铂和铱化合物催化碳氢活化及钌催化水氧化的理论研究

【摘要】：利用高精度计算方法，研究Ir-和Pt-催化C-H活化过程中依赖于过渡金属的自旋轨道耦合（SOC）和核外层价电子相关效应。所涉及的催化剂复合物的氧化态有：Ir(I), Ir(III), Pt(0),和Pt(II)。结果表明对这些含5d重过渡金属分子体系，SOC效应和核外层价电子相关效应对C-H活化过程的影响接近～1kcal/mol的数量级，所以在进行精确计算时就应该把这部分的影响考虑在内。所研究体系的趋势为：(1)SOC效应一致的增加了C-H活化能垒并且高价氧化态(Pt(II)和Ir(III))明显高于低价氧化态(Pt(0)和Ir(I))；(2)配位饱和度越低的体系核外层(5s5p)价电子相关影响越大。基组对核外层价电子相关的影响也是很大的，大基组趋向于增加C-H活化能垒。 基于单核Ru的水氧化催化剂(WOCs)对水分解已构成了一类重要的水氧化催化剂。对这个工作，我们系统的研究了单核Ru的WOCs的Ru-O2复合物，重点是在不同的电子态和几何构型下水协助O2释放的热力学过程。通过大量的DFT计算表明影响O2释放的热力学的因素有：(1)来自Ru配体环境的空间位阻效应；(2)O2对位配体所产生的对位效应；(3)邻位氧的配位效应；(4)碳配位效应；(5)Ru的配位强度。它们中的这些效应可能选择性的稳定/不稳定Ru-O2和Ru-OH2中的态/构象，由此影响O2释放的热力学过程。找出O2释放热力学的合理化因素，有助于我们更好理解Ru催化水氧化这一步。