Quantenchemische Rechnungen an der Komplexverbindung von Gold Dipyridyl

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1 Quantenchemische Rechnungen an der Komplexverbindung von Gold Dipyridyl Ferenc Billes a,b, Livia Kocúrová b, Hans Mikosch c a Lehrstuhl für Physikalische Chemie und Materialwissenschaft, Budapester Universität für Technologie und Wirtschaftwissenschaft, H-1521 Budapest, Budafoki ut 8, b Lehrstuhl für Analytische Chemie, Pavol Jozef Safárik Universität, SK Kosice, Slovak Republik, c Institut für Chemische Technologien und Analytik, Technische Universität Wien, A-1060 Vienna, Getreidemarkt 9/164-EC, Österreich, 1. Einleitung Komplexverbindungen spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung kleiner Mengen von Übergangsmetallen; das ist eines unserer Forschungsthemen [1]. Zuletzt untersuchten wir häufig Dipyridyl Komplexe von Übergangsmetallen [2-5]. In dieser Arbeit möchten wir mit quantenchemischen Rechnungen den elektronischen Zustand des Metalls, die chemische Bindung zwischen Metall und Ligand, sowie die Struktur der komplexen Verbindung näher zu untersuchen. Unser Modell ist hier das komplexe Ion Gold 2,2 -Dipyridyl. 2. Rechnungen Für die Rechnungen wurde das Gaussian 09 Programmpaket [6] verwendet. Der Ligand, 2,2 -Dipyridyl (dip), wurde mit dem B3LYP Funktional und dem 6-31G** Basissatz berechnet. Die Rechnung für die komplexe Verbindung mit ihrem Gold-Zentralatom war mit LANL2DZ Basissatz durchführbar. Die 2,2 -Dipyridyl Rechnung ging am normalem Weg: Zuerst wurde die optimierte Geometrie berechnet. Dabei wurden als Ergebnisse erhalten auch die Atomladungen (Mulliken [7] und NBO [8,9]), die Molekülenergie, und das Dipolmoment. Über die zweite Differenzierung der Molekülenergie nach den kartesischen Koordinaten erhielten wir die Frequenzen und weiters die Intensitäten der Normalschwingungen. Diese Ergebnisse wurden nur zum Vergleich angewendet. Die erste Aufgabe war, mit dem Komplex die Anzahl der Liganden und die Ladung des komplexen Ions zu bestimmen. Der Anzahl der Liganden wurde für Gold mit zwei bestimmt, und die Ladung des Gold Ions ergab sich als +3. Die weitere Aufgabe war die Erstellung einer Anfangsgeometrie des komplexen Ions. Die weiteren Rechnungsschritte waren wie beim Ligand. Aufgrund der berechneten Frequenzen und Intensitäten ist eine Simulierung der Infrarot- und Ramanspektren möglich. Für die Form der Banden über die Lorentz sche Bandfunktion wurde 15 cm -1 Halbwertsbreite angenommen und unser selbst geschriebenes Programm benutzt. 3. Ergebnisse und Diskussion 3.1. Molekülgeometrie Die Molekülgeometrie des Goldkomplexes ist in Abb. 1 dargestellt. Das Molekül ist in zwei Ansichten gezeigt. Zusätzlich ist eine ebene Projektion mit der Nummerierung der Atome angeführt.

2 a. b. c. Abb. 1. Die Struktur des (dip) 2 Au 3+ Komplexes. a: Obenansicht, b: Seitenansicht, c: Nummerierung der Atome Die Tabelle 1 zeigt einige wichtige Strukturparameters des Liganden und des Komplexes. Entsprechend der NBO Rechnungen wurden die Stickstoff-Gold Bindungen analysiert. An der Bindung N40 Au41 ist zu 99,32% Gold und nur zu 0,68% Stickstoff beteiligt. Von der Seite des Gold Atoms nehmen s Elektronen mit 17,47%, die p Elektronen mit 25,28% und die d Elektronen mit 57,25% teil. Die entsprechenden Werte für Stickstoff sind 0,03%, 99,97% und 0%. Das heißt, in dieser Bindung überwiegt die Beteiligung der p und d Elektronen.

3 Tabelle 1 Einige Strukturparameter Parameter a,b dip Au(dip) 2 r (C1,N20) r (C5,N20) r(c1,c6) r (N15,Au) r (N20,Au) ϕ (N15,Au,N20) ϕ (N15,Au,N35) a r: Abstände in Angstrom, ϕ: Winkeln in Grad. b Die Atomnummern finden Sie in Abb. 1c, die Nummerierung des Dipyridyls entspricht des ersten Ligands. Wie Abb. 1 zeigt, ist der Komplex ist kein planares Molekül. Die Liganden sind über einander symmetrisch. So hat die Verbindung die relativ hohe Symmetrie D Atomladungen Die Elektronenstruktur des Au Atoms im Komplex ist Xe4f(14)5d(8.93)6s(0.38) 6p(0,14)6d(0,02)7p(0,13); das freie Atom hat Xe4f 14 5d 10 6s 1. Insgesamt anstatt 79 Elektronen des freien Atoms hat in dieser Verbindung Gold 77,6 Elektronenladungen; so wurde es um 1,4 atomare Ladungseinheiten positiver. Tabelle 2 zeigt die netto-mulliken und die NBO Ladungen. Im Vergleich der Ladungen des Komplexes mit jenen der freien Liganden wurden die Stickstoffatome negativer, die zu den Stickstoffatomen näher stehenden Kohlenstoffatome hingegen positiver, aber die anderen Kohlenstoffatome wieder negativer. Alle Wasserstoffatome haben positive netto-ladungen. Diese Daten zeigen eindeutig den Elektronenschub des Goldatoms in Richtung der Stickstoffe. Diese Effekte sind wie bei den Mulliken Ladungen so auch an den NBO Daten klar erkennbar.

