C50(D5h)衍生物-异质富勒烯C48P2的分子行为理论研究

高等学校化学学报 ›› 2009, Vol. 30 ›› Issue (6): 1219.

C₅₀(D_5h)衍生物-异质富勒烯C₄₈P₂的分子行为理论研究

许秀芳, 尚贞锋, 李瑞芳, 赵学庄

南开大学化学系, 天津 300071

收稿日期:2008-04-01 出版日期:2009-06-10 发布日期:2009-06-10
通讯作者: 许秀芳, 女, 博士, 副教授, 主要从事量子化学计算和分子动力学模拟. E-mail: xxfang@nankai.edu.cn
基金资助:
国家“九七三”计划(批准号: 2006CB932900)资助.

Theoretical Studies on Molecular Behavior of C₅₀(D_5h) Derivative: Heterofullerene C₄₈P₂

XU Xiu-Fang*, SHANG Zhen-Feng, LI Rui-Fang, ZHAO Xue-Zhuang

Department of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China

Received:2008-04-01 Online:2009-06-10 Published:2009-06-10
Contact: XU Xiu-Fang, E-mail: xxfang@nankai.edu.cn
Supported by:
国家“九七三”计划(批准号: 2006CB932900)资助.

摘要/Abstract

摘要：

用半经验的AM1和MNDO方法以及密度泛函B3LYP/3-21G方法对C₅₀(D_5h)的衍生物C₄₈P₂的所有可能的异构体进行了系统的理论研究. 优化了稳定构型, 计算了生成热、HOMO-LUMO能级差、NICS值、红外光谱及电子光谱, 并与C₄₈X₂(X=B, N)的分子行为进行了比较. 计算结果表明: (1) C₄₈P₂的最稳定异构体是异构体C₄₈P₂-78, 该异构体对应于赤道位置六元环内的1,4-取代产物; (2) 决定C₄₈P₂异构体稳定性的主要因素是碳笼的张力, 而稳定性和芳香性之间没有明显的相关性; (3) 相对较稳定的C₄₈P₂异构体的HOMO-LUMO能级差比C₅₀的HOMO-LUMO能级差大; (4) 计算出的红外光谱以及电子光谱可以供实验参考; 计算出的NICS 值也可以用来表征C₄₈P₂各异构体. (5) C₄₈P₂与C₄₈X₂(X=B, N)具有相同的取代选择性规律及稳定性决定因素, 并且相对较稳定的异构体均具有比C₅₀本体大的HOMO-LUMO能级差.

关键词: 异质富勒烯, 几何结构, 稳定性, 光谱

Abstract:

A systematic investigation on all possible P-doped C₅₀(D_5h) isomers C₄₈P₂ was performed using the semiempirical methods AM1 and MNDO and density functional theory method B3LYP/3-21G. The equilibrium geometrical structures, heats of formation, HOMO-LUMO energy gaps, aromaticity, infrared vibrational spectrum and electronic absorption spectrum were studied. Further, the molecular behavior was compared with those of C₄₈X₂(X=B, N). The results indicate that: (1) the isomer C₄₈P₂-78, which corresponds to 1,4-substitution in the six-membered ring located on the equator, is the most stable isomer for C₄₈P₂. (2) The driving force governing the stabilities of the present studied C₄₈P₂ isomers is the strain being inherent in the C₅₀ cage, while the stability doesn′t correlate with the aromaticity. (3) The more stable C₄₈P₂ isomers have larger HOMO-LUMO energy gap compared with C₅₀. (4) The vibrational spectra and electronic absorption spectra of these substituted fullerenes have been calculated, which could serve as a framework to interpret future experimental results. The computed nucleus independent chemical shifts(NICS) values also provide a basis for the possible characterization of these C₄₈P₂ isomers. (5) C₄₈P₂ and C₄₈X₂(X=B, N) have the same rule of doping and governing force of stability, and larger HOMO-LUMO energy gap compared with C₅₀.

Key words: Heterofullerene, Geometrical structure, Stability, Spectrum

TrendMD:

许秀芳, 尚贞锋, 李瑞芳, 赵学庄. C₅₀(D_5h)衍生物-异质富勒烯C₄₈P₂的分子行为理论研究. 高等学校化学学报, 2009, 30(6): 1219.

XU Xiu-Fang*, SHANG Zhen-Feng, LI Rui-Fang, ZHAO Xue-Zhuang. Theoretical Studies on Molecular Behavior of C₅₀(D_5h) Derivative: Heterofullerene C₄₈P₂. Chem. J. Chinese Universities, 2009, 30(6): 1219.

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C₅₀(D_5h)衍生物-异质富勒烯C₄₈P₂的分子行为理论研究

Theoretical Studies on Molecular Behavior of C₅₀(D_5h) Derivative: Heterofullerene C₄₈P₂

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