通过电子结构计算设计碳硼烷分子架构

抽象的

采用量子机械电子结构计算来探讨通过分子单位组装通过组装聚羰烷架构综合设计的初步步骤。考虑的方面是（i）通过取代，（ii）Endohedral碳钢烷基和用于能量/离子/原子/能量存储/传输的提出的喷射机制，（iii）在单一和二聚体分子单元中的激发状态特征，（iv）更高的建筑结构。这项工作的目标是找到最佳的架构，其中碳硼烷超级整流厂内的原子/离子/能量/旋转运输是可行的，以便现代化和改善未来的光电入过程。

1.介绍

由于在过去几十年中发现的丰富的合成路线，新的硼烷和碳硼烷分子的数量大幅增加了[1那2］．我们利用自下而上的方法和电子结构计算设计了二十面体的硼烷和碳硼烷分子结构，从单个分子开始，以及直接连接或通过桥连接的二聚体单元[3.-16.］．这种单个和二聚体单元的电子，磁，光学和其他性能的知识照亮了对1D，2D或3D超级全级超级全级功能的全局性质的评价[17.-22.］．光线用来改变纳米结构的性质是当前的尖端技术的核心。因此，光子晶体的照射可以改变它们的导电性能[23.]控制旋转运输。[24.那25.我们现在使用电子结构计算来探索基于碳纳的架构的第一设计阶段，其具有分子和纳米光化学的潜在用途。

2.计算方法

对于在这项工作中研究的化合物中的电子结构的计算，我们采用了不同的方法。作为Triplet和其他兴奋状态的基准，我们使用了完整的活动空间自我一致字段（Casscf）[26.]他们的扰动方法（Caspt2）[27.]，如在Molcas中实施的[28.] 程序。为了优化地下甾酸盐和三联状态的几何形状，使用众所周知的B3Lyp混合动力车，该杂交组合了Hartree-Fock和密度函数理论[29.-31.]在Gaussian03计划中实现[32.］．BECKE，三参数，lee-yang-parr（b3lyp）混合交换相关性（）功能构造为Hartree-Fock精确交换功能的线性组合（)和给定数量的交换和相关显式密度泛函(X和CAs分指标分别对应exchange和correlation):=+ 0.20+ 0.72+ 0.81，LDA和GGA代表局部密度近似和广义梯度近似。关于在本工作中呈现的僵尸中的单次三联能间隙的计算中，我们使用CASSSCF / CASPT2方法作为基准模型 - 多引导波功能基于六个分子轨道分布的六个电子的活动空间（66） - 与破裂对称（U）B3LYP [33.-35.]方法：在后者中，估计单态三重态能量差距=， 在哪里那那， 和支架破碎对称溶液的能量，三重态状态的能量和期望值（旋转算子的正方形）分别用于破碎对称和三重态状态。在所有研究中，我们使用过6-31和6-31 +基集，其是双ζ质量并含有所有非氢原子的偏振功能（6-31）各种非氢原子的偏振加弥散功能（6-31 +分别)。当需要检查计算属性的有效性和准确性时，使用了更大的基集。

3。结果与讨论

纳米科学的目标N.D维（=)由单个0D单元(分子/簇/原子/离子)组成的网络是为了确定作为建筑单元功能的系统的全局或局部属性。外部扰动(如电磁场)会导致什么变化或变化?如果单个单元可以被修改，那么由这些单元构建的网络的属性会发生多大程度的变化?我们已经从众所周知的二十面体开始讨论了这类问题ortho.那荟萃， 和par碳砾和硼烷单位 [36.)建设D维网络并探索其属性[18.那19.那37.-40］．虽然自20世纪60年代以来已知这些化合物的性质由其组成的D维网络较少。本节介绍几何和电子属性的变化，那这些系统作为取代基的函数进行，收费，旋转那以及波浪功能的性质， 因此=（）。我们还考虑直接连接的内皮和二聚体结构，或用桥接单元连接。

我们建立了那种醒目的变化（超过1 ！）在笼中的碳 - 碳距离（）发生在1,2-漂白的-Carboranes和相应的圆领（通过双重质子抽象正式形成）[8.］．数字1表明距离1.62.5 作为充电和取代基的函数;B3LYP / 6-31模型用于计算。在这里，我们应该强调，将电子电荷送入笼子导致逐渐转变开盘对A.奈多那arachno， 要么hy几何结构类型[41］．这种系统的三重态态[9.]（见图2）还揭示了丰富的结构品种。

（一种）

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（d）

（一种）
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图1

单线态的优化几何形状（总旋转=0）：（a）1,2-，（b）1,2--1，2-， （C），（d）1,2--1，2-。使用B3LYP / 6-31进行计算模型。所有几何形状对应于能量最小值。

