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茂金属配合物{o—[OPh(CO2)(R)]Zr(C5H4SiMe3)2}(R:NO2,CN,Ph,OH,Me)的电子结构研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第3期 2 0 0 2年6月 衡阳师范学院学报(自然科学) Journal of Hengyang Normal University(Natural Science) NO.3Vo1.23 Jun.2 0 0 2 茂金属配合物{0一[OPh(CO,)(R)-]Zr(C5 H4SiMe3 2) (R:NO2,CN,Ph,OH,Me)的电子结构研究 邝代治 冯泳兰 张复兴 王剑秋 许志锋 (衡阳师范学院化学系,湖南衡阳421008) 摘 要 运用G98W,采用STO-3G基组。对茂金属配合物{o-[OPh(CO2)(R)]Zr(C。H SiMe。)2)(R:(1), NO2,(2).CN。(3).Ph。(4).OH,(5).Me)进行从头算研究。探讨这些配合物结构单元的稳定性、分子轨道能量、 原子净电荷布居规律,以及一些前沿分子轨道的组成特征等,为催化活性研究和分子设计提供理论参考. 关键词 茂锆配合物;从头算 中图分类号:0641.12l 文献标识码:A 文章编号:1002--073X(2002)O3—00Ol—O6 由于茂锆金属配合物作为催化剂具有很大的性和单一的催化中心,自从Sinn—Kaminsky等发现二 茂锆/甲基铝氧烷[Cp ZrC1 /MAO(Methyl Aluminoxane)]对乙烯聚合具有超高活性以来,茂金属催化 剂的研究成为近2O多年来非常活跃的研究领域之一L1 ],大量的茂金属化合物、特别是硅烷连茂锆(钛、 铪)金属配合物相继被合成并用作烯烃聚合催化剂.研究表明,茂锆(钛、铪)金属配合物与助剂之间形 成活性中心L6 ],配合物电子不饱和性,使烯烃很容易与M配位而削弱M—R键,并使烯烃插入到M—R 之间形成烯烃聚合,因此,茂金属配合物结构微小改变就可使其对烯烃聚合的催化性能发生很大变化,这 种影响牵涉到中心原子的种类和价态、茂金属配合物的稳定性和配体的空间结构与其取代基的电子效应、 桥联的变换等等.然而,配合物的结构与催化活性关系的研究大多依赖于实验.深入茂金属配合物的分子 结构、成键特征和电子性能研究,对于阐明和催化剂设计具有重要意义.前文我们用ab initio方法对{0一 [OPh(CO )]Zr(C。H SiMe ) }配合物及其氯代苯衍生物进行优化计算 ,发现三甲硅基作为供电基和氯 原子的存在有利于配合物结构的稳定性,为了系统地探索该类茂金属配合物的电子结构,本文对{。一[-OPh (CO )(R)]Zr(C5 H SiMe。) }[C(39)的H用R取代,R:(1).NO ,(2).CN,(3).Ph,(4).OH,(5).Me]的 电子性质和分子轨道成份进行理论研究,探讨电子结构和催化剂性能的影响,为研究催化反应提供依据. 1计算与研究方法 在Gview/Builder构建分子用于Gaussian98W[9]程序,采用ab initio HF方法,在最小基组STO一 3G水平对茂锆配合物{0一[OPh(CO )(R)]Zr(C。H SiMe ) }[R:(1).NO ,(2).CN,(3).Ph,(4).OH,(5). Me]的分子结构进行全优化和分子轨道成份分析,如图1为优化(1)的结构(图中的原子为计算编号). 全部计算在Pentium微机上完成. 2结果与讨论 2.1 结构稳定性分析 根据ab initio HF方法,在STO-3G基组,优化得到几何结构参数,表1列于出配合物(1)的部分 收稿日期:20O2一O5—1 t 基金项目:湖南省自然科学基金(ooJJY2Ol 0)和湖南省教育厅重点资助项目(00A004) 维普资讯 http://www.cqvip.com 衡阳师范学院学报(自然科学) 2OO2年第23卷 键参数,键长、键角的标号见图1.