Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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In dieser Arbeit wurden für die Moleküle B3, B3- und C3+ mit dem MR-CI-Verfahren hochgenaue Potentialfächen für ein oder mehrere elektronische Zustände berechnet. Alle drei Moleküle besitzen elektronisch entartete Jahn-Teller-Zustände. Im Gegesatz zu den früher untersuchten Alkalitrimeren liegt hier die konische Durchschneidung so tief, dass sie bei der Schwingungsanalyse berücksichtigt werden muss und daher eine diabatische Behandlung erfordlich ist. Für den X<-1E'-Übergang im B3 konnte die Übereinstimmung des berechneten Spektrum mit dem gemessenen durch den Einsatz des größeren Basissatzes VQZ, im Vergleich zu den bereits veröffentlichten Ergebnissen, nochmals deutlich verbessert werden. Für den berechneten 00-Übergang ist im gemessen Spektrum kein Übergang zu beobachten. Neben der guten Übereinstimmung der anderen Peaks wird diese These auch die T00 Energie gestützt. Die einfache Progression des experimentellen X<-2E'-Übergangs im B3 konnte ebenfalls in gute Übereinstimmung berechnet werden. Die einfache und kurze Progression ergibt sich aus der Tatsache, dass praktisch keine Jahn-Teller-Verzerrung vorhanden ist, und beide Teilflächen fast deckungsgleich sind. Für den X<-1E'-Übergang des B3- wurde ebenfalls ein Spektrum simuliert, allerdings findet sich keine Übereinstimmung zu den gemessenen Übergängen. Da die beobachtete Elektronenablöseenergie nur unwesentlich oberhalb der Elektronenanregungsenergie liegt und im Hinblick auf die starken X<-2E'-Absorptionen des B3 in der gleichen Messung bleibt offen, welche Strukturn im Experiment zu sehen sind. Zum C3+ wurde eine Schwingungsanalyse für den E'-Grundzustand durchgeführt. Experimentelle Vergleichswerte fehlen in diesem Fall. Allerdings konnte die bereits seit mehr als einem Jahrzehnt diskutierte Höhe der Isomerisierungsenergie zwischen gewinkelter und linearer Geometrie sehr genau, auf nun 6.8 +- 0.5 kcal/mol festgelegt werden. Bei vibronischer Betrachtung unter Einbeziehung der Nullpunktsenergien reduziert sich diese auf bzw. 4.8 kcal/mol. Ausserdem wurde die Existenz eines linearen Minimums bestätigt. C3+ liefert auch ein sehr schönes Beispiel für die Verschränkung verschiedener lokaler und globaler Schwingungszustände, was zu einer irregulären Abfolge von Zuständen führt. Für die Reaktivität des C3+ wurde beobachtet, dass es unterhalb von 50 K die höchste Reaktivität besitzt und darüber deutlich abnimmt. Auf dieses Verhalten liefert die Schwingungsanalyse keine Antwort, da bis selbst zur Raumtemperatur keine thermische Schwingungsanregung statt finden kann.