4 Tabelle 2 Netto Ladungen des Au(dip) 2 Ions (atomare Einheiten) a Atom Nummer/Atom Art/Mulliken Ladung Atom Nummer/Atom Art/NBO Ladung dip Au(dip) 2 dip Au(dip) 2 1 C 0,231 1 C 0, C 0,450 1 C 0,185 1 C 0, C 0,265 2 C -0,102 2 C -0, C -0,215 2 C -0,263 2 C -0, C -0,200 3 C -0,061 3 C -0, C -0,086 3 C -0,204 3 C -0, C -0,013 4 C -0,096 4 C -0, C -0,179 4 C -0,278 4 C -0, C -0,215 5 C 0,097 5 C -0, C -0,003 5 C 0,024 5 C 0, C 0,167 6 C 0,231 6 C 0, C 0,450 6 C 0,185 6 C 0, C 0,265 7 C -0,102 7 C -0, C -0,215 7 C -0,263 7 C -0, C -0,200 8 C 0,097 8 C -0, C -0,003 8 C 0,024 8 C 0, C 0,167 9 C -0,061 9 C -0, C -0,086 9 C -0,204 9 C -0, C -0, C -0, C -0, C -0, C -0, C -0, C -0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, N -0, N -0, N -0, N -0, N -0, N -0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, H 0, N -0, N -0, N -0, N -0, N -0, N -0, Au 1, Au 1,423 a Die Atomnummern finden Sie in Abb. 1c, die Numerierung des Dipyridyls entspricht. des ersten Ligandes Kraftkonstanten Rechnungen für die Kraftkonstanten und die Verteilung der potenziellen Energie sind zweckmäßig in Inneren Koordinaten durchzuführen. Es war daher notwendig, die berechneten kartesischen Koordinaten entsprechend zu transformieren. So war es notwendig, Innere Koordinaten zu definieren. Ausgegangen wurde von schon anfangs definierten Inneren Koordinaten für 2.2 -Dipyridil. Dabei ist die Definition für einen Sechser Ring relativ einfach, und drei ebene und drei senkrechte Deformationskoordinaten fallen weg. Doch bei zwei derartigen Ringen in einem Molekül treten Widersprüche auf. Der Einbau des Goldatoms zwischen die zwei 2,2 -Dipyridil Liganden macht weitere Schwierigkeiten. Darüberhinaus kann die Symmetrie des komplexen Ions nicht genutzt werden. Die einzige Lösung ist der Aufbau des Ions durch Zugabe der Atome nacheinander, um das Ion zu bilden.

5 Tabelle 3 Au(dip) 2 interne Koordinaten und diagonale Kraftkonstanten a Ser. Interne Koordinate b Kraftkonstante Zahl stante Ser. Kraftkon- Interne Koordinate Zahl 1 r (2,1) τ (40,41,15,6) r (3,2) r (21,40) ϕ (3,1,2) ϕ (21,41,40) r (4,3) τ (21,40,41,15) ϕ (4,2,3) r (22,21) τ (4,3,2,1) ϕ (22,40,21) r (5,4) τ (22,21,40,41) ϕ (5,3,4) r (23,22) τ (5,4,3,2) ϕ (23,21,22) r (20,5) τ (23,22,21,40) ϕ (20,4,5) r (24,23) τ (20,5,4,3) ϕ (24,22,23) r (6,1) τ (24,23,22,21) ϕ (6,20,1) r (25,24) τ (6,1,20,5) ϕ (25,23,24) r (7,6) τ (25,24,23,22) ϕ (7,1,6) r (26,21) τ (7,6,1,20) ϕ (26,40,21) r (9,7) τ (26,21,40,25) ϕ (9,6,7) r (27,26) τ (9,7,6,1) ϕ (27,21,26) r (10,9) τ (27,26,21,40) ϕ (10,7,9) r (29,27) τ (10,9,7,6) ϕ (29,26,27) r (8,10) τ (29,27,26,21) ϕ (8,9,10) r (30,29) τ (8,10,9,7) ϕ (30,27,29) r (15,8) τ (30,29,27,26) ϕ (15,10,8) r (28,30) τ (15,8,10,9) ϕ (28,29,30) r (41,20) τ (28,30,29,27) ϕ (41,6,15) r (35,28) τ (41,20,1,6) ϕ (35,30,28) r (40,41) τ (35,28,30,29) ϕ (40,15,41) a Alle Skalierfaktoren sind 0,810, die Einheiten der Kraftkostanten sind Nm -1 für Streckkoordinaten und 10 2 Nm für Deformationskoordinaten. b Koordinaten weggelassen (sie betreffen Wasserstoffatome).

