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文檔簡介

P1C3配位骨架穩(wěn)定的超高價鐵配合物的理論設(shè)計目錄一.引言: 61.1N-雜環(huán)卡賓配體(NHCs)與M-金屬配位 61.2高價鐵的研究現(xiàn)狀與研究思路 6二.過程與方法 7三.結(jié)果與討論 83.1替代F原子的Fe(VI)的各種配合物 83.2利用P替換N的Fe(VI)的各種配合物 113.3小分子活化 13四.結(jié)論 18五.參考文獻 19六.致謝 20

摘要:鐵的研究一直都被人們高度重視,但是對高價鐵配合物的基礎(chǔ)研究報道卻十分稀少?;贛artin等人以三個N-雜環(huán)卡賓構(gòu)建的高價鐵配合物,我們使用密度泛函理論在構(gòu)建全新的超高價鐵配合物方面做了研究,在Gaussview中手動搭建出超高價鐵配合物的可視化模型并以此進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對配合物結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)了Cl對配合物的影響很小以及替換為O和S的配合物存在O和S的遷移。通過對配位環(huán)境的分析,將分子口袋中N替換為P后構(gòu)建出了新的穩(wěn)定配合物。再次進行原子替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn),O仍然存在遷移,但S卻不發(fā)生遷移。通過對新的理論配合物的分析,我們發(fā)現(xiàn)了該類配合物能運用到金屬催化氮轉(zhuǎn)移的研究領(lǐng)域,并做了對N2、NS的活化研究。通過分析以P1C3骨架構(gòu)建的新超高價鐵配合物在活化小分子的反應(yīng)能量、途徑的研究,我們有望能進一步降低反應(yīng)體系的能量。關(guān)鍵詞:超高價鐵;卡賓配體;量子化學(xué)計算;小分子活化

一.引言:1.1N-雜環(huán)卡賓配體(NHCs)與M-金屬配位從1968年?fele[1]和Wanzlick[2]發(fā)表與NHCs相關(guān)的研究報道開始,到1991年Arduengo[3]等人分離出純凈的NHC結(jié)晶,再到如今成為一類在過渡金屬配合物中廣泛使用的配體,科學(xué)家們對NHCs研究已經(jīng)長達半個世紀(jì)之久。眾所周知,它們不僅能與任何過渡金屬相結(jié)合,無論是低氧化態(tài)還是高氧化態(tài),而且還能與鈹、硫和碘等主族元素結(jié)合。NHCs是一類配位能力比膦更強的配位供體,基于NHCs與過渡金屬能形成很強的配位鍵,用NHCs取代膦進行研究可以獲得具有更強催化性能和更高穩(wěn)定性的配合物[4]。1.2高價鐵的研究現(xiàn)狀與研究思路鐵作為豐度最高的過渡金屬元素,一直都是人們研究的重點,從單質(zhì)鐵到化合態(tài)的鐵,從低氧化態(tài)鐵到高氧化態(tài)的鐵,從高鐵酸鹽到血紅蛋白等等,如今在鐵領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)多的研究成果。20世紀(jì)末,在無機化學(xué)中以高鐵酸根[(FeO4)2]的研究最為豐富,高鐵酸鹽是六價鐵的含氧酸鹽,基于高價鐵[Fe(V)、Fe(VI)]具有很強的氧化性,因此鐵酸鹽在氧化消毒、環(huán)境凈化方面得到了很廣泛的運用[5-6]。有機化學(xué)中的鐵元素往往和生命活動息息相關(guān),鐵不僅是血紅蛋白的主要元素,而且還是某些生物酶(如過氧化氫酶、苯丙氨酸羥化酶等)和許多氧化還原體系所必不可少的元素,在生物催化、在呼吸鏈上傳遞電子等方面都起著十分重要的作用。但是由于高價鐵的化學(xué)性強,在生物反應(yīng)中的高價鐵化合物并不多見,一般存在形式是與氧相互作用形成配合物,如非血紅素氧代鐵[7-8]?;旧仙矬w內(nèi)的高價鐵化合物都離不開氧的參與。近年來,F(xiàn)e(V)及低價態(tài)的鐵通過與氧相互作用的無數(shù)種方式已經(jīng)在生化和地球化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到了充分的研究。