Sc3C2@C80与[12]CPP纳米环之间非共价相互作用的理论研究

doi:10.7503/cjcu20220457

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 20220457.doi: 10.7503/cjcu20220457

Sc₃C₂@C₈₀与[12]CPP纳米环之间非共价相互作用的理论研究

刘洋¹, 李旺昌¹, 张竹霞²(), 王芳³, 杨文静⁴, 郭臻⁴, 崔鹏()

^1.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 2. 化学学院, 太原 030024
^3.山西师范大学磁性分子与磁信息材料教育部重点实验室, 太原 030031
^4.太原理工大学材料科学与工程学院, 太原 030024
^5.贵州财经大学信息学院, 贵阳 550025

收稿日期:2022-07-01 出版日期:2022-11-10 发布日期:2022-09-06
通讯作者: 张竹霞,崔鹏 E-mail:zhangzhuxia@tyut.edu.cn;pcui@mail.gufe.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21963004);山西省自然科学基金(201901D111109);贵州省教育厅青年科技人才成长项目(QJH-KY-2017-142)

Theoretical Exploration of Noncovalent Interactions Between Sc₃C₂@C₈₀ and ［12］Cycloparaphenylene Nanoring

LIU Yang¹, LI Wangchang¹, ZHANG Zhuxia²(), WANG Fang³, YANG Wenjing⁴, GUO Zhen⁴, CUI Peng()

^1.Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials
^2.College of Chemistry，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^3.Key Laboratory of Magnetic Molecules and Magnetic Information Materials，Shanxi Normal University，Taiyuan 030031，China
^4.College of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^5.School of Information，Guizhou University of Finance and Economics，Guiyang 550025，China

Received:2022-07-01 Online:2022-11-10 Published:2022-09-06
Contact: ZHANG Zhuxia,CUI Peng E-mail:zhangzhuxia@tyut.edu.cn;pcui@mail.gufe.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21963004);the Natural Science Foundation of Shanxi Province, China(201901D111109);the Young Scientific and Technological Talents Growth Project of Guizhou Provincial Department of Education, China(QJH-KY-2017-142)

摘要/Abstract

摘要：

金属富勒烯嵌套于纳米环内形成主客体系, 二者产生的主客体作用可诱导内部金属团簇的取向, 影响分子的电子结构等性质. 本文基于密度泛函理论(DFT)计算, 对碳纳米环[12]CPP(CPP=环苯撑, 主体分子)与金属富勒烯Sc₃C₂@C₈₀(客体分子)形成的主客体配合物的结构和性质进行了研究. 计算结果表明, 在最稳定构型中, [12]CPP呈现椭圆形, Sc₃C₂@C₈₀与[12]CPP的质心不再重合. Sc₃C₂@C₈₀在[12]CPP内旋转对构型总体能量影响仅为13.51 kJ/mol. [12]CPP向Sc₃C₂@C₈₀转移了0.03 e, 主客体分子之间存在弱相互作用. 对二者相互作用的分析结果表明, 色散作用在弱相互作用中占主导地位.

关键词: 金属富勒烯, 碳纳米环, 密度泛函理论, 弱相互作用

Abstract:

The encapsulations of fullerenes by carbon-nanorings are of great interest because of their unique molecular structure and special properties. The host-guest interaction between them can induce the orientation of metal ions and change the molecular electronic structure. However， due to experimental di?culties， there are many opportunities for the computational efforts to deeply research the intrinsic features of π-π noncovalent interactions of the fullerene?cycloparaphenylene（CPP） carbon-nanoring host-guest systems. Herein， the molecular carbon nanoring of ［12］cycloparaphenylene was used to hoop the C₈₀-based metallofullerene Sc₃C₂@C₈₀. The structures and properties of the host-guest complex were systematically characterized by density functional theory（DFT） calculations. It was found that ［12］CPP is deformed because of the asymmetrical attraction of ［12］CPP to Sc₃C₂@C₈₀. The centroids of Sc₃C₂@C₈₀ and ［12］CPP no longer coincide. The results also showed that the influence of rotation of Sc₃C₂@C₈₀ in ［12］CPP on the overall energy of the configuration is only 13.51 kJ/mol. Moreover， charge population analysis shows that 0.03 electrons are transferred from ［12］CPP to Sc₃C₂@C₈₀ during the formation of Sc₃C₂@C₈₀?［12］CPP. Weak interactions between host-guest systems can be further partitioned with the help of energy decomposition analysis（EDA）. EDA analysis shows that dispersion is dominant. These results provide theoretical support for the study of host-guest systems based on metallofullerenes.