6 Die berechneten Kraftkonstanten waren alle mit 0,81 skaliert. Die Angaben sind in der Tabelle 3 angeführt. Einige besonders große Kraftkonstanten ergaben sich daraus, da nicht-lineare Schwingungen mit linearen Inneren Koordinaten berechnet wurden. Das läßt sich derart interpretieren, daß innere Spannungen in der Verbindung vorliegen. Die diagonalen Kraftkonstanten der Deformationskoordinaten 20 und 23 sind außerordentlich groß. Dieses Ergebnis zeigt, daß die Deformation des entsprechenden Rings besonders große Kraft erfordert Eigenschaften der berechneten Schwingungsrassen Die Ergebnisse der Rechnungen für die Skalierung und die potenzielle Energieverteilung sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Hier sind nur jene Schwingungsrassen angeführt, an denen das Gold Atom beteiligt ist. Man kann keine Au N Gruppenschwingungen finden. Alle mit dem Gold Atom verbundenen Koordinaten sind auf viele Schwingungen verteilt; doch diese finden sich nur unter 700 cm Simulierte Schwingungsspektren Die Simulierung der Schwingungsspektren beruht auf den berechneten Schwingungsrassen, den Intensitäten und den skalierten Frequenzen; für alle Banden wurde eine Halbwertsbreite von 15 cm -1 gewählt und die Lorentz sche Bandfunktion angewendet. Unser selbst geschriebenes Programm stellt mit Hilfe dieser Angaben die Infrarot- und Ramanspektren dar. Diese sind in Abb. 2. bzw. Abb. 3. wiedergegeben und den entsprechenden Ligandenspektren gegenübergestellt. Abb.2. Simulierte Infrarot Spektren

7 Tabelle 4 Au(pyd) 2 Berechnete Frequenzen und Potenzielle Energie Verteilung a Frequenz cm -1 Potenzielle Energie Verteilung (%) unter den inneren Koordinaten b β CC 45 ν NAu 21 β NAu β CC 59 ν NAu 15 β NAu β CC 44 β NC 12 β NAu β CC 48 β NC 15 β NAu β CC β CC τ CC 40 τ NC τ CC 55 τ NC ν CC 14 β CC 42 τ CC β CC τ CC τ CC τ CC β CC 13 τ CC τ CC 59 τ NC τ CC ν CC 30 β CC 17 ν NAu 12 β NAu ν CC 37 β CC 29 β NAu β CC 34 ν NAu β NAu τ CC 46 τ NC 27 β NAu β CC β CC 11 τ CC τ CC 26 β NAu β NAu ν CC 16 ν NAu 36 β NAu ν CC 10 τ CC 15 τ NC 14 ν NAu τ CC 17 ν NAu 22 τ NAu τ CC 19 ν NAu 14 β NAu 12 τ NAu β CC 20 τ CC τ CC β CC 19 τ CC β NC 12 τ NC 36 τ NAu τ CC τ NC 34 β NAu 21 τ NAu 37 a Unter 700 cm -1, wo auch Au Bewegungen beteiligt sind. b Verteilungen nicht grösser als 10%; ν: Streckung, β: ebene Deformation; τ: Torsion, γ: senkrechte Deformation.

8 Abb. 3. Simulierte Raman Spektren Beim Vergleich der Infrarot Spektren des Komplexes und des Liganden fällt sofort auf, daß die relative Intensität der C-H Valenzschwingungen mit der Komplexbildung ganz stark sank, trotz ihrer relativ identen Häufigkeit. Mehrere Banden im fingerprint Bereich wurden stärker. Die relative Intensität einiger Banden, wie z.b. die Gerüstschwingung um 1560 cm -1, änderte sich nicht. Im Vergleich der Raman Spektren ist der Unterschied nicht so deutlich. Alle Banden unter 800 cm -1 sind ziemlich schwach. Die Intensität der schon erwähnten Bande dominiert die Region unter 1600 cm Zusammenfassung Die Rechnungen an unserer Modellverbindung zeigen, wie man quantenchemische Rechnungen an Übergangsmetallkomplexen durchführen kann. Schwierigkeiten entstehen bei der Definition der notwendigen Zahl von unabhängigen Inneren Koordinaten: Elegante und eindeutige Definitionen sind nicht anwendbar. Die Anwesenheit des Metallatoms bei den Liganden beeinflußt sehr stark deren Elektronenverteilung: Große Ladungsverschiebungen entstehen. Auch das Elektronensystem des Zentralatoms ändert sich wesentlich. Dabei spielt auch die Ionenladung eine Rolle. Die wichtigste Änderung bei den Spektren durch die Komplexierung ist der Wechsel der Intensitäten, aber auch das Auftreten von mehreren neuen Banden kann man beobachten.

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