三明治型四聚吡咯低价铀配合物结构、成键和氧化还原性质的相对论密度泛函理论研究

使用密度泛函理论(B3LYP)方法,结合准相对论有效核势(ECP)和二分量ZORA相对论Hamiltonian,探索三明治型四聚吡咯铀配合物LUmL'(配体为porphyrizine或porphyrine;m=III和IV)的结构、成键和反应性质。优化多种空间和"电子自旋态"异构体结构,发现铀配合物具有交叉式、高电子自旋态的基态。QTAIM(Quantum theory of atoms in molecule)的U-N键临界点处的电子/能量密度拓扑分析以及counterpoise计算U-N作用能,揭示该化学键为弱极性共价键。计算显示在采用适当的三价和四价铀源和强碱性配体时,可经过放热反应生成配合物。考虑溶剂(苯、THF和水)和旋-轨耦合影响,计算从四价铀配合物到三价的还原电势,得到数值均小于1 V,这与四价配合物相对稳定、三价铀配合物具有强还原性的实验结果相符合。研究发现降低溶剂极性,配合物的还原电势向负方向移动,这可为实验中采用溶剂极性来调控配合物的氧化还原性质提供理论指导。

六聚吡咯大环与铀/超铀酰基离子相互作用:成键、热力学和光谱性质

采用全电子相对论密度泛函理论探索多种六聚吡咯大环锕酰基配合物(nAn;n=1~3;An=U,Np and Pu)的电子结构本质、成键规律和化学反应特性。结构优化发现大环配体空穴大小与锕酰离子尺寸相当时,配合物锕酰基采用性对规则的六角双锥结构,而当空穴尺寸相对大时,配合物则采取扭曲结构以降低体系能量。当配体相同时,随着铀、镎、钚变化,An=O伸缩振动频率逐渐变小,这与优化的键长和键级变化规律相一致。QTAIM(quantum theory of atoms in molecule)拓扑分析显示An-N为弱共价单键特征,具有较大离子性成分。依据不同铀源,得到与大环配体的反应自由能均小于146 kJ·mol^(-1),与实验合成配合物的反应能计算数值相当。对含铀配合物电子吸收光谱计算显示,低能(近红外和可见光区)的吸收带具有全部或较大的配体→金属电荷转移性质贡献。

双层三明治四聚吡咯铀配合物的结构设计和稳定性理论计算

为探索四聚吡咯配体和低价铀离子相互作用,以实验合成单层三明治结构配合物PcU~ⅥPc(Pc=酞菁)为基础,设计双层三明治型PzU^mPzU^mPz(m=Ⅲ,Ⅳ,Pz=氮杂卟啉),采用相对论密度泛函理论考察了其几何结构、异构体相对稳定性以及成键和轨道性质.得到se(staggered-eclipsed)和es(eclipsed-staggered)2种类型稳定空间异构体,并进一步优化其所有可能的电子自旋态异构体.计算结果表明,这些低价铀配合物均具有五重态基态.分子中的原子量子理论(quantum theory of atoms in molecule,QTAIM)在U—N键临界点处的电子/能量密度拓扑分析显示U—N键为弱极性共价键.四价配合物拥有4个U(5f)性质高能占据轨道,与2个U4+的5f单电子数相一致;而三价配合物有很大配体参与作用.2个铀原子和中间Pz配体质心近似成线性,这与配合物具有稳定的σ(U—U)成键轨道密切相关.

二价双核铀聚吡咯配合物结构设计和铀-铀多重键的理论研究

经三十余年努力,二价铀溶液化学于近年取得突破性进展,Evans和Meyer等成功获得两个可通过X-ray晶体衍射表征结构的有机金属铀(Ⅱ)配合物.为进一步拓展U~Ⅱ配合物化学和探索可能存在的金属多重键,设计双核配合物[(U~Ⅱ)_2(L)](L为八齿氮供体低聚吡咯大环四价阴离子),并使用相对论密度泛函理论优化其可能的电子自旋态异构体结构和计算相关性质.结果表明,[(U~Ⅱ)_2(L)]具有三重态基态,其电子组态为π~4σ~2δ~2;U(5f)原子轨道对高占据分子轨道有重要贡献;它的U—U键长为2.33?、Mayer键级为3.89和对应的伸缩振动频率为259 cm^(–1),被指认为U—U弱四重键.这一结论与QTAIM(quantum theory of atoms in molecule)的U—U键临界点处的电子/能量密度拓扑分析结果相一致.与不同氧化态铀同类物[(U^m)_2(L)]^(n+)(m=ⅡI,n=2;m=IV,n=4)比较显示,随着铀氧化态增大,U—U距离增长、键级变小、伸缩振动频率变小,金属铀电子自旋密度与常规预期值的差值(?SU)增大;结合分子轨道和QTAIM参数分析,发现金属氧化态可以调控配体和金属轨道能级匹配程度和改变金属-金属多重键.

聚吡咯铀酰氧-酰亚胺配合物结构、振动光谱和基团交换反应的相对论密度泛函理论计算

铀酰氧-酰亚胺混合型配合物的合成为热力学稳定、动力学惰性铀酰(UO22+)和等电子体系铀酰亚胺(U(NR)22+)研究建立了纽带.使用相对论密度泛函理论计算"Pacman"结构配合物[(THF)(OUVIE)(A2L)](E=O、NH、NMe和NPh;A=H和Li;L为八齿氮供体低聚吡咯大环配体).优化得到U=O/U=N距离与实验值符合;键级和电子结构分析显示U=Oexo/U=N有部分三重键特征;由于受Li离子扰动,U=Oendo强度则介于单键和双键之间.计算表明O=U=NH和O=U=O成键相近,均具有对称和反对称伸缩振动频率,而取代基Me和Ph耦合作用使得U=N—C吸收峰出现在高频区域.酰氧和酰亚胺基团交换反应计算发现独特Pacman结构配合物的反应能相对五角双锥型配合物的有所降低,其中=O与=NMe交换反应最易实现;A离子变换不但能调控配合物结构和特征振动谱,还可降低基团交换反应能.