（一种）

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图2

_{2 10. 12. 2 2 2 10. 10. 2 10. 10.} ^{2- -} _{2 2 10. 10.} Triplet状态的优化几何形状（总旋转=1）: (a) 1,2-CB.。。H，（b）1,2-（nh）1那2摄氏度B.。。H， （C）[1那2摄氏度B.。。H]，（d）1,2-（nh）1那2摄氏度B.。。H。使用UB3LYP / 6-31执行计算模型。所有几何形状对应于能量最小值。

数字2显示相同的三重态状态的优化几何形状O.-Carboranes和图中考虑的圆领1作为单线的地位;数字3.显示相应的旋转密度。三重态状态显示有趣的扭曲和几何布置：例如，在三重态状态几何形状中出现六边形窗口-Carborane（图2（a））和距离增加了1 ！！三联体中的氨基1,2--1,2-基本上是平面的（图2（b））和距离增加了0.7 。双重质子抽象后，三联侧面的距离（图2（c）和2（d））保持相似O.-1,2-达尔硼烷但增加到2.85埃 --1,2-三态状态几何（图2（d））。

（一种）

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（一种）
（b）
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图3

2 _{2 10. 12. 2 2 2 10. 10. 2 10. 10. 2 2 10. 10.} 旋转密度（Isovalue =±0.01）用于三重态状态（总旋转=1）来自图的碳钢簇。（一种）1，2-C。B.。。。H，（b）1，2-（NH.）1那2摄氏度B.。。H， （C）[1，2-CB.。。。H，和（d）1，2-（N.）1那2摄氏度B.。。H。使用UB3LYP / 6-31执行计算模型。

旋转密度（图3.）在这些集群中主要集中在周围exo.团体nh.₂一个并在笼子上。为了-Carborane（图2（a）），旋转密度围绕“打开”正面六角形窗口（图3（a））。

关于电子结构性质，综合研究的结果[9.绝热单态-三重态能隙的=（)-一系列替代品-Carboranes在图中绘制4.。绝热单态三重态能量间隙被计算为三联网和单向状态优化几何形状之间的能量差：=。对于图中显示的结果4.，计算在(U)B3LYP/6-31使用理论水平，后者用更精确的Caspt2方法校准。由于一些间隙在电磁频谱的可见区域内，如果交叉过程是合理的，相应的系统应该显示光化学吸收/排放特性[42］．

图4.

_{2 2 10. 10. 2 2 10. 10.} 用于一系列1,2-二取代的ICOSAHELLAL的绝热单态 - 三联能量间隙（在EV中）两次质子抽象后的肉碳酸和他们的圆领。空心和全方形分别对应于中性-1,2-（r）的绝热单态 - 三重态能量间隙1那2摄氏度B.。。H-相应的Dianionic Carborane-1,2-（）1那2摄氏度B.。。H-双重质子抽象。所有计算与（U）B3LYP / 6-31执行方法。

插入碳钢笼内内的内致原子/离子是改变形成的单个单元的性质的另一种可能性D网络[10.-12.那43那44］．虽然Endohedral碳硼硼烷尚未通过实验实现，但最近的计算研究表明比插入/喷射机制应该是合理的，使用光子能量为李约6.4 eV⁺和[10.]（见图5.）。

图5.

_{11. 12.} 10. Endohedral Li @ CB的光化学演变H在吸收辐射时碳硼烷复合物导致内原子的选择性释放。该方案基于量子化学Caspt2 // DFT / B3Lyp和Caspt2 // Casscf计算，后者在两个轨道中有两个电子的有效空间;较大的有效空间几乎在相同的结果[］．ISC：Intersystem Crossing。

实现类似于图中所示的弹出机制5.，在A.D维碳钢网，通过分子和纳米光化学的光化学分子开关开辟了能量/原子/离子运输的许多机会。

使用Endoheohe硼烷和碳硼烷的可能性可以进一步在纳米科学应用中进一步利用。例如，图中显示的二聚体单元的偶极矩中的戏剧性变化6.作为EndoheDral原子的位置的函数，呼叫电场中的潜在应用，例如分子冷凝器或主要可取向的分子装置。

（一种）

（b）

（C）

（d）

（一种）
（b）
（C）
（d）

图6

_{11. 11. 2 10. 11. 11. 11. 2 10. 11. 12. 11. 2 10. 11. 12. 11. 2 10. 11.} 二聚体碳硼烷系统组合中性-Carborane和要么单位，通过C-C和C-B键连接。偶极矩（德拜德）在B3LYP / 6-31计算理论水平。（一种）李@ CB.H--CB.。。。。。。。。H，（b）CB.。。H-李@-CB.。。。。H， （C）是@ B.H--CB.。。。。。。。。H，和（d）B.。。H-是@-CB.。。。。H。代表偶极矩的箭头不是规模（c）和（d），因为对于偶极矩的后端骨骼复杂与（c）的复杂相比，与复杂相比的70倍！