由表1和图1可 知,两个茂环与中心zr原子形成配合,原子间距在 0.24~0.25nm之间,用Cp—Zr间的电荷密度来估 价键级,茂环与Zr之间几乎是离子键性质,水杨酸 分别以两个氧原子与Zr形成0.1996、0.1967nm的 Zr—O强共价键,构成一个六边形结构,苯环和茂 C(5 一C(30)C(32) q" /0(2) 0(3) 环分别共平面性良好,茂环上的两个三甲硅基成反 位排列使空间位阻减小, O—Z卜O键角87.13。,所 有这些键参数与类似的茂锆化合物类似,表明理论 研究能较好地反映该类金属配合物的结构. 茂锆配合物结构单元的整体稳定性与前沿分子 轨道能量和体系能密切相关,体系能越低和前沿分 子轨道能级越负,结构单元状态才稳定,其光电子 c4( /{l丫丫Cc ̄341 (3 7)(j C(40) /Y.CJc(38) l l lN((3599) ) 0(60) \o(61) 能谱才有物理意义,从表2可知,与未含Me Si基 的茂锆配合物相比,三甲硅基的存在使体系1~j产 图1 优化配合物(1)的结构模型 生不同程度的稳定能,其中3体系能最低,AE达到1031.9a.u.,在配合物中羧基间位分别用NOz、CN、 Ph、OH和Me取代H后,衍生物体系能级更低.它们的占据分子轨道能级均为负值,HOMO能级约低 于一0.2a.u.,且衍生物的HOMO能级也相应下降,这种能量变化和能量的一致性,表明了本来较为稳 定的配合物(D一[OPh(CO )]Zr(C。H SiMe ):},其衍生物又产生稳定化能,体系稳定性:(3)>(i)>(2) >(4)>(5).因此,Me。Si和间位R存在,使结构更稳定,有可能以所示结构单元存在.另一方面,从氧 化还原或电荷转移的角度分析,此茂锆结构单元电荷转移的难易主要与前沿轨道能级有关,计算得到的一 些前沿分子轨道能级如表2,HOMO能级低,占据HOMO电子难以发生电荷转移,它们失去电荷的难度 为:(i)>(2)>(5)>(3)>(4);相反,LUMO能级越高,获取电荷越难,接受电荷的能力:(1)>(2)> (3)>(4)>(5),一旦获取电子,形成的激发态不稳定.因此,标题化合物都是较为稳定的单元结构,将 成为烯烃聚合的催化剂. / 9 ㈣ 表1 配合物(1)的几何结构参数 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年第3期 邝代治等:茂金属配合物{D_[()Ph(C( )(R)]zr(G HI SiMeI) }(R:N()2.CN,Ph,()H,Me)的电子结构研究 3 2.2 原子净电荷布居规律 Mulliken布居分析得到原子净电荷如表3所示,显示出茂锆配合物电荷布居的一些特点:(1)茂环 (C17 ̄C24)碳电荷遵循极性交替规律,茂环(C25~C32)和苯环的电荷极性交替变得不明显,与三甲 硅基相连茂环碳的电荷密度较大,三甲硅基是供电基;(2)配合物中zr、si和羧基碳C(34)原子集中了 大部分正电荷,甲基碳和氧原子集中了大量负电荷,茂环虽荷负电,但与配合前的Me SiCsHi的电子布 居相比(环碳原子分别荷一0.159、0.1498和0.2966,甲基碳荷~一0.38e,Si荷正0.9097),配体三甲 硅基环戊二烯基负离子通过Cp电荷向中心原子转移,通过Cp—Si键向甲基分散;(3)基团R引入苯环, 电荷布居规律未发生明显变化,但R的引入使Zr和Si原子的正电荷略有下降,影响到与苯环相连的羧基 碳、氧原子的电荷密度减低;(4)未有三甲硅基取代茂环配合物的原子电荷比对应的配合物的原子电荷 低,这应归属于三甲硅基的影响,硅烷基充当供电基,使Zr的正电荷分散,成为更稳定结构的催化活性 中 c . 表3配合物的电荷布居分析 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 衡阳师范学院学报(自然科学) 2002年第23卷 2.3 成键特征及活性探讨 为探索作为催化剂的茂锆配合物的电子结构与成键特征,我们以优化得到的几何构型为基准,对茂锆 配合物分子轨道进行系统分析,用参与组合的各类原子或分子片的轨道系数的平方和来表示该部分在分子 轨道中的贡献,并经归一化.以(1)为例,把{o一[OPh(CO2)(NO )]Zr(Me SiC。