但是根據(jù)已有報道,只有極少數(shù)的文獻涉及到Fe(VI)與Fe(VII)。近來,科學(xué)家探索到了FeN的穩(wěn)定性,并意識到氮在某種程度上同樣具有穩(wěn)定高氧化態(tài)鐵的能力,利用氮將高價鐵進一步升價或者用于穩(wěn)定超高價鐵的相關(guān)研究被提上了日程。在Science雜志上,Martinez[9]等人報道了一種六價鐵配合物,由卡賓配體配位的鐵中心與有機疊氮化物進行反應(yīng),形成具有兩個Fe=N的Fe(VI)雙(亞胺)絡(luò)合物,再利用單電子氧化得到穩(wěn)定的Fe(VI)氧化態(tài)。至此,高價鐵配合物與有機疊氮化物的結(jié)合為超高價鐵的研究歷程翻開了新的一頁。最近,Martin[11]等人以三個N雜環(huán)卡賓配體構(gòu)建了一種用于穩(wěn)定超高價鐵的三腳架螯合物分子口袋——TIMMNMes[10](圖1中的a),用含有Fe(II)的疊氮化物與三腳架螯合物上的N雜環(huán)卡賓通過碳原子與鐵中心進行配位得到了穩(wěn)定的含有Fe(V)的高價鐵配合[(TIMMNMes)FeV(N)]2+,并可以利用AgF2和XeF2依次氧化得到更高氧化態(tài)的超高價鐵配合物。關(guān)于超高價鐵配合物的研究還在繼續(xù),基于Fe(VI)與Fe(VII)穩(wěn)定配合物數(shù)量十分稀少的現(xiàn)狀,我們利用Martin等人開發(fā)的以N雜環(huán)卡賓為配體的高價鐵配合物進行理論設(shè)計,以探索構(gòu)建全新的超高價鐵的配合物。利用理論化學(xué)計算的方法對超高價鐵的某些原子或者基團進行替換或取代,得到了一系列穩(wěn)定了超高價鐵的配合物,并對配合物進行鍵強與活性分析,用以研究配合物中小分子活化的可能性。二.過程與方法ba我們利用Gaussview軟件構(gòu)建并呈現(xiàn)所設(shè)計的配合物,本文涉及的計算都在Gaussian16程序包中執(zhí)行,理論依據(jù)為密度泛函理論(DFT),使用雜化泛函PBEO,對所有的原子均使用def2-TZVP基組。在此文章中,我們會通過不斷的更換原子以求構(gòu)建出新的超高價鐵配合物,優(yōu)化其結(jié)構(gòu)并通過Gaussview軟件呈現(xiàn)優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)圖。我們會使用到兩種分子口袋(圖1),以TIMMNMes即分子口袋a為原型,設(shè)計出了新的分子口袋b。為了進一步分析配合物的性質(zhì),我們會對分子的幾何結(jié)構(gòu)、分子最低頻率、分子總能量等進行測定和計算。ba圖1兩種用于構(gòu)建配合物的分子口袋結(jié)構(gòu)圖

圖1兩種用于構(gòu)建配合物的分子口袋結(jié)構(gòu)圖三.結(jié)果與討論3.1替代F原子的Fe(VI)的各種配合物圖2文獻優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖A針對高價鐵配合物的設(shè)計,我們嘗試著利用[(TIMMNMes)FeV(N)]2+的進一步氧化產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和理論設(shè)計。根據(jù)Martin等人設(shè)計的高價鐵配合物Fe(VI)的文獻記載:Fe≡N鍵長為1.518?。我們通過程序優(yōu)化得到A,分子最低頻率為:13.8cm1,F(xiàn)eN鍵長為1.518?,所以我們的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度很高。圖2文獻優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖AA(Cl)A(Cl)圖3F替換為Cl的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖在Martin的文獻中的向我們展示了用AgF2將Fe(V)氧化為Fe(VI),并且可以利用XeF2進一步氧化為Fe(VII)。