稀土夹心化合物的SCF-X~α-SW研究 I: Cp~2Sm, Cp~2Yb 和Cp~3Sm

对Cp~2Sm、C~p~2Y~b和Cp~3Sm 进行了非相对论和相对论SCF-X~α-SW计算, 用轨道相互作用、分子轨道图形、布居数分析等方法讨论了化学键图象。在Cp~2Ln(Ln=稀土元素)中以Cp为主要成分的轨道能级两种方案结果变化不大。而相对论间接效应的存在, 使Ln4f能级明显升高, 与Cp~2Ln易被氧化的实验结果一致。二价的Cp~2Ln成键轨道中Ln成分是d>f>p>s, 与三价的Cp~3Sm、LnF~3比较, Ln的s、p、d成分变化不大, 而Lnf成分明显减少, 使Cp~2Ln共价性明显地低于Cp~3Sm和LF~3。     

稀土夹心化合物的SCF-X~α-SW研究 I: Cp~2Sm, Cp~2Yb 和Cp~3Sm

对Cp~2Sm、C~p~2Y~b和Cp~3Sm 进行了非相对论和相对论SCF-X~α-SW计算, 用轨道相互作用、分子轨道图形、布居数分析等方法讨论了化学键图象。在Cp~2Ln(Ln=稀土元素)中以Cp为主要成分的轨道能级两种方案结果变化不大。而相对论间接效应的存在, 使Ln4f能级明显升高, 与Cp~2Ln易被氧化的实验结果一致。二价的Cp~2Ln成键轨道中Ln成分是d>f>p>s, 与三价的Cp~3Sm、LnF~3比较, Ln的s、p、d成分变化不大, 而Lnf成分明显减少, 使Cp~2Ln共价性明显地低于Cp~3Sm和LF~3。     

稀土夹心化合物的SCF-X_α-SW研究 Ⅰ.Cp_2Sm、Cp_2Yb和Cp_3Sm

对Cp_2Sm、Cp_2Yb和Cp_3Sm进行了非相对论和相对论SCF-X_α-SW计算,用轨道相互作用、分子轨道图形、布居数分析等方法讨论了化学键图象。在Cp_2Ln(Ln=稀土元素)中以Cp为主要成分的轨道能级两种方案结果变化不大。而相对论间接效应的存在,使Ln4f能级明显升高,与Cp_2Ln易被氧化的实验结果一致。二价的Cp_2Ln成键轨道中Ln成分是d>f>p>s,与三价的Cp_3Sm、LnF_3比较,Ln的s、p、d成分变化不大,而Lnf成分明显减少,使Cp_2Ln共价性明显地低于Cp_3Sm和LnF_3。     

稀土夹心化合物的SCF-Xα-SW研究 Ⅱ.Cp_2YbC_2H_2和Cp_2Yb(OC)_2

用SCF-Xa-SW方法非相对论和相对论方案计算了Cp_2YbC_2H_2和Cp_2Yb(OC)_2.非相对论计算HOMO是Cp的π轨道,相对论间接效应的作用,使得Yb的4f轨道能级上升而成为HOMO,相对论结果与Yb二价化合物不稳定、易氧化的实验结果一致,也表明了研究重稀土化合物考虑相对论效应的必要性.计算共价键强度与Cp_2Yb相近,比YbF_3和Cp_3Sm弱,再次表明二价稀土化合物共价键比三价化合物弱.同时也证实了σ型配体(CO)与稀土元素的配位作用比π型配体(C2H_2)强的结论。     

镱硫属化合物的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)研究镱硫属化合物的电子结构和性质,通过与实验比较考察了现有的几种近似密度泛函公式对镧系元素化合物的适用程度和相对论效应的影响.结果表明,用DFT计算的YbO键长对实验值的偏差约为0.002nm;但得到的键能即使在考虑梯度校正和相对论效应之后,仍比实验值高,在定域密度近似基础上引入交换梯度校正使键能计算值减小,其中PW86x使键能计算值减小稍多些,结果更接近实验值;相关梯度校正使键能计算值升高.相对论效应使键长缩短0.004～0.006nm,键能减小约0.5eV.计算结果的分析表明,Yb的5d轨道和配体的np轨道间形成σ键和π键.在所研究的分子体系中,配体原子从O到Te、Yb原子的5d轨道布后数依次减少,同键能减弱的顺序一致.相对论效应使键能减小的主要原因是在成键过程中发生了Yb的6s电子向5d轨道的转移,而相对论效应使该过程能量增加.偶极矩和电荷分布的计算表明,Yb-L键以共价性为主,相对论效应使共价性成份增加.     