H ) )(1)配合物除羧 基碳外的所有非氢原子分为九部分:(a)Zr原子;(b)苯酚氧O(I);(c)羧基氧O(11);(d)Si原 子;(e)甲基碳原子C(I);(f)茂环碳原子C(n);(g)苯环原子C(1lI);(h)硝基氮N原子;(i)硝 基氧原子O(1lI),前线占有轨道和未占有轨道各取2O个,计算结果如表4所示. 表J配合物(1)的分子轨道组成(%)(HF/STO-3G) 从表4得知,最高占有轨道141(HOMO)的电子云主要集中在酚氧原子和苯环碳以及茂环碳原子上, 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年第3期 邝代治等:茂金属配合物{tr[OPh(C()z)(R)]zr(eH.SiMea)z)(R .CN,Ph,OH,Me)fllj电子结构研究 HOMO HOMO LUMO LUMO十2 图2配合物(1)的前沿分子轨道不恿图 从轨道成份上看,电子云主要由C、O的p一兀轨道成份构成,S成份较少,其中O原子占29.17 ,苯环 C占46.65 ,茂环碳占17.9l ,Zr只占0.34 .次最高占有轨道140(HOMO—1)的电子云集中在硝基 O原子(99.86 )上,主要由O原子的P轨道构成.139(HOMO-2)电子云集中在茂碳上(59.54 ), 其次在zr和苯碳稍有体现,还是p一兀轨道成份构成,Si和甲基C只在较深的轨道中占有一定成份.最低 未占轨道142(LUMO)的电子云主要集中在Zr原子、苯环碳原子和硝基上,Zr原子上12.6l 主要由Zr 的d一兀。轨道成份构成,S成份较少,且Zr在较深轨道中也占有较大成份,在硝基中主要由p一兀 轨道成份 构成;在143(I UMO十1)轨道大量电子云集中在zr原子上,主要由zr与茂环的d一7【’轨道成份构成.其 它轨道以非键的形式进入到分子轨道.电子从基态跃迁到激发态时,将酚氧原子、茂环和苯环兀电子转 移到Zr原子上,苯环还将部分电子转移到硝基N、O原子上.从图2更能清晰地看出前沿轨道组成特征. 2.4 催化活性分析 在STO一3G基组计算了一些烯烃的前沿轨道能级,乙烯:一0.33551(H),0.32828(I );丙烯:一 0.3l630(H),0.33082(L);l一丁烯:一0.3599l(H),0.19183(L);2一丁烯:一0.34457(H),0.20l88 (L);苯乙烯:一0.25175(H),0.23006(L);对硝基苯乙烯;一0.26725(H),0.1584l(L);对甲基苯乙 烯:一0.24310(H),0.23179(L);对乙烯基苯甲酸:一0.25809(H),0.19345(L);对氯苯乙烯:一 0.26328(H),0.20815(L);对氰基苯乙烯:一0.26767(H),0.18473(L);对乙酰基苯乙烯:一0.25280 (H),0.19679(L)a.u..配合物的最低未占分子轨道能级:(5)>(4)>(3)>(2)>(1),从能级相近的观 点 10,11],与烯烃的最高占有轨道能级越相近越能起作用,因此,从前沿轨道能级分析,在上述直链烯烃 中,与l一丁烯的能级相当,在芳烃中随苯环的取代基性质不同能级有明显的差异,对位联吸电基苯乙烯 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 衡阳师范学院学报(自然科学) 2002年第23卷 的前沿占有轨道能更相匹配,更容易进行配位作用, 从而对相应的烯烃进行活化,尤其对硝基取代配合物 能级最相近,因此,可能是该烯烃的催化活性中心, 有望成为吸电子基取代苯乙烯的催化聚合催化剂. 参考文献: [1 3 Gupta V K,Satish S,Bhardwaj 1 S.Metallocene complex of group 4 elements in the polymerization of monoolefins[J] J.M.S.一Rev.Macromo1.Ci,em.Phys..1 994.C34(3):439—514. [23 Reddy S S,Sivaram S.Homogeneous Metallocene--MethyIaIuminoane Catalyst Systems for Ethylene Polymerization[J] Prog.Polym.S(‘i..1995,20(2):309‘367. Kaminsky W。