因此我們對配合物A中的F產(chǎn)生了興趣,將F替換為同主族的Cl進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以判斷同主族的鹵素是否能夠?qū)Ψ肿诱w結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生強烈的影響。程序優(yōu)化結(jié)構(gòu)為A(Cl),分子最低頻率為14.6cm1,配合物A中FeN鍵長為1.518?,F(xiàn)eF鍵長為1.822?,F(xiàn)eN(三級胺中的N)鍵長為2.447?;配合物A(Cl)中FeN鍵長為1.462?,F(xiàn)eCl鍵長為2.238?,F(xiàn)eN(三級胺中的N)鍵長為2.470?。通過對比幾何結(jié)構(gòu)和各種主要鍵長我們發(fā)現(xiàn)除了由于Cl的原子半徑引起的中心Fe與鹵素成鍵的鍵長不同外,Cl對于分子的幾何構(gòu)型和其他鍵長影響均很小,因此通過改變鹵素使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變以此構(gòu)建具有全新性質(zhì)的超高價鐵配合物的方法不可行。所以,我們將目光投向了與第VII主族相鄰的第VI主族元素。

配合物A是以FeF進行連接,我們設(shè)想將F替換為O來進一步設(shè)計高價鐵配合物。我們通過程序進行理論設(shè)計,預(yù)期實驗結(jié)果為A(O),通過程序優(yōu)化后,結(jié)果為A(O1),分子最低頻率為15.2cm1。優(yōu)化結(jié)果與我們預(yù)期結(jié)果大相徑庭,配合物A(O1)中,NHCs與O連接成鍵,C=O鍵長為1.247?,根據(jù)資料可以查閱得知羰基中的C=O鍵長為1.220?,醛基中的C=O鍵長為1.100?,所以,利用O取代F結(jié)果會使得卡賓與O形成如配合物A(O1)所展示的卡賓酮結(jié)構(gòu)。其中,我們發(fā)現(xiàn)卡賓酮結(jié)構(gòu)中的O與中心Fe仍然存在配位關(guān)系,且鍵長為2.015?。側(cè)視圖頂視圖A(O)A(O1)圖4配合物A中的F替換為O的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖與優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖側(cè)視圖頂視圖A(O)A(O1)圖4配合物A中的F替換為O的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖與優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖A(S1)A(S)針對配合物A(O1)的情況,我們重新構(gòu)建了一種Fe(VI)配合物。首先,資料記載的電負(fù)性中O為3.5,S為2.5,O的電負(fù)性強于S。因此我們認(rèn)為可能由于O電負(fù)性太大,吸電子能力太強,導(dǎo)致O與NHCs形成了卡賓酮結(jié)構(gòu)。另外,我們知道C=O的鍵強明顯高于C=S,通過綜合考慮我們認(rèn)為O替換為S不會形成類似卡賓酮的結(jié)構(gòu),以此來得到我們需要的高價鐵配合物A(S)。因此,我們利用S進行替換配合物A中的F,預(yù)期結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)為A(S),程序優(yōu)化結(jié)構(gòu)為A(S1),分子最低頻率為14.3cm1。如A(S1)所示,結(jié)果仍然形成了類似卡賓酮的結(jié)構(gòu),形成了C=S,鍵長為1.697?,中心Fe與SA(S1)A(S)圖5配合物圖5配合物A中的F替換為S的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖和優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖根據(jù)對比A(O1)、A(S1)呈現(xiàn)的結(jié)果,可知O和S替換F之后均與NHCs形成了雙鍵。但是值得注意的是,在A(O1)和A(S1)中,中心Fe與三級胺中的N均未能成鍵,在配合物A中,中心Fe與三級胺中的N存在著較弱的配位鍵,F(xiàn)e與三級胺的N鍵長為2.447?,而在配合物A(O1)與A(S1)中,F(xiàn)e與三級胺的N未能成鍵,原子之間的距離分別為2.813?