论文摘要
自20世纪60年代以来,对碳硼烷和金属碳硼烷的研究引起了人们的广泛关注。半个世纪以来,碳硼烷在合成、结构、性质和应用方面的研究取得了很大的成果。碳硼烷是用C原子替代BH单元或用CH单元替代BH-单元形成的一类重要的硼烷衍生物,其构型的典型性以及化学键的特殊性,在很多方面都有所应用。近年来,随着非线性光学（NLO）材料研究领域的不断扩展,关于碳硼烷非线性光学的理论研究引起了人们的兴趣。Allis及其研究组对具有笼状结构的12顶点闭合型碳硼烷为桥连基团体系的NLO活性进行了系列的理论研究,表明碳硼烷良好的刚性结构对NLO性质有一定的贡献。本文用密度泛函理论（DFT） B3LYP方法,对5,6,7顶点简单闭合型碳硼烷作为桥连基团、作为受电子基团的模型分子进行优化,并结合有限场（FF）方法对其非线性光学性质进行计算研究;同时对14顶点闭合型碳硼烷的结构和稳定性进行了理论探讨。得到的主要研究结果如下:1. 5, 6, 7顶点双取代碳硼烷桥连分子受推拉电子基的影响,5, 6, 7顶点碳硼烷的构型发生一定变化,碳硼烷中两个C原子间的距离变长;同时碳硼烷中两个C原子取代位置的不同,影响了分子的稳定性和极化率,取代基团与碳硼烷中成键数较低的C原子相连的异构体,稳定性较好且具有大的极化率; 5,6,7顶点双取代碳硼烷桥连分子形成一维结构有利于分子内电荷转移,在电荷转移过程中偶极矩变化较大的体系,其二阶NLO系数也较大。2.以5, 6, 7顶点双取代碳硼烷为吸电子基团,通过苯乙烯桥和二茂铁构成的模型分子中,碳硼烷与苯环间的C-C键长较大,构型较稳定。碳硼烷中负电荷分布较少也有利于分子的稳定性。碳硼烷中两个C原子之间的距离较小时,有较大的偶极矩、极化率和二阶NLO系数。这些分子的前线分子轨道能级相差不大,基本规律是碳硼烷中两个C原子间的距离越小,对应分子的前线分子轨道能级越低,且HOMO与LUMO能级差随着碳硼烷中两个碳原子间距离的减小而减小,同时能级差值小的分子有大的β值。3. C2B12H14碳硼烷的九个异构体都有对应的稳定构型,并基本保持了B14H142-的骨架构型,只有1,14-C2B12H14的结构相对于B14H142-在轴向方向被“压扁”;除两个C原子取代轴顶点位置B原子的1,14-C2B12H14外,其他构型稳定性均随着两个C原子之间距离的增大而增加,但C原子取代高成键数的B原子不利于其构型的稳定性。各异构体的负电荷主要分布在C原子上,同时处于轴向位置的B原子也有部分负电荷,它们可能成为反应的亲核活性中心。异构体的HOMO能级的高低与其稳定性相对应,HOMO能级低的异构体稳定性好。