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H2O与HX(X=F,Cl,Br)分子间氢键的相互作用
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3秒自动关闭窗口多接触弯曲氢键及分子间相互作用的理论研究--《西南大学》2008年硕士论文
多接触弯曲氢键及分子间相互作用的理论研究
【摘要】：
本论文中，运用量子化学从头算计算方法对多接触弯曲氢键及分子间相互作用进行了研究，发现多接触氢键一般是蓝移的，其电子密度拓扑特征与通常的线性氢键显著不同．主要内容如下：
1．氢键键角∠YHX对氢键Y…HX的电子性质具有重要的影响，表现在分子间和分子内的超共轭、重杂化和电子密度拓扑性质等方面。在MP2／6-311++G(d，p)，MP2／6-311++G(2df，2p)，MP2／6-311++G(3df，3pd)和QCISD／6-311++G(d，p)四种水平上，我们研究了H_2CO和H_2CF_2作为质子给体与Cl~-，Br~-作为质子接受体形成的氢键CH_2…Y，结果表明所形成的氢键都是蓝移氢键。在这些复合物中都存在两个等价的Y…H-C蓝移氢键；相互作用能和蓝移都比较大，氢键的能量为9～20kcal／mol，CH键长变化为-0．003～0．006(?)，CH伸缩振动频率位移为40～90cm~(-1)。电子密度拓扑性质的研究表明，在这些氢键复合物中都存在三个分子间临界点：在接受体原子Y与每个H原子之间存在一个键临界点，也存在相应的键径和原子间界面；在YHCH四边形内部存在一个环临界点。
2．运用MP2方法上的三种基组6-311++G(d，p)，6-311++G(2df，2p)，6-311++G(3df，3pd)和QCISD／6-311++G(d，p)研究了H_2PF，H_2POH，H_2AsF，H_2AsOH与Cl~-，Br~-，HF，HCl，HBr之间的分子间相互作用Y…H_2P和Y…H_2As，计算发现这些分子间相互作用导致HX(X=P，As)键蓝移。Cl~，和Br~-作为质子受体形成的复合物都具有非常大的相互作用能和频率蓝移，相互作用能量为25～100kJ／mol，CH键长变化为-0．006～-0．010(?)，CH伸缩振动频率变化为10～60cm~(-1)。NBO分析表明在这些复合物中HX键的蓝移是由三种原因造成的：(1)重杂化；(2)分子间直接超共轭，质子接受体的电子密度没有转移到σ~*(PH，AsH)上，而是转移到了σ~*(PZ，AsZ)上；(3)分子内超共轭。电子密度拓扑性质与普通氢键有着显著的不同，代表闭壳层相互作用的分子间的键临界点不是出现在Y…H之间，而是出现在Y与P(As)之间。因此，Y…H_2X双接触氢键不能被确切的定义为氢键，只能称之为分子间相互作用。
3.运用量子化学从头算(ab initio)方法，在MP2／6-311++G(d，p)，MP2／6-311++G(2df，2p)，MP2／6-311++G(3 df，3pd)和QCISD／6-311++G(d，p)水平上，研究了H_2PF,H_2POH，H_2As F，H_2AsOH与N_2，CO，OC之间的XH_2…Y分子间相互作用。计算结果表明：12种复合物中X-H键收缩，伸缩振动频率蓝移。NBO分析表明三种因素导致了HX键的蓝移：(1)在这些复合物中弯曲的XH_2…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)→σ~*(X-H)减小到可以忽略；(2)质子接受体的电子密度只有极少部分转移到σ~*(P-H)或σ~*(As-H)上，绝大部分转移到了σ~*(P-Z)或σ~*(As-Z)(Z=F，O)上；(3)存在一定程度的重杂化；AIM分析表明，这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同，在Y…H之间不存在键临界点，而在Y与P或Y与As之间存在键临界点，因此这些分子间相互作用不能称做氢键。
4．运用量子化学从头算方法，在MP2／6-311++G(d，p)，MP2／6-311++G(2df，2p)，MP2／6-311++G(3df，3pd)和QCISD／6-311++G(d，p)水平上，研究了H_3CF，H_3CCl和H_3CBr作为质子给体与Cl~-，Br~-作为质子接受体形成的氢键CH_3…Y。计算结果表明：6种复合物中C-H键收缩，伸缩振动频率增大，形成蓝移氢键。AIM分析表明，这些复合物的电子密度拓扑性质与普通氢键有着本质的不同，在Y…H之间不存在键临界点，而在Y与C之间存在键临界点，因此这些相互作用严格地不能称为氢键。NBO分析表明，在这些复合物中弯曲的CH…Y的特殊结构使得分子间超共轭n(Y)→σ~*(C-H)减小到可以忽略；质子接受体的电子密度没有转移到σ~*(C-H)上，而是转移到了σ~*(C-X)(X=F，Cl，Br)上；存在一定程度的重杂化；分子内超共轭相互作用减小使得σ~*(C-H)的电子密度减少．这些因素共同导致C-H伸缩振动频率的蓝移。
【关键词】：
【学位授予单位】：西南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：O641.1【目录】：
Abstract7-9
第一章 序言9-16
1.1 研究氢键意义及蓝移氢键的物理化学本质9
1.2 解释氢键的几种理论9-13
1.3 多接触氢键13
参考文献13-16
第二章 理论基础和计算方法16-24
2.1 应用程序Gaussian简介16
2.2 M(?)ller-Plesset微扰理论16-17
2.3 组态相互作用(Configuration interaction,CI)17-18
2.4 基函数的选择18
2.5 基组重叠误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正18-19
2.6 分子间相互作用常用的分析方法19-21
2.6.1 分子中的原子(Atoms In Molecules,AIM)分析19-21
2.6.2 自然键轨道(Natural Bond Orbital,NBO)分析21
参考文献21-24
第三章 双接触弯曲氢键CH_2…Y(Y=Cl~-,Br~-)的理论研究24-34
3.1 引言24-25
3.2 计算方法25
3.3 结果讨论25-31
3.3.1 几何结构、振动频率与相互作用能25-27
3.3.2 电子密度拓扑分析27-29
3.3.3 自然键轨道分析29-31
3.4 结论31
参考文献31-34
第四章 分子间相互作用Y…H_2P和Y…H_2As的理论研究34-46
4.1 引言34
4.2 计算方法34-36
4.3 结果与讨论36-43
4.3.1 几何结构、频率分析和相互作用能36-38
4.3.2 电子密度拓扑分析38-41
4.3.3 自然键轨道(NBO)分析41-43
4.4 结论43
参考文献43-46
第五章 分子间相互作用XH_2…Y(X=P,As)的理论研究46-57
5.1 引言46
5.2 计算方法46
5.3 结果与讨论46-54
5.3.1 几何结构、相互作用能和频率分析46-50
5.3.2 电子密度拓扑分析(AIM)50-53
5.3.3 自然键轨道(NBO)分析53-54
5.4 结论54-55
参考文献55-57
第六章 三接触弯曲构型的蓝移氢键CH_3…Y的理论研究57-69
6.1 引言57
6.2 计算方法57-58
6.3 结果与讨论58-66
6.3.1 几何结构、相互作用能和频率分析58-60
6.3.2 电子密度拓扑分析(AIM)60-65
6.3.3 自然键轨道(NBO)分析65-66
6.4 结论66-67
参考文献67-69
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