C20分子异构体的结构与特性研究

论文摘要

首先,本文研究了C20三种异构体的基本结构特征,并采用HMO方法对环型,碗型,笼型三种异构体进行了稳定性比较,得到了它们的稳定性次序。然后在对C20富勒烯分子了解的基础上选择了对富勒烯计算比较适合的密度泛函理论进行了所有计算。根据计算模型的需要和计算机软硬件的实际情况采用了密度泛函理论中比较常用的B3LYP方法和6-31G*基组。首先,我们对属I h对称群的C20富勒烯进行了传输特性研究,然后对属于C1对称群的C20富勒烯的闭壳层基态结构为模型在高斯98上进行了结构优化,振动频率等计算,得到了属于C1群的C20富勒烯分子的能量、能级、能隙、振动光谱、电子结构等特征。它的分子轨道具有明显的离域特征,这可能是C20富勒烯分子虽然违反五元环隔离规则却能够稳定存在的原因。在对C20富勒烯有了更全面认识的基础上,我们又选择了迄今为止被认为是最可能稳定存在的其它几种分属D2h, C2h, D3d, C2和Ci对称群的C20富勒烯进行了结构优化,频率以及NBO（自然键轨道）计算并对结果进行了分析,这也是本文的主要创新点。通过对这几种对称群C20富勒烯分子的能量,能级,能隙,振动光谱以及电子结构等特征进行比较发现:最短的C-C键长为0.1368nm,最长的键长为0.1538nm,都出现在属于C 2对称群的C20分子中,有明显的离域特征,与从分子轨道密度图看到的C20分子的离域特征一致。分属这几种对称群的C20富勒烯分子能量差别很小,能量并不随对称性降低而逐渐降低,它们基本属于等能体,并且LUMO-HOMO能隙大小也基本相同。它们的热力学稳定性顺序为: C2> D2h> D3d> Ci> C2h。分属这五种对称群的C20富勒烯分子的红外光谱特征基本一致,具有数目基本相同和强度差别较小的特征峰。NBO计算表明,在这些对称群下, C20分子轨道杂化特性和电荷转移特性仅存有细微的差别。从计算结果进行理论分析,振动光谱和电荷布局分析都可以作为实验上鉴定C20富勒烯分子异构类型的参考。13CNMR谱图是鉴别异构类型的有力工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 20 富勒烯分子对称性研究'>1.2.1 C₂₀富勒烯分子对称性研究
• 20 分子特性研究'>1.2.2 C₂₀分子特性研究
• 1.3 本文研究内容和结构
• 1.3.1 论文主要内容和研究意义
• 1.3.2 论文结构
• 第二章 富勒烯的基本知识
• 2.1 富勒烯的发现与基本结构特征
• 2.2 富勒烯的制备
• 2.3 富勒烯的性质及应用
• 2.4 几种小富勒烯分子简介
• 60 分子简介'>2.4.1 富勒烯C₆₀分子简介
• 50 分子简介'>2.4.2 富勒烯C₅₀分子简介
• 20 分子简介'>2.4.3 富勒烯C₂₀分子简介
• 2.4.4 研究小富勒烯分子的意义
• 第三章 计算方法与软件
• 3.1 HMO 方法简介
• 3.2 密度泛函理论与方法简介
• 3.2.1 密度泛涵理论介绍
• 3.2.2 密度泛涵理论下的方法和基组介绍
• 3.3 计算软件--高斯98 简介
• 第四章 C20分子特性研究
• 20 分子三种异构体的几何结构及研究历史'>4.1 C₂₀分子三种异构体的几何结构及研究历史
• 20 分子的三种异构体的稳定性'>4.2 HMO 方法比较C₂₀分子的三种异构体的稳定性
• 4.2.1 计算模型与计算过程
• 4.2.2 计算结果与讨论
• 第五章 富勒烯C20分子的特性研究
• h对称群C₂₀ 富勒烯分子的特性研究'>5.1 I_h对称群C₂₀富勒烯分子的特性研究
• h对称与C₁ 对称分子结构特征比较'>5.1.1 I_h对称与C₁对称分子结构特征比较
• h对称C₂₀ 富勒烯分子电子输运研究'>5.1.2 I_h对称C₂₀富勒烯分子电子输运研究
• 5.1.3 小结
• 1对称群C₂₀ 富勒烯分子的特性研究'>5.2 C₁对称群C₂₀富勒烯分子的特性研究
• 20 富勒烯分子的几何结构特征'>5.2.1 C 1 对称群C₂₀富勒烯分子的几何结构特征
• 1对称性C₂₀ 富勒烯的能级与电子密度分布'>5.2.2 C₁对称性C₂₀富勒烯的能级与电子密度分布
• 1对称性C₂₀ 富勒烯分子的分子轨道杂化特征'>5.2.3 C₁对称性C₂₀富勒烯分子的分子轨道杂化特征
• 5.2.4 C 1 对称性C20 富勒烯的电子结构特征
• 5.2.5 C 1 对称性C20 富勒烯的振动光谱特征
• 2h , C_2h , D_3d，C_i和C₂对称群C₂₀ 富勒烯分子的特性比较'>5.3 D_2h , C_2h , D_3d，C_i和C₂对称群C₂₀富勒烯分子的特性比较
• 5.3.1 键长参数与离域特性比较
• 13C NMR 谱图特征分析'>5.3.2 结构对称性及¹³C NMR 谱图特征分析
• 5.3.3 能量及稳定性比较
• 5.3.4 光谱特征比较
• 5.3.5 电子结构特征比较
• 20H₂₀分子结构'>5.3.6 C₂₀H₂₀分子结构
• 5.3.7 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录