與2.783?。因此我們認(rèn)為可能是由于三級胺中的N未能與中心Fe成鍵導(dǎo)致配合物分子的結(jié)構(gòu)與預(yù)期結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn),所以我們嘗試通過程序?qū)θ壈分械腘進行替換,設(shè)計了如圖1所示的分子口袋b,并利用該分子以求構(gòu)建出更理想的高價鐵配合物。3.2利用P替換N的Fe(VI)的各種配合物在上述的所有結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)三級胺中的N未能與中心Fe成鍵,我們推測可能的原因是由于N形成配位鍵時,一般以形成結(jié)合緊密的較強的配位鍵為主,但是由于在配合物中存在的空間位阻和NHCs對中心Fe的影響,導(dǎo)致原子半徑小的N未能與Fe成鍵,因此我們選擇原子半徑更大的P替換N,減小與中心Fe之間的距離以求形成理想的配位鍵。我們設(shè)計出了圖1中的分子口袋b,用以構(gòu)建全新的超高價鐵配合物。優(yōu)化結(jié)構(gòu)與預(yù)期結(jié)構(gòu)符合程度較高,優(yōu)化結(jié)果為B,分子最低頻率為4.4cm1。在配合物中,P能夠與中心Fe形成了較弱的配位鍵,F(xiàn)eP鍵長為:2.332?,F(xiàn)e≡N鍵長為:1.503?,F(xiàn)eF鍵長為:1.861?構(gòu)建了配合物B后,我們將利用配合物B再一次構(gòu)建全新的高價鐵配合物。我們在配合物B的基礎(chǔ)上,利用O替代與中心Fe成鍵的F,希望能得到穩(wěn)定的理想的優(yōu)化結(jié)果,預(yù)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)為B(O),程序優(yōu)化結(jié)構(gòu)為B(O1),分子最低頻率為21.4cm1。在配合物B(O1)中,出現(xiàn)了未預(yù)料的情況,本不應(yīng)與P成鍵的O與P進行成鍵,使得P形成五價,P=O鍵長為1.602?;同時,與P成鍵的O仍然與中心Fe存在配位關(guān)系,配位鍵鍵長為1.992?。對于配合物B(O1)中出現(xiàn)的P=O,可能是因為O電負(fù)性強,配位能力強,而且P原子的空軌道多,能形成五價的價態(tài)。因此,我們需要選擇配位能力相對較弱,電負(fù)性更小的元素進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,我們選擇了S進行進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。我們利用S去替換配合物B中的F,并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,預(yù)期結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)十分吻合,優(yōu)化結(jié)構(gòu)為B(S1),分子最低頻率為15.5cm1。在配合物B(S1)中,我們能夠觀察到S不會與P成鍵,僅與中心Fe成鍵,分子的空間幾何結(jié)構(gòu)和文獻中報道的結(jié)構(gòu)(配合物A)十分類似,F(xiàn)e=S鍵長為2.296?,F(xiàn)e-P鍵長為2.288?,F(xiàn)≡N鍵長為1.509?。至此,我們通過程序優(yōu)化成功的利用P1C3骨架構(gòu)建出了全新的穩(wěn)定的超高價鐵配合物B(S1)。B(S1)BB(S1)B圖6用分子口袋b設(shè)計的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖與替換為S的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖B(O)B(OB(O)B(O1)圖7配合物B中的F替換為O的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖和優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖3.3小分子活化側(cè)視圖頂視圖A(N)通過對圖B(S1)進行分析,我們聯(lián)想到一硫化氮(NS)的小分子活化。