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研究生: 孫秉鍵
Sun, Bian-Jian
論文名稱: 以理論計算的方式進行(1)不同系列的熔鹽中氫鍵之影響及(2)CFxH4-x 及 BFxH4-x- 內的負超共軛現象之研究
Studies of (1) H-bonding in various series of Ionic Liduids and (2) Negative Hyper -conjugation(NHC) in CFxH4-x- and BFxH4-x- by Molecular Calculations
指導教授: 王小萍
Wang, Shao-Pin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 127
中文關鍵詞: 熔鹽負超共軛氫鍵
外文關鍵詞: Ionic Liquids, Molten Salts, Negative hyperconjugation
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  • 在熔鹽的眾多研究中,當某些熔鹽離子對中可能有氫鍵這問題被提出後,已吸引了許多人投入這項研究。在本研究中,我們選擇以理論計算的方式來研究含有BF4- 或 PF6- 的離子對中的氫鍵。本研究採用的陽離子分別為ammonium ions, pyridium ion 以及某些 imidazolium ions (Im+)。經由分析B-F•••H 中氫與氟的距離,可觀察到 NR3H+ 陽離子與 BF4- 所形成的離子對的氫鍵最強,再來是 PyH+最弱的是Im+ 陽離子。分析其軌域作用能量亦可得到相同的結論。如果將離子對中的陰離子改為 PF6- 依舊可得到如 BF4- 時的結果。而在 ammonium ions (氨鹽陽離子)系列中發現不管陰離子為 BF4- 或PF6- 其傾向皆為 NH4+ > NR3H+ > NR2H2+NRH3+。
    19F 及 31P (I皆為1/2)因為其磁旋比高且其天然含量高(約100%),因此其NMR 光譜靈敏度高,僅次於氫,因此從他們的化學位移變化來研究氫鍵的形成應該會是很好用的光譜技術。31P 的核磁共振光譜的偶極-偶極(dipole-dipole)弛緩時間測定的實驗亦可提供為研究氫鍵之方法。至於11B的核磁共振光譜的四極(quadrupolar)弛緩時間測定的實驗最近已被引用來測定氫鍵訊息。
    另外,在氟甲烷的E(2)分析中發現,當氟的取代數目增加時,其負超共軛(NHC)的作用能量也跟著增加。這個現象也由各種不管是理論計算或是實際的實驗得到相同的結果。經由E(2)值的分析,我們發現NHC可用於判斷BFxH4-x 系列中其B-F鍵結的強度。更進一步,我們發現 NHC 可用來解釋 BF4- 的氟原子上的負電荷為何減少到幾乎與 PF6- 的氟原子相近。因此我們也認為 NHC 是造成 BF4- 在與陽離子形成氫鍵的能力不如預期強的重要原因。

    Hydrogen bonding between the counter ions for a number of room temperature ionic liquids has attracted numerous research interests. In the present work, we perform a theoretical investigation of H-bonding in ion pairs containing BF4- or PF6-. The cations under this study are ammonium ions, pyridium ion and some imidazolium ions (Im+). Through the B-F•••H distances, it is found that the NR3H+ cations form strongest H-bonding with BF4-, followed by PyH+ and then the Im+ cationss. Analysis of the values of orbital interaction energies also leads to the same conclusion. The same studies conducted on the ion-pairs containing PF6-, again, indicates the same trend of capability forming H-bonding, major field of these NR3H+ > PyH+>Im+. Within the ammonium ion series, the tendency for H-bond formation obtained is NH4+ > NR3H+ > NR2H2+NRH3+.

    The calculated shielding constants of fluorine and phosphorous manifest that both 19F and 31P (I=1/2 for either nucleus) NMR are promising spectroscopic tool for probe of H-bonding since these isotopes not only possess high gyromagnetic ratio but also natural abundance (100%). The electric field gradient of the boron atom changes with hydrogen-bond formation, indicating a non-zero quadrupole coupling constant, , for boron. Therefore, measurements the values of  for 11B through nuclear quadrupole resonance spectroscopy provide another available technique for similar studies.

