Диагностирование спинового состояния переходных металлов в координационных соединениях методами ик-спектроскопии и квантовой химии

На правах рукописи

ГРЯЗНОВА ТАТЬЯНА ПАВЛОВНА

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СПИНОВОГО СОСТОЯНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ В КООРДИНАЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МЕТОДАМИ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ И КВАНТОВОЙ ХИМИИ

01.04.05 – Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

КАЗАНЬ – 2010

Работа выполнена в лаборатории оптической спектроскопии Учреждения Российской академии наук Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН

Научный руководитель	доктор химических наук
	Кацюба Сергей Александрович
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор
	Фишман Александр Израилович
	кандидат физико-математических наук, доцент
	Юрьева Эльмира Ибрагимовна
Ведущая организация	Учреждение Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра РАН

Защита диссертации состоится 16 декабря 2010 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.07 при Казанском (Приволжском) федеральном университете по адресу 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского (Приволжского) федерального университета.

Автореферат разослан « 11 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Камалова Д.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Колебательная спектроскопия широко применяется для установления состава комплексов переходных металлов и самого факта комплексообразования, что основано на известных корреляциях между структурой и спектрами соединений. Вариация спинового состояния металла при неизменном лигандном окружении также может оказывать влияние на ИК и КР-спектры металлокомплексов, и выявление соответствующих корреляций важно не только для фундаментальной науки, но и для современного материаловедения, в частности, для анализа таких перспективных объектов высоких технологий как молекулярные магнетики, а также металлокомплексы с регулируемым спиновым переходом. Молекулярные магнетики находят применение в разных областях: магнитная защита от низкочастотных полей, научное приборостроение, криогенная техника, информационные технологии, медицина, энергетика. Комплексы с контролируемым спиновым переходом также являются перспективными материалами, например, для создания элементов хранения информации. Развитие методов исследования таких соединений является актуальной задачей.

Традиционно для исследования магнитного поведения металлокомплексов применяется несколько физических методов, каждый из которых имеет определенные ограничения. Например, применение спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) к изучению систем со значительным расщеплением спиновых подуровней требует приложения очень сильных полей, что далеко не всегда возможно в условиях рутинного эксперимента. Измерение магнитной восприимчивости дает лишь общую макроскопическую картину явления и в случае плавного изменения эффективного магнитного момента не позволяет установить, является ли такое изменение результатом постепенного изменения спина одной формы соединения, либо изменения процентного соотношения двух форм, обладающих разным спином. Прямую информацию о спиновом состоянии электронов металлоцентра может дать мессбауэровская спектроскопия, возможности которой, однако, в основном ограничены комплексами железа. Диагностика спинового состояния на основе анализа силы связывания между металлом и лигандом по данным длинноволновой ИК-спектроскопии затруднена низким соотношением сигнал-шум, характерным для спектроскопии в дальней ИК-области, трудностями отнесения полос поглощения валентных колебаний металл-лиганд и их перекрыванием с полосами лигандов.

Более универсальным подходом могло бы стать исследование спинового состояния металла по всей совокупности полос колебаний лигандов в области ~400 – 1600 см-1. Однако полная интерпретация спектров в этой области является нетривиальной задачей, для которой необходимо привлечение квантово-химических методов. В связи с этим актуальным является критический анализ возможностей квантовой химии адекватно предсказывать колебательные спектры при различных спиновых состояниях металлов.

Несмотря на имеющиеся в литературе работы, в которых исследуются отдельные чувствительные к спину металла полосы колебаний лигандов, общая задача о влиянии спина металла на колебательные спектры в средней области не решена, в то время как колебательная спектроскопия в сочетании с расчетными методами квантовой химии могла бы стать еще одним мощным инструментом диагностирования и исследования спинового состояния соединений переходных металлов.

Цель работы. Диссертация посвящена разработке подхода к диагностированию спинового состояния металлов в металлокомплексах на основе комбинированного применения инфракрасной спектроскопии и квантовой химии, а также анализу природы взаимосвязи ИК-спектров комплексных соединений с их спиновым состоянием в рамках предлагаемого подхода.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать применимость методов квантовой химии для описания колебательных спектров металлсодержащих молекул в основном и возбужденном спиновых состояниях.

2. Выявить колебания лигандов, чувствительные к спиновому состоянию металла.

3. Установить причины изменений интенсивностей и частот ИК-полос поглощения лигандов в спектрах металлокомплексов при изменении спина металла.