Within this thesis a series of molecular species has been studied, with focus on hydrogen bonded species and on (solvated) transition metal complexes. Experimental techniques such as FT-ICR-MS and IRMPD were combined with ab initio calculations for the determination of structure and reactivity of the aforementioned types of systems. On the basis of high level electronic structure calculations of neutral water clusters (H2O)n with n = 17-21 a transitional size regime has been determined, where a structural stabilization between all-surface and interior configurations alternates with the addition or removal of a single water molecule. Electronic structure calculations suggested that for n = 17 and 19 the interior configuration would be energetically more stable than the all-surface one. The gas phase infrared spectrum of the singly hydrated ammonium ion, NH4+(H2O), had previously been recorded by photodissociation spectroscopy of mass selected ions and interpreted by means of ab initio calculations. The present work provides additional information on the shape of the potential energy curves of NH4+(H2O) along the N-H distance on MP2/aug-cc-pVDZ level of theory yielding an anharmonic potential shape. Calculation of potential energy curves of the O-H mode of the intramolecular hydrogen bond of various dicarboxylic acids (oxalic to adipic acid) revealed that the shapes of the potentials directly correlate to the size of the system and the resulting ring strain The shape of the potential is also influenced by the charge of the system. Calculation of anharmonic frequencies based on the VPT2 approach lead to reasonable results in all systems with narrow potentials. IRMPD spectra of complexes in the gas phase have been recorded for a series of cationic vanadium oxide complexes when reacted with acetonitrile, methanol and ethanol. The experimental spectra are compared to calculated absorption spectra. The systematic DFT study identifies potential candidates for reductive nitrile coupling in cationic transition metal acetonitrile complexes. On the basis of the calculations, the formation of metallacyclic structures in group 3 through 7 complexes can be ruled out. Solvation of the transition metal cation by five acetonitrile ligands leads to a reductive nitrile coupling reaction in three types of complexes, namely those containing either niobium, tantalum or tungsten.
Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen Bismut-Aren-Komplexe der Reihen [(C6H6)BiCl3-n]n+ (n = 0 – 3) und [(MemC6H6-m)BiCl3] (m = 0 – 3). Außerdem wurden die leichteren Homologen [(C6H6)SbCl3] und [(C6H6)AsCl3] untersucht, um Gruppentrends zu erkennen. Es wurden auch die zu den Komplexen [(C6H6)BiCl3-n]n+ (n = 1 – 3) isoelektronischen Blei-Aren-Komplexe mit in die Betrachtungen einbezogen. Von prinzipiellem Interesse ist der Komplex [(C6H6)2Pb]2+, der als Prototyp eines bent-Sandwich-Bis(aren)hauptgruppenelement-Komplexes aufzufassen ist. Die Strukturen der Neutralkomplexe und Komplexkationen wurden auf MP2(fc)/6-31+G(d)(C,H);SBKJC(d)(Bi,Cl)-Niveau optimiert. Die Wechselwirkungsenergie in [(C6H6)BiCl3] beträgt –23 kJ/mol (MP4). Betrachtungen der Elektronenlokalisierungsfunktion und der Molekülorbitale trugen zum Verständnis der Bindungsverhältnisse in den untersuchten Aren-Komplexen bei. Eine Kristallstrukturanalyse bestätigte die gefundenen Trends der Rechnungen. Die Aren-Komplexe mit leichteren Zentralatomen sind weniger stabil. Außerdem steigt die Stabilität mit der Basizität des Aren-Liganden leicht und mit der Ladung der Komplexe stark an. Zur Untersuchung (B3LYP/6-311+G(d)) der Bindungsverhältnisse im P4-Ring des Tetrakis(amino)-1l5,3l5-Tetraphosphets und der P-P-Bindung seines [2+2]-Cycloreversionsprodukts wurden die Elektronenlokalisierungsfunktionen, wichtige Molekülorbitale, Bindungsordnungen, berechnete chemische Verschiebungen der Phosphorkerne und kernunabhängige chemische Verschiebungen betrachtet. Danach kann für die P-P-Bindung im P4-Ring des Tetraphosphets ein beträchtlicher p-Bindungsanteil angenommen werden. Die P-P-Bindung im [2+2]-Cycloreversionsprodukt kann als elektronisch ungewöhnliche, durch Coulombkräfte verkürzte Doppelbindung verstanden werden. Bei präparativen Arbeiten zu funktionalisierten Aminoarsanen wurde vor einiger Zeit ein Tetrakis(amino)diarsan mit einer außerordentlich langen As-As-Bindung (2,673(3) Å) erhalten. Quantenchemische Rechnungen (B3LYP/6-31+G(d)) bestätigen und unterstützen diesen Befund und räumen letzte Zweifel im Zusammenhang mit der kristallstrukturanalytischen Bestimmung der Bindungslänge aus.
