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典型化合物中金属与氧族元素成键性质的理论研究

典型化合物中金属与氧族元素成键性质的理论研究

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作者：吴昌雨北京化工大学

学位级别：硕士

金属的氧族元素化合物是指氧族元素(包括氧、硫、硒、碲、钋等)与金属元素形成的化合物。其中锕系金属氧族元素化合物和碱金属氧族元素化合物是两类较为典型的氧族元素化合物。锕系元素因其较大的原子半径和丰富的电子云,能够与氧族元... 详细信息

金属的氧族元素化合物是指氧族元素(包括氧、硫、硒、碲、钋等)与金属元素形成的化合物。其中锕系金属氧族元素化合物和碱金属氧族元素化合物是两类较为典型的氧族元素化合物。锕系元素因其较大的原子半径和丰富的电子云,能够与氧族元素形成具有多种氧化态的共价化合物,如锕系元素的氧化物AnOx(其中An代表锕系元素)。而碱金属容易失去s电子形成单价阳离子,氧族元素则具有丰富的p电子,使得碱金属和氧族元素之间容易发生电子转移,形成离子键。理解锕系元素与碱金属与氧族元素的成键性质这些规律有助于预测和解释典型金属化合物的结构及理化性质。本文采用密度泛函理论(DFT)方法,对ame4(E=O,S,Se)和[(THF)2MRSiMe3]2(M=Li,Na,K;R=O,S,Se,Te)两种系列化合物的结构和成键性质进行了深入的理论研究,为研究其他锕系金属氧族元素化合物和碱金属有机化合物的结构、电子结构和成键性质等提供了思路。主要工作与成果如下:1、典型化合物ame4(E=O,S,Se)中,不同的氧族元素对ame4的电子结构及其物化性质具有重要影响。本研究利用DFT中的多参考计算方法获得了典型化合物Am的氧族元素化合物的基态分别为[Am(Ⅴ)O4-3C2v]、[Am(Ⅱ)S4-5C2v]和[Am(Ⅱ)Se4-5C2v],进一步,我们探索了对于ame4系列化合物中的电子效应和空间效应的变化,研究发现,随着E原子半径的增大,Am-E键和其他相关键长增加,从而影响分子的几何结构和电子分布,结果发现ame4(E=O,S,Se)均为四方锥结构,AmO4中Am单电子分布为fAm3po1,AmS4和AmSe4中Am电子分布分别为fAm6ps1,fAm6pse1。此外我们还探索了基态结构的红外光谱数据,结果表明随着氧族原子半径的增大,ame4的特征红外吸收峰出现蓝移;第一激发态计算结果表明AmSe4拥有最强的紫外吸收峰,AmO4次之,AmS4最小。该部分研究为其他锕系金属四硫化物和四硒化物的基态研究和相关实验研究提供了理论依据。2、典型碱金属氧族元素化合物[(THF)2MRSiMe3]2(M=Li,Na,K;R=O,S,Se,Te)在催化、电子材料和生物传感等领域具有潜在的应用价值,其成键和光谱性质的研究是理解其功能机制的基础。我们利用 DFT 中的 PBE 方法对[(THF)2MRSiMe3]2(M=Li,Na,K;R=O,S,Se,Te)系列化合物的几何结构进行优化,揭示了不同碱金属元素、氧族元素和配体对分子结构的影响,随着R元素从O到Te,化合物的相关键长呈现递增趋势,此系列化合物对称性增强。红外光谱特征峰强的变化代表了配体THF和SiMe3的配位环境在整个系列中的相对稳定程度,稳定程度受到了碱金属元素和氧族元素的显著影响,S的引入会减少M-THF的配位作用,Se的引入会降低M-R键的极性,Te的引入会产生新的振动模式。第一激发态计算结果表明随着R原子半径的增加,紫外吸收峰会出现红移现象。上述理论计算结果可用于化合物[(THF)2MRSiMe3]2(M=Li,Na,K;R=O,S,Se,Te)的电子结构、成键和光学性质的理性调控。本研究不仅为理解和设计具有特定结构和功能的配位化合物提供了理论基础,而且为相关领域的新材料开发提供了科学指导。

关键词：密度泛函理论 ame4 [(THF)2MRSiMe3]2 结构优化成键性质

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