Научная новизна. Впервые выполнен критический анализ возможностей методов теории функционала плотности для предсказания колебательных спектров металлсодержащих соединений как в основном, так и в возбужденном спиновом состояниях. Показано, что расчеты с использованием функционала B3LYP адекватно предсказывают колебательные спектры для различных спиновых состояний - и -комплексов переходных металлов с ароматическими лигандами при условии отсутствия в молекулах алкильных групп. Выявлены полосы лигандов, чувствительные к спиновому состоянию металла, и впервые показано, что характер этой чувствительности не зависит от природы металла и определяется изменением силового поля лиганда, происходящим при изменении спинового состояния металлокомплекса. Впервые проведено исследование спинового перехода в комплексах [Fe{HC(pz)3}2]A2, pz = пиразолил, A= Cl–, I–, ClO4–, 1/2 SiF62–, 1/4 TCAS4- (TCAS = парасульфонатотиакаликс[4]арен) методами колебательной спектроскопии. Выявлены ИК-спектральные признаки включения комплексов [Fe{HC(pz)3}2] в полость парасульфонатотиакаликс[4]арена.

Научно-практическая значимость. Предложен метод диагностики спинового состояния металла по полосам поглощения лигандов, проявляющихся в спектральном интервале 400 – 1600 см-1. Показано, что квантово-химические расчеты позволяют выявлять спектральные признаки спинового состояния металла. Выявленные спектральные маркеры различных спиновых состояний металлокомплексов могут применяться в спектроаналитических исследованиях для диагностирования спинового состояния в родственных системах. Результаты проведенного исследования могут быть полезны при создании и исследовании молекулярных магнетиков, а также металлокомплексов с контролируемым спиновым переходом.

Положения, выносимые на защиту:

1. Изменение спинового состояния металла в комплексах с ароматическими лигандами приводит к изменению частот и интенсивностей инфракрасных полос колебаний лигандов в спектрах комплексов, проявляющихся в спектральном интервале ~400-1600 см-1, что позволяет диагностировать спиновое состояние металла по ИК-полосам координированных к нему лигандов.

2. Основной причиной спектральных изменений является зависимость электронной структуры комплексов от спинового состояния металла, которая проявляется в изменениях силовых постоянных и зарядового распределения в молекулах комплексов при переходах металлов из одного спинового состояния в другое.

3. Методы теории функционала плотности в сочетании с масштабированием силовых постоянных позволяют адекватно предсказывать зависимость частот и интенсивностей ИК-полос в спектрах комплексов Fe(II), Ni(II), Co(II) с ароматическими лигандами от спинового состояния металла даже при использовании небольших базисных наборов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в международных журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в сборнике статей по материалам конференции и тезисы 10 докладов на конференциях различного уровня (региональных, всероссийских, международных).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Научно-образовательной конференции студентов Казанского государственного университета (Казань, 2007), XV Международной конференции по химии соединений фосфора (Cанкт-Петербург, 2008), 6-ой Всероссийской конференции "Молекулярное моделирование" (Москва, 2009), XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии и Молодежной конференции-школе «Физико-химические методы в химии координационных соединений» (Санкт-Петербург, 2009), VI Всероссийской конференции по химии полиядерных соединений и кластеров (Казань, 2009), 1-й Всероссийской научной конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (Новосибирск, 2009), V Международном симпозиуме по дизайну и синтезу супрамолекулярных соединений (Казань, 2009), 12-й конференции им. Фока по квантовой и вычислительной химии (Казань, 2009), IX Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2009), XXIV Съезде по спектроскопии (Москва, Троицк, 2010), международной конференции “Quantum Chemistry beyond the Arctic Circle” – “Promoting Female Excellence in Theoretical and Computational Chemistry” (Sommary – Troms, 2010).

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 21 таблицу, содержит введение, 6 глав, основные результаты и выводы и список цитируемой литературы, насчитывающий 163 ссылки на работы отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

В первой главе приводится краткий обзор работ, посвященных изучению зависимости колебательных спектров металлокомплексов от спинового состояния металла. В первой части рассмотрены экспериментальные работы, в которых наблюдались корреляции между спиновым состоянием металла и ИК-спектрами металлокомплексов. Показано, что диагностирование спинового состояния металла по низкочастотным ИК-полосам колебаний металл-лиганд осложнено их перекрыванием с полосами лигандов и трудностями их отнесения. Использование в качестве спектральных маркеров изолированных полос колебаний таких групп как СН, CN или N3 в составе лиганда, ограничен системами, в которых имеются группировки подобного рода. Более универсальным подходом могло бы стать исследование спинового состояния металла по всем полосам колебаний лигандов в средней ИК области. Поскольку для интерпретации колебательных спектров в этой области требуется привлечение расчетных методов квантовой химии, во второй части главы приведен обзор квантово-химических методов исследования комплексов переходных металлов, а также теоретические основы расчета колебательных спектров. Завершается глава обзором работ, в которых квантово-химические расчеты использовались для интерпретации спектров металлокомплексов при различных спиновых состояниях металла. Показано, что задача установления взаимосвязи спинового состояния с колебательными спектрами комплексов в литературе не решена.

