π-空穴和σ-空穴triel键的结构、性质和本质的理论研究

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Triel键是第Ⅲ主族元素构成的化合物与电子给体形成的分子间相互作用,其在晶体材料和化学反应中有着重要应用。因此,本论文采用理论计算方法研究了不同类型的电子给体形成的triel键,从结构、作用强度、性质及作用本质几个方面对其进行了深入的探究。主要包含以下几个内容:首先,研究了苯的-CH基团被triel(Tr)原子取代后的C5H5Tr与XCCH(X=F、Cl、Br和I)形成的σ-空穴triel键。C5H5Tr与FCCH的作用能在2.2 kcal/mol~4.4 kcal/mol之间,作用按照Tr=B<Ga<Al顺序增强。当芳香环有卤取代时,这个作用会变强。当这个卤取代发生在Tr原子的邻位时,增强效果更为显著。当FCCH中的F被更重的卤原子取代后,其作用也会变强,ICCH复合物的作用能达到22 kcal/mol。当在芳环的上方加入Li+后,使得芳环上的电子密度推向这个阳离子本身,从而增大了Tr原子上的σ-空穴,同时Tr B增强,这个协同作用当Tr=B时最大。接着,研究了BYZ2(Z=CO、N2和CNH;Y=H和F)中的B原子与BX3(X=H、F和CH3)中的B原子形成的π-空穴二硼键。在二硼键中,BYZ2分子作为电位给体,而BX3分子作为电子接受体。根据作用强度,二硼键可分为两类:一类是H(CO)2、BH(CNH)2、BF(CO)2和BF(CNH)2与B(CH3)3和BF3形成的典型分子间相互作用,作用能的范围是3-8kcal/mol;一类是BH3与BH(CO)2、BH(CNH)2、BH(N2)2和BF(CO)2,或BH(N2)2与B(CH3)3和BF3形成的共价作用,作用能的范围是26-44 kcal/mol。静电能和色散能在前一类二硼键中起同等重要的贡献,而极化能较小;后一类二硼键主要由极化能主导。最后,研究了(BH)2(NHC)2(NHC为氮杂环卡宾)与TrPhX2(Tr=B、Al和Ga;X=F、Cl、Br、CH3和OH)作用形成的π-空穴triel键,这里(BH)2(NHC)2中的B=B双键作为电子给体。较大的总作用能使二体结构相当稳定,电子接受体中的取代基X相同时,总作用强度的变化与Tr原子相关。Tr为Al和Ga时的作用能要强于B。随着取代基吸电子能力的增加,总作用能呈现出不同的变化。当Tr=B和Al时,随着卤原子电负性的增加,总作用能的变化顺序为TrPhBr2>TrPhCl2>TrPhF2,与他们的最正静电势值的变化顺序不同。当Tr=Ga时,随着卤原子电负性的增加,总作用能变化不大。对于CH3和OH取代,两者的强度变化相同,都是OH取代时的总作用能最大。体系中存在的作用主要为triel键和X…H氢键。当取代基相同时,triel键的作用能按照AlPhX2<GaPhX2<BPhX2顺序增大,这与TrPhX2中Tr原子上的最正静电势顺序不同。当X为卤原子时,triel键的作用能按照Br>Cl>F顺序减小,这与TrPhX2中Tr原子上的最正静电势刚好相反。OH取代要比CH3取代有更大的作用能。在大部分复合物中,氢键的作用能要小于triel键的作用能。并且甲基取代的复合物中不存在氢键。总体上,氢键的作用能随着卤原子电负性的增加而增加。
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