二氢键及反转氢键本质的理论研究

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本文用Gaussian03程序在MP2/6-311++G(3d,3p)水平对上述复合物进行几何构型优化,频率验证,找到复合物的稳定结构,在同样的水平下计算了复合物的结合能,并采用均衡校正法校正了基函数重叠误差,同时也在CCSD(T)水平计算了SiH4…HX复合物的结合能。采用MP2水平计算得到的波函数,用AIM2000作出了等电子密度图。结合能的分解采用SAPT2002程序在SAPT2级别完成。   几何参数和拓扑性质都表明SiH4…HX、B2H6…HX复合物中都形成了二氢键,H…H键临界点的电子密度和拉普拉斯值与二氢键强度成线性相关。SiH4…HX和B2H6…HX中,从HF到HI,结合能逐渐减小,与从F到I电负性减小相一致。结合能分解的数据表明静电能、诱导能、色散能和交换排斥能对总结合能的贡献都是非常重要的。SiH4…HX体系中,静电能对总结合能的贡献小于28%,按从F到I的顺序静电能对总结合能的贡献相对稳定,诱导能对总结合能的贡献逐渐减小,色散能的贡献逐渐增大。X=F时,诱导能的贡献占优势;当X=Cl、Br、I时,色散能的贡献占优势。B2H6与HX形成二氢键时,是B2H6端基上的两个氢同时与HX作用,B2H6…HX体系中各种能量成分的变化规律与SiH4…HX体系相同,B2H6…HX体系中静电成分对总结合能的贡献比SiH4…HX体系稍大。此外,SAPT2得到的结合能与MP2/6-311++G(3d,3p)下经BSSE校正的结合能是一致的。   本论文的第二部分是反转“氢键”本质的理论研究。我们通过全面的文献检索发现,反转氢键还研究得比较少,其相互作用的本质还没有人报道过。在本文中,我们选择SiH4…X1X2(X1,X2=F、Cl、Br、I)作为理论模型研究反转氢键的结构、能量及本质。计算结果显示H…X间的距离都大于H原子和X原子的共价半径之和而小于H原子和X原子的范德华半径之和,电荷是由Si-H键上向卤素原子上转移,即SiH4与卤素互化物间形成了反转氢键型复合物。能量分解显示,在所有体系中,诱导能对总吸引能的贡献是最重要的,在SiH4…IF体系中,诱导能对总吸引能的贡献达到72.2%。   本论文的第三部分是讨论CH4、SiH4、GeH4二聚体的结构和作用本质方面可能存在的差异。由于H上的电荷种类不同,CH4、SiH4和GeH4的性质有很大的差别,那么,CH4、SiH4、GeH4的二聚体的结构会有什么不同?其相互作用的本质是什么?通过计算我们发现:①CH4二聚体得到三种稳定构型,SiH4和GeH4都只得到两种稳定构型。XH4(X=C、Si、Ge)二聚体最稳定的结构稍有不同,在CH4二聚体最稳定的结构中,键角H3X1X2和H4X2X1都接近180度;而SiH4和GeH4二聚体最稳定的结构中,键角H3X1X2和H4X2X1都仅为156度左右。②能量分解显示,三个最稳定的二聚体中,色散能的贡献都是最主要的,但是,CH4二聚体中,色散能对总吸引能的贡献占绝对优势,诱导能对总吸引能的贡献很小,仅占总吸引能的7.5%;而SiH4和GeH4二聚体中,诱导能对总吸引能的贡献要大得多,分别为18.7%和26.2%。
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