包含平面四配位碳新型化合物的理论

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  本论文采用密度泛函理论 (DFT),研究了四类新型的包含平面四配位碳 (ptC) 的化合物:包含一个ptC的C9B2H6,包含多个ptC的带状化合物(C3B2)nH4 (n=2-6),包含多个准ptC的管状化合物(C3B2)n (n=4-8),以及包含多个准ptC的锯齿型硼碳纳米管(m, 0, i) (m=6,8,10和12;i=1-4)的结构、稳定性和成键性质。主要的研究内容和结论概括如下:

  1. 在B3LYP/6-311+G**水平上,研究了一种新型的包含一个ptC的二硼有机化合物C9B2H6的结构、稳定性和振动频率。计算结果表明:C9B2H6 结构的稳定性和两个硼原子的位置有很大的关系,硼原子起给予s电子和接受π电子的作用。在C9B2H6的15个异构体中,最稳定的结构是具有C2v对称性的异构体(1,5),在异构体(1,5)中,两个硼原子位于同一个六元环中且与ptC相邻。而且占据的π轨道说明异构体(1,5)具有10个π电子,满足4n+2规则。而且,计算的核独立化学位移(NICS)值显示异构体(1,5)强的芳香性位于C9B2H6的两个三元环而不是两个六元环上。

  2. 以最稳定结构H2C2CB2H2作为基本结构基元,设计了两种包含ptC的带状化合物(C3B2)nH4 (n=2-6)和包含准ptC的管状化合物(C3B2)n (n=4-8)。在B3LYP/6-311+G**水平上,研究了带状化合物(C3B2)nH4 (n=2-6)的结构、稳定性、聚合规则以及振动频率。计算结果表明:(C3B2)nH4 (n=2-6)最稳定的结构是以H2(C2CB2)nH2排列方式排列的,即C2CB2单元以相同方向排列。计算的NICS值表明三元环有芳香性而六元环有反芳香性。最稳定异构体H2(C2CB2)nH2 (n=2-6)的电子光谱图说明第一电子激发能与n具有线性关系。由C2CB2单元形成的管状化合物(C3B2)n (n=4-8)的结构和稳定性的研究表明:管状化合物(C3B2)n (n=4-8)均为稳定的结构,分别包含4,5,6,7和8个准ptC,它们的HOMO-LUMO能隙表现出奇偶交替特征。

  3. 利用包含不同层数的ptC的四种结构基元(N1,N2,N3和N4),设计了四种新型的包含多个准ptC的之间。这表明,一些相对大的原子或小分子较容易通过十元环孔穴进入管内,因此该硼碳纳米管有望成为一种新型的功能材料。

标签: 平面设计理论

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