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ChemiAndy木蟲 (正式寫手)
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[交流]
Zn能否以正3價(jià)氧化態(tài)存在？最新一篇JACS純gauss計(jì)算文章評(píng)述 已有14人參與
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鹵素，F(xiàn), Cl, Br, I具有強(qiáng)烈的吸電子能力。其吸電子能力可以通過(guò)計(jì)算它們的電子親和能得到，即X吸收一個(gè)電子形成X-所需的能量。Cl具有鹵素中最高的電子親和能，3.6eV。但是，你能不能設(shè)計(jì)一個(gè)具有更高電子親和能的物質(zhì)？這種物質(zhì)對(duì)工業(yè)中所需要的強(qiáng)氧化過(guò)程非常有用。 可以。BO2和AuF6就是這樣的具有更高電子親和能的物質(zhì)，稱為superhalogen，“高級(jí)鹵素”，其形成BO2(-)和AuF6(-)陰離子的電子親和能分別為4.5和8.4。 還能不能找到更高電子親和能的物質(zhì)？能，通過(guò)把F, BO2， 和AuF6這樣的superhalogen和過(guò)渡金屬陽(yáng)離子結(jié)合形成配合物，它們的電子親和能會(huì)更高，稱為hyperhalogen，超級(jí)鹵素。這就是弗吉尼亞理工的Puru Jena用電子親和能玩出來(lái)的概念。他和他的研究生Devleena Samanta不斷設(shè)計(jì)新的具有高電子親和能的各種配體。 設(shè)計(jì)能夠穩(wěn)定存在的超級(jí)鹵素，關(guān)鍵是要讓高級(jí)鹵素和極度缺電子的過(guò)渡金屬陽(yáng)離子結(jié)合，而且結(jié)合的高級(jí)鹵素越多越好。過(guò)渡金屬由于d軌道不滿，容易形成多種高配位數(shù)的配合物。 他們最近發(fā)表在JACS上的一篇文章，“Zn的+3價(jià)氧化態(tài)”，不僅設(shè)計(jì)出了電子親和能高達(dá)9.4的超級(jí)鹵素Zn(AuF6)3，而且理論上預(yù)測(cè)了一種穩(wěn)定存在的非常不尋常的Zn的氧化態(tài)，+3（作者強(qiáng)調(diào)為氧化態(tài)，或者配位態(tài)，而非陽(yáng)離子價(jià)態(tài)）。我們知道Zn的電子組態(tài)時(shí)3d10,4s2，因此，一般只有+2價(jià)；但是，既然同族的Hg被證實(shí)可以有+4價(jià)，為什么Zn不可以有+3價(jià)？（Hg的+4價(jià)也是理論預(yù)測(cè)存在，并在長(zhǎng)達(dá)20年后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)存在的。）他們?cè)谶@篇文章中，通過(guò)純的DFT理論計(jì)算，預(yù)測(cè)了超級(jí)鹵素Zn(AuF6)3的穩(wěn)定存在。具體是不是真的存在。。。who knows? 純理論計(jì)算發(fā)JACS還是比較難的，尤其是純的B3LYP/6-311+g*，除非這個(gè)計(jì)算背后的理論或者概念足夠重要。 不過(guò)，我認(rèn)為這篇文章的對(duì)Zn的+3價(jià)的確定并非無(wú)懈可擊，甚至可以說(shuō)有重大缺陷，令人很難信服。這篇預(yù)測(cè)一種新型Zn氧化態(tài)配合物的文章背后涉及兩個(gè)基本的計(jì)算理論問(wèn)題：第一，怎么證明你設(shè)計(jì)的，或者通俗說(shuō)你用GaussView搭出來(lái)的一堆原子組成的化合物真的能夠穩(wěn)定存在，尤其是一個(gè)從來(lái)沒有人觀測(cè)到過(guò)的Zn3+價(jià)態(tài)？第二，你怎么確定你的那堆配合物中Zn真的是+3氧化態(tài)？因?yàn)閷?duì)于非離子型化合物，確定原子化合價(jià)是比較困難的。 對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，即怎么驗(yàn)證一個(gè)假想中的化合物能在實(shí)際中穩(wěn)定存在，作者的回答還是比較好的。確定假想化合物熱力學(xué)能夠穩(wěn)定存在，需要分析這個(gè)假想化合物各種不同的可能組成形式(構(gòu)象)，和各種不同的可能的分解形式，然后說(shuō)明哪種狀態(tài)下能量最低：是處于化合態(tài)時(shí)的能量低，還是處于解離態(tài)能量低。