵長(zhǎng)0.237 8 nm,最接近實(shí)驗(yàn)值[9]0.236 5 nm. 因此, 選用BP86方法, Cr原子用LANL2DZ基組, H、C、N原子用6-31G*基組, Cl原子用6-311G*基組, 對(duì)配合物[Cr3(dpa)4Cl2]的對(duì)稱構(gòu)型1、非對(duì)稱構(gòu)型2及其氧化態(tài)[Cr3(dpa)4Cl2]+3的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化. 與文獻(xiàn)[7-10]相同,2和3幾何優(yōu)化后均變?yōu)閷?duì)稱構(gòu)型.故對(duì)1～3的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行單點(diǎn)計(jì)算, 并進(jìn)行NBO分析[16]和振動(dòng)頻率分析. 全部計(jì)算均使用Gaussian03[17]程序包.

表1 優(yōu)化后配合物1的能量Table 1 Optimized molecular energies of complex 1 a.u.

a: LANL2DZ basis set for Cr; b: SDD basis set for Cr.

表2 優(yōu)化的配合物1的Cr—Cr鍵長(zhǎng)Table 2 Optimized Cr—Cr bond lengths for complex 1 nm

2 結(jié)果與討論

2.1配合物的幾何構(gòu)型

1～3的幾何結(jié)構(gòu)很相似, 圖1以配合物2為例列出從2個(gè)方向觀察的幾何構(gòu)型. Cr為六配位的八面體構(gòu)型, 每個(gè)Cr與4個(gè)N, 2個(gè)Cr(或1個(gè)Cr和1個(gè)Cl)配位, 3個(gè)Cr與軸向配體Cl呈直線排列于Z軸上. 由于dpa配體2個(gè)吡啶環(huán)上3-H的排斥作用以及胺基N原子的非平面sp3雜化,使dpa配體不在同一平面上, 因此4個(gè)dpa呈螺旋環(huán)繞與Cr配位.

圖1 配合物2的幾何構(gòu)型

對(duì)稱構(gòu)型1為D4點(diǎn)群, 2個(gè)Cr—Cr鍵鍵長(zhǎng)相等.各種泛函和基組優(yōu)化的結(jié)果均為1的五重態(tài)分子能量最低, Cr—Cr鍵長(zhǎng)(0.237 8～0.248 0 nm)最長(zhǎng)(表1、表2); 而單重態(tài)的分子能量最高, Cr—Cr鍵長(zhǎng)(0.205 4～0.212 4 nm)最短,表明Cr—Cr鍵長(zhǎng)增大有利于配合物的穩(wěn)定[18].

根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算的各自旋態(tài)的能量,1和2均為五重態(tài)最穩(wěn)定(表3), 與實(shí)驗(yàn)報(bào)道[9-10,12-13]一致. 而且1的各自旋態(tài)能量均低于2, 表明對(duì)稱構(gòu)型1比非對(duì)稱構(gòu)型2更穩(wěn)定, 這是優(yōu)化時(shí)2變?yōu)?的原因, 也與文獻(xiàn)[12]報(bào)道的常溫下以對(duì)稱構(gòu)型為主, 隨著溫度增高非對(duì)稱構(gòu)型增多的現(xiàn)象一致. 陽(yáng)離子體系3因少了1個(gè)電子略高于2的能量, 其最穩(wěn)定自旋態(tài)為四重態(tài), 也與PENG等[15]報(bào)道的一致.

表3 配合物1～3的分子能量 a.u.

2.2Cr—Cr鍵的軌道分析

圖2 配合物1～3的前線分子軌道圖

2.3Cr—Cr鍵的NBO分析

表4 配合物1～3的NPA電荷Table 4 The NPA charges of complexes 1～3

表5 配合物1～3中Cr的電子組態(tài)Table 5 Electron configurations of Cr atoms in complexes 1～3

表6 配合物1～3的Cr—Cr相互作用的二級(jí)微擾穩(wěn)定化能E(2)

3 結(jié)論

(2)氧化態(tài)3中, Cr的dxy軌道也因配體的螺旋作用繞金屬軸旋轉(zhuǎn)不同角度而無(wú)法形成δ鍵, 故Cr—Cr短鍵只存在1個(gè)σ鍵和2個(gè)π鍵的三重鍵.

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TheoreticalStudiesontheCr—CrBondinCr3(dpa)4Cl2and[Cr3(dpa)4Cl2]+LinearTrichromiumComplexes

MAI Sihui， MO Xiaochan， WU Weiqing， CAI Xueping， PENG Qi， XU Xuan*
(School of Chemistry & Environment, South China Normal University, Key Laboratory of Electrochemical Technology on Energy Storage and Power Generation in Guangdong Universities, Engineering Research Center of Materials and Technology for Electrochemical Energy Storage, Ministry of Education of China, Guangzhou 510006, China)

2011-11-03

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (9151063101000037)；廣東省教育廳產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目 (2010B090400184)；廣東省人才引進(jìn)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(C10133)

*通訊作者,xuxuan@scnu.edu.cn

1000-5463(2012)03-0075-07

O641

A

10.6054/j.jscnun.2012.06.017

Keywords： linear metallic complex; metal—metal bond; bonding analysis; DFT; NBO

【責(zé)任編輯 成 文】