若干镧系三环戊二烯化合物的EHMO计算

用EHMO方法对LnCp_3(Ln=Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb,Cp=C_5H_5)进行了处理。计算结果表明:LnCp_3系列的能级、分子轨道百分组成等非常相似。总能量与原子序数成线性关系。Ln的4f轨道基本不参与成键。Ln-Cp间的键是以离子性为主的极性键。LnCp_3系列的电荷分布有一定规律。依据上述信息,对LnCp_3的一些化学性质作出了较为合理的解释。     

镧系水合离子的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)方法研究了镧系水合离子[Ln(H2O9)]^3+(Ln=Ce,Pr,Nd,Pm,Ho,Er,Tm,Yb)的几何构型、电荷分布和Ln^3+与水的结合能,计算结果与实验基本符合,表明DFT方法也适用于计算镧系离子与中性配体形成的化合物,对计算结果的分析表明,Ln^3+与H2O之间主要通过Ln5d轨道与氧孤对电子相互作用成键而结合,其余轨道起的作用比较小,用镧系化合物成键模型解释了镧系离子与水的结合能从La到Lu逐渐增加的事实。     

稀土夹心化合物的SCF-Xａ-SW研究 2:Cp~2Yb C~2H~2和Cp~2Yb(OC)~2

用SCF-Xａ-SW方法非相对论和相对论方案计算了Cp~aYb C~2H~2和Cp~2Yb(OC)~2.非相对论主HOMO是Cp的π轨道,相对论间接效应的作用,使得Yb的4f轨道能级上升为HOMO,相对论结果与Yb二价化合物不稳定、易氧化的实验结果一致,也表明了研究重稀土化合物考虑相对论效应的必要性.计算共价键强度与Cp~2Yb相近,比YbF~3和Cp~3SM弱,再次表明二价稀土化合共价键比三价化合物弱.同时也证实了σ型配体(CO)与稀土元素的配 位作用比π型配体(C~2H~2)强的结论.     

稀土夹心化合物的SCF-Xα-SW研究 Ⅲ.(Cp~2YbCl)~2和(Cp~2ErH)~2

用SCF-Xα-SW 方法非相对论和相对论方案计算了稀土桥键夹心化合物(Cp~2YbCl)~2和(Cp~2ErH)~2能级,轨道等值图形,布居数等的研究表明,(Cp~2YbCl)~2和(Cp~2ErH)~2的共价键比Cp~2Yb和Cp~2YbC~2H~2强而与Cp~3Sm和LnF~3相近. 证实了三价稀土化合物共价键比二价化合物强, 桥键氢原子较小的原子半径和价轨道单位相性质,使氢桥化合物(Cp~2ErH)~2形成比氯桥化合物(Cp~2YbCl)~2更强的共价键,非相对论和相对论计算能级结构,价轨道成分,成键图象等方面的差异, 表明了研究重稀土化合物考虑相对论效应的必要性     

稀土夹心化合物的SCF-Xａ-SW研究 2:Cp~2Yb C~2H~2和Cp~2Yb(OC)~2

用SCF-Xａ-SW方法非相对论和相对论方案计算了Cp~aYb C~2H~2和Cp~2Yb(OC)~2.非相对论主HOMO是Cp的π轨道,相对论间接效应的作用,使得Yb的4f轨道能级上升为HOMO,相对论结果与Yb二价化合物不稳定、易氧化的实验结果一致,也表明了研究重稀土化合物考虑相对论效应的必要性.计算共价键强度与Cp~2Yb相近,比YbF~3和Cp~3SM弱,再次表明二价稀土化合共价键比三价化合物弱.同时也证实了σ型配体(CO)与稀土元素的配 位作用比π型配体(C~2H~2)强的结论.     