In der vorliegenden Arbeit wurden mittels ab initio Methoden die Strukturen und Eigenschaften sowie das Reaktionsverhalten der kationischen Zwischenstufen einer nucleophilen und einer elektrophilen Substitution untersucht. Geometrieoptimierungen wurden unter Verwendung des B3LYP-Dichtefunktionals durchgeführt, Energien und Enthalpien aus Coupled-Cluster (CCSD(T))-Rechnungen gewonnen. Standardmäßig wurde der Basissatz 6-31++G(d,p) benutzt. Im ersten Teil der Arbeit stand die Frage im Mittelpunkt, welchen Einfluss eine Aminosubstitution am Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kation auf dessen Reaktionsverhalten im Vergleich zum Grundkörper hat und ob sich die experimentell beobachteten Produktbilder der nucleophilen Substitution mit der Annahme dieser Zwischenstufe vereinbaren lassen. Die Reaktions- und Aktivierungsenergien der beiden Teilschritte einer nucleophilen S(N)1-Reaktion an chlor-substituierten Amino-Bicyclo[3.1.0]hexanen unter Gegenwart von Methanol und Methanolat-Anionen sowie der Isomerisierungswege des intermediären Amino-Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kations wurden in CCSD(T)-Rechnungen ermittelt. Der Einfluss des Lösungsmittels Methanol auf die Energien wurde unter Verwendung des C-PCM-Modells bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit eines NH2- oder Morpholin-Substituenten zwar wenig an den elektronischen Eigenschaften des Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kations ändert, jedoch neue Reaktionswege, insbesondere Möglichkeiten zur Isomerisierung eröffnet. Die Energiebarrieren dieser Prozesse liegen jedoch durchweg über denen eines nucleophilen Angriffs, so dass die Bildung eines thermodynamisch stabilen, methoxy-substituierten Produktes die vorherrschende Reaktion bleibt und keine isomeren Kationen zu erwarten sind. Der Aminorest erzeugt aus sterischen Gründen und durch die von ihm bewirkte Erhöhung des Dipolmomentes im Trishomocyclopropenylium-Kation eine hohe Regioselektivität zugunsten eines nucleophilen Angriffs an Ringposition beta-C(3), was die aus Sicht der Experimentatoren dringendste Frage nach den Ursachen des regio- und stereochemischen Verlauf der Substitution beantwortet. Im zweiten Teil der vorliegenden Dissertation wurden die Strukturen der sigma- und pi-Komplexe der protonierten Aromaten Benzol, Toluol und Mesitylen bestimmt sowie die Energieprofile der in diesen Verbindungen ablaufenden 1,2-Hydridverschiebungen berechnet. Darüber hinaus wurden für Benzol und Mesitylen die Strukturen von Arenium-Aren-Komplexen und Arenium-Tetrachloroaluminat-Verbindungen ermittelt und die Energetik von Protonentransfers innerhalb dieser Spezies untersucht. Als Ergebnis liegt eine umfassende Datenbasis zur Energetik von intra- und intermolekularen Wasserstoffverschiebungen vor. Die von allen aufgeführten Spezies unter Verwendung der SQM-Methode simulierten Schwingungsspektren erlauben es, bestimmte Verbindungen und Zwischenstufen in Zukunft zuverlässiger und schneller zu identifizieren. Es zeigten sich durchweg sehr gute Übereinstimmungen mit Daten aus IR-, NMR-, MS- und Röntgenstruktur-Experimenten. Einige offene Fragen, wie etwa Auffälligkeiten in den Kristallstrukturen, konnten beantwortet werden. Viele bisher nur qualitativ bekannte Fakten können anhand der erarbeiteten Daten in einem neuen Licht betrachtet werden. Die vorliegenden quantenchemischen Daten bestätigen in den untersuchten Fällen die Beobachtungen der Experimentatoren und liefern darüber hinaus eine fundierte Basis für detaillierte Modellvorstellungen über den Mechanismus von Substitutionsreaktionen, die über substituierte Trishomocyclopropenylium-Kationen oder protonierte Alkylbenzole verlaufen.