但是NS作為一種很不常見的分子,在經(jīng)過空間擠壓后,會生成極不穩(wěn)定的三硫化氮(N2S3),二者均稀少的星際分子。因此,我們將目光轉(zhuǎn)移到氮氣(N2)的活化上,希望能推動人工固氮的發(fā)展。首先,我們利用配合物A來進行氮氣活化的優(yōu)化探究,利用N來替換配合物A中的F,預(yù)計結(jié)構(gòu)為A(N),程序優(yōu)化結(jié)構(gòu)為A(N1)。如A(N1)所示,替換的N與相鄰的兩個N雜環(huán)卡賓成鍵形成亞氨基,從而使得Fe-N鍵更加穩(wěn)定,鍵長為1.884?,同時FeN鍵長較短,本身就具有穩(wěn)定性。因此,我們認(rèn)為配合物A(N1)中的非卡賓N實際上處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),不利于探究氮氣的小分子活化,所以我們選擇以P1C3骨架構(gòu)建的全新超高價鐵配合物B進一步探究氮氣活化的可能性。側(cè)視圖頂視圖A(N)A(N1)頂視圖側(cè)視圖圖8配合物AA(N1)頂視圖側(cè)視圖圖8配合物A中的F替換為N的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖和優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖頂視圖B(N)頂視圖圖9配合物B中的F替換為N的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖和優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖B(N1)側(cè)視圖通過對配合物B(S1)進行分析,我們利用N去替換配合物B中的F,預(yù)計結(jié)構(gòu)為B(N),優(yōu)化結(jié)構(gòu)為B(N1),分子最低頻率為14.4cm1。在得到的配合物B(N1)B(N)頂視圖圖9配合物B中的F替換為N的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖和優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖B(N1)側(cè)視圖C頂視圖側(cè)視圖為了探究NS的小分子活化可能性和反應(yīng)途徑,我們需要對配合物B(S1)的頻率、能量進行分析。通過程序嘗試去掉N和S來優(yōu)化配合物,以此來判斷N和S對配合物空間結(jié)構(gòu)的影響。我們設(shè)計出了全新的配合物C,嘗試設(shè)計并找出一個中間產(chǎn)物D,以此來推斷NS與高價鐵配合物的反應(yīng)途徑是否可行。C頂視圖側(cè)視圖側(cè)視圖D圖10利用配合物B(S1)設(shè)計的理論配合物的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖側(cè)視圖D圖10利用配合物B(S1)設(shè)計的理論配合物的預(yù)計結(jié)構(gòu)圖頂視圖我們通過設(shè)想存在以下的化學(xué)反應(yīng):反應(yīng)1:NS+C→D反應(yīng)2:D→B(S1)我們通過程序優(yōu)化得到了符合預(yù)期的配合物C(1)和D(1)。通過對比配合物C與C(1)的結(jié)構(gòu)我們能發(fā)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與預(yù)期結(jié)構(gòu)十分吻合,僅在各個卡賓上的間三甲苯基團的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了較小的偏轉(zhuǎn),并沒有新的化學(xué)鍵生成。在配合物C(1)中,存在低價態(tài)的Fe,表現(xiàn)為Fe(I),分子最低頻率為13.6cm1,分子總能量為1939783kcal/mol,F(xiàn)e-P鍵長為2.024?。