某些镧系化合物化学键特性的INDO研究

本文用INDO方法研究了不同价态镧系化合物的成键性质和4f轨道在成键中的作用,结果表明,镧系化合物的成键受许多因素,如价态、半径、配体、配位数、空间构型等影响。不同配体与镧系元素成键的强度差别较大;高价态的共价性大于低价态的;配位数低的大于配位数高的。某些特殊构型的镧系化合物除σ键外,还形成重叠较好的π配键,使Ln—L键共价性大大增强。4f轨道在成键中的作用比5d的少得多,三价(二价态)的4f轨道基本定域(<0.1％),四价态的4f轨道对成键的贡献明显增大,可接近1％。     

含氯希土单酞菁配合物的分子构型及其电子结构

本文用INDO方法研究了含氯希土单酞菁配合物—Ln(Ⅲ)PcCl的几何构型及其电子结构。结果表明,在LnPcCl中,Ln位于酞菁平面外的中心轴上。LnPcCl具有符合4n 2规则的π型电子结构特点。对于不同希土,十六轮烯型骨架电子结构及其π分子轨道能级分布基本相似。4f能级随原子序数变化呈现两个极大。低空π~*轨道中间镶嵌着若干以5d、6p等为主体成分的分子轨道。金属原子的电荷值主要取决于5d轨道上的电子密度。中希土与配体键的共价性大于轻、重希土的。在共价成键中,5d轨道的贡献是主要的,6p和6s次之,4f轨道基本上是定域的,而且重希土的定域性比轻希土的更高些。     

镧系元素4f轨道在成键中的作用的理论研究

用密度泛函方法在冻结或不冻结4f轨道的条件下计算一系列含镧系元素双原子 分子,对结果进行分析,得出以下结论：镧系元素4f轨道按传统的化学键理论观点 是不直接参与成键的,但对成键有一定作用：通过与匹配物的轨道混合使键长变短 ,键能增加,一般可达百分之几。随着镧系原子序数的增加4f轨道对成键的贡献减 少。电负性高或价态高的匹配物对4f轨道的作用较强,4f轨道对成键的影响比较大 。对于重镧系元素,匹配物不是F或O时,4f轨道对成键的贡献相当小,可以看成芯 轨道,但对于轻稀土,在比较精确的计算中则应作为价轨道处理。镧系元素与氟结 合时,只有对靠近Yb的重镧系元素才可以把4f当作芯轨道,而与氧结合时即使对于 YbO把Yb4f作为芯轨道仍会带来较大误差。     

惰性元素化合物相对论效应的研究 I. 相对论效应的计算

分子形成中的相对论效应定义。用相对论电荷迭代EHT程序ITEREX计算了惰性元素氟化物XeF2, XeF4, XeF6, KrF2和RnF2的相对论效应, 分别为-72.91,是-160.34,-281.82, -25.44和-220.7kJ·mol^-^1。惰性元素化合物的相对论效应都是负值, 使分子趋于稳定。还计算了IF和CsF的相对论效应, 分别是10.68和17.42kJ·mol6-^1, 均为正值, 使分子能量升高, 证实了相对论效应在惰性元素化合物中的重要作用。     

LnCu2O4(Ln=Gd,Nd)电子结构的XPS研究

用XPS测定了LnCu2O4(Ln=Gd, Nd)的内层和价层电子能谱,观察到LnCu2O4中稀土金属的3d电子结合能比相应的稀土金属简单氧化物的3d结合能低0.8～0.9 eV,而Cu的2p电子结合能比CuO的高0.4～0.5 eV,因此推断在LnCu2O4的Ln－O－Cu链中存在Cu→O→Ln电荷转移.XPS分析还表明LnCu2O4的Cu原子上有较低的电荷密度,但不存在混合价态.此外,通过比较价电子能谱,发现NdCu2O4的Ln 4f Cu 3d O 2p价带中心比GdCu2O4的价带中心向Fermi能级移近了3.4 eV,而且NdCu2O4的价带谱更窄.     

LnCu_2O_4(Ln=Gd,Nd)电子结构的XPS研究

用 XPS测定了 LnCu2O4(Ln=Gd, Nd)的内层和价层电子能谱,观察到 LnCu2O4中稀土金属的 3d电子结合能比相应的稀土金属简单氧化物的 3d结合能低 0.8～ 0.9 eV,而 Cu的 2p电子结合能比 CuO的高 0.4～ 0.5 eV,因此推断在 LnCu2O4的 Ln－ O－ Cu链中存在 Cu→ O→ Ln电荷转移 .XPS分析还表明 LnCu2O4的 Cu原子上有较低的电荷密度,但不存在混合价态 .此外,通过比较价电子能谱,发现 NdCu2O4的 Ln 4f Cu 3d O 2p价带中心比 GdCu2O4的价带中心向 Fermi能级移近了 3.4 eV,而且 NdCu2O4的价带谱更窄 .     