Berk A,Steiger R.Stereospecific Polymerization by Metallocene Aluminoxane Catalysts[J].J.Mo1. [3] Cata1.。l992.74(1~3):109—1l9. elee A E,Soares J P B.Polymerization Reaction Engineering--Metallocene Catalysts[J].P, .polym。Sci., [4] Hamil996。21(4):651—706. [5] 周秀中,王佰全,徐善生.均相烯烃聚合催化剂的进展[J].化学通报.1996,5:l-5. eyunas Y W,Guo,,,Jordan R F.Structure and Reactivity of(C5 H{Me)2Zr(CH2CH zR)(CH3CN)n+Complex. [63 AlCompetition between Insertion and B—H Elimination[J].Organomet..1993,12(2):544—553. Jordan R F,Bajgur R S,Scott B el a1. Ethylene Polymerization by a Cationic DicyIopentadienyI zirconium(IV)Alkyl [7] Complex[J].J.An,.Chem.Sot"..1986.108(23):7410‘7411. [8]邝代治.冯泳兰,张复兴.王剑秋,许志锋.茂金属配合物{0一[OPh(COz)]Zr(Me。SiQH )z}的电子结构研究[J].衡 阳师范学院学报,2001,22(6):i-7. [93 Aeleen,F.,Michael,J.F.;Gaussian 98 Users Reference[z].Gaussian,Inc.,Garnegie Office Park,Bldg.6 Pit— taburgb.Pal5 1O6USA. [1O]黄贻深,吴季怀.二氯二茂锆络合物的有效势从头计算[J].华侨大学学报(自然科学版),2000,2l(2):138・ 140. [11]黄贻深.茂金属锆络合物的有效势从头计算[J].化学通报(网络版).2000.13:c00090. Study on Electronic Structures of Zirconocenes {D一 ̄OPh(CO2)(R)]Zr(Me3 SiC5 H4)2)(R:NO2,CN,Ph,OH,Me) KUANG Dai—zhi FENG Yong・lan ZHANG Fu—xing WANG Jian‘qiu XU Zhi‘feng (Chemistry Department.Hengyang Normal University,Hengyang Hunan 421008) Abstract:Electronic structures and properties of zirconocenes{0一[OPh(CO2)(R)]Zr(C5 H4SiMe3)2}[R:(1).NO2.(2).CN. (3).Ph,(4).OH,(5)]has been calculated by means of G98W package and with STO-3G basis set.The stabilities of the conl— plexes.some of frontier molecular orbital energies.the populations of the atomic net charges in these complexes and the com— position characteristics of some frontier molecular orbits have been investigated.Some results obtained may be useful as refer— ences for catalytic system. Key WOrds:zirconocenes;ab initio 

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