比如， H3明顯是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，因?yàn)榉謩e優(yōu)化計(jì)算H3, H2和H得到其能量，可知H3-->H2 + H反應(yīng)是放熱的。因此H3只是假象中的化合物，實(shí)際中即使短時(shí)間碰到一起也會(huì)立即分解。 （注：有些化合物是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的，即它雖然是熱力學(xué)不穩(wěn)定的高能態(tài)，但解離途徑存在能壘，導(dǎo)致化合物可以短暫呆在這個(gè)狀態(tài)；此文說(shuō)的穩(wěn)定是指熱力學(xué)穩(wěn)定，即只考慮產(chǎn)物態(tài)勢(shì)能，而不考慮過(guò)渡態(tài)的勢(shì)能） 因此，在這篇文章中，作者對(duì)中性ZnX3的各種解離產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并比較各種解離路線是放熱還是吸熱的。如果所有解離路線都是吸熱的，那么OK，說(shuō)明ZnX3是能夠穩(wěn)定存在的。這對(duì)于ZnF3不難，但是對(duì)于Zn(AuF6)3就不容易了，要考慮Zn(AuF6)2 + AuF4 + F2這樣的路線，和ZnF2 + Au2F10 + AuF4 + F2 這樣的路線，等等。文章中稱這種解離能為片段化能Fragmentation energies. 文章附件對(duì)各種體系羅列了總共數(shù)十種可能的解離方式，十分細(xì)致。他們發(fā)現(xiàn)，ZnF3不穩(wěn)定，分解成ZnF2和(1/2)F2單質(zhì)要放熱；而中性Zn(BO2)3雖然能夠穩(wěn)定存在，但其中Zn是+2價(jià)的。只有Zn(AuF6)3這個(gè)東東可以穩(wěn)定存在且其中Zn為+3價(jià)態(tài)。 對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，即他們?cè)趺创_定配合物中Zn的價(jià)態(tài)，作者給出的理由并不充分，關(guān)鍵處含混其詞。基本上來(lái)說(shuō)，他們對(duì)優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)做了NBO布局分析何軌道占據(jù)分析，然而卻又指出NBO分析并不能確定無(wú)誤地給出氧化價(jià)態(tài)的結(jié)果，然后給出了一個(gè)自己的判別條件，認(rèn)為只要3個(gè)配體在優(yōu)化中沒有塌縮到一起的傾向，就能稱之為3價(jià)氧化態(tài)存在。這實(shí)際上還是從幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上分析。不過(guò)，這3個(gè)配體卻并非C3對(duì)稱，而是C2對(duì)稱，這一點(diǎn)，作者甚至回避了解釋。并總結(jié)說(shuō)明，預(yù)測(cè)了一個(gè)“配體不會(huì)聚集”的化合物，以強(qiáng)調(diào)其3配位態(tài)的穩(wěn)定性。但是，3配位態(tài)等于3價(jià)氧化態(tài)嗎？我認(rèn)為這是本文暗含的一個(gè)邏輯缺陷。 結(jié)論是，這是一篇值得看看的文章。如果有興趣，可以接著討論如何確定其中Zn的氧化態(tài)到底是否+3；或者，沿著作者的思路，看看能不能和其它過(guò)渡態(tài)金屬結(jié)合，預(yù)測(cè)新的，有更高電子親和能的配合物。 反駁該文觀點(diǎn)的JACS文章：Zn真的有Zn(III)價(jià)的氧化態(tài)嗎？--JACS刊登反駁文章 http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=4716600&fpage=1 參考文獻(xiàn)： （1）周益明博客：http://blog.sciencenet.cn/blog-696730-585676.html （2）JACS原文 （3）報(bào)道1 （4）報(bào)道2 （5）報(bào)道3 [ Last edited by ChemiAndy on 2012-7-11 at 15:31 ] |
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