Key words: Metallofullerene, Carbon-nanoring, Density functional theory, Weak interaction

中图分类号:

O641

TrendMD:

刘洋, 李旺昌, 张竹霞, 王芳, 杨文静, 郭臻, 崔鹏. Sc₃C₂@C₈₀与[12]CPP纳米环之间非共价相互作用的理论研究. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220457.

LIU Yang, LI Wangchang, ZHANG Zhuxia, WANG Fang, YANG Wenjing, GUO Zhen, CUI Peng. Theoretical Exploration of Noncovalent Interactions Between Sc₃C₂@C₈₀ and ［12］Cycloparaphenylene Nanoring. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220457.

图/表 12

Fig.1 Rotation diagram of Sc3C2@C80(A) and relative energy diagram of 34 isomers(B)

Fig.2 Interfacial distances between the centroid of the paraphenylene unit of [12]CPP and the nearest centroid of the hexagon or pentagon of C80(A), diagram of the bat ray cluster(B) and the trifoliate cluster(C) in Sc3C2@C80?[12]CPP

Table 1 Geometric parameters of Sc3C2 clusters

Geometry	d（Sc1—C1）/ nm	d（Sc2—C1）/ nm	d（Sc3—C1）/ nm	d（Sc2—C2）/ nm	d（Sc3—C2）/ nm	d（Sc1—Sc2）/ nm	d（Sc1—Sc3）/ nm	d（Sc2—Sc3）/ nm	d（C1—C2）/ nm
Bat ray cluster in C₈₀	0.209	0.223	0.224	0.214	0.214	0.336	0.337	0.416	0.129
Trifoliate cluster in C₈₀	0.209	0.224	0.224	0.213	0.214	0.362	0.371	0.397	0.130
Bat ray cluster in C₈₀?［12］CPP	0.208	0.227	0.227	0.212	0.211	0.354	0.378	0.394	0.128
Trifoliate cluster in C₈₀?［12］CPP	0.209	0.223	0.223	0.213	0.214	0.377	0.353	0.398	0.130
Bat ray ^［32］ in cluster C₈₀	0.200	0.229	0.222	0.215	0.201	0.341	0.371	0.399	0.129

Fig.3 Electrostatic potential(ESP) on the vdW surface(namely, isosurface of ρ=0.001 a.u.) for the [12]CPP(A), Sc3C2@C80(B) and Sc3C2@C80?[12]CPP(C), the color??lled contour line map of ESP of the Sc3C2@C80?[12]CPP(D)Blue， red， and white represent the areas of most negative， most positive， and zero electrostatic potential severally.

Fig.4 Spin density of Sc3C2@C80(A) and Sc3C2@C80?[12]CPP(B)

Fig.5 Compositions and energy levels diagram of frontier orbital of the [12]CPP, Sc3C2@C80 and Sc3C2@C80?[12]CPP

Fig.6 NPA charge of Sc3C2@C80(A) andSc3C2@C80?[12]CPP(B)

Table 2 Electron ionization potential(IP) and electron affinity(EA)

System	IP/eV	EA/eV
Benzene	8.86	-2.10
［12］CPP	5.88	1.05
Sc₃C₂@C₈₀	6.68	2.87
Sc₃C₂@C₈₀?［12］CPP	6.15	2.63

Fig.7 Diagram of the Sc3C2@C80 goes across the [12]CPP

Fig.8 Energy decomposition analysis diagramThe dC—C means the distance between the center of the guest Sc3C2@C80 and the center of the host ［12］CPP.

Fig.9 Percentage contribution of the ΔEdisp, ΔEorb and ΔEelstat

Fig.10 Visualized weak interaction regions(A) and the scatter graph(B) of the Sc3C2@C80?[12]CPP

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Sc₃C₂@C₈₀与[12]CPP纳米环之间非共价相互作用的理论研究

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