新型长键模型的构建——基于对稀有气体氢化物的理论分析

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在过去的20年里,人们对稀有气体氢化物进行了大量的实验研究。例如,Khriachtchev等人用光谱表征了HXeCl, HXeBr, HXeI, HKrCl和 HKrF等含卤素的氢化物,及含类卤素CN/NC的氢化物 HXeCN, HXeNC和 HKrCN。这些实验上的发现,掀起了在理论上对HNgY(Ng=He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn;Y=F, Cl, Br, I)氢化物成键机理的研究热潮。最初对于HNgY分子成键机理的研究是基于简单的离子模型:(H-Ng)+Y-。随着研究的深入,人们认识到一些其他的结构也具有重要作用。例如,R?s?nen等人首次提出,HNgY分子包括三种可能的结构,其中最主要的是(H-Ng)+Y-,还包括离子型H-Ng+Y和中性H–Ng–Y。最近, Weinhold等人提出了一个新概念——长键,并将其应用到稀有气体氢化物(HNgY)成键的理解。本论文使用NBO/NRT分析方法研究了稀有气体分子HNgX(X=CN, NC)的共振成键。为了与之前研究的 HNgY体系做比较,本论文选择了相同的方法和基组,即在B3LYP/aug-cc-pVTZ(-pp)水平上进行计算。然后,使用GENNBO6.0W程序进行自然键轨道(NBO)和自然共振理论(NRT)分析。另外,我们还研究了含有卤素及类卤素的YNgCN/NC(Y=F, Cl, Br, I)体系的成键,部分体系在实验上已经观测到。最后,我们还研究了小分子HCl、H2O对HXeY分子共振成键的影响,特别是HXeY…HCl/H2O(Y=F, Cl, Br, I)复合物的共振成键。论文的主要工作如下:  (1)以HNgX(Ng=He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn;X=CN, NC)分子为研究对象,在结构优化的基础上,使用NBO/NRT方法研究了上述分子的共振成键并且与之前研究的HNgY(Ng=He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn;Y=F, Cl, Br, I)分子的结果进行比较。我们发现每一个HNgX(除Ne以外)分子都由三个主要的共振结构组成,即ω键结构:H-Ng+:X-,H:-Ng+-X和长键结构:H^X。这与之前研究的HNgY分子的结果相似。没有预期的是,我们在HNeCN/NC分子中发现除了传统的长键结构之外还有一种新的长键,并且这两种长键都是由两种超共轭作用共同作用得到的。这个发现将传统的长键概念扩展到了非传统的更长的长键。总之,这些结果还表明CN/NC(类卤素)配体在新型长键的研究中呈现出了它的多面性。  (2)对YNgCN/NC(Ng=He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn;Y=F, Cl, Br, I)分子进行NBO/NRT分析,结果表明:大部分YNgCN/NC分子也是由Y-Ng+:X-,Y:-Ng+-X和Y^X三种共振结构组成的杂化体。全部He, Ne以及部分Ar分子中同样存在两种长键结构。这与上面研究的HNgX分子的结果类似。  (3)对于一系列HXeY…HCl/H2O(Y=F, Cl, Br, I)复合物,使用NBO/NRT的方法进行成键分析,主要研究小分子HCl、H2O对HXeY成键的影响,主要是HXeY…HCl/H2O(Y=F, Cl, Br, I)复合物中的共振成键情况进行研究。结果表明,对于HXeY…H2O/HCl(Y=F, Cl, I)复合物,小分子 H2O、HCl的存在会使ω键结构的权重增大而长键权重减少;而在HXeBr…H2O/HCl复合物中,长键所占的权重比例增大。
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