基于三脚架配体构筑的锕系-配体多重键的研究进展

非水溶液体系的锕系元素化学是一个极具挑战性的前沿研究领域, 近年来在分子磁性、多重键以及小分子活化等方面获得了迅速发展. 化学键是化学科学中最重要的基本概念之一, 而金属-配体多重键是该领域重要的研究内容. 多重键的形成与锕系元素的电子结构密切相关, 相对论效应使得锕系元素的s轨道和p轨道收缩, 轨道能量降低, 收缩的s和p轨道增加了对核电荷的屏蔽效应, 从而使d和f轨道具有一定的延展性和不稳定性. 这种不稳定性降低了5f电子的结合能, 电子更容易离去, 可使锕系元素具有丰富的氧化态. 由于较高的主量子数和相对论效应, 锕系元素的5f轨道具有更大的径向延展, 在锕系元素中5f轨道的电子行为影响较大. 目前, 锕系金属-配体多重键因其独特的成键方式和电子结构特征而受到科学家的广泛关注, 在合成和分离方面存在极大的挑战, 研究锕系-配体多重键将有助于我们了解它们的电子结构和反应性. 基于口袋型拓扑结构的三脚架配体被广泛地应用于锕系-配体多重键的研究, 这为探索锕系元素的5f电子结构和锕系多重键丰富的化学行为提供了重要支撑. 本综述总结了近年来基于三脚架配体构筑的锕系-配体多重键的研究进展, 并对未来进行了展望.     

三（五甲基环戊二烯基）稀土金属配合物（C5Me5）3Ln（Ln=Sc,Y,La）的量子化学理论研究

采用从头计算方法和密度泛函理论方法,对三(五甲基环戊二烯基)稀土金属配合物(C5Me5)3Ln(Ln=Sc,Y,La)的几何结构、电子结构以及Ln-C5Me5之间的结合能进行了研究.(C5Me5)3Ln的电子结构符合过渡金属配合物"18电子规则"的描述,因而具有较好的稳定性.Ln原子的(n-1)d、ns轨道能够与C5Me5的π轨道较好的重叠并组成强成键轨道.研究发现(C5R5)3Ln(R=H,Me)的几何结构受到"Ln-C5R5成键效应"和"C5R5-C5R5位阻效应"两个相反因素的影响,其稳定性则受到"Ln原子半径-(C5R5)3孔径尺寸"匹配关系的制约.在C5R5上引入特定的取代基后可以从轨道能级、金属原子-配体距离、配体-配体距离等多方面直接或间接的影响Ln-C5R5间的成键强度,进而实现对(C5R5)3Ln稳定性和反应活性的控制.     

某些镧系化合物化学键特性的INDO研究

本文用INDO方法研究了不同价态镧系化合物的成键性质和4f轨道在成键中的作用,结果表明, 镧系化合物的成键受许多因素, 如价态、半径、配位数、空间构型等影响。不同配体与镧系元素成键的强度差别较大; 高价态的共价性大于低价态的; 配位数低的大于配位数高的。某些特殊构型的镧系化合物除σ键外, 还形成重叠较好的π配键,使Ln-L键共价性大大增强。4f轨道在成键中的作用比5d的少得多, 三价(二价态)的4f轨道基本定域(<0.1%), 四价态的4f轨道对成键的贡献明显增大, 可接近1%。     

Ce(C_8H_8)_2和Ce(C_8H_8)_2~-的化学键性质

结合改进的重叠模型Xa-SW法和Ziegler过渡态法,通过将中心原子与配体的作用选成离子聚集、中心原子只有s和p轨道参与成键、中心原子只有d轨道参与成键、中心原子只有f轨道参与成键、中心原子的s、p、d和f轨道同时参与成键5种类型,从能量角度分析了Ce(C_8H_8)_2和Ce(C_8H_8)~-_2的化学键性质。