基于密度泛函理论计算得出的低自旋锌氧化态的极限:氟化锌配合物 [ZnFₙ]ₓ,其中 n = 1 至 6,x = 2⁺ 至 3⁻,包括含有 η¹-F₂⁻、1-η¹-F₃⁻ 和 1,3-η₂-F₃⁻ 配体的配合物

时间:2026年2月7日
来源:Computational and Theoretical Chemistry

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密度泛函理论计算表明,气相中氟化锌[ZnFn]x(n=1-6,x=2+至3-)可稳定存在Zn(VII)([ZnF5]²+)和Zn(-I)([ZnF]²−)等极端氧化态,并首次发现含η¹-F₂和1,3-η²-F₃配体的锌化合物。

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Lowen M. Hobbs | Hanna D. Hobbs | Robert W. Zoellner
化学与生物化学系;加州州立理工大学,洪堡分校,Harpst街1号;Arcata,CA 95521-8299,美国

摘要

在ωB97X-D/6–311 + G*理论水平上,对单重态和双重态氟锌配合物[ZnFnx](其中n=1至6,x=2+至3-)进行了密度泛函理论计算,以确定这些配合物中可能存在的最高正氧化态和最低负氧化态。所有氟锌配合物的化学计量比都稳定了锌(III)和锌(II)。最高正氧化态出现在[ZnVIIF5]2+(四方锥形)和三角双锥形配合物中。还观察到了最低负氧化态,如锌(0)在[Zn0F2]2−中,以及锌(single bondI)在[Zn-IF]2−中。无法优化出电荷高于2+或低于3-的单重态或双重态氟锌配合物。然而,发现了含有η(Hobbs等人,n.d.1)-F2配体的配合物,例如三螺旋形的[ZnII(ηHobbs等人 (n.d.)1-F2)2+,以及含有η(Hobbs等人,n.d.1)-F3-和1,3-ηZoellner等人 (2018)2-F3配体的配合物。

引言

最近,有一项关于同核氟铜单重态或双重态配合物[CuFnx](其中n=1至6,x=3+至5-)中低自旋铜氧化态极限的计算研究[1]。结果表明,从理论上讲,当铜与氟化物配体结合时,铜的氧化态可以从铜(VIII)到铜(-IV)不等,并且可以像在气相中孤立存在一样进行计算。该研究未观察到任何表明铜配合物中存在其他类型氟化物配体的计算重排。
早期的一项报告[2]基于密度泛函理论的结果指出,高正镍氧化态(最高可达镍(IX))在四方平面[NiO4]+阳离子和四面体[NiO4]2+二阳离子中是可行的。然而,尽管氟取代基的电负性高于氧取代基,但在同核氟镍配合物中未发现高于镍(V)的镍氧化态[2]。(遗憾的是,该报告没有研究氧镍或氟镍配合物的负氧化态。)氧镍配合物的计算结果强烈表明,氟取代基无法支持与氧取代基相同的高氧化态。通过对氟铜配合物[1]的研究,从计算角度回答了氟取代基是否可以支持高于铜(V)的氧化态或负氧化态的问题。
为了继续探讨金属采用高正氧化态或低负氧化态的能力,本文报告了基于密度泛函理论对气相中孤立氟锌配合物[ZnFnx](其中n=1至6)稳定性的计算研究结果,其中x的电荷范围从6+到6-。虽然许多这些电荷/氧化态组合显然不现实,无法得到稳定的、可优化的最小值,但测试了如此广泛的正负电荷状态,以明确确定这些氟锌配合物中锌氧化态的极限,并确保没有无意中遗漏更高正电荷或更低负电荷的物种。这些配合物中锌的氧化态是根据其他文献[3]描述的,最初是基于氟配体的。
没有发现任何氟原子是通过路易斯酸-路易斯碱相互作用与锌结合的。然而,在涉及[ZnF3]x物种的计算重排过程中,观察到了一个η1-结合的二氟分子,这些初始几何结构(ITGs)仅包含与锌结合的氟原子。这种η1-F2配体尚未在实验中观察到,但已在一篇简短的计算报告中进行了研究,该报告同时研究了η1-和η2-F2配体与铂或铬中心的结合[4]。在这项当前研究中,这些η1-F2配体被视为中性基团[3]——本质上是一种路易斯酸-路易斯碱络合——用于确定锌的氧化态。此外,计算过程中的重排还表明在某些结构中存在1-η1-F3-和1,3-η2-F3-配体;这些配体在确定锌氧化态时被视为单阴离子[3],这与三卤化物和多卤化物阴离子的已知性质一致[5]。
了解氧化态的极限[6]有助于开发化合物家族内的分类方案,并更好地解释配体取代和氧化还原过程。然而,氧化态的概念有时具有误导性[7],目前这是许多研究的重点[8]。本研究的目标是在ωB97X-D/6–311 + G*密度泛函理论水平上,理论确定孤立同核氟铜配合物以及含有η1-F2-, 1-η1-F3-和1,3-η2-F3-配体的配合物中可以支持的最高正氧化态和最低负氧化态。每种氟锌配合物都是在最低自旋态下研究的,即根据配合物的化学计量比和总电荷,作为单重态或双重态。

计算方法

所有计算都是使用程序包[9]在ωB97X-D/6–311 + G* [10]密度泛函理论水平上进行的。用于孤立阴离子、中性及阳离子氟锌系统以及含有一个、两个或三个η1-F2配体的系统的初始几何结构(ITGs)包括:[ZnF2}、[ZnF(η1-F2)和[Zn(η1-F2)2的线性和弯曲结构;[ZnF3}、[ZnF(η1-F2)、[ZnF(η1-F2)2和[Zn(η1-F2)3的三角平面、三角锥形和T形结构。

结果与讨论

对每种Zn:F化学计量比(从1:1到1:6)的孤立氟锌配合物的计算结果进行了单独讨论,并与实验数据和其他可用计算数据进行了比较。锌的氧化态极值分别为[ZnVIIF5]2+中的锌(VII)和[Zn-IF]2−中的锌(single bondI)。虽然只发现了一种锌(single bondI)和一种锌(VI)配合物是稳定的,但所有从锌(single bondI)到锌(VII)的锌氧化态都得到了体现。

结论

在ωB97X-D/6–311 + G*密度泛函理论水平上的计算结果表明,单重态和双重态氟锌配合物中的锌可以采取比之前想象更广泛的氧化态,从[Zn-IF]2−中的锌(single bondI)到[ZnVIIF5]2+中的锌(VII)。这些配合物的总电荷范围从3-到2+。此外,至少在气相中,含有η1-F2配体的配合物可能非常普遍。

CRediT作者贡献声明

Lowen M. Hobbs:撰写 – 审稿与编辑,研究,概念化。 Hanna D. Hobbs:撰写 – 审稿与编辑,研究,概念化。 Robert W. Zoellner:撰写 – 审稿与编辑,原始草稿撰写,监督,软件使用,资源获取,项目管理,方法论,资金获取,概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家科学基金会的课程、课程和实验室改进计划(NSF-9950344)在初期购买计算机和计算化学软件方面提供的慷慨支持,所有这些工作都是基于此软件进行的。此外,还从化学系、自然资源与科学学院以及研究和研究生办公室获得了配套资金和其他支持。

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