頂視圖D(1)側(cè)視圖C(1)頂視圖側(cè)視圖頂視圖D(1)側(cè)視圖C(1)頂視圖側(cè)視圖圖11利用配合物B(S1)設(shè)計的理論配合物的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖對比配合物D與D(1)的結(jié)構(gòu)也可以判斷預(yù)期結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)基本上吻合,比較明顯的是NS基團發(fā)生了一定程度上的如D(1)展示的偏折,在配合物D(1)中,存在Fe(II),F(xiàn)e-P鍵長為2.062?,F(xiàn)e-N鍵長為1.674?,N=S鍵長為1.550?,分子最低頻率為18.8cm1,分子總能量為2223904kcal/mol。根據(jù)程序計算可以得知NS的分子總能量約為284071kcal/mol,配合物B(S1)的分子總能量為2223857kcal/mol。我們知道將一個NS分子解離為N原子與S原子需要巨大的能量,通過數(shù)據(jù)計算可以得到如下的化學(xué)反應(yīng):反應(yīng)1:NS+C(1)→D(1)ΔH=-50.3kcal/mol反應(yīng)2:D(1)→B(S1)ΔH=46.9kcal/mol反應(yīng)3:NS→N+SΔH=182.2kcal/mol通過對比反應(yīng)3與反應(yīng)2我們可以看到利用配合物B(S1)活化N原子與S原子反應(yīng)的能使能量降低135.3kcal/mol。從總體上而言,我們成功降低了活化小分子的能量,但是結(jié)果能量仍然存在偏高的現(xiàn)象,希望能進一步降低反應(yīng)體系的能量,并希望對反應(yīng)過程中的能壘進行進一步研究。

四.結(jié)論近期文獻報道了以三個N雜環(huán)卡賓為配體的超高價鐵Fe(VI)配合物,我們對此很感興趣。首先我們使用Cl替換配合物A中的F,發(fā)現(xiàn)Cl對于分子的空間結(jié)構(gòu)基本上不存在十分強烈的影響。再利用了O去替換了配合物A中的F,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后O會發(fā)生遷移,形成具有一個C=O的卡賓酮結(jié)構(gòu)。接著使用電負(fù)性更低的、原子半徑更大的S替換F,同樣導(dǎo)致配合物形成了C=S。O和S遷移至卡賓碳上的原因可能是由于Fe(VI)的配位環(huán)境發(fā)生了較大改變,即中心Fe與三級胺中的N距離過大。我們認(rèn)為使用P替換三級胺中的N有望使Fe(VI)的配位環(huán)境保持,進而使O或S不發(fā)生遷移。我們使用P替換了三級胺中的N得到全新的穩(wěn)定的超高價鐵配合物B。之后我們把配合物B中的F替換為O,優(yōu)化后O仍然發(fā)生了遷移,遷移原因可能是O的配位能力太強。然后我們選擇電負(fù)性更低的S替換F,最終得到了我們需要的穩(wěn)定的超高價鐵配合物B(S1)。因此,利用P1C3骨架能夠成功的構(gòu)建出全新的超高價鐵配合物。通過分析配合物B(S1)的幾何結(jié)構(gòu)與主要的化學(xué)鍵鍵長,我們提出了用配合物A和B研究氮氣活化。首先利用配合物A進行氮氣活化的嘗試,用N替換配合物A中的F,優(yōu)化的結(jié)構(gòu)中非卡賓N反而更具有穩(wěn)定性了。后續(xù)又嘗試?yán)肗去替換配合物B中的F,結(jié)果發(fā)現(xiàn)N與中心Fe距離過大并發(fā)生遷移從而與P形成新的五元環(huán),破壞了整個分子的空間結(jié)構(gòu)。最終,我們認(rèn)為利用我們的配合物使N2活化的可能性很低。我們通過分析配合物B(S1)發(fā)現(xiàn)了我們的配合物可以探究NS活化,因此我們構(gòu)建了全新的化學(xué)反應(yīng)途徑并對可能存在的途徑作出了能量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用配合物B(S1)能夠降低NS的解離能,活化N原子和S原子需要的能量僅為46.9kcal/mol。NS直接解離為N原子與S原子解離能為182.2kcal/mol。因此,利用B(S1)能顯著降低NS活化的反應(yīng)能量。

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