来自电子结构计算的（汽车）硼烷的这些​​描述说明了通过效果改变其性质的可能性exo.substitution-specifically在-carboranes-或通过endo插入/弹射机制。如果能制备出这样的内面体化合物，它们肯定会对外部扰动(如电磁辐射)做出反应。我们现在正在探索基于上述单元在不同维度上扩展系统的后果。有限(无限)聚合会产生什么性质?答案并不简单;必须应用几种理论方法。

具有近乎简并单态 - 三重态能量间隙的僵尸系统，例如图中的那些7.，是单个单元的属性如何随时间变化的例子旋转作为参数。通过加入两个构建的二级系统由乙炔桥的激进术，CC，也说明了这一原则。高阶量子化学计算表明，这种双基具有单态基态和能量略高的三重态(0.005 ev，按顺序在室温下） [15.］．数字8.显示三重态的旋转密度和“破碎对称”单倍肌型态。

（一种）

（b）

（C）

（一种）
（b）
（C）

图7.

_{2 10. 12. 2 10. 12. 2 10. 12.} P. 13. 碳硼烷单双和二聚体双层型型型几乎简化单态和三联电子态的几个例子。（一种）-（3,6）从1,2-c中的位置3和6的氢抽取衍生自氢抽取B.。。H要么-Carborane：该系统的绝热单态 - 三重态能量隙=0.06eV。（b）-（2那4.）双自由基，由1,7- c中位置2和4的氢抽离而来B.。。H要么-Carborane：该系统的绝热单态 - 三重态能量隙=0.04eV。（C）-（2,4）从1,12-c中的位置2和4的氢抽取衍生自氢抽取B.。。H要么-Carborane：该系统的绝热单态 - 三重态能量隙=0.04eV。每个系统上的点代表“未配对”电子。使用Casscf和Caspt2方法计算几何和能量[］．

（一种）

（b）

（一种）
（b）

图8

ρ _S. （a）旋转密度适用于三重态（=±0.001）。（b）破碎对称单态型旋转旋转密度（=±0.001）。UB3LYP / 6-31 + G（D）// UB3LYP / 6-31 + G（D）计算。不同的颜色代表网和旋转密度。

4。结论

硼烷和碳硼烷簇合物的性质可以通过改变(i)exo.取代基，（ii）波函数（例如，单线相对三重态)，以及(iii)嵌入单体或二聚体单元的内面体原子或离子，导致非常大的偶极矩。我们还预测了通过光化学开关原子/离子喷射的理论机制。我们的电子结构计算已经建立了从改性碳硼烷建筑单元开始建造更高建筑的模式。我们的目标是在不同的维度上控制硼烷和碳硼烷网络中的原子、离子、自旋或能量传输，目标是纳米科学和纳米技术的核心。高等结构的精细化依赖于分子组装方面的实验突破，比如始于20世纪90年代的那些用一维连接形成线性杆的实验[18.那19.］．例如，高尺寸构建体中的那些9.，可包括笼子内的胚乳原子。几何形状可以通过exo.取代基。随着所得未配对电子的旋转可能在不同方向上划分，抽象氢原子也会改变性质。这些可能性，与图中的尚未成熟的构造8.，是研究能够与电磁场相互作用的有限或无限网络的研究目标和起点。

（一种）

（b）

（C）

（d）

（一种）
（b）
（C）
（d）

图9

par ortho. y 不同的较高建筑结构-Carborane（=O.rtho.，meta，para）作为建筑单位。（a）1D-炼金/无限的C键链碳硼烷集群。(b)由上至下连接的一维亚甲基有限链/无限链-碳硼烷簇合物通过两个B-H基团。(c)一个“二维”中性有限对象，它可以延伸到无限和分别创建2D无限网络。（d）由H，B，C和O原子组成的“3D”有限中性物体，并形成氧连接的碳砾石超簇。该对象可以扩展到无限远那， 和方向。（c）和（d）的几何形状用Hartree-Fock / STO-3G方法进行了优化。

致谢

该研究得到了西班牙MEC/FEDER、MAT2006-13646-C03-02、CTQ2007-61260和CSD2007-0010 Consolider-Ingenio分子纳米科学项目的支持，并在美国获得了乔治亚州国家科学基金会的CHE-0716718和德克萨斯州休斯顿韦尔奇基金会的dd -0894资助。

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