    Analysis of the magnitudes of E(2) in the fluoromethanes reveal that the degree of negative hyperconjugation (NHC) increases with increasing number of fluorine substitution. This observation is consistent with the trend reported in literature acquired theoretically or experimentally. Employing values of calculated E(2), we have found that NHC can account for the B-F bond strength in the BFnH4-n series. Futhermore, the concept of NHC can be applied for rationalizing the lower negative charge of the F-atoms than expected as compared to those on F-atoms in PF6- anion. We also propose that the NHC effect in BF4- plays an important role for reducing its ability in forming H-bonding with cations under this study.

    摘要..........................................................I ABSTRACT....................................................III 目錄.........................................................IV 重要的英文縮寫及其中文譯名.................................XIII 第一章、緒論..................................................1 第二章、理論背景..............................................3 2-1、室溫熔鹽的簡介...........................................3 2-2、氫鍵.....................................................3 2-2-1、從量子力學看氫鍵的本質.................................4 2-2-2、氫鍵對熔鹽性質的影響...................................5 2-3、元始計算.................................................5 2-3-1、分子軌域模型的簡介.....................................6 2-3-2、基底...................................................9 2-3-3、限定自洽場與非限定自洽場計算方法簡介...................9 2-3-4、分析方法..............................................10 2-4、電場梯度................................................12 2-4-1、電場梯度的理論........................................12 2-4-2、電埸梯度和核四極偶合常數..............................13 2-5、負超共軛................................................19 2-5-1、負超共軛之歷史回顧....................................19 2-5-2、以分子軌域的觀點來說明負超共軛現象....................22 第三章、計算方法.............................................25 3-1輸入座標(Input orientation)的建立.........................25 3-2 元始計算(ab initio calculation)..........................25 3-2-1 採用的計算條件.........................................25 3-2-2 計算流程...............................................26 3-2-3 計算的指令.............................................27 第四章、結果與討論...........................................28 4-1、各離子對的電場梯度、遮蔽常數及電荷變化之綜合分析........28 4-1-1、NHx(ET)4-x+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之綜合分析..........29 4-1-2、B、P、N 原子的綜合分析................................34 4-1-3、EMI+(1-ethyl-3-methylimidazolium)、DMI+ (1,3-di -methylimidazolium) 與 BF4- 及 PF6- 離子對之綜合分析................................35 4-1-4、(Py)H+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之綜合分析...............37 4-2、各離子對的 S 軌域成分之分析.............................38 4-2-1、NHx(ET)4-x+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之S軌域成分之分析...39 4-2-2、DMI+、EMI+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之S軌域成分分析......42 4-2-3、(Py)H+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之S軌域成分之分析........43 4-3、NBO 數據分析............................................44 4-3-1、NHx(ET)4-x+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之 NBO 分析.........44 4-3-2、DMI+、EMI+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之 NBO 分析..........47 