SUPERVISOR
Hossein Farrokhpour,Kiamars Eskandari
حسین فرخ پور (استاد مشاور) کیامرث اسکندری (استاد راهنما)
STUDENT
Nasim Orangi Khorzooghi
نسیم اورنگی خورزوقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Investigation of directionality of fluorine bonds in comparison with halogen bonds and nature of non-covalent fluorine-fluorine interactions
In the first study, Interacting Quantum Atoms (IQA) and Interacting Quantum Fragments (IQF) analyses were used to study F_3 C-X?NH_3 (X= Cl and Br) model complexes in order to determine the origin of halogen bond directionality. IQA allows for the calculation of intra- and interatomic classical and exchange-correlation energies. The Relative Energy Gradient (REG) method is also applied to rank the IQA energies and reveal which energy contributions best describe the total behavior of the system. Indeed, all the pairwise interactions and atomic self-energies are angularly dependent; some terms favor the linear structure and some tend toward nonlinear arrangements. Furthermore, the REG values revealed that the contribution of the X…N interaction to the total behavior of the system is small. Finally, IQF calculations followed by REG analysis revealed the importance of the self-energy of the fragments. In the second study, different computational methods were used to investigate the nature of interaction in the fluorine-containing complexes in which the fluorine atom acts as a Lewis acid and forms a non-covalent bond with the ammonia (Lewis base). The fluorine non-covalent interactions are somewhat different from the well-known halogen bonds of chlorine, bromine, and iodine. The halogen bonds of Cl and Br containing molecules are directional and the C-X-N angle tends to be linear. In contrast, the fluorine interaction is not directional; its interaction energy profile is flat over a wide angular range (from 180° to 140°). However, for the angles less than 130°, the energy curve showed a clear angular dependence and the F-N interaction becomes stronger as the C-F-N angle decreases. It seems that at the tighter angles, a tetrel bonded complex is preferred. In the third study, various complexes containing F?F interaction were studied to find the nature of the non-covalent fluorine-fluorine interactions. Since the charge, electrostatic potential and electron density distribution of the interacting fluorine atoms are identical, their interaction cannot be regarded as a Lewis acid-base interaction. However, there is a bond path and hence a bond critical point in the F…F interactions. It is noted that, although the fluorine atoms are connected by bond paths, IQA analysis showed that the F…F interactions are repulsive in nature and destabilize the complexes. Instead, the secondary interactions (i.e. the interactions between not connected atoms) are the driving force for the complex formation. IQF analysis presented that, the quantum inter-fragment interaction plays an important role in the stabilization of the complexes. Hence, the NBO and NBCP analyses and NAdO orbitals were studied to find the origin of the electron delocalization between the monomers. Fluorine lone pair NBOs contributes noticeably to electron density at the position of the BCP(F...F), although the C-F bonding NBOs have a non-negligible contribution in ?_BCP. In addition, the NAdO orbitals which localized on the n-centered monomers have key contribution to the DI value between monomers
در پژوهش نخست، برای یافتن منشأ جهتگیری پیوند هالوژنی در کمپلکسهای CF_3 X…NH_3 (X=Br,Cl) که به عنوان مدل انتخاب شدهاند، از روشهای برهمکنش اتمهای کوانتومی (IQA) و برهمکنش فرگمنتهای کوانتومی (IQF) استفاده شد. روش IQA، سهمهای انرژیهای کلاسیکی و همبستگی-تبادلی درون اتمی (خود-انرژی) و بین اتمی را محاسبه میکند. همچنین، به منظور رتبه بندی کردن سهمهای انرژی IQA و تعیین سهمهایی که بهترین توصیف را از رفتار کل سیستم دارند، از روش گرادیان نسبی انرژی (REG) استفاده شد. نتایج IQA/IQF نشان میدهد همه برهمکنشهای میان اتمی و خود-انرژیها دارای وابستگی زاویه هستند، بعضی از آنها ساختارهای خطی کمپلکسها را مطلوب میکنند و بعضی دیگر در ساختارهای غیرخطی مطلوبتر هستند. همچنین، مقادیر REG نشان میدهد که سهم انرژی برهمکنش هالوژن-نیتروژن در انرژی کل سیستم کوچک است. در نهایت، محاسبات IQF به همراه بررسی REG اهمیت سهم خود-انرژیهای مونومرها را نشان میدهد. در پژوهش دوم، روشهای شیمی محاسباتی مختلفی برای بررسی ماهیت برهمکنش در کمپلکسهای دارای فلوئور انجام شد که در آنها فلوئور به عنوان اسید لوویس رفتار میکند و با یک باز لوویس (مانند آمونیاک) برهمکنش غیر کووالانسی تشکیل میدهد. برهمکنشهای غیر کووالانسی فلوئوری تا حدودی با پیوندهای هالوژنی رایج کلر، برم و ید متفاوت هستند. پیوندهای هالوژنی دارای کلر و برم جهتگیری بالایی دارند و زاویه C-X-N در آنها متمایل به خطی شدن (?=?"180" ?^°) است. بر خلاف پیوندهای هالوژنی، پیوندهای فلوئوری در محدوده وسیعی از زاویهها (?=?"180" ?^° تا ?=?140?^°) دارای جهت گیری نیستند و منحنی انرژی آن مسطح است. با این حال، این برهمکنشها وابستگی زاویه را در زاویههای کوچکتر از ?130?^° نشان میدهند و برهمکنش بین مولکولهای دارای فلوئور و مولکول آمونیاک با کاهش زاویه قویتر میشود. به نظر میرسد که در زاویههای کوچکتر از ?130?^° کمپلکسها تمایل به تشکیل پیوندهای تترل دارند. در پژوهش سوم، به منظور یافتن ماهیت برهمکنشهای غیرکووالانسی فلوئور-فلوئور، کمپلکسهای مختلفی که دارای برهمکنش F?F هستند، مطالعه شدند. به دلیل اینکه اتمهای فلوئور برهمکنش کننده دارای بار، پتانسیل الکتروستاتیک و توزیع چگالی الکترونی یکسانی هستند، برهمکنش بین آنها نمیتواند از نوع برهمکنش اسید-باز لوویس باشد. با این حال، یک مسیر پیوند و همچنین نقطه بحرانی پیوند در برهمکنشهای F…F وجود دارد. لازم به ذکر است، اگرچه اتمهای فلوئور از طریق مسیر پیوند به یکدیگر متصل هستند، اما بررسی IQA نشان داد که ماهیت برهمکنشهای F…F از نوع دافعه است و عامل ناپایدارکننده در کمپلکسها است. به جای آن، سایر برهمکنشها (برهمکنش بین اتمهای بدون اتصال) عامل اصلی در تشکیل این کمپلکسها هستند. بررسی IQF نشان داد که برهمکنش کوانتومی بین مونومری نقش مهمی در پایداری کمپلکسهای مورد نظر دارد. بنابراین، به منظور یافتن منشأ عدم استقرار الکترون (DI) بین دو مونومر، روشهای NBO و NBCP و همچنین اوربیتالهای NAdO بررسی شدند. NBOهای جفت الکترون ناپیوندی اتمهای فلوئور به طور قابل توجهی در چگالی الکترونی BCP برهمکنش F…F شرکت میکنند، اگرچه سهم NBOهای پیوندی C-F نیز قابل صرف نظر نیست. همچنین، اوربیتالهای NAdO که روی مراکز مونومرهای تشکیل دهنده دیمرها مستقر شدهاند، سهم مهمی در عدم استقرار الکترون بین مونومرها دارند.