Во ВтОРой главе описаны экспериментальные и расчетные методики, применяемые в рамках диссертационной работы.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена апробации используемого в диссертационной работе метода расчета (функционал B3LYP в сочетании с базисным набором 6-31G* для атомов лигандов и LanL2DZ для атомов металлов) на молекулах 1-3 (рис. 1), в которых электронная оболочка атома переходного металла (вольфрама) заполнена, что предопределяет ее нулевой спиновый момент. Одновременно в данной главе решается задача определения строения впервые синтезированного гермилена 2.

1

2

3

Рисунок 1. Комплексы W(CO)5GeCl2 (1

), [W(CO)5]2Ge (2), W(CO)6 (3)

Сравнение расчетов для молекул 1-3 с экспериментом показывает, что используемый метод позволяет корректно предсказывать колебательные спектры металлокомплексов с закрытой электронной оболочкой. В частности, прогнозируемая расчетом интенсивная полоса антисимметричных валентных колебаний связей W-Ge (asGeWGe, симметрии A2u, 297 см-1) молекулы 3 действительно зарегистрирована в дальнем ИК-спектре на частоте 293 см-1, что можно рассматривать как доказательство предполагаемой структуры соединения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проводится квантово-химический анализ спектров и структур комплексов Fe(II), Ni(II) и Co(II), в которых d-орбитали металла заняты не полностью. Для всестороннего тестирования способности предлагаемого нами подхода прогнозировать спиновое состояние металла в качестве объектов были избраны - и -комплексы с разнообразными ароматическими лигандами (циклопентадиенид- и пентафосфолил-анионы, бипиридин и мезитил). Рассматривалось как высоко-, так и низкоспиновое основное состояние металла в изучаемых комплексах.

Первый раздел главы посвящен исследованию -комплексов – ферроценов, а также их пентафосфолильных аналогов (рис. 2).

Согласно расчетам как ферроцены, так и пентафосфаферроцены в основном состоянии диамагнитны. Энергетическая щель между высоко- и низкоспиновым состояниями превышает 40 ккал·моль-1, введение метильных заместителей несколько понижает ее, а замена углеродного кольца на фосфорное – повышает. Переход от низко- к высокоспиновому состоянию приводит к заметному увеличению расстояний Fe-Cp (Ср = циклопентадиенил), сдвигу колец лигандов по отношению друг к другу и к переходу ферроцена из заслоненной конформации в скрещенную. Расчеты также предсказывают заметные изменения ИК-спектров ферроцена при переходе из низко- в высокоспиновое состояние: полоса неплоских колебаний CH (СН) усиливается и сдвигается от 778 до 825 cм-1, а полоса пульсационных колебаний циклопентадиенильного кольца (СС) существенно ослабляется и сдвигается от 1141 к 1120 cм-1. При этом рассчитанный спектр низкоспинового ферроцена согласуется гораздо лучше с экспериментальной ИК-спектрограммой, чем спектр, предсказанный для высокоспинового ферроцена, в полном согласии с литературными данными об основном спиновом состоянии ферроцена (рис. 3).

Во втором разделе четвертой главы исследуются комплексы с -координацией металла к лиганду. В качестве тестовых систем выбраны комплексы, имеющие один и тот же лигандный состав, но разное спиновое состояние при нормальных условиях: [Ni(bpy)3]2+, [Fe(bpy)3]2+, [Co(bpy)3]2+, (рис. 4), где bpy=бипиридин. Согласно экспериментальным данным по измерению магнитной восприимчивости перхлоратов данных комплексов соединение 5 диамагнитно, Ni в комплексе 6 имеет спин 1, а спин Co в 7 равен 3/2.

При исследовании ИК-спектров комплексов 5-7 выявлена зависимость теоретических колебательных спектров этих соединений от их спинового состояния (рис. 4). Независимо от природы металла чувствительными к спиновому состоянию являются колебания бипиридиновых лигандов СС,CN (~1600 cм-1), СН (~1450 cм-1), а также плоские деформационные колебания СNС,ССС (~1020 cм-1). Различия теоретических спектров высоко- и низкоспиновых форм носят систематический характер и позволяют при сравнении расчетов с экспериментальными спектрами правильно диагностировать высокоспиновое состояние Ni и Co и низкоспиновое состояние Fe в комплексах 5-7.

Следующим шагом стал анализ колебательных спектров комплексов одного металла (Ni), различающихся лигандным составом: NibpyMesBr2 (8) и NibpyBr2 (9), рис. 5 и 6 соответственно, где bpy=бипиридин, Mes=мезитил. согласно измерениям магнитной восприимчивости комплекс 9 является парамагнитным, а комплекс 8 на основании косвенных данных (плоскоквадратная геометрия, красный цвет комплекса и неуширенный ЯМР-спектр) диамагнитен.

а

б

Рисунок 5. Структурные формулы комплексов 8

(а) и 9 (б).

В то время как структура комплекса 8 известна из данных рентгено-структурного анализа, геометрия комплекса 9 не определена. Нами были предложены три варианта структуры (рис. 6) для этого комплекса, соответствующие разным спиновым состояниям Ni.

а

б

в