4-3-3、(Py)H+ 與 BF4- 及 PF6- 離子對之 NBO 分析..............47 4-4、NMR與NQR光譜技術於氫鍵偵測的應用........................48 4-5、負超共軛................................................49 4-5-1、CFxH4-x 的理論計算數據分析............................50 4-5-2、BFxH4-x- 的理論計算數據分析...........................50 4-5-3、CFxH4-x、BFxH4-x- 之比較..............................51 4-5-4、負超共軛對 BF4- 及 PF6- 的電荷值的影響................51 表一、NH4 - x(ET)x-BF4所有氟的電荷變化值.....................54 表二、NH4 - x(ET)x-BF4所有氟的電場梯度變化值.................55 表三、NH4 - x(ET)x-BF4所有氟的遮蔽常數變化值.................55 表四、NH4 - x(ET)x-PF6所有氟的電荷變化值.....................56 表五、NH4 - x(ET)x-PF6所有氟的電場梯度變化值.................56 表六、NH4 - x(ET)x-PF6所有氟的遮蔽常數變化值.................57 表七、NH4-PF6中四號氟及七號氟與氫的距離......................58 表八、(Py)H、DMI、EMI-BF4所有氟的電荷變化值..................58 表九、(Py)H、DMI、EMI-BF4所有氟的電場梯度變化值..............58 表十、(Py)H、DMI、EMI-BF4所有氟的遮蔽常數變化值..............59 表十一、(Py)H、DMI、EMI-PF6所有氟的電荷變化值................59 表十二、(Py)H、DMI、EMI-PF6所有氟的電場梯度變化值............60 表十三、(Py)H、DMI、EMI-PF6所有氟的遮蔽常數變化值............60 表十四、(Py)H、DMI、EMI系列熔鹽中B、P、N的電荷變化值.........61 表十五、(Py)H、DMI、EMI系列熔鹽中B、P、N的電場梯度變化值.....61 表十六、(Py)H、DMI、EMI系列熔鹽中B、P、N的遮蔽常數變化值.....62 表十七、NH4 - x(ET)x 系列熔鹽中B、P、N的綜合比較表...........63 表十八、NH4-BF4 及NH4-PF6之NBO數值{E(2)值}...................64 表十九、NH3(ET)-BF4 及NH3(ET)-PF6之NBO數值{E(2)值}...........64 表二十、NH2(ET)2-BF4 及NH2(ET)2-PF6之NBO數值{E(2)值}.........65 表二十一、NH(ET)3-BF4 及NH(ET)3-PF6之NBO數值{E(2)值}.........66 表二十二、DMI -BF4 及DMI -PF6 之NBO數值{E(2)值}..............67 表二十三、EMI -BF4 及EMI -PF6 之NBO數值{E(2)值}..............68 表二十四、(Py)H -BF4 及 (Py)H -PF6 之 NBO數值{E(2)值}........68 表二十五、BMI -BF4 及BMI -PF6 之NBO數值{E(2)值}..............69 表二十六、CF4 及BF4- 之NBO數值{E(2)值}.......................70 表二十七、CHF3 及BHF3- 之NBO數值{E(2)值}.....................71 表二十八、CH2F2 及BH2F2- 之NBO數值{E(2)值}...................71 表二十九、BF4- 及PF6- 之X-F鍵的S軌域成分.....................71 表三十、NH4-BF4 及NH4-PF6 之X-F鍵的S軌域成分.................72 表三十一、NH3(ET)-BF4 及NH3(ET)-PF6 之X-F鍵的S軌域成分.......72 表三十二、NH2(ET)2-BF4 及NH2(ET)2-PF6 之X-F鍵的S軌域成分.....72 表三十三、NH(ET)3-BF4 及NH(ET)3-PF6 之X-F鍵的S軌域成分.......73 表三十四、DMI-BF4 及DMI-PF6 之X-F鍵的S軌域成分...............73 表三十五、EMI-BF4 及EMI-PF6 之X-F鍵的S軌域成分...............73 表三十六、BMI-BF4 及BMI-PF6 之X-F鍵的S軌域成分...............74 表三十七、(Py)H -BF4 及(Py)H -PF6 之X-F鍵的S軌域成分.........74 表三十八、BF4- 及CF4之綜合比較...............................74 表三十九、BHF3- 及CHF3之綜合比較.............................75 表四十、BH2F2- 及CH2F2之綜合比較.............................75 表四十一、BH3F- 及CH3F之綜合比較.............................75 表四十二、CFxH4-x 及BFxH4-x-生成熱關係表.....................76 表四十三、CFxH4-x 及BFxH4-x- 之bonding 及 antibonding 之能量...76 圖一、NH4-BF4 所有氟的電荷變化值................................77 圖二、NH4-BF4所有氟的電場梯度(EFG)變化值......................77 圖三、NH4-BF4所有氟的遮蔽常數變化值.............................78 圖四、NH4-BF4的預測結構圖及重要的氟與氫的距離...................78 圖五、NH4-PF6所有氟的電荷變化值.................................79 圖六、NH4-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值......................79 圖七、NH4-PF6所有氟的遮蔽常數變化值.............................80 圖八、NH4-PF6的預測結構圖.......................................80 圖九、NH4- PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離示意圖............80 圖十、NH3(ET)-BF4所有氟的電荷變化值.............................81 圖十一、NH3(ET)-BF4所有氟的電場梯度變化值.......................81 圖十二、NH3(ET)-BF4 