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C3O2在铁羰基配合物中脱羰基过程的理论研究

C3O2在铁羰基配合物中脱羰基过程的理论研究

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作者：赵骁西北农林科技大学

学位级别：硕士

二氧化三碳(CO)累积多烯气体,在无机化学和金属有机化学中应用非常广泛。与稳定的CO相比,二氧化三碳分子的化学性质更加活泼:在100°C下聚合,且在900-1025K条件下热分解为含碳单质和CO气体。此外,CO的同主族累积多烯分子ECnE(E=S,Se)已... 详细信息

二氧化三碳(CO)累积多烯气体,在无机化学和金属有机化学中应用非常广泛。与稳定的CO相比,二氧化三碳分子的化学性质更加活泼:在100°C下聚合,且在900-1025K条件下热分解为含碳单质和CO气体。此外,CO的同主族累积多烯分子ECnE(E=S,Se)已被证明可以作为配体在过渡金属配合物分子中稳定存在。最近,有研究报导以CO气体为C1合成子,Fe(CO)为催化剂可以在极低的温度下(180°C)合成多层的碳纳米管。找到该催化反应的中间体结构及决速步骤对理解碳纳米管的生长机制至关重要。同时,对中间体及过渡态电子构型的了解,能够帮助我们更加深刻的认识碳纳米管生长的本质。然而,迄今为止仅出现了关于过渡金属与CO配体间键合模式的相关报道,并未出现该反应理论研究的直接报道。本文在M06L/DZP水平下对该催化过程进行计算,通过定位反应过程中重要中间体的结构来解释碳纳米管的可能生长机理。文章得到的结果如下:1.单个CO能够与Fe(CO)进行配位,得到含有碳鎓离子形式CO参与键合的配合物分子。然而,Fe(CO)(CO)(n=6)分子中,CO配体更倾向于断裂一个C=C键形成CO+CO的键合模式。随着脱羰基过程的进行,Fe(CO)(CO)(n=8)分子的羰基解离能逐渐增大,得到的分子越来越稳定。此外,最后一个脱羰基产物分子中,最稳定结构两侧的铁原子均为15电子构型,为后续CO配体的加入提供了配位空穴。2.加入第二个CO配体能够得到Fe(CO)(CO)(m=5)分子。该体系中,除了Fe(CO)(CO)2分子最稳定的结构含累积多烯C4O2配体外,其余各分子最稳定的结构均含桥联CO配体。说明2个CO配体断裂烯键得到的2个CO配体会偶合形成CO配体,并进一步断裂CO的C=C键形成更稳定的CO配体,从而实现碳链的增长。此外,随着脱羰基过程的进行,桥联卡宾配体的碳链向Fe原子一侧倾斜,并导致配合物分子的羰基解离能减小,说明CO配体的形成能够促进羰基的解离。3.加入第三个CO配体能够形成配合物分子Fe(CO)(CO)(z=3)。该配合物的结构特征与前一分子Fe(CO)(CO)(m=5)较为类似,新加入的CO配体以提供一个碳原子形成CO配体的方式使碳链进一步生长。随着脱羰基过程的进行,桥联卡宾配体碳链弯曲程度增大。此外,最后一个分子Fe(CO)3最稳定的结构中,桥联卡宾配体以6电子供体形式参与配位而非通常的2电子供体形式。该结构右侧的Fe原子为配位不饱和的16电子构型,为后续CO的继续加入提供了配位空穴。4.在Fe(CO)(CO)分子中出现的卡拜结构,可以发生二聚得到含炔键的配合物分子。随后,三个该分子能够发生环化反应得到更为稳定的六元环配合物。由于Fe(CO)配体与碳环的键合作用较弱,在成对离去后中间体分子会继续发生反应更稳定的多元环结构。这为碳源如何累积形成多层的碳纳米管提供了一个新的思路。通过上述研究,我们提出两种碳源累积的途径,为碳纳米管生长微观机理的研究奠定了基础,也为相关碳材料(石墨烯、石墨炔等)的制备提供了有价值的理论参考。

关键词：二氧化三碳双核铁羰基配合物脱羰基碳源累积密度泛函理论

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