所有氟的遮蔽常數變化值......................82 圖十三、NH3(ET)-BF4 的預測結構圖及重要的氟與氫的距離............82 圖十四、NH3(ET)-PF6所有氟的電荷變化值...........................83 圖十五、NH3(ET)-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值..................83 圖十六、NH3(ET)-PF6所有氟的遮蔽常數變化值.......................84 圖十七、NH3(ET)-PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離.............84 圖十八、NH2(ET)2-BF4所有氟的電荷變化值..........................85 圖十九、NH2(ET)2-BF4所有氟的電場梯度(EFG)變化值.................85 圖二十、NH2(ET)2-BF4所有氟的遮蔽常數變化值......................86 圖二十一、NH2(ET)2-BF4的預測結構圖及重要的氟與氫的距離..........86 圖二十二、NH2(ET)2-PF6所有氟的電荷變化值........................87 圖二十三、NH2(ET)2-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值...............87 圖二十四、NH2(ET)2-PF6所有氟的遮蔽常數變化值....................88 圖二十五、NH2(ET)2-PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離..........88 圖二十六、NH(ET)3-BF4所有氟的電荷變化值.........................89 圖二十七、NH(ET)3-BF4所有氟的電場梯度(EFG)變化值................89 圖二十八、NH(ET)3-BF4所有氟的遮蔽常數變化值.....................90 圖二十九、NH(ET)3-BF4的預測結構圖及重要的氟與氫的距離...........90 圖三十、NH(ET)3-PF6所有氟的電荷變化值...........................91 圖三十一、NH(ET)3-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值................91 圖三十二、NH(ET)3-PF6所有氟的遮蔽常數變化值.....................92 圖三十三、NH(ET)3-PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離...........92 圖三十四、EMI-BF4所有氟的電荷變化值.............................93 圖三十五、EMI-BF4所有氟的電場梯度(EFG)變化值....................93 圖三十六、EMI-BF4所有氟的遮蔽常數變化值.........................94 圖三十七、EMI-BF4的預測結構圖及重要的氟與氫的距離...............94 圖三十八、EMI-PF6所有氟的電荷變化值.............................95 圖三十九、EMI-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值....................95 圖四十、EMI-PF6所有氟的遮蔽常數變化值...........................96 圖四十一、EMI-PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離...............96 圖四十二、DMI-BF4所有氟的電荷變化值.............................97 圖四十三、DMI-BF4所有氟的電場梯度(EFG)變化值....................97 圖四十四、DMI-BF4所有氟的遮蔽常數變化值.........................98 圖四十五、DMI-BF4 的預測結構圖及重要的氟與氫的距離..............98 圖四十六、DMI-PF6所有氟的電荷變化值.............................99 圖四十七、DMI-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值....................99 圖四十八、DMI-PF6所有氟的遮蔽常數變化值........................100 圖四十九、DMI-PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離..............100 圖五十、(Py)H-BF4所有氟的電荷變化值............................101 圖五十一、(Py)H-BF4所有氟的電場梯度(EFG)變化值.................101 圖五十二、(Py)H-BF4所有氟的遮蔽常數變化值......................102 圖五十三、(Py)H-BF4的預測結構圖及重要的氟與氫的距離............102 圖五十四、(Py)H-PF6所有氟的電荷變化值..........................103 圖五十五、(Py)H-PF6所有氟的電場梯度(EFG)變化值.................103 圖五十六、(Py)H-PF6所有氟的遮蔽常數變化值......................104 圖五十七、(Py)H-PF6的預測結構圖及重要的氟與氫的距離............104 圖五十八、CFxH4-x之生成熱......................................105 圖五十九、BFxH4-x之生成熱......................................105 圖六十、AM1的計算流程圖........................................106 圖六十一、元始計算的計算流程圖.................................107 圖六十二、Hartree-Fock模型.....................................108 圖六十三、核與電場梯度的關係...................................108 圖六十四、超共軛軌域作用關係圖.................................109 參考文獻.......................................................110

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    下載圖示 校內:2004-08-08公開
    校外:2004-08-08公開
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